Có nhiều công nghệ khác nhau trong mạ kẽm, chúng ta có thể phân chúng thành ba loại [11]: Mạ kẽm lạnh: đây là quy trình phủ một lớp kẽm lỏng giống như sơn lên bề mặt kim loại, bằng việ
GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Lĩnh vực xi mạ hiện nay đang phát triển mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong cuộc sống Ngành công nghiệp xi mạ chủ yếu áp dụng phương pháp mạ điện, được phát triển từ những năm đầu thế kỷ 19, và qua thời gian, các lớp mạ đã được cải tiến đáng kể về cả hình thức lẫn chất lượng Ngoài việc mạ trên nền kim loại, kỹ thuật mạ còn có khả năng mạ trên các vật liệu như nhựa, composite, gốm và sứ.
Công nghệ mạ điện đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao Các nhà nghiên cứu liên tục tìm kiếm các chất phụ gia, chất điện phân và phương pháp điện phân mới nhằm cải tiến quy trình mạ, từ đó tạo ra lớp mạ chất lượng trên nhiều loại vật liệu mới.
Mạ điện đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, giúp ngăn chặn sự ăn mòn và tăng cường tính dẫn điện cũng như dẫn nhiệt Ngoài việc được sử dụng trong sản xuất đồ trang sức, lớp mạ còn cải thiện độ cứng và bảo vệ các chi tiết máy, đồng thời có khả năng phục hồi những bộ phận bị hư hỏng.
Kỹ thuật mạ điện yêu cầu lớp mạ có kết cấu tinh thể mịn, độ bám tốt và bền bỉ trong môi trường khác nhau Để đạt tiêu chí này, cần sử dụng chế độ mạ thích hợp cùng với các phụ gia và hóa chất phù hợp Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc thực nghiệm các thông số mạ đồng cho chi tiết kích thước nhỏ bằng thép.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Cải tiến công nghệ hiện nay nhằm giải phóng sức lao động, nâng cao chất lượng công việc và gia tăng giá trị sản phẩm Đề tài của nhóm tập trung vào việc phát hiện các thông số tối ưu để đạt được lớp mạ đạt tiêu chuẩn.
Trong kỹ thuật mạ, việc xác định các thông số tối ưu cho lớp mạ tiêu chuẩn giúp dễ dàng tự động hóa quy trình, giảm thiểu công việc thủ công khó khăn Điều này không chỉ nâng cao chất lượng lớp mạ một cách bền vững mà còn giảm chi phí sản phẩm và hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường.
Trong nghiên cứu này, nhóm nhận thấy rằng đề tài có tính thực tiễn cao và tiềm năng phát triển thị trường rất lớn nếu được triển khai thành công.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Tìm hiểu lý thuyết về mạ đồng
Kiểm tra lớp mạ có đạt yêu cầu hay không
Đưa ra thông số tối ưu khi mạ đồng.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Chi tiết kích thước nhỏ bằng thép
Dung dịch sulfate cho thép không gỉ (SUS 304), thép C45
Kiểm tra và đưa ra thông số tối ưu.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận
Dựa vào nhu cầu mạ đồng ngày càng phổ biến
Dựa vào khả năng công nghệ có thể tìm ra thông số tối ưu để tạo ra lớp mạ đạt chuẩn
Cơ sở lý thuyết về công nghệ mạ điện
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Tiến hành tìm hiểu, thu thập tài liệu có liên quan đến đề tài như sách, video, tạp chí
Khảo sát thực tế ở các xưởng hay công ty bên ngoài
Tham khảo tài liệu và xử lý số liệu
Nghiên cứu, thiết kế bể mạ
Tìm hiểu thành phẩn, pha chế dung dịch
Phân tích đánh giá kết quả, đưa ra thông số tối ưu
1.5.3 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Chương 2: Tổng quan về công nghệ mạ điện
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Thiết kế thí nghiệm
Chương 5: Tiến hành thí nghiệm.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN
Tìm hiểu về công nghệ mạ trên nền kim loại
Mạ trên nền kim loại là phương pháp lắng đọng kim loại lên bề mặt, tạo lớp kim loại mỏng chủ yếu bằng mạ điện Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhằm chống ăn mòn, phục hồi kích thước, cải thiện độ cứng, làm đẹp đồ trang sức, và tăng cường độ dẫn điện cũng như dẫn nhiệt.
2.1.2.Phân loại theo công nghệ mạ
Kẽm là một kim loại óng ánh, cứng và giòn, có màu trắng xanh Với điện thế tiêu chuẩn tương đối âm, kẽm hoạt động như lớp mạ Anode cho sắt thép, giúp ngăn ngừa ăn mòn kim loại Do đó, trong ngành công nghiệp, mạ kẽm được sử dụng như lớp mạ bảo vệ hiệu quả.
Có nhiều công nghệ khác nhau trong mạ kẽm, chúng ta có thể phân chúng thành ba loại [11]:
Mạ kẽm lạnh là quy trình phủ một lớp kẽm lỏng lên bề mặt kim loại, sử dụng áp lực khí nén để phun dung dịch kẽm thành các hạt nhỏ bám vào bề mặt kim loại đã được xử lý.
Mạ kẽm nhúng nóng là công nghệ tạo lớp phủ kẽm bám chắc vào bề mặt của các chi tiết sắt, thép Quy trình này thực hiện bằng cách nhúng các chi tiết vào bể kẽm nóng chảy, giúp bảo vệ chúng khỏi ăn mòn và tăng độ bền.
Mạ kẽm điện phân: một lớp kết tủa mỏng được tao ra trên nền kim loại
Có hai loại dung dịch mạ kẽm điện phân là dung dịch acid và dung dịch kiềm
Mạ kẽm mang lại nhiều lợi ích quan trọng, bao gồm lớp phủ kẽm giúp bảo vệ bề mặt kim loại khỏi sự ăn mòn, tăng cường độ dẫn điện và độ cứng cho các chi tiết Ứng dụng của mạ kẽm rất đa dạng, từ các dự án xây dựng, đường dây điện đến thiết bị ngoài trời và thân tàu thuyền, đảm bảo độ bền và hiệu quả trong sử dụng.
Hình 2 1: Các sản phẩm mạ kẽm
Thiếc là một kim loại mềm, dẻo, có màu trắng bạc và khó bị oxi hóa Nó có khả năng dẫn điện tốt, với điện trở tiếp xúc thấp và dễ hàn Đặc biệt, thiếc không độc hại, vì vậy được FDA cho phép sử dụng trong ngành thực phẩm.
Phân loại công nghệ mạ thiếc:
Mạ điện: dung dịch acid và dung dịch kiềm
Mạ thiếc mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc cung cấp một lớp mạ với độ dẫn điện cao, giúp kim loại kháng lại sự oxi hóa và hoàn toàn vô hại, đảm bảo an toàn cho người sử dụng Lớp mạ thiếc được ứng dụng rộng rãi trong các hộp đựng thực phẩm, sản xuất linh kiện điện tử, cũng như trong xây dựng, chẳng hạn như tấm lợp và vách ngăn bằng kim loại.
Hình 2 2: Các sản phẩm mạ thiếc
Nickel là kim loại màu trắng bạc, dễ rèn và có khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện tốt Mạ nickel trên thép tạo ra lớp mạ cathode nhờ vào điện thế tiêu chuẩn của nickel cao hơn sắt Kỹ nghệ mạ nickel hiện nay là một trong những phương pháp mạ quan trọng và phổ biến nhất, được nghiên cứu và phát triển liên tục trên toàn cầu Để tăng độ bền của lớp mạ nickel, thường sử dụng 2 hoặc 3 lớp lót, giúp nickel gắn chặt vào bề mặt kim loại nền.
Phân loại công nghệ mạ nickel:
Xi mạ không điện (mạ nickel hóa học): được thực hiện ở môi trường có nhiệt độ cao, lớp mạ không điện có độ bền và sáng bóng cao
Xi mạ điện phân: trong dung dịch kiềm và dung dịch acid
Lớp mạ nickel mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc cải thiện độ cứng và độ dẻo, tăng cường khả năng chống ăn mòn, và tạo ra bề mặt sáng bóng, nâng cao tính thẩm mỹ cho các sản phẩm Mạ nickel thường được ứng dụng trong các công cụ cầm tay, đồ trang trí cao cấp, giá đỡ tay, và các thiết bị kim loại trong lĩnh vực y tế.
Hình 2 3: các sản phẩm mạ nickel
Chrome là một kim loại màu bạc với ánh xanh, không bị oxi hóa và có khả năng thụ động cao trong không khí Độ rắn tế vi của chrome vượt trội hơn so với thép cứng nhất khi được xử lý trong điều kiện thích hợp Lớp mạ chrome không chỉ có độ bóng cao và màu sáng mà còn dễ dàng được áp dụng lên các kim loại như sắt và đồng.
Mạ chrome 6+: sử dụng dung dịch trioxide CrO 3 làm thành phần chủ đạo, phương pháp này chủ yếu để ạ trang trí và mạ cứng
Mạ chrome 3+: là một phương pháp thay thế cho chrome 6+, dùng trong một số ứng dụng để cải thiện độ dày lớp mạ (ví dụ trong mạ trang trí)
Mạ chrome mang lại nhiều lợi ích như tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm, tạo lớp bảo vệ bền bỉ trước sự ăn mòn và tác động từ môi trường, đồng thời nâng cao độ bền và độ cứng của bề mặt Ứng dụng của mạ chrome rất đa dạng, từ việc bảo vệ các trang bị ô tô, trang trí cho các vật dụng bằng thép, đến việc khôi phục kích thước cho các chi tiết máy bị mòn và mạ cho các khuôn cối đúc hay đột dập.
Hình 2 4: Các sản phẩm mạ Chrome
2.1.2.e.Mạ đồng Đồng là kim loại màu nâu đỏ, dễ uốn, là chất dẫn nhiệt và điện tốt Ở điều kiện thường đồng là kim loại kém hoạt động trong không khí khô và trong khí oxy đồng khó bị oxy hóa, do đó đồng được ứng dụng rất nhiều trong việc xi mạ
Mạ đồng điện: mạ trong trong dung dịch kiềm và dung dịch acid
Mạ đồng mang lại nhiều lợi ích như làm cho bề mặt sáng bóng, chống oxi hóa trong môi trường làm việc, tăng độ cứng và tính dẫn điện Ứng dụng của mạ đồng rất đa dạng, bao gồm việc làm lớp mạ trung gian cho các kim loại quý, bảo vệ các chi tiết máy trong ô tô, và sử dụng trong các thiết bị hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt Ngoài ra, mạ đồng còn được áp dụng trong công nghệ đúc điện để tách các bản sao kim loại của tác phẩm điêu khắc, giúp tạo ra những hình dạng chi tiết phức tạp.
Hình 2 5: Các sản phẩm mạ đồng
2.1.3.Tại sao phải mạ đồng cho thép
Mạ đồng không chỉ cải thiện độ bám dính và tăng cường độ bền, độ bóng cho sản phẩm mà còn hạn chế oxi hóa trên bề mặt thép, đặc biệt là trong các ứng dụng điện cực Việc sử dụng mạ đồng giúp nâng cao khả năng dẫn điện và tiết kiệm nguyên liệu so với điện cực đồng Đồng xi mạ có tính dẻo cao, phù hợp với các bề mặt cần độ dẻo và độ kết dính, đảm bảo không bị bong tróc ngay cả khi uốn cong Ngoài ra, lớp mạ đồng còn có thể hoạt động như một chất bôi trơn hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cao.
Lớp mạ đồng có giá thành thấp hơn so với các loại mạ khác và thường được sử dụng như lớp mạ trung gian, giúp tăng độ bám dính cho các lớp mạ kim loại quý Sản phẩm thép được mạ đồng không chỉ nâng cao tính thẩm mỹ mà còn gia tăng giá trị sản phẩm Ngoài ra, dung dịch mạ đồng rất phổ biến trên thị trường và dễ dàng đạt độ bóng cao khi đánh bóng, đồng thời có thể làm lớp bảo vệ cho các kim loại khác.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
2.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Mạ đồng lên thép thường sử dụng dung dịch cyanide, nhưng do tính độc hại và ô nhiễm môi trường của nó, các phương pháp mạ không cyanide đã được nghiên cứu Các dung dịch này an toàn cho sức khỏe và thân thiện với môi trường hơn R.M Krishnan, M Kanagasabapathy và các cộng sự đã xác định một chất điện phân không cyanide phù hợp, với các đặc tính lắng đọng của dung dịch chứa đồng trong phức hợp ETDA Kết quả cho thấy dung dịch này có khả năng thay thế dung dịch cyanide, với các lớp mạ đạt độ bám dính rất tốt.
Dung dịch mạ acid gặp khó khăn khi mạ lên sắt, thép và các kim loại có điện thế nhỏ hơn đồng Tuy nhiên, việc áp dụng mạ lót hoặc các phương pháp thích hợp có thể tạo ra lớp mạ chất lượng Nghiên cứu của Atsushi Chiba và Yasunori Doi chỉ ra rằng sử dụng sóng siêu âm với tần số 28kHz có thể nâng cao hiệu suất mạ, đồng thời làm cho bề mặt lớp mạ trở nên mịn màng và đồng đều hơn.
Trong quy trình mạ đồng, độ dày của lớp mạ là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng của lớp mạ Hrudaya Jyoti Biswal chỉ ra rằng khoảng cách giữa các điện cực ảnh hưởng đến độ dày lớp mạ Kết quả thí nghiệm cho thấy khi đặt cực âm ở vị trí trung tâm của khoảng cách đã định, lớp mạ đạt độ dày lớn nhất, đồng thời bề mặt vật mạ có trạng thái tốt nhất và mật độ dòng điện được phân bố đều.
Do sự độc hại và ô nhiễm môi trường từ các bể mạ chứa cyanide, việc sử dụng bể mạ acid ngày càng trở nên phổ biến Tuy nhiên, bể mạ acid không thể mạ trực tiếp lên thép vì lớp mạ sẽ bị tơi xốp và có độ bám dính kém Để đảm bảo lớp mạ bám dính tốt, cần phải mạ lót một lớp nickel hoặc đồng mỏng trước Sau khi mạ lót, lớp mạ đồng trong bể acid sẽ có độ bám dính tốt hơn và bề mặt phẳng hơn Kết hợp với các chất phụ gia, lớp mạ có thể đạt chất lượng tương đương với bể cyanide Độ dày lớp mạ lót nickel phù hợp là từ 3-5 µm để đảm bảo chất lượng lớp mạ đồng, nếu mỏng hơn có thể dẫn đến tình trạng phồng rộp và bong tróc lớp mạ.
Bể mạ acid sử dụng các chất phụ gia như thioure để cải thiện độ sáng bóng, độ bám dính và phân bố đồng đều của lớp mạ Việc sử dụng thioure với khối lượng khoảng 60 ppm giúp đạt được lớp mạ đồng bóng cao và bề mặt phẳng mịn Nếu khối lượng thioure vượt quá hoặc thấp hơn mức này, lớp mạ sẽ không đạt được độ bằng phẳng và độ bóng mong muốn Thioure là một phụ gia quan trọng trong ngành mạ đồng công nghệ, nâng cao tốc độ mạ và đảm bảo mật độ phủ đồng đều cho sản phẩm.
2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu về các thông số ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ ở Việt Nam vẫn chưa phổ biến, mặc dù công nghệ mạ đồng đã được áp dụng rộng rãi trong các xưởng và nhà máy Các nước phát triển đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ mạ đồng, dẫn đến việc chia sẻ các thông số trên các diễn đàn và báo khoa học quốc tế Nhờ vào sự phát triển này, các dung dịch mạ tối ưu đã được giới thiệu, giúp các thông số ảnh hưởng đến lớp mạ trở nên linh hoạt hơn, vẫn đảm bảo đạt tiêu chuẩn chất lượng.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về công nghệ mạ đồng
Đồng là kim loại dễ dát mỏng, màu nâu ánh đỏ, có khả năng dẫn nhiệt và điện tốt Với tính chất kém hoạt động, đồng không bị oxy hóa trong không khí khô và khí oxy, nên được ứng dụng rộng rãi trong xi mạ Sau khi mạ đồng, các sản phẩm mỹ nghệ và điêu khắc thường được cromat hóa, oxy hóa và nhuộm màu bằng phương pháp hóa học hoặc điện hóa, rồi phủ lớp sơn không màu Lớp mạ đồng không chỉ dễ đánh bóng mà còn gắn bám tốt với nhiều kim loại khác như Ni, Cr, Ag, do đó thường được sử dụng làm lớp mạ lót cho các lớp mạ khác Ngoài ra, lớp mạ đồng cũng được áp dụng để chống thấm cacbon cục bộ cho các chi tiết máy trong quá trình nhiệt luyện.
Mạ lút dưới lớp mạ kền và crom với độ dày 6 – 30 àm
Mạ chống thấm than cục bộ cho cỏc chi tiết mỏy với độ dày 48 – 50 àm
Mạ chế tạo bimetal dựng để dẫn điện với độ dày 10 – 70 àm
Mạ tăng tớnh dẫn điện cho chi tiết thộp với độ dày 10 – 200 àm
Mạ phục hồi kớch thước đạt độ dày đến 3000 àm
Mạ chộp hỡnh nghệ thuật với độ dày trờn 1000 àm
Hiện nay có hai công nghệ mạ đồng phỏ biến là mạ đồng điện và mạ đồng hóa học (không điện):
Mạ đồng điện là một phương pháp phổ biến trong nhiều lĩnh vực, với nhiều loại dung dịch mạ khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng Phương pháp này cho phép tạo ra lớp mạ dày lên tới 3000 àm, dễ dàng sử dụng và có tốc độ mạ nhanh.
Mạ hóa học là phương pháp sử dụng hoàn toàn chất hóa học mà không cần nguồn điện, tạo ra lớp mạ đồng tinh khiết nhưng có khả năng chịu ăn mòn kém, thường chỉ được dùng làm mạ lót Phương pháp này được áp dụng cho phi kim, mạch điện và mạ xuyên tâm Dung dịch mạ bao gồm muối chính, chất khử, chất tạo phức và phụ gia Trong những năm đầu, mạ hóa đồng chủ yếu sử dụng phức tartrat (C4H4O6²-) và formaldedehyde (H2CO) làm chất khử, nhưng gặp phải vấn đề về tốc độ mạ chậm và khó khăn trong vận hành Sau đó, ngành công nghiệp đã phát triển và chuyển sang sử dụng các phức có tính ổn định cao hơn như EDTP và EDTA.
Hình 3 1: Mạ đồng hóa học xuyên tâm cho các chân kết nối trong bảng mạch
Mạ đồng điện có nhiều ưu điểm vượt trội so với mạ đồng hóa học, đặc biệt là tính dễ sử dụng của dung dịch Do đó, nghiên cứu này lựa chọn mạ đồng điện làm công nghệ chính, và dưới đây là các dung dịch mạ đồng phổ biến.
3.1.1.Mạ điện trong dung dịch kiềm
Trong dung dịch mạ cyanide, đồng tồn tại ở hóa trị +1 dưới dạng anion phức [Cu(CN)3]2- khi nồng độ CN- cao và [Cu(CN)2]- khi nồng độ CN- thấp Dung dịch này cung cấp lớp mạ điện chất lượng cao, không có nhược điểm về chức năng, với độ bám dính tốt, dễ đánh bóng và bảo trì Nó cho phép mạ trên các kim loại kém bền hơn như sắt và kẽm, đồng thời dễ sử dụng với khả năng phân bố kim loại và phủ sâu lớn, thích hợp cho các chi tiết phức tạp Tuy nhiên, cần lưu ý rằng cyanide là chất độc hại, việc điều khiển dung dịch khó khăn và xử lý nước thải cũng rất phức tạp.
Do những nhược điểm của cyanide, dung dịch kiềm khác như pyrophosphate có thể được sử dụng để mạ Dung dịch này tạo ra lớp mạ kết tinh mịn, không xốp và có độ phân bố kim loại cao Tuy nhiên, nó cũng gây ra ô nhiễm môi trường do chất thải Cấu tử chính của dung dịch pyrophosphate bao gồm CuSO4 và Cu2P2O7.
3.1.2.Mạ đồng điện dung dịch acid
Dung dịch sulfate là một chất phổ biến trong công nghệ mạ điện nhờ vào thành phần đơn giản, độ bền cao và giá thành thấp Tuy nhiên, dung dịch này không thể mạ trực tiếp lên sắt và thép do độ gắn bám kém, vì vậy cần phải mạ lót một lớp đồng hoặc nickel trước Ngoài ra, nước thải từ bể mạ cũng dễ dàng chiết xuất và xử lý, tạo thuận lợi cho quy trình sản xuất.
Dung dịch đồng fluoroborate là một giải pháp không phổ biến trong ngành mạ, nhưng rất hiệu quả cho việc mạ nhanh chóng và các bộ phận lớn, giúp tiết kiệm thời gian Mặc dù cung cấp lớp mạ bền và kín, dung dịch này có khả năng phân bố thấp, chỉ phù hợp với các chi tiết mạ đơn giản Tuy nhiên, dung dịch fluoroborate có giá thành cao hơn nhiều so với dung dịch sulfate và có tính ăn mòn nguy hiểm, cùng với việc xử lý chất thải từ nó cũng rất khó khăn.
3.1.3.So sánh các dung dịch mạ đồng điện
Dung dịch kiềm rất khó tìm mua và việc xử lý nước thải sau khi mạ với dung dịch độc hại cũng gặp nhiều khó khăn Thành phần của dung dịch này phức tạp, làm cho việc duy trì nồng độ chất và độ pH đúng trở nên khó khăn Dung dịch này thường phù hợp cho quá trình mạ ở mật độ dòng điện thấp với tốc độ mạ khá chậm.
Dung dịch acid dễ dàng tìm mua và sử dụng, với thành phần đơn giản và khả năng điều chỉnh linh hoạt Nó cho phép mạ ở mật độ dòng điện cao, tạo ra lớp mạ dày mà không gây nguy hiểm, đồng thời nước thải sau quá trình xi mạ cũng dễ xử lý Lớp mạ từ dung dịch acid đạt độ bóng và mịn cao, đặc biệt là dung dịch sulfate có giá thành thấp, phù hợp cho các thí nghiệm Tuy nhiên, lớp mạ trên kim loại thép có thể gặp khó khăn trong việc bám dính, nhưng có thể khắc phục bằng cách mạ lót một lớp nickel hoặc đồng mỏng trước khi thực hiện mạ chính.
Dựa trên các phân tích, dung dịch sulfate được đánh giá là lựa chọn phù hợp hơn, mặc dù có một số khó khăn nhỏ nhưng đã có giải pháp khắc phục Do đó, nhóm tác giả quyết định sử dụng dung dịch sulfate cho thí nghiệm.
Hình 3 2: Sản phẩm mạ đồng sulfate.
Tìm hiểu về dung dịch mạ đồng sulfate
Dung dịch mạ đồng sulfate chủ yếu bao gồm hai thành phần chính là CuSO4 và acid H2SO4 Bên cạnh đó, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của lớp mạ, có thể bổ sung thêm một số chất phụ gia.
CuSO 4 5H 2 O là tinh thể dạng rắn, màu xanh lam, dễ tan trong nước Đồng sulfate khi hòa tan trong nước thường bị thủy phân nên dung dịch bị đục Để tránh hiện tượng này ta cho vào dung dịch acid sulfuric (H2SO 4 ) Dung dịch CuSO 4 dẫn điện kém vì vậy cần thêm vào dung dịch acid sulfuric (H 2 SO 4 ) Độ tan của CuSO 4 phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì độ tan cũng tăng, việc tăng nhiệt độ cũng không có lợi cho quá trình mạ, làm cho lớp mạ thô Trong thực tế nhiệt độ thường dùng cho dung dịch mạ acid ở 20 - 30 o C [1], không sử dụng nồng độ CuSO 4 bão hòa
H2SO4 có tác dụng tăng độ dẫn điện cho dung dịch, đồng thời ngăn chặn quá trình thủy phân của CuSO4 trong dung dịch acid yếu, giúp tránh hiện tượng tạo ra Cu2O, làm cho lớp mạ trở nên giòn, xốp và xù xì Việc này còn tạo điều kiện cho lớp mạ kết tinh hạt mịn, mang lại bề mặt đồng mịn màng hơn Tuy nhiên, việc sử dụng quá nhiều H2SO4 có thể làm giảm độ tan của CuSO4, vì vậy nồng độ H2SO4 thường được khuyến nghị trong khoảng 35-70 g/l.
Hình 3 3: Cấu trúc phân tử và tinh thể của đồng sulfate (CuSO 4 5H 2 O).
Yếu tố quy định và ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ
3.3.1.Các yếu tố quy định chất lượng lớp mạ
Mỗi lớp mạ có chức năng và môi trường làm việc riêng, do đó cần có các phương pháp đánh giá khác nhau Tuy nhiên, độ dày, độ bám, độ bóng và độ mịn là những yếu tố quan trọng nhất để xác định chất lượng của lớp mạ.
Tùy thuộc vào yêu cầu của từng sản phẩm, lớp mạ có thể có độ dày, độ mỏng và độ sáng bóng khác nhau Mục đích sử dụng sản phẩm sẽ quyết định thời gian mạ phù hợp.
Độ bám là yếu tố quyết định độ bền của sản phẩm; nếu lớp mạ có độ bám kém, nó sẽ dễ dàng tróc ra khỏi bề mặt, dẫn đến nguy cơ oxi hóa và làm xấu bề mặt vật mạ Hậu quả là vật mạ sẽ không đạt yêu cầu chất lượng, gây hư hỏng cho sản phẩm.
Độ bóng của lớp mạ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tính thẩm mỹ và độ bền cơ học của sản phẩm Để cải thiện độ bóng, phương pháp mạ đảo chiều được áp dụng, giúp tạo ra lớp phủ bề mặt đồng đều hơn.
3.3.1.a.Độ dày và đồng đều của lớp mạ
Độ dày lớp mạ là yếu tố quan trọng nhất để bảo vệ chi tiết, cần đạt tối thiểu để đảm bảo hiệu quả Bên cạnh đó, độ đồng đều của lớp mạ cũng rất cần thiết; sự không đồng đều và chênh lệch độ dày ở các vị trí khác nhau có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ sản phẩm Do đó, lớp mạ đạt chuẩn phải đảm bảo cả độ dày theo quy định và tính đồng đều ở mọi vị trí của chi tiết.
Có nhiều phương pháp để đo độ dày của lớp mạ, trong đó các phương pháp hiện đại sử dụng máy đo độ dày Ngoài ra, cũng có thể áp dụng các phương pháp thủ công như tia dòng dung dịch, phương pháp nhỏ giọt và sử dụng panme.
3.3.1.b.Độ gắn bám của lớp mạ Đây là một tính chất rất quan trọng của lớp mạ, độ gắn bám của lớp mạ với kim loại nền nếu không đạt thì lớp mạ sẽ bị bong tróc, lớp mạ bị phồng rộp,… Những khuyết tật của lớp mạ do nhiều nguyên nhân gây ra như: bề mặt kim loại nền chưa được làm sạch, do độ co rút của kim loại làm lớp mạ không bám dính, quy trình công nghệ mạ chưa tốt còn thiếu sót,… Để đo độ gán bám lớp mạ có rất nhiều phương pháp như: phương pháp kéo tách, phương pháp bẻ gập, phương pháp nung mẫu rồi làm lạnh nhanh,… 3.3.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ
3.3.2.a.Ảnh hưởng của dòng điện
Mật độ dòng điện thấp dẫn đến phản ứng điện hóa chậm, gây ra tốc độ mạ chậm và lớp mạ kém đồng đều Nếu mật độ giảm quá mức, lớp mạ có thể không hình thành Khi mật độ dòng điện được điều chỉnh phù hợp, tốc độ chuyển đổi điện tử sẽ tạo điều kiện cho sự hình thành nguyên tử mới, đảm bảo chất lượng lớp mạ tốt Ngược lại, nếu mật độ dòng điện quá cao, các ion phóng ra nhanh chóng tạo thành nguyên tử không kịp ổn định trong mạng tinh thể, dẫn đến cấu trúc mạng không ổn định và lớp mạ bị phân tầng Khi mật độ dòng điện tăng quá nhiều, lớp mạ sẽ có hình dạng không đồng nhất như bút tháp hay nhánh cây.
Khi mật độ dòng điện đạt mức hợp lý, lớp mạ sẽ hình thành tinh thể mịn, tạo ra bề mặt phủ nhẵn mịn Để tăng tốc độ mạ, cần nâng cao mật độ dòng điện, tuy nhiên điều này có thể gây ra khuyết tật trong quá trình mạ Do đó, việc xác định mật độ dòng điện hợp lý là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng lớp mạ Ngoài ra, các yếu tố bên ngoài như khuấy và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến mật độ dòng điện.
3.3.2.b.Ảnh hưởng của nồng độ pH
Tính acid của dung dịch phụ thuộc vào nồng độ ion H+, với nồng độ ion H+ cao dẫn đến độ acid lớn (pH thấp) và ngược lại Khi nồng độ ion H+ bằng nồng độ ion OH-, dung dịch sẽ trở nên trung tính Để quá trình mạ kim loại diễn ra, kim loại cần được ở dạng ion, và nồng độ acid là yếu tố quan trọng để duy trì dạng ion này Tuy nhiên, ion H+ chỉ phản ứng với các kim loại mạ có vị trí đứng trước ion H+ trong dãy hoạt động hóa học.
Trong quá trình mạ điện kim loại trên cathode, ngoài việc ion kim loại kết tủa, còn xảy ra phản ứng phụ với sự phóng điện của ion hydro Khí hydro thoát ra trong quá trình mạ có thể tạo ra các khuyết tật trên lớp mạ, khi bọt hydro tích tụ trên cathode sẽ che phủ bề mặt, ngăn cản quá trình mạ diễn ra Các bọt này gây ra hiện tượng rỗ (pitting), tạo ra các vết và lỗ làm giảm chất lượng lớp mạ, đồng thời làm giảm hiệu suất dòng điện do một phần năng lượng bị tiêu hao để giải phóng hydro, dẫn đến giảm tốc độ mạ.
Khi pH quá cao, hydroxit kim loại sẽ kết tủa vào lớp mạ, gây khó khăn cho quá trình mạ và ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ Do đó, việc điều chỉnh nồng độ pH trong quá trình mạ là rất quan trọng để đảm bảo cấu trúc lớp mạ ổn định Nếu pH không được kiểm soát, lớp mạ có thể bong tróc và kém chất lượng Để điều chỉnh pH, có thể bổ sung H2SO4 khi pH cao hoặc sử dụng điện phân với diện tích anode lớn để nâng cao giá trị pH khi cần thiết Ngoài ra, dung dịch kiềm cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh nồng độ pH trong dung dịch mạ.
3.3.2.c.Ảnh hưởng của thành phần dung dịch
Chất lượng lớp mạ chịu ảnh hưởng lớn từ hàm lượng các thành phần trong dung dịch mạ Dung dịch mạ là một hỗn hợp phức tạp, và mỗi thành phần đều có tác động đến chất lượng của lớp mạ.
Trong dung dịch, ion kim loại tồn tại dưới dạng ion đơn hoặc ion phức với điện tích dương, tham gia vào quá trình khử tại cực âm Quá trình này dẫn đến sự hình thành nguyên tử kim loại bám vào bề mặt cathode, như trong mạ đồng, khi ion Cu²⁺ trong dung dịch được khử thành Cu qua phản ứng Cu²⁺ + 2e → Cu Nguyên tử đồng sau đó kết tủa lên bề mặt chi tiết mạ Sự hiện diện của ion kim loại cũng tạo ra sự cân bằng điện tích trong dung dịch, giúp duy trì môi trường dẫn điện hiệu quả.
Khi nồng độ ion trong dung dịch tăng cao, dòng điện giới hạn sẽ tăng, dẫn đến việc nâng cao dải mật độ dòng điện phù hợp cho lớp mạ, từ đó cải thiện chất lượng lớp mạ Dung dịch mạ đơn thường được sử dụng cho các vật có hình dạng đơn giản với tốc độ mạ nhanh, trong khi hỗn hợp phức thường được áp dụng cho các vật có hình thù phức tạp, yêu cầu độ phân bố lớp mạ cao.
Quy trình công nghệ tổng quan
Để đạt được lớp mạ đạt tiêu chuẩn, quy trình công nghệ mạ phải tuân thủ các tiêu chí chất lượng Việc áp dụng các phương pháp gia công và chuẩn bị chi tiết mạ phù hợp là điều cần thiết để đảm bảo hiệu quả của lớp mạ.
3.4.1.Gia công cơ học chi tiết
Các phương pháp gia công bề mặt kim loại phụ thuộc vào mục đích và điều kiện của từng xưởng mạ Đối với các chi tiết đã có bề mặt sáng bóng và không bị han gỉ, không cần thực hiện gia công cơ học Tuy nhiên, với các chi tiết có bề mặt chưa hoàn thiện, gia công cơ học là bước cần thiết để đạt được bề mặt chuẩn Hiện nay, có nhiều phương pháp gia công khác nhau để lựa chọn, phù hợp với từng loại bề mặt và yêu cầu cụ thể.
Mài phá là bước gia công đầu tiên nhằm loại bỏ gỉ sét và tạo bề mặt phẳng cho vật liệu Quá trình này thường sử dụng các bánh mài và vật liệu mài có kích thước hạt lớn và thô.
Mài tinh là bước quan trọng tiếp theo sau quá trình mài phá, nhằm tạo ra bề mặt nhẵn mịn, không còn xước Quá trình này sử dụng các phớt mài và vật liệu mài có kích thước hạt nhỏ và mịn Tùy thuộc vào yêu cầu về độ hoàn thiện của bề mặt, có thể thực hiện mài tinh một lần hoặc nhiều lần.
Đánh bóng là quá trình làm cho bề mặt trở nên bóng, sáng và có khả năng phản quang tốt Để thực hiện, người ta sử dụng các phớt đánh bóng làm từ dạ, da hoặc vải bông kết hợp với các loại thuốc và lơ đánh bóng Quy trình này được điều chỉnh tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của bề mặt chi tiết.
Quay trộn, rung, xóc là phương pháp gia công hiệu quả cho các chi tiết nhỏ, sử dụng thùng quay hoặc chuông quay Trong quá trình này, các vật liệu như hạt mài, bi sắt, và cao su được cho vào thùng, có thể kết hợp với một số hóa chất Phương pháp này giúp gia công chi tiết cho đến khi đạt được độ sáng bóng mong muốn.
Phun cát là một phương pháp hiệu quả và phổ biến để làm sạch bề mặt kim loại, loại bỏ gỉ sét và tạo độ nhám cho bề mặt Quy trình này được thực hiện trong một phòng riêng biệt, được trang bị hệ thống thông gió nhằm ngăn ngừa ô nhiễm bụi.
Việc làm sạch bề mặt nền là cần thiết để đảm bảo lớp mạ bám chắc và không xuất hiện khuyết tật Quá trình tẩy dầu mỡ có thể thực hiện bằng phương pháp hóa học hoặc điện hóa Thành phần của dung dịch tẩy sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu của nền.
Tẩy dầu mỡ hóa học: sử dụng các dung môi hữu cơ, dung dịch kiềm nóng, trong nước vôi,…
Tẩy dầu mỡ điện hóa là phương pháp sử dụng dung dịch tương tự như tẩy hóa học, nhưng áp dụng điện phân để loại bỏ dầu mỡ một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn.
Ngoài các chất tẩy đã đề cập, bạn có thể sử dụng sản phẩm từ các thương hiệu nổi tiếng Những sản phẩm này không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn rất dễ sử dụng.
Tẩy dầu mỡ có thể được thực hiện bằng phương pháp điện hóa hoặc hóa học, giúp loại bỏ vết gỉ và lớp oxit mỏng trên bề mặt chi tiết Sau khi tẩy dầu mỡ, thường sử dụng các loại acid như acid sulfuric và acid hydrochloric, kèm theo một số chất phụ gia để nâng cao hiệu quả.
Sau khi tẩy gỉ, vẫn còn tồn đọng lớp oxit hoặc màng thụ động, vì vậy việc tẩy nhẹ là cần thiết để loại bỏ chúng Phương pháp tẩy nhẹ giúp làm sạch và hòa tan các lớp này, từ đó cải thiện khả năng bám dính của lớp mạ lên kim loại nền Thường sử dụng các loại acid như acid sulfuric hoặc acid hydrochloric với thời gian tẩy không quá 1 phút.
Trước khi tiến hành mạ, việc rửa sạch các chi tiết là rất quan trọng Mỗi bước như tẩy và mạ cần được thực hiện cẩn thận, tránh để các chất lẫn vào nhau, điều này sẽ giúp duy trì chất lượng dung dịch.
Trong quá trình rửa, việc sử dụng nước cất hoặc nước đã lọc ion là rất quan trọng để ngăn ngừa lớp mạ bị oxi hóa nhanh chóng Mỗi giai đoạn rửa cần sử dụng bể rửa riêng biệt, vì việc sử dụng chung có thể dẫn đến sự lẫn tạp chất.
Có nhiều phương pháp rửa khác nhau, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, tùy thuộc vào điều kiện của cơ sở để lựa chọn Các phương pháp rửa phổ biến bao gồm rửa nhúng, rửa phun, hoặc sự kết hợp của cả hai.
Bảng 3 1: Quy trình công nghệ mạ đồng trong công nghiệp
Thành phần dung dịch Điều kiện công nghệ
Kiểm tra trước khi mạ
Kiểm tra kích thước bề mặt chi tiết
Xăng Làm sạch chi tiết
Tẩy dầu hóa học hay điện phân
Chi tiết đàn hồi, thép cường độ cao: tẩy dầu anode đồng tẩy dầu cathode
10 Tẩy dầu điện Như phần công phân nghệ 4
15 Trung hòa Na 2 CO 3 30-50 Thường
Thời gian mạ theo độ dày quyết định
3.3.5.Những hư hỏng và phương pháp khắc phục khi mạ đồng sulfate
Bảng 3 2: Khuyết tật khi mạ đồng và cách khắc phục [1]
Hiện tượng Nguyên nhân Cách khắc phục
Lớp mạ bong Xử lý bề mặt trước khi mạ không tốt
Tăng cường khâu xử lý bề mặt vật mạ Lớp mạ giòn, bề ngoài có vân sáng bóng
Có tạp chất hữu cơ Cho 0,5 g/l than hoạt tính để xử lý Lớp mạ có dạng bọt biển, khí thoát ra nhiều trên cathode
H 2 SO 4 quá nhiều Điều chỉnh dung dịch sau khi phân tích
Lớp mạ thô, mặt ngoài anode và cạnh bệ có chất kết tinh
CuSO 4 nhiều, nhiệt độ thấp
Giảm CuSO 4 tăng nhiệt độ Lớp mạ có vân đen Tạp chất asen hoặc antimon
Xử lý với mật độ dòng điện cao
Biên vật mạ có màu đen, lớp mạ thô
Mật độ dòng điện cao Giảm mật độ dòng điện
Trên anode có lớp xám tro, lớp mạ xám
Dung dịch có ion Cl - Xử lý điện phân
THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM
Dữ liệu ban đầu
Các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm với quy mô nhỏ, lựa chọn vật mạ có kích thước nhỏ và hình dạng đơn giản để dễ gia công Nhóm nghiên cứu chọn vật liệu cho chi tiết thí nghiệm là thép không gỉ (SUS 304), một trong những vật liệu phổ biến hiện nay Sản phẩm bằng thép không gỉ sau khi mạ đồng thường được sử dụng làm đồ trang trí và thiết bị gia dụng cao cấp, góp phần nâng cao giá trị sản phẩm Việc mạ đồng không chỉ giúp tăng độ bền mà còn hạn chế trầy xước, nâng cao độ cứng và dẻo dai của bề mặt Kích thước chi tiết mạ là DRC: 30 20 0,4 (mm).
Nghiên cứu cho thấy lớp mạ đồng đạt chất lượng tốt khi mật độ dòng điện i c dao động trong khoảng 3 – 6 A/dm² Dựa vào kích thước vật mạ, có thể tính toán một số thông số cần thiết để điều chỉnh trên máy biến áp, trong đó I đại diện cho cường độ dòng điện (A).
S là diện tích vật mạ (dm 2 )
Với diện tích vật mạ S= 2 0,3 0,2 = 0,12 (dm 2 ), ta có bảng như sau:
Bảng 4 1: Cường độ dòng điện sau khi tính toán
Sau khi có giá trị cường độ dòng điện, tiến hành điều chỉnh trên máy biến áp, thu được giá trị hiệu điện thế như bảng 4.2:
Bảng 4 2: Hiệu điện thế trên máy biến áp
Trang thiết bị thí nghiệm
Khi chọn mô hình quy trình xi mạ phòng thí nghiệm, cần xác định kích thước và thành phần dung dịch phù hợp để đạt được sản phẩm xi mạ tốt, bền và có thẩm mỹ cao Việc kết hợp giữa tự động hóa và thủ công giúp tiết kiệm nguyên vật liệu và bảo vệ môi trường Đồng thời, cần chuẩn bị đầy đủ thiết bị bảo hộ theo quy định an toàn phòng thí nghiệm.
Khi lựa chọn vật liệu cho bể, nên sử dụng mica vì tính năng chống acid và chống ăn mòn hiệu quả Kích thước bể cần được xác định sao cho phù hợp với kích thước điện cực, đảm bảo nước trong bể ngập đủ diện tích mong muốn, đồng thời cũng tiết kiệm vật tư.
Trong phòng thí nghiệm, bể mạ có kích thước vừa phải được sử dụng với hai anode đặt ở hai bên để đảm bảo lớp mạ phủ đều lên vật mạ Nghiên cứu của Hrudaya Jyoti Biswa cho thấy khoảng cách tối ưu giữa cathode và anode là từ 35 mm đến 105 mm, với lớp mạ tốt nhất đạt được khi khoảng cách này được giữ ở mức giữa Theo định luật Faraday, cường độ dòng điện I = E/R bị ảnh hưởng bởi điện trở, mà điện trở lại tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai điện cực Khi hai điện cực gần nhau, điện trở giảm, làm tăng cường độ điện trường và mật độ dòng điện qua cực âm, tạo ra lớp mạ dày Tuy nhiên, nếu mật độ dòng quá cao, vật mạ có thể bị cháy Ngược lại, nếu khoảng cách giữa hai điện cực xa, mật độ dòng giảm, dẫn đến lớp mạ mỏng, tốc độ phủ chậm và dễ bị chóc.
Khi chọn kích thước bể mạ, cần cân nhắc khoảng cách giữa hai cực; nếu kích thước quá lớn và khoảng cách xa, hiệu điện thế sẽ phải tăng lên Việc chọn anode có kích thước lớn hơn cũng cần thiết để đảm bảo mật độ dòng điện chạy qua cathode, nhưng điều này sẽ làm tăng chi phí Ngoài ra, kích thước lớn còn làm tăng thể tích dung dịch, không phù hợp với quy mô nhỏ của phòng thí nghiệm Đối với chiều cao của bể, cần lựa chọn sao cho dung dịch ngập đủ chiều sâu mong muốn, đặc biệt là khi mẫu mạ có chiều cao cụ thể.
Khi chọn chiều cao cho hệ thống treo, cần đảm bảo tối thiểu là 50 mm do chiều dài của móc treo, và theo công thức tính thể tích của hình hộp chữ nhật, dung tích tối thiểu cần đạt là 500 ml dung dịch.
Hình 4 1: Sơ đồ bố trí anode và cathode của bể mạ
Chiều dài bể mạ : khoảng cách từ cầu anode tới cathode 2 + khoảng cách cầu anode đến thành bể x 2 + chiều dày mica x 2 = 40 2 + 10 2 +5 2= 110 (mm)
Chiều rộng bể mạ : chiều rộng cathode + khoảng cách từ mép cathode đến thành 2 + chiều dày mica 2 = 40 + 30 2 + 5 2= 110(mm)
Chiều cao bể mạ : chiều cao cathode + khoảng cách cathode đến đáy bể + khoảng cách cathode đến mặt đầu bể = 30 + 110 + 10= 150 (mm)
Hình 4 2: Bản vẽ thiết kế bể mạ
Hình 4 3: Bể mạ thực tế
4.2.2.Trang thiết bị và vật tư khác
Bể rửa làm bằng nhựa
Hệ thống khuấy bằng sục khí được thiết kế bằng nhựa và sử dụng khí nén để làm sạch, được lắp đặt ở đáy bể dưới các cathode Phương pháp khuấy này dễ vận hành, tạo ra tốc độ khuấy mạnh mẽ và đồng đều, phù hợp cho các bể mạ yêu cầu chất lượng cao.
Cốc thủy tinh có chia vạch
Hình 4 4: Bộ nguồn chỉnh lưu Matrix
Hình 4 5: Cân điện tử định lượng
Hình 4 6: Cốc đốt thành thấp để pha chế dung dịch.
Dung dịch mạ
Dung dịch mạ đồng sulfate có thành phần đơn giản, dễ sử dụng và không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời an toàn cho sức khỏe con người Tuy nhiên, dung dịch này không thể mạ trực tiếp lên thép, do đó cần phải mạ lót một lớp đồng mỏng Lớp đồng này không chỉ giúp cho lớp mạ sulfate bám dính tốt hơn vào chi tiết mà còn nâng cao chất lượng của lớp mạ.
Để đạt được lớp mạ sáng bóng và mịn, ngoài hai thành phần chính là acid sulfuric (H2SO4) và đồng sulfate (CuSO4.5H2O), cần bổ sung thêm các chất phụ gia Những chất này, khi được sử dụng với nồng độ phù hợp, sẽ cải thiện độ mịn và độ sáng của lớp mạ Bảng thành phần của hai dung dịch mạ lót và mạ đồng sulfate sẽ cung cấp thông tin chi tiết hơn về các chất này.
Bảng 4 3: Thành phần dung dịch mạ
Dung dịch mạ lót pyprophosphate Dung dịch sulfate
Mật độ dòng điện 1 - 3 A/dm 2
H 2 SO 4 (D = 1,84) 50 g/l ≈ 27,2ml Nước cất 1 lit
Thioure 0,04 g/l PEG 0,75 g/l PVP 5 mg/l KCl 0,05 g/l Nhiệt độ 15 - 30 pH 1 - 4 Mật độ dòng điện 3 - 6 A/dm 2 Khuấy liên tục
Lựa chọn cathode và anode cho thí nghiệm
Để thí nghiệm thu được các thông số ảnh hưởng đến lớp mạ đồng, nhóm đã chọn chi tiết thí nghiệm dạng tấm với kích thước như mục 4.1 Anode được làm bằng đồng đỏ (Cu 99%) dạng tấm, có diện tích bề mặt không vượt quá ba lần diện tích bề mặt cathode, thường áp dụng tỷ lệ S a /S c = 2/1 Chiều dài anode bằng chiều dài khung treo vật mạ, với kích thước DRC là 30 40 1 (mm) Cả hai cực được treo trên móc, với chiều sâu ngập nước của cathode và anode trong dung dịch là 30 (mm).
Dung dịch mạ
4.4.1.Dung dịch mạ lót pyprophosphate
Để chuẩn bị dung dịch mạ, đầu tiên cân 100 gram natri pyprophosphate (Na4P2O7.10H2O) cho vào cốc thủy tinh và thêm nước cất, khuấy đều để hòa tan Tiếp theo, cân 2 gram đồng sulfate (CuSO4.5H2O) vào cốc và thêm nước cất, khuấy đều Rót từ từ dung dịch đồng sulfate vào dung dịch natri pyprophosphate, khuấy đều và thêm nước cất đến thể tích định pha Kiểm tra nhiệt độ, pH và tỷ trọng của dung dịch; pH cần duy trì trong khoảng 7 < pH < 9 Nếu pH > 9, thêm acid photphoric (H3PO4) để hạ pH xuống dưới 9; nếu pH < 7, sử dụng NaOH để nâng pH lên trên 7 Dung dịch mạ lót có thể chấp nhận pH trong khoảng 7-9 Sau khi hoàn thành, kiểm tra pH để đảm bảo trong mức cho phép trước khi tiến hành mạ.
Cân 200 gram đồng sulfate vào cốc thủy tinh có chia vạch, sau đó hòa tan trong nước cất và thêm từ từ khoảng 27,2 ml acid sulfuric (H2SO4 98%) Tiếp theo, bổ sung nước đến thể tích đã định, để lắng và lọc dung dịch vào bể mạ Các chất phụ gia rắn cần được cân theo khối lượng, pha riêng với nước cất rồi thêm vào dung dịch Sử dụng nhiệt kế để kiểm tra nhiệt độ mạ, đảm bảo ở mức thích hợp trước khi tiến hành mạ thử cho đến khi đạt được lớp mạ tốt Đối với dung dịch mạ sulfate, nồng độ pH phù hợp là pH < 4; trong quá trình thí nghiệm, có thể điều chỉnh độ pH bằng NaOH để tăng hoặc H2SO4 để giảm.
Lựa chọn và đề xuất thông số thí nghiệm
4.4.1.a.Xác định các yếu tố thí nghiệm
Nghiên cứu từ các bài báo khoa học cho thấy rằng các yếu tố như thành phần dung dịch, tốc độ khuấy, chuẩn bị chi tiết, phương pháp và thiết bị mạ không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng lớp mạ, vì việc tối ưu hóa các thông số này tương đối dễ dàng.
Với việc chọn mạ bằng dung dịch sunfate có thành phần đơn giản gồm CuSO 4 5H 2 O và H 2 SO 4 nên có thể chọn theo bảng dung dịch mạ đồng sunfate
Tối ưu tốc độ khuấy bằng cách chọn khuấy bằng hệ thống sục khí liên tục
Chuẩn bị chi tiết, phương pháp và thiết bị mạ cần làm đúng quy trình
Thời gian mạ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ Thời gian này phụ thuộc vào độ dày trung bình của lớp mạ, và có công thức để tính toán cụ thể.
[ ] trong đó: : chiều dày lớp mạ, mm
: trọng lượng riêng của kim loại mạ, g/cm 3
: đương lượng điện hóa, g/Ah i c : mật độ dòng điện, A/dm 2 , i c = I/S
Chiều dày trung bình của lớp mạ phụ thuộc vào từng chi tiết với yêu cầu khác nhau, do đó, yếu tố thời gian mạ sẽ không được xem xét trong trường hợp này.
Các yếu tố như mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch và độ pH có ảnh hưởng lớn đến công nghệ mạ Nhiều nghiên cứu về mạ điện đã chọn những yếu tố này làm tiêu chí thí nghiệm, do đó chúng tôi cũng quyết định sử dụng các yếu tố này trong nghiên cứu của mình.
4.4.1.b.Xác định khoảng thay đổi của các yếu tố thí nghiệm Độ pH của dung dịch: pH của dung dịch là một trong các thông số khó điều chỉnh Khi pH thấp, tốc độ mạ giảm, nhưng khi pH quá cao gây ảnh hưởng xấu tới lớp mạ Vì vậy để chọn được số liệu chính xác ta dựa vào nghiên cứu của ông S.S Abd El Rehim có đề cập đến sử dụng dung dịch acid để mạ đồng với pH ≤ 4, khi ông thử tăng độ pH thì nồng độ ion Cu 2+ giảm nên tối ưu nhất ta chọn pH= 1– 4 [10]
Nhiệt độ dung dịch mạ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ Để đạt được lớp mạ tối ưu, nhiệt độ dung dịch mạ nên được duy trì trong khoảng từ 15-30 độ C.
Mật độ dòng điện mạ thông thường được chọn ở giá trị giới hạn cao nhất để nâng cao năng suất, nhưng trong bảng 4.3, mật độ dòng điện tối ưu cho mạ đồng sulfate có khuấy, sục là 3-6 A/dm² Do đó, trong thí nghiệm, mật độ dòng điện sẽ được chọn trong khoảng 3-6 A/dm² Để so sánh và đo đạt hiệu quả, nhóm tác giả lựa chọn các thông số đầu ra như độ bám dính và bề dày lớp mạ, với phương pháp đo cụ thể được trình bày trong từng thí nghiệm.
4.4.3.Đề xuất thông số thí nghiệm
Sự thay đổi của các yếu tố thí nghiệm:
Dựa vào các thông số đã nêu, chúng ta có thể tiến hành quá trình mạ để xác định khoảng thông số phù hợp nhằm đạt được lớp mạ tốt nhất Các thông số thí nghiệm có thể được trình bày dưới dạng bảng, trong đó các thông số sẽ thay đổi theo giá trị trong bảng.
Bảng 4 4: Các mức thay đổi thông số thí nghiệm
STT pH Mật độ dòng
Nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp Taguchi để xác định các thông số thí nghiệm, sử dụng phần mềm Minitab nhằm tối ưu hóa quy trình thí nghiệm với các mức thay đổi thông số khác nhau.
Bảng 4 5: Thông số thiến hành thí nghiệm theo Taguchi
TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
Lựa chọn phương án thí nghiệm
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng lớp mạ là bước đầu tiên trong nghiên cứu dây chuyền mạ điện Dựa trên kết quả lý thuyết và thí nghiệm sơ bộ, các thông số đầu vào đã được lựa chọn và điều chỉnh Nghiên cứu này giúp đánh giá mức độ ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng lớp mạ đồng, từ đó làm cơ sở lựa chọn chế độ mạ hợp lý cho các chi tiết và các nghiên cứu tối ưu hóa chế độ mạ trong tương lai.
Tiến hành thí nghiệm
Khi tiến hành thí nghiệm, cần đảm bảo đầy đủ dụng cụ bảo hộ và thực hiện đúng quy trình để đảm bảo an toàn Để kiểm tra tác động của một thông số cụ thể, thông số này sẽ được thay đổi trong miền và ở các cấp độ khác nhau, trong khi các thông số khác giữ cố định Giá trị hợp lý của thông số đầu vào được lựa chọn dựa trên chất lượng lớp mạ Các bước thí nghiệm sẽ được thực hiện theo quy trình mạ đồng, với khả năng lược bỏ một số bước do quy mô thực hiện nhỏ.
Bảng 5 1: Quy trình tiến hành thí nghiệm
Tên quy trình Dụng cụ Hóa chất Tiến hành
Mắt thường Quan sát chi tiết và anode có bằng phẳng, không móp méo
2 Gia công cơ Giấy nhám
Mài bavia ở các cạnh của chi tiết và anode, dùng giấy nhám để đánh bóng và giúp bề mặt mịn hơn
3 Rửa chi tiết bằng nước lạnh Nhúng chi tiết và anode vào bể có chứa nước lạnh
Sử dụng chất để loại bỏ dầu bám trên chi tiết
5 Rửa nước lạnh Nhúng chi tiết vào bể có chứa nước lạnh
6 Tẩy gỉ Cốc thủy tinh
Dung dịch acid HCl tỷ trọng Đặt chi tiết vào trong ly khoảng 1-3 phút rồi lấy ra [4]
7 Rửa nước lạnh Nhúng chi tiết vào bể có chứa nước lạnh
8 Tẩy nhẹ Cốc thủy tinh
H 2 SO 4 10% Đặt chi tiết ngâm khoảng 30 (s) – 1 (phút) rồi lấy ra [4]
9 Rửa nước lạnh Nhúng chi tiết vào bể có chứa nước lạnh
10 Mạ lót dung dịch pyprophosphate
Cốc 1 lit, cân điện tử
Chuẩn bị các thành phần dung dịch theo bảng 4.1 và tiến hành pha chế theo hướng dẫn tại mục 4.2.1 Cài đặt các thông số mật độ và điện áp trên máy mạ theo bảng 4.1 Sau đó, ngâm chi tiết trong dung dịch khoảng 30 giây, mở máy và tiến hành mạ trong khoảng 2 phút trước khi lấy ra.
11 Rửa nước lạnh Nhúng chi tiết vào bể có chứa nước lạnh
12 Mạ đồng dung dịch sulphate Cốc 1 lit, cân điện tử, nhiệt kế đo nhiệt độ dung dịch
Chuẩn bị các thành phần dung dịch theo bảng 4.1 và tiến hành pha chế theo hướng dẫn ở mục 4.2.2 Sau khi pha xong, đổ dung dịch vào bể mạ, cài đặt mật độ và điện áp theo thông số trong bảng 4.1 Cuối cùng, bỏ chi tiết vào bể, mở máy và bắt đầu quá trình mạ.
13 Rửa qua nước cất Nhúng chi tiết vào bể có chứa nước cất
14 Sấy khô Máy sấy Sử dụng máy sấy để làm khô chi tiết mạ
15 Chromate hóa Cốc thủy tinh
Tạo ra lớp bảo vệ tạm thời, chống xỉn màu lớp mạ
16 Kiểm tra Mắt thường Tiến hành kiểm tra xem lớp mạ có đạt yêu cầu về ngoại quan
Máy mài là thiết bị quan trọng trong quá trình sản xuất, giúp gia công bề mặt hiệu quả Bể nước lạnh được sử dụng để làm mát và duy trì nhiệt độ ổn định trong quá trình sản xuất Bể tẩy dầu và bể tẩy gỉ đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch bề mặt, loại bỏ dầu mỡ và gỉ sét Bể tẩy nhẹ giúp xử lý các bề mặt nhạy cảm mà không gây hư hại Bể nước cất được sử dụng để cung cấp nước tinh khiết cho các quy trình sản xuất Cuối cùng, bể mạ lót pyrophosphate là bước cần thiết để tạo lớp bảo vệ cho sản phẩm, nâng cao độ bền và chất lượng.
11.Bể mạ sulfate, 12 Bể nước cất, 13.Máy sấy
Hình 5 1: Sơ đồ quy trình mạ
5.2.1.Thí nghiệm chọn ra các thông số tối ưu sơ bộ cho lớp mạ
Sử dụng phương pháp Taguchi với các thông số đầu vào và ra đã xác định, nhóm tiến hành tìm bộ số tối ưu sơ bộ cho các thí nghiệm so sánh Phần mềm Minitab được sử dụng để tạo ra các bộ số, từ đó tiến hành mạ các mẫu và đo độ dày lớp mạ Sau khi đo xong, độ dày lớp mạ sẽ được nhập vào phần mềm để vẽ biểu đồ và xác định bộ ba thông số tối ưu.
5.2.2.Thí nghiệm ảnh hưởng của mật độ dòng điện
Sau khi hoàn tất các bước tẩy rửa và mạ lót, chúng ta tiến hành mạ đồng bằng dung dịch sulphate Trong thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng điện, cần giữ cố định hai thông số trong khi thay đổi một thông số Sau khi mạ xong, kiểm tra chất lượng bề mặt lớp mạ để xác định thông số cố định cho thí nghiệm tiếp theo.
Nhiệt độ tối ưu, pH tối ưu, mật độ dòng điện i c = 3
Nhiệt độ tối ưu, pH tối ưu, mật độ dòng điện ic = 4
Nhiệt độ tối ưu, pH tối ưu, mật độ dòng điện i c = 5
Nhiệt độ tối ưu, pH tối ưu, mật độ dòng điện ic = 6
5.2.3.Thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ
Với thí nghiệm này, sau khi lựa chọn được hai thông số pH và mật độ dòng điện phù hợp, tiến hành thay đổi nhiệt độ:
Mật độ dòng điện i c = tối ưu, pH tối ưu, nhiệt độ 15 o C
Mật độ dòng điện ic = tối ưu, pH tối ưu, nhiệt độ 20 o C
Mật độ dòng điện ic = tối ưu, pH tối ưu, nhiệt độ 25 o C
Mật độ dòng điện i c = tối ưu, pH tối ưu, nhiệt độ 30 o C
Hình 5 2: Nhiệt kế đo nhiệt độ dung dịch
5.2.4.Thí nghiệm ảnh hưởng của pH
Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ thực hiện tương tự như thí nghiệm trước, nhưng với thông số pH được điều chỉnh Sau khi xác định được mật độ dòng điện phù hợp, chúng ta tiến hành thực hiện thí nghiệm.
Nhiệt độ tối ưu, mật độ dòng điện tối ưu, pH = 1
Nhiệt độ tối ưu, mật độ dòng điện tối ưu, pH = 2
Nhiệt độ tối ưu, mật độ dòng điện tối ưu, pH = 3
Nhiệt độ tối ưu, mật độ dòng điện tối ưu, pH = 4
Hình 5 3: Giấy quỳ đo pH dung dịch.
Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng lớp mạ
5.3.1.Ảnh hưởng đối với độ dày lớp mạ
Nhóm đã thử đo độ dày bằng máy đo cầm tay nhưng không xác định được vật liệu nền, trong khi các phương pháp khác lại khó thực hiện và tốn kém Sau khi tham khảo ý kiến từ xưởng mạ, nhóm quyết định sử dụng panme để đo độ dày lớp mạ, vì phương pháp này khả thi hơn.
Loại thử nghiệm: Kiểm tra bề dày lớp mạ
Phương pháp thử: Đo độ dày
Thiết bị thử: panme Mitutoyo
Hình 5 4: Panme Mitutoyo dùng để đo độ dày lớp mạ
5.3.1.a.Kết quả sau khi sử dụng phương pháp Taguchi
Sau khi tiến hành thực nghiệm như các thông số ở bảng 4.5, thu được kết quả độ dày lớp mạ:
Bảng 5 2: Kết quả đo độ dày lớp mạ (àm)
Nhiệt độ ( o C) pH Độ dày
Tiếp theo, tiến hành vẽ biểu đồ phân tích số liệu trên phần mềm, thu được kết quả:
Hình 5 5: Quan hệ giữa các yếu tố theo 4 mức đến độ dày của lớp mạ đồng
Dựa theo kết quả thu được của đồ thị tăng nhận thấy rằng lớp mạ đạt độ dày lơn nhất khi i c = 6 a/dm 2 , nhiệt độ bằng 30 o C và pH= 2
Hình 5 6: So sánh sự ảnh hưởng của mật độ và nhiệt độ đến độ dày lớp mạ
Hình 5 7: So sánh sự ảnh hưởng của mật độ và pH đến độ dày lớp mạ
Mật độ dòng điện là yếu tố quyết định lớn đến độ dày lớp mạ, với mật độ càng cao thì độ dày càng lớn Nhiệt độ và pH không ảnh hưởng nhiều đến độ dày lớp mạ Tuy nhiên, để xác định bộ thông số tối ưu, cần xem xét cả chất lượng bề mặt, vì lớp mạ có độ dày lớn nhưng xuất hiện khuyết tật thì không đạt yêu cầu Do đó, việc lựa chọn bộ thông số tối ưu theo phương pháp Taguchi và so sánh từng thông số riêng là cần thiết để tìm ra kết quả chính xác nhất.
5.3.1.b.Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến chất lượng bề mặt và độ dày lớp mạ
5.3.1.b.1.Kết quả a.Mẫu mạ ở mật độ dòng điện ic: 3 A/dm 2 , b Mẫu mạ ở mật độ dòng điện i c : 4 A/dm 2 , Mẫu mạ ở mật độ dòng điện ic: 5 A/dm 2 , Mẫu mạ ở mật độ dòng điện i c : 6 A/dm
Hình 5.8 trình bày các mẫu sau khi mạ với các mật độ dòng điện khác nhau Cụ thể, mẫu mạ ở mật độ dòng điện ic là 3 A/dm², mẫu mạ ở mật độ dòng điện ic là 4 A/dm², mẫu mạ ở mật độ dòng điện ic là 5 A/dm², và mẫu mạ ở mật độ dòng điện ic là 6 A/dm².
Hình 5 9: Ảnh chụp cấu trúc tế vi của lớp mạ ở các mật độ khác nhau 5.3.1.b.2.Biểu đồ
Hình 5 10: Biểu đồ ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến độ dày lớp mạ
5.3.1.b.3.Phân tích kết quả đưa ra kết luận
Sau khi mạ, lớp mạ với mật độ dòng điện i c = 4 A/dm² cho bề mặt sáng bóng và đạt độ mịn cao Biểu đồ cho thấy mật độ i c = 6 A/dm² tạo ra lớp mạ dày nhất, trong khi i c = 3 A/dm² là mỏng nhất, cho thấy độ dày lớp mạ tăng theo mật độ dòng điện Tuy nhiên, tại i c = 6 A/dm², bề mặt lớp mạ bị rộp và có hiện tượng sùi do mật độ dòng điện cao Độ dày giữa i c = 4 A/dm² và i c = 5 A/dm² không chênh lệch nhiều, nhưng lớp mạ ở i c = 4 A/dm² đạt được độ sáng bóng lý tưởng, phù hợp với mục đích trang trí và yêu cầu về tính thẩm mỹ.
Dựa vào ảnh chụp tế vi của các mẫu sau khi mạ và được chromate hóa, mẫu mạ với mật độ ic = 4 A/dm² cho thấy mức độ oxi hóa thấp nhất Ảnh chụp cũng chỉ ra rằng lượng kim loại đồng bám lên mẫu ở mật độ này là đồng đều, với độ phủ của các hạt và lớp mạ có màu sắc nhất quán Thêm vào đó, độ dày lớp mạ tăng theo mật độ dòng điện, với màu sắc trong ảnh chụp tế vi trở nên đậm hơn khi mật độ dòng điện cao hơn Tuy nhiên, mật độ cao có thể dẫn đến hiện tượng rộp hoặc sùi lớp mạ, làm giảm khả năng chống oxi hóa Vì vậy, mật độ dòng điện 4 A/dm² được chọn là thông số tối ưu cho các thí nghiệm tiếp theo.
Kết quả khảo sát bề mặt qua chụp tế vi và biểu đồ độ dày lớp mạ cho thấy rằng độ dày lớp mạ tỷ lệ thuận với mật độ dòng điện Mật độ dòng điện càng cao, lớp mạ thu được càng dày; tuy nhiên, nếu mật độ dòng điện quá cao sẽ dẫn đến bề mặt lớp mạ bị xù xì và rộp, không đạt chất lượng Do đó, cần duy trì mật độ dòng điện ở mức hợp lý i c = 4 A/dm² để đảm bảo lớp mạ đạt độ dày và hoàn thiện tốt nhất.
5.3.1.c.Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng bề mặt và độ dày lớp mạ
Sau khi xác định được mật độ dòng điện tối ưu là i c = 4 A/dm², chúng tôi tiến hành thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ dày lớp mạ, với pH được giữ cố định ở mức 2.
5.3.1.c.1.Kết quả a.Mẫu mạ ở nhiệt độ 15 o C, b Mẫu mạ ở nhiệt độ 20 o C, Mẫu mạ ở nhiệt độ
Hình 5 11: Các mẫu sau khi mạ ở các nhiệt độ khác nhau a.Mẫu mạ ở nhiệt độ 15 o C, b Mẫu mạ ở nhiệt độ 20 o C, Mẫu mạ ở nhiệt độ
Hình 5 12: Ảnh chụp cấu trúc tế vi của lớp mạ ở các nhiệt độ khác nhau 5.3.1.c.1.Biểu đồ
Hình 5 13: Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng lớp mạ
5.3.1.c.3.Phân tích kết quả đưa ra kết luận
Sau khi mạ, việc đánh giá chất lượng lớp mạ chỉ qua ngoại quan là rất khó khăn Tuy nhiên, khi đo độ dày lớp mạ và phân tích biểu đồ, ta nhận thấy rằng độ dày lớp mạ tăng dần theo giá trị nhiệt độ Điều này cho thấy mối liên hệ giữa nhiệt độ và chất lượng lớp mạ.
Ở nhiệt độ 25 o C và 30 o C, độ dày của hai mẫu không có sự thay đổi đáng kể Chất lượng bề mặt của hai mẫu cũng tương đương về độ đều màu và độ sáng bóng, cho thấy rằng đây là hai mức nhiệt độ tối ưu cho lớp mạ.
Để tiến hành thí nghiệm tiếp theo, cần xác định thông số tối ưu nhất Qua việc chụp ảnh tổ chức tế vi bề mặt, chúng ta nhận thấy mẫu mạ ở nhiệt độ 30°C đạt chất lượng tốt nhất với mật độ đồng bao phủ dày và đều, đồng thời ít bị oxi hóa Hình ảnh tổ chức tế vi và biểu đồ độ dày cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng đến độ dày lớp mạ; khi nhiệt độ quá thấp, lớp mạ sẽ mỏng hơn, và khoảng nhiệt độ 25-30°C cho bề mặt mạ tốt nhất.
5.3.1.d.Ảnh hưởng của pH đến chất lượng bề mặt và độ dày lớp mạ
5.3.1.d.1.Kết quả a.Mẫu mạ ở mức pH= 1, b Mẫu mạ ở mức pH= 2, Mẫu mạ ở mức pH= 3, Mẫu mạ ở mức pH= 4
Hình 5 14: Các mẫu sau khi mạ ở các mức pH khác nhau a.Mẫu mạ ở mức pH= 1, b Mẫu mạ ở mức pH= 2, Mẫu mạ ở mức pH= 3, Mẫu mạ ở mức pH= 4
Hình 5 15: Ảnh chụp cấu trúc tế vi của lớp mạ ở các mức pH khác nhau 5.3.1.d.2.Biểu đồ
Hình 5 16: Biểu đồ ảnh hưởng của độ pH đến độ dày lớp mạ
5.3.1.d.3.Phân tích kết quả đưa ra kết luận
Các mẫu mạ đều có lớp mạ phân bố đồng đều và đạt độ mịn cao Tuy nhiên, mẫu ở pH=2 nổi bật hơn hẳn với độ sáng bóng tốt nhất, gần như đạt độ bóng gương Trong khi đó, mẫu ở pH=3 và pH=4 xuất hiện hiện tượng lớp mạ bị rộp và xù xì ở gần các mép.
Khi phân tích hình ảnh chụp tổ chức tế vi của lớp mạ, mức pH= 2 cho thấy sự phân bố đồng đều nhất Trong khi đó, các mức pH= 3 và pH= 4 xuất hiện những chỗ mờ, biểu hiện cho các phần lớp mạ bị rộp Mẫu pH= 1 cũng có độ phân bố đồng đều, nhưng bề mặt mẫu này dễ bị oxi hóa hơn so với mẫu pH= 2.
Độ dày của lớp mạ là yếu tố quan trọng trong quá trình mạ Kết quả đo cho thấy độ dày lớp mạ giảm khi mức pH tăng Cụ thể, ở pH=1, độ dày đạt 3,5 mm và giảm xuống 3 mm khi pH=4 Do đó, có thể kết luận rằng độ dày lớp mạ tỷ lệ nghịch với mức pH của dung dịch mạ.
Sau khi phân tích kết quả, pH= 2 được xác định là mức tối ưu cho dung dịch mạ Mặc dù độ dày lớp mạ ở pH= 2 mỏng hơn so với pH= 1, sự chênh lệch này không đáng kể Lớp mạ tại pH= 2 không chỉ có bề mặt sáng bóng mà còn có khả năng chống oxi hóa tốt hơn, do đó pH= 2 là thông số tối ưu được lựa chọn.
5.3.2.Ảnh hưởng đối với độ gắn bám lớp mạ
Ứng dụng của thí nghiệm
5.4.1.Mạ với anode bằng hợp kim Cu + Cr +
Sau khi xác định được thông số mạ tối ưu từ thực nghiệm với dòng điện i = 4 A/dm², pH = 2 và nhiệt độ t = 30°C, chúng tôi đã tiến hành mạ một số chi tiết nhỏ bằng thép Quá trình này sử dụng anode hợp kim, và sản phẩm thu được được thể hiện trong hình 5.22.
Hình 5 21: Một số chi tiết nhỏ bằng thép
Hình 5 22: Chi tiết sau khi mạ anode đồng chrome
5.4.2.Mạ với anode đồng đỏ
Tiếp tục tiến hành mạ các chi tiết với thông số tối ưu như trên ta thu cùng với anode đồng đỏ ta thu được kết quả như hình:
Hình 5 23: Chi tiết sau khi mạ anode đồng đỏ
5.4.3.Mạ với anode đồng vàng
Sử dụng thông số mạ tối ưu với anode đồng vàng không tạo được lớp mạ màu vàng mong muốn, mà chỉ cho ra lớp mạ có màu sắc và kết cấu giống anode đồng đỏ Dung dịch mạ đồng sulfate không phù hợp để mạ đồng vàng vì ion Zn²⁺ không có tính hoạt hóa, chỉ có ion Cu²⁺ tạo ra lớp kết tủa đồng đỏ Do đó, để đạt được lớp mạ đồng vàng, cần lựa chọn dung dịch mạ khác như dung dịch cyanide.
Việc sử dụng các loại anode khác nhau trong quá trình mạ sẽ tạo ra các lớp mạ có chất lượng khác nhau Do đó, cần thiết phải so sánh và đánh giá chất lượng của các lớp mạ này, nhằm lựa chọn loại anode phù hợp với yêu cầu cụ thể trong quá trình mạ.
Hình 5 24: Chi tiết sau khi mạ anode bằng hợp kim đồng chrome bên trái, chi tiết sau khi mạ anode đồng đỏ bên phải
Chi tiết mạ anode bằng đồng đỏ có màu ánh đỏ đặc trưng, trong khi chi tiết anode hợp kim đồng chrome lại có màu hồng sáng bóng hơn Tuy nhiên, lớp mạ hợp kim đồng chrome dễ bị oxy hóa.
Bảo quản dung dịch mạ
Để đạt được sản phẩm xi mạ đẹp, việc bảo quản dung dịch mạ là rất quan trọng Dung dịch mạ cần phải sạch và không chứa tạp chất để lớp mạ có chất lượng tốt Các bể lọc thường sử dụng máy lọc để loại bỏ cặn bẩn và tạp chất trong dung dịch Đối với các chất phụ gia, cần kiểm tra liều lượng cẩn thận Việc phân tích dung dịch mạ thường được gửi đến các trung tâm nghiên cứu để đảm bảo nồng độ các chất được bổ sung đúng mức trước khi tiến hành mạ.
Xử lý nước thải sau khi mạ
Quá trình xi mạ mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng gây ô nhiễm môi trường nếu không có biện pháp xử lý nước thải hiệu quả Hiện nay, nhiều cơ sở sản xuất chưa chú trọng đúng mức đến việc bảo vệ môi trường, dẫn đến việc xả thải không qua xử lý ra môi trường Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và các sinh vật Do đó, đầu tư vào công nghệ xử lý nước thải sau mạ là cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.
Mặc dù lượng nước thải từ quá trình xi mạ không lớn như ở các nhà máy sản xuất, nhưng nó chứa nhiều chất độc hại ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và có thể gây ăn mòn thiết bị Do đó, việc xử lý nước thải là rất quan trọng để mở rộng mô hình sản xuất Quy trình xử lý nước thải xi mạ cần loại bỏ tạp chất rắn, bùn cặn và các chất độc hại bằng các phương pháp và thiết bị tiết kiệm chi phí Mỗi loại dung dịch mạ sẽ yêu cầu phương pháp xử lý khác nhau; trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào dung dịch mạ kiềm và acid, giúp đơn giản hóa quy trình xử lý Tùy thuộc vào tình hình cụ thể của từng xưởng, các phương pháp xử lý sẽ được điều chỉnh cho phù hợp.
Phương pháp trung hòa tự nhiên là quá trình xử lý nước thải sau khi xi mạ, trong đó nước thải có tính acid và kiềm được đưa vào bể trung hòa để tự cân bằng Mặc dù phương pháp này có thể giúp nước thải đạt trạng thái cân bằng và có thể xả thải ra ngoài, nhưng do nồng độ và số lượng của hai loại nước thải này biến động lớn, nên thường không đạt hiệu quả cao Do đó, cần kết hợp với các phương pháp khác hoặc sử dụng hóa chất hỗ trợ để nâng cao hiệu quả xử lý.
Phương pháp trung hòa các chất: phương pháp này sẽ thêm các chất có tính acid hoặc kiềm vào nước thải Với các chất có tính kiềm như:
CaCO3, CaO, Na2CO3 và các chất có tính axit như SO2, CO2, CO có thể được sử dụng để trung hòa nước thải Tùy thuộc vào khối lượng nước thải, quá trình trung hòa có thể thực hiện theo hai phương pháp: trung hòa gián đoạn hoặc trung hòa liên tục.
Phương pháp trung hòa lọc là quá trình xử lý nước thải thông qua các thiết bị lọc chứa đá vôi, giúp cân bằng pH của nước Các thiết bị lọc phổ biến bao gồm trung hòa kiểu thùng quay, trung hòa kiểu tháp và bể lọc trung hòa, mang lại hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải.
Hình 5 25: Hệ thống xử lý nước thải xi mạ
Xử lý nước thải sau quá trình xi mạ là rất quan trọng để bảo vệ môi trường sống trong lành và sạch đẹp Hơn nữa, việc này còn giúp bảo vệ các hệ thống ống nước, ngăn ngừa tình trạng ăn mòn và thiệt hại tài sản do nước thải không được xử lý gây ra.