2.4.1 Lớp phủ từ vật liệu vô cơ
1. Tẩm phốt phát.
Đây là một phương pháp xử lý hóa học kim loại rẻ và đơn giản. Phương pháp này tạo nên trên bề mặt sản phẩm lớp tinh thể của phốt pho không hòa tan, bám rất chắc trên kim loại. Lớp này xuất hiện bằng phản ứng hóa học của bể phốt phát với kim loại của sản phẩm. Thép thường được phốt phát hóa bằng cách ngâm vào bể phốt phát với nhiệt độ gần với điểm bốc hơi của nước.
Bể phủ là dung dịch nước của phốt phát (hóa trị 1) có chứa kẽm và axit photforic. Để đẩy nhanh các phản ứng hóa học, bể có chứa thêm các chất phụ, ví dụ như axit nitoric.
Thép sau khi tẩm phốt phát thường có mầu xám (đôi khi không thấy rõ).
Lớp phốt phát tẩm có khả năng chống gỉ tốt, mặt khác có thể cách điện trong điều kiện giới hạn nào đó (dùng cho các tấm trong biến thế, đinamo). Lớp phốt phát là cơ sở tốt cho việc tiếp tục sơn, nó làm tốt khả năng bám của lớp sơn lên kim loại.
2. Lớp men keramit (gốm)
Lớp men gốm là lớp thủy tinh vô cơ. Từ những thủy tinh borit dễ nóng chảy được chảy lên bề mặt kim loại, người ta tạo lớp men keramit chủ yếu trên các chi tiết thép và hợp kim của chúng.
Lớp phủ men keramit liên tục và không xốp có khả năng chịu đựng được với tất cả cácảnh hưởng của thời tiết và tác dụng hóa học. Nhược điểm của nó là dòn và khả năng chống đỡ va chạm rất yếu.
Nguyên liệu chính sử dụng cho việc sản xuất men keramit là mangan, phenfat và kryolit, ôxy chì, borac, v.v…
Trước khi phủ keramit vật phải được làm sạch bằng phun bi hoặc ngâm. Sau đó sẽ phủ một lớp men huyền phù (hỗn hợp của men bột rất mịn với nước) bằng cách ngâm hoặc phun bằng đầu phun.
Tiếp theo đem sấy trong lò với nhiệt độ khoảng 90000C. Bằng cách đó sẽ tạo một lớp men cơ sở để có sự liên kết tốt với kim loại nền. Lớp này có màu tối và không rõ. Trên lớp này tiếp tục phủ lớp thứ hai bằng phương pháp tương tự - lớp này có thể bao gồm các chất có màu (màu của Ô xít kim loại thích ứng).
Lớp men phủ keramit cũng có thể phủ bằng cách khác. Sau khi sàng các bột men khôn lên trên bề mặt vật bằng lưới sàng, vật sẽ được nung nóng đến nhi ệt độ 8000C – 90000C để cho men phủ và chảy trên bề mặt vật.
3. Nhuộm màu kim loại.
Nhuộm màu kim loại thực chất là xử lý bề mặt kim loại bằng hóa học,để làm tốt, đẹp hơn hình thức bên ngoài của sản phẩm kim loại và để tăng tính chống gỉ .
Ví dụ: ôxy hóamàu đen cho thép có nghĩa là tạo một lớp có khả năng chống gỉ màu đen. Lớp này thực chất là ôxit Fe3O4 tạo ra bằng cách ngâm vật một thời gian vào bể nóng của một hydrô xít chứa natri, amôniac (NH3) và các chất hữu cơ. Vật sẽ được bọc một lớp ô xítmàu đen.
Thép được nhuộm màu đen thường được dùng cho công nghiệp quốc phòng và công nghiệp quang học (kính hiển vi).
Bằng những cách tương tự cũng có thể nhuộm màu cho đồng và hợp kim đồng .có thể hóa xanh cho thép bằng cách tiến hành nung nóng một thời gian trong không khí trơ khoảng nhiệt độ 3000C,như vậy thép sẽ tạo ra một lớp ô xít có màu xanh biển đẹp. Phương pháp này thường dùng để trang trí.
Nhuộm màu nâu cho hợp kim đồng trong dung dịch CuSO4 (từ 5-15)% và hyposunfil (5-15)% vàở nhiệt độ (35-80)0C.
Nhuộm màu đen cho hợp kim đồng được tiến hành trong dung dịch K 2S2O8 từ (1,5-8)%; NaOH (5-8)% và NaNO3(1-1,5)% vàở điều kiện nhiệt độ (35-100)0C.
2.4.1.2 Lớp phủ từ chất hữu cơ.
Xử lý bề mặt bằng các chất hữu cơ là phương pháp rẻ tiềndùng nhiều và dễ dàng trong xử lý bề mặt và bảo vệ vật liệu.Thực chất là tạo trên bề mặt kim loại hoặc gỗmột lớp bảo vệ hữu cơ để chống dỡ với tác dụng của môi trường. Lớp hữu cơ thường dùng là sơn. Tác dụng bảo vệ của lướp sơn trước tiên là cơ cấu bảo vệ sự tiếp xúc trực tiếp của moi trường gỉ với kim loại cần bảo vệ.
Sơn không hòa tan vào nước, axit và nó có khả năng chống gỉ rất tốt.
Lớp bảo vệ sơn thu được bằng cách phủ ở trạng thái lỏng. Có thể vật liệu sơn được nhào trộn sau đó quét thành n hững lớp mỏng trên bề mặt vật được chuẩn bị sạch hoặc được phủ bằng phun hoặc ngâm.
Quá trình quétđược tiến hành the o trật tự phủ bao gồm:lớp cơ sở, lớp đệm và lớp bề mặt. Lớp sơn cơ sở là lớp sơn đầu tiên phủ lên vật và có thể phủ một lớp hoặc một số lớp. Lớp tiếp theo của nó là lớp sơn nền vì nó sẽ là cơ sở nền cho lớp sơn cuối cùng, nghĩa là lớp sơn bề mặt (lớp sơn đỉnh) là lớp sơn quyết định hình thức của lớp phủ sơn.
Vật liệu sơn được chế biến từ một vài chất sau:
Chất cơ bản phải luôn luôn là chất có khả năng tạo thành màng sơn-nghĩa là tạo sự liên kết,sự dính và khả năng cơ học của lớp phủ. Đó là các chất tạo màng.
Thành phần chính thứ hai của chất sơn là các chất hòa tan. Đó là các chất hữu cơ lỏng để các thành phần tạo màng có thể hòa tan vào c húng.
Thành phần chính thứ ba là thành phần sắc tố là các bột màu không hòa tan. Bột này tạo cho sơn có những màu theo yêu cầu, những tính chất khác và khả năng chống gỉ.
Sắc tố này có thể là các bột kim loại như bột nhôm, kẽm. Ngoài sắc tố ra đôi khi còn dùng mực, loại này rẻ tiền hơn. Nói chung là các chất này rất thích hợp cho việc xửa đổi các tính chất công nghệ của chất sơn.
Loại sơn trong suốt không chứa chất màu hoặc các loại mực được gọi là sơn bóng hoặc vecni. Nó là dung dịch của chất tạo màng trong các chất hòa tan hữu cơ. Sơn có thể chia làm hai loại:
- Loại sơn sắc tố tức là sơn có màu (bao gồm một số khá lớn sắc tố).
- Loại sơn phủ dùng với mục đích chính là quét lên lưosp sơn trên đỉnh ,có tác dụng làm tăng hình thức bên ngoài và khả năng chống cháy.
1.Các loại vật liệu sơn. a. vật liệu sơn dầu.
Thành phần chủ yếu là dầu thực vật, thông thường là dầu lanh hoặc dầu gỗ, loại dầu này phủ một lớp mỏng để gây phản ứng với ôxy của không khí tạo thành một màng cứng. Thực chất của nó là phủ lên một lớp polymer.
Để làm tăng nhanh quá trình khô của lớp dầu ,người ta cho thêm vào 0,1% chát sấy khô, chất nà y có tác dụng như chất xúc tác. Chất sấy khô bao gồm có xà phòng , muối của các loại axit béo và axit của kim loại (chủ yếulà chì, côban, mangan).
Dầu được sấy khô cùng với một số chất phụ cho thêm gọi là dầu gai. Dầu gai được quét thành các lớp mỏng và sấy khô trong một ngày. Màu của dầu gai được sản xuất theo các chất sắc tố và không chứa thành phần dễ bay hơi. Người ta thường sủ dụng các loại dầu cómàu để quét sơn cơ sở trên thép vì nó có chứa các chất sắc tố chống gỉ.
b. Vật liệu xenlulô.
Thành phần chủ yếu của nó là nitroxenlulô được hòa tan trong chất thích ứng như êtylen, axêtôn,vv….Các chất này thường có tính tự sấy khô nhanh (khoảng 30-60 phút). Bởi vậy loại này rất thích ứng với việc phủ các lớp sơn bằng phun với các đầu phun (pistole).
c. Vật liệu sơn tổng hợp.
Đây là loại sơn chứa đựng các ưu điểm của loại sơn dầu và xenlulô ,đồng thời khử các nhược điểm của các loại sơn trên. Phần chính để tạ ra màng của loại này là các loại nhựa tổng hợp.
Loại sơn từ vật liệu mang tính kiềm là loại có khả năng tốt nhất đối với các ảnh hưởng của thời tiết,đặc biệt ở điều kiện nhiệt độ (độ ẩm cao, nhiệt độ cao và có sự thay đổi điều kiện một cách khác thường).Các loại sơn tổng hợp này phần lớn được phủ bằng cách
phun và ngâm….Có thể để khô trong không khí với nhiệt độ bình thường. Bằng cách tăng nhiệt độ thì sấy khô sẽ tăng nhanh.
2. Các phương pháp sơn
Có nhiều cách sơn, sơn bằng chổi lông là phương pháp cũ nhất và là kỹ thuật cơ sở. Nhược điểm là mất nhiều công lao động. Sơn bằng bút lông thích hợp cho các chi tiết phức tạp hoặc ở các vị trí gặp nhiều khó khăn mà bút lông thíchứng mới quét được. Hiện nay khi sơn các kết cấu, cầu,…sơn bằng chổi lông vẫn đóng một vai trò quan trọng.
Phun sơn là dùng khí nén thổi vào dòng sơn làm phân tán thành các giọt sơn nhỏ nén lên vật và như vậy trên bề mặt sẽ tạo ra một lớp sơn liên kết. Phun sơn được tiếnhành bằng các đầu phun.Vật liệu sơn được đưa và đầu phun bằng ống dẫn từ thúng sơn. Ở đấy có áp lực bằng 4atm.
Phun sơn có công suất cao hơn là quét sơn vì có thể sơn rất nhanh,nhưng mất mát về sơn cũng nhiều-có thể lên đến 40%. Để giảm sự mất mát sơn có thể sử dụng phun bằng từ trường điện (gọi là sơn tĩnh điện) hoặc sơn bằng vật liệu sơn nóng. Ngoài ra nó còn dùng phương pháp ngâm. Ngâm là phương pháp thấm ướt, phương pháp này tiết kiệm và đơn giản nhất không đòi hỏi công nhân có trìnhđộ cao vào có thể dễ dàng tự động hóa được.
Ở Việt Namhiện nay đã dùng phổ biến công nghệ sơn tĩnh điện cho các sản phẩm. 3. Sấy khô sơn
Có nhiều cách sây khô sơn, có thể sấy khô sơn trng không khí ở nhiệt độ thường trong phòng,nhược điểm của cách này là thời gian dài, đòi hỏi phải có một không gian lớn (ví dụ như sơn dầu)
Để đẩy nhanh việc sấy khô, trong sản xuất hàng loạt có nhiều cách sấy khác nhau. Sấy ở nhiệt độ cao hơn 1500C gọi là nung . Loại này dùng cho một số loại sơn.
Sấy trong các lò sấy: không khí được nung nóng từ các loại vật liệu lò sauđó nhiệt sẽ truyền sang vật đã được sơn. Thường sủ dụng các loại lò buồng hoặc tunen. Trong khi sấy không khí nóng di chuyển xung quanh, để nhiệt độ ở mọi chỗ như nhau và nhiệt truyền vào vật được sơn nhanh hơn. Phần không khí nóng trong lò sẽ chứa các sản phẩm của sơn bốc hơi ra (như hơi của các chất hòa tan),do đó nhất thiết phải có hệ thống hút để đảm bảo quá trình sấy kông bị trỏ ngại và không xảy ra tai nạn nổ.
Sấy bằng bức xạ nhiệt, ở đây nhiệt được đưa đến bằng bức xạ nhiệt của tia hồng ngoại với chiều dài sóng hơn 0,75 micromet. Sự bức xạ nhiệt không nhìn thấy này được thâm nhập và các chi tiết được sơn từ lớp cơ sở đầu tiên đến lớp cuối cùng.
Ưu điểm của phương pháp này là cả hơi của các chất dung môi có thể xuất hiện trên bền mặt và có thế sấy đến khi hoàn thiện.Phương phápnày năng suất cao hơn một vài lần so với phương pháp sấy trong lò (ở phương pháp này lớp sơn bị sấy từ bề mặt vào).
Phương pháp bảo vệ thép cacbon và các kim loại màu khỏi gỉ thường dùng là lớp phủ kim loại hoặc phi kim, các lớp này có đặc điểm bền vững cao hơn kim loại chính ở trong môi trường gỉ.
Lớp phủ bảo vệ có thể phân loại như trên sơ đồ hình 2.11. Ở đây sẽ xét một số lớp bảo vệ bằng các phương pháp sau:
+ Tráng kim loại bằng cách nhúng.
Nhúng chùm chi tiết vào kim loại nóng chảy gị là tráng, nó là một phương pháp cũ nhất để bảo vệ kim loại chống gỉ. Bằng cách này sẽ thu được các lớp bảo vệ thông thường là kẽm, thiếc, chì. Phương pháp này thường sử dụngtrong các nhà máy luyện kim. Những vật định cho tráng kẽm phải được chuẩn bị sạch bằng dung dịch axit lưu huỳnh và được trung hòa bằng nước nóng hoặc lạnh.
Quá trình tiến hành tráng kẽm thường ở trạng thái ướt (phương pháp cũ) hoặc trạng thái khô (phương pháp mới), các phương pháp này đều có thể tiến hành bằng tay hoặc bằng máy.
Tráng kẽm bằng tay trong trạng thái ướt được biểu thị trên hình 2.12.
Kẽm lỏng (Zn) được chứa trong bể thép (1), bể này có vách ngăn được chế tạo bằng thép tấm, ở phía phải của bể được phủ lớp chất trợ dung T. Chất trợ dung này là hỗn hợp của clorua kẽm (ZnCl) và clorua amoniac, vật sẽ được nhúng vào bể ướt (không sấy) qua chất trợ dung. Dưới tác dụng của chất trợ dung bề mặt của vật được
làm sạch hoàn toàn. Hình 2.12. Tráng kẽm bằng tay Nhiệt độ trong bể khoảng 4500C. Vật được ngâm trong m ột thời gian ngắn để kẽm dính lên hết bề mặt của vật, sau đó vật được lấy ra ở phía bên trái (không có chất trợ dung). Vật lấy ra được làm sạch kim loại thừa, sau đó được làm nguội.
Hình 2.11. Phân loại lớp phủ
Sự hình thành lớp phủ kẽm khi ngâm là do các nguyên tử kẽm xuất hiện trong bể ngâm, chúng khuếch tán vào mạng sắt nền của vật và tác dụng hóa học với nhau tạo lớp kim loại sắt và kẽm, điều đó có nghĩa là lớp hợp kim này với lớp kẽm sẽ được liên kết kim loại với nhau.
Nhưng lớp hợp kim trung gian này rất dòn cho nên phải rất mỏng, thời gian ngâm không được dài so với yêu cầu. Khi tráng kẽm bằng phương pháp ướt, kẽm sẽ tác dụng với thành của bể thép, do đó bể chóng bị phá hủy. Phương pháp tráng kẽm ở trạng thái khô sẽ khắc phục được các thiếu sót c ủa phương pháp tráng kẽm ướt và thu được kết quả về kỹ thuật và kinh tế cao hơn.
Nguyên lý chung là vật cần tráng được đưa vào bể tráng. Bể kẽm ở đây không phủ chất trợ dung mà có chất phụ, khoảng 0,2% Al. Tác dụng của nhôm là làm chậm sự khuyếch tán những nguyên tử kẽm vào mạng của sắt. Bởi vậy tính dòn của lớp trung gian sẽ nhỏ, mỏng đi nhiều lần so với phương pháp tráng ướt.
Tráng kẽm theo phương pháp khô được sử dụng rộng rãi hiện nay, chiều dày của lớp có thể đạt được nhỏ nhất 20 micr omet và thường để tráng các tấm,ống, vật đúc, nồi vè kết cấu thép toàn bộ.
Thời gian tác dụng của lớp bảo vệ kẽm thường tỷ lệ với chiều dày của lớp. Lớp phủ kẽm nếu tốt có thể chịu đựng được trong môi trường không khí thực bên ngoài hàng chục năm. Tuổi thọ của chúng có thể kéo dài lâu hơn sơn phủ, đặc biệt trong môi trường khí quyển trung hòa ,nhưng trong môi trường nước nóng thì không thích hợp.
Ngoài lớp tráng bằng kẽm, người ta còn dùng lớp tráng thiếc. Lớp tráng thiếc trên thép có khả năng chống mòn, nó có màu trắng.những tấm mạ thiếc thường cho ngành đóng đồhộp trong công nghiệp thực phẩm. Lớp tráng thiêc thu được bằng phương pháp nhúng (tráng) yêu cầu phải có chiều dày mỏng vừa đủ (khoảng 20 micromet). Để có thể thu được lớp phủ như vậy, trước tiên bề mặt của tấm yêu cầu phải nhẵn, thường được đánh bóng sau đó mới tiến hành tráng. Quá trình tráng thiếc tương tự như tráng kẽm.
Các tấm thép với lớp phủ chìđược dùng chủ yếu trong môi trường xâm thực mạnh. Khi tráng thép bằng lớp chì thường khó hơn khi tráng kẽm, thiếc. Vì hai kim loại này không đủ tạo thành hợp kim. Chì nguyên chất không bám trên bề mặt của sắt, bởi vậy khi cho thêm chì khoảng 10-30% thiếc có tác dụng tạo thành hợp kim với sắt và quá trình cô ng nghệ tráng cũng tương tự như khi tráng thiếc. Những dải thépmạ nửa chì thường thích hợp cho việc sản xuất các loại bạc của bộ phận cách điện của nhà cửa.
2.4.1.4 Mạ điện
Mạ điện (hay nói chính xác là mạ điện hóa) được tạo ra theo nguyên lý của sự điện phân.
Theo định Faraday: vật (1) là vật cần mạ sẽ là cực âm, chúng được treo lên những thanh hoặc ống bằng đồng thau, đồng thanh hoặc bằng nhôm(5). Vật được nhúng vào bể điện phân (chất diện phân) (3) trong bể (4). Bên cạnh đó chúng ta treo vào bể những đĩa kim loại (cực dương) (2), hình 2.13.
Chất điện phân chứa các ion kim loại cần mạ, thông thường cực dương là những kim loại tương tự như kim loại mạ trên vật.