tổng quan về công nghệ mạ điện

Lời nói đầu Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay.Ngày nay mạ kim loại đã trở thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh con người. Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phương tiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chất,thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, cơ khí chính xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì Một cách đơn giản nhất có thể hiểu mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn. Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụng cụ máy móc và đồ trang sức… Ngày nay không riêng gì ở nước phát triển mà ngay trong nước ta kỹ thuật mạ đã có nhưng bước phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất cũng như trong kinh doanh. Kỹ thuật mạ đòi hỏi phải không ngừng phát triển nghiên cứu cải tiến kỹ thuật, máy móc chuyên dùng thiết bị dây chuyền sản xuất đồng bộ tự động hoá với độ tin cậy cao. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng mạ và hạ giá thành sản phẩm, chống ô nhiễm môi trường. Để có một lớp mạ tốt ngoài những yếu tố khác thì nguồn điện dùng để mạ là rất quan trọng. Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn rất quan trọng. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã từng bước tiếp cận môn học. Để có thể nắm vững lý thuyết để áp dụng vào thực tế, ở học kỳ này em được các thầy giáo cho thiết kế môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế cao. Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là thầy Đoàn Văn Tuân đã giúp em hoàn thành đề tài này. Do lần đầu làm thiết kế môn học “điện tử công suất” kinh nghiệm chưa có lên em không tránh khỏi những sai sót mong các thầy chỉ bảo và giúp đỡ. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn ! Hải Phòng, ngày …. Tháng…. năm …. Sinh viên: Nguyễn Thanh Hải MSV: 39171 Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ điện 1.1. Tổng quan về công nghệ mạ điện. Hình 1.1: Mô hình mạ điện phân với nguồn một chiều. Đề tài thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tài có giá trị thực tế lớn, bởi vì trong công nghệ mạ nguồn điện một chiều là một yếu tố quan trọng. Để thấy rõ giá trị của đề tài, trước hết ta cần phải nắm rõ một số khái niệm cũng như các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân. Ta dựa vào sơ đồ điện phân như hình 1.1. Các phần tử trong sơ đồ: 1- Bình ổn nhiệt. 2- Bình điện phân. 3- catôt. 4 và 5- anôt, 6- dụng cụ đo điện lượng. 7- Ampe kế. 8- nguồn điện một chiều Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ như phòng thí nghiệm đồng thời cũng dùng trong qui mô sản xuất lớn. Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân : 1.1.1. Nguồn điện một chiều như : pin, ắc quy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi. Ngày nay được dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi. Bộ biến đổi cho quá trình điện phân có điện áp ra thấp : 3V, 6V, 12V, 24V… Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra cho phù hợp. Một bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cần thiết cho một số qui trình. VD : Mạ niken thường dùng điện áp 6V hay 12V. Để mạ Crôm dùng 12V. Để đánh bóng điện hóa nhôm thường dùng điện áp 12 – 24V. 1.1.2. Anốt :là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều. Trước khi điện phân anốt cần phải đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ… Anốt dùng trong mạ điện có hai loại : anốt hòa tan và anốt không hoà tan. Anốt hoà tan được dùng trong các trường hợp mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, mạ thiếc… Trong quá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phản ứng ở điện cực : + + =− =− 2 2 2 2 CueCu NieNi Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đi đến catốt. Phản ứng điện hóa ở anốt là phản ứng oxi hóa. Anốt không hòa tan dùng trong trường hợp mạ Crôm. Khi điện phân ở bề mặt, anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa −− ClOHOH ,, 2 … ↑+=− =− − − 22 2 244 22 OOHeOH CleCl Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là O 2 hay Cl 2 . 1.1.3. Catốt : là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trong mạ điện catốt là vật mạ. Trên bề mặt vật mạ luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ. Ví dụ như : Mạ niken : ↓=+ + NieNi 2 2 Mạ kẽm : ↓=+ + ZneZn 2 2 Đồng thời với ion kim loại bị khử, + OH 3 cũng bị khử giải phóng ra khí H 2 theo phản ứng : OHHeoH 223 22 +↑=+ + Khí H 2 thoát ra trên bề mặt catốt có khả năng thấm sâu vào mạng tinh thể kim loại mạ và các kim loại nền, làm giảm độ bền cơ học của kim loại (khí H 2 khi gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại) .Người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng “ giòn kim loại ”. Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loại nền đồng thời cho lớp mạ đồng đều, bóng sáng hấp dẫn, trước khi mạ ta cần phải gia công cho bề mặt chi tiết bằng phẳng, bóng và sạch các chất dầu mỡ, màng oxít. Catốt vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập dưới mặt nước 8 – 15cm và cách đáy bể khoảng 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiện tượng phóng điện trong chất điện phân. Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đã nối mạch điện. 1.1.4. Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường có hai phần : - Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại mạ và một số hoá chất thiết yếu khác, nếu thiếu hóa chất này thì dung dịch không thể dùng để mạ được. - Thành phần thứ hai : bao gồm các chất phụ gia. + Chất làm bóng lớp mạ. +Chất đệm giữ cho pH của dung dịch ổn định. +Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo lớp mạ không bong nứt. +Chất san bằng đảm bảo cho lớp mạ đồng đều hơn. +Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng đều hơn . +Chất chống thụ động hóa anốt nhằm ổn định mạ. Một số đặc điểm dung dịch mạ : - Dung dịch mạ cần phải có độ dẫn điện cao. Độ dẫn điện của dung dịch không những chỉ giảm được tổn thất điện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn. - Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng trong một khoảng pH nhất định. Ví dụ: mạ Niken pH=4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch amôniclorua pH= 4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch axít pH= 3,5 đến 4,0… - Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng cao trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ví dụ như mạ Niken khoảng nhiệt độ là 50 – 70 o C , mạ vàng 60 – 70 o C. Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôi của dung dịch. - Mỗi dung dịch có một khoảng mật độ dòng catốt thích hợp. - Dung dịch chứa muối phức của kim loại thường cho lớp mạ có chất lượng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu được từ muối đơn. Ví dụ, lớp mạ thu được từ dung dịch −2 4 )(CNZn hoặc −2 3 )(CNZn tốt hơn lớp mạ thu được từ dung dịch muối CuSO 4 . 1.1.5. Bể điện phân : làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt. Thành và mặt trong của bể thường được lót bằng chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt. Lớp chất dẻo lót phải kín tuyệt đối, nước không thấm qua được. Mặt ngoài sơn nhiều lớp chống gỉ. Bể mạ thường có dạng hình chữ nhật, điều này giúp cho lớp mạ được phân bố đều hơn bể có hình dạng khác. Có nhiều bể mạ như bể mạ tĩnh, thùng mạ quay, … Trên dây là toàn bộ sơ đồ tổng quát của quá trình mạ bằng điện phân.Trong công nghệ mạ còn có một số yêu cầu về công nghệ mạ điện. 1.2. Yêu cầu về công nghệ mạ điện. - Trước khi mạ, vật cần mạ được tiến hành gia công cơ khí để có bề mặt bằng phẳng, đồng thời tẩy xóa các lớp gỉ, đánh bóng bề mặt theo yêu cầu cần sử dụng. -Tẩy sạch dầu mỡ các hợp chất hóa học khác có thể có trên bề mặt vật mạ. Tóm lại lúc trước khi chi tiết vào bể điện phân , bề mặt cần phải bằng phẳng , tuyệt đối sạch dầu mỡ , các màng oxit có thể có . Trong điều kiện như vậy lớp mạ thu được có độ bóng tốt, không sước , không sần sùi ,bóng đều toàn lớp mạ đồng nhất như ý. Phương pháp gia công kim loại trước khi mạ: - Phương pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô , mài tinh , đánh bóng , quay bóng hay sóc bóng trong thùng quay. - Phương pháp gai công hóa học bao gồm : tẩy dầu mỡ , tẩy gỉ, tẩy lại làm bóng bề mặt, rửa sạch. Sự lựa chọn phương pháp gia công hiệu quả tốt nhấtlại có giá thành rẻ, đòi hỏi kĩ thuật viên phải có hiểu biết đầy đủ và phải có kinh nghiệm trong sản xuất. Bất kì thiếu sót nào dù nhỏ hoặc đánh giá không đúng công việc chuẩn bị bề mặt mạ đều dẫn đến giảm sút chất lượng và hình thức lớp mạ. Chất lượng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bản vào phương pháp lựa chọn , kỹ thuật và điều kiện chuẩn bị lớp mạ. không bao giờ chúng ta coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ. 1.3. Phạm vi ứng dụng và một số sản phẩm thực tế. Các sản phẩm của công nghệ mạ điện có mặt ở nhiều ngành trong nền kinh tế, giữ vai trò quan trọng trong một số ngành công nghiệp khác nhau.  Trong lĩnh vực xây dựng: mạ ống nước, đường sắt, các thiết bị ngoài trời, mạ các thiết bị chịu lực, mạ kẽm cho tôn…  Trong sản xuất dân dụng: làm đồ trang sức, lư đồng, huy chương, bát đĩa, vòi nước…  Trong ngành kĩ thuật cao: sản xuất robot, tên lửa…  Trong công nghiệp đóng tàu: thường mạ một lớp kẽm lên bề mặt vỏ tàu.  Trong các công trình thủy (ở Tôkiô): các trụ cầu của cầu dẫn qua cảng Tokyo, lớp phủ titanium (1mmTi + 4mm thép tấm).  Trong lĩnh vực khác: mạ vàng điện thoại, xe hơi, laptop…. 2.2.1. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. 1. Sơ đồ nguyên lý T 1 T 2 T T 3 L R 4 A B u 2 Hình 2.5. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đối xứng 2.Hoạt động của sơ đồ: - Trong nửa chu kỳ đầu thế tại điểm A mang dấu “+”, còn thế ở điểm B mang dấu “ - ”. Nếu đồng thời có tín hiệu điều khiển cho cả hai van bán dẫn T 1 và T 3 , thì hai van mở cho dòng chạy qua (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm). Còn đối với tải có chứa sức điện động E thì phải đồng thời có hai điều kiện trên và phải có thế tại A có giá trị lớn hơn sức điện động E thì hai van bán dẫn T 1 và T 3 mới cho dòng qua. Đến nửa chu kỳ sau, điện áp tại A và B đổi dấu, thế tại A có dấu “ - ”, còn thế tại B có dấu “ + ”. Nếu có xung điều khiển cho cả hai van T 2 và T 4 thì các van này sẽ mở (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm). Nếu trong tải có thành phần sức điện động E thì phải có thêm điều kiện U B ≥ E thì hai van bán dẫn T 2 và T 4 mới cho dòng đi qua, để đặt điện áp lưới lên tải. Với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước . a.Khi tải thuần trở R : Với θ sin2 22 Uu = - Khi αθ = : cho xung điều khiển mở T1, T2 và U d = - U 2 , hai tiristor sẽ khoá tự nhiên khi 2 0u = . - Khi θ π α = + , cho xung điều khiển mở T3, T4 và U d =U 2 . + Dòng qua tải là dòng gián đoạn. [...]... tăng thêm tính phức tạp cho công việc chế tạo và bảo quản 2.2.5 Chọn mạch công suất phù hợp Điều quan trọng nhất trong công nghệ mạ là chất lượng sản phẩm mạ, chất lượng lớp mạ còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố Điều khiển chất lượng mạ phải khống chế đồng thời cả dung dịch mạ lẫn cách thức mạ, nhưng quan trọng nhất vẫn là dải mật độ dòng điện thích hợp vì nó tạo điều kiện điện phân có phân cực lớn, do... sóng cơ bản : (2.7) Hình 2.7 Dạng dòng điện và điện áp khi tải là L và R 1 Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : Chỉnh lưu cầu một pha cho chất lượng điện áp tương đối tốt, dòng điện qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ Điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ + Nhược điểm : Không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tượng công suất bị lệch pha Sơ đồ chỉnh lưu... hơn Lớp mạ là do vô vàn các tinh thể hợp lại, tinh thể càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít chặt đồng đều Vậy để nâng cao chất lượng mạ đòi hỏi chất lượng dòng điện một chiều với mật độ cao, độ ổn định lớn và chất lượng điện áp tốt Nếu chọn chỉnh lưu cầu một pha, tuy chất lượng điện áp tương đối tốt nhưng mật độ không cao, biên độ đập mạch lớn,... đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau: 2.3.1 Điện áp ngược của van: 1 Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu U nmax = knv U 2 = knv Ud 6 = π 30 = 31.416 ku 3 6 (V) Trong đó: Unmax , U2, Ud : Điện áp ngược max của van, điện áp xoay chiều ,điện áp tải knv, ku: các hệ số điện áp ngược và điện áp tải  Sơ đồ mạch động lực k nv = 6 ku = 3... C R R c b L U Hình 2.14 Sơ đồ mạch động lực - Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc, qua một hệ số dự trữ điện áp kdtU ÷ kdtU thường được chọn trong khoảng(1,6 2) Chọn kdtU = 1,8 2.3.2 Dòng điện làm việc của van: Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van Ilv = Ihd Theo công thức I lv = I hd = k hd I... hợp nhất, sơ đồ này cho chất lượng điện áp tốt nhất, việc điều khiển đơn giản, sử dụng công suất của máy biến áp tốt, đáp ứng yêu cầu đòi hỏi của công nghệ mạ Với máy biến áp nguồn là máy biến áp ba pha, phía sơ cấp đấu tam giác, còn phía thứ cấp đấu sao 2.3 Tính chọn van động lực Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp và dòng điện Các van động lực được lựa chọn... điện và điện áp Ud = 6 2Π 5Π +α 6 ∫ 2U 2 sin θ dθ = Π +α 6 3 6U 2 cos α Π ( 2.8 ) - Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : U ng max = 6U 2 = 2,45U 2 ( 2.9 ) IT = - Dòng điện trung bình chạy qua van : Id 3 ( 2.10 ) 3 Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : - số xung áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao - không làm lệch pha lưới điện. .. qua D2 đặt điện thế uc lên anot D4 Khi θ ≥ θ3 điện thế catot D4 là ua bắt đầu nhỏ hơn uc , điôt D4 mở Dòng tải Id chảy qua D4 và T1, ud = 0 Góc mở α , về nguyên tắc, có thể biến thiên từ điều chỉnh được từ giá trị lớn nhất đến 0 0 ÷π Điện áp chỉnh lưu có thể Hình 2.11 Dạng của dòng điện và điện áp qua tải 3 Các thông số cơ bản ud1 là thành phần điện áp tải do nhóm catot chung tạo ra, còn điện áp tải... Thông số Diode công suất (sách tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) ta chọn 3 Diốt loại 400R40 có: - Dòng điện định mức của van: Iđmv = 400 (A) - Điện áp ngược của van: Unv = 400 (V) - Đỉnh xung dòng điện lớn nhất: Ipik = 7800 (A) - Dòng điện rò: Ir = 15 (mA) - Sụt áp trên van: ∆U = 1, 62 (V) - Nhiệt độ cho phép: Tcp = 2000C Theo Bảng p.2 Thông số Tiristor công suất (sách... toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) ta chọn 3 Tiristor loại T727012524DN có: - Dòng điện định mức của van: Iđmv = 400(A) - Điện áp ngược của van: Unv = 100 V) - Đỉnh xung dòg điện lớn nhất: Ipik = 6000 (A) - Dòng điều khiển: Ig = 150 (mA) - Điện áp điều khiển: Ug = 3 (V) - Dòng điện rò: Ir = 15 (mA) - Sụt áp trên van: ∆U = 1,9 (V) - Tốc độ biến thiên của điện áp: du dt = 200 . của quá trình mạ bằng điện phân.Trong công nghệ mạ còn có một số yêu cầu về công nghệ mạ điện. 1.2. Yêu cầu về công nghệ mạ điện. - Trước khi mạ, vật cần mạ được tiến hành gia công cơ khí để. MSV: 39171 Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ điện 1.1. Tổng quan về công nghệ mạ điện. Hình 1.1: Mô hình mạ điện phân với nguồn một chiều. Đề tài thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tài. hợp mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, mạ thiếc… Trong quá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phản ứng ở điện cực : + + =− =− 2 2 2 2 CueCu NieNi Các cation kim loại tan vào dung dịch điện