Đề tài thiết kế tự động hóa pilot mạ niken crom phục vụ phòng thí nghiệm khoa hóa

Hiện nay trên thị trường các sản phẩm chi tiết cơ khí có bề mặt rất bóng, có độ bền cao; đó là vì chúng đã được mạ một lớp kim loại có những tính chất hóa học như trên.. Trong quá trình

PHẦN MỞ ĐẦU

Việt Nam là quốc gia đang trên đà phát triển, quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước đòi hỏi sự vượt trội về công nghệ và nguồn nhân lực trí thức trẻ Đó là điều mỗi nước đều theo đuổi nhằm đạt được sự ưu việt nhất trong quá trình sản xuất,

nó không chỉ có ý nghĩa về mặt lợi nhuận mà còn có ý nghĩa về sự phát triển khoa học Việc tìm tòi nghiên cứu và tìm ra những thiết bị, máy móc mới nhằm phục vụ sản xuất

và đời sống chính là mục tiêu cố gắng không ngừng nghỉ của mỗi người với ý nghĩa khẳng định sự thành công trong thương trường khi áp dụng được những công nghệ tốt nhất quốc gia và Việt Nam cũng không nằm ngoài dòng chảy chung đó của thế giới Tại Việt Nam khi mà việc áp dụng khoa học công nghệ còn chưa cao và chưa được thực hiện trên quy mô lớn thì việc hiện đại hóa các quy trình sản xuất càng bức thiết hơn bao giờ hết Khi nền công nghiệp pháp triển cũng kéo theo các yêu cầu cao về độ chính xác, độ bền, độ phẩm mỹ của các chi tiết cơ khí Hiện nay trên thị trường các sản phẩm chi tiết cơ khí có bề mặt rất bóng, có độ bền cao; đó là vì chúng đã được mạ một lớp kim loại có những tính chất hóa học như trên Nổi bật trong đó là hai kim loại Nikel và Crom đóng vai trò chủ yếu và quan trọng Tại Việt Nam, các công ty phải nhập các dây chuyền mạ Nikel - Crom từ nước Ngoài chi phí cao Thời gian gần đây đã

có nhiều công ty Việt Nam đã tự chế tạo các dây chuyền mạ Nikel-Crom, tuy nhiên số lượng còn hạn chế

Đồng thời ngành giáo dục nước nhà cũng phải đào tạo được nguồn lao động có trình độ tay nghề cao đáp ứng được công nghệ hiện đại Việc xây dựng các mô hình thí nghiệm sát với các hệ thống công nghiệp tại các trường đại học, cao đẳng để sinh viên

ra trường không phải đào tạo lại là một việc mang tính cấp bách Tại khoa Công nghệ Hóa – Thực phẩm, trường Đại học Lạc Hồng, các bạn sinh viên đã được tiếp xúc với quy trình thí nghiệm mạ Nikel-Crom Tuy nhiên đây chỉ là phương pháp thủ công, chính vì thế mà các bạn rất dễ tiếp xúc với hóa chất độc hại cao, ảnh hưởng đến sức

khỏe và việc học tập Do đó việc tự động hóa quy trình mạ Nikel-Crom trong phòng thí nghiệm là một nhu cầu cấp thiết

Được sự chấp thuận của Ban giám hiệu, ban lãnh đạo khoa Cơ Điện trường Đại Học Lạc Hồng, ban lãnh đạo khoa Công nghệ Hóa – Thực phẩm, hướng nghiên cứu này được thực hiện bằng đề tài tốt nghiệp mang tên:

“Thiết kế tự động hóa pilot mạ Nikel - Crom phục vụ phòng thí nghiệm khoa Hóa”

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là: Kế thừa và phát huy mô hình thí

nghiệm mạ Nikel-Crom của khoa Công nghệ hóa – thực phẩm, dưới tiêu chí chế tạo được mô hình cánh tay robot đơn giản nhất với chi phí thấp nhất nhưng mang lại hiệu quả cao nhất Nhóm nghiên cứu đã đưa ra nhiều ý tưởng cũng như sử dụng công nghệ phù hợp với giải pháp của đề tài Từ đó lựa chọn giải pháp tốt nhất mang hiệu quả giảng dạy – học tập, tiết kiệm diện tích cho phòng thí nghiệp thực hiện việc thiết kế và thi công mô hình

Nội dung thực hiện của đề tài là lựa chọn các giải pháp cơ khí đơn giản, chính

xác, ứng dụng điều khiển tự động vào mô hình mạ Nikel -Crom ứng dụng trong phòng

thí nghiệm nhưng sát với các dây chuyền xi mạ trên thực tế

Mục đích của đề tài là tự động động hóa quy trình mạ Nikel-Crom, với độ

chính xác cao, nhằm phục vụ giảng dạy thực tế với bên ngoài công ty, xí nghiệp

Ý nghĩa khoa học của đề tài là ứng dụng kỹ thuật cơ khí và tự động hóa vào

quy trình mạ Nikel-Crom, để khi sinh viên tiến hành thí nghiệm có thể quan sát quá trình xi mạ một cách thuận lợi nhất mà không phải tiếp xúc với các hóa chất độc hại

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là góp phần vào việc nâng cao chất lượng giảng

dạy- học tập, sinh viên không bỡ ngỡ với công nghệ tự động các dây chuyền mạ Crom Kết quả sản phẩm thành công sẽ được lắp đặt chuyển giao cho phòng thí nghiệm khoa công nghệ Hóa - Thực Phẩm trường Đại Học Lạc Hồng, có thể nhân rộng ra các trường khác nếu có nhu cầu

Ngành mạ điện được nhà hóa học người Ý: Luigi V.Brugnatelli khai sinh vào năm

1805 Ông đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp Alessandro Volta là pin Volta

để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên Tuy nhiên, phát minh của ông không có ứng dụng trong công nghiệp trong suốt 30 năm mà chỉ được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm

Hình 1.1: Nhà khoa học Luigi V.Brugnatelli

Năm 1839, hai nhà hóa học Anh và Nga khác độc lập nghiên cứu quá trình mạ kim loại đồng cho những nút bản in Ngay sau đó, John Wright, Birmingham sử dụng chất Kali xyanua cho dung dịch mạ vàng, bạc Vào thời kì này, đó là dung dịch duy nhất có khả năng cho lớp mạ kim loại quý rất đẹp

Tiếp bước Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sáng chế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840 Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện tại Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới Cùng với sự phát triển của

khoa học điện hóa, cơ chế điện kết tủa lên bề mặt kim loại ngày càng được nghiên cứu

và sáng tỏ

Kỹ thuật mạ điện trang trí cũng được phát triển Lớp mạ đồng, kẽm, thiếc thương mại chất lượng tốt đã trở nên phổ biến từ những năm 1850 Kể từ khi máy phát điện được phát minh từ cuối thế kỉ 19, ngành công nghiệp mạ điện đã bước sang một kỉ nguyên mới Mật độ dòng điện tăng lên, năng suất lao động tăng, quá trình mạ được tự động hóa từ một phần đến hoàn toàn Những dung dịch cùng với các phụ gia mới làm cho lớp mạ đạt chất lượng tốt hơn Các lớp mạ được nghiên cứu phát triển để thỏa mãn

cả yêu cầu chống ăn mòn lẫn trang trí, làm đẹp

Kể từ sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta còn nghiên cứu thành công kỹ thuật mạ Crom cứng, mạ đa lớp, mạ đồng hợp kim Nhà vật lí Mỹ Richard Feynman

đã nghiên cứu thành công công nghệ mạ lên nền nhựa Hiện nay công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi

1.1.2 Khái niệm, nguyên lý của mạ điện

Khái niệm: Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thuật Galvano (lấy theo tên nhà khoa học Ý

Luigi Galvani), là tên gọi của quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên một vật

Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm (Kathode), kim loại mạ gắn với cực dương (Anode) của nguồn điện một chiều trong dung dịch điện môi (có thể

là các axit loãng)

Hình 1.2: Nguyên lý của mạ điện (mạ Đồng)

Tại cực dương (Anode) xảy ra quá trình Oxy hóa kim loại, giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm (Kathode), tại đây chúng nhận lại e- trong quá trình ôxi hóa, khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời gian mạ

1.2 Công nghệ mạ điện Nikel-Crom

1.2.1 Giới thiệu về Nikel – Crom [4]

1.2.1.1 Nikel (Ni)

Hình 1.3: Mẫu tinh thể kim loại Nikel

¾ Ký hiệu hoá học: Ni

¾ Tính chất hoá học: Nikel là kim loại có màu xám, kết tinh ở dạng lập phương

diện tâm Khối lượng nguyên tử 58.6934 đ.v.C, Khối lượng riêng lớn d= 8.9 cm3 Nikel

có tính khử yếu hơn Fe, tác dụng với nhiều đơn chất và hợp chất, không tác dụng với

H2

¾ Tính chất vật lý: Nikel có nhiều tính năng đặc biệt nổi trội như: cứng nhưng

lại dẻo, dễ cán mỏng, nhiêt độ nóng chảy cao (14550C), độ bền của Nikel cao hơn các kim loại khác Nikel bền với không khí và nước ở nhiệt độ phòng

¾ Ứng dụng: Nikel dùng trong ngành luyện kim Thép chứa Nikel có độ bền cao

về mặt cơ học và hóa học Trong chế tạo cơ khí, sản phẩm văn phòng, trang trí mạ Nikel để chống gỉ, chống ăn mòn cho bề mặt chi tiết

¾ Tính chất hoá học: Các trạng thái oxy hóa phổ biến của crom là +2, +3 và +6,

với +3 là ổn định nhất Các trạng thái +1, +4 và +5 là khá hiếm Các hợp chất của crom với trạng thái oxy hóa +6 là những chất có tính ôxi hóa mạnh Trong không khí, crom được oxy thụ động hóa, tạo thành một lớp mỏng ôxít bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình oxy hóa tiếp theo đối với kim loại ở phía dưới

¾ Tính chất vật lý: Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ

bóng cao và nhiệt độ nóng chảy cao Nó là chất không mùi, không vị và dễ rèn

¾ Ứng dụng: do có tính chất hoá lý tương tự như Nikel nên hai kim loại này

thường đi chung cới nhau trong các ứng dụng mạ điện lên các chi tiết cơ khí, trang trí, tạo độ bền cơ học và tính thẩm mỹ

Hình 1.6: Các chi tiết được mạ Crom

1.2.2 Giới thiệu mạ điện Nikel - Crom

1.2.2.1 Khái niệm mạ

Mạ về cơ bản là tạo ra lớp che phủ vô cơ lên bề mặt của chi tiết cần mạ nhằm đem lạcác đặc tính mong muốn như chống ăn mòn, tạo độ cứng, chống mài mòn, chống rạn nứt, dẫn điện hoặc nhiệt, hoặc để trang trí Những quy trình mạ phức tạp đặc biệt thường ứng dụng mối quan hệ điện cực (cực âm/cực dương) giữa vật cần mạ

và bể mạ

1.2.2.2 Phân loại mạ

¾ Mạ trống quay: loại kỹ thuật này dùng để mạ một lúc rất nhiều các chi tiết

nhỏ Các chi tiết này được đổ ào vào bể mạ từ các thùng hoặc các thùng nhúng

¾ Mạ xoa: lớp dung dịch mạ được phủ lên bề mặt vật cần mạ bằng một vật

thấm dung dịch mạ giống như một cây chổi quét, đóng vai trò như cực dương Chi tiết cần mạ giữ vai trò là cực âm và quá trình được thực hiện bằng một dòng điện trực tiếp

¾ Mạ cơ khí: là một quá trình diễn ra trong thùng lắng kim loại lên nhiều chất

làm nền sử dụng cơ học chứ không dùng năng lượng điện

¾ Mạ trên rá: đặt các chi tiết lên vị trí dễ mạ nhất để tiếp xúc với dòng mạ

¾ Mạ xung điện: được sử dụng phổ biến để mạ vàng và hợp kim vàng, nickel,

bạc, chromium, hợp kim thiếc và palladium

¾ Mạ điện: là một quy trình phổ biến nhất tại các nhà máy hoàn tất kim loại

Trong một số kỹ thuật mạ điện các ion kim loại trong môi trường dung dịch a-xít, kiềm, hoặc trung tính được giảm xuống trên vật cần mạ Các ion kim loại trong dung dịch thường được bổ sung bằng sự tan rã kim loại từ cực dương kim loại rắn được làm

từ chính loại kim loại đang mạ, hoặc có thể được bổ sung trực tiếp dung dịch muối kim loại hoặc các loại ô-xít xyanua, thường ở dạng muối hoặc kali xyanua thường

1.2.2.3 Quá trình phân cực trong mạ điện Nikel-Crom [10]

Mạ điện là một quá trình điện phân, ở đó một bề mặt kim loại sẽ được phủ một lớp kim loại khác qua quá trình điện phân Hoạt động mạ điện chủ yếu ứng dụng với các dạng mạ vô cơ cho các bề mặt vì mục đích chống gỉ, tạo độ cứng, chống mòn, tạo đặc tính chống rạn nứt, dẫn điện hoặc nhiệt, hoặc để trang trí Các kim loại và hợp kim thường được dùng trong mạ điện là đồng (đồng-kẽm), cát-mi, crôm, đồng đỏ, vàng, nickel, bạc, thiếc, và kẽm (OECA, 1995) Hình bên dưới mô tả nguyên lý cơ bản của

mạ điện

Hình 1.7: Tổng quát quá trình mạ điện

Trên Anode xảy ra quá trình hòa tan kim loại:

Tốc độ chung của quá trình Kathode nhanh hay chậm là do tốc độ chậm nhất của một trong các bước trên quyết định Mọi trở ngại của các bước trên đều được thực hiện ở độ phân cực Kathode (quá thế Kathode ηc), tức là điện thế Kathode dịch về phía

âm hơn một lượng ηc so với cân bằng:

ηc = φcb – φ (1.1)

Trong đó:

φcb: điện thế cân bằng của Kathode (V)

φ: điện thế phân cực của Kathode (V)

Giữa phân cực Kathode (quá thế Kathode) và cấu trúc kết tủa (lớp mạ) có quan hệ chặt chẽ với nhau: phân cực Kathode càng lớn, tinh thể càng nhỏ mịn

Sự phân cực gây nên do tốc độ di chuyển của ion, gọi là sự phân cực nồng độ Sự phân cực nồng độ là do sự thay đổi nồng độ ion kim loại ở lớp sát anode và kathode Ở lớp sát anode nồng độ ion kim loại tăng lên, ở lớp sát kathode nồng độ ion kim loại giảm đi

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

• Được lớp kết tinh mịn

• Khả năng phân bố tốt, lớp mạ đồng đều

• Làm Hydro thoát ra mạnh, làm giảm hiệu suất dòng điện và độ bám lớp

mạ Khi nghiêm trọng có thể gây ra bọt khí, tróc

• Sự phân cực anode làm cho hòa tan không bình thường, dung dịch không

ổn định

Nói chung, sự phân cực của dung dịch nồng độ thấp lớn hơn sự phân cực của dung dịch nồng độ cao Hiện tượng này do trong dung dịch nồng độ thấp, số ion của nó rất khó bổ sung vào lớp sát kathode Dung dịch muối phức có sự phân cực lớn hơn dung dịch muối đơn Khi cho phụ gia vào dung dịch, sẽ có ảnh hưởng lớn tới sự phân cực Đa số trường hợp khi cho chất phụ gia vào làm tăng sự phân cực

Nhiệt độ của dung dịch tăng lên, làm tăng sự dịch chuyển của ion, bổ sung rất nhanh số ion ở lớp sát kathode và khuyếch tán mạnh số ion của anode hòa tan, do đó làm giảm sự phân cực

1.2.2.4 Thành phần dung dịch và chế độ mạ [11]

Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối

đa, mặt hàng mạ, ) và chất lượng mạ Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điên li, và các loại phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp

mạ có chất lượng và tính chất mong muốn

¾ Ion kim loại mạ:

Trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion hydrat hoá hoặc ion phức, nhưng nói chung đều có nồng độ lớn là để tăng giá trị của dòng điện giới hạn, tạo điều kiện nâng cao hơn giải mật độ dòng điện thích hợp cho lớp mạ tốt

Dung dich đơn thường dùng để mạ với tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn giản, còn dung dịch phức dùng cho trường hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dạng phức tạp

mạ Nó cũng có vai trò làm hoà tan anode vì chúng ngăn cản được sự thụ động anode

¾ Phụ gia hữu cơ :

Chất hữu cơ được cho vào bể mạ với nồng độ tương đối thấp nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất của kết tủa kathode Chúng thường có khả năng hấp phụ lên bề mặt kathode, và có trường hợp chất hữu cơ bị giữ lại và kết tủa Nhiều chất cũng làm tăng quá thế điện kết tủa

• Chất bóng: chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn và có thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều Chúng cho lớp mạ nhẵn, mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm

• Chất san bằng: các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở đó xuống

• Biến đổi cấu trúc: các phụ gia là thay đổi cấu trúc lớp mạ và thậm chí có thể ưu tiên định hướng tinh thể hay ưu tiên sinh ra kiểu mạng tinh thể nào

đó Một số chất được dùng để tạo ra các tính chất đặc biệt cho lớp mạ, số khác dùng để điều chỉnh ứng suất trong lớp mạ

• Chất thấm ướt: cho vào để thúc đẩy các bọt khí, bột hydro mau chóng tách khỏi bề mặt điện cực

¾ Mật độ dòng điện kathode:

Mật độ dòng điện giữ vai trò rất quan trọng trong khi mạ Nếu mật độ dòng điện thấp, tốc độ chuyển đổi 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

Khi tăng mật độ dòng điện, tốc độ điện tăng nhanh, các nguyên tử kim loại sinh

ra ồ ạt, không chịu gia nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể Mặt khác do quá thế lúc đó lớn, nên nhiều mầm tinh thể mới tiếp tục sinh ra Do vậy mà 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

Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên cao hơn nữa, tốc độ phóng điện quá nhanh, làm cho ion kim loại gần kathode quá nghèo, quá trình điện cực bị lâm vào tình trạng bị chi phối bởi sự khuếch tán: những điểm lồi, mũi nhọn, được ion kim loại chuyển đến dễ dàng hơn, đồng thời điện thế rơi từ các điểm này đến anode lại dễ hơn, nên tại đó sẽ được ưu tiên phóng điện, kết tủa là kết tủa có sần sùi hoặc có dạng hình nhánh cây Nếu tăng tiếp mật độ dòng điện thì nó sẽ khuếch tán ion hoàn toàn không kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được thì sẽ là bột kim loại

¾ Anode:

Anode thường làm bằng kim loại cùng loại với lớp mạ và chọn cách sử dụng sao cho nồng độ ion kim loại trong dung dịch thay đổi chậm nhất Muốn vậy phải làm cho hiệu suất dòng điện kathode và anode phải bằng nhau trong suốt thời gian phục vụ của anode Phải đảm bảo cho anode không bị thụ động, anode phải luôn dễ tan và tan

đều; muốn thế diện tích bề mặt anot phải lớn để mật độ dòng điện đủ nhỏ, tức là giữ anode nằm trong vùng hoạt động

Phải khống chế các điều kiện kỹ thuật để anode tan thành các ion có hoá trị mong muốn Anode phải được chế tạo sao cho khi hoà tan ít tạo thành bùn cặn nhất, ít tạp chất nhất và khó bị tơi rã nhất

1.3 Quy trình mạ điện Nikel-Crom

1.3.1 Xử lý làm sạch bề mặt kim loại trước khi mạ

Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ là công việc tốn kém, vất vả, nhưng không thể bỏ qua, vì nó quyết định chất lượng sản phẩm mạ Nhiệm vụ quan trọng nhất của chuẩn bị

bề mặt là làm sạch hết các lớp gỉ, các màng ôxit, màng dầu mỡ, tạp chất, tạo độ bóng trên bề mặt kim loại để tạo điều kiện cho lớp mạ gắn chắc với nền; đồng thời tùy đặc điểm của sản phẩm mà nhiệm vụ chuẩn bị bề mặt có những yêu cầu riêng nữa (với các chi tiết mòn không đều khi hồi phục phải lấy lại hình dáng hình học )

Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ phải trải qua nhiều bước, tùy đặc điểm của phôi, yêu cầu của sản phẩm và căn cứ vào thiết bị, vật liệu của chi tiết mạ Chọn dây chuyền

mạ (chọn số bước và thứ tự các bước đó) sao cho hợp lý nhất cả về kinh tế lẫn kỹ thuật

Vì vậy ở đây không thể tìm được quy trình công nghệ xử lý chung cho các vật mạ cho nên chỉ lấy ví dụ để tham khảo Khi điều kiện và yêu cầu thay đổi cần thêm bớt một công nghệ nào đó cho hợp lý

1.3.1.1 Gia công cơ học

Có nhiều cách gia công cơ học: mài, đánh bóng, quay xóc, rung, phun cát, phun nước, chải…

¾ Mài: được thực hiện bằng bột mài với nhiều cỡ hạt khác nhau Dùng keo để

gắn bột mài lên các loại đế có hình dạng khác nhau: dạng đĩa trụ (phớt mài), dạng đai chuyền và chúng được gắn lên máy quay để mài

¾ Đánh bóng: được dùng để gia công lần cuối cho bề mặt thép đã mài, để đánh

bóng các vật bằng đồng, nhôm, kẽm hoặc đánh bóng cho các lớp mạ trang trí Cách

thực hiện cũng giống như mài nhưng vật liệu dùng và chế độ gia công có khác Chất kết dính được đun nóng chảy rồi trộn đều với bột mài, đóng thành bánh ở dạng sáp, khi dùng bôi lên mặt chiếc bóng Bột mài là một trong các oxit của crôm, sắt, kẽm Chất kết dính là một hỗn hợp gồm parafin, stearin, axit oleic, dầu hỏa

¾ Quay xóc: áp dụng cho các vật bé, mảnh Chúng được đổ vào thùng quay

hay máng rung cùng với chất tẩy rửa và chất độn

¾ Chải: áp dụng cho các vật có nhiều khe, kẽ, lỗ, rãnh, răng Bàn chải quay

làm bằng dây thép, dây đồng thau hoặc rễ cây Thường chải ướt bằng dung dịch xà phòng

Trong quá trình gia công cơ học, lớp kim loại bề mặt của sản phẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám với lớp mạ sau này Khắc phục bằng cách trước khi mạ phải tẩy sạch dầu mỡ lại, hoạt hóa bề mặt kim loại sau đó rửa sạch trong nước chảy rồi mạ ngay

1.3.1.2 Tẩy dầu mỡ trên chi tiết cần mạ:

Bề mặt kim loại thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ làm cho bề mặt kim loại trở nên kỵ nước, không tiếp xúc được với các dụng dịch tẩy, dung dịch mạ

Có 2 loại dầu mỡ bám trên bề mặt chi tiết mạ

Loại thứ nhất có nguồn gốc thực vật (dầu) và động vật (mỡ): dễ bị xà phòng hóa bởi xút (NaOH), tạo thành các muối của axit béo bậc cao (xà phòng) tan được trong

nước

Loại thứ hai có nguồn gốc dầu mỏ: dầu hỏa, dầu nhờn, parafin: các loại dầu mỡ không bị xà phòng hóa, nhưng chúng dễ bị nhũ hóa bởi các chất kiềm và cũng có thể bị

tách khỏi bề mặt chi tiết

Tùy thuộc bản chất dầu mỡ bám trên bề mặt chi tiết ta có thể áp dụng phương pháp tẩy dầu mỡ khác nhau:

- Tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ

- Tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm và nhũ tương

- Tẩy dầu mỡ điện hóa

- Tẩy dầu mỡ siêu âm

¾ Tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ

Dung môi thường dung là trycloetylen C2HCl3, hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không bắt lửa, không ăn mòn kim loại (trừ Ag,Mg) nhưng độc Hơi của nó nặng gấp 4 lần không khí, nên phải dung các thiết bị tẩy thích hợp sao cho chỗ đứng thao tác ở trên cao và không khí mát luôn cho vào từ trên xuống nên hơi của chúng luôn ở dưới thấp Tẩy bằng nhúng vật vào dung môi, tuy nhiên tẩy ở trạng thái hơi ngưng tụ vẫn tốt hơn Cặn dầu mỡ được loại bỏ sau khi chưng Tất cả được thực hiện trong máy kín, liên hoàn

Các dung môi khác có thể dùng được là tetracloetylen C2Cl4, cacbon tetraclorua CCl4, tetracloeta C2H2Cl4, hexancloetan C2Cl6…… Những điểm cần lưu ý khi dùng các dung môi này: vật tẩy phải khô, vì hơi ẩm hoặc dung dịch axit sót lại dễ tạo với dung môi ở nhiệt độ cao thành HCl gây ăn mòn nhất là các vật bằng nhôm Sau khi tẩy, dung môi bốc hơi, để lại dầu mỡ hòa tan trên bề mặt tạo thành màng rất mỏng, cần phải tẩy tiếp chúng trong dung dịch kiềm nóng hoặc tẩy điện hóa

¾ Tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm nóng

Dầu mỡ bám trên bề mặt vật tẩy có 2 loại: loại có nguồn gốc từ động – thực vật

và loại có nguồn gốc từ khoáng vật Dưới tác dụng của kim loại kiềm loại dầu mỡ từ động - thực vật biến thành xà phòng dễ tan và glyxerin

(C17H35 COO)3C3 H5 + NaOH = 3C17H35 COO)Na + C3H5(OH)3

Na2SiO3 cho môi trường kiềm yếu, có tác dụng nhũ hóa và ức chế ăn mòn Khi thủy phân nó tạo thành axit silixit keo, làm phân tán chất rắn,cải thiện khả năng tẩy rửa, ngăn cản không cho chất bẩn kết tủa lại trên bề mặt vừa được tẩy Sau khi tẩy xong trên bề mặt kim loại có màng mỏng của NaSiO3 và Na3PO4, rất dễ rửa sạch trong nước trung tính hoặc kiềm yếu

¾ Tẩy dầu mỡ điện hóa

Ưu điểm: tẩy rất nhanh, rất sạch Thường tẩy Kathode, nhưng đôi khi cũng tẩy Anode Dung dịch tẩy có thành phần giống tẩy dầu mỡ hóa học nhưng loãng hơn

Cơ chế của tẩy dầu mỡ điện hóa: Dùng dòng điện 1 chiều tách dầu mỡ trong dung môi hữu cơ Tách dầu mỡ trên bề mặt thành nhũ tương trong dung dịch nhờ việc thoát các bọt hidro trên Kathode hoặc oxi trên Anode

Thường tẩy Kathode (chi tiết nối với cực âm) nhưng đôi khi cũng tẩy anôt hoặc tẩy liên hoàn Kathode - Anode Dung dịch tẩy có thành phần giống tẩy dầu mỡ hóa học nhưng loãng hơn Cơ chế của tẩy dầu mỡ điện hóa là tách dầu mỡ trên bề mặt thành nhũ tương trong dung dịch nhờ thoát các bọt hiđrô trên kathode hoặc ôxi trên anode Khi nhúng chi tiết dính dầu mỡ vào dung dịch kiềm, do tác dụng của sức căng bề mặt, màng dầu mỡ bị nứt vỡ và co lại thành giọt nhỏ Dưới tác dụng của phân cực, độ bám của dầu trên kim loại yếu đi, các giọt dầu càng co lại mạnh hơn, đồng thời tính thấm ướt của kim loại tăng lên Các bọt khí nhỏ tách khỏi bề mặt kim loại sẽ bám lên các giọt dầu cạnh đó Dần dần bọt khí lớn lên ôm lấy giọt dầu và cùng tách khỏi bề mặt kim loại do sức đẩy thủy tĩnh

¾ Tẩy dầu mỡ siêu âm

Tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ hoặc trong dung dịch kiềm yếu có thêm tác dụng của siêu âm sẽ rất nhanh và rất sạch Không chỉ dầu mỡ được tẩy sạch mà màng ôxit cũng bị bào mòn, bong ra

Tăng nhiệt độ cho dung dịch tác dụng của tẩy siêu âm càng tăng lên Thành phần dung dịch tẩy siêu âm cũng ảnh hưởng đến chất lượng và tốc độ tẩy rửa Nếu chất

lỏng không có tác dụng gì với chất bẩn thì vật vẫn được tẩy sạch do tác dụng cơ học tạo ra bởi siêu âm Thường người ta tẩy trong dung dịch kiềm để tận dụng cả tác dụng

hóa học của nó nữa

1.3.1.3 Tẩy gỉ trên chi tiết cần mạ

¾ Tẩy gỉ hóa học trên chi tiết cần mạ

Bề mặt đen thường phủ một lớp oxi dày FeO, Fe2O3, Fe3O4 (gọi là gỉ) và các hidrogenxit của Fe2+ và Fe3+ Tẩy gỉ hóa học cho sắt thép thường dùng dung dịch axit loãng H2SO4 hoặc HCl hay hỗn hợp của chúng Khi tẩy thường diễn ra đồng thời hai quá trình: hòa tan oxit và hòa tan sắt nền HCl hòa tan oxit là chính: H2SO4 hòa tan sắt nền là chính và cho khí hydrogen thoát ra làm bong màng oxit

Hình 1.8: Sắt gỉ do tác động của môi trường bám trên chi tiết cần mạ

Tẩy bằng HCl nhanh hơn, cho bề mặt trắng hơn nồng độ tốt nhất là 150-200g/l

và tẩy ở nhiệt độ dưới 400C Nồng độ và nhiệt độ cao hơn sẽ bốc mùi khó chịu, sắt nền

bị ăn mòn nhanh

Tẩy bằng H2SO4 sẽ nhanh nếu tăng nhiệt độ dung dịch Sau khi tẩy phải lảm sạch mùn đen trên mặt vật tẩy Tốt nhất là dùng nồng độ 80-120g/l ở 50-700C

Để hạn chế hòa tan kim loại nền trong khi tẩy, ngày nay thường dùng các chất

ức chế dưới dang phụ gia của dung dịch Các chất này đươc các nhà chế tạo cung cấp dưới những tên gọi đã mã hóa nhưng có hướng dẫn sử dụng

¾ Tẩy gỉ điện hóa

Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ hóa học đồng thới có sự tham gia của dòng điện Vật tẩy có thể nối với cực âm hay cực dương của nguồn điện

Khi tẩy anode màng ôxit bị mất đi do hòa tan điện hóa và bị bong ra do tác dụng

cơ học của khí thoát ra Dung dịch là H2SO4, HCl hoặc muối của các axit ấy Kathode (anode) làm bằng chì Tẩy anode bề mặt rất sạch và hơi nhám nên độ gắn bám của lớp

mạ sẽ rất tốt Khi tẩy anode, thoạt đầu màng ôxit bị tẩy đi, tiếp đó trên bề mặt kim loại

có thể hình thành một màng thụ động, tạo điều kiện cho OH- phóng điện và giải phóng ôxi

Tốc độ tẩy anode rất nhanh và mạnh nên dễ bị tẩy quá nếu không theo dõi đầy

đủ Tẩy anode hay dùng cho các vật bằng thép cacbon, thép hợp kim có hình thù đơn giản Có thể tẩy anode cho thép cacbon trong dung dịch axit hoặc kiềm

Tẩy gỉ kim loại màu để áp dụng để hoàn thiện bề mặt sản phẩm và tiếp đó phải

có lớp thụ động hay lớp sơn không màu bảo vệ, hoặc để chuẩn bị bề mặt trước khi mạ lên nó Tẩy gỉ cho Cu và hợp kim Cu thường dùng H2SO4 Tẩy nhẵn cho Cu và hớp kim Cu thường dùng HNO3 có cho thêm H2SO4 và/hoặc HCl Khi tẩy có thoát khí

NO, NO2 rất độc, cần phải có thiết bị an toàn tốt

1.3.1.4 Tẩy nhẹ chi tiết cần mạ

Tẩy nhẹ còn gọi là hoạt hóa bề mặt (tẩm thực), nhằm lấy đi lớp ôxit rất mỏng, không nhìn thấy bằng mắt thường, được hình thành trong quá trình chuẩn bị ngay trước khi mạ Khi tẩy nhẹ xong, cấu trúc của nền được lộ ra, độ gắn bám của lớp mạ được tăng lên Tẩy nhẹ tiến hành ngay trước khi nhúng vật mạ vào bể mạ

Dung dịch tẩy nhẹ hóa học thường là H2SO4 hoặc HCl Tẩy nhẹ cho đồng, hợp kim Cu thực hiện trong H2SO4 ở một bể riêng Có thể tẩy nhẹ trong NaCN cho Zn, Al trước khi mạ trong môi trường kiềm Thời gian tẩy nhẹ chỉ cần 5- 10s Sau tẩy nhẹ phải rửa và mạ ngay

1.3.1.5 Rửa chi tiết cần mạ

Trong công nghệ mạ, sau mỗi khâu gia công thường phải rửa vật gia công Nếu

do thiếu nước rửa hoặc rửa không đủ, không đúng sẽ làm giảm độ gắn bám của lớp

mạ, làm lẫn dung dịch từ bể này sang bể kia, gây nên nhiều hư hỏng và phiền toái trong sản xuất

Có thể rửa nhúng liên tiếp trong nhiều bể, rửa trong dòng chảy, rửa trong bể có sục khí, rửa dưới vòi nước hoặc dưới giàn phun mưa Nên kết hợp nhiều cách trong một lần rửa Nước sau khi rửa sẽ lẫn nhiều hóa chất, nồng độ các chất này trong nước rửa phải dưới giới hạn cho phép, nếu không sẽ gây hại cho nhiều khâu tiếp theo

1.3.2 Một số biện pháp nhằm nâng cao chất lượng lớp mạ

1.3.2.1 Nâng cao độ đồng đều của lớp mạ

Trên thực tế lớp mạ thường không đồng đều do sự phân bố mật độ dòng điện trên bề mặt chi tiết mạ không đều Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp (nhiều chỗ lồi, lõm) sự phân bố này lại càng không đều hơn

Lớp mạ đều có ý nghĩa rất lớn trong việc giảm thời gian mạ cũng như giảm chi phí cho mạ

Trên thực tế sử dụng một số biện pháp như dùng anode phụ; dùng kathode phụ; dùng bảng chắn phi kim; dùng anode lặp lại hình dáng của chi tiết Ngoài ra có thể tăng khoảng cách giữa anode và kathode (chi tiết); bố trí hợp lý khoảng cách giữa thành bể

Khi mạ với dòng điện đảo chiều, chi tiết nối với cực âm (dòng điện Ik) trong thời gian tk Trong thời gian này quá trình mạ xảy ra bình thường Sau đó thay đổi chiều dòng điện, chi tiết nối với cực dương trong thời gian ta nhỏ hơn Ở gian đoạn này, lớp

mạ được hòa tan một phần, nhờ đó chiều dầy lớp mạ trở lên đồng đều hơn, cấu trúc có ứng suất nhỏ hơn

Tương tự như vậy khi mạ với dòng điện xoay chiều bất đối xứng

1.3.2.3 Mạ không thùng mạ (mạ ngoài bể)

Khi hồi phục các chi tiết có kích thước lớn như trục cơ, xilanh ôtô, máy kéo gặp nhiều khó khăn khi phải bao các vị trí không cần mạ, rửa, Để đơn giản có thể ứng dụng phương pháp mạ ngoài bể

Có một số phương pháp mạ ngoài bể như: mạ phun; mạ dòng chảy và mạ quét (mạ xoa)

Mạ phun: dung dịch mạ được cung cấp đến bề mặt chi tiết nhờ vòi phun đặc biệt Vòi phun đó có thể đồng thời là anode Để có lớp mạ 6v/ph Ngoài phương pháp quay đều chi tiết quay với 2 chi tiết, lớp mạ đều có thể nhận được khi chi tiết không quay nhờ bố trí các lỗ phun hợp lý Điều đó tạo ra sự quay tương đối giữa bề mặt chi tiết và dung dịch

Mạ dòng chảy nguyên tắc mạ dòng chảy là cho dung dịch chảy qua bề mặt cần

mạ Trong một số trường hợp khi mạ các bề mặt nhỏ, dung dịch mạ ở các bề mặt mạ cục bộ có thể không luân chuyển

Mạ quét (mạ tiếp xúc, mạ xoa): ở phương pháp này chổi quét hay bàn chải (anôt được bọc vải bông để giữ dung dịch) dịch chuyển theo bề mặt của kathode (chi tiết) Lớp mạ cũng có thể nhận được khi chuyển động bề mặt mạ tương đối với anode không chuyển động Khi đó chi tiết được định vị trên mâm cặp của máy tiện còn anôt bắt trên bàn dao Chổi quét được cung cấp dung dịch khi quét trên bề mặt chi tiết tạo nên bể mạ cục bộ và diễn ra tất cả các quá trình điện hóa

1.3.3 Mạ nikel hóa học

1.3.3.1 Phương pháp mạ hóa học nhờ phản ứng trao đổi

Trong phương pháp này kim loại nền có điện thế tiêu chuẩn âm hơn kim loại

mạ, nên khử được ion kim loại mạ có trong dung dịch Ví dụ có thể mạ đồng lên thép nhờ phản ứng trao đổi

Lớp mạ hóa học nhờ phản ứng trao đổi thường rất mỏng và được sử dụng như lớp mạ trang trí Tốc độ hình thành lớp mạ phụ thuộc vào nồng độ muối kim loại mạ, nhiệt độ và sự chênh lệch điện thế tiêu chuẩn của kim loại mạ và kim loại nền Cấu trúc tinh thể lớp mạ phụ thuộc vào tốc độ mạ và cường độ khuấy trộn dung dịch Tốc độ mạ càng lớn nếu chênh lệch điện thế tiêu chuẩn của kim loại mạ và kim loại nền càng lớn

Trong thực tế, phương pháp mạ trao đổi chỉ sử dụng cho những kim loại có điên

thế tiêu chuẩn gần nhau

1.3.3.2 Phương pháp mạ hóa học tiếp xúc

Lớp mạ thu được bằng phương pháp mạ tiếp xúc phải có 2 điều kiện:

• Kim loại mạ có điện thế tiêu chuẩn dương hơn kim loại nền

• Phải có một kim loại khác có độ âm điện cao hơn kim loại nền tiếp xúc

với kim loại nền ngay trong dung dịch mạ

Về bản chất người ta xem lớp mạ tiếp xúc như lớp mạ điện hóa Nguồn điện được hình thành do 2 kim loại tiếp xúc nhau trong dung dịch chất điện phân Kim loại nền đóng vai trò kathode, trên đó ion kim loại mạ bị khử điện thành kim loại tạo lớp

mạ

Kim loại tiếp xúc đóng vai trò anode, bị ôxi hóa ion của nó tan vào dung dịch Phương pháp tiếp xúc cho lớp mạ có độ dày cao hơn phương pháp trao đổi, tuy tốc độ hình thành lớp mạ diễn ra tương đối chậm Phương pháp mạ tiếp xúc chủ yếu sử dụng

để mạ những chi tiết nhỏ trong thùng mạ quay

1.3.4 Cơ sở lý thuyết đánh giá lớp mạ [2]

¾ Phương pháp tính trọng lượng kim loại lớp mạ:

I: cường độ dòng điện (A)

¾ Phương pháp xác định hiệu suất dòng điện:

+ Cân phân tích xác định khối lượng mẫu trước khi mạ nickel (Mđ)

+ Cân phân tích xác định khối lượng mẫu sau khi mạ nickel (Mđ) ở các chế độ khảo sát

tb

I t Đ H D

S g

Dtb: chiều dày trung bình của lớp mạ

Đ: đương lượng điện hóa (g/Ah) H: hiệu suất dòng điện (%) t: thời gian mạ (h)

I: cường độ dòng điện (A)

S: diện tích catot (dm2) g: trọng lượng riêng của kim loại (g/cm3)

1.3.5 Ứng dụng của mạ điện

Công nghệ hiện đại cho mạ Nikel-Crom là công nghệ phổ biến do có độ dày đồng nhất mà không quan tâm đến kết cấu hình học, có khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao, độ cứng bề mặt tốt và khả năng bôi trơn tự nhiên, quá trình mạ hóa Niken thực sự thiết thực và vì thế thường phổ biến dùng cho rất nhiều ứng dụng khác nhau

trong các ngành công nghiệp khác nhau

¾ Trong lĩnh vực xây dựng: mạ ống nước, các thiết bị ngoài trời, các thiết bị

chịu lực, mạ kẽm cho tôn…

Hình 1.9: Ống thép và các chi tiết cơ khí mạ kẽm

¾ Trong sản xuất dân dụng: làm đồ trang sức, lư đồng, huy chương, bát đĩa,

vòi nước… nhằm mục đích gia tăng độ thẩm mỹ

Hình 1.10: Vòi nước được mạ Nikel

¾ Trong ngành kĩ thuật cao: sản xuất robot, tên lửa, máy bay…

Hình 1.11: Máy bay được mạ inox

¾ Trong công nghiệp đóng tàu: thường mạ một lớp kẽm lên bề mặt vỏ tàu

chống ăn mòn khi tiếp xúc với nước biển

¾ Trong các công trình thủy: tránh sự tiếp xúc với nước và các chất có khả năng gây gỉ sét làm tăng độ bền cho các công trình thuỷ

Hình 1.12: Ống dẫn nước sử dụng trong các công trình thuỷ

¾ Trong lĩnh vực trang trí: do có độ sáng bóng cao sau khi mạ nên được ưa

chuộng để mạ trang trí như: mạ vàng điện thoại, xe hơi, mô tô…

Hình 1.13: Xe ô tô và xe mô tô được mạ Nikel toàn bộ

1.4 Thực trạng mạ Niken - Crom

1.4.1 Công nghệ mạ điện ở Việt Nam

Nhằm đáp ứng nhu cầu thúc đẩy phát triển của các ngành công nghiệp trong nước, đáp ứng nhu cầu cung cấp thiết bị trong nước, nhiều công ty đã mạnh dạn và nỗ lực đầu tư, đổi mới trang thiết bị, kỹ thuật xi mạ nhập khẩu từ các nước tiên tiến như Nhật, Ý…

Hình 1.14: Các dây chuyền mạ hiện đại

Ngành công nghiệp xi mạ Việt Nam đã kịp thời ứng dụng các công nghệ xi mạ tiên tiến như: Nikel 3 lớp, Nikel Satin, hợp kim không nikel (phục vụ thị trường Châu Âu), hợp kim, mạ Thiếc (dùng trong công nghệ hàn) phục vụ nhu cầu ngày càng gia tăng

Tuy nhiên, bên cạnh các công ty có dây chuyền xi mạ hiện đại thì ngành công nghiệp xi mạ còn tồn tại nhiều cơ sở sản xuất thủ công, hệ thống không hiện đại, không thân thiện với môi trường, chất lượng chi tiết được xi mạ không cao

Hình 1.15: Xưởng mạ cơ khí tại Việt Nam

1.4.2 Công nghệ mạ điện trên thế giới

Các nước tiên tiến trên thế giới ứng dụng khoa học kỹ thuật không những sản xuất thành công các dây chuyền mạ điện tự động, hiện đại đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn cao

Các hệ thống xi mạ lớn thực hiện mạ tự động sản phẩm trong một khâu khép kín, liên tục Các sản phẩm được mạ có kích thước đa dạng, chất lượng các sản phẩm tốt và còn có tính đồng đều cao