Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành vật lý kỹ thuật nghiên cứu mạ kẽm trên Đế kim loại

Ngoài rakích thước hạt, kết cấu, tạp chất của màng , tinh thể đồng ảnh hưởng đến khả năngdẫn điện, chuyển hóa tạo mầm trong quá trình tạo lớp phủ.. Bằng các điều chính cáctham số mạ như

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

)

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU MẠ KẼM TRÊN ĐẾ KIM LOẠI

MSSV: B1505926

LỚP: VLKT K41 Cần Thơ, Tháng 07/2019

PHẦN KÝ DUYỆT

(ký tên) (ký tên)

DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN

………

………

………

………

………

………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2018

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(ký tên)

Sơ lược về đề tài

1.Cán bộ hướng dẫn : TS Huỳnh Thanh Tuấn

2.Tên Luận Văn: Kỹ thuật mạ kẽm

3.Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm vật lý Khoa Khoa Học Tự Nhiên – Trường Đại Học Cần Thơ.

4.Số lượng sinh viên thực hiện: 1

5.Họ và tên sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoài Ân MSSV: B1505926

6.Mục đích yêu cầu: Tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ bằng dung dịch sunfat ở nồng độ thấp từ đó nhận xét, kiểm tra và đánh giá chất lượng lớp mạ Cũng trên cơ sở đó tìm ra những ưu điểm, khuyết điểm

để cuối cùng đưa ra những điều kiện tối ưu nhất trong quá trình mạ kẽm nhầm tạo được lớp mạ kẽm ít lỗ xốp, có khả năng phân bố tốt, độ bóng tốt, bám chắc kim loại nền.

7.Nội dung chính và giới hạn của luận văn.

Nội dung chính

Tìm hiểu lý thuyết mạ.

Thực hiện mạ kẽm trên nguyên liệu sắt.

Đánh giá chất lượng lớp mạ và đưa ra những điều kiện tối ưu nhất trong quá trình mạ

Giới thiệu về luận văn: Luận văn gồm các phần.

Chương 1: TỔNG QUAN.

Chương 2: THỰC NGHIỆM.

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt cả năm học và hơn bốn tháng thực hiện luận văn tốt nghiệp

đã giúp em tiếp thu, học hỏi rất nhiều điều bổ ích cũng như bổ sung cho mình những kiến thức còn hạn hẹp, thiếu xót cho đến nay để có nhiều kiến thức quí báu hơn từ Thầy Cô.

Đến đây em xin chân thành cảm ơn với tất cả Thầy Cô trong bộ môn Lý– Khoa Khoa Học Tự Nhiên đã truyền đạt cho em những kiến thức cực kì

bổ ích cũng như kinh nghiệm trong suốt quá trình làm luận văn.

Em xin chân thành biết ơn sâu sắc, xin gửi long tri ân đến TS Huỳnh Thanh Tuấn đã luôn luôn quan tâm, ủng hộ, tận tình, giúp đỡ em và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này.

Em không quên cảm ơn Thầy Cô trong phòng thí nghiệm cũng như nhà Trường tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình luận văn.

Và một lần nữa em xin cảm ơn sâu sắc đến Cha, Mẹ và các bạn bè Người luôn ủng hộ, giúp đỡ và là chỗ dựa cho em để hoàn thành bài luận văn này.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả mọi người.

Cần Thơ, tháng 7 năm 2019 Nguyễn Hoài Ân

Em xin chân thành cảm ơn!!!!!

Tóm tắt

Nội dung luận văn này sẽ trình bày những cơ sở lí thuyết về mạ điện và

mạ kẽm, từ đó tiến hành mạ trên đế thép Đồng thời khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ.

Các phần bao gồm

Mở đầu trình bày lí do chọn đề tài.

Chương 1 : Sơ lược về cơ sở lý thuyết mạ.

Chương 2: Trình bày phương pháp tiến hành thực nghiệm cũng như nhữngphương tiện phục vụ cho quá trình thí nghiệm

Chương 3: Trình bày kết quả và nêu kết luận của quá trình mạ

Kết luận

Mục lục:

NGHIÊN CỨU MẠ KẼM TRÊN ĐẾ KIM LOẠI

Mạ điện đã được biết đến trong một khoảng thời gian dài và nó tạo lớp phủtrong các mô hình phức tạp và lớp phủ mỏng trên các đối tượng khác nhau cho mụcđích bảo vệ kim loại là chủ yếu khỏi bị ăn mòn Không những thế, nó cò như một lớp

áo khoác để bảo vệ cũng đồng thời tạo lớp trang trí cực kì đẹp lại mang đến hiệu quảcao về kinh tế như mạ bạc hay mạ niken

Mạ điện để tạo lớp phủ bằng đồng đã được nghiên cứu, kiểm tra nhiều lầnliên quan đến các thuộc tính và các ứng dụng khác nhau của mạ đồng chẳng hạn nhưmạch điện trong các ngành công nghiệp xe, máy móc…, lớp lót cho lớp phủ màngmỏng kim loại khác , trang trí đồ đạc hay ứng dụng của các lớp hợp kim của nó

Mạ kẽm thường có quá trình nhiệt độ tương đối thấp hơn nên cho phép tạo các lớpphủ đồng trên các bề mặt khác nhau Ngoài ra nó cũng có khả năng phủ đều và kiểm

Sự phát triển thành công của lớp phủ đồng đòi hỏi cần tìm hiểu về các đặc tính bảnchất của các phản ứng điện cực, qua trình tạo mầm, quá trình phủ lớp mạ… Ngoài rakích thước hạt, kết cấu, tạp chất của màng , tinh thể đồng ảnh hưởng đến khả năngdẫn điện, chuyển hóa tạo mầm trong quá trình tạo lớp phủ Bằng các điều chính cáctham số mạ như nồng độ, cường độ dòng điện, thời gian, nhiệt độ,… có thể giúp lớpphủ có thể được kiểm soát.

Vì vậy trong luận văn này sẽ tiến hành khảo sát những yếu tố ảnh hưởng đếnchất lượng lớp mạ bằng dung dịch sunfat nồng độ thấp từ đó đánh giá được chấtlượng của lớp mạ và cũng trên cơ sở đó cũng tìm được những ưu và khuyết trong quátrình mạ nói riêng và mạ kẽm nói chung đúc kết được những điều kiện tối ưu trongquá trình mạ nhằm tạo được một lớp mạ kẽm sáng, độ bóng tốt, độ xốp ít, có khảnăng phân bố tốt, khả năng bám chắc kim loại nền là sắt với chất lượng tốt nhât Phần dưới đây sẽ tạo lớp màng mỏng kẽm phủ trên đế kim loại kẽm và khảo sát cácyếu tố ảnh hưởng trong quá trình tạo lớp phủ

Chương 1: Cơ sở về mạ điện và mạ kẽm

1.1 Cơ sở về mạ điện:

1.1.1 Quá trình mạ điện là gì?

Mạ điện là quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên một vật

Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm cathode, kim loại

mạ gắn với cực dương anode của nguồn điện trong dung dịch điện môi Cực dươngcủa nguồn điện sẽ hút các electron trong quá trình oxy hóa và giải phóng các ion kimloại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm, tạiđây chúng nhận lại electron trong quá trình oxy hóa khử hình thành lớp kim loại bámtrên bề mặt của vật được mạ

1.1.2 Sơ lược về lịch sử của mạ điện :

Ngành mạ điện được nhà hóa học ý Luigi V Brugnatelli khai sinh vào năm

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

để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên

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, Anh

sử dụng KCN cho dung dịch mạ vàng, bạc

Tiếp bước Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằngsáng chế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840 Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điệntại Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới Cùng với sự phát triểncủa khoa học , mạ điện ngày càng được nghiên cứu và hoàn thiện hơn

Lớp mạ từ đồng, kẽm, thiếc đã trở nên phổ biến từ những năm 1850

Kể từ khi máy phát điện được phát minh từ cuối thế kỷ XIX, ngành côngnghiệp mạ điện đã bước sang một kỉ nguyên mới Mật độ dòng điện tăng lên, năngsuất 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 lẫntrang trí, làm đẹp

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

đã nghiên cứu thành công công nghệ mạ lên nền nhựa

Hiện nay, công nghệ mạ điện đã được sử dụng phổ biến và hiện đại hơn

1.1.3 Định luật Faraday

Quá trình điện phân của dung dịch xảy ra theo định luật Faraday:

Định luật Faraday thứ nhất: Khi cho dòng điện một chiều qua dung dịch chất điện ly (hayqua thể nóng chảy của chất điện ly), khối lượng các chất thoát ra ở anode hay ở cathode tỷ lệ vớiđiện lượng đi qua dung dịch( hay qua chất điện ly nóng chảy), tức tỷ lệ với cường độ dòng điện I vàthời gian t:

m= K.I.t

Trong đó:

M là khối lượng chất thoát ra trên một điện cực, tính theo gam(g)

I là cường độ dòng điện tính theo ampe (A)

T thời gian điện pahn6 tính bằng giờ

K là đương lượng điện hóa tính theo g/A.hĐịnh luật Faraday thứ hai: Nhữn lượng điện như nhau khi điện phân sẽ làmthoát ra những lượng tương ứng các chất khác nhau

Ứng dung định luật faraday: Tính thời gian cần thiết để thu được lớp mạ có độ dày xác định hay tính độ dày lớp mạ sau thời gian điện phân

1.1.4 Pin điện hóa ăn mòn kim loại:

Có hai kim loại khác nhau nhúng vào dung dịch muối của chúng, ta được haiđiện cực, ghép hai điện cực đó lại ta sẽ tạo thành một pin điện

Nếu ghép bất kì hai điện cực nào có thế điện cực khác nhau cũng sẽ tạo ramột pin điện hóa Hoạt động của pin điện hóa làm cho kim loại có thể âm hơn sẽ hòatan

1.1.5 Sự thụ động hóa kim loại:

Độ bền của kim loại trong môi trường ăn mòn không chỉ phụ thuộc vào vị trícủa kim loại trong dãy điện thế mà còn phụ thuộc vào trạng thái bề mặt của kim loại

Sự thụ động hóa đôi khi cũng có tác dụng xấu, làm cho phản ứng chậm lại, gây ralãng phí tốn kém

Màng thụ động ngoài tính chất bảo vệ kim loại nền khỏi bị ăn mòn, nó cònmột số tính chất lí hóa khác được ứng dụng trong kĩ thuật như: cách điện, bền ma sát,bắt màu tốt dùng trong kĩ thuật nhộm màu,…

1.1.6 Thế hòa tan, thế giải phóng:

Nhúng một kim loại vào dung dịch muối của nó, sau một thời gian sẽ đạt đếntrạng thái cân bằng, thế điện cực ứng với trạng thái cân bằng là thế điện cực cân bằng.Giá trị thế điện cực cân bằng phụ thuộc vào bản chất kim loại, nồng độ ion kim loạitrong dung dịch

Thế điện cực cân bằng sẽ thay đổi khi nối với nguồn điện một chiều để điệnphân

Giá trị tối thiểu để quá trình hòa tan kim loại diễn ra trên anode được gọi làthế hòa tan

Giá trị tối thiểu để quá trình kết tủa kim loại diễn ra trên cathode được gọi làthế giải phóng

1.1.7 Quá trình kết tủa của kim loại và cấu trúc của lớp mạ

Trong quá trình mạ, cation kim loại trong dung dịch chuyển đến catod, thuđiện tử rồi kết tủa thành nguyên tử kim loại Các nguyên tử lien kết thành ô mạ cơ sở.Các ô mạng phát triển thành tinh thể Các tinh thể lien kết với nhau thành lớp mạ

Khi mạ, nếu nếu phân cực catod càng lớn tinh thể càng nhỏ mịn; phân cực catod càng

bé tinh thể càng lớn nếu kích thước tinh thể bé hơn chiều dài của song ánh sáng thìlớp mạ sẽ nhẵn và bóng, mịn

Thay đổi độ phân cực của catod ( để thay đổi kích thước của tinh thể ) bằngcách chọn thành phần dung dịch thêm các chất hoạt động bề mặt, các chất bóng, chọnmật độ dòng điện … hợp lí sẽ được lớp mạ mịn và nhẵn , sáng bóng

1.1.10 Những yếu tố ảnh hưởng đến cấu tạo lớp mạ điện

1.1.10.1 Dung dịch chất điện phân

Dung dịch chất điện phân là một trong những yếu tố quan trọng nhất

Lớp mạ từ dung dịch muối đơn có cấu tạo tinh thể thô Nguyên nhân là do trongtrường hợp này, sự phân ly trong dung dịch hoàn toàn cho ion đơn giản, nồng độ ionlớn

Lớp mạ từ dung dịch muối phức có cấu tạo tinh thể mịn Vì trong trường hợpnày, sự phân ly của ion phức rất yếu, nồng độ ion kim loại rất nhỏ nên tốc độ kết tủakim loại không lớn Độ lớn tinh thể rất bé khoảng từ 0.1 và 0.001 không thểquan sát chúng bằng kính hiển vi Nồng độ ion kim loại trong muối phức càng nhỏbao nhiêu thì lớp mạ có cấu tạo tinh thể mịn bấy nhiêu

1.1.10.2 Nồng độ ion H+

Nếu khi mạ hiệu suất dòng điện thoát kim loại thấp (H<100%) do khí hidrothoát ra trên catod nhiều làm tổn thất điện tích vô ích Tùy theo bản chất của dungdịch kim loại mà có quy trình mạ không có khí hidro thoát ra ( như mạ đồng sunfat,

mạ bạc), thoát ra ít ( mẹ kền ) hay thoát ra nhiều ( mạ đồng xyanua ) hoặc rất nhiều (

mạ crom)

Hidro thoát ra phần lớn thành các bọt khí bay lên, nhưng một phần lẫn vàolớp mạ dạng bột nhỏ tạo thành phần bột xốp, rỗ hoặc lẫn vào dưới dạng hấp thụ, thậmchí cả kim loại mền bị cứng , giòn

Khí hidro thường thoát ra nhiều hơn thường lệ, lớp mạ xốp, rỗ nhiều là dochuẩn bị bề mặt vật mạ chưa kỹ, dung dịch lẫn tạp chất bẩn độ axit cao,…khi đó phảikiểm tra lại khâu chuẩn bị bề mặt, kiểm tra lại thành phần, độ acid, tạp chất…củadung dịch mạ và biện pháp xử lý thích hợp như khử tạp chất, lọc, điều chỉnh độ axit,

…cũng có thể hạn chế hidro giải phóng ra để giảm xốp, rỗ bằng cách giảm mật độdòng điện, gia nhiệt và khuấy mạnh dung dịch trong khi mạ

1.2.1 Sơ đồ điện phân

(1) Nguồn điện một chiều

Pin, acqui, máy chỉnh lưu , máy phát điện một chiều Được dung phổ biến làmáy chỉnh lưu Máy chỉnh lưu dung trong quá trình điện phân có điện thế 3V, 6V,12V, 18V, 24V, 30V Điện thế đo được là điện thế có tải, chỉ số chính xác trên đồng hồvolt kế một chiều

(2) Biến trở: Được mắc vào các máy chỉnh lưu

(5) Anod

Điện cực nối với điện cực dương của nguồn điện một chiều anod Tại bề mặtluôn luôn xảy ra quá trình oxy hóa là quá trình trong đó chất khử cho điện tử để tạothành chất oxy hóa tương ứng

Trước khi điện phân anod cần phải đánh chải sạch dầu mỡ, lớp gỉ hoặc các hợp

Các chỗ nối tiếp điện cần phải bám chặt, bảo đảm tiếp xúc điện thật tốt Anod

mạ cần phải treo cao, sao cho nối dây dẫn ở trên bề mặt nước từ 3 – 5 cm; anod cũngkhông được nhúng xuống sắt đáy bể mạ

Hai điện cực anod và catod cần cách đều nhau một khoảng cách thích hợp Anod dung trong bể mạ có hai loại: Anod hòa tan và anod không hòa tan Anodhòa tan được dùng trong các trường hợp mạ niken, mạ đồng thau, mạ kẽm … Anodkhông hòa tan dùng trong trường hopwk mạ crom

(6) Catod

Điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều là catod Trong mạ điệncatod là vật mạ Tại bề mặt luôn luôn xảy ra quá trình khử, là quá trình trong đó chấtoxy hóa nhận điện tử để tạo thành chất khử tương ứng

Catod vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, cách mặt nước 10 cm vàcách đáy bể mạ 10 cm

Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp điện thật tốt, không thể gây ra hiện tượng giảiphóng điện trong chất điện phân Tuyệt đối không được chạm trực tiếp giữa catod khinối mạch điện

(7) Dung dịch chất điện phân:

Dung dịch chất điện phân dùng để mạ có hai phần:

Thành phần thứ nhất:

Gồm muối hoặc hợp chất chứa ion của kim loại mạ và một số hóa chất thiếtyếu khác, nếu thiếu những hóa chất này thì dung dịch không thể dừng mạ

Chất làm bóng mạ

Chất đệm giữ cho pH dung dịch ổn định

Chất thấm ướt, có tác dụng làm cho bể mạ kim loại thấm ướt 100%, chốngbong

Chất làm giảm bệ mặt chất cứng nội, đảm bảo cho lớp mạ dẻo, không giòn,không bong nứt

(8) Bể điện phân

Bể điện phân được làm từ vật liệu cách điện, bên hóa học, bền nhiệt; mạnhỏ có thể dùng cốc thủy tinh, thùng nhựa, sành sứ làm bể điện phân

1.2.2 Cấu tạo của lớp mạ

Lớp mạ điện có cấu tạo tinh thể Kích thước, hình dáng hạt tinh thể phụcthuộc nhiều vào thành phần và điều kiện điện phân

- Sự kết tủa kim loại bao gồm hai quá trình diễn ra đồng thời:

- Sự tạo mần tinh thể

- Sự tăng trưởng mần tinh thể

Tùy thuộc vào tốc độ mỗi quá trình mà ta thu được lớp mạ có cấu tạo khác nhau :Những yếu tốt ảnh hưởng đến cấu tạo của lớp mạ điện

1.2.2.1 Ảnh hưởng của dung dịch chất điện phân lên lớp mạ điện

Nó là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng lên cấu tạo tinh thể của lớp mạđiện

Lớp mạ kẽm, đồng, thu được từ dung dịch muối ( ví dụ từ dung dịch muốisunfat ) có cấu tạo tinh thể thô

Cũng chính lớp mạ điện của kim loại này nhưng thu được từ dung dịchmuối phức thì hạt rất mịn ( ví dụ như phức xyanua Zn(CN)4 2- Cu(CN)3 2- )

1.2.2.2 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện catod Ik

Sử dụng Ik nhỏ, về nguyên tắc thuận lợi cho quá trình hình thành lớp mạ cócấu tạo tinh thể thô Cùng với sự tăng mật độ dòng điện, số lượng mần tinh thể đượctăng lên, nhờ vậy cấu tạo lớp mạ mịn hạt hơn Mật độ dòng điện Ik chỉ có thể tăngđến một giới hạn nhất định, vượt quá giới hạn đó sẽ làm rối loạn quá trình kết tủa kimloại Ở mật độ dòng điện Ik quá lớn, nồng độ ion kim loại trong lớp catod giảm rấtnhanh , trong điều kiện đó sự kết ttuarkim loại theo hướng nào mà ở đó nồng độ ionkim loại còn lớn hơn, kết quả là tại một số vùng bề mặt chi tiết tạo ra lớp mạ “gai”

Sự tang mật độ dòng điện tiếp theo có thể tạo ra lớp mạ xốp, đen, bột, (thường gọi làlớp mạ bị cháy)

Sự tăng mật độ dòng điện Ik chiwr có thể tiến hành đồng thời tăng nồng độmuối kim loại mạ một cách tương ứng

1.2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ, sự khuấy trộn

Ảnh hưởng của nhiệt độ ngược với ảnh hưởng của mật độ dòng Sự tăng