Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng mạ composite chrome

LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ************ NGUYỄN TIẾN TÀI NGHIÊN CỨU ẢNH HỞNG CỦA CHẾ ĐỘ KHUẤY ĐẾN CHẤT LỢNG MẠ COMPOSITE CHROME CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGỜI HD KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN ĐĂNG BÌNH Thái Nguyên – 2009 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ********** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ẢNH HỞNG CỦA CHẾ ĐỘ KHUẤY ĐẾN CHẤT LỢNG MẠ COMPOSITE CHROME NGỜI HD KHOA HỌC : PGS.TS.NGUYỄN ĐĂNG BÌNH HỌC VIÊN : NGUYỄN TIẾN TÀI LỚP : CHK10 CHUYÊN NGÀNH : CHẾ TẠO MÁY NGÀY GIAO ĐỀ TÀI : NGÀY HOÀN THÀNH : KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGỜI HỚNG DẪN HỌC VIÊN HIỆU TRỞNG DUYỆT LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 3 MỤC LỤC Nội dung Trang Phần mở đầu 4 Chƣơng I: Tổng quan về mạ điện 9 1.1. Cơ sở chung 9 1.2. Cơ chế mạ 16 1.3. Thành phần dung dịch và chế độ mạ 17 1.3.1. Ion kim loại mạ 17 1.3.2. Chất điện ly 17 1.3.3. Chất tạo phức 18 1.3.4. Phụ gia hữu cơ 18 1.3.5. Mật độ dòng điện catốt Dc 19 1.3.6. Khuấy 20 1.4. A nốt 21 1.5. Mạ Crôm 22 1.5.1. Các loại lớp mạ crôm 23 1.5.2. Đăc điểm của quá trình mạ crôm 25 1.5.3. Cấu tạo và tính chất lớp mạ crôm 26 1.5.4. Các dung dịch mạ crôm 27 a. Mạ crôm từ dung dịch có anion SO4 2- 27 b. Mạ crôm từ dung dịch có anion F- 30 c. Mạ crôm từ dung dịch có anion SO4 2- và SiF6 2- 31 d. Mạ crôm từ dung dịch có tetracronat 32 1.5.5. Mạ crôm đen 33 1.5.6. Mạ crôm xốp 34 1.5.7. Kết luận 35 1.6. Mạ composite 36 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 4 Chƣơng II: Ảnh hƣởng của chế độ khuấy trong mạ composite chrome 2.1. Mạ tổ hợp crôm 37 2.2. Quá trình tạo thành lớp mạ tổ hợp 38 2.3. Sơ đồ mạ tổ hợp crôm 38 2.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mạ tổ hợp crôm 39 2.5. Ảnh hưởng của chế độ khuấy đến quá trình hình thành lớp mạ 39 2.5.1. Sơ đồ 1: Khuấy kiểu phun dung dịch từ trên xuống 39 2.5.2. Sơ đồ 2: Khuấy theo pp bơm, sục dung dịch từ trên xuống 41 2.5.3. Sơ đồ 3: Khuấy bằng cánh quạt 42 2.5.4. Sơ đồ 4: Khuấy bằng cơ khí 43 2.5.5. Sơ đồ 5: Khuấy bằng từ 43 2.5.6. Kết luận 44 Chƣơng III: Thiết kế hệ thống khuấy 45 3.1. Tính toán thuỷ lực đường ống 45 3.1.1. Lý thuyết tính toán 45 3.1.2. Tính toán thuỷ lực đường ống hút 46 3.1.3. Tính toán thuỷ lực đường ống đẩy 48 3.1.4. Tính công suất bơm 49 3.2. Mô hình hệ thống khuấy 49 3.2.1. Tính toán hệ thống khuấy 50 3.2.2. Thiết kế 50 3.3. Kết luận 52 Chƣơng IV: Tiến hành thí nghiệm để xác định ảnh hƣởng chế khuấy đến chất lƣợng lớp mạ 53 4.1.Kế hoạch thực nghiệm đối xứng 53 4.1.1.Kế hoạch trung tâm hợp thành 53 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 5 4.1.2.Trung tâm hợp thành trực giao 54 4.2. Chế độ mạ 58 4.3.Quá trình thí nghiệm 58 4.3.1. Thí nghiệm lần 1 59 4.3.2. Thí nghiệm lần 2 60 4.3.3. Thí nghiệm lần 3 60 4.3.4. Thí nghiệm lần 4 60 4.3.5. Thí nghiệm lần 5 60 4.3.6. Thí nghiệm lần 6 61 4.3.7. Thí nghiệm lần 7 61 4.3.8. Thí nghiệm lần 8 61 4.3.9. Thí nghiệm lần 9 62 4.4. Kết luận 62 Chƣơng V: Kết luận chung và hƣớng tiếp theo của đề tài 63 Tài liệu tham khảo Phụ lục LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 6 PHẦN MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Mạ composite đó là lớp mạ điện bình thường nhưng trong đó cấu tạo các hạt cực nhỏ của một hay vài chất, những hạt này đồng kết tủa từ một dung dịch huyền phù. Huyền phù được tạo ra bằng cách trộn lẫn một lượng bột xác định vào chất điện phân mạ kim loại. Các chất bột có kích thước hạt cùng kích cỡ với hạt tinh thể, dao động trong khoảng 0,01 đến 20m sẽ đồng kết tủa cùng kim loại mạ và phân bố đồng đều trong toàn thể tích mạ những hạt cho vào là những hạt có độ rắn cao, khó nóng chảy, bền về phương diện hoá học cũng như cơ học. Các lớp mạ composite không chỉ có các tính chất của các phi kim loại như độ bền hoá học cao, độ cứng cao, tính chịu mài mòn cao. Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và đặc biệt là tính chất bề mặt nói riêng, đã góp phần vào việc nghiên cứu và chế tạo nhiều bề mặt chi tiết máy theo yêu cầu của công nghệ cao. Một trong những ứng dụng mang tính phổ biến trong lĩnh vực tạo ra lớp mạ trên bề mặt chi tiết máy nhằm giảm ma sát, tăng khả năng chống mòn trên bề mặt tiếp xúc, nâng cao tính ổn định và cấu trúc toả nhiệt cao. Với những bề mặt có yêu cầu cao về công nghệ, việc chế tạo khó khăn thì ứng dụng đó là một trong những giải pháp mang tính đột phá thì mạ composite Chrome là một phương pháp như vậy. Nghiên cứu trong và ngoài nước: Năm 1929 C.G Fink và J.D Prince thu được lớp mạ tổ hợp Cu trong dung dịch axít có chứa các hạt Grafit. Năm 1939 Bajmakov đã thu được lớp mạ tổ hợp với sự đồng kết tủa của các hạt phi kim loại. Trong các năm sau đó nhiều tác giả đã tạo ra lớp mạ Niken với sự kết tủa của pha thứ hai như: AL2O3, SiO2, TiC, TiO2,WC….ở trong nước có đề tài cấp nhà nước nghiên cứu về mạ tổ hợp do PGS.TS. Nguyễn Đăng Bình chủ trì. Lớp mạ composite chrome có những tính chất của lớp mạ điện bình thường như tính dẫn nhiệt, dẫn điện, chịu mài mòn, ngoài ra nó còn có tính chất của phi kim loại như độ cứng cao, tính chịu ăn mòn cao, chịu mòn cao. Trong LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 7 quá trình mạ composite các hạt của pha thứ hai được đưa đến bề mặt catốt nhờ sự điện ly và nhờ sự khuấy trộn dung dịch. Quá trình khuấy tạo ra vận tốc của các hạt đến bề mặt catốt, nếu vận tốc này phù hợp sẽ tạo điều kiện cho quá trình bám dính để hình thành lớp mạ, nếu vận tốc quá lớn hay quá nhỏ sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng lớp mạ. Ý nghĩa của khuấy: Khuấy để tăng chuyển động tương đối giữa catốt và dung dịch nên được phép dùng mật độ dòng điện catốt cao hơn, tốc độ mạ sẽ nhanh hơn, ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, san bằng pH và nhiệt độ trong toàn khối dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực, nó giúp các hạt của pha thứ hai đồng đều trong dung dịch và chuyển động đến bề mặt catốt (nhất là khi các hạt của pha thứ hai là trung tính và có trọng lượng riêng lớn). Có thể nói rằng sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bề mặt, đã góp phần tạo lên sự linh hoạt và hiệu quả trong lĩnh vực cơ khí chế tạo. Trong việc tạo ra bề mặt chi tiết đáp ứng công nghệ cao thì mạ composite Chrome là một trong những phương pháp điển hình. Thực tế mạ composite Chrome là phương pháp đang được ứng dụng trong sản xuất động cơ máy bay, động cơ tuabin khí hiện đại, công nghiệp ôtô, vũ trụ và hạt nhân. Vì vậy một trong những vấn đề cần được nghiên cứu để có thể khai thác hiệu quả hơn việc sử dụng mạ composite Chrome là : Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng mạ composite Chrome. II. Nội dung nghiên cứu Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, kết luận chung và các phụ lục luận văn này có nội dung sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạ điện. Nghiên cứu tổng quan về mạ điện. Chƣơng 2: Ảnh hƣởng của chế độ khuấy trong mạ composite Chrome. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 8 - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hình thành lớp mạ và các hiện tượng xảy ra. - Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ composite Chrome. Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống khuấy Tính toán thiết kế hệ thống khuấy theo nguyên lý hút, sục dung dịch cho bể mạ composite thể tích 0,4m3 Chƣơng 4: Tiến hành thí nghiệm để xác định ảnh hƣởng chế độ khuấy đến chất lƣợng lớp mạ Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài III.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu sự ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng mạ composite Chrome cụ thể là: Mối quan hệ giữa chế độ khuấy đến chất lượng mạ composite Chrome, chế độ khuấy và chất lượng lớp mạ.Việc thí nghiệm được tiến hành với các điều kiện: - Hệ thống dây truyền mạ composite. - Vật liệu: thép 9XC, Y8A (tôi đạt HRC 60) - Vật liệu làm điện cực: chì. - Đối tượng thí nghiệm: Ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ. IV. Phƣơng pháp nghiên cứu Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. - Nghiên cứu lý thuyết về quá trình hình thành lớp mạ composite. - Thí nghiệm mạ để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ. - Thực nghiệm để xây dựng các hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ. V. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 9 1. Ý nghĩa khoa học Thiết kế, chế tạo hệ thống khuấy để mạ thành công lớp mạ composite nền chrome. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ từ đó đưa ra chế độ khuấy phù hợp để đạt được lớp mạ có chất lượng cao, tính kinh tế cao là rất cần thiết để triển khai công nghệ mạ composite ở Việt Nam. 2. Ý nghĩa thực tiễn Trong công nghiệp, mạ thường dùng để mạ các bề mặt chi tiết chìu mài mòn và phục hồi các chi tiết do bị mài mòn, vì vậy ứng dụng công nghệ mạ composite nền Chrome đem lại hiểu quả kinh tế lớn, khi mạ composite với chi tiết mới có thể tăng độ bền lên 1,5 đến 2 lần. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 10 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS.Nguyễn Đăng Bình - Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trong suốt quá trình làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô Giảng viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Xin cảm ơn tập thể cán bộ Trường Cao đẳng Cơ khí - Luyện kim đã tạo điều kiện tốt nhất cho Tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn sự động viên và đóng góp ý kiến quý báu của các bạn đồng nghiệp đã giúp cho tôi hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên – 11/2009 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 11 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠ ĐIỆN 1.1. Cơ sở chung - Mạ composite ứng dụng rộng rãi trong động cơ máy bay, động cơ tuabin khí hiện đại, công nghiệp ôtô, vũ trụ và hạt nhân, được dùng trong nhiều ngành công nghệ khác nhau để chống ăn mòn, phục hồi kích thước, trang sức, chống mòn, tăng cứng, phản quang, dẫn nhiệt, thấm dầu và dễ hàn... - Quá trình mạ composite đơn giản, kinh tế, có thể hình thành trên vật liệu nền có thể là kim loại hoặc hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo, gốm sứ hoặc vật liệu composite. Lớp mạ cũng như vậy ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là composie của kim loại - chất dẻo hoặc kim loại - gốm…Mạ composite – lớp mạ trên bề mặt chi tiết có sự tham gia của kim loại và các hạt cứng nhằm giảm ma sát, tăng khả năng chống mòn hoặc ăn mòn trên bề mặt tiếp xúc. Các hạt cứng nhỏ mịn, phân bố trong cấu trúc của lớp mạ tạo lên các tính chất cơ lý đặc biệt, nâng cao tính ổn định về cấu trúc ở nhiệt độ cao hơn. mạ composite có thể thực hiện trên bất cứ chi tiết có hình dáng phức tạp nào và có thể đảm bảo độ chất lượng mạ mà không cần thiết bị rất hiện đại. Mạ composite có thể chia thành năm nhóm: - Mạ composite hạt mịn trên nền kim loại. - Mạ composite sử dụng sợi ứng lực trên nền kim loại. - Mạ composite Electroless. - Mạ composite lớp và thớ. - Mạ composite quang học. Trong số năm nhóm trên thì mạ composite hạt mịn trên nền kim loại đang được sự quan tâm nghiên cứu ở nước ta. Lớp mạ composite ở dạng này LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 12 được hình thành khi vật liệu không tan ở dạng hạt mịn được đưa vào bể mạ của quá trình mạ thông thường. Trong quá trình điện phân các hạt mịn sẽ tham gia vào lớp mạ cùng với kim loại nền và hình thành lớp mạ composite. Để chuẩn bị cho mạ composite các hạt cứng cần được giữ lơ lửng trong dung dịch điện phân nhờ khuấy bằng cơ khí, cơ học, từ tính và dòng chảy. Mạ composite có thể mạ trên tất cả các nền vật liệu mà mạ điện thực hiện được. Chiều dày của lớp mạ phụ thuộc vào kích cỡ của hạt, bản chất của hạt và bản chất của kim loại mạ. - Các kim loại mạ thường dùng mạ với hạt là: Co, Cu, Au, Cr, Fe, Pb, Ni, Zn và hợp kim của chúng. Các hạt thường sử dụng đưa vào lớp mạ là: - Carbides – Ti, Ta, Si, W, Zr, B, Ni - Nitrides – B, Si - Borides – Ti, Zr, Ni - Sulfides – Mo, W - Graphite, Mica, PTFE và kim cương. - Mạ composite hạt mịn trên nền kim loại được ứng dụng trong việc nâng cao khả năng chống mòn, cào xước, của kim loại hay hợp kim (Ni + SiC, Pb + TiO2), tăng khả năng chống ăn mòn bằng cách sử dụng mạ Cr cỡ micro không liên tục trên thép mạ composite nền Niken (Ni + Al2O3), tạo lớp mạ giảm ma sát (MoS2 với Ni hoặc Cu), tăng độ bền ở nhiệt độ cao (Ni + Al2O3), tạo ra lớp mạ sử dụng trong công nghiệp hạt nhân (Ni + Pu, Ni + UO2). - Mạ composite có thể thực hiện trên các thiết bị điện phân thông thường, không đòi hỏi các thiết bị hiện đại, đắt tiền vì thế có thể triển khai nghiên cứu ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam. - Tuy nhiên chọn vật liệu nền và mạ vào còn phụ thuộc vào trình độ và năng lực công nghiệp, vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành. Xu LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 13 hướng chung là dùng vật liệu rẻ tiền, sẵn có còn vật liệu mạ đắt, quý hiếm hơn, nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài. Mạ là quá trình điện kết tủa kim loai lên bề mặt nền một lớp phủ có tính chất cơ, lý, hoá….đáp ứng được yêu cầu mong muốn. Tuy nhiên chỉ có những công nghệ mạ nào thật ổn định trong một thời gian dài để luôn cho sản phẩm có tính chất như nhau mới được dùng vào nhu cầu sản xuất. - Mặt khác khi công nghệ mạ tốt vẫn phải duy trì đúng các yêu cầu vận hành, bởi vì mọi biến động về nồng độ về mật độ dòng điện, nhiệt độ, chế độ công nghệ… vượt quá giới hạn cho phép đều làm thay đổi tính chất lớp mạ và có thể sẽ không đạt được yêu cầu nữa. - Các thành phần chính của một bộ mạ điện (Hình 1.1) gồm : + Dung dịch mạ gồm có muối dẫn điện, ion kim loại sẽ kết tủa thành lớp mạ, chất đệm, các phụ gia. Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị mạ + Catốt dẫn điện, chính là vật cần được mạ. + Anốt dẫn điện, có thể tan hoặc không tan. + Bể chứa bằng thép, thép lót cao su, polyprotylen, polyvinyclorua, chịu được dung dịch mạ. ChuyÓn dich Ion Líp m¹ Catot 2 BÓ m¹ 5 Nguån mét chiÒu ne ne Anot 3 - + LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 14 + Nguồn điện một chiều, thường dùng chỉnh lưu + Ion kim loại Mn+ trong dung dịch trong bề mặt Catốt (vật mạ) thực hiện phản ứng tổng quát về sau để thành kim loại M kết tủa trên vật mạ : M n+ + ne M ( 1.1) M n+ có thể ở dạng iôn hydrat hoá. Ví dụ: Ni2+.nHO, hoặc ở dạng iôn phức [ Au(CN)2]. + Anốt thường là kim loại có cung lớp mạ, khi đó phản ứng anốt chính là sự hoà tan nó thành iôn M+ đi vào dung dịch : M + ne M n+ (1.2) - Nếu không chế các điều kiện điện phân như thế nào đó để cho hiệu suất dòng điện của hai phản ứng (1.1) và (1.2) bằng nhau thì nồng độ ion Mn+ trong dung dịch sẽ luôn thay đổi. Một số trương hợp phải dùng anốt trơ (không tan), nên iôn kim loại được định kỳ bổ sung ở dạng muối vào dung dịch, lúc đó phản ứng chính trên anốt chỉ là giải phóng Ôxy. - Để cho quá trình mạ được thành công phải: gia công đúng kĩ thuật cho catốt, chọn đúng vật liệu anốt, thành phần dung dịch mạ, mật độ dòng điện và các điều kiện điện phân khác . - Lớp mạ composite: là lớp mạ kim loại có chứa các hạt rắn nhỏ và phân tán như Al2O3, WC,SiC. Cr3C2, TiO2,SiO2,TiC,Cr3N2,MoS2, kim cương, graphit,…Các hạt này có đường kính 0,5 -5  m và chiếm 2-10 % thể tích dung dịch, khuấy mạnh trong khi mạ để chúng bám cơ học, hoá học hay điện hoá lên catôt rồi dẫn vào lớp mạ. Khối lượng kim loại m điện kết tủa lên diện tích S có thể tính dựa theo định luật điện Faraday : m = S.Dc.t.H.C (g) Trong đó: S - diện tích mạ ( dm2) Dc- mật độ dòng điện catot ( A/dm 2 ) LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 15 t - thời gian mạ (t) H- hiệu suất dòng điện (%) C - đương lượng điện hoá của iôn kim loại mạ ( g/Ah) - Một số kim loại cho nhiều iôn hoá trị khác nhau nên có giá trị đương lượng tương ứng khác nhau. Ví dụ đồng từ dung dịch axit, tồn tại ở dạng muối đơn, iôn đồng có giá trị +2, nên C tương ứng là 1,186 g/Ah, trong khi đồng từ dung dịch Xyanua kiềm, tồn tại ở dạng muối phức, iôn đồng có hoá trị +1, nên C tương ứng là 2,372 g/Ah.Vì vậy cùng một lượng điện được dùng cho phản ứng kết tủa thì ion kim loại nào có trạng thái oxi hoá thấp hơn sẽ mạ nhanh hơn. - Hiệu suất dòng điện H phụ thuộc rất nhiều vào từng loại dung dịch mạ. Đa số dung dịch mạ có 0,9 <H <1. Riêng mạ crôm từ dung dịch CrO3 cho H rất thấp, thường là 0,005 < H < 0,2 .Phản ứng phụ hay gặp nhiều nhất trên catốt là do sự phóng điện của iôn H +để giải phóng hyđro. - Từ (1.3) có thể suy ra các tính tốc độ mạ (  /t) hay chiều dày lớp mạ (  ). Ví dụ: Chiều dày lớp mạ  sẽ tính được như sau :   HCtDc ....100 )( m Trong đó:  - chiều dày trung bình của lớp mạ )( m  - trọng lượng riêng của kim loại mạ ( g/cm3) Dc - mật độ dòng điện ( A/dm 2 ) t - thời gian mạ (h) C - đương lượng điện hoá kim loại mạ (g/Ah) H - hiệu suất dòng điện (%) - Chất lượng của lớp mạ phụ thuộc đồng thời và tổng hợp vào nhiều yếu tố như : nồng độ dung dịch và tạp chất, các phụ gia bóng, san bằng, thấm ướt, độ pH, nhiệt độ, mật độ dòng điện, hình dạng của vật mạ, của anốt, của LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 16 bể mạ, và chế độ thuỷ động của dung dịch…. Vì vậy muốn điều khiển chất lượng lớp mạ phải khống chế đồng thời cả dung dịch mạ lẫn cách thức mạ, trong dải đó sẽ cho lớp mạ đạt chất lượng tốt: bóng, không gai nhám, cấu trúc đồng đều….Để đánh giá một dung dịch mạ tốt xấu đến đâu phải làm thí nghiệm so sánh trong những bình thử quy định sẵn, thông dụng nhất là bình Hull. - Một số yêu cầu quan trọng là lớp mạ phải đồng đều trên toàn bộ chi tiết. Vì vậy yêu cầu phải đảm bảo mật độ dòng điện bằng nhau trên toàn bộ bề mặt của chi tiết. Có thể sử dụng các phương pháp sau để làm đồng đều mật độ dòng điện: + Dùng anốt phụ (bằng titan, titan mạ bạch kim, kim loại mạ…) có hình dạng đặc biệt, đặt vào dung dịch tại các vị trí thích hợp để tăng mật độ dòng điện cực bộ trên catốt ở những điểm vốn có mật độ dòng điện rất thấp (khe, hốc, lỗ …) + Chỗ có xu hướng mạ đắp quá dày hoặc mật độ dòng điện quá cao (cháy) cần phải đặt thêm các catốt phụ (catot giả) hay đặt các tấm chắn cách điện để bố trí lại đường điện đi trong dung dịch. Những điều này phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm và sự khéo léo của người thợ. Tuy nhiên mỗi dung dịch đều có thể cho lớp mạ dày đều đến mức độ nhất định. Mức độ này được gọi là khả năng phân bố của dung dịch đó và được đo bằng bình Haring -Blum (Hình 1.2) LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 17 Hình 1.2 Bình Haring- Blum đo khả năng phân bố dung dịch mạ - Hai catốt được đặt ở phía của một anốt với những khoảng cách l1 và l2 khác nhau rõ rệt và tiến hành điện phân.Trọng lượng kim loại mạ lên hai catốt m1 và m2 cũng sẽ khác nhau, vì thế điện thế rơi DR đến hai catốt là không giống nhau, điện thế trên catốt 1 thấp hơn nên lượng kim loại kết tủa của nó sẽ ít hơn. Công thức Field thường dùng để tính khả năng phân bố (Pb) của dung dịch là : PB =100(k.K)/(k+K+-2) (%) (1.6) Trong đó: k= l1/l2 và K= m1/m2 - Theo công thức này, khả năng phân bố (PB) có các giá trị giữa + 100% (tốt nhất) và -100% (xấu nhất). Những yếu tố quyết định khả năng phân bố của một dung dịch mạ là: - Độ dẫn điện của dung dịch: điện thế rơi DR gây ra sự khác nhau về điện thế trên mặt catốt có hình thức phức tạp, nếu độ dẫn điện cao thì DR sẽ bé, do tác độ điện kết tủa trở nên đồng đều hơn tại mọi thời điểm. - Độ nghiêng Tafel của phản ứng kết tủa: cho ta thấy có sự thay đổi điện thế thì tốc độ mạ sẽ thay đổi ít hơn ở quá trình mạ có độ nghiêng Tafel lớn. Thực nghiệm cho thấy dung dịch phức và dung dịch có phụ gia hấp thụ lên l1 l2 Catèt 1 Anèt Catèt 2 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 18 catốt cho độ nghiêng Tafel lớn hơn (E/logD lớn hơn). Nhiều chất san bằng, chất bóng có tác dụng làm cho lớp mạ dày đều trong phạm vi nhỏ (vi mô). - Sự cạnh trang của các phản ứng điện cực: Tuy việc thoát khí Hydro có gây ra nhiều phiền toái nhưng điều đó lại làm tăng khả năng phân bố. Khi mạ cho thấy hydro chỉ thoát ra ở những điểm nào trên trên bề mặt catốt có hiệu điện thế cao. Do Hydro thoát ra nên đã tiêu tốn một phần dòng điện lẽ ra là để thoát kim loại: kết quả là lớp mạ trở nên dày và đều hơn. Vậy các thông số chính ảnh hưởng tới khả năng phân bố là thành phần dung dịch (nồng độ trong dung dịch, chất tạo phức, pH, phụ gia) nhiệt độ và mật độ dòng điện. Về nguyên tắc nên chọn dung dịch có hiệu suất dòng điện cao và thiết kế bể mạ sao cho điện thế yêu cầu là nhỏ nhất. Tuy nhiên trong kỹ thuật mạ điện. Năng lượng điện dùng cho điện phân thường nhỏ hơn năng lượng dùng để đun nóng, để chạy các môtơ, để chuẩn bị các bề mặt lúc đầu…rất nhiều. Để mạ dày 10 m cho 10cm 2 chỉ cần một điện lượng là 1- 10 C (tức là 0,28.10- 3 Ah). Vì vậy hiệu suất dòng điện không quan trọng như nhiều công nghệ điện phân khác. Nhưng chất lượng lớp mạ phải được đặt lên hàng đầu cho dù có tốn kém và mất nhiều công. Mạ điện nhiều khi phải dùng đến các dung dịch kim loại nặng, kim loại chuyển tiếp có nồng độ cao, các hợp chất Xyanua…Để bảo vệ môi trường nên cố gắng hạn chế sử dụng các dung dịch quá độc hại, mặt khác các xưởng mạ phải có bộ phận đẻ xử lý nước thải để thu lại các ion kim loại và các chất độc hại trước khi thải ra cống rãnh chung hoặc tái sử dụng. Xu hướng công nghiệp hiện nay là tìm ra cách thu hồi triệt để kim loại về lâu dài cần loại bỏ việc dùng chung hoá chất rất độc hại như Cr 6+, Cd kim loại và ion xyanua, kể cả một số phụ gia hữu ích có tính độc hại cũng như vậy. 1.2. Cơ chế mạ LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 19 - Cơ chế mạ composite là do va chạm cơ học của các hạt trong quá trình khuấy đẩy các hạt về phía catốt; tương tác tĩnh điện của các hạt điện cực kim loại hay điện ly; đồng lắng đọng các hạt bằng cơ chế liên kết hoá học với điện cực, hay hai giai đoạn hấp thụ. - Hiệu quả của catốt là rất quan trọng trong việc xác định khả năng các hạt cứng có tính trơ có thể tham gia vào lớp mạ. Nếu tốc độ mạ quá nhanh các hạt cứng khi đến catốt sẽ bị bật ra. Độ giảm hiệu điện thế trong quá trình mạ điện (0,1 – 0,3 V/cm) vẫn quá thấp để tạo nên cơ chế lắng đọng của các hạt cứng và vì thế việc khuấy dung dịch điện phân là rất cần thiết để đẩy các hạt cứng va chạm và gắn vào bề mật catốt và sau đó tham gia vào lớp mạ. - Cơ chế các hạt cứng tham gia vào lớp mạ: + Giai đoạn 1: Sự dịch chuyển các hạt lơ lửng đến bề mặt catốt, chế độ và cường độ khuấy và dạng catốt ảnh hưởng tới quá trình hình thành một lớp các hạt cứng đồng đều tại bề mặt phân cách giữa catốt và dung dịch điện phân. Các hạt cứng được giữ lơ lửng nhờ khuấy. + Giai đoạn 2: Các hạt cứng va chạm vào catốt. Một số hạt bị bật ra, một số hạt có thể bám lại vì năng lượng động học vừa bằng năng lượng hấp thụ của kim loại khi va chạm. Do nhám bề mặt kim loại mạ trên catốt các hạt, các hạt có thể tiếp tục nằm ở trạng thái tiếp xúc với catốt trong một khoảng thời gian ngắn. + Giai đoạn 3: Khi này các hạt ion bị hấp thụ trên hạt cứng gần mặt phân cách hạt cứng và catốt có thể bị giảm đi, nhờ đó tạo nên liên kết giữa hạt với kim loại bề mặt catốt. Sự lựa chọn hình dáng của catốt, vị trí, điện thế và các cầu nối ion. Catốt thay đổi từ vị trí thẳng đứng sang vị trí nằm ngang, nghiêng catốt đi một góc 50 cũng làm tăng mức độ tham gia vào lớp mạ của các hạt cứng. Chế độ khuấy, kích thước của hạt, bản chất kim loại mạ và vị trí của catốt. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 20 1.3. Thành phần dung dịch và chế độ mạ Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ ,chiều dày tối đa, mặt hàng mạ…) và chất lượng mạ, cho nên phải dùng loại mạ hoá chất do các hãng chuyên gia sản xuất và cung cấp vật tư riêng cho ngành mạ mới đảm bảo được yêu cầu trên. Dung dịch mà thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điện ly (dẫn điện) và các chất phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn. Dưới đây sẽ xem xét vai trò của từng chất. 1.3.1 Ion kim loại mạ Trong dung dịch nó tồn tại ở dạng ion đơn hidrat hoá hoặc ion phức nhưng nói chung là có nồng độ lớn, cỡ 1-3 mol/l. Lý do là để tăng giá trị của dòng điện giới hạn Dgh, tạo điều kiện nâng cao hơn dải mật độ dòng điện thích hợp Dc cho lớp mạ tốt. Dung dịch đơn thường dùng để mạ với tấc độ cao cho các vật có hình thù đơn giản, còn dung dịch dùng cho trường hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dạng phức tạp. 1.3.2. Chất điện ly Nhiều chất điện ly được đưa vào dung dịch với nồng độ cao để tăng tấc độ dẫn điện cho chúng. Các chất này có thể kiêm thêm vai trò chất đệm, khống chế pH luôn ổn định, cho dù hydro hay oxi thoát ra có làm thay đổi độ axit ở sát các điện cực đi nữa. Vì thế độ pH lớn quá, hydroxit kim loại sẽ kết tủa, lẫn vào lớp mạ. Điều này đặc biệt khó khăn cho các trường hợp mạ các kim loại có tính xúc tác thoát hydro và dễ bị thuỷ phân (như Ni chẳng hạn). Điều đó giải thích tại sao trong dung dịch mạ Niken có chứa axit boric. Khi dung dịch có độ pH > 2 thì hầu như hydro rất khó thoát ra nên hiện tượng giòn Hydro hoặc sinh cac hydrua sẽ giảm đi rất nhiều. 1.3.3. Chất tạo phức LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 21 Dùng phức chất để đảm bảo cho hiệu điện thế kết tủa trở nên âm hơn nhằm tránh hiện tượng tự xảy ra phản ứng hoá học giữa catốt và ion kim loại mạ, như trường hợp mạ đồng lên sắt thép : Cu 2+ + Fe Cu + Fe 2+ (1.7) Phản ứng này cho lớp mạ Cu rất xấu, vừa xốp vừa dễ bong. Nếu cho chất tạo phức vào để làm cho điện thế oxy hoá - khử của đồng trở nên ma hơn của sắt thì khả năng nhiệt động xảy ra ở phản ứng (1.7) không còn nữa. Phức chất dùng để thay thế cũng được dùng để thay đổi độ nghiêng Tafel của phản ứng khử kim loại nhằm cải thiện khả năng phân bố cho dung dịch mạ. Chất tạo phức thông dụng nhất trong công nghệ mạ điện là các ion xyanua, hydro và sunfamat. Chất tạo phức có vai trò làm hoà tan vì chúng ngăn cản được sự thụ động anốt. 1.3.4. Phụ gia hữu cơ Nhiều loại chất hữu cơ được cho vào bể mạ với nồng độ tương đối thấp nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất của kết tủa catốt. Lựa chọn chất nào và cách thức sử dụng ra sao phần lớn dựa vào thực nghiệm. Chính bản thân chất hữu cơ này hay sản phẩm của phản ứng điện cực của chúng đã có những tác động nói trên. Đó là điều không dễ dàng trả lời một cách rành rọt cho mọi trường hợp.Tuy nhiên vẫn có thể khái quát những điều có liêm quan đến việc sử dụng phụ gia này như sau: Các chất hữu cơ thường dùng có khả năng hấp phụ lên bề mặt catot, và có trường hợp chất hữu cơ bị giữ lại trong kết tủa, đặc biệt là khi mạ các kim loại có năng lượng bề mặt lớn (điểm nóng chảy cao). Nhiều chất cũng làm tăng quá điện thế kết tủa và thay đổi độ nghiêng Tafel. Điều này có thể là do cần phải chuyển điện tử qua lớp hấp thụ hoặc do sự hình thành phức chất trên bề mặt điện cực. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 22 Một chất phụ gia tuy có thể ảnh hưởng đến nhiều tính chất của lớp mạ nhưng dung dịch vẫn thường dùng đồng thời nhiều phụ gia vì cần đến tác dụng tổng hợp của chúng. Các phụ gia này thường được phân loại như sau : - Chất bóng: chất bóng thường được dùng với liều lượng lớn (vài ba g/l) và có thể lẫn vào lớp mạ khá nhiều. Chúng cho lớp mạ nhẵn, mịn. - Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng. Nguyên nhân là chúng hấp thụ lên những điểm có tác độ mạ lớn làm giảm tấc độ ở đó xuống. Vậy là các phụ gia này đã ưu tiên hấp phụ lên các điểm lệch là chỗ có năng lượng tự do lớn hơn và lên các đỉnh lồi là chỗ có tấc độ khuếch tán lớn các phụ gia lên đó, các phụ gia hấp phụ này sẽ làm giảm tấc độ chuyển dịch điện tử. Trong thực tế, nhiều phụ gia có cả tác dụng của chất bóng và chất san bằng. - Các biến đổi cấu trúc: Các phụ gia này làm thay đổi các cấu trúc lớp mạ và thậm chí có thể ưu tiên định hướng tinh thể hay ưu tiên sinh ra kiểu mạng tinh thể nào đó. Một số chất được dùng để tạo ra các tính chất đặc biệt cho lớp mạ (ứng xuất là do mạng tinh thể bị xô lệch) nên được gọi là chất giảm ứng xuất . - Chất thấm ướt: Chất này được cho vào để thúc đẩy tạo các bọt khí, bọt hydro mau chóng tách khỏi bề mặt điện cực. Thiếu chúng, bọt khí, nhất là hidro sinh ra từ phản ứng phụ sẽ gây rỗ và giòn hydro do chúng thấm vào kim loại. 1.3.5. Mật độ dòng điện catot Dc - Lúc đang mạ, mật độ dòng điện giữ vai trò rất quan trọng. Nếu mật độ dòng điện thấp, tấc độ chuyển đổi điện tử trong các phản ứng điện cực sẽ nhỏ, các nguyên tử mới hình thành có đủ thời gian gia nhập có trật tự vào mạng tinh thể, vì vật mạng lưới và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi, quan sát bằng hiển vi điện tử và nhiễu xạ điện tử cho thấy rõ điều đó. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 23 Khi tăng mật độ dòng điện lên, tốc độ phóng điện nhanh, các nguyên tử kim loại sinh ra ồ ạt, không kịp ra nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể. Mặt khác điện thế lúc đó lớn nên nhiều mầm tinh thể mới được sinh ra. Do vậy mà mạng tinh thể trở nên mất trật tự và được thể hiện ra là lớp mạ có nhiều lớp, nhiều gợn sóng và nhiều khối đa tinh. Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên cao hơn nữa, tác độ phóng điện quá nhanh, làm cho lớp ion kim loại gần catốt quá nghèo, quá trình điện cực lâm vào tình trạng bị chi phối bởi sự khuếch tán: những điểm lồi, mũi nhọn,… được ion kim loại chuyển đến dễ dàng hơn, đồng thời điện thế rơi từ các điểm này đến anốt lại bé hơn, nên tại đó sẽ được ưu tiên phóng điện, kết quả là kết tủa sẽ sần sùi hoặc có dạng hình nhánh cây. Nếu tăng tiếp mật độ dòng điện đến nỗi khuếch tán ion hoàn toàn không kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được sẽ là bột kim loại: Lớp mạ không được phép sần sùi, nhám vì vậy để có lớp mạ đạt yêu cầu buộc phải dùng dải mật độ dòng điện tương đối thấp. Hơn nữa ở Dc thấp kim loại mạ dễ bắt chước lặp lại đúng kiểu mạng lưới của kim loại nền (cấu tạo epitaxy) và cho độ gắn bám rất cao. Lớp mạ rắn, đa tinh, rất bền, được dùng nhiều nhất. 1.3.6. Khuấy - Khuấy để tăng chuyển động tương đối giữa catốt và dung dịch nên được phép dùng mật độ dòng điện Dc cao hơn, tốc độ mạ sẽ nhanh hơn, ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, san bằng pH và nhiệt độ trong toàn khối dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực. Có thể khuấy bằng các cách: - Chuyển động catốt: cho catốt đu đưa theo chiều dọc và chiều đứng quay catốt, mạ trong thùng quay, catốt là dây, băng cho liên tục chạy qua bể mạ… - Chuyển động dung dịch: bằng cách sục khí vào bể, bơm tuần hoàn dung dịch ra vào bể hay phun dung dịch vào khe hẹp giữa anốt và catốt. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 24 - Tuy nhiên khuấy phải luôn kèm theo lọc dung dịch để loại bỏ hết cặn bẩn, tránh gây hư hỏng cho bùn cặn vẩn lên. Tốt nhất là lọc liên tục vì dung dịch sạch sẽ thuận lợi rất nhiều cho việc sản xuất và dễ đạt chất lượng cao. Mạ trong siêu âm cũng có tác dụng như khuấy nhưng tốt hơn nhiều. - Một phương pháp đặc biệt khác là mạ bằng dòng điện đổi chiều, thường là dùng sóng dạng vuông. Trong quá trình mạ, vật mạ không phải luôn luôn được đắp vào liên tục nữa, mà có lúc được mắc thành anốt theo một tần số và thời gian nhất định, chính lúc hoà tan anốt các khuyết tật của kết tủa bị mất đi, bề mặt được đổi mới, nồng độ ion gần điện cực được phục hồi. Những điều đó cho phép mạ với mật độ dòng điện cao hơn mà vẫn đáp ứng được lớp mạ nhẵn, kín, ứng xuất nhỏ, bám chắc…. 1.4. Anốt - Anốt thường làm bằng kim loại có cùng loại với lớp mạ và chọn cách sử dụng sao cho nồng độ ion kim loại tăng dung dịch luôn luôn không thay đổi. Muốn vậy phải làm sao cho hiệu suất dòng điện anốt và catốt luôn luôn không thay đổi. Muốn vậy phải làm sao cho hiệu suất dòng điện của anốt và catốt phải bằng nhau trong suốt thời gian phục vụ của anốt.Trong sản xuất người ta phải đảm bảo cho anốt không bị thụ động, anốt phải luôn dễ tan và tan đều, muốn thế diện tích bề mặt anốt phải lớn để có mật độ dòng điện anốt đủ nhỏ, tức là giữ anốt nằm trong vùng điện thế (hoà tan) hoạt động. Anốt dạng bi, viên dẹt, khuy áo, mảnh nhỏ….luôn nạp đầy trong giỏ trơ bằng titan, cho điện tích anốt rất lớn và mật độ dòng điện anốt nhỏ và luôn thay đổi, đã đáp ứng được yêu cầu này. Ngoài ra còn dùng chất tạo phức để ngăn cản sự thụ động hay ion halogen để tạo ra các lỗ thủng trên màng oxi thụ động làm cho anốt tiếp tục được hoà tan. Phải khống chế các điều kiện kĩ thuật để anốt tạo thành các ion có hoá trị mong muốn. Anốt phải được chế tạo sao cho khi hoà tan ít tạo thành bùn cặn nhất, ít tạp chất LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 25 và khó bị tan rã nhất. Các anốt được sản suất cho riêng các ngành mạ như viên " niken carbonyl", " S- nike ", "R- rounds",… cho mạ niken đáp ứng được điều đó: diện tích bề mặt lớn, dễ dàng hoà tan, ít bùn cặn. - Crôm bị thụ động mạnh trong môi trường axit sunfuaric nên phải dùng anốt trơ trong mạ crôm, thường làm bằng hợp kim chì với Sn, Sb, Ag,… các nguyên tố này làm tăng cơ tính cho chì, giảm quá thế oxy trên anốt. Ngoài ra anốt chính này còn dùng anốt phụ bằng titan mạ Pt trong các trường hợp cần cải thiện sự phân bố dòng điện trên catốt. 1.5. Mạ crôm - Crôm (Cr) điện giải là kim loại màu trắng bạc có ánh xanh, độ cứng rất cao và chịu mài mòn rất tốt. Trọng lượng nguyên tử 52,01. Nhiệt độ nóng chảy 1750 - 18000C. Theo điện thế tiêu chuẩn (Cr/Cr3+ = -0,7 V) thì nó được thuộc các kim loại hoạt động, nhưng trong khí quyển bề mặt crôm được sinh ra lớp màng mỏng oxit rất kín, chắc chống ăn mòn tốt, làm cho crôm giữ được màu sác và độ bóng rất lâu. Trong không khí ẩm và trong môi trường oxy hoá, crôm có điện thế +0,2V, vì vậy crôm là lớp mạ catốt đối với thép nên phải kín mới có khả năng bảo vệ được thép. Crôm bền trong khí quyển ẩm, trong không khí chứa H2S và SO2, trong các dung dịch axit sunfuaric, nitric, photphoric, axit hữu cơ, dung dịch kiềm. Nhưng trong dung dịch axit HCl và trong H2SO4 đặc nóng crôm bị hoà tan do màng oxit bị phá huỷ. - Trong các hợp chất , crôm thường có hoá trị + 3 và +6.Hợp chất crôm có hoá trị +6 là chất oxi hoá mạnh. CrO3 hoà tan trong nước tạo thành hỗn hợp axit crômic. Trong dung dịch loãng tạo thành H2[CrO4], trong dung dịch có nồng độ trung bình tạo thành H2[CrO3(CrO4)], còn trong dung dịch đặc tạo thành H2[CrO3(CrO4)2] và H2[CrO3(CrO4)3]. Tất cả các axit crômic LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 26 đều là các axit mạnh.Đương lượng điện hoá của Cr3+ là 0,648g/Ah, của Cr+6 là 0,324g/Ah. - Ứng dụng quang trọng của crôm điện giải là : Mạ crom trang sức rất mỏng trong hệ lớp bảo vệ, trang sức, mạ crôm bảo vẹ chống ăn mòn, là nâng cao độ bền mòn cho các dịng cụ cầm tay, mạ crôm cứng phục hồi chi tiết máy bị hao mòn … - Trong lớp bảo vệ trang sức nhiều lớp , lớp crôm thường chỉ dày 0,3 đến 1  m. Lớp crôm điện giải gắn bám rất tốt với thép, niken, đồng và hợp kim đồng ( nếu chuẩn bị bề mặt crôm và mạ đúng quy cách ). Ngược lại mạ các kim loại khác nên bề mặt crôm rất khó, không bám vào được, do lớp crôm oxit trên mặt ngăn trở. 1.5.1 Các loại lớp mạ crôm - Tuỳ theo chế độ điện phân mà lớp mạ crôm sẽ có tính chất rất khác nhau, dựa theo tính chất này để chia thành ba nhóm lớp mạ crôm: - Lớp mạ crôm xám , có cơ lý tính kém nên không dùng. - Lớp mạ crôm bóng, có độ cứng cao, chịu va đập tốt. - Lớp mạ crom sữa, có độ xốp bé nhất và đàn hồi nhất. - Crôm kết tủa điện có tính chất cơ lý khác hẳn với crôm hoả luyện. Tỷ trọng của crôm phụ thuộc vào chế độ kết tủa nên mỗi nhóm mạ có một trị số khác hẳn nhau. Nếu phân chia theo chức năng thì lớp mạ crom có ba loại: Crôm bảo vệ - trang sức, crôm chống ăn mòn và crôm chống mài mòn, va đập. - Lớp mạ crôm bảo vệ, trang sức dùng cho các vật mạ làm trong môi trường khí quyển. Lớp mạ crôm này có thể là bóng, chỗ bóng mờ, đen hay có màu khác. Để đảm bảo tính bảo vệ cho loại lớp mạ phải lót thường phải mạ lót đông Niken, do đó hình thành hệ mạ bảo vệ - trang sức nhiều lớp: Cu-Ni- Cr, trong lớp crôm thường dày 0,3 - 0,5 m . LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 27 Gần đây đã phổ cập lớp mạ crôm xốp tế vi và crôm nứt tế vi thay thế dần lớp crôm, thường trong các hệ mạ nói trên. Lớp crôm xốp tế vi thường được tạo ra bằng cách mạ crôm bóng 0,3 m lên lớp composte, tức lớp silnickel (xem Bảng 2.1), các hạt rắn, trơ của lớp Niken này tạo nên vô vàn lỗ xốp tế vi cho lớp mạ crôm. Lớp mạ crôm nứt tế vi được tạo thành bằng cách mạ crôm dày 0,8 m để chúng tự nứt thành lớp crôm nứt tế vi hoặc vẫn mạ crôm bóng dày 0,3 m . Nhưng trước đó phải mạ thêm lớp Niken mỏng có ứng suất lớn để tạo ra nứt tế vi cho lớp crôm trên nó. Bảng 1.1 : Tỷ trọng crôm điện giải phụ thuộc vào chế độ mạ Nhóm lớp mạ crôm Chế độ kết tủa Tỷ trọng Cr, g/cm 3 Điện trở riêng 10 -6 m Dc, A/dm 2 T độ, 0C Crom mờ (xám) 40 45 6.9 60 Crôm bóng 35 55 7.0 60 Crôm sữa 20 65 7.1 30 Đã qua ủ ở 1200 0C - - 7.2 10 - Trong khí quyển, crôm là lớp mạ catốt đối với Niken. Khi tạo ra nhiều lỗ xốp tế vi hay nứt tế vi thay cho số ít lỗ xốp to của lớp mạ crôm thườn tức là đã tăng tổng diện tích anot của các vi pin ăn mòn nên, làm giảm mật độ dòng điện ăn mòn giảm đi. Hiện tượng ăn mòn Niken lúc này được trải ra trên một diện rộng với tấc độ chậm, do lớp mạ Niken không bị thủng do ăn mòn nhanh và tập trung tại một số điểm xốp to, làm hở nền thép (hay đồng) ra. Nhờ đó tính bảo vệ của hệ mạ tăng lên rất nhiều. - Lớp mạ crôm bảo vệ có thể gồm 1 hay 2 lớp. Crôm bảo vệ một lớp là lớp crôm sữa ít xốp, dày tối thiểu 20 m . Crôm bảo vệ 2 lớp dùng cho trường hợp vừa chống ăn mòn tốt vừa chống va đập cao. Lớp đầu tiên là lớp crôm sữa dày 20 m , lớp thứ 2 là lớp crôm bóng, chiếm từ 30- 50 % chiều dày lớp mạ tổng. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 28 - Lớp mạ chịu mài mòn và chịu va đập có hai loại: kín và xốp. Lớp mạ crôm kín được dùng để nâng cao độ chịu va đập cho sản phẩm mới chế tạo cũng như để phục hồi kích thước cho các chi tiết đã cũ mòn. Lớp mạ crôm xốp chống mài mòn rất tốt, các lỗ xốp được tạo ngay sau khi mạ bằng cách hoà tan anốt, các lỗ hay rãnh xốp này chứa dầu bôi trơn, đảm bảo cho bề mặt là việc ma sát rất tốt ngay cả ở nhiệt độ cao. 1.5.2. Đặc điểm của quá trình mạ crôm Mạ crôm có rất nhiều đặc điểm khác với các quá trình mạ khác: - Mạ crôm được tiến hành trong dung dịch là hỗn hợp các axit cromic (H2CrO4 và H2Cr2O7) chứ không phải muối của kim loại kết tủa. Dung dịch nhất thiết phải có mặt các ion hidrat hoá (còn gọi là các anion xúc tác), thường là SO4 2- , F - ,SiF6 2- , không có chúng không thể thực hiện kết tủa crôm được. - Nồng độ anion hoạt hoá phải khống chế chặt chẽ trong một giới hạn hẹp mới thu được lớp mạ tốt và hiệu suất dòng điện cao, ví dụ dùng anion hoạt hoá là thì nồng độ SO4 2- chỉ được phép bằng 1/100 nồng độ CrO3. - Mạ crôm có điện thế khử ion cromat rất âm, hiệu suất dòng điện rất lớn, khả năng phân bố lớp mạ kém. Tất cả những điều này liên quan đến cơ chế phóng điện của Cr6+ trên catốt. Tuy nhiên cơ chế phóng điện này hết sức phức tạp và có nhiều tranh cãi. Một trong những cách giải thích cơ chế quá trình catốt như sau: Ion sunfat và axit cromic trong dung dịch tạo thành một loại phức chất, phức này có khả năng bị hydro mới sinh khử Cr6+ thành Cr3+. Khi bắt đầu điện phân, do hidrat hóa nên lớp dung dịch sát catốt sẽ giàu dần ion Cr 3+ và tăng pH lên, tạo điều kiện thuận lợi cho ion Cr3+ tác dụng với phức nói trên để sinh ra màng keo rất mỏng trên catốt. Chính màng này đã làm cho phân cực catốt tăng lên rất mạnh đến mức đủ để khử ion Cr3+ thành Cr kim loại. Do crôm kết tủa điện thế ở rất âm mà quá trình thoát hydro trên LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 29 crôm lại bé, cho nên khí hyđro thoát ra trên catốt rất mạnh làm cho hiệu suất dòng điện sẽ tăng lên một ít. - Không dùng anốt crôm hoà tan mà dùng anốt trơ bằng hợp kim chì. Trên anốt xảy ra qua trình thoát khí oxy và quá trình oxi hóa Cr3+ thành Cr6+ trong phản ứng điện phân, anốt bọt phủ lớp chì oxit PbO2, có tác dụng xúc tác cho phản ứng oxy hoá Cr 3+ thành Cr6+ và bảo vệ anốt không bị phá huỷ. Nếu giữ được tỉ số thích hợp giữa mật độ dòng điện anốt và catốt sẽ cân bằng được lượng Cr3+ sinh ra ở catốt và mất đi ở anốt. 1.5.3. Cấu tạo và tính chất lớp mạ crôm - Lớp mạ crôm có cấu tạo tinh thể rất nhỏ mịn. Lớp crom có tinh thể nhỏ nhất: 0,001- 0,01 m . Lớp crom mờ và sữa có tinh thể to hơn: 0,1 -10 m . Lớp mạ crôm có chứa 0,2-0,5 % oxy, 0,003-0,007% hydro và một ít nitơ. Nhiệt độ dung dịch càng cao, mật độ dòng điện càng thấp thì thể tích khí lẫn vào crôm càng bé. Sau khi mạ đem xử lý nhiệt ở 3000C có thể làm thoát được đến 80% hydro ra khỏi kim loại mạ. - Lớp mạ có hai dạng cấu tạo:  Cr, có tỷ trọng 7.1 g/cm3, sắp xếp chặt chẽ và  Cr, có tỷ trọng 6,08 g/cm3, sắp xếp ít chặt chẽ hơn. Mạ ở nhiệt độ cao, mật độ dòng điện lớn sẽ ưu tiên sinh ra  Cr, cho lớp mạ bóng, cứng. Mạ ở nhiệt độ thấp, mật độ dòng điện nhỏ chủ yếu sinh ra  Cr, cho lớp mạ xám tối, xốp , bám kém. Dạng  Cr ổn định hơn, đồng thời giải phóng hydro hấp thụ và co rút thể tích, tạo thành mạng vết nứt chi chít trên mặt lớp mạ. - Tính chất lớp mạ được quyết định bởi cấu tạo tinh thể của nó. Lớp mạ crôm có độ cứng thuộc vào loại cao nhất, trong đó dạng  Cr cho độ cứng dạng  Cr. Vì vậy thay đôỉ điều kiện điện phân (nhiệt độ, mật độ dòng điện) sẽ thay đổi độ cứng do chúng ưu tiên tạo ra dạng  Cr hay  Cr. Sau khi mạ đem xử lý nhiệt trong 1h ở 6500C sẽ giảm độ cứng từ 9000 M Pa xuống còn 5000 MPa. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 30 - Lớp mạ crôm có ứng xuất nội cao nguyên nhân là do sự co rút thể tích khi nó tự chuyển dạng từ  Cr và  Cr, nhưng vẫn bám rất chắc với nền. Kết quả là lớp mạ bị rạn nứt tạo thành mạng vết nứt chằng chịt khắp bề lớp mạ. Mạ ở nhiệt độ cao ứng suất sẽ bé và mạng vết nứt của lớp mạ cũng thưa hơn. Vết nứt có thể làm thủng lớp mạ thành mạng xốp rãnh.Vết nứt của lớp mạ crôm chỉ xuất hiện khi chiều dày đã đạt đến một giá trị nhất định (Bảng 1.2). Vậy có thể điều khiển độ xốp lớp mạ bằng chế độ điện phân và bằng chỉ số nồng độ CrO3/ H2SO4 của dung dịch. Bảng 1.2: Chiều dày tối đa của lớp mạ crôm chưa bị nứt Nhiệt độ 0 C Dc, A/dm 2 Chiều dày tối đa m Nhiệt độ 0 C Dc, A/dm 2 Chiều dày tối đa m 40 50 16 30 10 30 64 2,5 1.5 1.2 3 4 55 65 30 40 64 80 30 10 14 1,5 - Điện phân ở nhiệt độ và mật độ dòng điện thuộc miền giáp ranh giữa crôm bóng và crôm sữa sẽ cho lớp mạ có tính chịu va đập và mài mòn cao. Cao nhất là các lớp mạ thu được từ dung dịch loãng và mạ ở 60-680 C. - Độ dẻo của lớp mạ crôm cũng phụ thuộc vào chế độ điện phân. Mạ ở nhiệt độ thấp, mật độ dòng điện sẽ được mạ lớp crôm bóng hoặc mờ có độ giòn cao. Mạ ở nhiệt độ cao, mật độ dòng điện thấp sẽ được lớp crôm sữa dẻo. Chiều dày  lớp mạ crôm có thể tính gần đúng theo công thức sau:  = 4,6.H.t.Dc )( m (2.1) Trong đó: H- hiệu suất dòng điện ( H=12-18%) t- thời gian mạ (h) Dc- mật độ dòng điện catot (A/dm 2 ) LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 31 1.5.4. Các dung dịch mạ crôm a. Mạ crôm từ dung dịch có anion SO4 2- - Dung dịch gồm hai phần tử : CrO3 và H2SO4, CrO3 có thể dùng với nồng độ thay đổi trong một khoảng rất rộng từ 150 g/l đến 400g/l vẫn không ảnh hưởng gì nhiều đến dáng vẻ bên ngoài của lớp mạ . Nồng độ lớn cho lớp mạ ít cứng, hiệu suất dòng điện và khả năng phân bố thấp. Nồng độ loãng cho lớp mạ rất cứng, hiệu suất dòng điện và khả năng phân bố cao. H2SO4 được dùng để cung cấp anion hoạt hoá SO4 2-. Nồng độ H2SO4 cao có xu hướng cho kết tủa bóng, tinh thể nhỏ, nồng độ thấp cho kết tủa xám, kém chất lượng, nhưng cả hai trường hợp này đều làm giảm hiệu suất dòng điện. - Tỷ lệ nồng độ giữa hai cấu tử này là tốt nhất là CrO3/H2SO4 = 100/1 lúc đó lớp mạ sẽ bóng sáng nhất, cho hiệu suất dòng điện là cao nhất ( 12-18 % ), khả năng tạo phân bố lớn nhất. Tỷ lệ 70/1 đến 80/1 cho lớp mạ cứng nhất là mạ ở nhiệt độ cao nhưng không sáng bóng, ở các tỷ lệ khác cho dòng điện rất thấp, lớp mạ dễ bị lỏi, có nhiều dấu chấm nâu, đen , thậm chí không mạ được. - Người ta chỉ dùng dung dịch mạ crôm thành 3 loại theo nồng độ của chúng như trong Bảng 1.3 Bảng 1.3: Các dung dịch mạ crôm chứa anion SO4 2- Loại dung dịch Nồng độ các cấu tử, g/l Chế độ mạ CrO3 H2SO4 Dc, A/dm 2 Nhiệt độ 0 C Dung dịch vạn năng 220-250 2.2-2.5 15-16 45-55 Dung dịch loãng 150-175 1.5-1.75 45-100 55-65 Dung dịch đặc 275-300 2.75-3.0 10-30 35-45 - Dung dịch vạn năng còn gọi là dung dịch tiêu chuẩn, được dùng rộng rãi nhất, để mạ crôm trang sức, mạ crom bảo vệ, mạ crôm cứng. Hiệu suất dòng điện 12-14%. Chúng có nồng độ trung bình, có độ dẫn điện thấp nên đòi LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 32 hỏi điện thế cao mới đạt được mật độ dòng điện yêu cầu, thường điện thế tại bể là 8 -10V. Khả năng phân bố trung bình, khoảng nhiệt độ và Dc làm việc rộng, thành phần dung dịch ít biến động. - Dung dịch loãng chỉ dùng mạ crôm cứng, chóng mài mòn. Hiệu suất dòng điện 13-15%. Khả năng phân bố cao nhất, thành phần dung dịch biến động nhanh chóng trong quá trình làm việc. - Dung dịch đặc chỉ dùng để mạ bóng để bảo vệ, trang sức. Hiệu suất dòng điện 8-10%. Khả năng phân bố thấp. Khoảng nhiệt độ và Dc làm việc rộng và thành phần dung dịch ổn định trong quá trình mạ. - Hai yếu tố ảnh hưởng rất mạnh đến quá trình làm việc của bể mạ crôm là: mật độ dòng điện và nhiệt độ. Chúng có liên hệ chặt chẽ với nhau, yếu tố này thay đổi thì yếu tố kia cũng phải thay đổi theo. Khi tăng nhiệt độ dung dịch sẽ làm giảm hiệu suất dòng điện, thu hẹp khoảng Dc làm việc, tăng độ bay hơi dung dịch, do đó cần phải tăng Dc lên để giữ quá trình mạ được bình thường. Ngoài ra mạ ở nhiệt độ cao sẽ giảm độ cứng của lớp mạ crôm ứng với mỗi nhiệt độ của dung dịch có một ngưỡng Dc tối thiểu và kết tủa Crôm chỉ xảy ra khi dùng mật độ dòng điện lớn hơn ngưỡng đó. Nhiệt độ càng cao ngưỡng này càng lớn. Khả năng phân bố có khá hơn khi tăng nhiệt độ dòng điện lên. Ion Cr3+ tự sinh ra từ catot nếu khi dung dịch chứa từ 2 - 6g/l.Cr3+ thì không có ảnh hưởng tới tính chất lớp mạ, ngược lại còn làm tăng hiệu suất dòng điện lên một chút. Nhưng khi nồng độ Cr3+ lớn hơn sẽ làm tăng độ nhớt và giảm độ dẫn điện của dung dịch khiến cho khoảng Dc cho lớp mạ bóng bị thu hẹp lại. Khi nồng độ Cr3+ lên đến 15- 20g/l , lớp mạ sẽ giòn, xám đen giống như thiếu anion SO4 2- hay khi mạ ở nhiệt độ quá thấp. - Tạp chất sắt có nồng độ từ 8-10 g/l trở lên cũng gây tác hại như Cr3+, khi nồng độ quá lớn, đông thời còn làm mờ và chấm nâu trên lớp mạ. Ion Cu cũng có tác hại tương tự. Tạp chất NO3 rất có hại cho bể Crôm, chỉ cần 0,1- 0,2 g/l đã làm kết tửa bị mờ xỉn. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 33 Bảng 1.4: Chế độ điện phân để tạo các kiểu lớp mạ crôm khác nhau Các kiểu lớp mạ crôm Chế độ mạ crôm Nhiệt độ, 0 C Dc, A/dm 2 Chống va đập và mài mòn 55-58 80-100 Crôm cứng 45-50 100-120 Crôm chống ăn mòn 60-65 20-40 Crôm bảo vệ 58-60 60-70 - Thay đổi chế độ điện phân hoàn toàn có thể tạo ra các kiểu lớp mạ crôm khác nhau có tính chất khác nhau và do đó có những phạm vi ứng dụng khác nhau (Bảng 1.4). - Để ổn định nồng độ SO4 2- có thể cho có thể cho dư muối khó tan SrSO4 vào dung, phần đã tan cho nồng độ SO4 2- đúng yêu cầu của dung dịch mạ crôm loãng, phần dư chưa tan nằm trong dung dịch, lúc nào cũng sẵn sàng tan ra để bù SO4 2- cho dung dịch mỗi khi nồng độ của nó bị giảm, vì vậy chúng được gọi là dung dịch tự điều chỉnh. Thành phần dung dịch tự điều chỉnh gồm: CrO3 140-170g/l SrSO4 6-8 g/l Chế độ mạ crôm từ dung dịch tự điều chỉnh nhƣ sau: Kiểu lớp mạ Nhiệt độ , 0 C Dc, A/dm 2 Crôm mờ 35-45 50-80 Crôm sữa 65-75 20-40 Crôm bóng 55-65 60-80 - Thêm các phụ gia hữu cơ vào dung dịch mạ crôm cho phép tăng hiệu suất dòng điện, tăng độ bóng, tăng khả năng phân bố, ổn định chế độ làm việc cho bể mạ. Phụ gia cho bể mạ crôm vạn năng là Metyl xanh1- 5g/l, axit Galic LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 34 0,5-3g/l, sunfanylamit7-10g/l. Phụ gia cho bể mạ crôm tự điều chỉnh là Natri pyriddinsunfonat 50 g/l… - Để giảm bay hơi và mất dung dịch hút theo khí thông gió nên cho vào dung dịch chất giảm sức căng bề mặt ngoài như chế phẩm có tên cromin (2- 3g/l), cromocsan(0,15g/l) hay mistrol(0,6g/l). Hoặc thả một lớp vật nổi trên mặt polyetylen, polystirol và các loại polyme khác. b. Mạ crôm từ dung dịch có anion F - - Mạ crôm từ dung dịch chứa F - có những ưu điểm so với dung dịch chứa SO4 2- là có thể mạ crôm ở nhiệt độ phòng, khả năng phân bố và khả năng mạ sâu tốt hơn, ngưỡng Dc tối thiểu thấp hơn, tức có thể mạ ở mật độ dòng điện rất thấp (0,5-2 A/dm2), hiệu suất dòng điện cao hơn. - Do làm việc được ở nhiệt độ phòng nên cho phép mạ crôm trong thùng quay hay chum quay từ dung dịch này. Thành phần dung dịch và chế độ mạ như sau: CrO3 300- 400 g/l, KF.2H2O 8-12 g/l, nhiệt độ 20-30 0 C , Dc = 10 D/dm 2 . - Vì dung dịch chứa anion F- có tính ăn mòn cao, nên bể chứa phải bọc lót bằng chất dẻo, không dùng chì, anot phải dùng hợp kim Pb - Sb (1-8%) hay Pb- Sn(4-6%). Anot Pb dễ sinh ra chất chì florua bao phủ làm tăng điện trở lên. Lớp mạ thu được từ dung dịch chứa anion có F- có độ cứng thấp, có độ đàn hồi cao và có thể mạ bóng được. c. Mạ crôm từ dung dịch có các anion SO4 2- và SiF6 2- - Dung dịch chứa đồng thời hai nhóm anion SO4 2- và SiF6 2- đã làm tăng khoảng nhiệt độ và mật độ dòng điện cho lớp mạ bóng lên, làm tăng khả năng phân bố và trong một số trường hợp cụ thể còn tăng được năng suất mạ crôm lên. - Điểm nổi bật của dung dịch này là thành phần của nó luôn ổn định nhờ dùng dư các muối khó tan chứa các anion ấy nên cũng thuộc loại dung LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 35 dịch tự điều chỉnh. Thành phần tối ưu và chế độ mạ của dung dịch này như sau: CrO3 250- 300g/l SrO4 5,5-6,5 g/l K2SiF6 18- 20 g/l Nhiệt độ 55-650 C Dc 40-100A/dm 2 H 17-18% - Dung dịch này có khả năng tự điều chỉnh để tỷ số giữa nồng độ CrO3 và các anion luôn không đổi. Hiệu suất dòng điện (H) tăng khi nâng cao nồng độ các phần tử. Khi cùng Dc cao (50-100A/dm 2) thì nhiệt độ ít ảnh hưởng đến H nhưng khi dùng Dc thấp thì nhiệt độ ảnh hưởng rất mạnh đến H. Cũng như dung dịch chứa F, dung dịch này có tính ăn mòn mạnh đối với chì nên bể chứa phải bằng chất dẻo, anot phải dùng hợp kim chì với 5-10 % thiếc. Ngày nay có bán rất nhiều loại chế phẩm dùng để pha với CrO3 thành dung dịch tự điều chỉnh, có ưu điểm nhưng ít ăn mòn, khoảng Dc làm việc rộng, khả năng phân bố lớn, ứng suất bé… d. Mạ crôm từ dung dịch tetracromat - Khác với mạ crôm bình thường, axit crômic trong dung dịch tetracromat đã được trung hoà bằng NaOH và crôm trong dung dịch tồn tại ở dạng natri tetracromat Na2Cr4O13 . Dung dịch này được dùng để mạ crôm bảo vệ trang sức. - Dung dịch tetracromat vận hành ở nhiệt độ thường, kết tủa có màu xám nhưng rất dễ đánh bóng để đạt độ bóng rất cao, lớp mạ mềm dẻo, không có lỗ sút, có thể mạ dầy trên 20 m để thay cho hệ mạ bảo vệ, trang sức nhiều lớp Cu -Ni- Cr. Dung dịch này không xâm thực nên cho phép mạ trực tiếp lên đông thau và hợp kim kẽm. Sau đây là công thức của một dung dịch thuộc loại này: LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 36 CrO3 350-400g/l H2SO4 2,5- 3,0 g/l NaOH 40 - 60 g/l Nhiệt độ 15- 24 0C Dc 10- 60 A/dm 2 Hiệu suất dòng điện ~ 30 % - Do Tetracromat bị phân huỷ ở nhiệt độ cao nên chỉ được phép mạ ở nhiệt độ không quá 24 0C, nhưng Dc phải dùng khá lớn nên dung dịch luôn bị đun nóng, mặt khác mùa hè nước ta nhiệt độ trong phòng thường lớn hơn 24 0C, cho nên buộc phải làm lạnh dung dịch thường xuyên, đó là nhược điểm lớn nhất của dung dịch này. Ngoài ra độ cứng lớp mạ không cao, chưa mạ bóng trực tiếp được, phải đánh bóng cơ. Tuy nhiên dung dịch này cũng có rất nhiều ưu điểm đặc biệt : có thể mạ crôm nhiều lần chồng lên nhau mà không phải bóc bỏ lớp mạ cũ, có thể mạ crôm phân đoạn cho các vật quá lớn, không thể nhúng hết một lần vào bể được, trong qua trình mạ được phép ngừng cấp điện một lúc để tu chỉnh rồi mạ tiếp, hiệu suất dòng điện cao nên tấc độ mạ lớn, khoảng 1 m /ph, lớp mạ hầu như không có lỗ xốp, ứng xuất bé, phân bố chiều dày khá đồng đều… - Nồng độ H2SO4 bằng 2- 2,5g/l cho lớp mạ dễ đánh bóng, nồng độ cao hơn cho lớp mạ giòn, góc cạnh vật mạ có các vệt sáng bóng, nồng độ thấp hơn, hiệu suất dòng điện giảm rất nhanh, không có H2SO4 lớp mạ có nhiều sậm đen. - Nồng độ NaOH tối ưu là 40-60g/l, thấp hơn 40g/l sẽ làm giảm hiệu suất dòng điện lớn hơn 60g/l sẽ làm lớp mạ giòn, có vết sáng bóng. - Khi mạ ở Dc 10 -25 A/dm 2 cho lớp mạ mềm, dễ đánh bóng, mạ ở Dc 40-80A/dm 2 cho hiệu suất dòng điện cao hơn, cho lớp mạ cứng hơn, nhưng LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 37 ứng suất vẫn bé. Mạ ở nhiệt độ càng cao hiệu suất dòng điện càng giảm, mạ ở nhiệt độ quá thấp lớp mạ sẽ có màu xám khó đánh bóng. 1.5.5. Mạ crôm đen - Dùng cho các vật cần có hệ số phản quang thấp hoặc để trang sức trong những trường hợp đặc biệt. Do crôm đen chống ăn mòn kém nên phải mạ niken hay crôm thông thường đủ chiều dày yêu câu bảo vệ rồi mới mạ tiếp crôm đen ra ngoài. Lớp crôm đen hầu như không chứa crôm kim loại mà là tổ hợp các ôxyt hà hydroxyt của Cr2+ và Cr3+, cũng như của crôm hydrua. Dung dịch mạ crom đen không bao giờ có H2SO4 , thành phần của chúng được giấy thiệu trong Bảng 1.5. Bảng 1.5: Một số dung dịch mạ crôm đen Thành phần ( g/l) dung dịch và chế độ mạ Dung dịch số 1 2 3 4 5 CrO3 40- 400 300-350 250 260-300 300-400 Cr(NO3)3.9H2O 3-7 - - - - NaNO3 - 7-10 5 - - AlF3 2-5 - - - - Ba(CH3COO)2 - 5-7 - - - H3BO3 8-20 12-15 - - - BaCO3 - - - - 5-10 CH3COOH - - - - 4-8 Zn(CH3COO)2 - - - - 2-5 Nhiệt độ, 0C - Dung dịch cho lớp mạ rất đen, dung dịch 2 mạ trong 5 - 15 phút cho màu đen thẫm. Dung dịch 3 dễ ăn sâu vào khe khuất, dung dịch 4 mạ trong 4- LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 38 6 phút cho lớp mạ phản quang thấp. Dung dịch 5 mạ trong 10 - 12 phút cho lớp mạ đẹp mắt, nền đen ẩn hiện các vân xanh sẫm giống như mã não. Sau khi mạ crôm đen xong, rửa kỹ, sấy khô rồi lau dầu. - Hiện nay hoá chất mạ crôm đen được bán dưới dạng chế phẩm tổng hợp đã mã hoá có hướng dẫn cách sử dụng của nhà cung cấp, cho dải màu rộng từ nâu sang đen tuỳ ý muốn. 1.5.6. Mạ crôm xốp - Bề mặt crôm khó thấm dầu mỡ nên dễ bị ma sát ăn khô khi chúng trượt lên nhau. Để nâng cao tính thấm dầu mỡ bôi trơn cho bề mặt lớp mạ crôm nên các vòng găng, xylanh,…. Của các động cơ đốt trong cần phải tạo xốp cho chúng. Có nhiều cách tạo xốp, trong đó cách tẩy anốt cho lớp mạ crôm được bóng được dùng phổ biến nhất. Khi tẩy anốt thì các vết nứt, các lỗ xốp trong lớp crôm bị hoà tan làm cho chúng rộng ra, sâu thêm, tạo thành những ổ chứa dầu mỡ bôi trơn rất tốt.Có hai dạng xốp: xốp rãnh và xốp điểm. Thường thường vòng găng hay mạ crôm xốp điểm, xylanh hay mạ crôm xốp rãnh. - Lớp crôm xốp gồm hai phần: phần dưới kín, phần mặt xốp. Phần xốp chiếm khoảng 1/3 tổng chiều dày lớp crôm. Tất cả đều mạ từ dung dịch vạn năng, chỉ cần thay đổi điều kiện mạ: - Phần kín mạ ở điều kiện: Dc = 80-100 A/dm 2 , t 0 = 65- 75 0 C - Xốp rãnh mạ ở điều kiện: Dc = 60 A/dm 2 , t 0 = 60- 65 0C, mạ dày cỡ 100 - 125 m . Tốt nhất là dùng dung dịch có tỷ lệ CrO3/H2SO4 = 115/1 - Xốp điểm mạ ở điều kiện: Dc = 50A/dm 2 , t 0 C = 50- 52 0C, mạ dày tối thiểu 100 m .Dung dịch có tỷ lệ CrO3: H2SO4 = 250g/l : 2,5 g/l là tốt nhất. Sau khi mạ xong tiến hành tẩy anốt ngay trong bể mạ đã mạ crôm hoặc trong một bể riêng chứa dung dịch cùng loại. Tẩy anốt dùng Da = 50- 55 A/dm 2 trong vài phút, có thể lâu hơn hay lặp lại vài lần nếu cần lỗ xốp sâu LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 39 hơn hoặc muốn giảm bớt chiều dày mạ. Nhưng tẩy quá lâu, xốp rãnh sẽ chuyển thành xốp điểm và mật độ xốp sẽ giảm. - Tạo xốp có thể thực hiện ngay sau khi mạ, tức là trước khi gia công cơ. Cách này không đòi hỏi mạ phải crôm đúng kích thước, các u bướu , cây gai…. Sinh ra khi mạ crôm sẽ bị mài nhẵn trong khâu gia công cơ tiếp đó. Cũng có thể gia công cơ rồi mới tạo thành xốp cho lớp mạ. Cách này nhanh hơn, bề mặt sản phẩm nhẵn hơn và không phải mạ dôi chiều dày nhiều. Chiều sâu lỗ điểm trong thành phần phải đạt từ 25 đêns 50 m , chiều sâu rãnh xốp trong thành phẩm phải cỡ 25 m .Sau khi tạo lớp xốp cần rửa sạch, sấy khô và giữ ở nhiệt độ 150- 1800C trong 1,5 - 2 để khử giòn và khuyết tật. 1.5.7. Kết luận - Mạ là công nghệ truyền thống được áp dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp, trang trí nghệ thuật. Mạ là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt vật liệu nên nhờ đó có thể thay đổi được tính chất cơ, lý, hoá lớp bề mặt của vật liệu nền. Vật liệu lớp mạ có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình làm việc của chi tiết. Trong những năm gần đây việc nghiên cứu lớp mạ tổ hợp Niken và các hạt của pha thứ hai đã đạt được những kết quả tốt và được ứng dụng nhiều trong các ngành như: Đóng tàu, công nghiệp mỏ… 1.6. Mạ composite (Mạ tổ hợp) - Trong mấy thập kỉ gần đây, nhiều trung tâm thí nghiệm nghiên cứu kỹ thuật mạ Composite. Đó là lớp mạ điện bình thường nhưng trong đó cấu trúc các hạt cực nhỏ của một hay vài chất, những hạt này lại đồng kết tủa từ một dung dịch huyền phù. Huyền phù được tạo ra bằng cách trộn lẫn một lượng bột xác định và chất điện phân mạ kim loại. Các chất bột có kích thước hạt cùng cỡ với mạng tinh thể, dao động trong khoảng 0,01- 0,02 m sẽ đồng kết tủa cùng kim loại mạ và phân bố đồng đều trong toàn thể tích mạ. Những hạt cho vào được sử dụng những hạt có độ rắn cao, khó nóng chảy, bền về LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 40 phương diện hoá học cũng như cơ học. Ví dụ: Các loại bột Al2O3,TiC, TiO2,…. Các bột kim loại như Cr, W,…, - Các lớp mạ composote không chỉ có các tính chất điển hình của kim loại như tính dẻo, tính dẫn nhiệt, dẫn điện mà còn có các tính chất của các phi kim như độ bền hoá học cao, độ cứng cao, tính chịu mài mòn cao. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 41 CHƢƠNG II ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ KHUẤY TRONG MẠ COMPOSITE CHROME 2.1. Mạ composite crôm - Lớp mạ composite crôm được hình thành từ chất điện ly để mạ kim loại nhưng có thêm một lượng bột của pha thứ hai có khả năng phân tán cao trong dung dịch. Trong quá trình mạ trên bề mặt catốt kim loại mạ sẽ kết tủa ( pha thứ nhất), các hạt khi chuyển động sẽ va vào bề mặt catốt sẽ bị che phủ bởi lớp kim loại mạ (Hình thành pha thứ hai) và lớp mạ composite được hình thành: Hình 2.1 Mô hình lớp mạ composite - Quá trình điện phân được khuấy trộn liên tục nhờ thế các hạt cứng được phân tán chuyển động không ngừng. Với các bể lớn quá trình khuấy được thực hiện bằng máy bơm, với các bể nhỏ có thể dùng máy khuấy. - Sự khác cơ bản củ lớp mạ tổ hợp so với lớp mạ điện bình thường là sự có mặt của các hạt pha thứ hai trong lớp mạ, vì thế đã gây ra sự thay đổi về cấu tạo dẫn đến sẽ thay đổi về cơ tính, tính chống mài mòn của lớp mạ. - Lớp mạ niken cùng với sự kết tủa của các chất như : SiC, TiC, TaC, WC, Al2O3, … có những ứng dụng cụ thể trong kỹ thuật đóng tàu, mỏ , địa chất và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác. Kim lo¹i nÒn C¸c h¹t pha thø 2 Pha thứ nhất LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 42 - Khi sử dụng Crôm, sự tạo thành lớp mạ tổ hợp khó hơn so sự thoát khí hydro trên bề mặt catốt làm ngăn cản quá trình đồng kết tủa của các hạt pha thứ hai, đặc biệt khi các hạt có kích thước lớn. Ngoài ra có lý thuyết cho rằng crôm là chất có điện giả có khả năng san bằng tế vi cao cũng gây khó khăn cho các hạt cua pha thứ hai. 2.2. Quá trình tạo thành lớp mạ composite - Năm 1929 C.G Fink và J.D Prince thu được lớp mạ composite Cu trong dung dịch axit có chứa các hạt Grafit.Năm 1939 Bajmakov đã thu được lớp mạ composite với sự đồng kết tủa của các phi kim. Trong các năm sau đó nhiều tác giả đã nghiên cứu tạo ra lớp mạ Niken với sự kêt tủa của pha thứ 2 như: Al2O3, SiO2, TiC, TiO2, WC… Theo nhiều tác giả qua tình tạo lớp mạ composite chia làm 3 giai đoạn: *Giai đoạn 1: Sự chuyển các phân tử (các hạt) của pha thứ 2 đến bề mặt catốt. Quá trình này được thực hiện bằng sự khuấy trộn, sự điện ly, sự khuếch tán hay sự lắng xuống của các hạt với catốt nằm ngang hay nằm nghiêng. *Giai đoạn 2: Sự dính các phân tử (các hạt) lên bề mặt catốt. Quá trình dính các hạt lên bề mặt catot diễn ra nhờ lực hút tĩnh điện, nhờ lực hấp thụ có tính lý hoá và trọng lực. *Giai đoạn 3: Sự che phủ các phân tử bằng kim loại kết tủa. Việc che phủ các hạt nhờ sự kết tủa của kim loại lên catốt , nhưng chỉ một phần các hạt đó được che phủ. Sự phân bố các hạt của pha thứ hai trong lớp mạ phụ thuộc vào quá trình và điều kiện kết tủa của kim loại lớp mạ. 2.3. Sơ đồ mạ composite crôm. - Quá trình hình thành lớp mạ composite crôm khó khăn nhất là sự tạo khí hydro trên bề mặt catốt nhiều làm cản trở việc hình thành lớp mạ. Vậy sơ đồ mạ compposite crôm cần đảm bảo hai yếu tố : +Quá tình khuấy trộn phải đảm bảo sự di chuyển của các hạt thuộc pha thứ hai đến bề mặt catốt là đồng đều. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 43 + Quá trình khuấy tốc độ của dung dịch phải đủ lớn để làm sạch được bề mặt của catot. 2.4. Những yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình mạ composite crôm - Quá trình mạ composite crôm rất phức tạp, các yếu tố ảnh hưởng tới rất nhiều nhưng các yếu tố chính ảnh hưởng tới quá trình mạ như sau : * Thành phần chất điện ly. * Quá trình hình thành lớp mạ * Điều kiện điện phân. - Mật độ dòng - Nhiệt độ dung dịch điện phân - Quá trình khuấy 2.5. Ảnh hƣởng của chế độ khuấy đến quá trình hình thành lớp mạ - Trong quá trình mạ sự khuấy trộn đóng vai trò sau: + Sự chuyển của các pha thứ hai từ các lớp sâu bên trong dung dịch đến bề mặt catôt một cách đầy đủ. + Chống lại sự lắng xuống của các hạt, đặc biệt đối với các hạt có kích thước lớn nhờ thế tạo trạng thái ổn định cho huyền phù. + Gây tác dụng cơ khí của các hạt lên quá trình điện cực. - Sự khuấy trộn trong quá trình hình thành lớp mạ tổ hợp rất quan trọng nó phải đảm bảo: + Các hạt của pha thứ hai đến được bề mặt catốt, đủ số lượng. + Hướng của các hạt phải phù hợp (vuông góc là tốt nhất) + Lực va đập của các hạt pha thứ hai với bề mặt catốt phải đủ lớn để giúp hạt bám dính vào bề mặt của catốt và không quá lớn để hạt bị văng ra. + Phải thay đổi được số lượng hạt đến bề mặt catốt. - Sau khi nghiên cứu và tham khảo các tài liệu tác giả đưa ra 5 sơ đồ mạ tổ hợp crôm như sau : 2.5.1. Sơ đồ 1: Khuấy kiểu phun dung dịch từ trên xuống Trong sơ đồ này chi tiết quay trong dung dịch có: * Ưu điểm: LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 44 + Dung dịch được bơm và được lọc trên đường hút và được phun từ trên xuống phù hợp lắng đọng của hạt của pha thứ hai, tạo ra sự xâm nhập của pha thứ hai vào lớp mạ. + Khí thoát ra trên bề mặt chi tiết được dễ dàng, dung dịch được khuấy trộn đều, các hạt của pha thứ 2 được lắng xuống theo trọng lượng để bám lên bề mặt sản phẩm. + Đơn giản, dễ chế tạo. * Nhược điểm: Dung dịch được phun xuống dạng mưa nên mất nhiệt nhiều, khó ổn định nhiệt, làm tăng sự bay hơi của dung dịch, chế tạo đồ gá cho chi tiết khó khăn, hạt của pha thứ 2 va chạm với chi tiết quay nên có gia tốc lớn nên dễ bị bật ra ngoài. Hình 2.2 Sơ đồ bể mạ khuấy bằng bơm phun B¬m Anot Catot + + LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 45 2.5.2. Sơ đồ 2: Khuấy theo phƣơng pháp bơm sục sung dịch từ trên xuống Hình 2.3 Sơ đồ bể mạ khuấy bằng bơm sục Trong sơ đồ này: * Ưu điểm: + Dễ chế tạo, dễ thay đổi trong quá trình thí nghiệm. + Dung dịch được khuấy trộn đều, có tác dụng giúp thoát khí ở trên bề mặt của catốt, các hạt của pha thứ 2 được điều chỉnh vận tốc bằng van điều chỉnh, mất ít không gian của bể mạ, dễ ổn định được nhiệt độ của dung dịch. * Nhược điểm: +Dung dịch được phun từ dưới lên, ngược với hướng trọng lượng của hạt sẽ gây nên sự không đều về thành phần các hạt ở các vùng trong bể mạ. + Giảm độ bay hơi của dung dịch. BÓ chøa B¬m + _ Bé phËn läc dung dÞch Van ®iÒu chØnh LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 46 2.5.3. Sơ đồ 3: Khuấy bằng cánh quạt Hình 2.4: Sơ đồ bể mạ khuấy bằng cánh quạt Trong sơ đồ này: * Ưu điểm: + Dễ chế tạo. + Dễ ổn định được nhiệt độ của dung dịch. * Nhược điểm: + Dung dịch được khuấy trộn không đều các hạt nặng dễ bị đọng vào góc khi khuấy gây nên sự không đều về thành phần các hạt ở các vùng trong bể mạ. + Kết cấu đáy bể phức tạp nhằm tránh lắng đọng các hạt cứng trong góc. C¸nh qu¹t khuÊy Động cơ + - + LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 47 2.5.4. Sơ đồ 4: Khuấy bằng cơ khí * Ưu điểm: + Dễ chế tạo và ổn định. * Nhược điểm: + Tốn không gian của bể mạ. + Có hiện tượng dồn các hạt cứng vào góc hoặc giữa bể mạ. + Khó điều chỉnh tốc độ khuấy. Hình 2.5: Sơ đồ bể mạ khuấy bằng cơ khí 2.5.5. Sơ đồ 5: Khuấy bằng từ * Ưu điểm: Chất lượng tốt và rất hiệu quả. * Nhược điểm: Tốn kém cho quá trình đầu tư vì cần công suất lớn. Không phù hợp với điều kiện Việt Nam. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 48 2.5.6. Kết luận - Khuấy để tăng chuyển động tương đối giưa catốt và dung dịch nên được phép dùng mật độ dònh điện cao hơn, tốc độ mạ sẽ nhanh hơn, ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, san bằng pH và nhiệt độ trong toàn khối dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực. - Trong quá trình mạ sự khuấy trộn đóng vai trò sau: + Sự chuyển của các pha thứ hai từ các lớp sâu bên trong dung dịch đến bề mặt catôt một cách đầy đủ. + Chống lại sự lắng xuống của các hạt, đặc biệt đối với các hạt có kích thước lớn nhờ thế tạo trạng thái ổn định cho huyền phù. + Gây tác dụng cơ khí của các hạt lên quá trình điện cực. - Sự khuấy trộn trong quá trình hình thành lớp mạ tổ hợp rất quan trọng vì vậy khi thiết kế hệ thống khuấy phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Các hạt của pha thứ hai đến được bề mặt catốt, đủ số lượng. + Hướng của các hạt phải phù hợp (vuông góc là tốt nhất) + Lực va đập của các hạt pha thứ hai với bề mặt catốt phải đủ lớn để giúp hạt bám dính vào bề mặt của catốt và không quá lớn để hạt bị văng ra. + Phải thay đổi được số lượng hạt đến bề mặt catốt. - Qua những phân tích và sơ đồ đã nêu ở trên tác giả chọn sơ đồ 2 và có cải tiến khoan thêm lỗ ở hệ thống phun như hình 2.6 H×nh 2.6: S¬ ®å hÖ thèng khuÊy LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 49 CHƢƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHUẤY Trong phần tính toán thuỷ lực đường ống của bơm ta chia ra làm hai bộ phận: Tính toán đường hút và tính toán đường ống đẩy của bơm. 3.1. Tính toán thuỷ lực đƣờng ống 3.1.1. Lý thuyết tính toán - Đường ống hút có mấy đặc điểm sau: Trong đường hút, trừ đoạn một đoạn của ống hút đặt dưới mặt dung dịch axít một độ sâu nhất định, áp suất dung dịch trong ống khi chạy máy bơm nhỏ hơn áp suất không khí, tại nơI nối ống hút vào của máy bơm (mặt cắt đoạn nối ống vào bơm) áp suất đạt tới trị số chân không lớn nhất, vì lý do đó nên trước khi chạy bơm cầm phải mồi dung dịch, nghĩa là phải điền đầy dung dịch ở đường ống hút thì mới hút được dung dịch lên (đặt van một chiều để việc mồi được dễ dàng), có nghĩa là khi máy bơm chạy tại nới nối ớng hút vào bơm, trị số áp suất tuyệt đối là nhỏ nhất. Trị số áp suất tuyệt đối nhỏ nhất. Trị số áp suất tuyệt đối nhỏ nhất ấy vẫn phải lớn hơn ấy vẫn phải lớn hơn áp suất bốc hơi của dung dịch thì mới tránh được hiện tượng hoá khí và gây ra sự xâm thực của dung dịch làm máy bơm không hút được nước lên. Vì thế nên vận tốc trung bình trong ống hút và trị số chân không cho phép là những số liệu làm căn cứ cho tính toán. Vận tốc trung bình trong ống hút nên ở trong khoảng 0,8 – 1,25 m/s, trị số chân không cho phép được ấn định cho tong loại máy bơm, thường lấy hck<(4,0 -6,5)m. Trị số chân không cho phép không những phụ thuộc vào loại máy bơm mà còn chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và loại dung dịch.Với nhiệt độ cùng tăng, trị số chân không cho phép càng giảm (vì khi đó sự xâm thực càng mạnh). Thí dụ với t= 600C, trị số chân không cho phép đã có trị số âm (tức là máy bơm làm việc với áp suất nước lớn hơn áp suất không khí). LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 50 + Ống hút không dài, tổn thất cục bộ có tác dung quan trọng cho nên tính toán phải coi là ống ngắn. Tại mặt cắt (là mặt thoáng của bể chứa) và mặt cắt(đường ống hút nối vào bơm), viết phương trình becnuli ta được: wh2g 2 2 v 2 α ρ.g 2 P 2 z0 ρ.g aP0  (1) Trong đó: 2g 2v i ζ 2g 2v d l λ on ζvµovan,ζwh        u Gọi độ cao chân không là: ρg 2 PaP ck h   Thì phương trình (1) được viết thành: 2g 2v i ζ1 ck h 2 z i ζ 2g 2v ρ.g 2v 2 z ck h       (2) Từ phương trình (2) ta they độ cao đặt máy bơm z2 dựa vào độ chân không. Nếu gọi (hck)CP là trị số chân không cho phép đối với một loại máy bơm nhất định và loại dung dịch nhất định, từ công thức (2) ta xác định được chiều cao lớn nhất để đặt bơm, so với mặt dung dịch trong bể, bằng:   2g 2 2 v i ζ1 cpck h cp2 z           (3) 3.1.2. Tính toán thuỷ lực đƣờng ống hút Cho chiều dài ống hút :l (m) Lưu lượng: Q = (m3/s) Độ nhớt: /s)2cm(υ (ở nhiệt độ t). Trọng lượng riêng: )2N/m(γ Áp suất tại mặt thoáng trong bình là áp suất khí trời, áp suất tại cửa vào của bơm là pv= at. Chiều cao từ mặt thoáng của bể dung dịch đến trục của bơm z (m). LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 51 Tính toán có kể đến mọi tổn thất, trong đó có hệ số tổn thất tại khoá k ζ . Hệ số tổn thất tại miệng vào của ống dt ζ . Chọn hai mặt cắt viết phương trình Becnuli cho hai mặt cắt:có 1 điểm nằm trên mặt thoáng và một điểm nằm tại tâm mặt cắt vào bơm, mặt chuẩn đI qua điểm 2 ta có:                       4d 2Q d l λ k ζ g2π 8 2g 2v 2 α2 1 v 1 α γ 2 p 1 p 2 z 1 z                  4d 2Q d l λ dt ζ k ζ g2π 8 2g 2v 2 α γ vpa p z Đặt γ vpapzoH   4d 2Q d l λ dt ζ k ζ 2 α g2π 8 0 H        (4) Tìm d theo phương pháp tính thử dần dần. Vì dung dịch có độ nhớt khá lớn nên có khả năng chảy tầng, ta giả thiết trạng thái chảy của dầu là chảy tầng do đó. 2α, πdv 4Q 64 Re 64 λ  Phương trình 4 sẽ có dạng: 4d 2Q d l . dv 4Q 64 dt ζ k ζ2 g2π 8 0 H               Hay oH 2Q d l . πdv 4Q 64 dt ζ k ζ2 g2π 84d              LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 52 3.1.3. Tính toán thuỷ lực đƣờng ống đẩy - Dung dịch được hút lên và đi qua máy bơm, năng lượng đựoc tăng lên thêm, gọi Hb là năng lượng tăng thêm cho một đơn vị trọng lượng dung dịch, năng lượng đó do máy bơm cấp cho, ta có thể viết được phương trình cân bằng ở hai mặt cắt ngay trước và sau máy bơm như sau: 2g 2 3 v 3 α ρg 3 P 3 z b H 2g 2 2 v 2 α ρg 2 P 2 z  (5) Thông thường ta lấy: 3 v 2 v, 3 z 2 z  , với 3 α 2 α  : ρg 3 P b H ρg 2 P  (6) Ta lấy hai mặt cắt ngay sau mắy bơm và mặt cắt ra tại bể chứa, rồi viết phương trình Becnuli: ' w h0 ρg Pa 4 z 2g 2 3 v ρg 3 P 3 z  (7) Trong đó: ' w h - tổn thất cột nước từ máy bơm ra ống hút. Khi tính toán cho đường ống đẩy, ta có thể tính theo công thức củ ống dài hoặc ống ngắn. Ta gọi: 2g 2 3 v i ζ' w h   (8) và giải kết hợp với phương trình (5),(6),(7) ta được: whwh4 z b H  Hoặc 2g 2 3 v i ζ 2g 2 2 v i ζ 4 z b H   (9) LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 53 Do công thức trên ta thấy năng lượng Hb của máy bơm cấp cho một đơn vị trọng lượng nước dùng để: đưa nước ra ống hút và khắc phục trở lực ở đường ống hút và đường ống đẩy. Trị số: ( whwh  ) là tổng số tổn thất cột nước là một trị số biến đổi tuỳ thuộc vào độ nhám, đường kính của ống.Để có đường kính ống với chi phí thấp nhất và năng lượng ít nhất ta đi tính toán. 3.1.4. Tính công suất của bơm. Biểu thị lưu lượng của máy bơm bằng m3 trong một giây(m3/s), năng lượng Hb mà thiết bị bơm(kể cả máy bơm và động cơ để quay nó) cung cấp cho một đơn vị trọng lượng dung dịch bằng mét, hiệu suất của máy bơm bằng bom η , hiệu suất của động cơ bằng dongco η thì công suất cần phảI cung cấp cho thiết bị bơm:  W dongco .η bom η ) w γQ(h N w h  (Dùng khắc phục sức cản trong ống hút và ống đẩy) Trong đó: Q: Lưu lượng của máy bơm(m3/s) γ : Trọng lượng thể tích của chất lỏng tính bằng N/m3 Thay số liệu vào công thức chúng ta tính được công suất của bơm: N = HB/2=0,37KW 3.2. Mô hình hệ thống khuấy H×nh 3.1: S¬ ®å hÖ thèng khuÊy LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 54 3.2.1. Tính toán hệ thống khuấy Thông số tính toán: - Tổng chiều dài ống hút:l =1,5m, - Lưu lượng: Q = 6m3/s - Độ nhớt của dung dịch : /s)2cm(1,0υ  (ở nhiệt độ t = 600C). - Trọng lượng riêng: )2N/m(8609,81γ  - Áp suất tại của vào của bơm: pv = 0,45 at. - Chiều cao từ mặt thoáng củabể dung dịch đến trục bơm: z = 0,3 m - Hệ số tổn thất tại miệng vào của ống: 5,0 dt ζ  và hệ số tổn thất tại khoá 4 k ζ  . Thay các giá trị bằng số của các số hạng trong phương trình ta có: oH 2Q d l . πdv 4Q 64 dt ζ k ζ2 g2π 84d              ta có: Đường kính ống đẩy: d 4 = 33,18cm 4 , d = 2,4cm Đường kính ống hút: d = 1,3cm Kiểm tra trạng thái chảy: 2320 3,14.1,8.1 4.6 πdv 4Q 64 Re 64 λ  Đúng là trạng thái chảy tầng. 3.2.2. Thiết kế hệ thống - Hệ thống gồm ống đẩy gồm (Thiết kế theo kích thước bể mạ 500x1200x350) + Hai thanh  24 dài 400mm, 1 thanh  24 dài 200mm, hai cút vuông  24 và một cút chữ T  24. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 55 + Hai thanh 13 dài 400mm trên thanh có khoan lỗ  5. + Hai thanh  13 dài 350mm trên có khoan lỗ  5, hai thanh đều có 1 đầu bịt kín. + Hai thanh  13 đài 900 trên có khoan lỗ 5. + Bốn cút vuông  13, hai cút chữ T  13. - Hệ thống ống hút gồm: + Một thanh  13 dài 200mm, sáu thanh  13dài 500mm. + Bốn cút vuông  13, một cút chữ T  13. - Sau khi tính toán đưa ra bản thiết hệ thống: 1. Bơm: Bơm chịu axit công suất 1/2PH/380V- 50Hz, lồng nhựa dẫn động từ, Qmax= 6m 3 /h. 2. Hệ thống khuấy: Dùng ống nhựa, cút nhựa chịu axít, nối ống bằng nhiệt, dùng cút dài chịu áp suất. 3. Thanh A được khoan lỗ 5, nghiêng và dọc theo thanh, có thể thay thế (thanh A làm theo thực nghiệm, thay đổi trong quá trình thực nghiệm). 4.Van điều chỉnh: Dùng van kim loại hoặc nhựa chịu axít A Vị trí lắp van điều chỉnh chỉnh Bơm Hình 3.2: Bản vẽ chế tạo hệ thống khuấy LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 56 Hình 3.3: Hệ thống sục 3.3. Kết luận - Phần thiết kế hệ thống khuấy đảm bảo các yêu cầu đặt ra: + Tạo ra được sự chuyển của các pha thứ hai từ các lớp sâu bên trong dung dịch đến bề mặt catôt một cách đầy đủ. + Chống lại sự lắng xuống của các hạt, đặc biệt đối với các hạt có kích thước lớn nhờ thế tạo trạng thái ổn định cho huyền phù. + Gây tác dụng cơ khí của các hạt lên quá trình điện cực. + Các hạt của pha thứ hai đến được bề mặt catốt và đủ số lượng. + Hướng của các hạt phù hợp + Lực va đập của các hạt pha thứ hai với bề mặt catốt phải đủ lớn để giúp hạt bám dính vào bề mặt của catốt và không quá lớn để hạt bị văng ra. + Thay đổi được số lượng hạt đến bề mặt catốt. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 57 - Phần đẩy của hệ thống dễ thay đổi, điều chỉnh dễ dàng. CHƢƠNG 4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CHẾ ĐỘ KHUẤY ĐẾN CHẤT LƢỢNG LỚP MẠ 4.1. Kế hoạch thực nghiệm đối xứng Quá trình mạ có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng được mô tả các thông số đầu vào thành phần chất điện ly, mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch điện phân, quá trình khuấy... Đầu ra là các yếu tố như mật độ hạt trên một diện tích, độ bóng của lớp mạ, độ dày lớp mạ.Để có được nhiều thông tin với số thí nghiệm ít nhất trong đề tài này tác giả chọn phương pháp thí nghiệm trực giao. 4.1.1. Kế hoạch trung tâm hợp thành: Kế hoạch gồm 3 phần: + Phần cơ sở: (phần hạt nhân) là thực nghiệm toàn phần 2n hoặc thực nghiệm rút gọn 2n-p đã nêu trong quy hoạch tuyến tính. Ví dụ: với n=2 phần cơ sở gồm 4 thí nghiệm đầu, số thí nghiệm của phần này là 2n-p. N u x0 x1 x2 x1x2 x’1 x’2 2 n-p (2 2 ) 1 +1 -1 -1 +1 1 1 2 +1 +1 -1 -1 1 1 3 +1 -1 +1 -1 1 1 4 +1 +1 +1 +1 1 1 2n (2.2) 5 +1 - 0 0 2 0 6 +1 + 0 0 2 0 7 +1 0 - 0 0 2 8 +1 0 + 0 0 2 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 58 N0 9 +1 0 0 0 0 0 Yêu cầu đặt ra khi xây dựng phần cơ sở phải đảm bảo tính được tất cả các hệ số hồi quy tuyến tính(bi) và tương tác cặp đôi (bij) một cách riêng biệt. Tác động của chúng không bị trộn lẫn với nhau. Yêu cầu này khống chế mức rút gọn có thể được xem với n≤ 4, p = 0,tức chỉ có thực nghiệm toàn phần 2n. Với 5 ≤ n ≤ 7, p = 1, tức thực nghiệm chỉ rút gọn 2n-1 Với n≥8 cho phép p = 2. Theo các quy định này tác động của các biến đơn và biến cặp đôi là riêng biệt. Chỉ có một số bị trộn lẫn với các biến cặp ba trở lên, không xét đến trong mô hình bặc hai. + Phần 2: Các điểm sao nằm ở vị trí cách tâm thực nghiệm một khoảng . Số thực nghiệm của phần này là N0=2n. Phần các điểm sao gồm các thí nghiệm từ 5 đến 8. + Phần 3: Phần tâm bao gồm các thí nghiệm ở tâm miền quy hoạch, tại đó giá trị mã của các thông số bằng không. Số thí nghiệm N0 ≥ 1. Các giá trị  và N0 được xác định tuỳ theo sự lựa chọn các chuẩn tối ưu của thực nghiệm hồi quy. Do đó người ta chia ra hai loại kế hoạch trung tâm hợp thành: trực giao và đẳng diện xoay. 4.1.2. Kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao. Các kế hoạch loại này được xây dựng theo chuẩn trực giao. Ma trận thông tin Fisher  là ma trận đường chéo. Để có được điều đó phải có các biện pháp đặc biệt, đảm bảo trực giao cặp của các cột trong ma trận các hàm cơ sở, ứng với các thành phần tự do b0 và bình phương bii, i =1,2,……,n. Các biện pháp này suy ra từ việc thay đổi hệ các hàm cơ sở, tìm mô hình: LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 59                 2 i x2 i x n 1i ii b j x n 1ij i x ij b 1n 1ii x n 1i i b 0 by Trong đó: N pnN u iu x N 222 1 212 i x      N là tổng điểm thí nghiệm của kế hoạch. Do ở kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao số thí nghiệm ở tâm N0 thường bằng 1, nên N = 2 n-p + 2n +1 2 1 00 b i x n i ii bb    Việc chuyển các biến bình phương từ dạng trong mô hình (3.1) sang dạng (3.4) cho phép đảm bảo tính trực giao của các cột ứng với thành phần tự do b0 và bình phương trong ma trân các hàm cơ sở (Bảng 3.2). u x0 x1 x2 x1x2 x’1 x’2 1 +1 -1 -1 +1 1/3 1/3 2 +1 +1 -1 -1 1/3 1/3 3 +1 -1 +1 -1 1/3 1/3 4 +1 +1 +1 +1 1/3 1/3 5 +1 -=-1 0 0 1/3 -2/3 6 +1 =+1 0 0 1/3 -2/3 7 +1 0 -=-1 0 -2/3 1/3 8 +1 0 =+1 0 -2/3 1/3 9 +1 0 0 0 -2/3 -2/3 Đối với các kế hoạch loại trực giao này có thêm tính chất sau: 0 1 21 1 2 1 22 1 2222N 1u 0 f                          N u iu x N N N u iu x N u i xN iu x N u i x iu x i x iu x Đẳng thức (3.5) đúng với mọi giá trị  cụ thể. Nhưng với  tuỳ ý thì sẽ dẫn đến tính không trực giao của tích các cột trong ma trận hàm cơ sỏ, mà LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 60 chúng ứng với các biến bình phương khác nhau. Vì thế trong kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao chọn giá trị  sao cho thoả mãn điều kiện trực giao: njiji j x ju x ..,,.........2,1,, 022 N 1u )2 i x-2 iu (x           Từ (3.6) sẽ có:   1pn212npn22pn2α  Theo (3.7) có thể tính được giá trị cụ thể của  với mọi số n thông số đầu vào. Với n= 2,  =1, vì thế ở bảng 3.2 giá trị  là 1. Nhờ tính chất (3.5) và điều kiện (3.7) đã nêu, ma trận thông tin Fisher là ma trận đường chéo: N 0 … 0 0 … 0 0 … 0 0 2 n-p +22 … 0 0 … 0 0 … 0 0 0 … 2n-p+22 0 … 0 0 … 0 0 0 … 0 2n-p … 0 0 … 0 Φ = … … … … … … … … … … 0 0 … 0 0 … 2n-p 0 … 0 0 0 … 0 0 … 0 24 … 0 … … … … … … … … … … 0 0 … 0 0 … 0 0 … 21 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 61 Và ma trận nghịch đảo 1Φ cũng có dạng đường chéo đơn giản: N 0 … 0 0 … 0 0 … 0 0 1/2 n-p +22 … 0 0 … 0 0 … 0 0 0 … 1/2n-p+22 0 … 0 0 … 0 0 0 … 0 1/2n-p … 0 0 … 0 1-Φ = … … … … … … … … … … 0 0 … 0 0 … 1/2n-p 0 … 0 0 0 … 0 0 … 0 1/24 … 0 … … … … … … … … … … 0 0 … 0 0 … 0 0 … 1/21 Từ đó thấy ngay rằng ma trận tương quan của các ước lượng hệ số hồi quy cũng là đường chéo : C = 1Φ2eσ  . Do đó các ước lượng hệ số hồi quy ở kế hoạch trực giao không bị chập lẫn. Phương sai của các ước lượng đó là: N e 2 2 0 b σ    222 2 2 bi σ      pn e pn e   2 2 2 bij σ  42 2 2 bii σ   e i,j = 1,2,…………,n Các nhóm hệ số hồi quy được ước lượng với độ chính xác khác nhau. Lập kế hoạch thực nghiệm: Gồm 3 phần + Phần 1: Phần hạt nhân: gồm 4 thí nghiệm LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 62 + Phần 2: Phần các điểm cách tâm thực nghiệm một khoảng : gồm thí nghiệm 5 đến 8 + Phần 3: Phần tâm: gồm các thí nghiệm ở tâm miền quy hoạch, với số thí nghiệm lớn hơn 1: gồm thí nghiệm 9 Vì quá trình hình thành lớp mạ composite crôm khó khăn nhất là tạo khí hydro trên bề mặt catôt nhiều làm cản trở việc hình thành lớp mạ.Vậy sơ đồ mạ composite crôm cần đảm bảo hai yếu tố: +Quá trình khuấy trộn phải đảm bảo sự di chuyển của các hạt thuộc pha thứ 2 đến bề mặt cactốt là đồng đều. + Quá trình khuấy tốc độ của dung dịch phải đủ lớn để làm sạch được bề mặt của cactôt. Vì vậy tác giả chọn sư thay đổi lưu lượng Q để thí nghiệm tiến hành ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ. 4.2. Chế độ ma - Thể tích bể mạ: 500x1200x350(mm) - Độ  = 220 - Nhiệt độ mạ: 52±1 - Số lượng hạt Al2O3 : 2 kg/ 1 thể tích dung dịch. - Mật độ dòng điện: 43,75A/dm2 - Hiệu điện thế (điều chỉnh vô cấp): 20(v) - Nguồn cung cấp điện: P = 1(600A) - Diện tích ktốt: 1,6 dm2 - Diện tích anốt: 14,5x34,5mm - Khoảng cách giữa hai điện cực: 8cm - Mẫu thí nghiệm: LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 63 - Thời gian thí nghiệm:2giờ. - Số lượng mẫu dùng cho một lần mạ: 5 mẫu. - Tiến hành thí nghiệm gồm 9 lần: sau đó lấy các ô vuông có diện tích dùng kính hiển vi quang học xác định mật độ hạt. 4.3. Quá trình thí nghiệm Hình ảnh chụp lớp mạ thu được sau khi mạ: Hình 4.1: Hình chụp lớp mạ với Q = 3,6m3/h 120 20 10 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 64 Hình 4.2: Hình chụp lớp mạ với Q = 4,2m3/h 4.3.1. Thí nghiệm lần 1 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 3 Số hạt/diện tích 125 145 137 154 160 Trung bình 144,2 4.3.2. Thí nghiệm lần 2 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 3,2 Số hạt/diện tích 139 132 156 147 165 Trung bình 147,8 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 65 4.3.3. Thí nghiệm lần 3 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 3,4 Số hạt/diện tích 142 153 149 161 168 Trung bình 154,6 4.3.4. Thí nghiệm lần 4 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 3,6 Số hạt/diện tích 162 173 175 165 181 Trung bình 171,2 4.3.5. Thí nghiệm lần 5 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 3,8 Số hạt/diện tích 171 179 185 194 185 Trung bình 182,8 4.3.6. Thí nghiệm lần 6 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 4 Số hạt/diện tích 183 179 191 196 205 Trung bình 190,8 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 66 4.3.7. Thí nghiệm lần 7 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 4,2 Số hạt/diện tích 187 194 204 211 207 Trung bình 200,6 4.3.8. Thí nghiệm lần 8 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 4,4 Số hạt/diện tích 195 189 198 211 214 Trung bình 201,4 4.3.9. Thí nghiệm lần 9 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m 3 /h) 4,6 Số hạt/diện tích 197 204 213 216 209 Trung bình 207,8 4.4. Kết luận: Từ số lần thí nghiệm ta lập mối quan hệ giữa lưu lượng Q và mật độ hạt trên một mm2. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 67 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 Q(m2/h) Sè h¹t(mm2) 207,8 201,4 200,6 190,1 171,2 182,8 154,6 147,8 144,2 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 68 CHƢƠNG V KẾT LUẬN CHUNG Trong thời đại ngày nay sự cạnh tranh ngày càng gay gắt đòi hỏi mọi công đoạn trong dây truyền sản xuất phải đảm bảo được các yêu cầu tối thiểu như độ chính xác, độ bền, năng suất, tính kinh tế cao. Điều đó càng trở lên cần thiết hơn đối với các loại vật liệu quý hiếm, cùng với sự phát triển của Khoa học - Kỹ thuật, các công tác này ngày càng một hiệu quả hơn. Tuy nhiên thiết bị đòi hỏi phức tạp và có một chế độ mạ hợp lý nhằm đảm bảo chất lượng và hạ giá thành sản phẩm. Cũng với mục đích đó, tác giả tập trung đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy chất lượng lớp mạ, từ đó rút ra quy luật về sự ảnh hưởng. Mạ composite crôm là công nghệ được ứng dụng nhiều và trong động cơ máy bay, động cơ tuabin khí hiện đại,công nghiệp ôtô, vũ trụ và hạt nhân, được dùng trong nhiều nghành công nghệ khác nhau để chống ăn mòn, phục hồi kích thước, trang sức, chống mòn, tăng cứng, phản quang, dẫn nhiệt, thấm dầu và dễ hàn... việc khuấy theo những sơ đồ đã trình bày ở trên đòi hỏi chi phí lớn, có những nhược điểm lớn. Việc khuấy theo phương pháp đã trình bày thì không đòi hỏi chi phí lớn, ít nhược điểm. Vì vây cần nghiên cứu, thiết kế hệ thống khuấy hợp lý. Từ đó đã phát triển và thiết kế hệ thống khuấy. Kết quả cụ thể: 1. Đã thiết kế được một hệ thống khuấy đầy đủ thông số kỹ thuật, từ đó tiến hành thí nghiệm lập ra mối quan hệ giữa mật độ hạt và lưu lượng. Đề tài đã đưa ra những kết luận liên quan đến ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ: Lưu lượng càng nhỏ thì mật độ hạt càng ít, chất lượng lớp mạ sẽ mỏng, độ đồng đều lớp mạ sẽ kém hơn. 2. Lập được bảng số liệu về số lần thí nghiệm bao gồm: mật độ hạt, mật độ hạt trung bình. 3. Lập được mối quan hệ giữa mật độ hạt và lưu lượng. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 69 * MỘT SỐ KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO - Tiếp tục mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng vận tốc của các hạt cứng khi va chạm vào lớp mạ, tạo ra lớp mạ đồng đều hơn. - Các thí nghiệm được nghiên cứu ở luận văn chỉ thực hiện trong thời gian ngắn nên chưa đánh giá được ảnh hưởng chế độ khuấy đến độ bóng lớp mạ, cần tập trung nghiên cứu ảnh hưởng này nhằm năng cao hiệu quả của lớp mạ. - Cần nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến chất lượng lớp mạ. - Cần nghiên cứu ảnh huởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ với vật liệu khác như: Niken……. LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Kỹ thuật bề mặt và ứng dụng. Tác giả: Nguyễn Đăng Bỡnh, Phan Quang Thế, Trương Đức Thiệp, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên - Hội thảo Khoa học Toàn quốc về Công nghệ Vật liệu và Bề mặt, số 48 tập 2, trang. 3-8, 2008. 2. Công nghệ mạ điện. Tỏc giả :PGS.TS Trần Minh Hoàng, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật – 2001. 3. Mạ điện. Tác giả : TS Nguyễn Khương, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 4. Sổ tay mạ điện. Tác giả: Trần Minh Hoàng, Nguyễn Văn Thanh, Lê Đức Tri, nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 5. Phân tích dung dịch mạ điện. Tỏc giả: PGS.TS Trần Minh Hoàng, Nhà xuất bản Bỏch khoa – Hà Nội. 6. Baker, A.A, Haris, S.J, and Holmes, E Metals and materials 1967 7. Broutman, L.J and Krock, R.H Modern Composite materials, Addison – Wesley, 1967 8. Berther, S and Lafait, J Physique 1979 9.Koichi Kuroda Advanced metal finishing technology in Japan Technocrat 10. Marcel Dekker, INC. Surface modification technologies New York and Basel, 11. Martin Thoma, M.T Plating and surface finish 1984 12. Rai Narayan and Naryana, B.H Reviews on Coatings and Corrosion 1981 LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 71 13. Rai Narayan and Chattopadhyay surface technology 1982 14.Vasudevan. N. Grips, V. K. W.,and Indira Rajagopal “ Surface Technology” 1981 15. Young J.P Plating and surface finish 1975 16. www.iop. Org/EJ/abstract/0957 – 4484/18/13/135706/ 17. 1B9D10B F8C2664AF22C8A3073.tomcat1?fromPage=online&aid=165925 18. www.sciencedirect.com/science?ob=ArticleURL& _udi=B6TVV- 496NMVG 19. Org/business/Industrial Goods_ and_Services/Calibration_and Testing/ LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 72 PHỤ LỤC 1. Hệ thống khuấy Hệ thống ống đẩy Hệ thống ống hút LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 73 2. Quá trình thí nghiệm Tác giả làm thí nghiệm Thạc sĩ: Trần Anh Đức hỗ trợ làm thực nghiệm LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 74 Quá trình khuấy và mạ chi tiết Ảnh chụp sau khi mạ LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 75 Ảnh chụp sau khi mạ Ảnh chụp sau khi mạ LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 76 Chiều dày lớp mạ Chiều dày lớp mạ