Bài thuyết trình chủ đề tạo lớp phủ là lớp oxit kim loại và nhuộm màu kim loại

Giới thiệu chung:• quá trình tạo lớp oxit và nhuộm màu kim loại là một phương pháp gia công bề mặt kim loại được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp để xử lý bề mặt kim loại.. Giới thiệu

Đại học Bách Khoa Hà Nội

nhóm 9:

Trịnh Hồng Dương

Đinh Văn Đại.

Dương Ngọc Sơn.

Nguyễn Hồng Thắng

Môn: gia công và xử lý bề mặt

chủ đề:

Tạo lớp phủ là lớp oxit kim loại và nhuộm

màu kim loại 1

Tạo lớp phủ oxi hóa và nhuộm màu

Giới thiệu chung Tạo lớp phủ trên nền nhôm

Giới thiệu chung:

• quá trình tạo lớp oxit và nhuộm màu kim loại là một phương pháp gia công bề mặt kim loại được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp để xử lý bề mặt kim loại.

• có thể nằm ở bước cuối cùng của gia công hoặc là bước chuẩn bị bề mặt kim loại tốt nhất khi sơn phủ hoặc nhúng dầu mỡ để bảo vệ các chi tiết kim loại đen.

4

Giới thiệu chung:

Mục đích :

• tạo lớp oxit có chiều dày, độ kín khít, khả năng bám vào nền kim loại… và các tính chất khác thích hợp để làm lớp phủ bảo vệ kim loại nền chống lại ma sát và tác dụng ăn mòn của môi trường

• Lợi dụng màu sắc của lớp oxit để trang trí cho vật liệu kim loại hoặc tạo các lớp xốp trên bề mặt kim loại tạo nền bám cho các chất nhuộm hoặc sơn phủ lên.

5

Ưu điểm:

• Oxi hóa kim loại và nhuộm màu kim loại vừa có thể tạo lớp bảo vệ, đồng thời cho được lớp phủ màu sắc đa dạng, bền mà các phương pháp xử lý bề mặt khác như mạ điện, mạ hóa hay nhúng nóng khó

có thể thực hiện được.

• Có thể áp dụng để tạo lớp phủ cho các kim loại hoạt động khó mạ như nhôm, magie.

Nhược điểm:

• Phạm vi ứng dụng chỉ cho 1 số kim loại và hợp kim của nó như Al,

Mg, Fe, Cu… có thể tạo được lớp oxit bền

• Oxi hóa hóa học thường cho màng không tốt, còn oxi hóa điện hóa thì cho lớp màng oxit tốt hơn nhưng cần đầu tư chi phí thiết bị và kỹ thuật hơn.

6

Oxi hóa và nhuộm màu trên nền nhôm

7

Oxi hóa nhôm và hợp kim nhôm

• Đặc điểm của vật liệu Al: trên bề mặt luôn tồn tại lớp oxit mỏng 0.02-0.1 µ m không đều nên ko thể chịu mài mòn

để làm lớp bảo vệ được Do đó cần tiến hành oxi hóa

để thu được lớp oxit dày hơn.

• Thường dùng oxi hóa điện hóa vì cho lớp phủ dày hơn: 20-30 µ m, so với oxi hóa hóa học: 3-5 µ m phương

pháp hóa học chỉ dùng cho các vật phức tạp

• Ứng dụng cho từ các dụng cụ bằng nhôm đến các vật liệu xây dựng nội thất.

8

Oxi hóa hóa học Al

• Hoàn thiện màng Al2O3

Nhúng vào dung dịch CrO3 2% trong 2-10 s để thụ động các lỗ xốp, trung hòa kiềm còn sót lại trong màng

9

Oxi hóa điện hóa Al

• Dưới dức ép của hiệu số điện thế tại hai mặt của màng oxit có sẵn trên bề mặt điện cực nhôm, các in Al3+ sẽ

sẽ di chuyển theo hướng từ cực nhôm qua màng ra dung dịch, còn ion O2- sẽ di chuyển ngược lại từ dung dịch qua màng vào điện cực nhôm , chúng tác dụng với nhau tạo thành Al2O3 tại mặt trong của màng

2Al3+ + 3O2 - → Al2O3

• Nếu dung dịch có H2SO4 thì còn có quá trình hòa tan lớp màng phía bên ngoài xảy ra song song.

Al2O3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2O

10

Kết quả là ta thu được 2 lớp màng: lớp sát với nhôm mới sinh kín, sít chặt, mỏng, gọi là lớp barie, và lớp ngoài giáp với dung dịch khá dày, sinh ra và tiếp xúc lâu với dung dịch nên bị hòa tan thành các lỗ xốp nhỏ hình phễu xuyên đến lớp barie

11

Đặc điểm của quá trình

• Trong một điều kiện nhất định thì lớp oxit cũng chỉ đạt đến một chiều dày tối đa do tốc độ quá trình hòa tan và quá trình tạo mới bằng nhau

• Thể tích riêng của nhôm oxit lớn hơn nhôm nên kích thước vật gia công sẽ thay đổi

• Quá trình anot hóa ngoài sinh ra nhôm oxit còn sinh ra O2 nên tổn thất một phần dòng điện

• Điều kiện: dd axit H2SO4 20% ,

12

Tính chất lớp oxit

Thay đổi điều kiện anot hóa Chiều dày

tối đa

Độ cứng

Độ bám, tính hấp thụ

Độ bền ăn mòn

• Màng oxyt dày, độ cứng cao sẽ nâng cao tuổi thọ cho chi tiết máy bằng nhôm và hợp kim nhôm làm việc trong điều kiện ma sát Để có chiều dày màng cỡ 300 àm có thể dùng dung dịch H2SO4 20%, nhiệt độ 1-3 oC, Da = 2,5 A/dm2 Điện thế lúc

đầu 23 V sau tăng dần lên đến 80 V, thậm chí 120 V Thời gian 3-4h tùy theo thành phần hợp kim Nhôm sạch và hợp kim Al-

Mg dễ thu được màng dày và cứng nhất.

• Oxy hóa nhôm và hợp kim nhôm có thể tiến hành bằng dòng

xoay chiều Tại nửa chu kỳ catot trên vật gia công có hydro

thoat ra Tại nửa chu kỳ anot màng oxyt đư ợc sinh ra Anot ưhóa cho đura (Al-Cu) bằng dòng xoay chiều dần dần đồng tích

tụ trong dung dịch sẽ phóng điện tại nửa chu kỳ catot làm cho màng có các vạch đen

14

Nhuộm màu nhụm sau oxi húa

• Cỏch 1:

Dùng chất màu hữu cơ truyền thống pha thành dung dịch nhuộm màu;

bề mặt nhôm vừa oxy hóa xong đư ợc nhuộm trong dung dịch màu nói ư trên Nhuộm xong phải luộc trong n ước sôi để bịt kín các lỗ xốp đã hấp ư phụ màu, tăng độ bền màu cho sản phẩm.

• Cỏch 2:

- Kết tủa một kim loại nào đó vào các lỗ xốp của màng oxyt bằng dòng xoay chiều; kim loại thường dùng là kền, coban hay thiếc Màu của màng

là kết quả của các tương tác trong quá trình nhuộm màu điện hóa này mà

có, và thay đổi thành một phổ màu khá rộng tùy thuộc vào điều kiện và thời gian điện phân.Ví dụ, nhuộm màu điện hóa bằng Sn2+ trong dung dịch H2SO4 20 g/l + SnSO4 10 g/l + phụ gia và dùng dòng xoay chiều sẽ cho dải màu rất rộng từ vàng nhạt sang nâu đến đen tùy theo mật độ dòng

điện và thời gian điện phân

15

• Bề mặt sản phẩm nhôm sau khi oxy hóa không chỉ phụ thuộc vào điều kiện tiến hành oxy hóa mà còn vào thành phần hợp kim nhôm nữa Trong khi rất nhiều loại hợp kim nhôm có thể oxy hóa để bảo vệ chống ăn mòn, thì chỉ một số ít hợp kim có thể nhuộm màu được và số hợp kim cho bề mặt sáng bóng lại còn ít hơn Vì vậy chọn quy trình oxy hóa và nhuộm màu

đúng vẫn chư a đủ mà còn phải phù hợp với từng loại nhôm và ưhợp kim nhôm nữa

16

Oxi hóa magie và hợp kim magie

17

Magie và hợp kim magie rất nhẹ, nhẹ hơn hợp kim nhôm 25- 30%, nhưng lại chịu lực tốt hơn hợp kim nhôm Điều đó có

nghĩa có thể chế tạo những chi tiết có độ bền lực cao mà khối lượng rất nhẹ như đối với các thiết bị điện tử, thiết bị hàng không và các thiết bị cao cấp.

Oxi húa magie và cỏc hợp kim của chỳng

• Nh ưng mage và hợp kim của nó dễ bị ăn mòn Màng oxyt tự ưnhiên quá mỏng, không đủ kín nên không bảo vệ đ ược chúng khỏi ư

ăn mòn Oxy hóa sẽ nâng cao đư ợc tính bảo vệ cho chúng, tuy ưnhiên vẫn không thể sử dụng chúng trong các môi tr ường xâm ưthực mạnh đư ợc Lớp oxy hóa trên mage và hợp kim mage có thể ưthu đư ợc bằng ph ương pháp hóa học hay điện hóa.ư ư

18

• Khi oxy hóa hóa học, mage

bị hòa tan mạnh, làm thay

đổi kích thư ớc của vật sau ưkhi oxy hóa Khi oxy hóa trên anot sẽ cho màng cứng

và chịu va đập

Oxi hóa hóa học Mg & hợp kim Mg

• Oxi hóa học Mg và hợp kim của nó thường tiến hành trong dd K2Cr2O7, môi trường axit Mg kim loại bị oxi hóa tạo lớp màng oxit bám lên bề mặt Thành phần của lớp màng tùy vào thành phần của hợp kim

mà tạo nên các oxit và muối kim loại khác trên bề mặt nên có các màu sắc khác nhau từ vàng kim đến xám hoặc đen

• Nói chung lớp màng này không quá bền, nên chỉ dùng để bảo vệ vật liệu trong môi trường ít ăn mòn

và mang tính trang sức là chính.

19

Dung dịch oxi hóa hóa học Mg vag hợp kim Mg

NH4Cl CrO3 (NH4)2SO4 CH3COOH 60%, ml/l PhÌn nh«m

Nhiệt độ, oC Thời gian, ph

40-50 75-90 0,8-1,2 - - - - 70-80 1-2

20-25 30-35 1-1,5 - - - - 70-80 1-2

150-160 - - 1-3 2-4 10-20 - 60-80 1-2

30-50 - - - - 5-8 8-12 - -

20

Oxi hóa điện hóa Mg& hợp kim Mg

• Oxi hóa điện hóa với vật liệu Mg nằm ở anot Tại đây

Mg sẽ bị oxi hóa do bị anot hóa tạo nên lớp màng oxit Môi trường trong dung dịch có thể là axit hoặc bazo

• Nếu trong môi trường axit thì cần mật độ dòng cao vì cần chia cho quá trình thoát hidro ngoài quá trình tạo màng oxit Các sản phẩm là các muối và hidroxyt khó

tan Có thể dùng dòng 1 chiều hoặc xoay chiều.

• Nếu môi trường kiềm thì sẽ thu được màng magie hidroxyt

• Sau khi oxi hóa thì rửa kỹ, sấy khô, rồi phủ sơn lên.

21

Oxi húa điện húa cho Mg và hợp kim Mg

Thành phần dd (g/l) Dung dịch số

NaOH Na3PO4 Phenol Na2O.SiO2 HBF

H3PO4 KF

Da , A/dm2 Nhiệt độ, oC Thời gian, ph

Điện thế, V

140-160 - 3-5 21-25 - - - 0,5-1,0 60-70 30 -

50 3 - - - 1,5 70 40 -

- - - 60-80 300-400 100-120 5 70-80 30-40 70-90

- - - - 300-400 - 5 15-30 20-40 120-150

-22

Oxi hóa gang & thép

23

Oxi hóa gang&thép

24

Phạm vi ứng dụng:

ứng dụng rộng rãi cho gang thép để chống ăn mòn và làm đẹp bề mặt, từ xoong nồi, cho đến các thanh thép xây dựng, ống nước, các dụng cụ cơ khí

Oxi hóa thép & gang

• Có thể dùng gia công hóa học trong dung dịch kiềm hay axit hoặc gia công điện hóa trên anot trong dd kiềm hoặc axit cromic; nhiệt độ gia công khá cao ( 400-800oC)

• Phương pháp hóa học được dùng phổ biến, cho màng màu đen dày 1,5 µm dùng để bảo vệ và trang sức trong môi

trường ăn mòn nhẹ Tiến hành trong dd kiềm hoặc axit photphric để tạo màng sắt oxyt-photphat ( màng này bền cơ

và ăn mòn hơn màng thu từ dd kiềm và thường làm nền cho sơn rất tốt)

• Oxi hóa điện hóa tiến hành trên anot trong dd kiềm Lớp phủ này tốt hơn so với phương pháp phủ hóa nhưng ít được dùng

vì cần đầu tư thiết bị và tốn nhiều công sức hơn

25

Oxi hóa hóa học cho gang & thép

• Trong dung dịch kiềm khá đặc, có mặt chất oxi hóa và nhiệt

độ cao sắt sẽ hòa tan và tạo Na2FeO2:

Fe + O + 2NaOH = Na2FeO2 + H2O

• Do nồng độ chất oxi hóa cao nên Fe2+ bị oxi hóa thành Fe3+ và Na2FeO2 chuyển thành Na2Fe2O4 Hai muối này tác dụng với nhau thành sắt oxit Fe3O4 :

Na2FeO2 + Na2Fe2O4 + 2H2O = Fe3O4 + 4NaOH

• Oxit sinh ra phủ kín toàn bộ bề mặt, tăng nồng độ chất oxi hóa sẽ làm màng mỏng nhưng kín Tăng nồng độ kiềm sẽ làm màng dày nhưng xốp Khuấy dd hay ở nhiệt độ thấp sẽ cho màng dày và xốp

26

Oxi hóa hóa học gang & thép

• Khuấy dung dịch hay ở nhiệt độ thấp thì cho màng tơi xốp, đôi khi sinh ra các hydroxit sắt 3 tạo thành các vệt nâu đỏ

• Để lớp màng dày (2-3µm) và không có các vệt sắt hydroxit thì phải tiến hành oxi hóa liên tiếp qua 2 dung dịch: dd đầu có nồng độ kiềm thấp hơn bình thường cho màng thụ động mỏng làm kim loại tan chậm đi, dd 2 có nồng độ kiềm đặc tiếp tục phát triển màng oxit mà không sinh ra lớp hydroxit

• Nitrat, nitrit và clorat được dùng làm chất oxi hóa Nitrat cho màng màu đen, mờ, tính bảo vệ tốt Nitrit cho màng đen

bóng ánh xanh nhưng tính bảo vệ kém hơn Clorat cho màng màu đen nhánh

27

• Dung dịch vạn năng để oxi hóa tiếp gang thép như sau:

NaOH 500-550 g/l NaNO350-100 g/l NaNO2200-250 g/l

• Chế độ oxi hóa thay đổi theo mác thép như sau:

Thép cacbon trung bình 135-145 oC trong 30-50 ph Thép cacbon thấp 145-155 oC trong 40-60 ph Thép hợp kim thấp và trung bình 145-155 oC trong 60-90 ph

• Tại nhiệt độ trên nước sẽ bay hơi, dd sẽ đặc dần nên ts cũng tăng dần Do đó cần điều chỉnh nếu ts tăng cần thêm nước, nếu ts giảm thì thêm NaOH.

• Màu lớp màng chỉ đen thẫm khi dung dịch đã tích tụ 1 ít muối Fe, vì thế dung dịch pha chế xong phải treo các tấm thép vào bể và xử lý trong vài giờ Nếu màng vẫn có màu đen –lục thì phải thêm chất oxi hóa

28

Oxi hóa hóa học gang & thép

• Bể làm việc 1 thời gian sẽ có nhiều cặn sắt hydroxit nên cần thay định kỳ.

• Sau khi oxi hóa, rửa sạch kiềm bằng dầu hoặc nước

xà phòng trong 2-3 phút ở 90oC rồi sấy khô và tẩm dầu nóng 100-110oC hoặc lau bàng khăn tẩm dầu.

• Pha chế dung dịch: NaOH đặt vào trong giỏ sắt treo vào bể làm việc đã chứa sẵn nước, lắc hay khuấy cho tan hết, thêm chất oxy hóa vào dung dịch, khuấy đến tan hết

29

Oxi hóa hóa học gang & thép

Oxi hóa điện hóa cho thép.

• Lớp này so với lớp dùng phương pháp hóa học thì dày hơn, ít xốp hơn Trước khi oxi hóa thì phải tẩy dầu mỡ , hoạt hóa và gia công anot trong

dd K2Cr2O7 5% ở 45-55 oC trong 10-15 ph với Da = 3-5 A/dm2

• Dung dịch kiềm :

NaOH 350-600 g/l

DA 3-5 A/l nhiệt độ 65-80oC thời gian 10-30 ph

• Dung dịch:

CrO2 150-250 g/l HBF4 1-2 g/l

DA 5-10 A/dm2 nhiệt độ 4-50oC thời gian 1-15 ph

30

Lớp phủ oxytưphotphat cho thộp

Thành phần (g/l) dung dịch

và chế độ làm việc

Dung dịch số

Ca(NO3)2 Ba(NO3)2 MnO2

H3PO4 Nhiệt độ, oC

10-20 1-394-98

80-10011,8-12,20,5-2,594-98

-15-330-0,5-1,00,5-1,098-100

80-10010-154-598-100

-Màng oxit-photphat chống ăn mũn, gắn bỏm, bền cơ tốt hơn màng oxit bỡnh thường

31

Lớp phủ oxit­photphat cho gang&thép

• quá trình hình thành màng oxit-photphat luôn kèm theo quá trình thoát hidro nên quá trình hoàn thành khi khí ngừng

thoát

• Quy trình gia công: tẩy dầu mỡ, rửa axit hay phun cát, rửa trong H3PO4 8-10 g/l ở to phòng và lập tức đa oxi hóa ngay, oxi hóa, rửa lạnh, rửa nóng, luộc nóng trong nước xà phòng sôi 2-3 phút, sấy, tẩm dầu, lau hết dầu thừa

• Pha chế dung dịch: Ca(NO3)2 hòa tan trong nước lạnh, còn Ba(NO3)2 trong nước nóng và khuấy mạnh MnO2 cho vào túi vải đặt xuống đáy bể Kiểm tra dung dịch qua nồng độ axit

tự do và nitrat

32