Anod hóa nhôm trong dung dịch cro3 nồng độ 30 35GL

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ANOD HỐ NHƠM TRONG DUNG DỊCH CrO3 NỒNG ÐỘ 30÷35 g/l MÃ SỐ:T2013-98 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG ANOD HỐ NHƠM TRONG DUNG DỊCH CrO3 NỒNG ĐỘ 30÷35 g/l Mã số: T2013-98 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Nguyễn Văn Thức TP HCM, Tháng 12 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG ANOD HỐ NHƠM TRONG DUNG DỊCH CrO3 NỒNG ĐỘ 30÷35 g/l Mã số: T2013-98 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Nguyễn Văn Thức TP HCM, Tháng 12 năm 2013 DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA ĐỀ TÀI STT Họ tên Đơn vị công tác Nhiệm vụ đƣợc giao ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH STT Tên đơn vị nƣớc Nội dung phối hợp MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU Error! Bookmark not defined THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ngồi nƣớcError! Bookmark not defined Tính cấp thiết Error! Bookmark not defined Mục tiêu Error! Bookmark not defined Cách tiếp cận Phƣơng pháp nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not defined Chƣơng - CƠ SỞ LÝ THUYẾT .Error! Bookmark not defined Nhôm kim loại .Error! Bookmark not defined 1.1 Tính chất nhơm Error! Bookmark not defined 1.2 Phân loại nhôm hợp kim, kí hiệu nhơm Error! Bookmark not defined 1.2.1 Nhôm Error! Bookmark not defined 1.2.2 Hợp kim nhôm .Error! Bookmark not defined Anod hố nhơm 20 2.1 Quy trình thực Error! Bookmark not defined 2.2 Gia công bề mặt trƣớc mạ Error! Bookmark not defined 2.2.1 Tẩy dầu hoá học Error! Bookmark not defined 2.2.2 Tẩy dầu điện phân Error! Bookmark not defined Oxi hoá hoá học Error! Bookmark not defined 3.1 Phƣơng pháp pha chế dung dịch Error! Bookmark not defined 3.2 Ảnh hƣởng nhân tố .Error! Bookmark not defined 3.3 Xử lý sau oxi hoá Error! Bookmark not defined Anod hố nhơm Error! Bookmark not defined 4.1 Oxi hóa dung dịch CrO3 30 4.2 Oxi hoá cứng 33 4.3 Bịt lỗ nhuộm màu màng oxi hoá Error! Bookmark not defined Chƣơng – THÍ NGHIỆM Error! Bookmark not defined Ảnh hƣởng thời gian đến độ dày Error! Bookmark not defined Ảnh hƣởng mật độ dòng điện đến độ dày 41 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến độ dày 42 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 Kết luận 43 Kiến nghị 43 Định hƣớng nghiên cứu tƣơng lai 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC 46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Kí hiệu nhơm theo AA (Aluminum Association) Hoa kỳ Bảng Thành phần dung dịch tẩy dầu Bảng Thành phần chế độ làm việc tẩy dầu điện hóa Bảng Thành phần chế độ làm việc oxi hoá hoá học nhôm Bảng Thành phần chế độ làm việc anod hố nhơm dung dịch CrO3 THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Anod hóa nhơm dung dịch chứa CrO3 nồng độ 30-35 g/l - Mã số: T2013 – 98 - Chủ nhiệm: Nguyễn Văn Thức - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp HCM - Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013 Mục tiêu: Tạo lớp phủ Al2O3 dày 30µm bề mặt vật cần xử lý Nội dung chính: Nghiên cứu ảnh hƣởng yếu tố nhiệt độ, thời gian, mật độ dòng điện lên độ dày lớp Al2O3 Kết nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hƣởng yếu tố công nghệ nhƣ nhiệt độ, thời gian mật độ tới độ dày lớp oxit nhôm Nhiệt độ cao, thời gian dài, mật độ lớn so với tiêu chuẩn độ dày lớp oxit lớn Sản phẩm: Biểu đồ mối quan hệ nhiệt độ, thời gian, mật độ độ dày lớp oxit nhôm Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Giúp lựa chọn thông số công nghệ nhiệt độ, thời gian mật độ dòng hợp lý nhất, mang lại hiệu suất cao Ngày 28 tháng 11 năm 2013 Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ngồi nƣớc: Anod hố nhơm đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nƣớc có khoa học tiên tiến để tạo lớp bảo vệ vững cho nhôm Ở nƣớc, đề tài anod hố nhơm đƣợc nghiên cứu rộng rãi để áp dụng vào dây chuyền xử lý bề mặt cho sản phẩm làm nhôm hợp kim nhơm Tính cấp thiết: Sản phẩm nhơm hợp kim nhơm khơng đƣợc anod hố độ cứng bề mặt thấp, để bị trầy xƣớc, gỉ… nói chung dễ bị hƣ hỏng bề mặt Vì cơng nghệ anod hố nhơm cần đƣợc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lƣợng sản phẩm nhôm hợp kim nhôm Ứng dụng cụ thể anod hố nhơm dung dịch CrO3 để xử lý bề mặt vật đúc, hàn, tán nhôm hợp kim nhôm Mục tiêu: Tạo lớp phủ Al2O3 dày 30µm bề mặt vật cần xử lý Cách tiếp cận: Tìm hiểu tình hình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ anod hố nhơm, sau lựa chọn cơng nghệ anod hố phù hợp với điều kiện nƣớc Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu mối quan hệ độ dày chất lƣợng bề mặt (độ nhám) màng oxit yếu tố khác nhƣ nhiệt độ, thời gian, mật độ dòng cách biến thiên yếu tố ảnh hƣởng phạm vi định Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu hợp kim nhôm 6061 Phạm vi nghiên cứu anod hoá dung dịch CrO3 có nồng độ 30-35 g/l Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hƣởng yếu tố nhiệt độ, thời gian, mật độ dòng điện lên độ dày lớp oxit nhôm CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình Các ứng dụng nhơm anod hố Nhơm kim loại: Nhơm kim loại đƣợc sử dụng phổ biến, đứng thứ hai sau thép Nhơm bảng tuần hồn Mendeleev có kí hiệu Al, kim loại nhẹ, dẻo, có màu trắng bạc, tính dẫn điện dẫn nhiệt cao, có tính chống ăn mịn cao khơng khí, nhiệt độ nóng chảy thấp 660ºC, nhiệt độ sôi cao 2493 ºC Khối lƣợng riêng nhơm 2.7g/cm3, nhơm có kiểu mạng lập phƣơng diện tâm (FCC) với thơng số mạng a = 4.04ºA Vì để đƣợc lớp màng có độ dày độ cứng định, thƣờng chọn thời gian 60 – 120 phút Để đƣợc lớp màng có nhiều lỗ nhuộm màu tốt, chọn thời gian 90 phút có đến 120 phút 4.1.2.5 Thành phần hợp kim: Sự tồn nguyên tố hợp kim nhôm, thông thƣờng làm giảm chất lƣợng lớp màng, khơng ảnh hƣởng tính bền chống gỉ mà tạo nên nhiều khiếm khuyết khác Nhƣ độ dày lớp màng, điều kiện nhƣ nhau, lớp màng thu đƣợc nhôm tinh khiết dày nhơm hợp kim Nhơm hợp kim silic khó oxi hóa; lớp màng tối, đen 4.1.2.6 Tạp chất: Trong trình oxi hóa, hịa tan nhơm kim loại khác làm giảm khả làm việc dung dịch Khi hàm lƣợng Al, Cu, Fe dung dịch cao ảnh hƣởng độ bóng lớp màng, khả chống gỉ Trên màng oxi hóa xuất vệt tối, đen Khi ion Cl- nhiều, màng sinh điểm đen ăn mòn Để đảm bảo dung dịch làm việc bình thƣờng, hàm lƣợng lớn loại tạp chất là: Al+3 : 15 – 25 g/l; Cu+2 : 0,02 g/l; Cl- : 0,2 g/l; Fe+3 : g/l; Mg+2 : vi lƣợng Để khử đồng thƣờng xuyên rửa lọc catot chì điện phân với mật độ dòng điện anod 0,1 – 0,2 A/dm2 làm cho đồng kết tủa catot Để khử nhơm, nâng dung dịch 40 – 500C, khuấy đều, cho (NH4)2SO4 kết hợp với nhôm thành AlNH3(SO4)2 kết tủa dƣới đáy bể Nếu ion khác lƣợng thay dung dịch Chất phụ gia axit oxalic Trong dung dịch H2SO4 có H2C2O4 làm giảm độ hịa tan lớp màng, làm cho màng kín khít Cho axit oxalic nâng cao nhiệt độ dung dịch 33 Trong sản xuất, có nhiều nơi dùng hỗn hợp axit H2SO4 + H2C2O4 để oxi hóa Lƣợng axit oxalic cho vào khoảng 0,5 – 4% 4.2 Oxi hóa cứng Oxi hóa cứng (cịn gọi oxi hóa dày), phƣơng pháp oxi hóa nhơm tƣơng đối Độ dày lớn lớp màng đạt đến 250 micromet, độ cứng tế vi lớp màng nhơm tinh khiết 1500kg/cm2 Lớp màng có nhiều lỗ, hấp phụ tới chất bôi trơn, giảm ma sát, lớp màng dẫn nhiệt kém, điểm nóng chảy đạt tới 20500C, điện trở thấp, qua xử lý bịt lỗ (ngâm vào sân cách điện paraphin) chịu điện áp cao 2000V Hình18 Dụng cụ nấu ăn nhơm anod hố Lớp màng có tính chống gỉ cao khí Nếu phun nƣớc muối 3% hàng ngàn khơng bị ăn mịn 34 Oxi hóa cứng có độ cứng cao, chịu mài mịn tốt, tính cách điện tốt, kết hợp tốt với nền, đƣợc ứng dụng rộng rãi công nghiệp chế tạo máy, cơng nghiệp quốc phịng, xi lanh, piston, trục, v.v Khuyết điểm oxi hóa cứng độ dày cứng, làm giảm khả chịu lực chi tiết Có nhiều loại dung dịch để oxi hóa cứng nhƣ dung dịch H2SO4, dung dịch H2C2O2, v.v , dùng dòng điện chiều xoay chiều Nhƣng đƣợc dùng nhiều dung dịch H2SO4, dùng dòng điện chiều, nhiệt độ thấp Oxi hóa cứng dung dịch H2SO4 gần giống nhƣ oxi hóa thơng thƣờng Điều khác để đƣợc độ cứng cao, màng dày phải tiến hành oxi hóa nhiệt độ thấp (-100C ~ 100C) Khi oxi hóa cứng đƣợc lớp màng dày, có điện trở cao, ảnh hƣởng đến cƣờng độ dịng điện tác dụng oxi hóa Do đó, để đƣợc lớp màng dày cần phải tăng điện áp để khử tác dụng điện trở mà bảo đảm mật độ dịng điện định, tiếp tục oxi hóa đƣợc Khi dùng dịng điện lớn, có tƣợng phát nhiệt lớn, làm xung quanh chi tiết nhiệt độ cao, tăng tốc độ hòa tan màng Để tránh tƣợng cần phải dùng phƣơng pháp khuấy dung dịch 35 Hình 19 Đầu piston hợp kim nhơm đƣợc anod hố 4.2.1 Phương pháp thao tác Oxi hóa cứng dùng phƣơng pháp dịng điện khơng đổi Lúc đầu dùng mật độ dòng điện 0,5 – A/dm2, 10 – 20 phút Nâng cao mật độ dòng điện – A/dm2 sau giữ mật độ dịng điện không đổi Cứ cách phút điều chỉnh lần mật độ dòng điện, đến kết thúc Trong trình oxi hóa cần ý dịng điện điện Nếu nhƣ dòng điện tăng lên, điện áp giảm đi, chứng tỏ màng bị hòa tan, cần phải ngắt điện, kiểm tra lấy chi tiết xem tiếp tục oxi hóa đƣợc khơng 4.2.2 Ảnh hưởng nhân tố 4.2.2.1 Nồng độ dung dịch: Nồng độ dung dịch thấp, độ cứng cao, đặc biệt nhôm tinh khiết Hợp kim nhôm hàm lƣợng đồng cao (LY12) pha CuAl2 hợp kim hịa tan nhanh q 36 trình oxi hóa nên không dùng nồng độ thấp, cần tiến hành dung dịch H2SO4 nồng độ cao (300 – 350 g/l) 4.2.2.2 Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hƣởng lớn đến độ cứng chịu mài mòn lớp mạ Nhiệt độ thấp, lớp màng chịu mài mịn cao Nhƣng với nhơm tinh khiết oxi hóa nhiệt độ – 110C có độ cứng cao oxi hóa 00C 4.2.2.3 Mật độ dòng điện anod: Mật độ dòng điện thấp, điện áp tăng cao chậm, tốc độ tạo thành màng chậm, thời gian oxi hóa dài, thời gian làm cho lớp màng bị hòa tan tăng, độ cứng giảm Mật độ dòng điện cao, lƣợng phát nhiệt tăng nhanh, nhiệt độ cao làm cho tốc độ hòa tan màng nhanh, độ cứng thấp Vì vậy, để đƣợc lớp màng độ cứng lý tƣởng, vào nguyên liệu khác mà chọn dịng điện tƣơng ứng, thơng thƣờng – A/dm2 4.2.2.4 Nguyên tố hợp kim: Khi oxi hóa cứng, nguyên tố hợp kim ảnh hƣởng lớn tới chất lƣợng lớp màng Hợp kim nhôm đồng, nhơm silic, nhơm magan oxi hóa khó khăn Ví dụ: silic làm cho lớp màng đỏ Hàm lƣợng silic lớn 7%, oxi hóa đƣợc lớp màng mỏng có nhiều lỗ, độ cứng thấp, chịu mài mịn kém, bền chống gỉ thấp Hàm lƣợng đồng lớn 5% lớp màng hòa tan nhanh, đặc biệt nơi tập trung mật độ dòng điện cao 37 4.3 Bịt lỗ nhuộm màu màng oxi hóa Bịt lỗ: để tăng tính chống gỉ cách điện, chịu mài mịn màng, làm giảm khả hấp phụ với tạp chất dầu bẩn, sau oxi hóa phải tiến hành bịt lỗ Phƣơng pháp thƣờng dùng nhƣ sau: Hình 20 Bề mặt mẫu nhơm sau anod hố, chƣa đƣợc bịt lỗ Bịt lỗ nƣớc nóng Bịt lỗ nƣớc nóng, nƣớc chƣng cất nƣớc khử ion Không dùng nƣớc sinh hoạt Công nghệ bịt lỗ nƣớc nóng nhƣ sau: Nhiệt độ: 1000C Thời gian 30 phút dùng để bảo vệ Thời gian – 10 phút (dùng để trang sức) pH = 6,7 – 7,5 (dùng để bảo vệ) pH = (điều chỉnh axit axetic) dùng để trang sức 38 Hình 21 Bề mặt nhôm trƣớc sau bịt lỗ 39 CHƢƠNG 2: THÍ NGHIỆM Ảnh hƣởngcủa thời gian đến độ dày : Hình 22 Mẫu nhơm anod hố 35 µm 30 25 20 Độ dày 15 10 phút 10 20 30 40 Hình 23 Đồ thị thể quan hệ thời gian anod hố độ dày Dựa vào đồ thị hình 23 ta thấy độ dày lớp nhơm oxit có quan hệ gần nhƣ tuyến tính với thời gian 40 Thời gian dài lớp oxit dày Tuy nhiên thời gian dài (trên 30 phút) lớp oxit trở nên nhám, thơ Muốn có lớp oxit dày vài trăm µm ta nên chuyển sang oxi hố cứng Ảnh hƣởng mật độ dòng điện đến độ dày 35 µm 30 25 20 Độ dày 15 10 A/dm2 0.5 1.5 2.5 3.5 Hình 24 Đồ thị thể quan hệ mật độ dòng độ dày Dựa vào đồ thị hình 24 ta thấy độ dày lớp nhơm oxit có quan hệ gần nhƣ tuyến tính với mật độ dịng Tăng mật độ dịng có tác dụng gần nhƣ tăng thời gian anod hố Muốn có lớp oxit dày vài trăm µm ta nên chuyển sang oxi hố cứng mà khơng nên tăng mật độ dịng Mật độ dòng cao làm cho nhiệt độ dung dịch tăng lên, làm ảnh hƣởng đến tốc độ tạo màng oxit chất lƣợng bề mặt sản phẩm 41 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến độ dày 25 µm 20 15 Độ dày 10 °C 10 20 30 40 50 60 Hình 25 Đồ thị thể quan hệ nhiệt độ độ dày Dựa vào đồ thị hình 24 ta thấy độ dày lớp nhơm oxit có quan hệ có cực đại với nhiệt độ Tăng nhiệt độ làm tăng khả hồ tan màng nhơm dung dịch axit Do tốc độ tạo màng giảm Giảm nhiệt độ làm giảm khả dẫn điện dung dịch, nên tốc độ tạo màng giảm theo 42 CHƢƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN: Nghiên cứu ảnh hƣởng yếu tố công nghệ nhƣ nhiệt độ, thời gian mật độ tới độ dày lớp oxit nhôm Nhiệt độ cao, thời gian dài, mật độ lớn so với tiêu chuẩn độ dày lớp oxit lớn Tuy nhiên vƣợt qua tiêu chuẩn thơng thƣờng lớp oxit xốp, rỗ, độ cứng thấp KIẾN NGHỊ: Anod hoá nhôm dung dịch CrO3 nồng độ 30-35 g/l tạo đƣợc độ dày đủ để trang trí bảo vệ trời Tuy nhiên để tạo lớp oxit thật dày nên dùng phƣơng pháp anod hố cứng dung dịch H2SO4 nhiệt độ thấp tốc độ tạo màng oxit nhanh nhiều Phƣơng pháp phức tạp phƣơng pháp anod hoá dung dịch H2SO4 nhiệt độ phịng Vì ta cần phải nung nóng dung dịch tốc độ tạo màng đủ lớn Ngay nung nóng, tốc độ tạo màng oxit dung dịch CrO3 nồng độ 30-35 g/l thấp tốn thời gian anod hoá Vậy trƣờng hợp tạo lớp trang trí bảo vệ thơng thƣờng ta nên chọn anod hố dung dịch H2SO4 nhiệt độ phòng ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG LAI: Dựa theo kết nghiên cứu anod hố nhơm dung dịch CrO3 nồng độ 30-35 g/l, tƣơng lai tiếp tục nghiên cứu anod hố nhơm dung dịch khác nhƣ:  Oxi hoá dung dịch oxalat để nhận màng oxit cách điện 43  Oxit hoá dung dịch phơtphat để sau mạ đồng, niken, kim loại khác  Oxi hoá dung dịch hữu 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ks Việt Trƣờng & Kỹ s Phƣơng Hiệp - Kỹ Thuật Mạ - NXB Giao Thông Vận Tải, 2003 [2] Nguyễn Văn Dán - Công Nghệ Nhiệt Luyện & Xử Lý Bề Mặt – NXB ĐHQG TP.HCM, 2003 [3] Nguyễn Văn Lộc - Kỹ Thuật Mạ Điện - NXB Khoa học kỹ thuật, 2000 45 PHỤ LỤC Bảng pl.1Bảng số liệu mật độ - độ dày Mật độ (A/dm2) Độ dày (µm) 20 26 31 Bảng pl.2 Bảng số liệu nhiệt độ - độ dày Nhiệt độ (°C) Độ dày (µm) 35 16 40 23 45 20 50 16 Bảng pl.3 Bảng số liệu thời gian - độ dày Thời gian (phút) Độ dày (µm) 10 20 20 26 30 31 46 ... (g/l) CrO3 3 0- 35 Nhiệt độ (0C) 3 8-4 5 Mật độ dòng điện anod (A/dm2) 2-3 Điện áp(V) 6 0-8 0 Thời gian (phút) 6 0-1 20 Vật liệu anod Tấm nhôm Ảnh hưởng các thành phần chế độ làm việc 4.1.2.1 Nồng độ CrO3: ... cứu anod hố nhơm dung dịch CrO3 nồng độ 3 0- 35 g/l, tƣơng lai tiếp tục nghiên cứu anod hố nhơm dung dịch khác nhƣ:  Oxi hoá dung dịch oxalat để nhận màng oxit cách điện 43  Oxit hố dung dịch. .. tin chung: - Tên đề tài: Anod hóa nhơm dung dịch chứa CrO3 nồng độ 3 0- 35 g/l - Mã số: T2013 – 98 - Chủ nhiệm: Nguyễn Văn Thức - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp HCM - Thời gian