NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của một số THÔNG số CÔNG NGHỆ tới CHẤT LƯỢNG lớp mạ KHI CHẾ tạo đá mài KIM CƯƠNG và CBN BẰNG PHƯƠNG PHÁP mạ điện

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỚI CHẤT LƯỢNG LỚP MẠ KHI CHẾ TẠO ĐÁ MÀI KIM CƯƠNG VÀ CBN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN STUDY ON INFLUENCE OF SOME TECHNOLOGICAL PARAMETER

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỚI CHẤT LƯỢNG LỚP MẠ KHI CHẾ TẠO ĐÁ MÀI KIM CƯƠNG VÀ CBN

BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN

STUDY ON INFLUENCE OF SOME TECHNOLOGICAL PARAMETERS TO THE QUALITY OF PLATING LAYER IN MANUFACTURING DIAMOND AND CBN

GRINDING WHEEL WITH ELECTROPLATING METHOD

Bùi Thế Hùng (1a) , Trần Thị Vân Nga (2b) , Trương Hoành Sơn (3c)

TÓM TẮT

Đá mài CBN và đá mài kim cương với những đặc tính mài nổi bật của nó như có khả năng mài vật liệu có độ cứng cao, hệ số mài lớn, khả năng chịu nhiệt cao đang được sử dụng rất phổ biến trong các nguyên công mài, đặc biệt là mài định hình Trong đó, đá mài CBN liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện có thể chế tạo ra được các loại đá mài đặc biệt như đá mài định hình, đá mài có chiều dày mỏng dưới 1mm Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo đá mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện đang là một trong những vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu trong công nghiệp chế tạo đá mài Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình mạ điện đến chất lượng lớp mạ cũng như khả năng bám dính của hạt mài khi tạo cầu liên kết bằng phương pháp mạ điện Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng chất lượng lớp mạ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ mạ, mật độ dòng điện, độ

pH của dung dịch và thời gian mạ Các kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra rằng chất lượng lớp mạ tốt được tạo ra khi nhiệt độ mạ từ 50-60C, điện áp dòng điện mạ 12V, cường độ dòng điện

mà 79 A/dm2, độ pH dung dịch mạ 4

Từ khóa: đá mài CBN, cầu liên kết, mạ điện, mật độ dòng điện mạ, chiều dày lớp mạ,

điện áp mạ

ABSTRACT

CBN and diamond grinding wheel with prominent grinding characteristics as capable of high-strength materials, large grinding ratio, high-heat resistance are used very commonly in the grinding proces especially in shaped grinding In CBN grinding wheel with metal bonded

by electroplating method can be manufacture special grinding wheels as shaped grinding wheel, thin grinding wheel which has a thickness smaller than 1mm Therefore, the studing and manufacturing of grinding wheel with metal bonded by electroplating method is one of the problem which is caring in grinding wheel manufacturing This paper presents some results of studing on the influence of the plating parameters to the quality of electroplated plating layer as well as the adhesion ability of abrasive grain with metal bonded bridge by electroplating Experimental results show that the plating quality depends heavily on temperature plating, electric current density, pH and duration of plating solution The experimental results also show that good plating layer is created at heat of solution from 50-60C, plateing voltage 12V, plating current density of 79 A / DM2, solution pH plating 4

Keywords: CBN Grinding wheel, Bond bridge, Electroplating, Plating current density,

Plating thickness, Plating voltage

1 GIỚI THIỆU VỀ ĐÁ MÀI LIÊN KẾT KIM LOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN

Đá mài kim cương và đá mài CBN là những đá mài sử dụng vật liệu hạt mài siêu cứng

Do các hạt mài có độ cứng cao nên các loại đá này được sử dụng rất rộng rãi trong sản xuất nói chung và trong gia công cơ khí nói riêng Đá mài kim cương và đá mài CBN có thể được chế tạo bằng phương pháp thiêu kết với chất dính kết là kim loại và chất thủy tinh hóa, bằng phương pháp lưu hóa với chất liên kết nhựa hoặc bằng phương pháp mạ điện với chất liên kết

là kim loại Trong đó, đá mài chế tạo theo phương pháp mạ điện có các ưu điểm như: thời gian chế tạo nhanh, không mất thời gian sửa đá, có thể chế tạo được các đá mài có hình dáng phức tạp, đá mài có chiều dày mỏng và giá thành chế tạo rẻ hơn các phương pháp khác Đá mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện đã được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng rộng rãi ở các nước có nền chế tạo cơ khí phát triển [1], [2], còn ở nước ta vẫn còn hạn chế Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số của quá trình mạ đến sự hình thành cầu liên kết trong đá mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện trên

phương diện sự hình thành cầu liên kết giữa các hạt mài

2 SỰ HÌNH THÀNH CẦU LIÊN KẾT TRONG ĐÁ MÀI LIÊN KẾT KIM LOẠI BẰNG MẠ ĐIỆN

2.1 Cầu liên kết trong đá mài

Trong các đá mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện, thường chỉ một hoặc vài lớp hạt mài được dính kết trên bề mặt lõi đá mài Khác với cầu liên kết trong các đá mài được chế tạo bằng phương pháp thiêu kết, cầu được hình thành bằng sự nóng chảy khi thiêu kết làm cho các hạt mài liên kết với nhau thành một khối như Hình 2.b thì cầu liên kết kim loại giữa

Hình 3 Kết quả chụp SEM của mặt điện [3]

a) Đá mài mạ điện b) Đá mài thiêu kết

Hình 2 Cầu liên kết trong đá mài

Cầu liên kết

Hạt mài Hạt mài

Cầu liên kết

Hình 1 Đá mài liên kết kim loại bằng mạ điện

các hạt mài được hình thành bằng phương pháp mạ điện như được chỉ ra trên Hình 2.a Theo phương pháp này, để nâng cao khả năng liên kết của hạt mài với lõi kim loại, một lớp kim loại

sẽ được mạ lót trước gắn hạt mài lên bề mặt lõi kim loại như Hình 3 [3] Các hạt mài sau đó được “gắn” sơ bộ lên bề mặt lõi kim loại bằng phương pháp mạ điện, sau đó chúng sẽ được gắn chặt với lõi kim loại và liên kết với nhau bằng các cầu liên kết kim loại cũng được tạo ra bằng phương pháp mạ điện Mức độ liên kết bền vững của hạt mài trên bề mặt đá sẽ phụ thuộc vào: mức độ bám dính của kim loại mạ với bề mặt lõi đá mài; sự bám dính giữa cầu liên kết kim loại với lõi và khả năng neo giữ các hạt mài của cầu liên kim loại được tạo ra Kim loại tạo cầu liên kết được sử dụng là các kim loại đáp ứng được hai yêu cầu: có khả năng dính kết cao với kim loại lõi và với hạt mài Niken là kim loại đáp ứng được hai yêu cầu này và đang được sử dụng rộng rãi Niken có độ bám dính tốt với kim cương và CBN tuy nhiên với lõi đá mài thì còn phụ thuộc vào kim loại được sử dụng và chất lượng bề mặt được xử lý trước

khi mạ [4]

2.2 Chiều dày lớp kim loại mạ

Chiều dày lớp kim loại hình thành bằng phương

pháp mạ điện phân được xác định dựa theo công thức [4]:

m=K.I..t Trong đó:

m: khối lượng chất thoát ra sau t giờ, biểu thị ra gam

t: thời gian mạ tính theo giờ (h)

K: đương lượng điện hóa tính theo g/A.h

I: cường độ dòng điện mạ tính theo ampe (A)

: hiệu suất dòng điện mạ

Như vậy, bằng phương pháp mạ điện, chiều dày lớp

mạ (hay còn gọi là kích thước cầu liên kết) sẽ được điều

chỉnh bằng cách thay đổi các thông số công nghệ của quá

trình mạ điện

3 THÍ NGHIỆM CHẾ TẠO CẦU LIÊN KẾT BẰNG

PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN

3.1 Thiết bị thí nghiệm

Để tạo ra được lớp mạ theo ý muốn, thiết bị thí nghiệm phải được thiết kế phải đảm bảo

có thể điều chỉnh được các thông số công nghệ của quá trình mạ như cường độ dòng điện I,

Thiết bị thí nghiệm được thể hiện trên Hình 4

3.2 Xác định thông số thí nghiệm

C45 Bề mặt chi tiết mạ được gia công đạt độ nhẵn bóng cấp 7

Vật liệu hạt mài: Hạt mài dược chọn làm thí nghiệm là hạt mài SiC có độ hat #120 (đường kính khoảng 100µm) Hạt mài được để tự do trong bề mạ và được khuấy cùng với dung dịch mạ trong quá trình mạ

Các thông số quá trình mạ: Các thông số của quá trình mạ được thể hiện ở Bảng 1 và 2 Quá trình mạ: Được thực hiện theo quy trình được chỉ ra trên Hình 5

Hình 4 Thiết bị mạ

Bảng 1 Thành phần dung dịch mạ composite Ni-SiC

Niken Sunfat (NiSO4.6H2O) Niken Clorua (NiCl2 6H2O) Axít boric (H3BO3) Sáckarin Butandiol-1,4 Hạt SiC (cỡ 100 ÷ 120 µm)

250

60

40

3 0.5

100

Bảng 2 Các mức thay đổi của các thông số thí nghiệm

3.3 Tiến hành thí nghiệm và thu thập kết quả

Quá trình mạ hạt được tiến hành qua hai giai đoạn Đầu tiên là mạ lớp thứ nhất với mục đích tạo sự bám dính giữa hạt mài với lõi, sau đó tiến hành quá trình mạ lần thứ 2 để đạt được lớp mạ cần thiết Quá trình mạ được thực hiện với các thông số công nghệ khác nhau để có thể có được kết quả đánh giá chất lượng lớp kim loại mạ cũng như khả năng tạo cầu liên kết theo phương pháp mạ điện Sau khi mạ, vật mạ được làm sạch Chất lượng lớp mạ được đánh

Xử lý sơ bộ

Rửa

Làm sạch bằng axit

Mạ lần thứ 1

Mạ lần thứ 2

Kiềm

Nước nóng

Axit sulfuric

Cố định hạt mài

Lấp hạt mài

Hình 5 Sơ đồ mạ điện

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

4.1 Khả năng hình thành cầu liên kết giữa các hạt mài cũng như với lõi kim loại

a) b)

Hình 6 Ảnh SEM của bề mặt đá mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện

Kết quả của quá trình mạ điện để tạo cầu liên kết được chỉ ra trên Hình 6 Có thể thấy rằng các hạt mài đã được liên kết với nhau và liên kết với lõi để tạo thành một lớp đá mài trên

bề mặt lõi kim loại, như được chỉ ra trong Hình 6.a Hình 6.b cho thấy hạt mài đã được phủ một lớp kim loại có chiều dày khoảng từ 30-50 µm và có thể quan sát chứng tỏ hạt mài bám dính tốt với chất dính kết kim loại

4.2 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ mạ đến chất lượng lớp mạ

4.2.1 Ảnh hưởng của dòng điện

Dòng điện mạ ảnh hưởng nhiều đến chất lượng lớp mạ vì nó quyết định đến lượng Niken được kết tủa trên bề mặt chi tiết mạ 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

Dc = 7 A/dm2 Dc = 9A/dm2

Hình 7 Bề mặt đá mài khi mạ với mật độ dòng điện và pH=4, T=50 0 C,

thời gian mạ t= 30 phút

dòng điện khác nhau được chỉ ra trên Hình 7 Có thể thấy khi mật độ dòng điện nhỏ Dc =

Trong khi đó, độ dày lớp mạ tăng lên theo cường độ dòng điện và bề mặt mạ sáng bóng khi

thì chất lượng bề mặt mạ vẫn đẹp, sáng nhưng chiều dày lớp mạ lớn và gần như “chôn lấp” hết các hạt mài bám trên bề mặt đá do lượng Niken được giải phóng ra tăng lên nhiều so với khi mạ dòng nhỏ hơn

4.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ mạ ảnh hưởng lớn đến sự hình thành lớp mạ Khi 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 hòa tan Nhưng 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 Ở điều

`

4.2.3 Ảnh hưởng của độ pH

Độ pH của bể mạ ảnh hưởng đến điện thế phóng điện hydro, đến lượng chất kiềm lẫn vào lớp mạ, đến thành phần phức hay thành phần hydrat của ion kim loại kết tủa, đến phạm vi hấp phụ của chất phụ gia Vì không thể dự đoán được hết các yếu tố này nên dải pH tốt nhất cho bể mạ dựa vào thực nghiệm Các kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, khi độ pH của dung dịch thấp (pH=3) sẽ làm cho quá trình giòn hydro tăng lên, hydro lẫn vào lớp mạ ảnh hưởng xấu đến cơ tính của lớp mạ như trên Hình 9.a Lớp mạ thu được có màu sẫm tối Ở độ pH=4, bề mặt lớp mạ thu được sáng, đẹp (Hình 9.b) Nhưng pH tăng cao (pH=5) sẽ làm dung dịch kiềm hóa, làm giảm hiệu suất dòng điện thậm chí thoát khí oxy/clo trên điện cực và làm cho chất lượng lớp mạ xấu, bề mặt bị đen như trên Hình 9.c

c) T = 50 0 C

Hình 8 Ảnh hưởng của nhiệt độ mạ đến chất lượng lớp mạ

(pH = 4, Dc = 7A/dm 2 và t = 15 phút)

d) T = 60 0 C

a) pH = 3 b) pH = 4 c) pH = 5

Hình 9 Bề mặt lớp mạ với độ pH khác nhau

5 KẾT LUẬN

Từ các kết quả thí nghiệm và thảo luận, một số kết luận được rút ra là:

Có thể sử dụng phương pháp mạ điện bằng dung dịch Watts để tạo ra sự liên kết giữa các hạt mài với nhau và với lõi kim loại

Chất lượng lớp mạ phụ thuộc vào nhiệt độ mạ, mật độ dòng điện, độ pH của dung dịch

mạ Chất lượng lớp mạ trong điều kiện thực hiện thí nghiệm được tạo ra có chất lượng tốt khi

dung dịch mạ là 4, trong điều kiện này có thể tạo ra được chiều dày lớp mạ từ 3050m với thời gian mạ 15-30 phút

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Kunio Nishihara, Hiromichi, Onikura, Osamu Ohnishi (2005), Fabrication of Ni-W Electroplated Micro Diamond Grinding Tools and Their Application to Grooving in

Silicon, International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21 st Century, p

1241-1245

[2] K Sato, K Suzuki, T Yokoyama (1996), Production of Electrodeposited Diamond

Wheels and Grinding Performance for Hard Metals and Ceramics, Journal of Materials Processing Technology Vol 62, p 303-308

[3] Trần Thị Vân Nga, Trương Hoành Sơn, Trần Vĩnh Hưng (2015), Nghiên cứu chế tạo đá mài đơn lớp và bước đầu nghiên cứu chế tạo đá mài CBN bằng phương pháp mạ điện,

Tạp chí Khoa học công nghệ - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội số 27, p 130-133

[4] Trần Minh Hoàng (2010), Mạ kền – lý thuyết và ứng dụng, NXB Bách Khoa – Hà Nội [5] Nguyễn Văn Lộc (2012), Công nghệ mạ đặc biệt, NXB Bách Khoa – Hà Nội

[6] Nguyễn Văn Lộc (2010), Sổ tay công nghệ mạ điện, NXB Bách Khoa – Hà Nội

THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ

1 Bùi Thế Hùng Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ, Hải Dương, Việt Nam

Email:bhungct@gmail.com Điện thoại: 0902134222

2 Trần Thị Vân Nga Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Hà Nội,

Việt Nam Email: ngattv@utc.edu.vn, Điện thoại: 0913596858

3 Trương Hoành Sơn Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam,

Email: son.truonghoanh@hust.edu.vn, Điện thoại: 0904241165