Nghiên cứu công nghệ mạ composite và ứng dụng mạ thử nghiệm các chi tiết nhằm nâng cao chất lượng bề mặt

Những vấn đề cơ bản về mạ điện composite Mạ điện composite trên cơ sở của mạ điện thường, nhưng trong mạ composite có các hạt cứng, sự có mặt của các hạt đã cải thiện được tính chất của

-*** -

TRƯƠNG ĐỨC THIỆP

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ COMPOSITE VÀ ỨNG DỤNG MẠ THỬ NGHIỆM CÁC CHI TIẾT NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Mã số: 62.52.04.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2012

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Phan Quang Thế

2 TS Trần Minh Đức

Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Lang

Phản biện 2: PGS.TS Trần Thế Lục

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Thái Nguyên

Họp tại:

Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2012

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia;

- Thư viện Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên;

- Thư viện Trường Cao đẳng Nghề Cơ khí nông nghiệp

dụng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Số 4(48) Tập 2, Hội thảo Khoa học Công nghệ Toàn quốc, Công nghệ Vật liệu và bề mặt, Bộ giáo dục và đào tạo - Đại học Thái Nguyên

2 Nguyễn Đăng Bình - Phan Quang Thế - Trương Đức Thiệp (2010), Mạ composite TiO2một giải pháp kỹ thuật nâng cao khả năng làm việc của lớp mạ Ni, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Số 72, Bộ giáo dục và đào tao - Đại học Thái Nguyên

3 Nguyễn Duy Cương - Nguyễn Đăng Bình - Bùi Chính Minh - Trương Đức Thiệp (2010), Nguồn xung cung cấp cho công nghệ mạ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Số 72, Bộ giáo dục và đào tao - Đại học Thái Nguyên

4 Phan Quang Thế - Trương Đức Thiệp (2009), Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và tuổi bền của dao Nitrit Bo phủ dùng tiện tinh thép hợp kim qua tôi; Đề tài cấp Bộ mã số B-2007 TN 06-05

5 Nguyễn Đăng Bình - Phan Quang Thế - Trần Minh Đức - Trương Đức Thiệp - và một số cộng sự (2008) “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạ tổ hợp kim loại composite coating, nhằm nâng cao chất lượng chi tiết làm việc trong điều kiện ăn mòn và ma sát cao”; Đề tài cấp Quốc gia mã số KC.02.18/06-10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái niệm chất lượng bề mặt chi tiết

Các chi tiết bị hỏng khi các thông số của nó sai khác so với yêu cầu kỹ thuật Dưới đây trình bày khái niệm về các thông số của chi tiết [3,8,78]:

Thông số của chi tiết gồm: các thông số bề mặt, các thông số bên trong

- Các thông số bề mặt: hình dáng (hình trụ, hình côn, hình răng, hình then,

hình ren, hình prôphil, hình cầu, hình phẳng, hình rãnh, dạng mặt phẳng nhẵn); kích thước (đường kính, chiều dài, chiều rộng, chiều dày, chiều sâu, diện tích); tính chất

cơ - lý (độ cứng, tính chống mòn, độ bám của lớp phủ với nền, tính chịu mỏi, tính đàn hồi); độ chính xác (cấp chính xác); độ nhám; tính hoàn chỉnh; dạng nhiệt luyện

hay hóa nhiệt luyện; sự có mặt của vật liệu phủ; cấu trúc (tổ chức tế vi); thành phần

Các thông số trên có quan hệ lẫn nhau

1.2 Hư hỏng và phương pháp phục hồi chi tiết máy

1.2.1 Nguyên nhân dẫn đến hư hỏng của chi tiết máy

Có rất nhiều nguyên nhân (yếu tố) làm các thông số đối tượng (chi tiết, máy) thay đổi Chúng có thể phân chia theo một số cách Dưới đây trình bày một trong các cách phân loại [1,39,76]:

Các nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi trạng thái của đối tượng (dẫn đến hư hỏng của đối tượng) được chia thành hai nhóm: nguyên nhân nhân tạo (thiết kế, chế tạo, sử dụng và sửa chữa) và nguyên nhân tự nhiên Ở đây chủ yếu quan tâm đến nguyên nhân tự nhiên

Các nguyên nhân tự nhiên được chia thành hai nhóm: yếu tố bên ngoài và yếu tố bên trong

a Các yếu tố bên ngoài

Các yếu tố bên ngoài có thể chia thành ba nhóm:

* Các yếu tố vật lý: lực, nhiệt,… các yếu tố này tác dụng lên đối tượng (chi

tiết) với cường độ (độ lớn) khác nhau

* Các yếu tố hóa học: các chất khí, không khí, chất lỏng,… các yếu tố này

tác dụng lên chi tiết ở các nhiệt độ khác nhau

* Các yếu tố lý - hóa: cùng một lúc các yếu tố vật lý và hóa học tác dụng lên

chi tiết

Trong nhiều trường hợp chi tiết hay cặp lắp gép chịu tác dụng cùng một lúc một số yếu tố nhưng về nguyên tắc chủ đạo sẽ là một trong các yếu tố: các yếu tố hay gặp nhất là lực (lực ma sát) và môi trường ăn mòn Các yếu tố này là nguyên nhân dẫn đến giảm chất lượng bề mặt chi tiết máy Khi chất lượng bề mặt giảm quá giới hạn cho phép, chi tiết xem như bị hỏng

b Các yếu tố bên trong

Các yếu tố bên trong có thể được chia thành hai nhóm: các thông số (yếu tố)

bề mặt; các thông số bên trong

1.2.2 Ma sát và mài mòn chi tiết máy

Ma sát là hiện tượng xuất hiện những lực và ngẫu lực có tác dụng cản trở các chuyển động, hoặc các xu hướng chuyển động tương đối của hai vật trên bề mặt của nhau (khi xét hai vật rắn có liên kết với nhau) Ma sát còn có thể được hiểu là sự mất mát năng lượng cơ học trong các quá trình: khởi động, chuyển động, dừng Ma sát có thể được phân loại dựa vào đối tượng, quá trình, chuyển động và trạng thái như hình 1.1; ngoài ra còn có thể dựa vào tác dụng của ma sát: ma sát có lợi và ma sát có hại [4,39]

Hình 1.1: Tổng quan về phân loại ma sát

Đối tượng

Một số đặc trưng cơ bản của ma sát

* Công ma sát (năng lượng ma sát)

- Đối với ma sát trượt:

  

ms T

S

ms ms

E

T ms

lăn; X- góc xoay

Mòn là một quá trình thay đổi hình dáng, khối lượng, kích thước của bề mặt vật thể, làm mất mát hoặc thay đổi vị trí tương đối trên bề mặt do biến dạng, mất liên kết, bong tách, chảy dẻo, ion hóa tạo ra vùng vật liệu mới

Mòn còn là một quá trình làm thay đổi bản chất vật liệu trên bề mặt tiếp xúc

do hiện tượng khuếch tán, hấp thụ, hợp kim hóa, ăn mòn, xâm thực

Một số công thức tính mòn cổ điển theo kinh nghiệm

kinh nghiệm sau:

 m

dn h

p I H

3 0,27 1,72

tiếp xúc; m- chỉ số mòn phụ thuộc vào bản chất vật liệu; E- môđun đàn hồi của vật liệu;

1.2.3 Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn

Do tác động của môi trường, nhiều chi tiết máy (đặc biệt là các chi tiết kim loại) bị hỏng là do bị ăn mòn dẫn đến máy bị hỏng Ăn mòn kim loại là hiện tượng tự phá hủy của các vật liệu kim loại do tác dụng hóa học hoặc tác dụng điện hóa giữa kim loại với môi trường bên ngoài Tùy theo cách quan sát hiện tượng, các quá trình ăn

Hình 1.2: Phân loại các quá trình ăn mòn

Phân loại theo quá

trình

Phân loại theo môi

Ăn mòn trong axit

Ăn mòn trong kiềm

Ăn mòn trong nước sông

Ăn mòn trong nước biển

Ăn mòn giữa các tinh thể

Ăn mòn rạn nứt

Ăn mòn lựa chọn

Ăn mòn trong khí

Ăn mòn trong không khí

Ăn mòn trong đất

Ăn mòn trong chất lỏng

Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn hóa học

1.2.4 Các phương pháp phục hồi chi tiết máy

Như đã trình bày ở trên, có nhiều nguyên nhân dẫn đến hư hỏng của chi tiết máy, do đó có nhiều dạng hư hỏng của chi tiết máy Hiện nay có rất nhiều phương pháp phục hồi cho phép phục hồi được nhiều loại hư hỏng, thậm chí một dạng hư

Để phân loại các phương pháp phục hồi có thể dựa vào phương pháp phân loại hư hỏng Ở cách này hư hỏng được chia thành ba nhóm: mòn; hư hỏng cơ học

và hư hỏng hoá nhiệt

Mòn là dạng hư hỏng hay gặp nhất Dựa vào mức độ mòn, mòn lại có thể chia thành ba nhóm: mòn đều, mòn không đều sinh ra ôvan, côn (đây là loại thường gặp nhất ở các bề mặt làm việc và bề mặt chính của chi tiết), các vết xước và sây sát nhỏ

Hư hỏng cơ học (cơ khí) gồm: các vết nứt, thủng, gãy, vỡ, uốn, xoắn, các vết xước và sây sát lớn

Hư hỏng hoá - nhiệt gồm: gỉ, rỗ do bị ăn mòn (hoá học và điện hoá), cháy, tạo cặn dầu, cặn nước, cong vênh (do giãn nở vì nhiệt)

Trên cơ sở phân loại hư hỏng như trên, các phương pháp phục hồi (loại bỏ

hư hỏng) được chia thành ba nhóm: loại bỏ mòn (phục hồi cặp lắp ghép); loại bỏ hư hỏng hoá - nhiệt và loại bỏ hư hỏng cơ học như hình 1.3

Từ hình 1.3 cho thấy một hư hỏng có thể được loại bỏ bằng nhiều phương pháp khác nhau Để phục hồi hoàn toàn một chi tiết (chi tiết có nhiều loại hư hỏng) thường phải sử dụng tổ hợp nhiều phương pháp phục hồi khác nhau Hiệu quả phục hồi chi tiết phụ thuộc đáng kể vào phương pháp gia công chúng và lựa chọn phương

Việc chọn phương pháp phục hồi hợp lý trong một số trường hợp còn làm tăng chất lượng (tuổi thọ) của chi tiết phục hồi so với chi tiết mới

Hình 1.3: Phân loại các phương pháp phục hồi chi tiết máy

Từ hình 1.3, mạ điện và mạ hóa là một trong những công nghệ vừa phục hồi được những chi tiết hỏng do mòn (nguyên nhân chính là do lực ma sát) vừa phục hồi được những chi tiết hỏng bị gỉ, rỗ do bị ăn mòn (nguyên nhân chủ yếu là do tác động của môi trường) Lớp mạ bảo vệ tốt cho kim loại khỏi bị ăn mòn hóa học hay điện hóa, trang trí tăng vẻ đẹp sản phẩm Có một số chi tiết máy do nhu cầu thực tế

là hạ giá thành và không cần dùng kim loại hay hợp kim đắt tiền để chế tạo, người

ta đã dùng kim loại hay hợp kim rẻ tiền rồi mạ các lớp mạ lên nó tạo điều kiện cho

Mạ điện composite là một hướng phát triển của mạ điện, ngoài những ưu điểm của mạ điện thường vừa trình bày ở trên, công nghệ này còn tạo ra được một loại vật liệu (vật liệu composite) đang rất được quan tâm trong lĩnh vực cơ khí nói

Loại bỏ mòn

(phục hồi cặp lắp ghép)

Loại bỏ hư hỏng hóa - nhiệt

PHỤC HỒI CHI TIẾT

(loại bỏ hư hỏng)

Loại bỏ hư hỏng

cơ học (cơ khí)

Sử dụng vật liệu của chính chi tiết

Ghép thêm chi tiết phụ

Đắp thêm vật liệu lên chi tiết

Sử dụng mối liên kết không tháo được

Kích thước

sửa chữa

Sử dụng mối liên kết tháo được

Biến dạng dẻo

Hàn Dán Đinh

tán

chung và trong lĩnh vực vật liệu nói riêng, là loại vật liệu đa pha kết hợp với nhau theo sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phối hợp các tính chất ưu việt của từng pha Các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này luôn có tính cấp bách không những đối với các nước đang phát triển như nước ta mà ngay cả với các nước phát triển trên thế giới [8] Tuy vậy, ở nước ta vẫn chưa có nghiên cứu nhiều về lĩnh vực này; chính vì vậy, tác giả đã lựa chọn mạ điện compsite là đối tượng nghiên cứu của đề tài và được trình bày kỹ hơn ở các mục sau

1.3 Mạ điện composite

1.3.1 Những vấn đề cơ bản về mạ điện composite

Mạ điện composite trên cơ sở của mạ điện thường, nhưng trong mạ composite

có các hạt cứng, sự có mặt của các hạt đã cải thiện được tính chất của lớp mạ như tăng độ bền về ăn mòn, mài mòn, chịu làm việc ở nhiệt độ cao, tăng độ cứng cho lớp mạ, có thể mạ trên nền kim loại, nền polyme, nền cacbon, nền gốm Yêu cầu

Mạ composite là một biện pháp công nghệ cao nhằm tạo nên trên bề mặt các chi tiết máy một lớp mạ có ít nhất là hai pha, pha nền kim loại và pha có dạng hạt cứng hoặc sợi nhằm tạo cho chi tiết máy có khả năng làm việc vượt trội so với lớp mạ điện thông thường Lớp mạ composite cho phép các chi tiết máy có thể làm việc tốt ở cả nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao, tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn cho chi tiết máy và giảm ma sát với bề mặt đối tiếp [31]:

- Tăng khả năng chống mòn cho các cặp đôi ma sát và hợp kim

- Tăng khả năng chống ăn mòn

- Tạo nên lớp giảm ma sát trên bề mặt đối tiếp

- Tăng độ bền vững về cơ tính của vùng bề mặt khi làm việc ở nhiệt độ cao

- Tạo nên lớp bề mặt sử dụng trong các môi trường đặc biệt như trong công nghiệp hạt nhân

Pha nền sử dụng trong mạ điện composite bao gồm các kim loại và hợp kim của chúng như: Cr, Ni, Cu, Pb, Au, Zn, Pha cứng hoặc pha giảm ma sát có thể là

nitrit của B và Si, các hợp chất borides của Ti, Zr, Ni, các chất sulfides của Mo, W, grafit, mica, kim cương

Các hạt dẫn điện tham gia vào lớp mạ tốt hơn các hạt không dẫn điện, hạt có kích thước lớn dễ bị lắng, còn hạt có kích thước nhỏ mịn dễ tạo keo, kết tụ thành từng khối trong dung dịch, các hạt mềm có khả năng chống dính hoặc bôi trơn khô

Mạ composite có thể tạo ra lớp mạ có chiều dày đồng đều trên bề mặt các chi tiết máy có hình dạng phức tạp Các thông số quan trọng của quá trình mạ điện composite là: dung dịch điện phân, các chất phụ gia, thể tích và các kích thước của hạt cứng trong dung dịch, mật độ dòng điện, độ pH, tốc độ khuấy, nhiệt độ,

Ngoài composite chế tạo bằng phương pháp mạ một lớp, các lớp mạ composite chế tạo bằng mạ nhiều lớp cũng được thực hiện mà không thay đổi quy trình mạ ban đầu so với mạ một lớp Cấu trúc và các thuộc tính của từng lớp trong lớp mạ khi so với mạ một lớp, không bị ảnh hưởng bởi các kỹ thuật khác nhau Với công nghệ mạ 3 lớp đã nâng cao hiệu quả sử dụng của lớp mạ, lớp mạ trung gian bị

ăn mòn, riêng lớp mạ trong cùng vẫn đảm bảo bám dính tốt với nền không bị ăn

1.3.2 Mạ điện compsite trên nền niken (Ni)

Mạ composite trên nền Ni được thực hiện trong các bể điện phân muối niken

nitrit chịu nhiệt, grafit, MoS2,WS2, kim cương [42,57],

Các lớp mạ composite đều có độ xốp thấp, khả năng chống ăn mòn cao và duy trì được cơ tính ở nhiệt độ cao tốt hơn so với lớp mạ kim loại thường Độ cứng của lớp

mạ composite không phải hoàn toàn là do các hạt cứng phân bố trong lớp mạ mà còn do sự làm mịn các hạt trong matrix Ni (do sự tồn tại của các hạt cứng) tạo nên [52,55,68]

Các tính chất của lớp mạ composite Al2O3 (có kích thước Micromet và nhỏ hơn) trên nền niken như: độ cứng tế vi, giới hạn bền kéo và khả năng chống mòn

F, trong khi đó lớp mạ

quả tương tự đối với giới hạn bền [43,49,67]

1.4 Tình hình nghiên cứu mạ điện composite trong và ngoài nước

Lớp mạ tổ hợp điện hóa Combination electro-plating viết tắt (CEP), đó là lớp

mạ điện thường, nhưng trong cấu tạo có các hạt với kích thước nhỏ đến đơn vị nano của một hay vài chất cùng với kim loại mạ kết tủa lên bề mặt điện cực Lớp mạ CEP

đã được nghiên cứu và tạo ra từ lâu, C.G Fink và J.D Prin thu được lớp mạ từ năm

1929, hai tác giả đã mô tả sự tạo thành lớp mạ đồng từ dung dịch axit có chứa các hạt grafit Bằng cách tương tự, năm 1939 Bajmakov (Nga) đã thu được lớp mạ CEP với

sự đồng kết tủa của hạt phi kim loại [23]

Sự phát triển nhảy vọt về kỹ thuật thu lớp mạ CEP và sự nghiên cứu các tính chất quý giá của nó từ những năm 60 của thế kỷ 20 Trong những năm đầu thập niên 60 phương pháp mạ composite nikel-cacbid silic được thử nghiệm tại Hoa Kỳ Phương pháp mạ composite có nhiều ưu điểm, cho lớp mạ có khả năng chịu ăn mòn , mài mòn rất tốt và duy trì được độ cứng ở nhiệt độ cao Hơn nữa phương pháp mới còn thân thiện đối với môi trường [23,51]

Lớp phủ hợp kim Ni-Cr đã được tạo ra trên nền đồng và thép có sử dụng quá trình mạ điện, có thể điều khiển được tỉ lệ các thành phần trong dung dịch và vai trò của các tham số khác nhau đối với cấu trúc, và thuộc tính của lớp mạ đã được khảo sát Khả năng tạo ra lớp mạ composite của hợp kim Ni-Cr có khả năng chống mòn có chứa grafit hay các hạt MoS2 cũng đã được nghiên cứu; việc đưa các hạt bôi trơn dạng rắn vào lớp mạ đã cải thiện khả năng tribology của lớp mạ Sự kết hợp các vật liệu cứng như hợp kim Ni-Cr có cấu trúc tinh thể nano với hạt bôi trơn dạng rắn có

một tiềm năng lớn trong sự phát triển mới của phương pháp xử lý bề mặt (biến đổi tính chất lớp bề mặt) [9,62]

Hợp kim cấu trúc nano nền niken như Ni-B, Ni-Co, Ni-Cr,… đã nhận được

sự quan tâm rất lớn không chỉ vì các cơ tính được nâng cao của chúng khi so với các loại hợp kim có cấu trúc vi tinh thể thông thường, mà còn vì chúng mở ra hướng nghiên cứu mới về vật liệu nano Nhiều năm trước đây, Lashmore và cộng

sự đã đưa ra một hệ thống mạ điện dựa trên Cr hóa trị 3, một loại lớp phủ hợp kim

có độ cứng cao, nhưng phải không có sự phá hủy của môi trường liên quan đến quá trình mạ Cr hóa trị 6 Trong tài liệu gốc của Lashmore và cộng sự, các hạt của lớp phủ Ni-Cr không được cung cấp, nhưng dựa trên các công trình gần đây trong các

hệ thống mạ hợp kim niken khác, có lý do để ước tính rằng Ni-Cr có khả năng hình thành cấu trúc nano tinh thể Mục đích của công trình này là tạo ra và mô tả kỹ hơn lớp phủ Ni-Cr dựa trên dung dịch và các tham số đề xuất bởi Lashmore cùng các cộng sự, xác định sự có mặt của cấu trúc nano tinh thể Hơn nữa, tác giả đưa ra vài thay đổi trong quá trình của Lashmore, bao gồm việc đồng thời đưa các hạt bôi trơn thể rắn vào lớp mạ [6,52]

Mạ Ni-Cr đồng thời với các hạt bôi trơn đã được khảo sát có thể dùng để thay đổi thuộc tính của lớp phủ bằng cách tích hợp các hạt bôi trơn vào nền ma trận kim loại Phương pháp này là phân tán các hạt bôi trơn vào trong dung dịch mạ với

sử dụng khá xốp và có độ dày không đồng đều Trong cả hai trường hợp quá trình

mạ đồng thời dẫn đến hình thành các lỗ của Ni-Cr trên bề mặt lớp mạ [65]

Người ta cũng đã nghiên cứu và khảo sát mạ điện composite Ni-W/Wp ở dạng

ma trận vô định hình Vật liệu hợp kim Ni-W dạng ma trận sulfate, sodium tungstate,

sodium citrate, ammonium chloride và một lượng thay đổi các hạt vonfram với mật

độ từ 5g/l đến 15g/l Phương pháp thứ nhất là mạ với mức độ khuấy nhẹ Phương pháp thứ hai là hình thành dòng chảy cưỡng bức của dung dịch mạ trên nền bằng bơm Các kết quả cho thấy cả hai phương pháp đều nhận sự liên kết, nhưng phương pháp tạo dòng chảy cưỡng bức cho mức độ liên kết cao hơn Mức độ liên kết tăng khi

mật độ hạt trong dung dịch mạ tăng đến giới hạn trong khoảng giữa 10g/l và 15g/l Tại điểm này, mức độ liên kết bị giảm do số lượng hạt quá lớn trong dung dịch và phương pháp dòng chảy cưỡng bức làm giảm mức độ rỗ cao hơn phương pháp thông thường Một sự thay đổi trong mức độ tồn tại hạt W giữa phía nền và phía bề mặt của lớp mạ được quan sát; vùng gần với nền có mật độ hạt W cao hơn vùng gần bề mặt Thí nghiệm độ cứng cho thấy sự khác nhau về đặc tính cơ khí theo độ dày của lớp mạ với các vùng gần nền mềm hơn vùng gần bề mặt [47,58,66]

Ngoài ra, hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu về mạ composite alumilium nitride trên nền thép, Ni-Al2O3, nikel/alumina nano-particles composite coating, Ni-composite với hạt Mo [66]

titan-Còn mạ điện composite đối với Việt Nam chưa được quan tâm, đầu tư và nghiên cứu nhiều, chủ yếu các cơ sở sản xuất trong nước hiện nay là mạ điện thông thường (lớp mạ Ni, Cr, Cu,…), tồn tại này có thể do nhiều nguyên nhân như: do nền kinh tế của Việt Nam còn nghèo nàn, trình độ kỹ thuật và công nghệ còn thấp so với các nước có nền công nghiệp phát triển, sự khuyến khích, động viên cho các nhà khoa học, các nhà kỹ thuật, các trung tâm, viện nghiên cứu,… chưa đúng mức, chưa hiệu quả; đây là một tồn tại chủ quan và khách quan, tồn tại này nếu không được nhận thức đúng và khắc phục kịp thời thì việc đưa Việt Nam trở thành một nước công nghiệp hiện đại, kinh tế phát triển, hội nhập quốc tế vào năm 2020 là điều khó khăn Bởi vì vật liệu composite có ý nghĩa và tầm quan trọng đặc biệt đối với khoa

học - công nghệ, các ngành kỹ thuật, các lĩnh vực của đời sống xã hội,…

1.5 Ứng dụng lớp mạ composite

Lớp mạ composite chịu mài mòn

Những sản phẩm cơ khí, mạ khuôn, dụng cụ đo, xi lanh, các lớp mạ composite

có khả năng chịu nhiệt độ cao; trong công nghiệp điện tử để mạ các tiếp điểm, có tính chịu mòn rất tốt so với lớp mạ đơn nhằm nâng cao tuổi thọ sử dụng cho các linh kiện điện tử Hợp chất Cu-SnC có đặc điểm chống mài mòn trong chân không tốt, nâng cao tính ổn định của các cơ cấu chuyển mạch, đặc biệt là khi làm việc

Hợp kim Cu-Grafit làm việc tốt trong môi trường không khí có ăn mòn và ma sát, khi có grafit + molipden vào bề mặt tạo cho bề mặt có độ cứng ít thay đổi khi

hệ số ma sát giảm 2,5 lần), điện trở chuyển tiếp không đổi do đó hợp chất phủ này

sử dụng tốt trong điện tử, radio [74]

Lớp mạ composite chống ăn mòn

Lớp mạ chống gỉ tốt cho lớp mạ bảo vệ - trang sức crom, có thể mạ lớp mạ composite nhiều lớp nhằm tăng khả năng bám, chịu ăn mòn, chịu mài mòn, cứng,… như lớp mạ Cr-SiO2, Cr-Al2O3 Khi lớp mạ niken có hạt siêu nhỏ rắn là SiO2,

Al2O3,… sẽ nâng cao độ bền chống gỉ tốt [70]

Mạ kim loại với các phần tử (hạt) nâng cao tính bền vững ăn mòn bề mặt; khi

mạ phủ 2 lớp Ni-Cr có chiều dày lớp mạ dưới 40 m (Ni), và trên 5 m là (Cr), các hạt ZnO2, TiO2, Al2O3 được mạ với niken

thì tính chống ăn mòn tăng 2 10 lần Khi mạ niken với các phần tử pha phân tán

Ngoài hai loại lớp mạ composite nói trên còn có lớp mạ composte chống dính, lớp mạ composite tự bôi trơn, lớp mạ composite trang sức [74]

1.6 Cơ sở lý thuyết mạ điện composite

1.6.1 Nguyên lý mạ điện composite

Trong quá trình mạ điện composite các hạt phải được ở trạng thái lơ lửng (dạng huyền phù) nhờ khuấy đảo dung dịch Khi chuyển động các hạt va chạm vào

bề mặt catot và bị chôn lấp bởi sự kết tủa của kim loại mạ Quá trình hình thành lớp

Giai đoạn 1: Sự chuyển động của các phần tử pha phân tán và các ion trong dung dịch huyền phù đến catot

Sự chuyển động này chủ yếu dựa vào sự đối lưu, sự lắng đọng, sự khuếch tán, các chế độ chảy tầng, chảy lớp, chảy rối của chất lỏng đều ảnh hưởng đến các phần

tử của pha thứ hai trong dung dịch đến bề mặt catot

Khi hạt chuyển động đến bề mặt điện cực để cùng kết tủa lên kim loại mạ bị

Hình 1.4: Sơ đồ các lực tác dụng lên hạt ở giai đoạn 1

Các kí hiệu: F1- lực quán tính của phân tử; F2- lực cản độ nhớt; - độ nhớt động học của dung dịch; F3- lực xuất hiện tác dụng lên Gradien; F4- lực điện bên

Sự dời chuyển của các phần tử pha thứ 2 đến catot chủ yếu được thực hiện do khuấy đảo, sự điện di (các hạt mang điện), sự khuếch tán của các hạt Sự khuấy trộn làm cho các phần tử bột, các ion chuyển động đến bề mặt catot diễn ra nhanh

Các yếu tố ảnh hưởng của giai đoạn này: độ nhớt của chất lỏng, vận tốc chuyển động của các hạt và ion, kích thước của các phần tử pha thứ 2, nồng độ dung dịch, thành phần của chất điện phân, chế độ khuấy đảo của dung dịch, vị trí tương đối giữa catot và anot

Giai đoạn 2: Sự bám dính của các phần tử pha thứ hai (các hạt) lên bề mặt catot

Vẫn tiếp tục giai đoạn 1, các phần tử bột tiếp tục chuyển động với khoảng cách bằng chiều dày lớp khuếch tán Lực hấp thụ các phần tử trên catot phụ thuộc vào kích thước của các phần tử, nồng độ chất điện phân, hình dáng catot, tốc độ

Gradp

F6

F1d

Sự dính kết diễn ra và thực hiện được nhờ lực hút tĩnh điện, đó là sự tương tác giữa các điện tích và được tuân theo định luật cu lông (Coulomb) Lực dính kết của các hạt lên bề mặt catot thường tỷ lệ với sức căng bề mặt (còn gọi là năng lượng bề mặt) và được xác định bằng thực nghiệm

Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn này: bề mặt catot, khí hydro thoát ra ở bề mặt catot sẽ đẩy hoặc ngăn cản các phần tử vào catot, kích thước các hạt, bề mặt mạ

kỵ nước (làm giảm độ bám phủ) Điện trường và độ từ thẩm đều có ảnh hưởng vì nó tác dụng lực lên các điện tích Thời gian hạt tiếp xúc với catot càng dài thì khả năng phủ của hạt càng tốt Đặc điểm va chạm của hạt vào catot do cách bố trí catot song song với anot hoặc dòng mạ phủ vuông góc với mặt catot

Giai đoạn 3: Sự chôn lấp (che, phủ) của kim loại kết tủa lên các hạt

tán trong lớp phủ, mối liên kết bền vững và sự cấu trúc cục bộ không đồng nhất của các hạt

Các hạt bám trên bề mặt vào lớp mạ được che phủ và chôn lấp cùng với kim loại kết tủa, kết thúc quá trình mạ ta được lớp mạ composite với nền là kim loại mạ cùng các hạt

Các yếu tố ảnh hưởng của giai đoạn này: sự che phủ các hạt trên bề mặt catot bởi kim loại mạ kết tủa phụ thuộc vào tính chất của các hạt, thành phần và điều kiện điện phân như: khối lượng riêng của hạt, ổn định hỗn hợp huyền phù, các hạt luôn ở trạng thái phân tán cao nhất Kích thước của hạt, nếu lớn quá thì việc che phủ sẽ khó khăn hơn, hạt dễ bị lắng và dễ bị tách ra khỏi bề mặt catot; nhưng nếu quá nhỏ thì nó bị ảnh hưởng rất lớn của Acsimet, dẫn đến ảnh hưởng của khối lượng hạt trong lớp mạ

Cùng với sự phân cực, gradiên thế (cường độ điện trường) tăng mạnh ở khoảng cách gần catot làm tăng tốc độ điện di của các hạt tích điện đến bề mặt catot, tạo điều kiện cho sự đồng kết tủa của các hạt vào lớp mạ

Hình dạng vật mạ, bề mặt tự do (mặt ngoài) dễ phủ hơn bề mặt kín (bên trong, rãnh, lỗ, ) Bề mặt kim loại mạ háo nước và khả năng khuếch tán nhỏ của chất điện phân, độ nhớt của dung dịch, làm cho catot dễ phân cực dẫn đến phủ mạ được tốt hơn

1.6.2 Các thông số đánh giá chất lượng lớp mạ

Tùy theo chức năng và điều kiện làm việc mà yêu cầu về chất lượng lớp mạ khác nhau Lớp mạ có nhiều chức năng và được phân ra như: lớp mạ trang sức - lớp

mạ bảo vệ, lớp mạ phục hồi kích thước cho chi tiết đã mòn, lớp mạ bảo vệ để tạo ra

bề mặt có tính chất cơ, lý, hóa, điện, từ, mỗi nhóm có những yêu cầu riêng biệt về mức độ kiểm tra và đánh giá chất lượng Sau đây là một số thông số chính để đánh giá chất lượng lớp mạ

a Độ dày và độ đồng đều của lớp mạ

Chiều dày của lớp mạ là yếu tố quan trọng nhất để quyết định chất lượng lớp

mạ Trong quá trình mạ, lớp mạ thường không bằng nhau trên bề mặt vật mạ, mặc dù trong cùng một điều kiện mạ, nhưng tuổi thọ của lớp mạ lại được quyết định bởi vùng

bề mặt có chiều dày lớp mạ mỏng, chiều dày tối thiểu chính là chiều dày quy định của lớp mạ mà mọi điểm trên bề mặt vật mạ cần đạt được, lớp mạ lý tưởng là lớp mạ có chiều dày đồng đều trên toàn bộ vật mạ [14,16]

b Độ ăn mòn của lớp mạ

Để có kết quả chính xác nhất về độ bền ăn mòn thì phải kiểm tra trong điều kiện làm việc thực sự của nó, nếu vậy cần nhiều thời gian nên chỉ phù hợp cho công việc nghiên cứu, còn đối với các nhà máy xí nghiệp phù hợp nhất là thử nhanh cho lớp mạ và kim loại trong tủ phun mù muối, phương pháp này độ chính xác chưa cao nhưng tiện lợi và là phương pháp rất thông dụng hiện nay Phương pháp kiểm tra độ bền ăn mòn trong tủ phun mù muối, thường được tiến hành trên thiết bị thử: Q-Fog CCT 600 (Mỹ), dung dịch nước muối được phun thành luồng dưới dạng sương mù với mật độ và liều lượng quy định Các mẫu thử phải được làm sạch, sấy khô đặt trong buồng Thử nghiệm có thể được tiến hành phun liên tục hay theo chu kỳ tùy thuộc vào vật liệu và các yêu cầu cần thử Đánh giá kết quả mức độ ăn mòn, phồng

Độ gắn bám tốt nhất là độ liên kết hoàn chỉnh giữa kim loại mạ và kim loại nền, khi tách lớp mạ không bị bong tại vị trí tiếp giáp giữa lớp mạ với nền Để đo

Phương pháp kéo tách, độ gắn bám được tính định lượng bằng lực kéo khi

) (tiến hành ít nhất ba chốt rồi lấy giá trị trung bình ); phương pháp này thích hợp với lớp mạ dày

số giãn nở nhiệt của kim loại mạ và kim loại nền khác nhau gây ra ứng suất lớn làm cho lớp mạ bị nứt, bong ra khi gắn bám không tốt Phương pháp này thích hợp cho trường hợp là hệ số giãn nở của kim loại mạ và kim loại nền rất khác nhau Hiện nay thường dùng thiết bị thử: lò nung NABERTHERM - CHLB Đức

1.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ

a Ảnh hưởng của dòng điện [52,75]

Khi chưa có điện trường (dòng điện) chất điện phân huyền phù được đặc trưng bằng nồng độ, nhiệt độ, mật độ, các thành phần trong dung dịch điện phân chuyển động vô hướng

Khi có điện trường (dòng điện) trong chất điện phân huyền phù trạng thái cân bằng bị phá vỡ Lực điện trường tác dụng làm lưỡng cực phân tử nước và các anion hình thành xung quanh cation vành hydrat, vành solvat dày đặc

Khi mật độ dòng điện thấp, tốc độ phản ứng điện hóa chậm dẫn tới tốc độ mạ chậm, khả năng phân bố của lớp mạ kém, nếu quá thấp có thể không có lớp mạ

Tăng mật độ dòng điện hợp lý làm cho tốc độ chuyển đổi điện tử trong các phản ứng điện cực tạo cơ hội cho các nguyên tử mới hình thành, có đủ thời gian nhập vào mạng lưới tinh thể với một cấu trúc duy trì đều đặn được lớp mạ có chất lượng tốt Mật độ dòng điện đạt đến giá trị cực đại (mật độ dòng điện giới hạn) khi

đó bất kỳ ion nào tới bề mặt catot đều phóng điện

Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện thì các ion phóng điện với tốc độ nhanh tạo ra nhiều nguyên tử, trong khi đó có nhiều nguyên tử không kịp nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể, dẫn tới mạng tinh thể không theo một trật tự, kết quả tạo thành lớp mạ có nhiều lớp, gợn sóng Nếu mật độ dòng điện tăng quá cao lớp

mạ thu được có dạng bút tháp, nhánh cây,

Mật độ dòng điện còn ảnh hưởng đến sự phóng điện của các cation cùng phóng điện trên điện cực, khi mật độ dòng điện nhỏ hơn mật độ dòng điện giới hạn, ion M1n+ phóng điện, còn ion M2n+ chưa có khả năng phóng điện Khi tăng mật độ dòng điện catot đạt đến một dòng điện giới hạn, điện thế điện cực catot chuyển mạnh

về phía âm đạt đến một giá trị điện thế để các ion M2n+

bắt đầu phóng điện

Tăng mật độ dòng điện hợp lý làm tăng sự phân cực catot, cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít và làm tăng tốc độ mạ của kim loại mạ đồng thời cũng làm tăng sự đồng kết tủa của hạt trong lớp mạ

Nhưng có những nghiên cứu khi tăng mật độ dòng catot, hàm lượng hạt trong lớp mạ đi qua cực đại Như trong trường hợp mạ cađimi, niken trong dung dịch sulfat

có thêm hạt Al2O3, khi Dc = 2A/dm2 hàm lượng Al2O3 tăng 1,2  2 lần, nếu tiếp tục tăng dòng điện thì hàm lượng Al2O3 lại giảm xuống

Đối với một dung dịch nhất định muốn nâng cao tốc độ mạ phải tăng dòng điện giới hạn, để tăng dòng điện giới hạn thường phải tăng nồng độ ion kim loại nhưng cũng chỉ tăng ở một mức độ nhất định; yếu tố nhiệt độ và khuấy đảo dung dịch cũng góp phần làm tăng dòng điện giới hạn

Độ axit của dung dịch phụ thuộc vào nồng độ ion H+, ion H+ càng cao thì độ

càng thấp thì độ axit càng nhỏ (độ pH lớn)

bằng nồng độ ion OH- thì dung dịch ở trạng thái trung hoà

Bản chất của quá trình mạ điện là sự ăn mòn điện hoá; để quá trình này xảy

có vai trò duy trì các kim loại ở dạng ion

ảnh hưởng đến giá trị pH của dung dịch

Khí hydro thoát ra trên catot trong quá trình mạ gây nhiều tác hại cho lớp

mạ, hydro thoát ra nó có thể đọng lại thành bọt bám trên catot lớn dần rồi tách ra, bọt đã che chắn không cho quá trình mạ xảy ra, tại vị trí bám của nó gây nên các vết, lỗ làm xấu lớp mạ và gây ăn mòn mạnh, đó chính là hiện tượng rỗ (pitting) của lớp mạ, bên cạnh đó cũng làm giảm hiệu suất dòng điện, phải mất điện năng vào việc giải phóng hydro, do đó làm cho tốc độ mạ giảm đi

ion gốc axitboric H3BO3, các chất này lẫn vào lớp mạ tạo gai, cây, gây ứng suất nội

Mỗi loại dung dịch mạ có độ pH nhất định, một yêu cầu đặt ra trong quá trình mạ cần duy trì sự ổn định của độ pH Khi độ pH > 2 không có ảnh hưởng tới

sự tham gia của các hạt cứng vào lớp mạ composite, còn dưới giá trị này thì các hạt cứng tham gia vào lớp mạ bị giảm [71]

c Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ cao sẽ làm cho nhiều tính chất của dung dịch bị thay đổi như độ dẫn điện của dung dịch, hoạt động của các ion, điện thế phóng điện của các ion Tăng nhiệt độ sẽ làm tăng độ hoà tan của các loại muối trong dung dịch, làm giảm

sự thoát của khí hydro, sẽ thu được lớp mạ mềm, vì khí hydro thoát ra nhiều làm

Tăng nhiệt độ làm tăng hiệu suất dòng điện, có thể nâng cao được mật độ dòng điện do đó làm tăng tốc độ mạ, vẫn đảm bảo được lớp mạ kết tinh nhỏ mịn Nhiệt độ tăng làm tăng hoạt động của các phần tử trong dung dịch mạ như: làm tăng

sự di chuyển của các phần tử, bổ sung nhanh số ion ở sát lớp catot và khuếch tán mạnh số ion của anot hoà tan

Nếu nhiệt độ quá cao gây nhiều tác hại như: độ nhớt của dung dịch chất điện phân giảm, nồng độ các phần tử trong lớp sát catot giảm do sự lắng nhanh của các hạt (khi khuấy trộn yếu) Dung dịch bị phân hủy và hao hụt nhiều do bay hơi, đồng thời tốn nhiều điện năng và thời gian để đun nóng dung dịch

Nhưng nếu nhiệt độ thấp dưới ngưỡng quy định sẽ cho lớp mạ giòn, tốc độ mạ chậm, chất lượng lớp mạ không đảm bảo Vì vậy, với mỗi một dung dịch kim loại mạ tương ứng với nhiệt độ quy định, đảm bảo nâng cao năng suất và chất lượng lớp mạ

d Ảnh hưởng của thành phần dung dịch

Chất lượng lớp mạ phụ thuộc rất nhiều vào thành phần dung dịch mạ, dung dịch mạ là một hỗn hợp khá phức tạp, mỗi một thành phần trong dung dịch đều có ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ [17,26,30,34,60]

* Ion kim loại

Là phần tử mang điện tích được hình thành khi nguyên tử kim loại bị mất điện

tử (kim loại - M)

M  Mn+ + ne

Trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion đơn hay ion phức; ion kim loại mang điện dương nên tham gia vào quá trình khử (quá trình nhận điện tử) tại cực

âm, hình thành lại nguyên tử kim loại bám vào bề mặt catot, như trong quá trình mạ

chi tiết mạ (catot)

Trong dung dịch ion kim loại tạo ra sự cân bằng điện tích (tổng điện tích dương bằng tổng điện tích âm) và tạo ra môi trường có khả năng dẫn điện (cho dòng điện đi qua)

Khi nồng độ ion trong dung dịch lớn sẽ làm tăng dòng điện giới hạn, làm nâng cao giải mật độ dòng điện thích hợp cho lớp mạ, góp phần nâng cao chất lượng lớp

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

Chất điện ly mạnh (1) khi tan trong nước tất cả các phân tử đều phân ly thành các ion; như vậy chất điện ly mạnh khi đưa vào dung dịch làm tăng nồng độ các ion,

do đó làm tăng khả năng dẫn điện của dung dịch, chúng có thể kiêm thêm vai trò chất đệm, khống chế độ pH ổn định cho dù hydro và oxy thoát ra làm thay đổi tính axít của dung dịch ở sát điện cực

làm thay đổi nồng độ pH, như khi thêm axit clohydric vào dung dịch thì

HCl  H+ + Cl- dư H+  [H+]  tức pH giảm

Nếu thêm NaOH vào dung dịch thì

clorua vào dung dịch: NiCl2  Ni2+ + Cl-

dương hơn (H+ = 0; Ni2+ = - 0.25) do

Trong dung dịch chứa Cu2+ và H+; theo thứ tự điện cực thì Cu2+ (Cu2+ = +

hiện tượng giòn hydro, hoặc tạo bọt, xốp,

* Chất hoạt tính bề mặt

Các chất hoạt tính bề mặt thúc đẩy sự ổn định của các hạt lơ lửng nhờ tăng tính thấm ướt của các hạt lơ lửng bằng cách hấp thụ trên bề mặt của chúng, nhờ tính thấm ướt nên bọt khí hydro dễ thoát (thoát nhanh) khỏi bề mặt điện cực Tính thấm ướt của các hạt vô cơ không phải là vấn đề chính trong mạ điện composite nhưng nó tạo nên những ưu điểm phụ nếu như các chất hoạt tính tích điện dương được sử dụng Những chất hoạt tính tích điện dương tạo lên một lưới điện tích điện dương ngăn cản hiện tượng vón cục và hấp dẫn nó về phía catot [60]

* Chất phụ gia

Nhằm làm thay đổi hình thái, tính chất, của kết tủa lên bề mặt catot; các chất phụ gia thường dùng có khả năng hấp thụ lên bề mặt catot, có khả năng giữ các phần tử khác trên bề mặt nhờ các tương tác yếu mà không phải là liên kết hoá học (tương tác hấp dẫn), nhiều chất phụ gia cũng làm tăng quá thế điện kết tủa

Trong mạ một số chất có khả năng hấp thụ lại là tạp chất trên bề mặt vật mạ ngăn

số chất có tác dụng hấp thụ làm cho lớp mạ có chất lượng như: chất làm bóng, làm cho lớp mạ nhẵn mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm Chất san bằng làm cho lớp

mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng, chúng hấp thụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ mạ xuống; chất phụ gia này đã ưu tiên hấp thụ lên các điểm lệch là chỗ có năng lượng tự do lớn hơn và lên các đỉnh lồi là chỗ có tốc độ khuếch tán lớn, các chất phụ gia này sẽ có cả tác dụng của chất làm bóng và chất san bằng [60] Ảnh hưởng của các hạt (pha thứ hai): để thu được lớp mạ composite, người ta cho vào dung dịch hạt cứng với tỷ lệ theo yêu cầu, các hạt có độ cứng và có độ rắn cao, có tính trơ về mặt hóa học, luôn ở trạng thái huyền phù

Khi các hạt trong dung dịch mạ được đưa đến và được kết tủa cùng với kim loại mạ trên chi tiết mạ (catot) Bằng các thiết bị kỹ thuật hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử, phân tích hình ảnh và định lượng, cho thấy có sự thay đổi về cấu trúc bề mặt lớp mạ phủ như bề mặt nhẵn và phẳng hơn (so với lớp mạ điện thường),

vì do các hạt làm thay đổi sự hình thành của các dạng kim tự tháp ở lớp mạ điện thường (các hạt khi kết tủa cùng kim loại mạ đã cản trở sự hình thành và phát triển của kim tự tháp)

Các nghiên cứu đã chỉ ra các chất phụ gia vô cơ, hữu cơ, các chất hoạt động bề mặt đều có ảnh hưởng đến quá trình hình thành lớp mạ composite như: làm tăng sự phân cực catot, làm thuận lợi cho quá trình đồng kết tủa các hạt vào lớp mạ composite Có thể thu được lớp mạ Cu-Al2O3 với hàm lượng hạt Al2O3 đạt 7% trong dung dịch sunfat khi thêm 0,2g/l thiurê (NH2)2CS [52]

đ Ảnh hưởng của tốc độ khuấy

Trong quá trình mạ điện, những phản ứng điện hoá gây nên sự thay đổi nồng độ thành phần dung dịch gần điện cực, sự biến đổi này được bù bằng sự dịch chuyển của các ion đến điện cực từ trong dung dịch; trong quá trình kết tủa tạo mầm trên catot xảy ra hiện tượng nồng độ ion kim loại sát lớp catot bị nghèo đi, nếu không được bổ sung đủ và kịp thời sẽ gây ra phân cực nồng độ, xảy ra nhiều bất lợi như [2,75]: Không dùng được dòng điện lớn, tốc độ mạ chậm, lớp mạ dễ bị gai, cây, cháy

và dung dịch dễ xảy ra hiện tượng phân lớp nồng độ, ở gần catot dung dịch loãng và nhẹ hơn sẽ chuyển động lên phía trên, ngược lại gần anot dung dịch đặc và nặng

hơn sẽ chuyển động xuống đáy Các hạt dễ lắng xuống đáy và dễ kết tụ tạo thành từng khối dẫn tới lớp mạ thu được với số lượng hạt ít và các hạt phân bố không được đều trong lớp mạ

Để khắc phục các hiện tượng trên thì dung dịch phải được khuấy đảo liên tục, việc khuấy đảo dung dịch nhằm các mục đích sau:

San bằng nồng độ và nhiệt độ giữa lớp catot cũng như toàn bộ khối dung dịch, làm tăng sự khuếch tán đến điện cực Tăng chuyển động tương đối giữa catot và dung dịch, cho phép dùng dòng catot cao hơn, làm tăng tốc độ mạ

San bằng nồng độ pH trong toàn bộ khối dung dịch cũng như tại nơi điện cực, khi có khuấy thì bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, bọt khí hydro khi bám lên bề mặt catot gây lên lỗ xốp (hiện tượng châm kim), hoặc khi lẫn vào lớp mạ gây

ra ứng suất dư,

Làm tăng tốc độ khuếch tán vận chuyển các phần tử vào vùng sát catot, tạo điều kiện thuận lợi cho các phần tử (ion kim loại mạ) kết tủa và đồng kết tủa của hạt lên bề mặt điện cực Đảm bảo cung cấp đầy đủ các phụ gia vi lượng vào catot một cách thường xuyên nên hiệu quả mạ tăng và chất lượng lớp mạ tốt

Khuấy đảo duy trì dung dịch mạ luôn luôn ở trạng thái huyền phù (các hạt ở trạng thái lơ lửng), chống lại sự lắng xuống của các hạt, đặc biệt các hạt ở sát lớp điện cực và các hạt có kích thước lớn, đảm bảo độ phân tán cao của các hạt, chống lại sự kết tụ và tạo keo của các hạt (đối với các hạt có kích thước siêu nhỏ), tạo tác dụng cơ khí cho các hạt lên quá trình điện cực, chống lại sự thụ động của anot Khuấy thúc đẩy sự dịch chuyển các hạt, tăng khuấy sẽ làm cho nhiều hạt tham gia vào lớp mạ Tuy nhiên khuấy quá mạnh sẽ làm giảm các hạt tham gia vào lớp mạ bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặt catot trước khi chúng được giữ lại [57]

e Ảnh hưởng của việc chuẩn bị chi tiết, phương pháp và thiết bị mạ

Khai thác qui trình công nghệ mạ để nâng cao chất lượng lớp mạ là một vấn

đề quan trọng đặc biệt trong sản xuất Những chỉ tiêu cơ bản để thiết kế phân xưởng

mạ là: việc lựa chọn qui trình công nghệ, chuẩn bị bề mặt các chi tiết để mạ, lựa chọn các trang thiết bị phù hợp, các phương tiện kiểm tra phù hợp với qui trình sản

* Chuẩn bị chi tiết để mạ [28,75]

Công việc chuẩn bị bề mặt các chi tiết để mạ là một công đoạn vô cùng quan trọng, có rất nhiều phương pháp để làm sạch bề mặt chi tiết: cơ khí, hoá chất, điện hoá, hoặc đồng thời cùng sử dụng kết hợp các phương pháp đó Đặc biệt cần lưu ý với những chi tiết phục hồi, những chi tiết này phải được khử bỏ dầu, mỡ bằng dung môi để làm sạch Dùng các chất để làm sạch bề mặt chi tiết như: dầu hoả, dầu diezen, axeton và một vài chất lỏng khác; hiện nay để làm sạch dầu mỡ trên bề mặt người ta thường dùng tricloetylen, metylencloric, metyclorua, những dung môi này được sử dụng để khử dầu, mỡ bám lên bề mặt các chi tiết nhưng cần hạn chế đối với các kim loại bằng đồng, bạc, titan và các hợp kim của chúng

khuyết tật và xác định bề dày cần phải mạ để phục hồi kích thước Lưu ý trong quá trình gia công cơ khí cố gắng giữ nguyên vẹn bề mặt các chi tiết, sau khi gia công

cơ khí bề mặt chi tiết phải được đánh bóng theo đúng qui định, trước khi mạ chi tiết phải được ngâm rửa bằng hóa chất hoặc điện hóa trong dung dịch kiềm và cần tiến hành mạ ngay Để làm sạch bề mặt chi tiết khỏi bị dính bẩn gỉ sắt, sơn người ta thường sử dụng biện pháp rửa bằng siêu âm Phương pháp dùng bột mịn nhỏ được

sử dụng để làm sạch mép gờ các chi tiết, các lò xo, bạc, các bánh răng và những vết gợn của bề mặt

Khi có sự khuếch tán pha trong chất điện phân nên cho phép lựa chọn các phương hướng chuyển động của các phần tử đến catot, quá trình hình thành lớp mạ điện liên quan đến việc dẫn các phần tử trong dung dịch điện phân đến bề mặt chi tiết mạ Trong quá trình mạ cần phải hướng chuyển động của các phần tử đến catot,

nó liên quan nhiều đến kích thước hạt Có rất nhiều phương pháp và thiết bị để mạ kim loại khi có sự tham gia của các phần tử trong bể mạ, nếu bề mặt mạ được rửa bằng dòng khí nén lớp mạ có khả năng chịu mài mòn cao, chống gỉ tốt [75],

được khuấy đảo và được chuyển động vuông góc với bề mặt catot nơi diễn ra quá trình mạ, dùng khí để sục làm sủi bọt dung dịch

Một phương pháp được nhiều người biết đó là các phần tử của chất điện phân đưa vào bề mặt catot, catot được bố trí chuyển động theo kiểu rung, lắc lư,

phân tích bằng phương pháp tổng hợp Khi bổ sung chất hữu cơ vào chất điện phân phải có sự hiệu chỉnh, chất hữu cơ làm cho lớp mạ có nhiều tính chất ưu việt như khả năng chịu mài mòn, chịu được nhiệt độ cao,

hợp này sử dụng trường của lực li tâm, sử dụng trường của lực li tâm có thể thu được lớp mạ mịn, quá trình này được tiến hành một cách thụ động

hoặc lỗ cụt, cần dùng các anot có hình dáng gần giống chi tiết mạ

làm bằng vật liệu không dẫn điện, để lớp mạ dày đều thường sử dụng lớp màn chắn

có nhiều lỗ, nhiều đường kính khác nhau Việc Sử dụng các màn chắn bằng vật không dẫn điện rất có hiệu quả, nhưng khi tính toán dạng màn chắn và bố trí chúng

có vị trí tương đối với chi tiết mạ là một bài toán kỹ thuật phức tạp

Khi mạ crom với các hạt gặp nhiều khó khăn, có thể tiến hành bằng cách: trong giai đoạn đầu của quá trình tiến hành mạ crom nứt, khi mật độ dòng điện tăng lên sẽ mạ những phần tử cứng, hoặc khi kết thúc mạ niken và hạt cứng trơ, do bề mặt lớp mạ còn rất nhiều hạt trơ chưa được chôn lấp kín hết, khi mạ crom chồng lên

do crom chỉ kết tủa lên bề mặt niken, không mạ được lên các hạt trơ (không dẫn điện), kết quả tạo thành lớp mạ crom vi xốp có mật độ lỗ lớn 20.000  100.000

Cu-Ni-Cr, vì vậy có thể bỏ lớp mạ lót đồng mà lớp mạ vẫn đảm bảo; vì khi xảy ra ăn mòn, khe hẹp bao quanh hạt tiếp giáp với kim loại bị ăn mòn trước tiên, sản phẩm

ăn mòn sinh ra lấp kín các lỗ vi xốp của crom ngăn cản không cho phá hủy tiếp nữa

Các nghiên cứu khoa học của các tác giả nước ngoài chỉ ra những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ: cường độ dòng điện, độ pH, nhiệt độ, khuấy đảo dung dịch, thành phần dung dịch, là những yếu tố đầu vào liên quan đến chất lượng lớp mạ Ngoài ra, để có thể ứng dụng được công nghệ mạ composite cần phải quan tâm đến vấn đề lọc dung dịch, do đặc thù của công nghệ mạ composite là trong dung dịch mạ có các hạt Nếu dùng các phương pháp lọc thông thường có thể khó thực hiện được hoặc thực hiện được nhưng hiệu quả không cao

Từ những phân tích trên đây, nội dung chính của luận án gồm

Thiết kế, chế tạo dây chuyền mạ composite Trong phần này chủ yếu thiết kế, chế tạo ba loại thiết bị đặc trưng trong mạ composite là hệ thống khuấy; hệ thống lắng, lọc (dựa vào lọc truyền thống); bộ chỉnh lưu (mạch điều khiển) Ngoài ra còn thiết kế, chế tạo, bể tẩy rửa bằng điện hóa, tủ sấy và một số thiết bị phụ trợ khác Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng lớp mạ composite

và so sánh lớp mạ thường với lớp mạ composite Trên cơ sở nghiên cứu này có thể lựa chọn các thông số công nghệ hợp lý để mạ các chi tiết cụ thể, đồng thời làm cơ

sở để cho các nghiên cứu tiếp theo (tối ưu hóa thông số công nghệ)

Nghiên cứu thử nghiệm mạ composite cho một số chi tiết phục hồi và chi tiết mới (mạ lần đầu) trên cơ sở các kết quả nghiên cứu ở trên, để từ đó ứng dụng triển khai công nghệ mạ composite vào sản xuất

Hệ thống lọc

Sấy khô Rửa sạch

chi tiết

Khử ứng suất dư

Kiểm tra, phân loại

MẠ ĐIỆN COMPOSITE

Phương pháp thiết kế dây chuyền mạ điện composte dựa vào phương pháp thiết

kế xưởng mạ của các tài liệu [11,14,19,27,31,33 Trong chương này chỉ trình bày một số kết quả chính của việc thiết kế, chế tạo dây chuyền mạ điện composite

2.1 Lựa chọn dây chuyền công nghệ mạ điện composite

Hiện nay có rất nhiều cơ sở mạ phục vụ cho công nghiệp, sinh hoạt, tùy theo đặc điểm tính chất công việc như mạ ban đầu, mạ phục hồi, chủng loại mạ, diện tích mặt bằng, công suất, Nhưng nhìn chung dây chuyền mạ được thiết kế dựa trên các công đoạn cơ bản được thể hiện trên hình 2.1a

Trên đây là sơ đồ cơ bản của dây chuyền mạ điện thông thường, tùy theo tính chất và yêu cầu của lớp mạ có thể thêm một vài công đoạn khác, như lớp mạ muốn thụ động bề mặt thì sau khi mạ xong tiến hành rửa sạch chi tiết mạ, sau đó nhúng vào bể dung dịch thụ động,… Một số cơ sở sở mạ được cho ở hình 2.1b (Phụ lục 2.1)

Hệ thống lắng

Hệ thống lọc

Thiết bị thu hồi hạt

Sấy khô Rửa sạch

chi tiết

Khử ứng suất dư

Kiểm tra, phân loại

Bể rửa thu hồi

Hình 2.2: Sơ đồ dây chuyền mạ điện composite

Đường đi của chi tiết mạ; Đường đi của dung dịch chứa hạt và chất bẩn Đường đi của dung dịch chỉ có chất bẩn; Đường đi của dung dịch sạch; Đường đi của hạt thu hồi

Hiện nay, thực tế ở Việt Nam chưa có dây chuyền mạ điện composite cụ thể, song qua nghiên cứu tài liệu tham khảo kết hợp với các dây chuyền mạ điện thông thường, đồng thời qua thực tế tiến hành làm cụ thể tác giả thiết kế các công đoạn chính của dây chuyền mạ điện composite theo sơ đồ được thể hiện trên hình 2.2

Dây chuyền mạ điện composite trên cơ sở của dây chuyền mạ điện thông thường, nhưng do đặc điểm của dung dịch mạ composite có hạt nên việc làm sạch dung dịch phải dùng hệ thống lắng, lọc kết hợp và tùy theo đặc điểm của phôi, yêu cầu của sản phẩm để từ đó lựa chọn các công đoạn cho phù hợp, cụ thể hình 2.2

2.2 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lựa chọn các thiết bị chính của dây chuyền

mạ điện composite

Các thiết bị chính của dây chuyền mạ điện composite cơ bản giống như dây chuyền của mạ điện thường, nhưng do mạ điện composite có một số đặc điểm khác với mạ điện thông thường, nên trong đề tài này tác giả chủ yếu thiết kế, chế tạo hệ thống khuấy; hệ thống lắng, lọc; bộ chỉnh lưu cho dây chuyền mạ điện composite Ngoài ra, còn thiết kế, chế tạo và lựa chọn một số thiết bị phụ trợ khác

2.2.1 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống khuấy

a Đặc điểm của dung dịch mạ điện composite

Khác với dung dịch mạ điện thường, trong dung dịch mạ điện composite có các hạt cứng với các đặc điểm như: có độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao, trơ về mặt hóa học,… các hạt này đồng kết tủa trên bề mặt catot cùng với kim loại mạ, việc di chuyển của các hạt đến catot nhờ sự khuếch tán, đối lưu, điện di (nếu các hạt dẫn điện) Các hạt có kích thước lớn luôn có xu hướng lắng xuống đáy, các hạt có kích thước siêu nhỏ dễ tích tụ, tạo keo, vón cục dẫn đến rất khó khăn trong quá trình các hạt di chuyển đến điện cực, đồng kết tủa cùng kim loại mạ lên điện cực và sự phân bố không đồng đều của hạt trong lớp mạ

Để khắc phục những nhược điểm của dung dịch mạ composite, đảm bảo cho quá trình mạ cũng như chất lượng lớp mạ được tốt thì yêu cầu: dung dịch mạ phải luôn luôn ở trạng thái huyền phù, các hạt phải có độ phân tán cao và đồng nhất, muốn vậy thì bắt buộc dung dịch phải được khuấy trộn

b Một số phương pháp khuấy [2,14,16]

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khuấy được áp dụng cho mạ điện nói chung, song tùy từng đặc điểm và yêu cầu của quá trình mạ để áp dụng từng phương pháp cho phù hợp Sau đây là một số phương pháp khuấy thông dụng và ưu nhược điểm của chúng

Khuấy bằng cơ có ưu điểm là dễ vận hành, dễ điều chỉnh tốc độ thông qua động cơ, dung dịch được trộn tương đối đều Nhưng có nhược điểm chỉ thích hợp cho các bể mạ nhỏ, nếu áp dụng cho bể mạ có khối lượng lớn thì dung dịch không được trộn đều, dung dịch dễ bị tạo xoáy

Khuấy bằng sục khí có ưu điểm là dễ vận hành, khuấy mạnh và tương đối đều nên rất hiệu quả, phù hợp cho các bể mạ niken bóng và các bể mạ cần chất lượng cao Nhưng nhược điểm khuấy bằng phương pháp này không có lợi cho dung dịch, dung

xyanua, chất bẩn dễ theo không khí vào dung dịch mạ làm cho dung dịch mạ bị bẩn Khuấy bằng thủy lực có ưu điểm là dung dịch được trộn đều trong toàn khối Nhưng có nhược điểm do dung dịch mạ rất đa dạng có thể là kiềm, axit,… và đặc

biệt, trong dung dịch mạ composite có hạt cứng, nên trục và cánh bơm dễ bị ăn mòn

và mài mòn nhanh gây hư hỏng cho bơm

Khuấy bằng catot di động có ưu điểm là lớp mạ đồng đều hơn vì chi tiết được di chuyển đến các vị trí khác nhau trong bể mạ; không làm vẩn đục dung dịch

từ đáy bể lên; do catot chuyển động nên dễ đuổi được khí hydro ra khỏi bề mặt catot, dễ xử lý khi có sự cố Nhưng có nhược điểm là do khuấy nhẹ nên độ khuếch tán và độ đồng đều của toàn bộ khối dung dịch không được tốt

c Lựa chọn sơ đồ nguyên lý của hệ thống khuấy

Xuất phát từ đặc điểm tính chất của dung dịch mạ composite và đồng thời khi phân tích những ưu nhược điểm của các phương pháp khuấy, tác giả đã lựa chọn phương pháp khuấy bằng cơ cho dây chuyền mạ điện composite Hình 2.3 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống khuấy

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống khuấy

d Sơ đồ cấu tạo của hệ thống khuấy

Sơ đồ cấu tạo của hệ thống khuấy bằng cơ tác giả lựa chọn và thiết kế dựa trên nguyên tắc từ chuyển động quay tròn thành chuyển động tịnh tiến; chuyển động từ động cơ đến bộ truyền lực rồi đến cơ cấu biên tay quay, từ cơ cấu biên tay quay chuyển động quay tròn biến thành chuyển động tịnh tiến qua hệ thống giá đỡ thanh đẩy và thanh đẩy đến tấm rung Sơ đồ cấu tạo của hệ thống khuấy được trình bày ở hình 2.4

đ Thiết kế, chế tạo các thiết bị của hệ thống khuấy

Động

cơ

Bộ truyềnlực

Cơ cấu biên tay quay

Giá thanh đẩy

Thanh đẩy

Tấm rung

Hệ thống khuấy đƣợc chia thành hai phần chính: phần cơ cấu điều khiển và

phần cơ cấu chấp hành

* Cơ cấu điều khiển

Động cơ điện lựa chọn là loại động cơ điện xoay chiều ba pha có công suất 135W, có số vòng quay tối đa 1460v/ph và có số đôi cực từ 2P = 4

Bộ phận truyền lực gồm: cấp truyền đai (bánh chủ động và bánh thụ động) với tỷ số truyền 1/2 ( tỷ số truyền này có tác dụng giảm tiếng ồn và tăng tỷ số truyền) Hộp giảm tốc (trục vít và bánh vít) với tỷ số truyền 1/20 (với tỷ số truyền này sẽ khắc phục đƣợc sự trƣợt của đai khi sử dụng số vòng quay thấp) Cơ cấu biên tay quay (bán kính tay quay và tay biên)

* Cơ cấu chấp hành

Giá thanh đẩy đƣợc liên kết và nhận truyền động từ cơ cấu biên tay quay Thanh đẩy đƣợc liên kết với giá thanh đẩy và đƣợc chuyển động tịnh tiến (lên -xuống) Tấm rung trong bể mạ đƣợc liên kết và cùng chuyển động tịnh tiến với thanh đẩy; tấm rung có vai trò rất quan trọng nó là bộ phận trực tiếp khuấy trộn dung dịch, dung dịch đƣợc trộn đều là do cấu tạo, hành trình và tốc độ của tấm

tấm rung

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý và tính toán hệ thống khuấy a- sơ đồ chung; b- sơ đồ ô cơ sở; c- sơ đồ tính chiều cao phun

ồ tí n

h to á

n

a

- s

ơ đ

ồ c h u

a)

δ

H

M ,

* Xác định vận tốc của tấm rung

Sơ đồ nguyên lý thiết bị khuấy được cho ở hình 2.5, hoạt động theo nguyên lý

biến chuyển động quay tròn của cơ cấu biên - tay quay thành chuyển động tịnh tiến

của thanh đẩy và tấm rung

Trên hình 2.5: r- bán kính tay quay (m); n- số vòng quay của trục (v/ph); φ-

góc quay của tay quay (rad); ω- vận tốc góc và được xác định bằng công thức sau

Tb và Ttr- điểm chết trên của đầu trên biên và tấm rung; Db và Dtr- điểm chết

dưới của đầu trên biên và tấm rung; w- vận tốc (vận tốc chuyển động lên xuống)

của tấm rung (được xác định ở mục sau) m/s; s- hành trình của tấm rung ở thời điểm

trình lớn nhất của tấm rung (m) và được xác định bằng công thức sau

s max = 2r (2.2)

hd- khoảng cách từ điểm chết dưới (ĐCD) của tấm rung đến đáy bể; h'tr-

khoảng cách từ ĐCD của tấm rung đến vị trí tấm rung có vận tốc lớn nhất (điểm

vận tốc lớn nhất

Tấm rung ở vị trí ĐCT và ĐCD có vận tốc bằng 0 Hành trình của tấm rung s

ở thời điểm bất kỳ từ hình 2.5 được xác định bằng công thức

S = OT b –OB = (r+l)–(rcosφ+lcosβ)= r (1- cosφ)+l(1 - cosβ) (2.3)

Khai triển vế phải của (2.5) theo nhị thức Niuton với số mũ lẻ, ta đƣợc

sin128

5sin

16

1sin

8

1sin

2

11

11

ds dt

Từ (2.10) xác định đƣợc vận tốc lớn nhất của tấm rung khi φ = π/2, ứng với

22sin22(sin  

* Lựa chọn kết cấu và tính toán thiết kế tấm rung [49]

Hình 2.6: Cấu tạo tấm rung; a- chiều dài; b- chiều rộng; δ- chiều dày

Sơ đồ cấu tạo tấm rung được lựa chọn cho ở hình 2.6 Tấm rung được chế tạo

từ tấm nhựa PVC có chiều dày δ, chiều rộng b và chiều dài a Trên tấm rung được

Vận dụng từ thực nghiệm của Gratskin (về tính độ bền và vận tốc của sàng) ta tính toán và thiết kế tấm rung Để tính toán, ta giả thiết tấm rung và thành bể không có khe

hở, tấm rung được chia thành các ô (số ô bằng số lỗ) như nhau (cạnh là A), chính giữa ô khoan lỗ có đường kính d Giả sử quá trình chảy qua tất cả các lỗ (Nl) là như nhau vì vậy

ta chỉ cần xét cho một ô cơ sở (hình 2.5b và hình 2.6)

Từ một tấm rung bất kỳ ta có thể tính toán số lỗ cần khoan có bán kính R (đường kính d, cm), sao cho tổng diện tích các lỗ phải nhỏ hơn 1/3 diện tích của tấm rung, có nghĩa là