Chất lượng của lớp mạ phụ thuộc nhiều vào các thông số trong quá trình mạ như mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch mạ, vận tốc dung dịch mạ,… Hiện tại, các máy mạ có trên thị trường chỉ
Trang 1NGHIÊN C ỨU PHÁT TRIỂN MÁY MẠ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
L ỚP MẠ TRÊN BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY
RESEARCH AND DEVELOP A ELECTROPLATING MACHINE TO IMPROVE THE
QUALITY OF PLATING LAYER ON MACHINE PART’S SURFACE
Tr ần Văn Trọn1a
1Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
a trontv@hcmute.edu.vn
TÓM T ẮT
Lớp mạ nói chung và lớp mạ crôm nói riêng được sử dụng khá rộng rãi nhằm nâng cao
chất lượng bề mặt của chi tiết máy như khả năng chịu mài mòn, chịu nhiệt, chống gỉ, Chất lượng của lớp mạ phụ thuộc nhiều vào các thông số trong quá trình mạ như mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch mạ, vận tốc dung dịch mạ,… Hiện tại, các máy mạ có trên thị trường chỉ
có thể giúp phủ lên bề mặt chi tiết một lớp mạ mà không đi sâu vào việc giám sát, khống chế các thông số của quá trình mạ Để khắc phục các hạn chế này, một máy mạ phục vụ mạ phục
hồi các chi tiết máy đã được nghiên cứu, phát triển Máy có khả năng giám sát nhiệt độ dung
dịch mạ và tạo chuyển động quay cho catốt để điều khiển vận tốc dung dịch mạ một cách phù
hợp giúp nâng cao chất lượng lớp mạ Các kết quả mạ thực nghiệm cho thấy đã thu được lớp
mạ có chiều dày và độ đồng đều đạt yêu cầu cho phép nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy
Từ khóa: mạ điện, mạ crôm, xử lý bề mặt, vận tốc dung dịch, chi tiết máy
ABSTRACT
Plating layer, specially chrome plating layer has widely been used to enhance the quality of machine part’s surface such as wear resistance, heat resistance, corrosion resistance,… Properties of chrome plating layer are almost depended on parameters of plating process such as current density, plating solution temperature, plating solution velocity,… Electroplating machines, sold in market, only help to coat on surfaces of engine components a plating layer These machines hardly have function to monitor and control these above parameters To overcome this limitation, a electroplating machine, applied to recover worn shafts, was researched and improved to be enable to monitor the temperature of plating solution and make cathode spin to control the plating solution velocity In experiment, hard chrome plating layer has the thickness with the uniform satisfying requirements This helps to enhance the quality of machine part’s surface
Keywords: electroplating, hard chrome plating, surface treatment, solution velocity,
engine’s components
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Lớp mạ crôm cứng được sử dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng bề mặt của chi tiết
cơ khí như tăng khả năng chịu mài mòn, tăng khả năng chịu nhiệt và chống gỉ sét,… Những tính chất của lớp mạ crôm phần lớp phụ thuộc vào các thông số trong quá trình mạ như cường
độ dòng điện, nhiệt độ của dung dịch mạ, vận tốc dung dịch mạ,… Những thông số này có thể được giám sát và điều khiển bởi máy dùng trong quá trình mạ [1, 2]
Trong bài báo này, máy mạ sử dụng cho việc phục hồi chi tiết dạng trục bị mòn được nghiên cứu và phát triển Máy mạ này có khả năng tạo ra và điều khiển chuyển động quay cho catốt, giám sát và khống chế nhiệt độ của dung dịch mạ trong phạm vi phù hợp trong quá trình
Trang 2mạ để đảm bảo bề dày và nâng cao độ đồng đều của lớp mạ trên bề mặt chi tiết máy Thực nghiệm đánh giá khả năng làm việc của máy được thực hiện và kết quả cho thấy việc sử dụng máy mạ này thu được lớp mạ có chiều dày và độ đồng đều đạt yêu cầu đề ra
2 THI ẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY MẠ
Trong quá trình mạ, sự chuyển động của dung dịch ảnh hưởng đến sự phân bố của dòng ion Đây là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng và sự đồng đều của lớp mạ Để
tạo chuyển động cho dung dịch mạ có thể sử dụng hai phương pháp sau:
- Chuyển động catốt: mạ trong thùng quay, catốt là dây băng chạy liên tục qua bể mạ,
- Chuyển động dung dịch: sục khí vào bể, bơm tuần hoàn dung dịch ra vào bể,…
Trong nghiên cứu này, máy mạ được thiết kế với cơ cấu tạo chuyển động quay cho catốt
nhằm thay thế chuyển động của dung dịch
2.1 Yêu c ầu thiết kế
Máy mạ điện dự kiến phát triển với mục đích chính là máy thí nghiệm mạ crôm phục vụ công việc nghiện cứu và học tập, do vậy các thông số chính của máy mạ có thể đề xuất như sau:
B ảng 1 Thông số thiết kế máy mạ
Kích thước máy 1 x 0,8 x 1 m Kích thước bể mạ 0,5 x 0,5 x 0,6 m Điện áp vào 220 VAC Điện áp ra 24 VDC
Tốc độ quay cực âm 6 - 60 vòng/ph Chiều dài trục mạ 80 - 100 mm Đường kính trục mạ 40 - 80 mm
2.2 Thi ết kế máy mạ
- Để có thể tạo ra chuyển động quay cho catốt dạng trục trong quá trình mạ, máy có các
cơ cấu chấp hành sau:
Hình 1 Cơ cấu truyền động cho catốt
+ Cụm kẹp và truyền động quay cho catốt: động cơ bước truyền chuyển động quay cho bộ phận kẹp thông qua trục truyền động Bộ phận
kẹp truyền chuyển động cho chi tiết
bằng lực ma sát được tạo bằng lò xo Chi tiết được định vị nhờ mũi chống tâm
Hình 2 C ụm đỡ chi tiết
+ Cụm đỡ chi tiết khi quay: chi
tiết đỡ chi tiết mạ có thể quay quanh
một trục cố định thông qua vòng đệm được làm bằng ổ lăn
Trang 3- Tính năng giám sát và điều khiển nhiệt độ dung dịch mạ có thể thực hiện theo lưu đồ sau:
Hình 3 Lưu đồ giám sát và điều khiển nhiệt độ dung dịch mạ
- Mô hình thiết kế máy mạ được chỉ ra ở Hình 4 và Hình 6 trình bày máy mạ được chế
tạo hoàn thiện
Hình 4 Mô hình thi ết kế của máy mạ
Hình 5 B ản vẽ lắp máy mạ
Hình 6 Máy m ạ hoàn thiện
Trang 43 TH ỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
3.1 M ục đích
Đánh giá khả năng lớp mạ crôm với các tiêu chí: (i) bề dày; (ii) độ đồng đều trên bề mặt chi tiết dạng trục khi mạ bằng máy được chế tạo và so sánh với lớp mạ crôm thu được khi mạ thông thường
3.2 Mô tả mẫu, dung dịch mạ và thông số mạ
- Mẫu làm từ vật liệu thép C45, được tiện và mài để đạt độ chính xác về kích thước và
độ bóng bề mặt cấp độ 8 (Hình 7)
Hình 7 Bản vẽ thiết kế chi tiết mẫu
Giá trị sai lệch a được đo trực tiếp trên từng chi tiết mạ và được ghi chú lại
- Dung dịch axit crômit được sử dụng cho quá trình mạ, thành phần như sau [3, 4]:
B ảng 2 Thành phần của dung dịch mạ [3, 4]
Thành ph ần Kh ối lượng (g/l)
H2SO4 1,5
Cr2O3 4 Đường mía 1
- Trong quá trình mạ, nhiệt độ của bể mạ được khống chế từ T = 520C – 560C, mật độ dòng điện catốt là IK = 29 A/dm2, thời gian mạ t = 31 phút 38 giây Theo tính toán lý thuyết
với các thông số này sẽ thu được lớp mạ có bề dày 10 μm [3, 4]
3.3 Tiến trình thực nghiệm
3.3.1 Thực nghiệm trên máy mạ thông thường
- Bước 1: Đo và tính giá trị trung bình kích thước đường kính trục trước khi mạ;
- Bước 2: Tiến hành mạ crôm cho bộ mẫu 4 chi tiết với các thông số như trên;
- Bước 3: Đo và tính giá trị trung bình kích thước đường kính trục chi tiết sau khi mạ;
- Bước 4: So sánh kích thước đường kính trục sau và trước khi mạ, từ đó đánh giá bề dày và độ đồng đều của lớp mạ thu được;
Bộ 4 mẫu trước khi mạ:
Hình 8 M ẫu và vị trí đo kích thước đường kính của bộ 4 mẫu
Trang 5Để đo đường kính các trục, thước panme TESA micromaster có độ chính xác 1 μm được
sử dụng và thước được điều chỉnh 0 tại 25mm bằng căn mẫu
Hình 9 S ố lần đo tại mỗi vị trí
Kích thước trung bình đường kính trục của bộ 4 trước khi mạ:
B ảng 3 Kích thước trung bình đường kính trục của bộ 4 mẫu
Vị trí
1 38.996 38.997 38.996 38.997
2 38.974 38.977 38.977 38.980
3 38.979 38.979 38.979 38.981
4 38.977 38.979 38.979 38.983 Sau khi mạ crôm (Hình 10), kích thước đường kính của các trục được đo cùng vị trí so
với trước khi mạ và thu được kết quả như ở Bảng 4
Hình 10 B ộ 4 mẫu được mạ crôm bằng bể mạ thông thường Bảng 4 Giá trị đường kính trục của bộ 4 mẫu được mạ crôm bằng bể thông thường
Vị trí Mẫu
1 39.012 39.013 39.014 39.018
2 38.991 38.994 38.995 38.999
3 38.995 38.998 38.997 39.002
4 38.993 38.997 38.998 39.005
So sánh giá trị trung bình đường kính bộ 4 mẫu trước và sau khi mạ thu được giá trị gia
tăng của đường kính trục như sau (Bảng 5, Hình 11):
Trang 6B ảng 5 Giá trị gia tăng đường kính trục của bộ 4 mẫu mạ bằng bể thông thường
Vị trí Mẫu
1 0.016 0.016 0.018 0.021
2 0.017 0.017 0.018 0.019
3 0.016 0.019 0.018 0.021
4 0.016 0.018 0.019 0.022
Hình 11 Giá trị gia tăng đường kính trục của mỗi bộ 4 mẫu mạ
b ằng bề mạ thông thường
Nh ận xét:
- Kích thước trung bình đường kính trục của bộ 4 mẫu mạ bằng bể mạ thông thường thay đổi trong phạm vi ±4 μm;
- Độ chênh lệch kích thước lớn nhất là 6 μm theo chiều dài dọc trục;
- Độ chênh lệch tối đa về kích thước hướng tâm (tại một vị trí đo) là 12 μm;
3.3.2 Th ực nghiệm trên máy mạ mới chế tạo
- Bước 1: Đo và tính giá trị trung bình kích thước đường kính trục chi tiết trước khi mạ;
- Bước 2: Tiến hành mạ crôm cho bộ 4 mẫu với các thông số như trên và thiết lập tốc độ quay 40 vòng/phút cho catốt;
- Bước 3: Đo và tính giá trị trung bình kích thước đường kính trục chi tiết sau khi mạ;
- Bước 4: So sánh kích thước đường kính trục trước và sau khi mạ, từ đó đánh giá bề dày và độ đồng đều của lớp mạ thu được;
Thực nghiệm được tiến hành tương tự như trên với các số liệu như sau:
Kích thước trung bình đường kính trục của bộ 4 trước khi mạ:
,0.000
,0.001
,0.002
,0.003
,0.004
,0.005
,0.006
,0.007
,0.008
,0.009
,0.010
,0.011
,0.012
,0.013
,0.014
,0.015
,0.016
,0.017
,0.018
,0.019
,0.020
,0.021
,0.022
,0.023
,0.024
,0.025
mm
Vị trí đo
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4
Trang 7B ảng 6 Kích thước trung bình đường kính trục của bộ 4 mẫu
Vị trí Mẫu
1 38.989 38.991 38.991 38.991
2 38.988 38.989 38.987 38.987
3 38.981 38.986 38.985 38.988
4 38.992 38.992 38.992 38.994 Sau khi mạ crôm (Hình 12), kích thước đường kính của các trục được đo cùng vị trí so
với trước khi mạ và thu được kết quả như ở Bảng 7:
Hình 12 B ộ 4 mẫu được mạ crôm bằng máy mạ
B ảng 7 Giá trị trung bình đường kính trục của bộ 4 mẫu được mạ crôm bằng máy mạ
Vị trí Mẫu
1 39.010 39.013 39.012 39.009
2 39.009 39.010 39.005 39.005
3 39.001 39.007 39.006 39.005
4 39.011 39.010 39.010 39.012
So sánh giá trị trung bình đường kính bộ 4 mẫu trước và sau khi mạ thu được giá trị gia
tăng của đường kính trục như sau (Bảng 8, Hình 13):
Bảng 8 Giá trị gia tăng đường kính trục của bộ 4 mẫu mạ bằng máy mạ được chế tạo
Vị trí Mẫu
1 0.021 0.022 0.021 0.018
2 0.021 0.021 0.018 0.018
3 0.020 0.021 0.021 0.017
4 0.019 0.018 0.018 0.018
Trang 8Hình 13 Giá tr ị gia tăng đường kính trục của mỗi bộ 4 mẫu mạ bằng máy mạ
Nh ận xét:
- Kích thước trung bình đường kính trục của bộ 4 mẫu mạ bằng máy mạ mới chế tạo thay đổi trong phạm vi ±3 μm Theo kết quả số liệu trên thì chỉ tại vị trí đo thứ 4 của chi tiết 3 sai lệch 3 μm, còn tại các vị trí đo của các chi tiết khác độ sai lệch chỉ trong phạm vi ±2 μm Nguyên nhân sai lệch là do diện tích tiếp xúc giữa mẫu mạ và điện cực âm lớn nên dẫn đến
hiện tượng cháy xén và mức độ cháy xén của mẫu 3 lớn hơn do sự hao hụt của dung dịch mạ trong quá trình mạ; Hiện tượng cháy xén này cũng làm cho bề dày lớp mạ có khuynh hướng
giảm đi tại vị trí đo thứ 4;
- Độ chênh lệch kích thước lớn nhất là 4 μm theo chiều dài dọc trục;
- Độ chênh lệch tối đa về kích thước hướng tâm (tại một vị trí đo) là 3 μm;
4 K ẾT LUẬN
Từ quá trình thực nghiệm và các kết quả số liệu có thể đi đến kết luận sau:
- Máy mạ đáp ứng được các thông số kỹ thuật đã đề xuất;
- Máy mạ có khả năng tạo chuyển động quay ổn định cho catốt (từ 6 – 60 vòng/phút), cho phép giám sát và khống chế nhiệt độ dung dịch trong suốt quá trình mạ;
- Bề dày lớp mạ thu được có độ sai lệch trong phạm vi ±3 μm trên suốt chiều dài trục được mạ
- Độ chênh lệch tối đa về kích thước hướng tâm (tại một vị trí đo) là 3 μm;
- Độ dày của lớp ổn định trên 4 chi tiết mạ
[1] BAL SEAL Engineering A Guide for Selecting the Type of Chrome Plating for Use
Technical Report TR-14 (Rev F)
[2] L.Maria Irudaya Raj, Sathishkumar.J, B.Kumaragurubaran, P Gopal Analysis of Hard Chromium Coating Defects and its Prevention Methods International Journal of Engineering
and Advanced Technology (IJEAT), ISSN: 2249 – 8958, Volume-2, Issue-5 June 2013
[3] Kenneth R Newby Functional chromium plating Atotech USA Inc., Rock Hill, SC 2008
[4] Nguyễn Khương Những quy trình kỹ thuật mạ kim loại và hợp kim tập 1,2 NXB Khoa
học và Kỹ thuật, Hà Nội 2010
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.0090.01 0.011 0.012 0.013 0.014 0.015 0.016 0.017 0.018 0.0190.02 0.021 0.022 0.023 0.024
mm
Vị trí đo
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4
