Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng mạ xoa

Luận văn, thạc sĩ, tiến sĩ, khóa luận, cao học, đề tài

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp I -

Lời cảm ơn

Tôi xin chân trọng cảm ơn Tiến sĩ Hoàng Văn Châu và Tiến sĩ

Đào Quang Kế là những người trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong khoa Cơ - Điện trường Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội và các cán bộ thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm cấp nhà nước về

“Hàn và xử lý bề mặt” Viện Nghiên cứu Cơ Khí thuộc Bộ Công nghiệp đ∙ tạo mọi điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ để tôi

hoàn thành luận văn này

Lời Cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng tất cả các số liệu và kết quả đ∙ đ−ợc

nghiên cứu trong luận văn này đều đ−ợc thực nghiệm và kiểm tra

đánh giá trung thực, không có trong bất cứ tài liệu nào

Tôi xin cam đoan mọi thông tin đ−ợc sử dụng trong luận văn nếu sử dụng tài liệu nào thì đều đ−ợc trích dẫn đầy đủ và chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Phạm Thế Vinh

Mục lục Danh mục Trang Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Chương 1 Tổng quan, mục đích và nội dung nghiên cứu 3

1.1 Đặc điểm, tình hình ứng dụng công nghệ mạ xoa 3

2.3 Phương pháp xác định và xử lý số liệu thực nghiệm 10

3.1 Dung dịch điện ly, cơ sở tạo thành lớp mạ điện 12

3.2.2.2 ảnh hưởng của mật độ dòng điện mạ xoa 22

3.2.2.3 ảnh hưởng của kim loại nền 24

3.2.2.4 ảnh hưởng của dung dịch đến chất lượng mạ xoa 26

3.2.2.5 ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch mạ xoa 38

3.2.2.6 ảnh hưởng của tốc độ tương đối giữa bút mạ và chi tiết 39

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm 59

4.1.1 Hệ thống thiết bị mạ xoa xách tay 100A LDC 59

4.1.2 Hệ thống bơm, lọc và gia nhiệt dung dịch 60

4.3.1 Dung dịch mạ 62 4.3.1.1 Thành phần dung dịch tẩy rửa và hoạt hoá 62

4.5 Một số công thức tính toán trong công tác thực nghiệm 65

4.6.1 Kết quả mạ niken trên nền thép cácbon 66 4.6.1.1 Đánh giá kết quả ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến chất

4.6.1.2 Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến chất lượng của

4.6.2 Kết quả mạ đồng trên nền thép cácbon 78 4.6.2.1 Đánh giá kết quả ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến chất

Danh mục Các hình vẽ, bảng và ảnh Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị mạ xoa 100 A

Hình 3.1 Đường cong phân cực catôt

Hình 3.2 Thay đổi dạng kết tủa theo mật độ dòng điện

Hình 4.1 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ dày lớp mạ niken Hình 4.2 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ cứng lớp mạ niken Hình 4.3 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ nhám lớp mạ niken Hình 4.4 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ xốp lớp mạ niken Hình 4.5 ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến độ dày lớp mạ niken Hình 4.6 ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến độ cứng lớp mạ niken Hình 4.7 ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến độ nhám lớp mạ niken Hình 4.8 ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến độ xốp lớp mạ niken Hình 4.9 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ dày lớp mạ đồng Hình 4.10 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ cứng lớp mạ đồng Hình 4.11 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ nhám lớp mạ đồng Hình 4.12 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ xốp lớp mạ đồng

Bảng 1.1 Các dạng phục hồi chi tiết

Bảng 3.1 Đương lượng điện hoá một số nguyên tố

Bảng 3.2 Độ cứng của một số lớp mạ sau khi nhiệt luyện (HV)

Bảng 3.3 Phân loại dung dịch mạ xoa

Bảng 3.4 Điện thế và thời gian làm sạch bằng điện đối với các loại kim

loại nền khác nhau

Bảng 3.5 Thành phần và chế độ làm việc của một số loại dung dịch làm

sạch bằng điện Bảng 3.6 Một số loại dung dịch mạ xoa

Bảng 3.7 Lựa chon dung dịch mạ theo độ cứng lớp mạ

Bảng 3.8 Những sự cố và biện pháp khắc phục khi mạ Đồng Sunfat Bảng 3.9 Thành phần và chế độ làm việc của dung dịch mạ đồng xianua Bảng 3.10 Những sự cố và biện pháp khắc phục khi mạ Đồng xianua

Bảng 4.3 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến chất lượng lớp mạ niken

Bảng 4.4 ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến chất lượng của lớp mạ niken Bảng 4.5 ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến chất lượng lớp mạ đồng Bảng 4.6 ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến chất lượng của lớp mạ đồng Bảng 4.7 Kết quả thực nghiệm mạ niken trên nền nhôm

Bảng 4.8 Kết quả thực nghiệm mạ đồng trên nền nhôm

ảnh 4.1 Dụng cụ mạ cầm tay

ảnh 4.2 Bộ nguồn và thiết bị gia nhiệt của máy mạ xoa 100 A

ảnh 4.8 Chụp kim tương căt lớp niken với độ phóng đại 500 lần

ảnh 4.9 Chụp kim tương căt lớp đồng với độ phóng đại 500 lần

ảnh 4.10 Chụp kim tương bề mặt lớp mạ đồng với độ phóng đại 500 lần

ảnh 4.11 Chụp cắt lớp các mẫu mạ đồng với các dòng điện khác nhau

đặt vấn đề

Bề mặt của chi tiết máy với các đặc tính như khả năng chống gỉ, chịu mài mòn, chịu nhiệt v.v… có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ và độ tin cậy của chúng, qua nghiên cứu người ta thấy rằng hầu hết các chi tiết máy bị hư hỏng bắt đầu từ việc phá huỷ bề mặt ngoài của chúng

Do đó, việc tạo nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt chi tiết nhằm bảo vệ bề mặt, đồng thời có thể phục hồi kích thước của chúng sau một thời gian làm việc nhằm kéo dài thời gian sử dụng của máy móc thiết bị có ý nghĩa kinh tế vô cùng lớn

Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện nay thì bề mặt vật liệu đã được xử

lý bằng những công nghệ hoá lý khác nhau Công nghệ xử lý bề mặt có thể là các phương pháp phủ như phủ điện hoá, hoá học, mạ điện, phun tĩnh điện, phun hồ quang, phun plasma, phun nổ, phun siêu âm v.v… và đặc biệt là kỹ thuật mạ xoa Kỹ thuật mạ xoa là sự phát triển mới của kỹ thuật mạ điện, là một nội dung quan trọng của công nghệ xử lý bề mặt ở một số nước trên thế giới, mạ xoa cũng giống như các phương pháp mạ điện khác, được công nhận là rất hữu ích trong việc mạ bảo vệ và phục hồi các chi tiết máy nói riêng và bảo vệ bề mặt vật liệu nói chung, được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp và quân sự Mạ xoa là quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt nền chi tiết nó có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn Sự hình thành lớp mạ là quá trình kết tinh gián đoạn ion kim loại trong dung dịch mạ dưới tác dụng của dòng điện một chiều, chỉ có sự kết tinh tại nơi tiếp xúc giữa bút xoa và chi tiết mạ Sự dịch chuyển của bút xoa hạn chế sự lớn lên và xát nhập của các hạt tinh thể, do đó trong lớp mạ tồn tại rất nhiều hạt tinh thể siêu mịn và lệch

vị, dẫn tới nâng cao, củng cố độ cứng của lớp mạ

Mạ xoa là một trong những công nghệ bề mặt tiên tiến Nó cho phép vừa phục hồi kích thước, vừa tạo được chất lượng bề mặt về độ cứng, khả năng chịu mài mòn, chịu ăn mòn v.v Do đó nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành

kinh tế như công nghiệp, nông nghiệp, hàng không, hàng hải, cơ giới công trình, thiết bị điện tử, khai thác mỏ v.v…

ở nước ta hiện nay kỹ thuật mạ xoa còn rất mới mẻ, một vài nơi có thiết bị mạ xoa xong việc sử dụng và khai thác chúng còn nhiều hạn chế

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, để có thể ứng dụng rộng rãi kỹ thuật công

nghệ mạ xoa trong các ngành kimh tế hiện nay, mục đích đề tài đặt ra là: Nghiên

cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng mạ xoa

Đề tài được thực hiện và hoàn thành tại Phòng thí nghiệm trọng điểm cấp nhà nước “Công nghệ hàn và xử lý bề mặt”, Viện Nghiên cứu Cơ khí thuộc Bộ Công nghiệp và Bộ môn Công nghệ cơ khí, khoa Cơ - Điện, trường Đại học Nông nghiệp I

Chương 1 Tổng quan, mục đích và nội dung nghiên cứu

1.1 Đặc điểm, tình hình ứng dụng công nghệ mạ xoa

1.1.1 Đặc điểm của kỹ thuật mạ xoa

Mạ xoa là phương pháp mạ điện khi sử dụng bút xoa Cơ cấu của thiết bị bao gồm: một bộ nguồn có điều khiển vô cấp, cấp điện áp âm (-) cho chi tiết mạ và

điện áp dương (+) cho bút xoa Khi thực hiện quá trình mạ xoa, phải có sự chuyển động tương đối giữa bút xoa và chi tiết mạ trong khi dung dịch mạ được cấp liên tục bằng máy bơm dung dịch Quá trình mạ chỉ diễn ra ở những nơi bút xoa tiếp xúc với chi tiết mạ Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống thiết bị mạ xoa

được thể hiện ở hình 1 [13],[24]

Sự hình thành lớp mạ là quá trình kết tinh gián đoạn ion kim loại trong dung dịch mạ, chỉ phóng điện hoàn nguyên kết tinh kim loại tại nơi tiếp xúc giữa bút mạ xoa và chi tiết Sự dịch chuyển của bút xoa hạn chế sự lớn lên và sát nhập của các hạt tinh thể, do đó trong lớp mạ tồn tại rất nhiều hạt tinh thể siêu mịn và lệch

vị, dẫn tới nâng cao củng cố độ cứng của lớp mạ

Dung dịch mạ xoa thông qua bút xoa được cung cấp kịp thời lên bề mặt chi tiết mạ, khiến cho không nảy sinh hiện tượng thiếu ion Do hàm lượng ion kim loại trong dung dịch mạ rất cao cho phép sử dụng dòng điện cao hơn mạ bể rất nhiều, do đó tốc độ hình thành lớp mạ cao hơn mạ bể

Nguyên lý của kỹ thuật mạ xoa có thể biểu thị bằng công thức 1.1 sau:

Công thức 1.1:

M ne

Trong đó Mn+: Ion kim loại

n : Hoá trị của kim loại

e : Điện tử

M : Nguyên tử kim loại

Khay chứa dung dịch

dịch Bơm dung

xoa

mạChi tiếtNguồn điện

Lớp bọc anốt

Bút

hệ thốngHình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý thiết bị mạ xoa

*Ưu điểm của quá trình mạ xoa [26]

- Thiết bị đơn giản, gọn nhẹ dễ vận hành

- Thao tác linh hoạt dễ sử dụng, có thể dùng phương pháp này để phục hồi tại hiện trường đối với những bộ phận bị mài mòn cục bộ của chi tiết và thiết bị lớn

- Hạn chế tối đa sự giãn nở do tác động của nhiệt

- Không phải mạ lại toàn bộ chi tiết khi phục hồi, có thể chỉ cần mạ cục bộ mà không làm bong lớp mạ

Chính vì các đặc điểm và ưu điểm trên mà công nghệ mạ xoa rất có hiệu quả trong chế tạo sản phẩm mới hoặc khôi phục, sửa chữa và cường hoá chi tiết máy,

đặc biệt phù hợp với chi tiết có kích thước lớn, khôi phục sửa chữa tại hiện trường

*Phạm vi ứng dụng của công nghệ mạ xoa [17],[26]

- Khôi phục độ chính xác và kích thước hình học ban đầu của chi tiết

- Bổ xung sửa chữa những vết lõm, vết xước, những hư hỏng cục bộ trên bề mặt chi tiết

- Sửa chữa khuyết tật của các phế phẩm trong dây chuyền sản xuất

- Nâng cao tính dẫn điện của bề mặt chi tiết

- Nâng cao khả năng chịu nhiệt của bề mặt chi tiết

- Cải thiện tính hàn của bề mặt chi tiết

- Giảm hệ số ma sát

- Tăng khả năng chống ăn mòn của môi trường

- Trang trí, mạ làm đẹp cho chi tiết

1.1.2 Tình hình ứng dụng công nghệ mạ xoa

1.1.2.1 Tình hình ứng dụng mạ xoa ở các nước trên thế giới

Công nghệ mạ xoa ra đời vào đầu những năm 70 của thế kỷ 20 Ngày nay, công nghệ mạ xoa là một trong những công nghệ xử lý bề mặt được sử dụng rộng rãi

và hiệu quả trong rất nhiều lĩnh vực trên thế giới [16], [26]

riêng như 2179(SH) cho phép sử dụng thiết bị mạ xoa xách tay dùng cho các công việc sửa chữa Mạ xoa được dùng để sửa chữa nhiều chi tiết khác nhau như: sửa chữa các gối đỡ ổ bi, vỏ hộp số, các khớp nối dẫn hơi, các van hơi, xi lanh thuỷ lực, các vòng đệm kín, các bề mặt làm kín, các cổ trục động cơ điện, trục bơm, rãnh chữ O, chữ C…

- Công nghiệp chế tạo máy bay và ngành hàng không

Công nghiệp chế tạo máy bay và hàng không có nhiều những thông số nghiêm ngặt trong việc chế tạo mới cũng như phục hồi các chi tiết Tuy nhiên công nghệ mạ xoa hoàn toàn đáp ứng được các tiêu chuẩn chính xác này Không quân của các nước Anh, Pháp, Mỹ, Nga…và các hãng hàng không lớn trên thế giới như Boeing, M.Douglas (Mỹ), Airbus (Pháp)v.v…đã tiến hành sữa chữa những lớp mạ cadmium đã hỏng tại chỗ mà không cần phải có lò thiêu kết hỗ trợ

- Công nghiệp làm khuôn đúc

Thiết bị mạ xoa xách tay được dùng để phục hồi cho nhiều loại khuôn đúc như khuôn đúc nhựa, cao su, kính, thép Sửa chữa các rãnh, các đường phân khuôn, các chốt đẩy khuôn, các bạc, mạ xoa có thể giúp ta phục hồi nhanh chóng khi khuôn bị mòn

Đối với các khuôn làm việc trong điều kiện tải trọng lớn, nhiệt độ cao, khi mạ lên một lớp mỏng từ 0.01- 0.02mm kim loại ở trạng thái phi tinh thể như Cr,

Mo, V…thì sẽ tăng tuổi thọ của khuôn lên 20-100%, song khi nhiệt độ tăng cao 500-6000C thì sẽ xuất hiện các pha thứ hai phân tán trong kim loại mạ thành những điểm cứng, như vậy chúng sẽ làm tăng khả năng chịu tải trọng và mài mòn cho khuôn ở nhiệt độ cao

Công nghệ mạ xoa đã được sử dụng trong công nghiệp in từ nhiều năm nay trong nhiều lĩnh vực như: in xếp chữ, in ốp xét, in nổi khuôn mềm, in khắc trục quay Công nghệ này được dùng để khôi phục các gối đỡ, ổ bi, các loại xy lanh, tang chứa mực v.v đảm bảo nhanh ít phải tháo, giảm thời gian sửa chữa tới mức tối thiểu, đáp ứng được yêu cầu của dây chuyền công nghệ

Trên đây là những ứng dụng quan trọng của mạ xoa trong những ngành công nghiệp phổ biến nhất Ngoài ra, công nghệ mạ xoa cũng được sử dụng rất hiệu quả cho những ứng dụng khác trong việc phục hồi các thiết bị đường sắt và thiết

bị khai thác, nhà máy điện, công nghiệp cán thép và công nghiệp bột giấy.v.v…

1.1.2.2 Tình hình ứng dụng mạ xoa trong nước

Trong những năm gần đây, ngành cơ khí Việt Nam rất quan tâm đến việc áp dụng các công nghệ bề mặt tiên tiến và hiện đại vào trong thực tiễn sản xuất nhằm đẩy mạnh nền công nghiệp trong nước, đem lại hiệu quả kinh tế cho các ngành kinh tế quốc dân Tuy nhiên, công nghệ mạ xoa ở nước ta cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và thích đáng Hiện tại ở nước ta mới có một số lượng rất ít các thiết bị mạ xoa tại các cơ sở nghiên cứu và sản xuất như :

- 01 Thiết bị mạ xoa 100A ( Mỹ ) tại Phòng thí nghiệm trọng điểm cấp nhà nước về “Công nghệ hàn và xử lý bề mặt” - Viện Nghiên cứu Cơ khí

- 01 Thiết bị mạ xoa (Trung Quốc) của Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

- 01 Thiết bị mạ xoa (Trung Quốc) của Viện máy mỏ và năng lượng

- 01 Thiết bị mạ xoa tại Nhà máy Z153 thuộc Bộ Quốc phòng

Các thiết bị này mới bước đầu được đưa vào khai thác và vận hành, do vậy chưa đạt được kết quả như mong muốn Mặt khác, các loại nguyên vật liệu, phụ tùng thay thế đều phải nhập ngoại, gây nhiều khó khăn trong quá trình triển khai công nghệ mạ xoa do đó giá thành sản phẩm.còn cao [16],[17]

* Khả năng ứng dụng để phục hồi chi tiết

Mạ xoa có thể áp dụng phục hồi nhiều chi tiết một cách hiệu quả Sau

đây sẽ là phân loại một số chi tiết điển hình nhất theo bảng 1.1

Bảng 1.1: Các dạng phục hồi chi tiết

Dạng trục

- Các loại cổ trục lắp bạc hoặc bi bị mòn trong công nghiệp

xi măng, thuỷ điện, khai mỏ, máy công cụ, đường sắt v.v…

- Các loại trục cơ tàu thuỷ, động cơ điesel v.v…

- Trục máy bơm, trục lô máy in

- Piston thuỷ lực, trục tuốc bin

- Mặt phẳng các khuôn ép nhựa, ép cao su, thép v.v…

- Các loại tiếp điểm trong công nghiệp điện, điện tử

Bề mặt phức tạp - Các rãnh chữ C, chữ O, chữ S v.v…

- Bề mặt các khuôn có hình dáng phức tạp Các chi tiết này nếu được phục hồi bằng công nghệ mạ xoa, nó không chỉ

đem lại một hiệu quả kinh tế rất lớn mà còn góp phần đáng kể vào việc nâng cao chất lượng bề mặt cũng như tuổi thọ của chi tiết máy

Chính vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng và làm chủ công nghệ mạ xoa để phục hồi và nâng cao tính chịu mài mòn cho chi tiết máy có ý nghĩa khoa học và công nghệ đặc biệt quan trọng

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số công nghệ đến chất lượng mạ xoa bảo vệ các chi tiết nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng xuất lao

động, mở rộng khả năng công nghệ mạ phủ ở trong nước

1.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu

- Về nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như : điện áp, mật

độ dòng điện, thành phần dung dịch, nhiệt độ dung dịch, tốc độ chuyển động giữa anôt và catốt đến chất lượng lớp mạ.: mạ đồng, mạ niken,

- Về nghiên cứu thực nghiệm

Thực nghiệm mạ xoa trên nền mẫu thép 45 và trên nền hợp kim nhôm đã qua nhiệt luyện, xây dựng quy trình mạ xoa với các vật liệu mạ là đồng, niken kiểm tra đánh giá chất lượng lớp mạ xoa

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu

2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Với mục tiêu của đề tài là “Nghiên cứu, ảnh hưởng của một số thông số

công nghệ đến chất lượng mạ xoa” để mạ bảo vệ bề mặt các chi tiết máy nói

riêng và vật liệu nói chung, chúng tôi đã đưa ra phương pháp nghiên cứu như sau: Trước tiên chúng tôi nghiên cứu các cơ sở lý thuyết của quá trình mạ điện, sơ lược nghiên cứu các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ Nghiên cứu, phân tích, lý thuyết kỹ thuật mạ xoa nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước để vận dụng xác định ảnh hưởng của các thông số đến quá trình mạ Nghiên cứu tính chất cơ - lý - hoá của một số loại vật liệu mạ: mạ đồng, mạ niken, nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng lớp mạ

đồng, niken

2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Từ những cơ sở của lý thuyết mạ, chúng tôi đã tiến hành tìm hiểu hệ thống thiết bị, đồ gá, các thông số công nghệ như: mật độ dòng điện, điện áp, thành phần dung dịch, nhiệt độ dung dịch , độ PH, tốc độ dịch chuyển bút mạ v.v…sau

đó phân tích để thấy được những ảnh hưởng của chúng và xây dựng quy trình công nghệ mạ xoa đồng, niken

Lựa chọn các mẫu thực nghiệm sao cho đại diện phần lớn chi tiết máy nói chung Tiến hành thực nghiệm và kiểm tra trên thiết bị và dung dịch hiện có tại Viện Nghiên cứu Cơ khí thuộc Bộ Công nghiệp

Thiết lập quy trình công nghệ trong đó có chỉ ra các bước cụ thể cho quá trình mạ xoa trên các mẫu thực nghiệm với dung dịch mạ là:

- Dung dịch mạ đồng tốc độ cao LDC 2904

- Dung dịch mạ niken tốc độ cao LDC 2804

Tiến hành mạ thử nghiệm các mẫu với các loại dung dịch mạ nói trên bằng

thiết bị mạ xoa 100A của Mỹ

Thông qua các mẫu thực nghiệm chúng tôi đo, kiểm tra các thông số của lớp

mạ như độ dày, độ cứng, độ bám dính, độ nhám, độ xốp và chụp ảnh kim tương,

từ đó phân tích, đánh giá rút ra quy trình hợp lý về công nghệ mạ xoa

Kết luận và đề xuất nhằm nhanh chóng ứng dụng công nghệ mạ xoa ở nước ta

2.3 Phương pháp xác định và xử lý số liệu thực nghiệm

Các số liệu thực nghiệm được ghi chép từ những số liệu thu được trên đồng

hồ hiện số của thiết bị, được lắp đồng bộ trên thiết bị mạ xoa như đồng hồ đo

dòng điện, điện áp, ampe giờ, nhiệt độ dung dịch mạ v.v…

Một số số liệu được tính toán từ các công thức toán học như mật độ dòng

điện trung bình, tốc độ dịch chuyển tương đối giữa anot và catot…

Các số liệu kiểm tra chất lượng lớp mạ như độ cứng, độ dầy, độ mài mòn, độ

xốp, độ dính bám, chụp ảnh kim tương được kiểm tra theo những tiêu chuẩn

chung của nhà nước tại Tổng Cục Đo Lường Chất Lượng Việt Nam, và phòng thí

nghiệm trọng điểm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí thuộc Bộ Công nghiệp

Các số liệu kiểm tra được đo tại ít nhất ba vị trí khác nhau trên mẫu để đảm

bảo sác xuất tin cậy của dụng cụ Nếu trong quá trình khảo nghiệm khi thấy các

số liệu có sai lệch bất thường chúng tôi tiến hành đo lại để kiểm tra nhằm đảm

bảo độ tin cậy Trong quá trình tính toán, xứ lý số liệu đo đạc chúng tôi áp dụng

quy tắc của sác xuất thống kê toán học Sau khi đã lặp lại n lần ta được các giá trị

Xi (i=1 ữ n)

- Giá trị trung bình của mỗi lần đo: X = ∑

=

n i i

n i i

Giá trị tin cậy được tính theo tiêu chuẩn Student

Tra bảng với α = 0,05 bậc tự do f=n-1,

khi đó giá trị độ tin cậy sẽ là : X ±tαδtb

Vấn đề loại bỏ các số liệu không tin cậy đối với các số liệu nghi ngờ sẽ được kiểm tra lại theo luật phân bố chuẩn (quy tắc 3σ) Nếu sai số với số liệu nghi ngờ với giá trị trung bình X lớn hơn 3 σ thì loại bỏ Trong trường hợp X là giá trị trung bình của các trị số trung bình thì theo luật phân bố Student mà so sánh sai

số X i - X với trung bình theo tỷ số α

X X

Mẫu mạ thực nghiệm được kiểm tra với các phương pháp như sau:

- Độ cứng đo trên máy đo độ cứng ΠMT3 - của Liên bang Nga, theo phương pháp đo độ cứng Vickers (HV) Theo TCVN 258 – 1 : 2001 hay (I SO 6507 – 1 )

- Độ dày lớp mạ đo trên máy SONATEST – của Nhật bằng phương pháp đo từ trường không phá huỷ chi tiết

- Độ xốp được kiểm tra bằng phương pháp chụp ảnh kim tương trên kính hiển

vi kim tương AXIOSKOP - 2 của Đức.sau đó đánh giá độ xốp

- Độ bám dính: Kiểm tra phương pháp phá huỷ chi tiết thông thường : Cưa , bẻ gập

- Độ nhám bề mặt kiểm tra bằng máy Mitutoyo SJ – 400 ( Nhật Bản ) Hoạt

động dựa trên nguyên lý cơ học, trong đó đầu dò (dạng kim) tiếp xúc và di chuyển trên bề mặt vật cần đo, độ nhám bề mặt sẽ được xác định dựa vào những biến đổi về vị trí của đầu dò trong quá trình dịch chuyển Kết quả đo được hiển thị trên màn hình hoặc có thể in kết quả đo ra giấy nhiệt

Chương 3 nghiên cứu lý thuyết

3.1 Dung dịch điện ly, cơ sở tạo thành lớp mạ điện

Khi có dòng điện chạy qua thì các ion dương sẽ theo chiều dòng điện chạy từ dương sang âm catôt nhận điện tử – bị khử, các ion âm chạy về anôt mất điện tử –

bị ôxi hoá [6]

Lớp mạ điện có cấu trúc tinh thể rất điển hình vì thế trong quá trình khử tại catốt các ion kim loại được gọi là điện kết tủa kim loại Lớp mạ có cấu trúc tinh thể càng nhỏ mịn chặt sít thì chất lượng của nó càng cao

Cũng như các quá trình kết tinh từ dung dịch quá bão hoà, từ chất nóng chảy v.v động học quá trình kết tinh cũng bị chi phối bởi 2 yếu tố : [8],[23]

- Tốc độ tạo mầm tinh thể (hay các trung tâm kết tinh)

Vì dòng điện trao đổi io phụ thuộc vào bản chất kim loại nên ở cùng một mật

độ dòng điện catôt Dc thì kim loại nào có dòng điện trao đổi io nhỏ hơn sẽ cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn hơn và ngược lại

Đối với cùng một kim loại (io = const) nếu tăng mật độ dòng điện catôt Dc(trong một giới hạn nào đó )cũng sẽ được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn

Theo phương trình Tafet :

η = α + b lgDc

Ta thấy rằng dòng điện trao đổi io (ẩn trong α) và Dc đều ảnh hưởng tới sự phân cực catôt η Vậy nếu io và Dc đã có thể làm tăng được β thì cũng sẽ phải làm tăng được η bởi lẽ tăng η đều cho cùng một kết quả là kết tủa tinh thể nhỏ mịn

Suy rộng ra mọi yếu tố làm tăng phân cực catôt đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn và ngược laị Trong thực tế điện phân có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới

sự phân cực catôt Cho nên nếu chọn được thành phần dung dịch ,chế độ điện phân , điều kiện công nghệ v.v làm tăng phân cực catot đến mức độ thích hợp cũng đều thu được kết tủa có cấu tạo tinh thể và chất lượng lớp mạ theo ý muốn Thí dụ khi nhúng 2 cực vào trong dung dịch đồng sunfat và nối với nguồn điện một chiều lúc này ta thấy trên catôt có Đồng và khí Hyđrô thoát ra Trên anốt có

ôxi thoát ra (nếu anốt không tan) nếu anốt là Đồng thì Đồng xẽ bị hoà tan và ôxi thoát ra , phản ứng của chúng như sau :

Trên katôt Cu+2 + 2e Cu

2H+ + 2e H2

ở catôt ion kim loại thành nguyên tử kim loại, ở anôt nguyên tử kim loại thành ion kim loại đó là anốt hoà tan

Lượmg kim loại mạ phụ thuộc vào các thông số công nghệ và tuân thủ theo

định luật Paradây [4],[6]

Quá trình điện phân tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và thời gian điện ly Công thức : 3.1

m = kIt = kQ

Trong đó : m : Trọng lượng vật chất được kết tủa trên điện cực

I : Cường độ dòng điện (A)

t : Thời gian (giờ)

Q : Điện lượng (Anpe giờ)

n – Hoá trị

28,6 – Số điện lượng

Bảng 3.1 Đương lượng điện hoá của một số nguyên tố

Trong quá trình mạ khi bắt đầu kết tủa kim loại thì phân cực cũng lập tức suất

hiện, phân cực hoá học và phân cực nồng độ tăng dần đến giá trị ổn định trong

vài giây cả hai loại phân cực này đều tăng khi tăng mật độ dòng điện

3.1.3 ảnh hưởng của sự phân cực đối với mạ điện [4],[10],[26]

Sự phân cực có quan hệ mật thiết đối với mạ điện và quyết định đến:

- Hạt kim loại lớp mạ kết tinh mịn

- Khả năng phân bố tốt, lớp mạ phân bố đồng đều

- Làm Hidrô thoát ra mạnh, làm giảm hiệu suất dòng điệnvà độ bám lớp mạ,

khi nghiêm trọng có thể gây ra bọt khí , bong tróc

- Sự phân cực anốt làm anốt hoà tan không bình thường, dung dịch không ổn

định

ảnh hưởng của sự phân cực đối với mạ điện có mặt lợi có mặt hại Đa số các

trường hợp muốn được lớp mạ mịn, khả năng phân bố đồng đều thì phải nâng

cao sự phân cực catôt nhưng phải hạn chế trong phạm vi nhất định vì nâng cao sự

phân cực catôt sẽ làm giảm hiệu xuất dòng điện, giảm khả năng bám của lớp mạ

Những yếu tố ảnh hưởng tới sự phân cực và chất lượng mạ:

• ảnh hưởng của thành phần dung dịch [28],[4]

Sự phân cực phụ thuộc vào thành phần dung dịch, dung dịch khác nhau

thì sự phân cực cũng khác nhau, dung dich có nồng độ thấp có sự phân cực lớn

hơn dung dịch có nồng độ cao Hiện tượng này do trong dung dịch nồng độ thấp

số ion rất khó bổ xung vầo lớp sát catốt, dung dịch muối phức có sự phân cực lớn hơn dung dịch muối đơn

• ảnh hưởng của mật độ dòng điện [2],[4]

Khi mật độ dòng điện tăng cao sự phân cực cũng tăng lên vì tốc độ di chuyển của ion và tốc đổ phóng điện của nó cũng khác nhau rõ rệt

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn ,sít chặt và

đồng đều bởi vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ ở các điểm lồi

có lợi thế mà cả trên các mặt phẳng ít lợi thế hơn

Mặt khác khi dùng mật độ dòng điện cao sẽ làm cho ion kim loại bị nghèo nhanh trong lớp dung dịch sát catôt do đó phân cực sẽ tăng lên tạo điều kiện sinh

ra lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn

Nhưng nếu dùng dòng điện quá cao gần đến dòng giới hạn cũng lại không

được bởi vì khi đó lớp mạ sẽ bị gai, cây hoặc cháy Khi mạ dòng bằng hoặc cao hơn dòng giới hạn thì chỉ thu được bột kim loại Ngoài ra khi dùng dòng điện quá cao thì anốt tan dễ bị thụ động hơn và dung dịch sẽ nghèo dần ion kim loại mạ, đồng thời Hyđrô thoát ra nhiều hơn làm giảm hiệu suất dòng điện mạ và gây biến động mạnh độ pH của lớp dung dịch sát catôt

Vì vậy muốn tăng được mật độ dòng điện lên mà chất lượng mạ vẫn tốt thì phải tìm cách nâng cao mật độ dòng điện giới hạn

Ngược lại nếu giảm mật độ dòng điện suống quá thấp tốc độ mạ sẽ chậm và lớp mạ kết tủa sẽ thô không đều cho nên mỗi loại dung dịch mạ chỉ chỉ cho lớp mạ có chất lượng tốt trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định, khoảng mật

độ dòng điện này càng rộng thì càng dễ thu được lớp mạ đều, điều này rất có ý nghĩa khi sử dụng trong mạ xoa

Trong kỹ thuật mạ thường hay dùng dòng sung trong vài ba giây với mật

độ dòng điện cao hơn 2 ~ 3 lần dòng mạ trong khoảnh khắc ấy một phần lớn các tinh thể được hình thành trên toàn bộ bề mặt lớp mạ kể cả những chỗ khe ,khuất khắc phục được hiện tượng lỏi ,bỏ mạ cục bộ

* ảnh h ưởng của nhiệt độ dung dịch [8],[6]

Nhiệt độ của dung dịch tăng lên làm tăng sự dịch chuyển của ion bổ sung rất nhanh số ion ở lớp catốt và khuyếch tán mạnh số ion của anốt hoà tan do đó làm giảm sự phân cực

Tăng nhiệt độ dung dịch cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn đồng thời còn làm tăng độ dẫn điện của dung dịch giảm nguy cơ thụ động anôt

Cho nên nếu chỉ tăng nhiệt độ mà vẫn giữ nguyên các điều kiện khác thì lớp mạ thu được sẽ thô ,to Nhưng nếu đồng thời tăng cả mật độ dòng điện nữa thì có thể bù trừ được nhược điểm do nhiệt độ gây ra và lớp mạ thu được vẫn có tinh thể nhỏ mịn mà tốc độ mạ lại nhanh

3.1.4 Phân bố chiều dày lớp mạ

3.1.4.1 Phân bồ dòng điện

Có nhiều nguyên nhân đưa đến sự phân bố dòng điện không đồng đều trên

điện cực mà trước tiên là do quy luật dòng điện ưu tiên đi theo đường nào có điện trở nhỏ nhất chi phối mật độ dòng điện và tập chung tại những góc cạnh, chỗ lồi của catôt [2],[3],[6]

Khi khoảng cách anôt – catôt rất bé và vật mạ có nhiều lồi lõm thì phân bố dòng điện rất không đều nhưng nếu đưa các điện cực cách xa nhau thì phân bố dòng điện sơ cấp đồng đều hơn Tuy nhiên phân bố mật độ dòng điện sẽ chỉ tối

ưu khi khoảng cách giữa các điện cực lớn gấp đôi chiều cao phần lồi lõm nhất của vật mạ

H – Hiệu suất dòng điện %

γ - Khôí lượng riêng của kim loại mạ g/cm2

Ta thấy rằng chiều dày lớp mạ M phụ thuộc vào mật độ dòng điện và hiệu suất dòng điện, khi hiệu suất dòng điện tăng theo mật độ dòng điện thì phân bố kim loại không đều bằng dòng điện thực tế mạ dễ bị lỏi

Khi hiệu suất dòng điện giảm khi tăng mật độ dòng điện thì phân bố kim loại

Tuy việc thoát khí hyđro có gây nhiều phiền toái nh−ng nó lại góp phần làm tăng khả năng phân bố Hyđro chỉ thoát ra đ−ợc ở những điểm nào trên bề mặt có

điện thế cao, do hyđro thoát ra nên đã tiêu tốn một phần dòng điện lẽ ra là để thoát kim loại, kết quả là lớp mạ trở nên đều hơn

Khối l−ợng kim loại (m) điện kết tủa lên diện tích (S) có thể tính dựa theo

định luật điện phân Farađây:

Công thức 3.4 [24]

m = S.Dc.T.H.C

Trong đó:

S – diện tích mạ (dm2)

Dc – mật độ dòng điện catot (A/dm2)

T – thời gian mạ (giờ)

H – Hiệu suất dòng điện, % (phụ thuộc vào từng loại dung dịch mạ)

C - đương lượng điện hoá của ion kim loại mạ (g/Ah)

Chiều dày mạ có thể tính theo công thức:

δ = 100.Dc.T.C.H/γ (àm)

δ - Chiều dày trung bình của lớp mạ (àm)

γ - trọng lượng riêng của kim loại mạ (g/cm3)

Động học quá trình catot:

Khi cho dòng điện một chiều đi qua bề mặt điện cực, dưới tác dụng của dòng điện một chiều, nồng độ chất điện giải trên bề mặt điện cực sẽ bị thay đổi

Điều này dẫn đến sự thay đổi cấu tạo của lớp điện kép và đại lượng ϕcb (điện thế

điện cực catot bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng ϕcb) hay sự phân cực điện cực

Sự phân cực điện là sự dịch chuyển điện thế điện cực ra khỏi vị trí cân bằng khi có dòng điện chạy qua Độ phân cực là một hàm số của mật độ dòng điện (anot hay catot)

- Phân cực hoạt hoá: do sự chậm trao đổi điện tích trên bề mặt điện cực và dung dịch (thường là do năng lượng hoạt hoá của phản ứng cao) Phân cực hoạt hoá ngoài sự phụ thuộc vào mật độ dòng điện, còn phụ thuộc vào bản chất, trạng

thái bề mặt điện cực, bản chất tham gia phản ứng, nhiệt độ, nồng độ, nồng đồ chất phản ứng và thành phần dung dịch

- Phân cực do sự hình thành pha mới: Hình thành lớp tinh thể trên bề mặt

- Miền động học điện hoá

- Miền động học hỗn hợp

- Miền động học khuếch tán Khi lệch khỏi thế cân bằng ϕcb một ít, quá trình tuân theo quy luật động học

điện hoá ở đây ta quan sát thấy có sự phụ thuộc tuyến tính giữa quá thế catot ∆ϕ

và lgDc theo phương trình Tafel: [6],[8]

Miền động học khuyếch tán

ik

Miền động học điện hóa Miền động học hỗn hợp

-ϕ

Hình 3 1: Đường cong phân cực catot

∆ϕ = a +blgDcCàng phân cực catot tốc độ phản ứng càng tăng, sự chênh lệch nồng độ chất phản ứng ở bề mặt điện cực và trong dung dịch càng lớn, đến một giá trị nào đó của thế, tốc độ khuếch tán đạt đến một giá trị tới hạn Tại đó dù có thay đổi thế

điện cực về phía âm bao nhiêu, tốc độ phản ứng cũng không thay đổi, mật độ dòng catot ở điều kiện giới hạn này được gọi là dòng giới hạn catot igh

Đặc điểm của lớp kim loại mạ:

- Lớp mạ mịn, không có tạp chất, chịu mài mòn tốt

- Độ dầy lớp mạ bảo vệ và phục hồi thường là 0,001 – 2mm Khi khôi phục rãnh, độ dầy lớp mạ có thể đạt được 3mm

- Độ cứng lớp mạ phụ thuộc vào vật liệu mạ, thường ở khoảng như sau: + Cu: 15 – 40 HRC

+ Ni: 48 – 52 HRC

+ Cr: 65 – 70 HRC

Độ cứng của lớp mạ có thể tăng lên nếu được nhiệt luyện như bảng 3.2

Bảng 3.2: Độ cứng của một số lớp mạ sau khi nhiệt luyện (HV)

3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng và

năng suất lớp mạ xoa

Dung dịch mạ xoa và các thông số công nghệ như: mật độ dòng điện,

điện áp mạ, nhiệt độ, tốc độ chuyển dịch của bút xoa v.v khi mạ xoa có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của lớp mạ

Trong công nghệ mạ xoa hiện đại, để tăng cường quá trình mạ thường dùng dung dịch có nồng độ cao, đồng thời tiến hành ở mật độ dòng điện lớn, nhiệt độ cao và tốc độ nhanh Mỗi dung dịch mạ đòi hỏi một chế độ công nghệ thích hợp riêng để thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn [17],[26]

3.2.2.1 ảnh hưởng của điện áp mạ xoa

Điện áp mạ xoa ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp mạ, nó là một trong những yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất đến chất lượng lớp mạ

Nếu điện thế cao, dòng điện mạ xoa sẽ lớn, tốc độ mạ xoa tăng nhanh, dễ hình thành tổ chức lớp mạ thô, xốp Dòng điện lớn làm phát nhiệt nhiều, tăng nhiệt độ dung dịch mạ xoa, tốc độ hình thành lớp mạ xoa càng nhanh, bề mặt lớp mạ càng khô nhanh, làm tốn nhiều dung dịch mạ, dương cực dễ bị cháy khiến cho lớp mạ

bị đen và thô nhám, thậm chí bong ra do quá nhiệt Nếu điện thế thấp hơn yêu cầu, tốc độ hình thành lớp mạ quá chậm, đồng thời chất lượng lớp mạ cũng thấp Muốn chất lượng lớp mạ đảm bảo, tăng hiệu suất sản xuất, cần xác định phạm vi

sử dụng của điện thế tuỳ theo dung dịch mạ

Thí dụ: nếu diện tích mạ xoa của chi tiết nhỏ, điện thế nên lựa chọn nhỏ; nếu tốc độ tương đối lớn giữa bút xoa và chi tiết chậm, nên chọn điện thế thấp, sau

đó sẽ tăng dần Cần điều chỉnh điện thế mạ xoa ngay cả khi mạ xoa trong cùng một điều kiện Thí dụ khi mạ nền Ni, sử dụng điện thế 18 V ; sau 5 đến 10 giây, hạ xuống 12V

3.2.2 ảnh hưởng của mật độ dòng điện mạ xoa

Trong quá trình mạ, mật độ dòng điện giữ vai trò rất quan trọng, nó ảnh

hưởng nhiều đến tính chất lớp mạ Nếu mật độ dòng điện rất thấp, tốc độ chuyển

động điện tử trong các phản ứng điện cực sẽ nhỏ, các nguyên tử mới hình thành

có đủ thời gian gia nhập có trật tự vào mạng tinh thể Vì vậy, mạng lưới và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi, quan sát bằng hiển vi điện tử thấy

rõ điều đó Tiến hành mạ ở mật độ dòng thấp cho lớp mạ mịn, ít gai, nhưng độ cứng lớp mạ thu được không cao, tốc độ tăng chiều dầy lớp mạ thấp Nếu mạ ở mật độ dòng quá thấp lớp mạ sẽ không được hình thành hoặc khả năng bám dính

của lớp mạ kém [17],[18],[26]

Khi tăng mật độ dòng điện lên, tốc độ phóng điện tăng nhanh, số lượng nguyên tử kết tủa trên đơn vị diện tích và trong đơn vị thời gian càng nhiều, chúng sẽ xắp xếp sít hơn Do vậy kết cấu bề mặt trở nên rắn chắc và độ cứng lớp mạ tăng Mặt khác các nguyên tử kim loại sinh ra ồ ạt không kịp gia nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể do quá thế lúc đó lớn, nên nhiều mầm tinh thể mới tiếp tục sinh ra Mạng tinh thể trở nên mất trật tự và được thể hiện ra là lớp mạ có nhiều lớp, nhiều gợn sóng và nhiều khối đa tinh do đó bề mặt lớp mạ trở nên không đồng nhất

Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên cao hơn nữa, tốc độ phóng điện quá nhanh, làm cho ion kim loại gần catot quá nghèo, quá trình điện cực lâm vào tình trạng bị chi phối bởi sự khuếch tán: những điểm lồi, mũi nhọn v.v được ion kim loại chuyển đến dễ dàng hơn, đồng thời điện thế rơi trên các điểm này đến anot

sẽ nhỏ lại, nên tại đó sẽ được ưu tiên phóng điện, kết quả là kết tủa sẽ sần sùi hoặc có dạng hình nhánh cây Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện đến nỗi khuếch tán ion hoàn toàn không kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được sẽ là bột kim loại Lớp mạ không được phép sần sùi, nhám Vì vậy, để có lớp mạ đạt yêu cầu nên dùng dải mật độ dòng điện thấp Hơn nữa, ở Dc thấp kim loại mạ dễ bắt chước lặp lại đúng kiểu mạng lưới của kim loại nền và cho độ gắn bám cao Chất lượng lớp mạ thay đổi dạng kết tủa theo mật độ dòng điện được thể hiện trên hình 3.2 sau

Hình 3 2 Thay đổi dạng kết tủa theo mật độ dòng điện

Dải mật độ dòng điện thích hợp cho lớp mạ tốt thường thấp hơn mật độ dòng giới hạn Dgh khá nhiều, do đó phải tìm cách tăng Dgh của nó lên, có ba cách tăng

Dgh:

(1) Tăng nồng độ ion kim loại mạ

(2) Tăng nhiệt độ mạ

(3) Tăng chuyển động tương đối giữa catôt và anôt

Cách (1) và (2) không thể tăng bao nhiêu cũng được Nồng độ không thể cao hơn độ bão hoà được, ngoài ra khi nồng độ cao thì mất mát khi thao tác sẽ lớn, tốn nhiều vật tư, hoá chất Nhiệt độ chỉ lên đến 60 - 70oC, quá cao sẽ ăn mòn mạnh thiết bị, mất do bay hơi, do phân huỷ sẽ lớn, tốn nhiều điện năng và thời gian để đun nóng Cách (3) là cách tỏ ra hiệu quả nhất cho phép dùng mật độ dòng điện Dc cao hơn, tốc độ mạ sẽ nhanh hơn, ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hyđrô dễ tách ra khỏi bề mặt điện cực

3.2.2 ả nh hưởng của kim loại nền

Với mỗi loại kim loại nền khác nhau cũng như dung dịch mạ khác nhau, ta phải tiến hành lựa chọn chế độ công nghệ cho phù hợp Các kim loại mạ rất đa dạng

phong phú ( Cu, Ni, Cr, Fe, Zn, Sn, Au, Ag, hợp kim Ni - W, Pb - Sn & Pb - Sn -

Cu v.v ) Kỹ thuật mạ xoa cho phép dùng 19 kim loại tiêu chuẩn và không giới hạn thành phần hợp kim, kết quả mạ rất tốt trên mọi nền kim loại và hợp kim Gần đây người ta bắt đầu chú ý nhiều đến các tính chất kim loại học của lớp mạ Nhiều công trình nghiên cứu về quan hệ giữa cấu trúc lớp mạ và tính chất của nó như độ bền ăn mòn, độ bóng v.v… đã và đang được tiến hành Tất cả cùng khẳng định rằng mọi lớp mạ thu được từ các dung dịch mạ công nghiệp đều có dạng kết cấu tinh giống như các kim loại được chế tạo bằng phương pháp nhiệt luyện vậy Nghĩa là từ các nguyên tử sắp xếp theo một thứ tự nhất định thành các

ô mạng cơ bản, các ô cơ bản kết thành tinh thể (hạt), các tinh thể lại kết thành kim loại Kích thước và hình dạng hạt không những có quan hệ đến tính chất kim loại mà quyết định tính cả tính chất của lớp mạ [19],[24],[10]

Nếu làm cho cỡ hạt của kim loại càng nhỏ ( hoặc tỷ lệ giữa biên giới hạt với tổng thể tích của kim loại càng lớn ) thì tính chất kim loại của nó càng kém dần

so với tính chất truyền thống vốn có của nó Cho nên không lạ gì đối với các lớp mạ có hạt càng nhỏ mịn thì tính chất kim loại học của chúng càng khác dần với tính chất vốn có của kim loại ấy Những yếu tố làm thay đổi cỡ hạt, lượng tạp chất, ứng suất nội, định hướng ưu tiên v.v… của lớp mạ cũng đồng thời ảnh hưởng mạnh đến tính chất kim loại học của nó

ảnh hưởng của cấu trúc kim loại nền đến cấu trúc lớp mạ như thế nào còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố: nếu khoảng các giữa các nguyên tử trong mặt mạng kim loại nền rất giống trong kim loại mạ thì cấu trúc của nền có khả năng kéo dài sang lớp mạ và được gọi là phát triển lai ghép Nếu khoảng cách giữa các nguyên

tử trong lớp mạ nhỏ hơn nền thì độ dãn dẻo bị giảm, vì sự sắp xếp tuần hoàn, ngay ngắn của các mặt mạng ngoài của chúng sẽ kết thúc tại chỗ phân cách các mặt mạng ngoài ấy và gây nên lệch phân cách Các oxyt, các màng trên mặt nền

và các mặt biến dạng bề ngoài do đánh bóng cơ v.v… đều cản trở sự phát triển lai ghép Các điều kiện mạ nào làm tăng quá thế như dùng Dc lớn, dùng phụ gia …

sẽ tạo điều kiện thuận lợi để hình thành mầm 3 chiều Khi các mầm như vậy được

hình thành thì ảnh hưởng định hướng của nền đối với mạ có xu hướng mất đi, mặt

khác tăng nhiệt độ, hạ thấp Dc sẽ làm cho các nguyên tử kịp di chuyển đến các vị

trí cần thiết và gia nhập cấu trúc vốn có của nền, tạo điều kiện thuận lợi cho phát

triển lai ghép Khi không lai ghép được với nền, cấu trúc lớp mạ có thể bị ảnh

hưởng bởi cấu trúc của lớp vật chất bám trên bề mặt nền Mức độ và tầm ảnh

hưởng của nó là một vấn đề đang được tranh cãi Với các ưu điểm của công

nghệ mạ xoa: mạ cục bộ phục hồi các chi tiết máy trong thực tế sản xuất, các

vật liệu chế tạo chi tiết máy chủ yếu là thép các loại và gang cho nên đề tài

đặt ra là mạ xoa các kim loại đồng, niken, trên nền thép cácbon và hợp kim

nhôm

3.2.2.4 ảnh hưởng của dung dịch đến chất lượng mạ xoa

Dung dịch mạ xoa là điều kiện vật chất không thể thiếu của quá trình mạ xoa ,chất

lượng dung dịch mạ xoa sấu hay tốt ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng lớp mạ

Do việc ứng dụng mạ xoa ngày càng rộng rãi ,hiện nay trên thế giới có 5 chủng

loại dung dịch dùng cho mạ xoa bao gồm : [13],[24],[27]

- Dung dịch sử lý trước khi mạ

- Dung dịch mạ kim loại đơn và hợp kim

- Dung dịch thoái mạ

- Dung dịch thuần hoá

Bảng 3.3 thể hiện các loại dung dịch sử dụng trong công nghệ mạ xoa

Bảng 3.3 : Phân loại dung dịch mạ

Dung dịch làm sạch điện

Mác 0 , mác 1 Dung dịch

sử lý trước

khi mạ

Dung dịch hoạt hoá

Mác 1 – 8 dung dịch hoạt hoá , Dung dịch hoạt hoá bạc mềm

Loại Ni

Ni đặc biệt, Ni nhanh, Ni bóng, Ni mịn,

Ni axid, Ni trung tính, Ni kiềm, Ni ứng xuất thấp

Loại đồng Cu Cu nhanh, Cu đặc biệt, Cu axid, Cu kiềm,

Cu kiềm chồng cao, Cu hợp kim Loại Co Co kiềm, Co bóng 1/2 trung tính, Co axid

Sau đây giới thiệu tính năng, công dụng và phạm vi công nghệ của dung dịch mạ xoa:

a Dung dịch sử lý ban đầu

Mức độ sạch của khâu sử lý ban đầu đối với bề mặt nền trước khi mạ là một khâu quyết định đến chất lượng lớp mạ, dung dịch sử lý ban đầu dùng cho bề mặt chủ yếu bao gồm dung dịch làm sạch dầu, mỡ bằng điện với phương pháp điện phân, dung dịch hoạt hoá tiến hành xâm thực khắc sâu bằng điện phân Tuỳ theo tính năng của dung dịch, dung dịch hoạt hoá có thể phân biệt loại hoạt hoá mạnh

và loại hoạt hoá yếu Loại hoạt hoá mạnh bao gồm axid sunfuric và axid Clohyđric, loại hoạt hoá yếu bao axid ĐIMONG

* Dung dịch làm sạch bằng điện

Để làm sạch chi tiết mạ có thể dùng các biện pháp cơ khí để loại trừ các viết oxy hoá nghiêm trọng ,có thể dùng các chất hữu cơ như xăng, axetôn, cồn v.v…để loại trừ các vết bẩn như dầu , mỡ

Cuối cùng phương pháp điện hoá để khử dầu và ăn mòn, quá trình này được gọi là làm sạch bằng điện

Trong mạ xoa dung dịch làm sạch bằng điện là một loại dung dịch hoà tan trong nước, trong suốt mang tính kiềm trị số pH từ 11 – 13 có khả năng khử dầu khá mạnh

Khi thao tác chi tiết mạ nối với cực âm của nguồn điện, bút mạ nối với cực dương Khi bút mạ liên tục cọ sát bề mặt chi tiết dưới tác dụng của dung dịch sẽ làm khí hyđrô thoát khỏi bề mặt làm rách màng dầu xúc tiến tác dụng xà phòng hoá và nhũ tương hoá đối với dầu , làm sạch dầu bẩn

Phương pháp khử dầu bằng âm cực có tốc độ nhanh hiệu quả tốt song không thể dùng với vật liệu nhạy cảm với hyđrô

* Dung dịch làm sạch bằng điện số 1

Đây là loại dung dịch khử dầu thuộc loại kiềm trong suốt không màu, chúng

có một chút khả năng xâm thực, phù hợp với việc khử dầu điện phân cho tất cả các bề mặt kim loaị

- Tốc độ dịch chuyển bút mạ khoảng 4 – 8 m/min

- Cực nguồn điện dương (thuận cực )

Trong dung dịch làm sạch bằng điện số 1 có chứa NaOH là kiềm mạnh,

Na2CO3 là loại kiềm có cường độ trung bình chúng đều có khả năng xà phòng hoá

mạnh ngoài ra còn một thành phần Na3PO4 hàm lượng cao là một chất tạo nhũ tương và có khả năng xà phòng hoá nhẹ có thể gây tác dụng nhũ tương hoá

Khi dùng điện làm sạch trong quá trình mạ xoa thực chất ta có quá trình làm sạch dầu bằng điện hoá học, do tác dụng cực hoá ranh giới giữa dầu và dung dịch, ngoài ra khi điện phân bọt khí Hđrô hoặc ôxi được tách ra khỏi điện cực có tác dụng xé mạnh có thể xúc tiến màng dầu nhanh chóng biến thành các hạt dầu

li ti, ngoài ra còn có thêm tác động chuyển động của bút mạ có thể cường hoá thêm một bước quá trình làm sạch dầu khiến cho quá trình làm sạch bằng điện có hiệu quả tốt

Phương pháp làm sạch bằng điện tuỳ theo sự khác nhau về cực của nguồn điện nối với chi tiết gia công, có thể chia làm 2 loại: phương pháp làm sạch bằng điện cực dương và phương pháp làm sạch bằng điện cực âm Nói chung khi thao tác mạ xoa thường sử dụng phương pháp làm sạch bằng điện cực âm vì tốc độ làm sạch tương đối nhanh không sâm thực hyđrô dễ dẫn đến thấm hyđrô vào nền chi tiết gây mòn, làm hỏng chi tiết Khi mạ xoa thép cường độ cao thường dùng phương pháp làm sạch bằng điện cực dương, tuy nhiên tốc độ làm sạch dầu có chậm hơn

Đối với chi tiết có nền kim loại khác nhau thì điện áp sử dụng để làm sạch bằng

điện cũng khác nhau

Trong quá trình làm sạch mặt nền kim loại thường sử dụng công nghệ như bảng 3.4 và 3.5 [24],[13]

Bảng 3.4 Điện thế và thời gian làm sạch bằng điện

đối với các loại kim loại nền khác nhau

Tên nền Điện thế làm việc /V Thời gian làm sạch /S

Bảng 3.5 Thành phần và chế độ làm việc của một số loại dung dịch làm sạch

lý bề mặt Dung dịch hoạt hoá Số 1 ~ số 8

Hoạt hoá Cr hoặc Ag

trung tính , kiềm ,ứng suất thấp ,cao

hợp kim Hợp kim 3 nguyên tố Ni- Fe – Co, Ni- Fe – W,

Ni – Co – S, Ni – Pb – Ti Trong thao tác thực tế phải linh hoạt nắm điện áp làm việc trên cơ sở tiêu trí trực quan đánh giá việc làm sạch bằng điện tốt hay sấu là bề mặt kim loại nền thể hiện sạch sẽ có màu sám mờ không có nước

* Dung dịch hoạt hoá

Quá trình hoạt hoá của mạ xoa tương tự việc ăn mòn khi mạ trong bể Mục

đích của hoạt hoá là khử từ bề mặt kim loại nền lớp vỏ ôxit, cấu trúc bề mặt

không tốt (như lớp bề mặt hoá cứng , lớp bị mất cácbon ,lớp xốp v.v ) Cũng như vật phẩm xâm thực nhằm đảm bảo sự dính kết tốt giữa lớp mạ và kim loại nền Trong kỹ thuật mạ xoa sử dụng phương pháp ăn mòn điện hoá mà trong thuật ngữ của mạ xoa được gọi là “hoạt hoá” Phương pháp ăn mòn điện hoá có khả năng ăn mòn mạnh ,tốc độ nhanh có thể thực hiện bằng dương cực hoặc âm cực Trong dung dịch hoạt hoá của mạ xoa không cho chất hãm xâm thực vì một số chất hãm xâm thực bị hấp thụ tương đối chặt trên bề mặt kim loại Do đó nếu sau khi hoạt hoá rửa không sạch sẽ ảnh hưởng lớn đến khả năng bám dính của lớp mạ Dung dịch hoạt hoá do nhiều loại axid hợp thành ,dưới tác dụng của điện trường một chìêu có năng lực khá mạnh đẩy đi màng ôxit trên bề mặt kim loại Màng dung dịch axid còn sót lại sau hoạt hoá có thể ngăn ngừa bề mặt kim loại bị ôxi hoá Bề mặt kim loại nền sau khi được làm sạch bằng điện và sử lý hoạt hoá trên

bề mặt sẽ suất hiện kim loại tươi mới (trên bề mặt này sẽ kết tinh lớp mạ kim loại ) sẽ bảo đảm lực kết dính tốt giữa lớp mạ và kim loại nền ,khi kim loại nền khác nhau chất hoạt hoá sử dụng cũng khác nhau, dung dịch hoạt hoá loại axid Sunfuric có thể sử dụng cho các chủng loại kim loại khác nhau đặc biệt là Ni, Cr thép không gỉ, hợp kim chịu nhiệt tác động ôn hoà ,cực dương ,âm đều có thể sử dụng [16],[26]

Dung dịch hoạt hoá kiểu muối axid (dung dịch hoạt hoá số 2 ) phù hợp với các loại kim loại chủ yếu dùng cho gang, thép cacbon và các hợp kim Chỉ sử dụng bút mạ tiếp xúc với cực âm nguồn điện

Loại dung dịch hoạt hoá axid (dung dịch hoạt hoá số 3) có khả năng khử Graphit và hoạt chất cacbon trên bề mặt kim loại thường dùng cho gang và thép cacbon Thông qua việc sử lý hoạt hoá bằng dung dịch số 1 và số 2 đã khử vết

đen cácbon trên bề mặt chi tiết gia công làm xuất hiện màu trắng sáng bạc của

bề mặt kim loại tươi mới nâng cao khả năng bám dính giữa lớp mạ và kim loại nền Loại dung dịch hoạt hoá này sử dụng tính nối phản cực ,tác dụng ôn hoà Một số kim loại màu để tránh xâm thực chỉ sử dụng dung dịch hoạt hoá số 3

+ Dung dịch hoạt hoá số 1

Loại dung dịch này trong xuốt không màu có :

- Điện áp làm việc 8 ~ 15 v

- Tốc độ chuyển động tương đối 6 ~ 10 m/phút

- Nối cực của nguồn điện : Ngược chiều

Tác dung của dung dịch hoạt hoá số 1 với thép không gỉ tương đối chậm, đối với thép cán nguội tác dụng rất nhanh Điện áp làm việc với thép cacbon, thép tôi thép đúc hoặc gang khoảng 10 ~ 18 vôn tiến hành hoạt hoá ngược cho tới khi bề mặt chi tiết xuất hiện màu đen đều mới thôi

+ Dung dịch hoạt hoá số 2

Loại dung dịch này trong xuốt không màu có :

sử lý hoạt hoá cho thép cacbon trung bình ,thép cacbon cao, thép hợp kim

Khi hoạt hoá sử dụng chế độ công nghệ sau :