kỹ thuật xi mạ Niken

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÁO CÁO XI MẠ NIKEN Cán hướng dẫn: Thực hiện: Lê Thị Kim Ngân – M2020008 PGS.TS TRẦN VĂN MẪN Lê Văn Hiển – M2020004 Đặng Thị Ngọc Linh – M2020017 Nguyễn Thị Thảo Lan – M2020005 Cần Thơ 2021 MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU CỘNG NGHỆ XI MẠ…………………………… 1.1 Định nghĩa xi mạ………………………………………… …… 1.2 Phân loại xi mạ……………………………………………………………….1 1.2.1 Mạ điện………………………………………………………………… 1.2.2 Mạ hóa học………………………………………………………… ……2 1.2.3 Mạ nhúng nóng………………………………………………… ……… 1.3 Qui trình chung……………………………………………………………….5 1.4 Ứng dụng xi mạ………………………………………………………… Chương 2: XI MẠ NIKEN…………………………………………………… 2.1 Giới thiệu chung xi mạ niken…………………………………………… 2.2 Dung dịch mạ…………………………………………………………………9 2.2.1 Thành phàn dung dịch mạ…………………………………………… ….9 2.2.2 Các dung dịch mạ niken…………………………………………… … 10 2.2.2.1 Dung dịch sulfate…………………………………… ……………11 2.2.2.2 Dung dịch clorua……………………………………………….… 12 2.2.2.3 Một số dung dịch khác………………………………………… …13 2.2.3 Pha chế chung dịch……………………………………… …………… 14 2.3 Qui trình mạ Niken………………………………………………………….14 2.3.1 Xử lí bề mặt…………………………………………………………… 14 2.3.1.1 Tẩy gỉ…………………………………………… …………………15 2.3.1.2 Tẩy dầu…………………………………………………………… 16 2.3.2 Hoạt hóa bề mặt………………………………………………….………16 2.3.3 Q trình mạ điện……………………………………………….……….17 2.4 Các phương pháp mạ Niken… …………………………………… …….19 2.4.1 Mạ thường…………………………………………… ……………… 19 2.4.2 Mạ Niken bóng……………………………………………… …………20 2.4.3 Mạ nhiều lớp………………………… …………………………………21 2.4.4 Mạ Niken đặc biệt……………………………………………………….23 2.4.4.1 Mạ Niken đen……………………………………………… …… 23 2.4.4.2 Mạ Niken xốp…………………………………………….……… 25 2.4.4.3 Mạ Niken cho vật có hình dạng phức tạp………………………26 2.4.5 Mạ Niken hóa học……………………………………………………….26 2.5 Các phụ gia……………………………………………………………….…28 2.5.1 Các loại chất bóng………………………………… ……………….… 29 2.5.1.1 Chất bóng loại I……………………………………….………… 29 2.5.1.2 Chất bóng loại II……………………………………………… … 30 2.5.2 Chất san bằng…………………………….………………….………… 31 2.5.3 Chất giảm ứng suất…………………………………………………… 32 2.5.4 Chất thấm ướt………………………………………………………… 32 2.6 Tác hại tạp chất dung dịch mạ……… ………………………32 2.6.1 Tạp chất ion…………………………………………….……………… 32 2.6.2 Tạp hữu cơ………………………………………………………… … 33 2.6.3 Thừa phụ gia…………………………………………………………… 33 2.7 Phương pháp mạ lại……………………………………………………… 33 2.7.1 Hoạt hóa mạ lại……………………… …………………………… 34 2.7.2 Tẩy bỏ điện hóa…………………………………… ………………… 34 2.7.3 Tẩy bỏ hóa học………………………………………………………… 34 Chương 3: XỬ LÍ NƯỚC THẢI VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG LỚP MẠ………………………………………36 3.1 Xử lí nước thải…………………………………………………… ……… 36 3.1.1 Thành phần nước thải công nghệ mạ điện…………………….…………36 3.1.2 Phương pháp xử lí nước thải………………………………………….…37 3.2 Kiểm tra chất lượng lớp mạ……………………………… …………… …38 3.2.1 Kiểm tra bề mặt lớp mạ…………………… ……………… …38 3.2.2 Kiểm tra độ bám lớp mạ……………………………………………38 3.2.3 Kiểm tra độ dày lớp mạ………………………………………… …… 38 3.2.4 Kiểm tra độ bền ăn mòn lớp mạ…………………………………………38 3.2.5 Đo độ xốp lớp mạ…………………….………………………………….38 Chương 4: KẾT LUẬN………………………………… ………………… 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 41 Chương 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ XI MẠ 1.1 Định nghĩa xi mạ Xi mạ lớp mỏng kim loại thêm vào bên vật liệu Nó q trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt lớp phủ có tính chất lý hóa ,…đáp ứng u cầu mong muốn Xi mạ tập hợp hoạt động hoàn thiện liên quan đến việc áp dụng lớp phủ kim loại bề mặt kim loại để tạo đặc tính mong muốn khác cho vật nên quan trọng ứng dụng cơng nghiệp đại thơng qua q trình mà tuổi thọ vật liệu tăng đáng kể Trong cơng nghệ xi mạ chia thành lớp mạ thông dụng: lớp mạ kim loại, lớp mạ hợp kim,lớp mạ composite Các lớp mạ có tính khác biệt có thời gian vai trò riêng biệt cho sản phẩm Một số vật liệu mạ thơng thường bao gồm: • Mạ Vàng -Dùng đồ trang sức, đồ điện tử sản phẩm chống ăn mịn khác • Mạ Crom - Hồn thiện xử lý cách sử dụng điện phân lắng crom • Mạ Thiếc - Được sử dụng rộng rãi để bảo vệ bề mặt sắt khơng chứa sắt • Mạ Rhodium -Thỉnh thoảng sử dụng vàng, bạc đồng trắng, hợp kim • Mạ Niken - So với mạ cadmium mạ cứng hơn, thấp ăn mịn kháng, bơi trơn khả tính dẻo 1.2 Phân loại xi mạ Nhờ phản ứng bảo vệ chống ăn mòn cao lớp phủ kim loại nên ngày ngành xi mạ áp dụng rộng rãi Tùy vào nhu cầu mục đích sử dụng, người ta lựa chọn phương pháp xi mạ khác nhau: mạ điện, mạ hóa học cịn có mạ nhúng nóng 1.2.1 Mạ điện Mạ điện trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt lớp phủ có tính chất cơ, lý, hóa,… đáp ứng yêu cầu mong muốn Tuy nhiên công nghệ mạ thật ổn định thời gian dài để cho sản phẩm có tính chất dùng vào quy mô sản xuất Mạ điện dùng nhiều ngành cơng nghiệp khác để chống ăn mịn, phục hồi kích thước, trang sức, chống mịn, tăng cứng, phản quang nhiệt, dẫn điện, thấm dầu, dễ hàn, dẫn nhiệt,…Về nguyên tắc, vật liệu kim loại hợp kim, đơi cịn chất dẻo, gốm sứ composite Cịn lớp mạ, ngồi kim loại hợp kim cịn composite kim loại-chất dẻo kim loại-gốm,… Tuy nhiên chọn vật liệu mạ tùy thuộc vào trình độ lực cơng nghệ, vào tính chất cần có lớp mạ vào giá thành Xu hướng chung dùng vật liệu rẻ, có sẵn, vật liệu mạ đắt, quý lớp mỏng bên ngồi Trong q trình mạ điện, vật cần mạ gắn với cực âm cathode, kim loại mạ gắn với cực dương anode nguồn điện dung dịch điện môi Cực dương nguồn điện hút electron e- q trình oxi hóa giải phóng ion kim loại dương, tác dụng lực tĩnh điện ion dương di chuyển cực âm, chúng nhận lại e - q trình oxi hóa – khử hình thành lớp kim loại bám bề mặt vật mạ Độ dày lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện nguồn thời gian mạ Quá trình mạ cần dung dịch điện ly, điện cực nguồn chiều Khi nhúng kim loại vào dung dịch điện ly ta điện cực Ion kim loại Mn+ dung dịch đến bề nặt cathode (vật mạ) thực phản ứng tổng quát sau để thành kim loại M kết tủa lên vật mạ: Mn+ + ne  M Mn+ dạng ion đơn hydrat hóa dạng ion phức Anode thường kim loại loại với lớp mạ, phản ứng anode hịa tan thành ion Mn+ vào dung dịch: M – ne  M n+ Các q trình điện hóa mạ dựa sở điện ly Theo thuyết Arrhenius điện ly trình phân ly thuận nghịch chất có liên kết ion liên kết nguyên tử phân cực mạnh thành cation anion dung dịch muối nóng chảy Để cho q trình mạ thành cơng phải: gia cơng kĩ thuật cho cathode, chọn vật liệu anode, thành phần dung dịch mạ, mật độ dòng điện điều kiện điện phân khác Về lớp mạ, chọn dùng chủng loại lớp mạ sau: • Lớp mạ kim loại: Các kim loại Cr, Ni, Zn, Sn, Cu, Pb, Cd, Ag, Au Pt • Lớp mạ hợp kim: Cu-Ni, Cu-Sn, Pb-Sn, Sn-Ni, Ni-Co, Ni-Cr Ni-Fe • Lớp mạ composit: Các hạt rắn nhỏ phân tán Al 2O3, SiC, TiO2, SiO2, kim cương, graphit,… Chất lượng lớp mạ phụ thuộc đồng thời tổng hợp vào nhiều yếu tố như: nồng độ dung dịch tạp chất, phụ gia bóng, san bằng, thấm ướt, độ pH, nhiệt độ, mật độ dịng điện, hình dạng vật mạ, anode, bể mạ, chế độ thủy động dung dịch,…Vì muốn điều khiển chất lượng lớp mạ phải khống chế đồng thời dung dịch mạ lẫn cách thức mạ Nhưng quan trọng dải mật độ dịng điện thích hợp cho lớp mạ đạt chất lượng tốt: bóng, khơng gai, nhám, cấu trúc đồng đều,… Muốn lớp mạ dày khắp nơi điện điểm cathode phải nhau, nên dùng anode phụ (bằng titan, titan mạ bạch kim, kim loại mạ ,…) có hình dạng đặc biệt, đặt vào dung dịch vị trí thích hợp để tăng mật độ dòng điệncục cathode điểm vốn có mật độ dịng điện thấp Chỗ có xu hướng mạ đắp dày mật độ dòng điện cao cần đặt thêm cathode phụ hay đặt chắn cách điện để bố trí lại đường điện dung dịch Về thành phần dung dịch chế độ mạ: dung dịch mạ giữ vai trò định lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối đa, mặt hàng mạ,…) chất lượng mạ Dung dịch mạ thường hỗn hợp phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điện ly, loại phụ gia Mật độ dòng điện cathode D c : Dải mật độ dịng điện thích hợp cho lớp mạ tốt thường thấp mật độ dòng điện giới hạn nhiều, dung dịch định, muốn nâng cao tốc độ mạ D c phải tìm cách tăng Dgh lên Khuấy: để tăng chuyển động tương đối cathode dung dịch nên phép dùng mật độ dòng điện Dc cao hơn, tốc độ mạ nhanh hơn, cịn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, san pH nhiệt độ toàn khối dung dịch nơi gần điện cực Có thể khấy hai cách: chuyển động cathode chuyển động dung dịch Một phương pháp đặc biệt khácLàm mạ dòng điện đổi chiều, thường học Bụi, gỉ Vật cần mạ dùng dạng sóng vng Vật mạ khơng phải ln đắp vào liên tục nữa, mà có lúc mắc thành anode theo tần số thời gian định, lúc hòa tan anode khuyết tật kết tủa bị đi, bề mặt đổi mới, nồng độ Dung môi ion gần điện cực hồi phục Mài nhẵn, đánh bóng Bụi kim loại Anode: thường làm kim loại với lớp mạ chọn cách sử dụng cho nồng độ ion kim loại dung dịch luôn không thay đổi (hiệu suất Hơi dung môi Tẩy dầu mỡ suốt thời gian phục vụ dòng điện anode cathode phải Nước thải chứa dầu mỡ anode 1.2.2 Mạ hóa học Hơi acid NaOH, Mạ hóa HCl, học H2SO4 phương pháp dựa sở học, Làm hóakhử học hóa điện hóaion kim loại Nước thải acid, kiềm khử thành kim loại từ dung dịch muối chất khử Điện tử cần thiết cho trình khử cung cấp chất khử hóa học CuSO4, Cu(CN)2 Ví dụ: mạ Niken, natri hypophosphite dùng làm tácH2SO4 nhân khử NaCN Zn(CN)2 Chất làm bóng 1.2.3 Mạ nhúng nóng ZnCl2 NaOH NaCN C Cu(CN)2 Mạ nhúng nóng q trình mà vật liệu cần mạ qua bể chứa kim Mạ kẽm Mạ Niken Mạ đồng loại (kim loại nguyên chất), bể nấu nóng chảy nhiệt độ cao, kết kim loại mạ bám bề mặt vật liệu cần mạ 1.3 Quy trình chung Ni2+, acid CN-, Zn2+, acid CN-, Zn2+, acid Acid Muội Au Mạ Crom Mạ Au Cr6+ CN-, aicd 1.4 Ứng dụng xi mạ Xi mạ kim loại áp dụng cho hầu hết đồ gia dụng, đồ dùng gia đình, tơ, máy bay, đồ trang sức thiết bị máy móc y khoa,… Nhờ khả chống mịn, tăng độ cứng bền bỉ cho vật liệu, xi mạ góp phần tạo sản phẩm chất lượng phục vụ đời sống người Lớp xi mạ có tác dụng bảo vệ kim loại khỏi tác động xấu mơi trường khí hậu giúp vật dụng tránh tình trạng rỉ sét, ố màu cách tối đa Và màu sắc độ bền đồ dùng trì dài lâu đồng nghĩa với việc tiết kiệm khoản chi phí sinh hoạt tương đối lớn Như vậy, ứng dụng công nghệ xi mạ vào ngành sản xuất chế tạo đem đến cho đời sống sản phẩm hoàn hảo với thẩm mỹ chất lượng tuyệt vời Quan trọng hơn, tùy vào tính chất mục đích sử dụng sản phẩm, áp dụng lớp phủ xi mạ đặc trưng để đáp ứng yêu cầu Chương 2: XI MẠ NIKEN 2.1 Giới thiệu chung xi mạ Niken Niken (Ni) kim loại trắng bạc, dễ cán dát rèn đánh bóng Độ cứng lớp mạ Niken phụ thuộc vào thành phần dung dịch điều kiện mạ Độ cứng lớp mạ Niken mờ dao động từ 2500 đến 4000 Mpa, lớp mạ Niken bóng từ 4500 đến 5000Mpa Giới hạn bền 400-500 Mpa, độ dãn dài tương đối 40% Niken vật liệu từ quan trọng có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ Tính sắt từ bảo tồn đến 3580C Điện trở riêng 0,07.106 ohm.m Khả phản xạ ánh sáng 58-62% Trọng lượng riêng 8,9 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy 14520C Có thể làm việc đến 6500C Lớp mạ Niken thường cứng giòn, nung đến 9000C lại mềm dẻo trở lại Trọng lượng Niken 58,70 Trong hợp chất thường gặp, Niken có hóa trị +2 +3 Niken khí bị phủ lớp oxit suốt làm thụ động bề mặt Niken bền nước tự nhiên, nước cất nước chảy, bị ăn mòn nước biển Niken có khả hấp phụ khí lớn nên tính lớp mạ Niken mạ lên Fe, Cu, Ti, Al hợp kim chúng, mạ lên vật liệu phi kim gốm sứ, thủy tinh, chất dẻo,… Điện tiêu chuẩn Niken -0,25V Trong môi trường Niken lớp mạ cathode Fe, để bảo vệ sắt thép không bị tác dụng mơi trường ngồi lớp mạ Niken phải kín, khơng có châm kim, lỗ xốp Nhưng lớp mạ Niken mỏng độ xốp lớn, lớp mạ Niken bóng Tuy lỗ xốp ất nhỏ lại ổ ăn mòn ẩm ngưng tụ Để lớp mạ Niken hồn tồn kín, chiều dày phải đạt 20-30 micromet Nhưng Niken kim loại đắt, quý hiếm, cần phải tiết kiệm, thường giảm chiều dày chúng cách mạ lót đồng Nếu khơng có bể mạ đồng xyanua mạ lớp Niken mỏng (2-3 micromet) lên sắt thép mạ đồng từ dung dịch sulfate cho đủ chiều dày mong muốn, sau mạ Niken lên Lớp mạ liên hợp bảo vệ sắt thép tốt so với lớp mạ Niken đơn có chiều dày Bởi có nhiều lỗ xốp xuyên thủng lớp Niken đơn so với hệ mạ liên hợp nhiều lớp 10 Cách làm: sử dụng cathode titani hay thép khơng gỉ phun cát (kích thước kích thước lỗ xốp) tạo lỗ lõm, tẩm vazơlin, lau khô, lỗ nhỏ li ti lại vazơlin tạo lỗ thủng cho lớp mạ Tiến hành mạ Niken dung dịch thông thường, sau bóc Niken khỏi cathode ủ 500 – 600oC môi trường chân không khí trơ để làm dẻo • Chế tạo xúc tác Niken Chế tạo xúc tác Niken có hoạt tính cao, tức làm cho vật liệu có bề mặt phát triển mạnh lưới kim loại Cách làm: cho 75 – 150 g/l bột Niken mịn vào dung dịch mạ Niken, khuấy mạnh để dung dịch trạng thái huyền phù, dùng mật độ dòng điện lớn 10 – 12 A/dm2, nhiệt độ 40 – 50oC • Chế tạo màng lọc Cách làm: cho 0,5 – 4% bột mịn polietylen vào dung dịch mạ Niken, khuấy mạnh, mạ lên cathode titani hay thép khơng gỉ đánh bóng nhẵn Sau mạ xong, bóc lớp Niken ủ 400 – 450oC cho cháy hết chất hữu 2.4.4.3 Mạ Niken cho vật có hình dạng phức tạp Nhiều trường hợp cần mạ Niken ăn sâu vào khe khuất, lỗ, rãnh, cho vật mạ đặc biệt mà dung dịch mạ thông thường khơng thực Khi phải dùng dung dịch mạ đặc biệt, có khả phân bố cao: Ví dụ loại dung dịch thuộc loại này: NiSO 4.7H2O 30g/l, NiCl2.6H2O 38 g/l, H3BO3 25g/l, Na2SO4 khan 180 g/l: Dc = 0,2 – 1,0 A/dm2 , nhiệt độ 40 – 50 oC, pH 4,5 – 5,5 Thấy rằng, phạm vi qui định trên, khả phân bố lớn dùng mật độ dòng điện thấp, nồng độ natri sulfate lớn pH, nhiệt độ dung dịch cao 2.4.5 Mạ Niken hóa học Mạ Niken hóa học (mạ khơng điện) q trình mạ dựa phản ứng hóa học muối Niken chất khử Phản ứng tổng tạo thành lớp mạ Niken hóa học giống phản ứng Niken phóng điện cathode mạ điện hóa 28 Ni2+ +2e →Ni Mạ Niken hóa học cho lớp phủ dày vật có hình thù phức tạp Đó q trình khơng phụ thuộc vào mật độ dịng điện So với lớp mạ Niken điện hóa, lớp mạ Niken hóa học có độ cứng, độ chịu mài mịn cao Lý lớp Niken hóa học có lẫn nguyên tố hoạt hóa chứa hóa chất khử Vì thường mạ cho vật làm việc điều kiện ma sát, ma sát khơ Lớp mạ lại xốp, đẹp nên cịn dùng làm lớp phủ bảo vệ trang sức Phản ứng q trình mạ Niken hóa học tương tác natri hypophotphit với ion Niken Trong dung dịch, natri hypophotphit bị thủy phân, tạo thành natri photphit hidro nguyên tử NaH2PO2 + H2O → NaH2PO3 + 2H Hiđro nguyên tử hấp phụ lên bề mặt kim loại khử ion Niken thành Niken kim loại sinh acid Ni2+ + 2H → Ni + 2H+ Đồng thời hiđro nguyên tử tác dụng với anion H 2PO2- H2PO3- , khử photpho đến trạng thái nguyên tố, mà lớp mạ Niken hóa học ln chưa P Khi mạ Niken hóa học cịn ln ln có hiđro ra: 2H → H2 Trong điều kiện bình thường phản ứng khử Niken khơng thể xảy Muốn phản ứng xảy phải có mặt chất xúc tác Chính số kim loại sắt, titan, nhôm Niken chất xúc tác cho phản ứng Trường hợp kim loại khơng có tính xúc tác cho phản ứng đồng, bạc,… cần phải cho chúng tiếp xúc với kim loại âm nhôm, cấp cho chúng dòng xung thời điểm ban đầu Mạ Niken hóa học lên chì, cadimi, thiếc,… cịn nhiều khó khăn Tuy nhiên mạ Niken hóa học lên vật phi kim thủy tinh, gốm sứ, chất dẻo Trước mạ phải hoạt hóa bề mặt theo phương pháp thông thường Các yếu tố ảnh hưởn đến tốc độ mạ Niken hóa học nhiệt độ, nồng độ tỉ lệ natri hypophotphit muối Niken, chất nồng độ phụ gia hữu 29 - Nhiệt độ mạ hóa học phải trì 80-90 oC Nâng cao nhiệt độ từ 80 đến 90 oC tốc độ kết tủa tăng 1,5 lần, cịn giảm xuống đến 70 oC q trình kết tủa gần ngừng hẳn - Mạ Niken hóa học diễn pH 4-4,5 (acid) ph 8-10 (kiềm) Đối với dung dịch acid để ph5,5 muối Niken bị thủy phân, lúc hạt Niken hiđroxit trở thành trung tâm phân hủy dung dịch mạ diễn tượng tự phóng điện, nghĩa kim loại tồn khối dung dịch - Trong mạ Niken hóa học ln sinh acid nên cần phải sử dụng chất đệm CH3COOH Chất tạo phức dùng dung dịch nhằm ngăn cản sinh Niken photphit dạng kết tủa Dung dịch qua lần mạ thường tiêu hao 10-15% cấu tử ban đầu, riêng chất đệm bị tiêu hao tồn Tuy q trình thuộc loại đơn giản nên dùng nhiều cơng nghiệp Pha chế dung dịch khơng có đặc biệt Tất cấu tử hòa tan riêng nước nóng đổ chung vào bể, sau thêm amoniac để ổn định pH nhiệt độ khoảng 60-65 oC đổ dung dịch đặc hypophotphit vào Dung dịch mạ Niken hóa học Thành phần (g/l) NiSO4.7H2O 20-25 20-25 20-25 20-50 20-30 NaH2PO2 Anhidric maleic (NH4)2SO4 NH4Cl CH3COOH 25-30 1.5-2.0 40-50 20-25 20-25 - 15-20 - 10-25 35-55 - 10-25 6-10 CH3COONa - 10-15 - - 8-15 Glycol - 7-20 - - - PbS - 0.001-0.05 - - - H3BO3 - - 5-15 - - Natri xitric - - - 35-55 - pH 5.0-5.5 5.0-5.5 30 4.6-5.0 7.5-9.0 4.1-5.0 Nhiệt độ (oC) Mật độ tải (dm2/l) 90-95 1-2 90-95 1-2 88-92 1-2 78-88 1-2 85-95 1-2 Tốc độ kết tủa (μm/h) 18-25 15-25 8-12 8-12 10-15 Hàm lượng P (%trọng lượng) 7-10 4-8 3-7 3-7 3-7 2.5 Các phụ gia Một số chất hữu với lượng nhỏ bề mặt mạ có ảnh hưởng sâu sắc đến hình thức cấu trúc lớp mạ Đa số chất hấp thụ nhanh nhạy lên bề mặt cathode điện phân thường đưa đến kết không tốt, nhiên có số chất đặc biệt làm cho bề mặt lớp mạ bóng, nhẵn làm giảm ứng suất nội lớp mạ Những chất có lợi gọi chất phụ gia hữu Thực ra, tác dụng chất hữu dung dịch mạ phức tạp số chất cho độ bóng cao đồng thời cịn có thêm tác dụng phụ khác, lợi có mà hại có Vì vậy, để tiện sử dụng ta chia phụ gia hữu thành nhóm chính: chất bóng loai I, chất bóng loại II, chất san bằng, chất giảm ứng suất, chất giảm phân cực chất thấm ướt Mỗi hóa chất dùng làm phụ gia có hai chức nói Ví dụ, chất cho vào bể để giảm ứng suất lại làm tăng thêm độ bóng, chất bóng loại Il lại có tác dụng san Do đó, sử dụng nhiều chất bóng bể mạ cần phải lưu ý đến đặc điểm 2.5.1 Các loại chất bóng Chất bóng chia thành hai loại: + Chất trợ bóng hay chất tăng độ dẻo chất bóng loại I + Chất tạo bóng hay chất bóng chất bóng loại II 2.5.1.1 Chất bóng loại I Nếu dùng riêng chất bóng loại I bể mạ khơng thể thu lớp Niken có độ bóng cao , trừ đánh bóng thật láng , nhẵn Nhưng có tác dụng mở rộng khoảng mật độ dòng điện độ bóng cho chất bóng loại II , tăng khả chịu tạp chất cho dung dịch.Chất bóng loại 31 I phần lớn acid mạch vòng sunfo hóa nên ln có chứa nhóm = C - SO 2trong phân tử Các vòng thơm benzen naphtalen thường dùng nhiều nhất, hợp chất dị vòng hay chất béo chưa bão hịa dùng Độ hòa tan chất hạn chế , nên đa số chuyển thành muối natri acid , có trường hợp ion natri làm giảm suất bể mạ nên cố gắng hạn chế đến mức tối đa hàm lượng chất bóng bể mạ - Sunfonamit sunfonimit giúp mở rộng vùng bóng chất bóng loại II , giảm độ nhạy chất cho dung dịch , giảm tác hại chất bóng loại II gây , dùng nồng độ lớn hạn chế tác hại tạp chất kim loại , miền có mật độ dịng điện thấp calot - Acid sunfinic thơm việc giảm độ nhạy với tạp chất, cịn tránh cho lớp mạ khơng bị xám, tồn vùng mật độ dòng điện thấp - Acid sunfonic thơm cho lớp mạ bóng cả, chịu tác hại tạp chất kim loại lẫn hợp chất hữu - Sacarin tác dụng cịn có tinh san nhẹ - Sunlimit benzoic tự phân hủy nhiệt độ cao , acid o-benzosunfonic thi tác dụng làm việc nhiệt độ cao - Nhiều chất bóng loại I bị loại khỏi dung dịch than hoạt tính acid sunfonic thơm có số chất khác lại khơng - Chất bóng loại bị khử cathode hay bị khử hydro thành lưu huỳnh bị khứ tiếp thành Niken sunfua ( nhờ tác dụng xúc tác kên kết tủa ) Do mà hàm lượng S lớp Niken cao tồn dạng NiS /và Ni2S3 Ngoài ra, thăn chấtt bóng bị lẫn trực tiếp vào lớp mạ làm tăng hàm lượng S C Niken lên 2.5.1.2 Chất bóng loại II Chất bóng loại II cho lớp mạ có độ bóng cao, chúng khơng phép dùng riêng làm lớp mạ giòn, dễ nứt vỡ ứng suất kéo lớn Mặt khác, chất cho bóng khoảng mật độ dịng điện hẹp Nhưng cho thêm chất trợ bóng ( tức chất bóng loại I ) vào tác dụng làm bóng chất lỏng loai II tăng thêm độ bóng mở rộng phạm vi cho bóng : mật độ dịng điện cho bóng trải từ 0,5 đến 10 A/dm , 32 đồng thời hẳn tượng mờ , sương mặt lớp mạ Chất bóng loại II thường làm tăng mạnh điện thể calot Nồng độ cao điện cathode tăng nhiều Khi điện tăng vượt 30 mV (so với khơng có chất này) lớp mạ bắt đầu bị nứt vỡ Nhưng thêm chất bóng loại I vào điện thể calot giảm bớt xuống xu hướng giịn nứt giảm Một số chất bóng loại II ngồi tác dụng làm bóng cịn có khả san Lúc đó, độ nhám bề mặt giảm dần theo mức độ tăng chiều dày lớp mạ 1,4 butindiol số dẫn suất pyridin chất điển hình cho trường hợp Một số lion kim loại có tinh chất chất bóng loại II cadimi , kem , chì , tali cho lớp mạ bóng giịn trước khả thơng dụng ngày khơng cịn dùng Nồng độ chất bóng loại II dùng khác Trong số trường hợp , có chất phải dùng từ đến g/l , chí có chất dùng đến 5g Nhưng có chất chi dùng g/l hiệu Vi dụ, hợp chất axetylenic thường dùng nồng độ phạm vi 0.01 g/l, nồng độ cao san tốt nên độ bóng cao, lớp mạ lại giòn, bong rốp hay vỡ vụn mảng Nói chung, nồng độ chất lỏng loại II không dùng ngưỡng quy định Một vài chất bóng loại II khơng làm thay đổi cấu trúc lớp mạ , giữ nguyên cầu trúc dạng cột ma dung dịch Watts Nhưng đa số chất khác lại cho cấu trúc dạng mỏng song song Cịn dung dịch có chất bóng loai I chất bóng loại II cho cấu trúc dạng mỏng song song Chất bóng loai II làm tăng hàm lượng cá C cà S lớp mạ lên giống chất bóng loại I Tiêu chuẩn để chọn chất bóng tốt - Cho bóng dải mật độ dịng điện rộng - Ít khơng làm giịn, nứt lớp mạ - Nồng độ phép dung tương đối lớn, để nhũ bổ sung lương không gây phiền tối cho sản xuất , - Khơng sinh sản phẩm khử có hại cho tiến trình mạ chất lượng lớp mạ, sản phẩm khử xử lý than hoạt tính, 33 - Ngồi tác dụng làm bóng nên có thêm tác dụng san bằng; - Có thể phân tích dễ dàng nồng độ nhỏ: - Chất bóng khơng q đắt 2.5.2 Chất san Trong số nhiều chất bóng loại II, có vài chất có thêm khả san điểm lõm, rãnh xước, khuyết tật, làm bề mặt trở nên láng nhẵn, phẳng tiêu biểu cumarin 1,4-butindiol 2.5.3 Chất giảm ứng suất Chất giảm ứng suất cho vào dung dịch để chống lại tác hại chất bóng loại II Thực chất giảm ứng suất nén nhằm trung hịa ứng suất kéo có hại chất bóng loại II gây Sacarin (o-benzoic sunfonimit) chất giảm ứng xuất dùng phổ biến 2.5.4 Chất thấm ướt Chất thấm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt dung dịch mạ cathode, khiến cho dung dịch thấm ướt bề mặt vật mạ, keo bền hydroxit với bọt hydro khơng cịn bám bề mặt nữa, nguy châm kim, lỗ rỗ loại bỏ Chất thấm ướt thông dụng natri laurinsulfate (1941) Bên cạnh loại rượu sulfate hóa cịn có rượu ete sulfate , chất vòng thơm sunfonat, aminoacid, acid arylsunfonic, dẫn xuất metylaurin, chất thấm ướt Chất thấm ướt xem tốt phải giảm sức căng bề mặt xuống 35 dyn/cm Khơng làm giảm tính lớp mạ, khơng ảnh hưởng đến tác dụng chất bóng loại loại II, không cho nhiều bọt gây trở ngại cho việc thao tác sản xuất, không dễ bị xà phịng hóa, khơng ảnh hưởng xấu đến tiến trình mạ 2.6 Tác hại tạp chất dung dịch mạ 2.6.1 Tạp chất ion - Tạp chất kim loại đồng, cadimi, crom(+6), chì asen, sắt, canxi,… làm cho lớp mạ giòn, dễ loang lổ 34 - Nhiều Na+ K+ góp phần làm tăng thêm độ cứng độ giòn cho lớp mạ Niken - Ion nitrat làm giảm khả phân bố làm giòn lớp mạ - Silicat với lượng nhỏ làm lớp mạ Niken bị rỗ châm ly ty Trong bể Niken bóng chúng cịn làm lớp mạ có vết trắng sữa sọc vằn - Ion photphat muối photphat hay acid photphonic làm cho lớp mạ Niken dễ sinh vệt sọc, nhấp nho, bám bụi trắng 2.6.2 Tạp hữu Nguồn sinh tạp chất hữu chủ yếu từ phụ gia, đặc biệt chất bóng chất san bằng, bị phân hủy trình làm việc Các tạp chất bay tích tụ lại dung dịch dạng hòa tan hay không tan hấp thụ cạnh tranh với phụ gia dung dịch dạng hịa tan hay khơng tan hấp phụ cạnh tranh với phụ gia bóng, gây nên hiệu ứng riêng chúng, thường bất lợi chất lượng lớp mạ, hình thành vệt bẩn, sọc vằn, châm kim, giòn, màu tối hay vàng tái, bóng rộp Tạp chất hữu loại bỏ hữu hiệu nhờ cách hấp phụ than hoạt tính làm sọ dừa, xử lí kết hợp KMnO 4-than hoạt tính, hay H2O2-than hoạt tính, H2O2-KMnO4-than hoạt tính Các chất KMnO4, H2O2 oxy hóa loại tạp chất hữu khác thành chất mới, để hấp phụ lên than hoạt tính Nếu dùng KMnO4 phải cho dư lượng để sau oxy hóa biến thành Mn(IV) kết tủa, dễ lọc sạch, tránh sinh Mn (II) hòa tan nằm lại dung dịch 2.6.3 Thừa phụ gia Thừa phụ gia chất bóng, chất thấm ướt,… gây nhiều phiền tối Khơng kể biểu bên lớp mạ bị tối chỗ mật độ dòng điện bé sinh vết sọc vằn, lớp mạ bị giịn lên gặp nhiều khó khăn 2.7 Phương pháp mạ lại Các lớp mạ Niken cũ hay lớp mạ Niken bị hỏng muốn làm lại thường phải bóc bỏ tồn bộ, có trường hợp tẩy bỏ phần hoạt hóa Đối với vật mạ có hình dạng đơn giản đánh bóng lại bề mặt Niken 35 cũ, hỏng xử lý tiếp phương pháp điện hóa mạ lại Đối với vật mạ có hình dạng q phức tạp hay vật nhỏ loại bỏ lớp mạ cũ, hỏng phương pháp điện hóa tẩy hóa học Tẩy bỏ lớp mạ Niken bóng dể tẩy bỏ lớp mạ Niken bán bóng hay Niken mờ lớp Niken bóng có cộng kết chất lạ nên làm tăng độ hòa tan Niken dung dịch bóc lớp mạ 2.7.1 Hoạt hóa mạ lại Nếu cần mạ lại Niken cho vật có lớp Niken cũ, hỏng khơng cần phải tẩy bỏ đến hết lớp Niken mà loại bỏ học chỗ bị hư hỏng hoạt hóa mạ lại Tẩy cathode dung dịch có ion florua đặt thiết bị thơng gió tốt Hoạt hóa bề mặt lớp Niken cũ dung dịch có chứa sắt (III) clorua acid clohydric 2.7.2 Tẩy bỏ điện hóa Có thể tẩy anode để loại bỏ lớp Niken cũ, hỏng dung dịch sau đây: - Dung dịch 1: Dung dịch acid sunfuric đặc, tối thiểu 50 Bome (tức tỷ trọng 1.532), với mật độ dịng điện khoảng A/dm Có thể thêm phụ gia đồng sulfate , glyxerin, vào acid sunfuric Từ dung dịch có khả bóc lớp Niken sắt, đồng đồng thau - Dung dịch 2: Dùng dung dịch liềm gồm natri nitrat hay amon nitrat tẩy bỏ nhanh lớp Niken, Niken bóng Mật độ dịng điện cần phải lớn, A/dm3 để làm cho nằm trạng thái thụ động Từ dung dịch hòa tan lớp Niken thép - Dung dịch 3: Dùng hỗn hợp acid cromic acid boric đun nóng đến 80 C để tẩy bỏ lớp Niken Muốn tẩy bỏ hoàn toàn lớp Niken tren magie phải dùng hỗn hợp gồm 20% trọng lượng acid flohydric với 2% trọng lượng natri nitrat Tẩy nhiệt độ từ 200C-400C 2.7.3 Tẩy bỏ hóa học 36 Các vật mạ không tẩy bỏ lớp Niken điện hóa tẩy bỏ dung dịch hóa học khơng dùng đến dịng điện sau: - Dung dịch amoniac có phụ gia chất hữu nitro hóa phối hợp với muối amon hay amin bậc 1, bậc bậc lygan tạo phức mạnh khác Dung dịch làm việc pH 9, nhiệt độ khoảng 900C Từ dung dịch tẩy bỏ lớp Niken thép, đồng, đồng thau, nhôm,… - Dung dịch xyanua có phụ gia chất hữu mạch vịng nitro hóa làm việc nhiệt độ 20-400C Từ dung dịch tẩy bỏ lớp Niken thép - Dung dịch kiềm có phụ gia đồng thời chất tạo phức mạnh hợp chất mạch vịng nitro hóa Từ dung dịch tẩy bỏ lớp Niken thép - Dung dịch hỗn hợp acid, có chứa acid nitric với chất ức chế thích hợp để tránh ăn mịn kim loại Từ dung dịch acid nitric đặc tẩy bỏ lớp Niken nhôm.Xử lý nước thải mạ điện 37 Chương 3: XỬ LÍ NƯỚC THẢI VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG LỚP MẠ 3.1 Xử lí nước thải 3.1.1 Thành phần nước thải công nghệ mạ điện Do đặc thù ngành công nghiệp nên mặt nước thải có tính chất riêng biệt Thơng thường chất hữu có nước thải xi mạ, phần chủ yếu chất tạo bông, chất hoạt động bề mặt,… nên BOD, COD thường thấp không thuộc đối tượng xử lý Nước thải xi mạ thường có độ pH rộng, dịng nước thải xi mạ thường có pH cao từ 11-12, dịng nước thải tẩy gỉ có tính acid pH vào khoảng 4-5 Mộ điểm đặc trưng nước thải chứa nhiều muối vô kim loại nặng Các ion kim loại Cu, Fe, Zn, Ni, Cr, có hàm lượng cao, tùy vào công nghệ mà nước thải chứa ion CN -, SO42-, Cr2O72-, NH4+, F-, Đây đối tượng cần xử lý trước thải môi trường Chất gây ô nhiễm nước thải công nghệ mạ chia làm thành nhóm sau: • Chất nhiễm độc hại cyanide CN–, Cr6+, F–,… • Chất nhiễm làm thay đổi pH dịng acid base • Chất nhiễm hình thành cặn lơ lửng hydroxide, carbonate phosphate • Chất nhiễm hữu dầu mỡ, EDTA… Theo QCVN 40:2011BTNMT số tiêu kim loại pH nước thải sau: Chỉ tiêu pH Niken Chromi Kẽm Đồng Sắt Loại Đơn vị B 5,5-9 0,5 0,1 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l A 6-9 0,2 0,05 Trong đó, để thải mơi trường với dịng nước khơng dùng cho cung cấp sinh hoạt phải đạt loại B Vì mục đích chung cho q trình xử lý 38 phải loại bỏ lượng kim loại có nước thải điều chỉnh mơi trường trung trung tính 3.1.2 Phương pháp xử lý nước thải Hiện nay, hấu hết nhà máy xử lý nước thải sử dụng phương pháp hóa lý Ưu điểm phương pháp xử lý triệt để ion kim loại nhanh tiết kiệm thời gian, đám ứng yêu cầu trì sản xuất liên tục Kết tủa hoá học: phương pháp dựa phản ứng hoá học chất đưa vào nước thải với kim loại cần tách thường dùng tách ion kim loại với nồng độ cao nước thải Ở độ pH thích hợp tạo thành hợp chất kết tủa tách khỏi phương pháp lắng đọng thông qua bể lắng Trao đổi ion: Dựa nguyên tắc phương pháp trao đổi ion dùng ion từ nhựa hữu tổng hợp, chất cao phân tử có gốc hydrogencarbon nhóm chất trao đổi ion Quá trình trao đổi ion tiến hành cột cationite anionnite Sử dụng phổ biến để xử lý ion chứa hàm lượng trung bình đến thấp nước thải Oxi hóa-khử: Các ion CN-, NH4+, Cr(VI) oxi hóa khử tác nhân hóa học thành dạng dễ xử lý, khơng độc hại cho mơi trường sau tiến hành trình xử lý Phương pháp điện hóa: Dựa sở trình oxi hố khử để tách kim loại điện cực nhúng nước thải chứa kim loại nặng có dịng điện chiều chạy qua Bằng phương pháp cho phép tách ion kim loại khỏi nước mà khơng cần cho thêm hố chất, nhiên thích hợp cho nước thải có nồng độ kim loại cao (>1 g/l) Phương pháp sinh học: Dựa nguyên tắc số loài thực vật, vi sinh vật nước sử dụng kim loại chất vi lượng trình phát triển khối bèo tây, bèo tổ ong, tảo,… với phương pháp này, nước thải phải có nồng độ kim loại nặng nhỏ 60 mg/l phải có đủ chất dinh dưỡng (nitrogen, phosphua,…) nguyên tố vi lượng cần thiết khác cho phát triển loài thực vật rong tảo Phương pháp cần có diện tích lớn nước thải có lẫn nhiều kim loại hiệu xử lý 3.2 Kiểm tra chất lượng lớp mạ 39 3.2.1 Kiểm tra bề mặt lớp mạ Bề mặt ngồi lớp mạ khơng cho phép có châm kim, điểm rỗ, bóng, cháy, tối,…Lớp mạ phải có độ bóng đẹp, màu sắc phù hợp Căn vào yêu cầu sử dụng mà chọn chi tiết chất lượng Những chi tiết phế phẩm bao gồm loại sau: chi tiết ăn mịn nhiều, có khuyết tật khí,… 3.2.2 Kiểm tra độ bám lớp mạ Độ bám lớp mạ không tốt, nguyên nhân chủ yếu khâu chuẩn bị bề mặt trước mạ Ngoài độ bám chịu ảnh hưởng thành phần dung dịch, chế độ làm việc, hệ số nở nhiệt kim loại lớp mạ Các phương pháp dùng: uốn cong, dũa, vạch, gia nhiệt, 3.2.3 Kiểm tra độ dày lớp mạ Độ dày lớp mạ nhân tố quan trọng đánh giá chất lượng lớp mạ, ảnh hưởng lớn đến độ bền sử dụng Có hai phương pháp đo độ dày lớp mạ: + Phương pháp hóa học: phương pháp đo dòng chảy, phương pháp hòa tan, phương pháp nhỏ giọt, phương pháp điện lượng + Phương pháp vật lí: phương pháp trọng lượng, phương pháp đo máy, phương pháp kim tương,… 3.2.4 Kiểm tra độ bền ăn mòn lớp mạ Phương pháp kiểm tra độ bền ăn mịn lớp mạ gồm có thí nghiệm ăn mịn để ngồi trời thí nghiệm tăng tốc độ ăn mịn Kết thí nghiệm ăn mịn ngồi trời tiêu chuẩn để đánh gia độ dày lớp mạ Thí nghiệm tăng tố độ ăn mịn để kiểm tra nhanh chất lượng lớp mạ 3.2.5 Đo độ xốp lớp mạ Số lỗ lớn nhỏ từ bề mặt lớp mạ đến kim loại gọi lỗ xốp Số lượng lỗ xốp ảnh hưởng đến tính bảo vệ lớp mạ Có nhiều phương pháp đo độ xốp: phương pháp quét lên lớp mạ, phương pháp dán giấy lọc, phương pháp ngâm,… 40 Chương 4: KẾT LUẬN Kim loại Niken khai thác dụng sớm so với số kim loại khác Niken có đủ đặc tính cứng, dẻo, chiệu nhiệt tốt, bị ăn mòn, nên ứng dụng nhiều hoạt động sản xuất người Tuy nhiên trữ lượng khai thác giới hạn giá thành cao nên việc sản xuất vật liệu với thành phần Niken thường khơng cho lợi nhuận kinh tế Vì cơng nghệ mạ Niken phát triển, mong muốn tạo nên vật liệu có tính chất kim loại mà không tốn nguyên liệu nhiều Để tạo nên sản phẩm mạ Niken đạt yêu cầu chất lượng phải trãi qua nhiều q trình cơng đoạn xưởng mạ Trước tiên, vật liệu làm xử lý bề mặt, tùy vào yêu cầu sản xuất chất liệu liệu mà lựa chọn phương pháp tẩy dầu, tẩy gỉ, hay hoạt hóa bề mặt cho phù hợp Sau vào bể mạ điện, vật liệu mắc vào cathode xảy trình khử ion Ni 2+ dung dịch mạ thành Ni kim loại bám lên bề mặt vật liệu, đồng thời anode xảy trình oxi hóa Ni kim loại thành Ni 2+ hồ vào dung dịch mạ Tùy thuộc vào công nghệ mạ mà thành phần dung dịch mạ chỉnh thành phần cung cấp ion Ni 2+ ln muối Niken sulfate hay Niken sulfamate với chất đệm, chất chống thụ động anode, chất chóng thâm kim phụ gia khác, mơi trường pH trung tính mật độ dịng thường dùng từ 0,5-5 A/dm2 Quy trình mạ Niken phát triển sớm, với nhiều sản phẩm mạ có cơng nghệ đại phù hợp với ứng dụng mạ Niken bóng nhiều lớp, mạ Niken đen, mạ Niken xốp, Sau mạ thường xử lý lớp mạ phương pháp thích hợp để hồn thiện lớp mạ tạo vật liệu có đặc tính phù hợp với điều kiện sử dụng Ngày với phát triển công nghệ mạ điện, ngày có nhiều vật liệu đời có sản phẩm mạ Niken Vật liệu mạ Niken đóng vai trị quan trọng nhiều lĩnh vực, hoạt cơng nghiệp khí, sản xuất đồ gia dụng, y tế, chiếm đa phần sản phâm mạ kim loại 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Minh Hồng, “Cơng nghệ mạ điện”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1998 Trần Minh Hoàng, “Mạ Niken – Lý thuyết ứng dụng”, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2010 Nguyễn Văn Lộc, “ Kĩ thuật mạ điện”, Nhà xuất Giáo dục, 1997 Nguyễn Văn Lộc, “ Công nghệ mạ điện”, Nhà xuất Giáo dục, 2005 Nguyễn Văn Lộc, “Sổ tay công nghệ mạ điện”, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, 2010 42 ... - Chế độ 1: Mạ Niken nồng độ thấp, dùng để mạ lót Chế độ 2: Mạ Niken nồng độ trung bình Chế độ 3: Mạ Niken nhanh, nồng độ cao Chế độ 4: Mạ Niken thông thường 2.4.2 Mạ Niken bóng Mạ Niken bóng... 2: XI MẠ NIKEN 2.1 Giới thiệu chung xi mạ Niken Niken (Ni) kim loại trắng bạc, dễ cán dát rèn đánh bóng Độ cứng lớp mạ Niken phụ thuộc vào thành phần dung dịch điều kiện mạ Độ cứng lớp mạ Niken. .. 2.4.5 Mạ Niken hóa học Mạ Niken hóa học (mạ khơng điện) q trình mạ dựa phản ứng hóa học muối Niken chất khử Phản ứng tổng tạo thành lớp mạ Niken hóa học giống phản ứng Niken phóng điện cathode mạ