Thiết kế phân xưởng mạ đùi xe đạp

1.2 Quá trình catot 1.2.1 Quá trình chính Dung dịch mạ thường là muối của các kim loại trong môi trường kiềm hay axit, vì vậy khi mạ từ dung dịch nước có chứa muối kim loại tương ứng qu

LỜI NÓI ĐẦU

Mạ điện là một trong những phương pháp rất hiệu quả để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn trong môi trường xâm thực và trong khí quyển Các vật mạ điện có giá trị trang sức cao, ngoài ra còn có độ cứng, độ dẫn điện cao được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất thiết bị điện, ô tô, xe đạp, xe máy, dụng cụ y tế… Ở các nước công nghiệp, ngành mạ điện phát triển rất mạnh Ở nước ta ngành mạ điện luôn được hoàn thiện để đáp ứng được nhu cầu ngày càng phát triển của công nghiệp Mấy năm gần đây, những kỹ thuật mói công nghệ mới về mạ điện đặc biệt

là mạ trang sức, mạ giả vàng, mạ phi kim loại, mạ phức hợp, mạ điện di có nhiều thành quả nghiên cứu và ứng dụng phong phú.

SỐ LIỆU BAN ĐẦU CHO BẢN THIẾT KẾ

Bảng 1 Đặc tính vật cần mạ

Bản vẽ số Tên vật mạ Vật liệu Số lượng cần mạ

Cái / năm

Kích thước

Diện tích mạ

Cái / năm

Phế phẩm 5%

Kế hoạch sản xuất P n

Số khung

mạ trong một bể

Nghỉ lễ, Ngày/năm

Quỹ thời gian sửa chữa 5%

thời gian sản xuất, Ngày/năm

Thời gian sản xuất thực tế, ngày/năm

Kế hoạch sản xuất theo ngày P n , Chi tiết/ngày

GIỚI THIỆU SẢN PHẨM MẠ

Chiếc xe đạp được phát minh ra ở Châu Âu và được nhập vào nước takhoảng đầu thế kỉ XX Xe đạp là phương tiện giao thông chuyển động bằng sứcngười, cấu tạo đơn giản, dễ điều khiển, rất thuân lợi cho việc đi lại

Cấu tạo xe đạp gồm các bộ phận như: Khung xe, bàn đạp, trục giữa, ổ bi

giữa, xích, líp, vành xe, ghi đông, yên xe, đùi xe đạp ….Các bộ phận của xe đạp

chủ yếu được làm bằng kim loại ( thép ), vì vậy sau khi sản xuất chúng dễ bị ănmòn bởi môi trường làm giảm tuổi thọ của các bộ phận cũng như như vẻ đẹp thẩm

mỹ Bợi vậy nhà thiết kế đã nghĩ ra tạo lên các bộ phận khác nhau với các lớp mạkhác nhau để tăng tuổi thọ chống ăn mòn và tăng vẻ đẹp thẩm mỹ Ví dụ như: Gác

đờ bu, ghi đông chọn lớp mạ Cu-Ni-Cr, Đùi xe đạp chọn lớp mạ kẽm cromat hóa.Trong đồ án môn học này em xin trình bày quy trình công nghệ mạ đùi xe đạp vớilớp mạ kẽm, sau khi mạ xong tiến hành cromat hóa để nâng cao khả năng bảo vệ và

vẻ đẹp của chi tiết Lớp mạ kẽm sau khi cromat hóa sẽ hình thành một lớp màngthụ động có vai trò ngăn cách nền của chi tiết với môi trường để bảo vệ chi tiếtkhông bị ăn mòn Đó là lý do tại sao chi tiêt đùi xe đạp người ta chọn lớp mạ kẽm

Xe đạp chúng ta dùng trong môi trường khí quyển bình thường nên tốc độ ănmòn từ 1 – 1,5 µm/năm Tùy theo thời hạn bảo vệ mà người ta chọn chiều dày lớp

mạ khác nhau Trong đồ án môn học này em chọn lớp mạ dạy 20µm để chi tiếtđược bảo vệ khoảng 10 – 11 năm

Hình 1 Đùi xe đạp

Chương 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH MẠ ĐIỆN

1.1 Khái niệm chung về mạ điện

Mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ cónhững tính chất cơ, lý, hóa… đáp ứng được các yêu cầu mong muốn Lớp mạ điện

có thể để trang sức, để bảo vệ, chống ăn mòn, tăng cứng, phục hồi kích thước…Điện năng được cung cấp bằng nguồn điện 1 chiều Chi tiết mạ là catot được nốivới cực âm của nguồn, là nơi xảy ra quá trình khử Anot nối với cực dương củanguồn, là nơi xảy ra quá trình oxy hóa

Anot dùng trong mạ điện có thể là anot hòa tan như trong quá trình mạ:

Cu, Ni, Zn…Chỉ có một số trường hợp là dùng không hòa tan như trong mạ Cr…dùng anot chì(5%-8%Sb) không hòa tan

1.2 Quá trình catot

1.2.1 Quá trình chính

Dung dịch mạ thường là muối của các kim loại trong môi trường kiềm hay axit, vì vậy khi mạ từ dung dịch nước có chứa muối kim loại tương ứng quá trình quá trình điện hoá xảy ra như sau:

- Electron từ catôt điền vào vành điện tử, hoá trị của cation biến nó thànhnguyên tử kim loại trung hòa ở dạng phóng điện.

- Các nguyên tử kim loại này hoặc tạo thành mầm tinh thể mới, hoặc thamgia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó Mầm lớn phát triển thành tinh thể kếtthành lớp mạ

+ Môi trường axit và trung tính.

2H2O  O2+4H+ + 4e

+ Môi trường kiềm.

4OH- 2H2O + O2 + 4eCác ion kim loại đi vào dung dịch mạ, còn khí thoát ra trên anôt Electron đượcchuyển vào mạch qua nguồn điện trở về catôt

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ LỚP MẠ KẼM

2.1 Giới thiệu về kim loại mạ

Kẽm, ký hiệu Zn, là kim loại trắng xám, giòn ở nhiệt độ thường, dẻo ở 100 –

150oC, nhiệt độ nóng chay ở 450oC, khối lượng riêng là 7,2 g/cm3 Đương lượngđiện hóa của Zn2+ 1,129g/Ah Độ cứng của kẽm mạ điện 490 – 588MPa Điện thếtiêu chuẩn -0,76 V Trong các dung dịch mạ điện thế cân bằng của kẽm âm hơn:-0,80 V trong dung dịch axit, -125 V trong dung dịch mạ xyanua

Kẽm là kim loại hoạt động, là chất khử mạnh Kẽm bền trong không khí ẩm,trong nước ngọt, trong đất Kẽm dễ tan trong axit, trong kiềm Kẽm không bềntrong khí công nghiệp ( chưa hợp chất S , CO2 ) rất không bền trong môi trườngkhí hậu biền Tốc độ ăn mòn kẽm mỗi năm ở nông thôn khoảng 1-1,5µm , vùngcông nghiệp từ 6÷8µm

Lớp mạ kẽm khá dẻo, chịu uốn, bẻ, cán dát tốt Kẽm mới mạ dễ hàn, chỉ cầnhoạt hóa bằng nhựa thông, lớp mạ dùng lâu phải dùng axit hoạt hóa mới hàn được.Lớp mạ kẽm trên nền sắt, thép, đồng … là lớp mạ anot, nên nếu lớp mạ bị xước hởnền kim loại ra thì kim loại nền vẫn được bảo vệ chừng nào lớp mạ kẽm chưa bịmòn hết Nhưng nếu làm việc trên 70oC thì lớp mạ kẽm là lớp mạ catot so với thép,nên thép bị ăn mòn còn kẽm thì không Lớp mạ kẽm không bền với nhựa tổng hợp,dầu mau khô…

Mạ kẽm có thể thực hiện bằng nhiều cách : nhúng nóng, phun, nhiệt khuếchtán, mạ điện Mỗi cách có những đặc điểm riêng, phạm vi ứng dụng riêng, làmcho mạ kẽm thêm phong phú Tùy yêu cầu của sản phẩm mà chọn phương pháp mạ

và chiều dày lớp mạ cho phù hợp Phương pháp mạ điện thường cho chiều dày lớp

mạ kẽm từ 5 – 30 µm; phương pháp nhúng nóng cho từ 50 – 200 µm Trong đề tàinày chúng ta chỉ nghiên cứu phương pháp mạ điện

Chiều dày lớp mạ kẽm theo quy chuẩn của nhà nước thường dao động trong

giới hạn sau : ( Sách Công Nghệ Mạ điện- Trần Minh Hoàng- trang 62 )

+Trong môi trường ăn mòn rất mạnh là 36 ÷ 42µm

+Trong môi trường ăn mòn mạnh là 25÷30µm

+ Trong môi trường ăn mòn trung bình là 12÷15µm.

+ Trong môi trường ăn mòn yếu là 3÷5µm

2.2 Các loại dung dịch mạ

2.2.1 Mạ kẽm trong dung dịch axit

Dung dịch axit để mạ kẽm chính là dung dịch mạ đơn, thường dùng là dungdịch sunfat, rồi đến dung dịch clorua, dung dịch floborat Đặc điểm chung của cácdung dịch này là : kẽm tồn tại dưới dạng ion đơn đã hydrat hóa, cho độ phân cực bé

khi phóng điện, dung dịch ổn định, cho phép dùng D c lớn, nhất là khi dung dịchđược khuấy mạnh, hiệu suất dòng điện lớn (ngay cả khi nồng độ axit cao) Nhượcđiểm chung của các dung dịch này là : cho lớp mạ có tinh thể thô, khả năng phân

bố PB kém, nên chỉ dùng để mạ cho vật có hình thù đơn giản như dây, băng,

tấm…

Một số dung dịch mạ axit thường gặp:

+ Mạ kẽm từ dung dịch kẽm sunfat

Bảng 4 Thành phần dung dịch mạ kẽm sunfat Thành phần (g/l)

2.2.2 Mạ kẽm từ dung dịch phức

Dung dịch phức (thường có môi trường kiềm hay trung tính) phổ biến nhất làdung dịch xyanua, rồi đến dung dịch amoniacat, zincat, pyrophophat Đặc điểmchung của nhóm dung dịch này là kẽm nằm dưới dạng ion phức, phóng điện vớiphân cực catot lớn, cho lớp mạ mịn, khả năng phân bố tốt nên mạ được cho các vật

mạ có hình thù phức tạp Khuyết điểm chung của nhóm dung dịch này là làm việc ít

ổn định, mật độ dòng điện làm việc bé, nếu tăng mật độ dòng điện thì hiệu suấtdòng điện sẽ giảm (đường 3, hình 2.4)

Dung dịch xyanua đặc trưng cho nhóm dung dịch phức, nên ta sẽ tập trungnghiên cứu kỹ dung dịch này để làm cơ sở tìm hiểu, nghiên cứu các dung dịch phứckhác khi cần thiết

Bảng 6 Quy trình mạ kẽm và phân bố số đơn nguyên bể

Số đơn nguyên bể Hóa chất Nồng độ

1

Na3PO4.12H2OChất HĐBM

4 Tẩy gỉ HClUrotropin

150 g/l

40 g/l phòng 5 1 (*)

NH4ClGelatin

ic 3,5 A/dm2

pH = 8

1002501,5

phòng

21 4 (*)

2.3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

- Vật mạ sau khi nhập về cần phải kiểm tra và gia công cơ học

- Lắp vật mạ lên giá, đưa vào bể tẩy dầu mỡ để làm sạch hết dầu mỡ bám trên bềmặt vật mạ

- Cho vật mạ đi qua các bể rửa 2,3 để rửa trôi các vết dầu mỡ còn bám lại.

- Sau đó, đưa tiếp vào bể tẩy dầu điện hóa, tại đây các vết dầu mỡ bám chặt dưới

tác dụng của dòng điện sẽ bị tách ra khỏi bề mặt vật mạ

- Sau đó vật mạ được đưa sang bể rửa 5, 6 để làm sạch lần cuối

- Vật mạ được cho vào bể tẩy nhẹ để lấy đi lớp oxyt mỏng trên bề mặt vật mạ.

- Sau đó cho qua bể rửa để rửa sạch và tránh việc đưa hóa chất từ bể này sang bể

khác

- Sau khi rửa xong treo vật mạ vào bể mạ kẽm.

- Mạ kẽm xong nhấc khung catot treo vật mạ vào bể rửa 12, 13 để làm sạch hóa chất trên bề mặt vật mạ

- Sau đó khung catot được nhấc sang bể cromat hóa để tiến hành hoàn thành lớp mạkẽm ( tạo lớp màng thụ động)

- Cromat hóa xong nhấc khung catot cho sang bể 15, 16 để rửa sạch vật mạ

- Rửa xong tháo vật mạ đem đi sấy khô

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 3.1 Diện tích của vật mạ

Hình 2 Đùi xe đạp Đùi xe đạp có chiều dai 195 mm, một đầu to nối với trục của xe, 1 đầu nhỏ nối với bàn đạp, ở hai đầu có 2 lỗ Diện tích tổng bề mặt vật mạ là S = 1.02 (dm2)

3.2 Thời gian gia công trong các bể mạ

Thời gian mạ được tính theo công thức:

: chiều dày lớp kết tủa, mm

: khối lượng riêng, g/cm3.: hiệu suất, %

: đương lượng điện hóa, g/Ah

i c: mật độ dòng catot, A/dm2.Thời gian mạ kẽm từ dung dịch kẽm amonicat:

-Thời gian cromat hóa là:1= 1 ( phút)

Chọn thời gian phụ 2 = 2 ( phút )

Vậy thời gian cromat hóa là: = 1 + 2 = 1 + 2 = 3 ( phút )

3.3 Tính số lượng bể

Chế độ làm việc 2ca/ ngày, mỗi ca 8 ( giờ )

Thời gian làm việc trong một ngày: t = 2.8 = 16 (h) = 960 (phút)

Thời gian chuẩn bị và kết thúc trong một ngày là: t= 1 (h) = 60 (phút)

Từ bảng 6 ta có tt = 56 (phút)

Vậy số mẻ M mạ được trong một ngày của một bể mạ kẽm là:

M = (960 - 60 - 56)/24 +1 = 35,37 (mẻ)

Quy tròn xuống là M = 35 (mẻ)

Ta có mỗi mẻ một bể mạ được 30 chi tiết

Vậy công suất P của một bể mạ trong ngày là:

P = 35.32 = 1120 (chi tiết/ngày)

Số bể mạ n được tính theo công thức:

n = Pn/P (bể)

Trong đó:

Pn: là kế hoạch sản xuất trong một ngày (chi tiết/ngày)

P: năng suất của một bể (chi tiết/ngày)

Theo bảng 3 ta có Pn = 4000 (chi tiết/ngày)

Số bể(bể)

Nhịp ra hàng(phút)

Hệ số sử dụngthiết bị

LT : Chiều dài trong của bể, mm.

n1 : Số khung ( số đơn vị tải ) trên một cầu treo, chiếc

L1 : Kích thước khung treo theo chiều dài bể, mm

L2 : Kích thước giữa các khung, mm

L3 : Khoảng cách giữa thành bể và cạnh khung, mm

Ta có tương ứng các giá trị như sau :

n1 = 1; L1 = 2100, mm ; L2 = 0,mm ( Do bể mạ có 1 khungcatot)

WT : chiều rộng trong của bể, mm

W1 : kích thước lớn nhất của vật mạ theo chiều rộng bể, mm

W2 : khoảng cách giữa anot và vật mạ , mm

W3 : khoảng cách từ anot tới thành bể, mm

W4 : khoảng cách giữa 2 chi tiết mạ tính theo chiều rộng bể mm

n2: số cầu catot, chiếc

n3 : số cầu anot, chiếc.

d : chiều dày anot, mm

Ta có :

W1 = 15 (mm), n2 =1; n3 = 2 ;Chọn W1 = 15 mm; W2 =200(mm), W3 = 50 (mm), W4= 150 (mm), chiều dày anot

HT : chiều cao bên trong của bể, mm

H1 : chiều dài chủa chi tiết mạ, mm

Vậy bộ kích thước bể: L t W t H t = 2300.700.530 ( mm )

3.7 Tính thể tích bể và thể tích dung dịch

Thể tích của bể được tính theo công thức sau :

V = LT.WT.HT, l

Thể tích dungdịch (lít)

3.8 Tính cường độ dòng điện vào bể và chọn nguồn điện

3.8.1 Tính cường độ dòng điện vào bể

Cường độ dòng điện vào bể được tính toán theo công thức sau:

I = Dc.y ,( A) CT.2.2.4 – PPTKXMĐ- PSG.TS Trần Minh HoàngTrong đó :

I : là cường độ dòng điện vào bể, A

Thỏa mãn điều kiên mật độ dòng thể tích vì iv của bệ mạ kẽm bằng 0,2 A/l

( tra iv = 0,2 A/l trong sách PPTKXMĐ – trang 42 )

3.8.3 Tính điện thế vào bể

Để cung cấp nguồn điện một chiều cho các bề mạ, bể điện phân…Ngày naythường dùng các bộ chỉnh lưu bán dẫn, còn các loại máy phát rất ít dựng Thực tếthì trong bản đồ án này ta dựng chỉnh lưu làm mát bằng dầu Khi chọn nguồn điệnmột chiều phải căn cứ vào các yếu tố như: Cường độ dòng điện I, điện thế bể U,mỗi bể nên trang bị riêng một chỉnh lưu, nếu như dòng điện yêu cầu vào bể vượt

quá công suất của chỉnh lưu thì có thể chọn nguồn lớn hơn hoặc mắc hai hay ba bộchỉnh lưu để cấp điện cho nó.

Chọn điện thế nguồn Un trước hết phải tính điện thế bể Ub:

Un ≥ Ub + 0,1Un , V

Điện thế trên bể là một hàm số của thành phần dung dịch, chế độ làm việc, khoảngcách giữa các điện cực và bản chất của điện cực Đại đa số các quá trình mạ điệnchỉ đòi hỏi điện thế danh nghĩa của chỉnh lưu là: 6V

Công thức xác định điện thế bể như sau:

Ub = (1+β)[Ea – Ec + (1+α).I.R] , V

Trong đó:

β: là hệ số xét tới các tổn thất điện thế tại chỗ tiếp xúc và trên các dâydẫn loại I

Ea, Ec : là điện thế anot, catot, V

α : là hệ số xét tới tổn thất điện thế trong dung dịch do độ dày bọt

I : Là cường độ dòng điện tính toán theo công thức trên, A

R : là điện trở của dung dịch, Ω Tính theo công thức sau:

R = 100.χ.y



, Ω

Với :

ℓ: là khoảng cách giữa các điện cực, cm

χ: là độ dẫn điện riêng của dung dịch, 1/Ω.cm

y: là phụ tải của bể, dm2.Khi tính Ub nếu Dc ≠ Da thì I phải được tính theo công thức sau:

I = Dc.Da.y , A/dm2

hay I = D.y , A/dm2 vớiD = Dc. Da , A/dm2.

Bảng 9 tổng hợp dòng điện và điện thế vào bể.

Bể D c ,A/dm 2 U b , V Y , dm 2 I T , A i v , A/l

Bảng 10 Chọn đặc tính kỹ thuật của một số chỉnh lưu

Bể I T , A U b , V Loại chỉnh lưu Công suất Kích thước

Mạ kẽm 134 3 3200A-12V 38,4 kw 800x700x1600

Chương 4 XỬ LÝ NƯỚC THẢI

4.1 Xử lí nước thải Crom

Xưởng mạ khi đi vào sản xuất thì thải ra rất nhiều hóa chất độc hại theo nước baogồm cả axit, kiềm, chất hữu cơ, kim loại, và kim loại rất nặng như Cr…

Đối với chất thải axit và kiềm ta cho chúng tự trung hòa lẫn nhau và thửbằng giấy pHcho tới khi pH = 7 nếu pH > 7 ta thêm axit tới khi pH = 8,5, nếu pH<

7 ta thêm kiềm tới khi pH = 5,5 trước khi thải ra môi trường

Đối với nước rửa của bể rửa vật mạ thì có một lượng lớn ion kim loại như Zn2+ ta

xử lý bằng cách kết tủa hóa học bằng cách cho thêm Ca(OH)2, để kết tủa các ionkim loại đó, sau đó lọc để loại bỏ ion này

Kết tủa Cr3+ ở pH = 8 đến 8,5 bằng Ca(OH)2.

Cr3+ + 3OH- = Cr(OH)3.Các chất oxy hóa thường dùng trong công nghiệp: clo khí hoặc lỏng, hợpchất clo (vơi clorua, các hypoclorit), ozon, kali permanganat, sắt sunfat … Phổ biến

là vôi clorua và các hypoclorit Các chất này được sử dụng để oxy hóa các phụ giahữu cơ…

Ghi chú:

1. Bể xử lý nước thải hữu cơ

2. Bể chứa dung dịch hữu cơ hỏng

3. Trạm cân đong chất oxy hóa.

4. Chứa dung dịch crom hỏng

5. Trạm cân đong chất khử

6. Cấp axit mới

7. Chứa dung dịch axit thải

8. Chứa dung dịch kiềm thải

9. Cấp vôi hay kiềm mới

10. Bể làm sạch nước thải cromat, kem sunfua

11. Bể làm sạch nước thải kiềm axit (chứa các ion kim loại Cu2+, Ni2+)

12. Lắng gạn

13. Trạm làm sạch

14. Máy ép bùn

15. Trạm khử nước

*, Thuyết minh sơ đồ:

Dung dịch kiềm thải ra trước tiên được trung hòa tạm thời ở 5, 6 Sau khi trung hòachúng được đưa vào bể 7, ở đây chúng tiếp tục được trung hòa đến pH = 7 sau đóchúng được đưa sang bể lắng 9

Cr đưa vào 3 ở đây Cr3+ khử thành Cr6+ Sau đó nó được đưa sang 7 ở đâyxảy ra quá trình:

Cr3++ 3OH- = Cr(OH)3.Sau đó ở 7 bùn được đưa sang bể lắng 9 Ở 9 bùn được ép qua máy ép 11.Nước trong quay lại tái sản xuất

Nước thải chứa Zn2+ được đưa vào bể 13 cùng với nước trong để khử các ionkim loại này thành các hợp chất kết tủa

Trước khi thải ra ngoài môi trường thì từ máy ép 11 nước thải qua trạm khử