1. Tổng quan về quá trình mạ thép
Quá trình mạ điện phân bằng sắt cho các chi tiết gọi là mạ sắt hay mạ thép. Xét về thành phần thì sắt điện phân gần giống thép các bon thấp cĩ hàm lượng các bon là 0,03-0,06%. Dùng mạ thép cĩ thể nhận được lớp mạ cĩ độ cứng tế vi 550 - 650 daN/mm2 (HRC 50 - 56) mà khơng cần gia cơng nhiệt luyện tiếp theo.
Lớp mạ thép cĩ độ chống mịn cao, nhất là ở các chế độ mạ sắt trượt độ chống mịn của nĩ cịn lớn hơn so với thép 45 tơi cao tần cũng như so với các lớp hàn đắp và phun kim loại. Điều đĩ cĩ thể giải thích được rằng ngồi độ cứng cao, lớp mạ thép cịn cĩ độ oxy hĩa lớn ngoài khơng khí. Các màng ơxy hĩa sinh ra trên bề mặt lớp mạ trong quá trình ma sát, cĩ tác dụng tương tựa như chất bơi trơn sẽ hạn chế sự mịn dính và làm cho quá trình mài mịn chậm lại. Ở chế độ ma sát giới hạn và ma sát ướt dưới áp lực lớn, lớp mạ thép sẽ mất tính năng oxy hĩa do đĩ nĩ trở nên cĩ tính chống mịn kém hơn so với thép 45 tơi cao tần.
Dung dịch dùng cho mạ thép là dung dịch clorit sắt (FeCl2.4H2O) hoặc sunphit sắt (FeSO4.4H2O), cực dương là một thanh thép các bon thấp cịn cực âm là chi tiết cần mạ. Nguyên lý mạ thép giống như nguyên lý mạ điện phân nĩi chung. Sau khi dịng điện chạy qua dung dịch, trên chi tiết sẽ được phủ một lớp kim loại cĩ thành phần hĩa học là thép cácbon thấp, tính năng cơ học của nĩ lại gần giống như thép các bon trung bình. Sở dĩ như vậy là do tính chất kết tinh của nguyên tử ferit khi chúng phủ lên cực âm khác với tính chất kết tinh của ferit từ trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái đặc. Ferit kết tinh khi đơng đặc thì các nguyên tử xếp sắp theo một quy luật nhất định, cịn ferit kết tinh khi điện phân thì khoảng cách giữa các nguyên tử sắp xếp khơng theo quy luật nào (hình 4.19), do đĩ lớp mạ tuy cĩ thành phần là thép các bon thấp nhưng độ cứng lại tương tự như thép cácbon trung bình.
Độ bền mỏi của chi tiết sửa chữa bằng phương pháp mạ thép giảm xuống chừng 25 - 30%, đĩ là do ứng suất kéo dư xuất hiện trong lớp mạ. Vì vậy, khi mạ cần phải chú ý đến điều kiện làm việc của chi tiết.
a. Ưu điểm của mạ thép
Mạ thép cĩ những ưu điểm cơ bản sau đây: 1. Tốc độ mạ nhanh, khoảng 0,15 - 0,25mm/giờ;
Cnsc.166
2. Chiều dày lớp mạ lớn, cĩ thể đạt tới 2-3mm hoặc hơn nữa; 3. Cơ cấu kim tương khi nhiệt luyện của chi tiết khơng bị phá hoại; 4. Hiệu suất dịng điện lớn = 80-90%;
5. Giá thành hạ, v.v...
Hình 4.19. Sơ đồ kết tinh của ferit
a. Kết tinh khi đơng đặc; b. Kết tinh khi điện phân.
Do cĩ những ưu điểm trên cho nên rất nhiều chi tiết trước kia phục hồi bằng mạ crơm thì ngày nay đã được thay bằng mạ thép nhất là đối với các loại chốt píttơng, thanh đẩy xupáp, chữ thập khớp các-đăng, v.v...
Trang thiết bị để mạ thép cũng tương tự như trang thiết bị để mạ crơm. Tuy nhiên, các thiết bị mạ thép cĩ thể cĩ những đặc điểm riêng và cĩ thêm các đồ gá phụ khác với các bể mạ crơm.
Để tạo ra lớp mạ thép cứng người ta sử dụng các chất điện phân clorua nĩng, thành phần của chúng gồm clorua sắt và axit clohyđric. Vì vậy các trang thiết bị cần được bảo vệ chống tác động phá hoại của axit và chất điện phân. Vật liệu lĩt bể ở đây là các tấm cácbon chì hoặc men, sơn chịu axit, hoặc lĩt bằng cao su, epơxy.
Việc mạ thép cĩ thể tiến hành ở nhiệt độ cao (90-1050C) hoặc tiến hành ở nhiệt độ thấp (20-600C); hiện nay mạ ở nhiệt độ thấp ít được sử dụng.
b. Dung dịch mạ thép và phương pháp điều chế
Khi mạ thép ở nhiệt độ cao cĩ thể dùng dung dịch cĩ thành phần như sau:
Loại dung dịch muối sunfit sắt FeSO4 .7H2O
FeSO4.7H2O : 150 gam/lít nước
Na2SO4 : 100 g/l
H2SO4 : 5 g/l
Với loại dung dịch này thường chỉ đạt được lớp mạ mỏng (0,2mm) do đĩ hiện nay trong thực tế ít được sử dụng.
Loại dung dịch muối clorua sắt (FeCl2 .4H2O)
Thành phần của chất điện phân và chế độ mạ cĩ thể tham khảo bảng 4.14. Bảng 4.14. Chất điện phân và chế độ mạ
Kiểu chất điện phân Thành phần chất điện phân và chế độ làm việc 1 2 3 Clorua sắt FeCl2.4H2O, g/l 680 450 200 Axit Clohyđric HCl, g/l 0,8 - 1,0 0,6 - 0,8 0,6 - 0,8 Nhiệt độ, 0C 60 - 100 50 – 80 50 - 80 Mật độ dịng điện, A/dm2 5 - 140 10 – 80 10 - 80 Ngồi ra người ta cịn cho thêm các chất NaCl, MnCl2, CaCl2, v.v... vào dung dịch nhằm cải thiện tính dẫn điện của dung dịch và chất lượng lớp mạ.
Muốn điều chế FeCl2.4H2O dùng thép non (thép 10, 20) và axit clohyđric HCl. Thứ tự pha chế như sau:
1. Tiện thép non thành phoi, rửa phoi trong dung dịch 10% NaCl trong vịng 1-2 giờ, sau đĩ rửa bằng nước nĩng và nước lạnh;
2. Căn cứ vào dung tích thùng mạ tính ra lượng axit HCl cần thiết (tham khảo bảng 4.15);
Chẳng hạn nếu loại nồng độ của FeCl2.4H2O là 250 g/l và dung tích thùng mạ là 200 lít, tỷ trọng của axit HCl là 1,4 thì lượng axit HCl cần thiết sẽ là:
0,335 Kg/l x200 lít = 67 kg (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(Cách điều chế: 2HCl + Fe + 4H2O = FeCl2 . 4H2O + H2) 3. Cứ mỗi lít axit HCl pha thêm 0,5 lít nước, khuấy đều; 4. Tính trọng lượng phoi:
Căn cứ vào nồng độ FeCl2. 4H2O đã chọn, ứng với loại nồng độ đo trong bảng 22. Ta được nồng độ sắt Fe. Trong ví dụ trên, nồng độ sắt là 70,9 g/l. Sau đĩ nhân thêm với hệ số điều chỉnh do tổn hao là = 1,1 ta được lượng phoi thép cần thiết:
G= 70,9 g/l x 200l x 1,1 = 15,4 kg
5. Đem phoi thép chia nhiều đợt bỏ vào dung dịch HCl đến khi ngừng sủi bọt là được. Khi hịa tan phoi thép dung dịch được hâm nĩng ở nhiệt độ 30 - 400C và đựng trong bình chịu axit.
Sau khi cĩ FeCl2.4H2O đem lọc sạch rồi cĩ thể pha thêm với NaCl, MnCl2, CaCl2,v.v... theo lượng cần thiết, cuối cùng pha với nước theo tỷ lệ nào đĩ để được dung dịch quy định.
Bảng 4.15. Các thơng số tính tốn lượng axit để điều chế dung dịch mạ Lượng HCl cần thiết để hịa tan phoi sắt, g/l
Tỷ trọng axit HCl 1,14 1,19 Nồng độ FeCl2 . 4H2O, g/l Nồng độ sắt (Fe++ + Fe+++), g/l
Lượng HCl trong dung dịch, g/l
27,66 37,23
Cnsc.168 250 70,9 335 249 300 85,2 402 299 350 99,4 469 349 400 113,5 536 388 500 141,9 670 498 600 170,4 804 597 700 198,8 938 698 800 226,9 1072 796 .
Khi mạ, đổ dung dịch vào bể mạ rồi hâm nĩng tới 95-1050C, treo cực dương vào và dùng cực âm tạm thời để điều chỉnh dung dịch mạ, nhằm làm cho Fe hĩa trị 3 hồn nguyên thành Fe hĩa trị 2. Sau khi Fe+3 hồn nguyên thành Fe+2 dung dịch sẽ cĩ màu lục sẫm. Trong khi mạ, ở âm cực xảy ra các quá trình như sau:
Fe++ + 2e Fe 2F+ + 2e H2 Và Fe+++ + e Fe++
Cịn ở cực dương ion hĩa kim loại hịa tan: Fe - 2e Fe++
Fe - e Fe++ và giải phĩng oxy.
Chất lượng lớp mạ chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố như nhiệt độ dung dịch mạ, mật độ dịng điện, nồng độ dung dịch và nồng độ axit.
Thực tế cho thấy rằng, khi nhiệt độ dung dịch mạ thay đổi đi 2-30C trong khi mạ thì độ cứng cĩ thể thay đổi tới 10-15 đơn vị HB hay nĩi một cách tổng quát hơn nhiệt độ dung dịch mạ càng tăng lên, thì độ cứng của lớp mạ càng giảm xuống. Khi mạ ở nhiệt độ thấp lớp mạ hay bị bong, sở dĩ như vậy là vì ở nhiệt độ thấp lớp mạ hấp thụ lượng hyđrơ khá lớn. Nếu chế độ mạ khơng đổi thì lượng hyđrơ sẽ giảm xuống theo thời gian. Kết quả là nồng độ hyđrơ trong lớp mạ khơng đồng đều do đĩ tạo thành nội ứng suất và ứng suất đĩ làm cho lớp mạ bị bong ra.
Ngược lại, ở nhiệt độ mạ cao do hấp thụ hyđrơ ít hơn nên lớp mạ dẻo hơn. Ở nhiệt độ mạ cao ion sắt hoạt động mạnh hơn, muối sắt phân giải nhanh hơn do đĩ hiệu suất dịng điện mạ cũng cao hơn, tốc độ bám của sắt lên cực âm cũng tăng lên.
Mật độ dịng điện cũng ảnh hưởng khơng nhỏ tới chất lượng lớp mạ. Trong trường hợp các điều kiện khác khơng thay đổi thì khi mật độ dịng điện Da tăng lớp mạ sẽ cứng hơn, song lại rịn hơn so với lớp mạ khi Da nhỏ. Mặt khác, khi Da tăng sẽ kích thích cho các ion Fe bám vào âm cực với tốc độ nhanh hơn, trong cùng một thời gian số lượng hạt kết tinh lên cực âm nhiều nên lớp mạ mịn, láng. Song, khơng thể tăng mật độ dịng điện quá lớn được, vì như vậy lượng Fe xung quanh cực âm sẽ
giảm xuống rất nhanh sinh ra sự chênh lệch về nồng độ ion Fe giữa dung dịch và xung quanh cực âm ion Fe vào cực âm, do đĩ lớp mạ xốp và ghồ ghề.
Bên cạnh đĩ nồng độ dung dịch cũng ảnh hưởng tới chất lượng lớp mạ. Khi nồng độ dung dịch lớn tức là lượng ion Fe nhiều, nếu mật độ dịng điện khơng đổi thì lớp mạ sẽ thơ, trong quá trình mạ nồng độ dung dịch thay đổi ít, do đĩ đối với nồng độ dung dịch lớn nên dùng mật độ dịng điện lớn, như vậy số lượng hạt kết tinh sẽ tăng lên ta được lớp mạ mịn.
Cuối cùng, nồng độ axit cũng là nhân tố ảnh hưởng tới chất lượng lớp mạ. Trong dung dịch phải đảm bảo một nồng độ axit nhất định, vì nếu nồng độ axit thấp sẽ khơng đủ để trung hịa gốc OH và khi đĩ gốc OH sẽ tác dụng với ion++ tạo thành Fe(OH)2 là một chất rất ổn định. Fe(OH)2 sẽ bám vào cực âm và làm thay đổi cơ tính của lớp mạ. Tuy nhiên, nồng độ axit quá cao cũng khơng tốt vì lúc đĩ ion H+ nhiều và do đĩ cũng làm thay đổi cơ tính của lớp mạ.
Bình thường khi nồng độ axit vừa phải dung dịch sẽ cĩ màu lục nhạt, nếu nồng độ axit cao dung dịch cĩ màu lục thẫm cịn khi nồng độ axit thấp dung dịch cĩ mầu nâu vân trắng.
Như trên đã trình bày, chất điện phân được hâm nĩng tới nhiệt độ 80-1000C. Việc hâm nĩng cĩ thể tiến hành bằng hơi nước, nước nĩng hoặc bằng điện. Khi mạ thép anốt làm bằng các tấm thép cácbon thấp do đĩ trong quá trình điện phân anốt bị hịa tan làm bẩn chất điện phân. Các cặn bẩn của anốt này cĩ thể lẫn vào lớp mạ và làm giảm chất lượng của nĩ. Do đĩ thiết bị mạ thép cần phải cĩ bộ phận lọc chất điện phân, việc lọc cĩ thể tiến hành liên tục hoặc theo chu kỳ.
Thiết bị lọc theo chu kỳ gồm những thùng lắng đặt trên bể mạ và một bơm, nhờ bơm đĩ chất điện phân bẩn từ bể được đưa lên thùng. Trong thùng chất điện phân sẽ lắng xuống trong vịng 12 - 18 giờ và sau đĩ nĩ tự chảy vào bể mạ qua bầu lọc.
Thiết bị lọc liên tục gồm một bơm và một bình lọc mắc nối tiếp với nhau. Một phần chất điện phân được bơm liên tục từ bể qua bầu lọc lại được trở về bể. Như vậy, sẽ đảm bảo thay đổi 3-4 lần toàn bộ chất điện phân trong một ca sản xuất. Bơm được chế tạo từ vật liệu hỗn hợp của nhựa và amiăng và các vật liệu chịu axit khác.
Mặt khác, khi mạ thép do nhiệt độ cao (80-1000C) nên chất điện phân bị bay hơi nên khối lượng nước và axit clohyđrit giảm xuống. Ngoài ra một phân của axit clorua hyđric phải tiêu hao cho các phản ứng khi điện phân. Tất cả những cái đĩ làm thay đổi nồng độ thành phần chất điện phân và tính chất của lớp mạ. Vì vậy, thiết bị mạ thép cần phải cĩ các bộ phận để bổ sung nước và axit clorua hyđric cho chất điện phân.
2. Quá trình cơng nghệ mạ thép
Quá trình cơng nghệ mạ thép cũng tương tự như mạ crơm, cĩ nghĩa là gồm ba bước chuẩn bị chi tiết, mạ, gia cơng sau khi mạ.
Sơ đồ quá trình cơng nghệ như sau:
Gia cơng cơ khí các bề mặt, rửa bằng xăng, đánh sạch bề mặt bằng giấy giáp, lắp ráp chi tiết lên thiết bị treo, cách ly những chỗ khơng cần mạ của chi tiết và thiết (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cnsc.170
bị treo, khử mỡ cho chi tiết bằng vơi bột hoặc vơi viên, rửa bằng nước lạnh chảy, gia cơng anốt trong dung dịch 30% axit sunfuric, rửa bằng nưước nĩng, rửa - hâm nĩng bằng nước nĩng (50-600C), mạ thép, rửa bằng nước nĩng 900C, trung hịa trong dung dịch 10% kiềm ăn da, rửa bằng nước nĩng 800C - 900C, tháo chi tiết ra khỏi thiết bị treo và tẩy sạch các chất cách ly, gia cơng cơ bề mặt mạ, kiểm tra chất lượng.
Thơng qua sơ đồ này ta thấy nhiều thao tác mạ thép cũng giống hệt như những thao tác mạ crơm hoặc tương tự như vậy. Vì vậy, dưới đây chỉ xét những thao tác khác biệt so với mạ crơm.
a. Cách ly những chỗ khơng cần mạ của chi tiết và đồ gá
Thao tác này nhằm làm giảm mất mát dịng điện cho việc phân ly kim loại thừa ở những chỗ khơng cần mạ và như vậy nhằm nâng cao năng suất mạ. Ngoài ra, việc cách ly cịn bảo vệ cho các bề mặt phía trong của chi tiết và thiết bị treo khỏi bị tác động phá hoại của chất điện phân. Nếu khơng cĩ cách ly, chúng sẽ bị hịa tan trong chất điện phân clorua nĩng. Vật liệu cách ly là êmalit, keo dán Áễ-2 (BF2), sơn bakelit, cao su và các loại men. Trong một số trường hợp các bề mặt được cách ly bằng các áo bọc chế tạo bằng chất dẻo chịu axit cĩ thể tháo rời được và sử dụng được nhiều lần.
b. Gia cơng anốt trong dung dịch axit sunfuric
Đây là một nguyên cơng rất cần thiết ảnh hưởng tới độ bền bám của lớp kim loại mạ. Gia cơng anốt nhằm tẩy sạch màng ơxy hĩa khỏi bề mặt chi tiết làm hiện rõ cấu trúc kim loại. Gia cơng anốt tiến hành trong bể cĩ chất điện phân thành phần như sau: dung dịch 30% axit sunfuric và sunfua sắt (FeSO4.7H2O) với khối lượng 10 - 25 g/lít nước. Chi tiết gia cơng được dùng làm anốt, cịn katốt là các thanh chì hoặc thép khơng gỉ. Diện tích bề mặt của katốt phải lớn gấp 3-4 lần diện tích bề mặt anốt. Chế độ gia cơng như sau:
- Mật độ dịng điện Da , A/dm2 : 10 - 70 - Nhiệt độ chất điện phân, 0C : 16 - 22 - Thời gian gia cơng, phút : 0,5 - 4
Sau khi gia cơng anốt xong chi tiết được rửa bằng nước nĩng để rửa sạch các cặn axit ở những chỗ gồ ghề, lồi lõm.
c. Mạ thép cho chi tiết
Chi tiết đã kẹp chặt trên các thiết bị treo được đưa vào bể mạ và giữ trong đĩ khoảng 10 - 50 giây khơng cĩ dịng điện (nhằm phá bỏ màng gỉ tạo ra khi gia cơng anốt). Sau đĩ đĩng mạch điện cĩ mật độ Dk = 5A/dm2 và trong khoảng 5-10 phút thì đa mật độ tới giá trị cho trước.
Như đã nĩi ở trên, khi mạ thép người ta sử dụng các anốt hịa tan, do đĩ để làm giảm độ bẩn của chất điện phân do cặn tạo ra khi hịa tan anốt, nên đặt anốt vào các áo bọc bằng thủy tinh, len hoặc amiăng.
Thời gian giữ chi tiết trong bể mạ thép phụ thuộc vào chiều dày cần thiết của lớp mạ và cĩ thể tính như sau: . . 10 . . 3 c D h T k , (4.42)