luận văn công nghệ hóa học Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa trên nền thép cacbon

Mở Đầu Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Người ta đã nghiên cứu và chế tạo ra những loại vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn so với vật liệu truyền thống sử dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên các chi tiết máy được làm từ các loại vật liệu mới đó, trong quá trình làm việc vẫn chưa đáp ứng được hết các yêu cầu kỹ thuật đặt ra, vì qua nghiên cứu người ta thấy rằng hầu hết các chi tiết máy bị hư hỏng đều bắt đầu từ việc phá huỷ bề mặt ngoài, do sự tác động phá huỷ của môi trường làm việc và môi trường tự nhiên, bề mặt ngoài của chi tiết máy thường bị cào xước, bị mòn, biến dạng bề mặt và thay đổi kích thước, bị ăn mòn hoá học bề mặt…vv. Để khắc phục những vấn đề đó người ta đã nghiên cứu thành công và ứng dụng công nghệ mạ xoa vào trong việc phục hồi các chi tiết bị hư hỏng, tạo nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt của chi tiết, bảo vệ bề mặt các chi tiết không bị xước, bị mòn, chống lại sự ăn mòn hoá học. Với công nghệ này, có thể đắp kim loại, mạ lại tại chỗ cho các chi tiết máy bị mài mòn. Công nghệ mạ xoa có thể sử dụng cho 19 kim loại tiêu chuẩn và hợp kim như đồng, niken, crom…công nghệ này có thể giúp phục hồi các chi tiết máy có hình dạng, kích thước khác nhau: dạng lỗ, trục, tấm phẳng…, thậm chí với các chi tiết có đường kính đến vài trăm milimét. Thiết bị đơn giản, gọn nhẹ dễ vận hành, thao tác linh hoạt, phù hợp với chi tiết lớn có rãnh mà không thể dùng các phương pháp khác để phục hồi. Phạm vi phục hồi rất rộng rãi về chế độ chính xác hình học cũng như kích thước. Tốc độ mạ nhanh, lớn hơn 5 lần so với bể mạ, chủng loại lớp mạ đa dạng, độ dính bám của lớp mạ cao do đó có phạm vi ứng dụng rộng. Cho phép đắp thêm kim loại mà không bị ảnh hưởng của nhiệt, không phải mạ lại toàn bộ chi tiết khi phục hồi, có thể chỉ cần mạ cục bộ mà không làm bong lớp mạ. 1 1 Công nghệ mạ xoa tiêu tốn ít năng lượng, khắc phục được những lỗi bề mặt trong mạ điện, chính vì các đặc điểm và ưu điểm trên mà công nghệ mạ xoa rất có hiệu quả trong chế tạo sản phẩm mới hoặc khôi phục, sửa chữa và cường hoá các chi tiết máy, đặc biệt phù hợp với các chi tiết có kích thước lớn, khôi phục sửa chữa tại hiện trường, ngoài ra công nghệ mạ xoa còn có tính trang trí rất cao. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm đó công nghệ mạ xoa vẫn còn những mặt hạn chế nhất định, đặc biệt là hiện nay khi mà các cơ sở sản xuất đều sử dụng dung dịch mạ cr6+. Khi sử dụng dung dịch mạ cr6+, có chứa gốc cr6+ đây là tác nhân oxi hoá mạnh ngoài môi trường tự nhiên, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao động, gây ăn mòn thiết bị và đặc biệt gây nguy hiểm cho môi trường nếu như nước thải không được sử lý triệt để. Tại Việt Nam, chính phủ chưa có quy định bắt buộc phải mạ crom từ dung dịch Cr3+, tuy nhiên do nền kinh tế có quan hệ thương mại với nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là châu Âu, Nhật Bản và Mỹ nên nhu cầu mạ crom từ dung dịch Cr3+ là cần thiết trong tương lai gần. Do vậy, việc tìm hiểu và áp dụng thử nghiệm một quy trình mạ Cr3+ tiến tới áp dụng cho các nhà sản xuất là một yêu cầu bức thiết trong ngành công nghiệp mạ hiện nay. Tôi đã thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa trên nền thép cacbon”. 2 2 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MẠ XOA 1.1. Sự phát triển của công nghệ mạ xoa Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thuật Galvano (lấy theo tên nhà khoa học Ý Luigigalvani), là tên gọi của quá trình điện hoá phủ lớp kim loại nên vật. Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm catốt, kim loại mạ gắn với cực dương anốt của nguồn điện trong dung dịch điện môi. Cực dương của nguồn điện sẽ hút các electron e - trong quá trình oxi hoá và giải phóng ra các kim loại dương, dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện các ion dương e + này sẽ di chuyển về cực âm, tại đây chúng nhận lại e - trong quá trình oxi hoá khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ. Độ dày của lớp mạ phụ thuộc vào mật độ dòng điện và thời gian mạ. Điều kiện hình thành lớp mạ điện: Mạ điện là một công nghệ điện phân. Quá trình tổng quát là: Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot : M – ne → M n+ Trên catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ : M n+ + ne → M Kỹ thuật mạ xoa là sự phát triển mới của kỹ thuật mạ điện, là một nội dung quan trọng của công nghệ bề mặt. Mạ xoa là phương pháp mạ điện khi sử dụng bút xoa và dung dịch mạ được cấp trực tiếp và bề mặt chi tiết. Các thiết bị cần thiết bao gồm: Một nguồn điện điều khiển, cấp điện âm cho chi tiết mạ và điện áp dương cho bút xoa, bơm dung dịch, và một số thiết bị phụ trợ khác. 3 3 Hình 1.1. Nguyên lý của quá trình mạ Mạ xoa là quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được các yêu cầu mong muốn. Sự hình thành lớp mạ là quá trình kết tinh gián đoạn ion kim loại trong dung dịch mạ, chỉ phóng điện hoàn nguyên kết tinh tại nơi tiếp xúc giữa bút mạ xoa và chi tiết. Sự dịch chuyển của bút mạ hạn chế sự lớn lên và xát nhập của các hạt tinh thể, do đó trong lớp mạ tồn tại rất nhiều hạt tinh thể siêu mịn và lệch vị, dấn tới nâng cao, củng cố độ cứng của lớp mạ. Các ví dụ về ứng dụng và sản phẩm của công nghệ mạ xoa: Hình 1.2. Ứng dụng công nghệ mạ xoa phục hồi chi tiết 4 4 Hình 1.3. Các sản phẩm của công nghệ mạ xoa 1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ và ứng dụng công nghệ mạ xoa vào trong sản xuất 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Công nghệ mạ xoa ra đời vào đầu những năm 70 của thế kỷ 20. Ngày nay, công nghệ mạ xoa là một trong những công nghệ xử lý bề mặt được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong rất nhiều lĩnh vực trên thế giới. Vì vậy, việc nghiên cứu và chế tạo dung dịch mạ xoa để phục vụ cho công nghệ mạ, nâng cao chất lượng mạ đã được rất nhiều quốc gia có nền công nghiệp phát triển chú trọng và quan tâm. Đặc biệt hơn nữa, do nhược 5 5 điểm khi sử dụng dung dịch CrO 3 có chứa gốc Cr6+, đây là tác nhân gây oxi hoá mạnh ngoài môi trường tự nhiên, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao động, gây ăn mòn thiết bị…Do vậy, trên thế giới đã phát triển nhiều công nghệ mạ crôm trên nền dung dịch Cr3+, và nhiều nước đã có quy trình mạ Cr3+ đã được thương mại hoá. Nhiều nhà sản xuất Châu Âu đã yêu cầu bắt buộc phải mạ từ dung dịch Cr3+ đối với các sản phẩm cần mạ crôm. Hiện nay, trên thế giới thì công ty SurTec của Đức là một trong hãng đi đầu về công nghệ mạ Cr3+. Dung dịch mạ dùng muối gốc sunphát, và họ có 3 chủng loại phụ gia tạo ra 3 loại: - Loại có khả năng chống lại muối - Loại thứ hai là loại cho lớp mạ crôm bóng đen - Một loại nữa sẽ cho ra màu trắng xanh (tương tự Cr6+) còn ở Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản thì sử dụng nhiều Cr3+. Tại Nhật Bản có hơn 100 lines mạ Cr3+ dùng công nghệ của SurTec. Các công ty này chủ yếu làm linh kiện cho Toyota, Honda (xe hơi), Nissan, Canon…Và công nghệ mạ xoa được thế giới ứng dụng rất nhiều trong các ngành như Hàng Hải và Hải Quân, Công nghiệp chế tạo máy bay và ngành hàng không, Công nghiệp in, công nghiệp điện tử, công nghiệp đúc và làm khuôn Ngoài việc dùng công nghệ mạ xoa để phục hồi chi tiết, bảo vệ bề mặt ngoài của chi tiết, ở các nước trên thế giới người ta còn ứng dụng công nghệ này, để mạ trên nền nhựa phục vụ cho ngành công nghiệp trang trí các sản phẩm nhựa. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam trong những năm gần đây, ngành cơ khí rất quan tâm đến việc áp dụng các công nghệ bề mặt tiên tiến và hiện đại vào trong thực tiễn sản xuất nhằm đẩy mạnh nền công nghiệp trong nước, đem lại hiệu quả cho ngành kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, công nghệ mạ xoa ở nước ta cho đến nay vẫn chưa được chú ý nghiên cứu và ứng dụng một cách cụ thể vào trong sản xuất, hầu hết các kết 6 6 quả nghiên cứu chỉ dừng ở mức độ đề tài và trong phòng thí nghiệm. Hiện tại ở nước ta, tuy nhu cầu và phạm vi ứng dụng rất lớn nhưng mới có một số lượng rất ít các thiết bị mạ xoa tại các cơ sở nghiên cứu và sản xuất như: - 01 Thiết bị mạ xoa 100A tại PTNTĐ về công nghệ hàn và xử lý bề mặt - Viện nghiên cứu cơ khí. - 01 Thiết bị mạ xoa (TQ) của trường Đại học Bách khoa Hà Nội. - 01 Thiết bị mạ xoa (TQ) của Viện Máy Mỏ và năng lượng. - 01 Thiết bị mạ xoa tại Nhà máy Z153. Các thiết bị này mới bước đầu được đưa vào khai thác và vận hành, do vậy chưa đạt được kết quả như mong muốn. Mặt khác, các loại nguyên vật liệu, phụ tùng thay thế đều phải nhập ngoại, gây nhiều khó khăn trong quá trình triển khai công việc cũng như mục đích hạ giá thành sản phẩm. Và hầu hết các cơ sở sản xuất ở nước ta hiện nay vẫn sử dụng dung dịch mạ Cr6+, điều này gây tác hại rất lớn đối với môi trường và sức khoẻ của con người. vì vậy, việc nghiên cứu tìm ra một quy trình công nghệ hợp lý, cũng như nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ mới có nhiều ưu điểm hơn vì mục tiêu môi trường là việc làm hết sức cần thiết hiện nay. Kết luận chương I: - Công nghệ mạ xoa đã được các nước trên thế giới nghiên cứu, phát triển từ rất lâu và ứng dụng vào trong rất nhiều các ngành công nghiệp khác nhau. - Thực tế ở nước ta hiện nay, công nghệ mạ xoa vẫn là công nghệ mới, việc nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn sản xuất vẫn còn gặp rất nhiều hạn chế. Vấn đề đặt ra hiện nay là cần sự quan tâm nhiều hơn để có thể phát triển công nghệ này, áp dụng những ưu điểm của nó vào trong sản xuất. 7 7 - Bên cạnh những ưu điểm của công nghệ này, đi song song với nó là tác hại không tốt với môi trường, đây là một vấn đề cũng cần chúng ta quan tâm nhiều hơn. - Việc nghiên cứu và chế tao ra dung dịch mạ mới, dung dịch Cr3+, và chế độ công nghệ thích hợp, từ đó ứng dụng vào mạ xoa trên nền thép các bon để kiểm tra chất lượng dung dịch mạ và các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ. 8 8 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng, địa điểm và nội dung nghiên cứu của đề tài 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa. Cụ thể dung dịch mạ Cr3+. - ứng dụng mạ trên mẫu thép các bon. 2.1.2. Địa điểm nghiên cứu - Tại phòng thí nghiệm trọng điểm cấp nhà nước công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí. - Phòng thực tập Kim loại học và nhiệt luyện - Bộ môn Công nghệ Cơ khí - Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội 2.1.3. Nội dung nghiên cứu đề tài Từ những cơ sở phân tích ở trên và tình hình điều kiện thực tế, ta có nội dung nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ xoa crôm, cụ thể: “ Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa trên nền thép các bon“, dung dịch mạ Cr3+. - Từ kết quả nghiên cứu chế tạo được dung dịch mạ ở trên, ta tiến hành mạ thử trên mẫu. Sau đó kiểm tra đánh giá chất lượng lớp mạ. - Kết quả dự kiến đạt được: Dung dịch mạ crôm, các chế độ công nghệ mạ. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiện là chủ yếu. 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu lý thuyết công nghệ mạ xoa, công nghệ mạ điện hoá, lịch sử phát triển của ngành mạ, thông qua các tài liệu có liên quan, từ đó thấy 9 9 được vai trò của công nghệ này trong sản xuất. Đồng thời qua đó thấy được sự giống và khác nhau giữa công nghệ mạ xoa và công nghệ mạ điện hoá. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mạ vào trong thực tế sản xuất ở các nước trên thế giới. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này ở nước ta hiện nay. Nghiên cứu đặc điểm của công nghệ mạ xoa, dung dịch dùng trong mạ xoa, những ưu nhược điểm của từng loại dung dịch mạ, đặc biêt là sự tác động của nó tới môi trường. 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu, tìm hiểu thiết bị công nghệ mạ xoa được đặt tại phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt, viện nghiên cứu cơ khí, Bộ công nghiệp. Nghiên cứu và chế tạo dung dịch mạ, loại Cr3+, tiền hành làm thí nghiệm trên mẫu. Tiến hành đo, kiểm tra độ dính bám, độ bóng, chiều sâu lớp mạ trên mẫu thí nghiêm. sau đó ghi chép các kết quả thu được sau các lần thí nghiệm và chọn ra một chế độ công nghệ tối ưu nhất. 2.3. Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm Các số liệu thực nghiệm được ghi chép lại trong quá trình làm thí nghiệm: - Với dung dịch mạ, cách pha chế từng loại dung dịch, thành phần dung dịch, tỉ lệ thành phần giữa các dung dịch được ghi chép lại cụ thể. - Với chế độ công nghệ, các số liệu được ghi chép trên đồng hồ hiện số chính xác, được lắp đồng bộ trên thiết bị mạ xoa như, đồng hồ đo dòng điện, điện áp, ampe giờ, nhiệt độ dung dịch mạ Một số số liệu được tính toán từ các công thức toán học như mật độ dòng catot, mật độ dòng anot, tốc độ dịch chuyển tương đối giữa anot và catot 10 10 [...]... Hiện nay đã chế tạo thành công ở thể rắn thành phần của dung dịch mạ xoa khiến cho việc vận chuyển và bảo quản rất thuận tiện 3.3.2 Sự khác biệt của dung dịch nền Cr3+ và Cr6+ - Lớp mạ Crom trên nền dung dịch Cr3+ vẫn có độ trắng sáng của Crom, nhưng màu sẫm hơn so với lớp mạ trên nền dung dịch Cr6+ - Điện thế cần thiết để mạ dung dịch Cr3+ cao hơn từ 3-6 V so với dung dịch Cr6+ - Lớp mạ dung dịch Cr3+... có tính ổn định cao Dung dịch mạ xoa có hàm lượng ion trong dung dịch cao hơn dung dịch mạ điện thông thường một vài lần cho nên năng suất cao Tốc độ mạ gấp 3 đến 5 lần dung dịch bình thường Nhìn chung phần lớn các dung dịch mạ xoa không cháy, không độc vì phần lớn dung dịch mạ là trung tính, do đó có thể đảm bảo thao tác thủ công an toàn Tính ổn định của dung dịch mạ xoa cho phép có thể sử dụng tuần... lớp mạ crôm được xác định bằng chế độ công nghệ mạ Khi tăng nhiệt độ dung dịch mạ thì độ cứng lớp mạ giảm đi, khi tăng dòng catốt độ cứng tối đa của lớp mạ đạt được ở khoảng mật độ dòng điện là 60 A/dm2 Khi nhiệt độ của dung dịch mạ ở 35 – 450C thì độ cứng của các lớp mạ bằng dung dịch loãng (150 g/l) và dung dịch tiêu chuẩn (250 g/l) là tương đương nhau Ở nhiệt độ 65 – 750C độ cứng lớp mạ từ dung dịch. .. mạ: - Dung dịch mạ cần phải có độ dẫn điện cao Độ dẫn điện của dung dịch không những chỉ giảm được tổn thất điện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn - Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng trong một khoảng nhiệt độ nhất định Ví dụ mạ niken pH=4,5 đến 5,5 Mạ kẽm trong dung dịch amôniclorua pH=4,5 đến 5,5 Mạ kẽm trong dung dịch axít pH=3,5 đến 4 - Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất... tốc độ dịch chuyển của bút xoa khi mạ xoa có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng lớp mạ Trong công nghệ mạ xoa hiện đại, để tăng cường quá trình mạ thường dùng dung dịch có nồng độ cao, đồng thời tiến hành ở mật độ có dòng điện lớn, nhiệt độ cao và tốc độ nhanh Mỗi dung dịch mạ đòi hỏi một chế độ công nghệ thích hợp riêng để thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn 23 23 3.2.4.1 Ảnh hưởng của điện áp mạ xoa Điện... lớp mạ đen, có hoa, độ bền ăn mòn kém Vì vậy khi pha bể mạ crôm cần dùng nước cất Trước khi mạ phải dùng H 2SO4 để tẩy nhẹ Tạp chất có hại nhất trong dung dịch là ion gốc NO 3- Trong dung dịch có rất ít gốc NO3- lớp mạ đen, bể chì bị ăn mòn, phải dùng mật độ dòng điện cao mới được lớp mạ crôm Vì vậy trong dung dịch mạ crôm nghiêm cấm có gốc nitrat Khử gốc nitrat bằng cách cho bari cacbonat vào trong dung. .. cấp điện áp âm (-) cho chi tiết mạ và điện áp dương (+) cho bút xoa Khi thực hiện quá trình mạ xoa, phải có sự chuyển động tương đối giữa bút xoa và chi tiết mạ trong khi dung dịch mạ được cấp liên tục bằng máy bơm dung dịch Quá trình mạ diễn ra liên tục ở nơi bút xoa tiếp xúc với chi tiết gia công Sự hình thành lớp mạ là quá trình kết tinh gián đoạn ion kim loại trong dung dịch mạ, chỉ phóng điện... công nghệ mạ xoa Kỹ thuật mạ xoa là sự phát triển mới của kỹ thuật mạ điện Công nghệ mạ dạng này là công nghệ đặc biệt, không những tăng năng suất của quá trình mà còn nâng cao được chất lượng lớp mạ, mạ xoa cũng giống như các phương pháp mạ điện khác Mạ xoa là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được các yêu cầu mong muốn Sự hình thành lớp mạ. .. cần được loại bỏ tạp chất cơ học lẫn trong đó, các tạp chất hữu cơ, cũng như các ion clo và axit nitric Do nồng độ của crôm oxít khác nhau mà phân ra ba loại: dung dịch nồng độ cao, dung dịch nồng độ trung bình, dung dịch nồng độ thấp Dung dịch nồng độ trung bình thường gọi là dung dịch nồng độ tiêu chuẩn 3.2.3 Công nghệ mạ xoa Mạ xoa là phương pháp mạ điện khi sử dụng bút xoa Cơ cấu của thiết bị bao... thì dung dịch không thể dùng để mạ được - Thành phần thứ hai: bao gồm các hợp chất phụ gia + Chất làm bóng lớp mạ + Chất đệm giữ cho pH dung dịch ổn định + Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo cho lớp mạ không bong nứt + Chất san bằng đảm bảo cho lớp mạ đồng đều hơn + Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng đều hơn + Chất chống thụ động hoá anốt nhằm ổn định mạ Một số đặc điểm của dung dịch mạ: - Dung . Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ xoa crôm, cụ thể: “ Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa trên nền thép các bon“, dung dịch mạ Cr3+. - Từ kết quả nghiên cứu chế tạo được dung dịch. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng, địa điểm và nội dung nghiên cứu của đề tài 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa. Cụ thể dung dịch mạ Cr3+. -. sản phẩm của công nghệ mạ xoa 1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ và ứng dụng công nghệ mạ xoa vào trong sản xuất 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Công nghệ mạ xoa ra đời vào