BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

VÕ TẤN HÒA

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ XOA ĐỂ PHỤC HỒI CÁC

CHI TIẾT MÁY TRONG CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2012

VÕ TẤN HÒA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY KHÓA 2009

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này với đề tài “Nghiên cứu công nghệ mạ xoa

để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí” là do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn

tận tình của thầy giáo TS Đào Khánh Dư. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung

thực, phù hợp với quy định của pháp luật hiện hành.

Ngoài ra, các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận v

ăn, tôi xin đảm bảo

rằng không sao chép từ bất kỳ công trình nghiên cứu, ứng dụng của người khác.

Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu

trách nhiệm trước Viện Cơ khí, Viện đào tạo sau Đại học Trường Đại học Bách

khoa Hà Nội.

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2012

Học viên thực hiện

Võ Tấn Hòa

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 2

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN………………………….…………………….............................1

MỤC LỤC…………………………………………………………………………..2

DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………………5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…………………………………………..6

MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN……………………………………………………..10

1.1. Đặt vấn đề……….………………………………………………………..10

1.2. Tổng quan về việc nghiên cứu mạ xoa ở trên thế giới và trong nước…….11

1.3. Cơ sở lý thuyết về mạ xoa………………………………………………...12

1.3.1. Cơ sở lý thuyết mạ điện …………………………………………….12

1.3.1.1. Điều kiện tạo thành lớp mạ điện…………………………….....12

1.3.1.2. Cơ chế tạo thành lớp mạ……………………………………….15

1.3.1.3. Dung dịch chấ

t điện phân……………………………………...18

1.3.1.4. Kim loại nền…………………………………………………...20

1.3.2. Nguyên lý của công nghệ mạ xoa ………………………………..…21

1.3.3. Các thông số công nghệ cơ bản của công nghệ mạ xoa…………..... 22

1.3.3.1. Điện thế và dòng điện mạ…………………………………….. 22

1.3.3.2. Tốc độ mạ………………………………………………….......23

1.3.3.3. Nhiệt độ mạ xoa………………………………………………..23

1.3.4. Đặc điểm dung dịch mạ xoa………………………………….……..23

1.3.5. Đặc điểm của lớp kim loại mạ…………………………………..…..24

CHƯƠ

NG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ XOA………………..……...25

2.1. Dung dịch mạ xoa……………………………………………….. .…….. 25

2.1.1. Dung dịch xử lý ban đầu bề mặt……………………………………. 26

2.1.1.1. Dung dịch làm sạch bằng điện phân………………………….. 26

2.1.1.2. Dung dịch hoạt hóa………………………………...…………. 29

2.1.1.3. Dung dịch mạ kim loại đơn………………………...……..…… 32

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 3

2.1.1.4. Lựa chọn dung dịch mạ……………………………………..…..37

2.1.1.5. Dung dịch mạ xoa Ni-SiC……………………………...……….43

2.1.2. ThiÕt bÞ m¹

xoa…………………………………………….………....45

2.1.2.1. Nguyên lý hoạt

động……………………………...…………….45

2.1.2.2. ChÕ ®é lµm viÖc cña c¸c bé nguån m¹

xoa (25V-100A, 200A,

500A)…………………………………………………………..

2.1.2.3. Quy tr×nh vËn hµnh thiÕt bị

……………………………….……50

2.1.2.4. ¦u vµ nh-îc ®iÓm cña c¸c lo¹i nguån m¹

xoa…………...……..51

2.1.2.5. C¸c th«ng sè chÝnh cña c¸c nguån m¹

xoa………………..……52

2.1.3. Ảnh h-ëng cña c¸c th«ng sè c«ng nghÖ ®Õn

líp m¹ xoa ®ång vµ

niken...............................................

....................................................

.............. 53

2.1.3.1. ¶nh h-ëng cña kim lo¹i nÒn ®Õn cÊu

tróc líp m¹ ……………..54

2.1.3.2. ¶nh h-ëng cña ®iÖn ¸p m¹ xoa

…………………………….…..55

2.1.3.3. ¶nh h-ëng cña mËt ®é dßng ®iÖn m¹ xoa

………………..……56

2.1.3.4. ¶nh h-ëng cña nhiÖt ®é

…………………………………..……57

2.1.3.5. ¶nh h-ëng cña tèc ®é t-¬ng ®èi gi÷a

bót xoa vµ chi tiÕt ……...58

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 4

2.2. Qui trình công nghệ mạ xoa …………………………………………...….60

2.2.1. Trình tự công nghệ mạ xoa ……………………………………...….60

2.2.2. Các bước chính của công nghệ mạ xoa phục hồi chi tiết máy ……...61

2.2.2.1. Gia công cơ ………………………………………………..…..61

2.2.2.2. Khử dầu bằng phương pháp điện phân ………………………..62

2.2.2.3. Làm sạch gỉ bằng dung dịch hoạt hóa …………………….......62

2.2.2.4. Mạ lót …………………………………………………….……63

2.2.2.5. Mạ kim loại ……………………………………………..……..63

2.2.2.6. Kiểm tra sản phẩm ……………………………………..……...63

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LỚP MẠ XOA

ĐỒNG VÀ

NIKEN…………………………………………………………………………..65

3.1. Cơ sở lý thuyết ………………………………………………………....65

3.1.1. Độ cứng ………………………………………………………..…65

3.1.2. Độ gắn bám …………………………………………………….…66

3.1.3. Độ dày ……………………………………………………….……67

3.2. Nghiên cứu thực nghiệm tính năng ma sát lớp mạ xoa đồng và

niken……………………………………………………………..……….68

3.2.1. Mục đích thử nghiệm …………………………………..………...68

3.2.2. Trình tự thí nghiệm ……………………………………..………..68

3.2.3. Kết quả thử nghiệm các mẫu thí nghiệm …………………..……69

3.3. Triển khai công nghệ mạ xoa Ni-SiC để phục hồi chi tiế

t máy ………71

3.3.1. Phục hồi chi tiết trục con trượt máy bào ngang TAIKO ……......74

3.3.2. Phục hồi trục nén trên và dưới của máy dập viên thuốc …..……78

3.3.2.1. Điều kiện làm việc………………………………………..……78

3.3.2.2. Tình trạng hư hỏng…………………………………….……....78

3.3.2.3. Quy trình phục hồi trục nén trên và dưới………………...…....83

3.3.2.4. Kết quả nghiệm thu ……………………………………..…….85

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT………………………………………………………87

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………..……………89

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 5

PHỤ LỤC…………………………………………………………...……………..90



DANH MỤC CÁC BẢNG

1. Bảng 1.1 – Quan hệ giữa quá thế kết tinh, dòng trao đổi và cỡ hạt

2. Bảng 2.1 – Phân loại dung dịch mạ xoa.

3. Bảng 2.2 – Điện thế và thời gian làm sạch bằng điện cho các loại kim loại nền

khác nhau.

4. Bảng 2.3 – Thành phần và chế độ làm việc của một số loại dung dịch làm sạch

bằng điện.

5. Bảng 2.4 – Ứng suất lớp mạ Ni ứng suất thấp và nhiệt độ dung dịch mạ xoa.

6. Bảng 2.5 – Bề dày an toàn của lớp m

ạ xoa.

7. Bảng 2.6 – Lớp mạ Ni và Cu với nhiều loại dung dịch mạ khác nhau

8. Bảng 2.7 – Độ cứng của lớp mạ xoa.

9. Bảng 2.8 – Ảnh hưởng của mật độ dòng điện mạ xoa Ni tổ hợp tới tính chất

lớp mạ

10. Bảng 2.9 – ChÕ ®é c«ng nghÖ m¹ xoa ®iÓn h×nh

11. Bảng 2.10 –Trình tự công nghệ mạ xoa

12. Bảng 3.1 – Kết quả thử cơ lý tính của lớp mạ xoa đồng trên các kim loại

nền khác nhau.

13. Bảng 3.2 – Kết quả thử cơ lý tính lớp mạ xoa trên nền thép tại TTTĐCN.

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 6

14. Bảng 3.3 – Kết quả thử cơ lý tính của lớp mạ xoa niken trên các kim loại nền

khác nhau.

15. Bảng 3.4 – Kết quả thử cơ lý tính của lớp mạ xoa Ni-SiC trên nền thép tại Viện

KT Nhiệt Đới và Bảo Vệ Môi Trường.

16. Bảng 3.5 – Những dạng hư hỏng xảy ra trong mạ xoa.

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1. Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị mạ xoa.

2. Hình 2.1: Ảnh hưởng của mật độ dòng điện mạ xoa tới hàm lượng hạt

SiC trong lớp mạ tổ hợp

3. Hình 2.2: S¬ ®å m¹ch ®éng lùc cña bé nguån 1 pha kh«ng

nghÞch l-u

4. Hình 2.3: S¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu khiÓn cña bé nguån 1 pha

kh«ng nghÞch l-u

5. Hình 2.4: S¬ ®å khèi cña bé nguån m¹ xoa cã nghÞch l-u 1

pha

6. Hình 2.5: Ảnh chôp líp m¹ xoa trªn nÒn thÐp

7. Hình 3.1: Bản vẽ chi tiết trục con trượt máy bào.

8. Hình 3.2:

Chi tiết thực-con trượt máy bào

9. Hình 3.3: Quá trình mạ phục hồi

10. Hình 3.4: Kiểm tra kích thước bề mặt sau khi mạ

11. Hình 3.5: Bề mặt sau khi mạ

12. Hình 3.6: Trục nén trên và trục nén dưới bị mòn

13. Hình 3.7: Bản vẽ chi tiết trục nén trên

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 7

14. Hình 3.8: Bản vẽ chi tiết trục nén dưới

15. Hình 3.9: Hoạt hóa bề mặt chuẩn bị mạ xoa

16. Hình 3.10: Mạ xoa trục

17. Hình 3.11: Trục nén trên và trục nén dưới sau khi mài.

18. Hình 3.12: Máy nén viên đang làm việc

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài:

Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay. Ngày nay kỹ thuật mạ

kim loại

đã trở thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước

trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật, sản xuất

và đời sống văn minh của con người. Mạ kim loại không chỉ nhằm mục đích bảo vệ

kim loại nền khỏi bị ăn mòn, trang trí làm đẹp cho sản phẩm mà còn có tác dụng

phục hồ

i các chi tiết máy quý giá bị mài mòn, tạo ra các lớp mạ có cấu trúc đặc biệt,

chịu được nhiệt độ, chịu được ma sát và có độ cứng rất cao.

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp hiện đại thì nhu cầu

sử dụng máy móc thiết bị ngày càng nhiều, trong khi giá thành chế tạo lại cao là

một bài toán khó đối với nhà sản xuất và cả người sử dụng. Vì vậy công việc bảo trì

bảo dưỡng tại các nhà máy, xí nghiệp được đưa lên hàng đầu và coi phương pháp

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 8

mạ kim loại là một giải pháp hữu hiệu để nâng cao chất lượng và kéo dài tuổi thọ

của các chi tiết máy nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất.

Việc phục hồi các chi tiết máy bị hư hỏng sau một thời gian làm việc hoặc các

chi tiết có kích thước bị hụt do gia công là một việc có ý nghĩa kinh tế vô cùng lớn.

Để góp phần vào việc nâng cao hiệu quả kinh tế, tôi mạnh dạn lựa chọ

n đề tài:

“Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí”.

2. Mục đích nghiên cứu của luận văn:

Nhằm phát triển, giới thiệu công nghệ mạ xoa đến với tất cả các nhà máy, xí

nghiệp về một phương pháp phục hồi chi tiết máy mới với mong muốn đạt hiệu quả

kinh tế cao nhất. Nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ

của các kết cấu

chi tiết máy. Từ đó đi sâu nghiên cứu sự phối hợp giữa công nghệ mạ xoa và công

nghệ phun phủ trong việc phục hồi tại chổ để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết

máy.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của đề tài tập trung vào nghiên cứu công nghệ mạ xoa

đồng và niken, thông qua việc nghiên cứu dung dịch và thiết bị để

mạ xoa, xây

dựng quy trình công nghệ rồi từ đó tiến hành thực nghiệm lớp mạ và đánh giá kết

quả trên các chi tiết thực.

4. Ý nghĩa của đề tài:

Với các kết quả nghiên cứu của luận văn, bước đầu đã tạo cơ sở cho việc xác

định một qui trình công nghệ mạ xoa và mở ra một hướng công nghệ mới trong

ngành cơ khí với những ưu đ

iểm nổi bật của công nghệ mạ xoa.

- Đưa ra một cái nhìn tổng quan về công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết

máy trong cơ khí.

- Trên cơ sở thực nghiệm mạ xoa cho hai chi tiết con trượt máy bào và trục

nén máy dập viên thuốc đã cho kết quả khả quan, tạo tiền đề thuận lợi cho hướng

giải pháp phục hồi các chi tiết máy bị hỏng và mang lại hiệu quả kinh t

ế cao.

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 9

5. Nội dung luận văn:

Luận văn đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý thuyết và

thực nghiệm. Nội dung luận văn được chia thành 3 chương nhằm làm rõ vấn đề

nghiên cứu “nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ

khí”, cụ thể gồm:

+ Mở đầu

+ Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ mạ xoa

+ Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm lớp mạ xoa đồng và niken

+ Kết luận và đề xuất

+ Tài liệu tham khảo

Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu, thực hiện khó tránh khỏi những thiếu

sót, tôi rất mong nhận được ý kiến góp ý của quý Thầy, Cô để bản luận văn được

hoàn thiện hơn và trở thành một tài liệu tham khảo hữu ích cho việc ứng dụng công

nghệ mạ xoa vào trong quá trình sản xuất.

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Đào Khánh Dư, quý

Thầy, Cô trong bộ môn Cơ khí chế tạo máy, Viện Cơ khí, Viện đào tạo Sau Đại học

– Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

này.

TÁC GIẢ

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề:

Chất lượng bề mặt của chi tiết máy với các đặc tính như khả năng chịu mài

mòn, chịu nhiệt, chống gỉ, … có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ, độ tin cậy của

máy. Xu thế nâng cao năng suất và tốc độ của thiết bị làm cho điều kiện làm việc

của máy thêm khắ

c nghiệt. Ngoài ra, nhu cầu sử dụng sử dụng máy móc thiết bị

ngày càng nhiều, trong khi giá thành chế tạo cao là một bài toán khó đối với nhà sản

xuất và sử dụng. Việc phục hồi các chi tiết máy bị hư hỏng sau một thời gian làm

việc hoặc các chi tiết có kích thước bị sai do gia công không đúng thao tác có ý

nghĩa kinh tế vô cùng lớn.

Do đó việc nghiên cứu phục hồi kim loại trở nên cấp thiết, và đã có một số

phương pháp phục hồi như: Hàn kim loại, phun kim loại, mạ kim loại. Tuy nhiên

mỗi phương pháp lại có những ưu nhược điểm khác nhau, cụ thể như:

- Hàn phục hồi: Nhược điểm của hàn là sinh ra nhiệt độ cao ở bề mặt chi tiết

khi hàn sẽ dẫn đến ứng suất nhiệt, thiên tích vùng, làm chi tiết dễ bị cong vênh, biến

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 11

dạng. Hàn thường ứng dụng để phục hồi các chi tiết bị ăn mòn như: vỏ tàu, cánh

bơm, chân vịt,…

- Phun kim loại, thực chất là phun kim loại nóng chảy lên chi tiết. Nhược điểm

của phương pháp này là: Độ bền liên kết với kim loại gốc thấp so với các phương

pháp khác, chi tiết phục hồi có độ bền mỏi bị giảm xuống đáng kể.

- Mạ

kim loại, hiện nay có rất nhiều cách khác nhau để tạo ra lớp mạ tổ hợp

điện hóa, trong đó có kỹ thuật mạ bể, kỹ thuật mạ xoa, kỹ thuật mạ phun,…Tuy

nhiên công nghệ mạ xoa là sự phát triển mới của công nghệ mạ điện và được coi là

một nội dung quan trọng của công nghệ bề mặt, ở một số nước trên thế giới công

nghệ mạ

xoa đã được coi là hạng mục kinh tế mới cấp quốc gia và là trọng điểm để

nghiên cứu và phổ cập ứng dụng.

Mạ xoa cũng giống như các phương pháp mạ điện khác đã được chấp nhận và

rất hữu ích trong việc tái chế các chi tiết máy đã bị hư hỏng do sử dụng hoặc hụt

kích thước do gia công sai. Hiện nay các chi tiết như vậy đã

được phục hồi và tái sử

dụng nhờ công nghệ mạ xoa đặc biệt này. Sau khi phục hồi bằng mạ xoa chi tiết có

khả năng trở về trạng thái mới, trong nhiều trường hợp các chi tiết này lại có tính

chống mòn và tuổi thọ cao hơn chi tiết mới. Đó là lý do vì sao công nghệ mạ xoa

ngày càng được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp và quân sự.

Vì vậy việc nghiên cứu về dung dịch và thiế

t bị để làm chủ công nghệ mạ xoa

là cấp thiết. Đề tài nghiên cứu sâu về dung dịch và công nghệ mạ xoa Ni-SiC, ứng

dụng để mạ phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn.

1.2. Tổng quan về việc nghiên cứu mạ xoa ở trên thế giới và trong nước:

Từ năm 1899 công nghệ mạ xoa được phát minh, dùng cho việc sửa chữa các

sản phẩm mạ thứ phẩm, đến nay có lịch sử hàng tră

m năm. Năm 1943 công ty Dalic

(Pháp) đầu tiên ứng dụng công nghệ mạ xoa như công nghệ mạ đặc biệt dùng cho

công nghiệp, được gọi là kỹ thuật DALIC. Từ năm 40 đến thập kỹ 70 của thế kỹ

XX, công nghệ mạ xoa bắt đầu phổ biến ở Mỹ, Anh, Nhật, v.v…Công ty Dalic,

công ty Selectiva (Mỹ) khi đưa vào sử dụng gọi công nghệ này là Brush Plating,

Selective Plating, Electro – Chemical Metallizing (phủ kim loại bằng điện hóa).

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 12

Công nghệ mạ xoa rất có hiệu quả trong ứng dụng, sau nhiều năm đã được nhiều

ngành và lĩnh vực tiếp thu, từ công nghiệp chế tạo mạch điện cho đến công nghiệp

hàng không, tàu thủy đều sử dụng công nghệ này cho sửa chữa và chế tạo. Có

khoảng 70 công ty chế tạo máy bay ứng dụng công nghệ mạ xoa itrong sửa chữa chi

tiết máy bay, trong đó có không lực Mỹ, Anh, Hà Lan, Malaysia, v.v…

Ngoài các nước Mỹ

, Anh, Pháp công nghệ mạ xoa cho tàu thuyền đã được phổ

cập rộng rãi cho Nhật Bản, Singapo, Hàn Quốc, Đan Mạch, Hà Lan,v.v…Ở Trung

Quốc vào các thập kỹ 60, 70 của thế kỹ XX có Nhà máy điện cơ Thượng Hải, Viện

bảo vệ kim loại Vũ Hán, Học viện tăng thiết giáp Bắc Kinh, Cục hàng không dân

dụng Bắc Kinh đã ứng dụng thành công công nghệ mạ xoa cho các lĩnh vực phục

hồi sử

a chữa khác nhau như: các van trong lò phản ứng, các chi tiết trong máy phát

điện, tuabin, quân sự, hàng không, …

Năm 2004 nhóm nghiên cứu của trường đại học Bách Khoa Hà Nội đứng đầu

là GSTSKH Nguyễn Anh Tuấn đã ngiên cứu về mạ xoa niken và niken tổ hợp. Đề

tài khoa học cấp Nhà nước do nhóm tác giả trên đã xây dựng được công nghệ và

thiết bị mạ xoa các lớp mạ Cu, Ni, Cr phục hồi một số chi tiết máy có hiệu quả.

1.3. Cơ sở lý thuyết về mạ xoa:

1.3.1. Cơ sở lý thuyết mạ điện:

1.3.1.1. Điều kiện tạo thành lớp mạ điện

Mạ điện là quá trình điện kết tủa kim loại trên bề mặt nền một lớp phủ có

những tính chất cơ, lý, hoá, v.v… đáp ứng được yêu cầu mong muốn. Các phần

chính của bộ phậ

n mạ điện gồm:

1- Dung dịch mạ gồm có muối dẫn điện, ion kim loại kết tủa thành lớp mạ,

chất đệm và các phụ gia.

2- Catot dẫn điện chính là vật cần được mạ.

3- Anot dẫn điện có thể tan hoặc không tan.

4- Bể chứa dung dịch.

5- Nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu.

Quá trình tổng quát là:

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 13

- Trên anot xảy ra quá trình hoà tan kim loại trên anot:

M - ne → M

(1.1)

- Trên catot, cation phóng điện thành nguyên tử kim loại mạ:

+ ne → M (1.2)

Thực ra các quá trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao gồm

nhiều giai đoạn nối tiếp nhau. Ví dụ, quá trình catot có thể bao gồm các bước sau:

- Cation hyđrat hoá M

.mH

O di chuyển từ dung dịch về bề mặt catot.

- Cation mất vỏ hyđrat (mH

O), vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catot (hấp

thụ)

- Điện tử (e) từ catot điền vào vành điện tử hoá trị của cation, biến nó thành

nguyên tử kim loại trung hoà (phóng điện) ở dạng hấp thụ.

- Các nguyên tử kim loại này hoặc sẽ tạo thành mầm tinh thể mới, hoặc tham

gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó. Mầm phát triển dần thành tinh th

ể.

Tinh thể kết thành lớp mạ.

Tốc độ chung của quá trình catot (1.2) nhanh hay chậm là do tốc độ chậm nhất

của một trong các bước trên quyết định. Mọi trở lực của các bước trên đều được thể

hiện ở độ phân cực catot (quá thế catot

), tức là điện thế catot dịch về phía âm

hơn một lượng

so với cân bằng:

−

cbc

(1.3)

trong đó:

- điện thế cân bằng của catot, V;

- điện thế phân cực của catot (đã có dòng i), V.

Giữa phân cực catot (quá thế catot) và cấu trúc kết tủa (lớp mạ) có quan hệ

chặt chẽ với nhau: phân cực catot càng lớn tinh thể càng nhỏ mịn.

Vậy: mọi yếu tố kỹ thuật làm tăng phân cực catot đều cho cấu trúc tinh thể lớp

mạ được tinh tế hơn, nhỏ mịn hơn.

Tuỳ bản chất của các trở lự

c gây ra đối với quá trình điện cực mà người ta

phân biệt thành các dạng quá thế khác nhau: quá thế khuếch tán, quá thế chuyển

đổi, quá thế kết tinh, quá thế nồng độ, quá thế hoá học, quá thế điện hoá… Trong

mạ điện thường gặp các loại quá thế sau:

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 14

Quá thế khuếch tán



Quá thế khuếch tán phát sinh khi nồng độ cation trong lớp kép giảm mà

khuếch tán không bù kịp. Phân cực khuếch tán được tính bằng phương trình:

)/ln()/(

CCnFRT

(1.4)

trong đó: C

- nồng độ cation của kim loại kết tủa trong lớp sát catot;

- nồng độ cation ấy trong khối dung dịch;

n - hoá trị trao đổi của cation;

R - hằng số khí (8,314J/mol.

T - nhiệt độ tuyệt đối,

F - hằng số Faraday (96500 culong).

Mà: C

= C

(1-i/i

) (1.5)

trong đó: i - mật độ dòng điện làm phân cực điện cực;

- mật độ dòng giới hạn: i

= KC

; (1.6)

K - hằng số.

Từ đó ta có:

)/1ln()/(

ghkt

iinFRT

−

(1.7)

Từ (1.7) có các nhận xét sau:

- Trong mạ điện luôn luôn phải dùng i < i

nhưng trong sản xuất, để tăng tốc

độ mạ thường có xu hướng tranh thủ dùng i

→ i

. Khi đó (1- i/i

) →

, hay ln(1-

i/i

) → ∞ . Tức là dùng i càng cao thì

càng lớn.

- Khi tăng nhiệt độ T thì

tăng, nhưng i

cũng tăng, và thường có kết cục

giảm.

- Khi tăng cường độ khuấy thì i

tăng, dẫn đến giảm. Vậy tăng T và khuấy

thường làm cho kết tủa gồm các tinh thể thô, to, do hiệu ứng giảm

ưu thế hơn.

- Quá thế khuếch tán giữ phần chủ yếu trong quá thế nồng độ (phân cực nồng

độ)

nđ

Quá thế chuyển đổi

Quá thế chuyển đổi phát sinh do chậm chuyển đổi hyđrat hoặc các ligan trong

nội cầu phức hay chậm phóng điện (cho - nhận điện tử)… nó được xác định bằng

công thức Tafel:

Nghiên cứu công nghệ mạ xoa để phục hồi các chi tiết máy trong cơ khí

Trang 15

iba lg

trong đó:

i - mật độ dòng, A/dm

;

a,b - các hằng số, xác định bằng thực nghiệm.

Nếu khâu phóng điện là chậm nhất, ta có quá thế điện hóa

đh

Quá thế kết tinh

Quá thế kết tinh phát sinh do nguyên tử kim loại vừa được giải phóng chậm

tham gia kết thành mạng lưới tinh thể. Quá thế kết tinh có quan hệ với dòng điện

trao đổi i

của kim loại ấy.

Quan hệ giữa quá thế kết tinh

, dòng điện trao đổi i

và cỡ hạt tinh thể thể

hiện rất rõ trong các trường hợp kết tủa kim loại từ dung dịch muối đơn (vì khi đó

các quá thế nồng độ, điện hoá, … đều bé).

Căn cứ vào giá trị quá thế kết tinh

chia kim loại thành 3 nhóm như trong

bảng 1.1.

Thấy rằng quá thế kết tinh

phụ thuộc vào bản chất kim loại và tỉ lệ ngược

với dòng trao đổi i

Vậy quá thế chung của cả quá trình catot

bằng tổng các quá thế nồng độ

nđ

, quá thế điện hóa

đh

và quá thế kết tinh

nđ

đh

(1.8)

Bảng 1.1: Quan hệ giữa quá thế kết tinh, dòng trao đổi và cỡ hạt

Nhóm i

, A/cm

, V

Chiều dài tinh thể, cm

Ag, Cd, Sn… 10

-1

- 10

-2

-3

> 10

-3

Bi, Cu, Zn… 10

-4

- 10

-5

-2

-3

- 10

-4

Co, Fe, Ni… 10

-8

- 10

-9

-1

-5

- 10

-6

Do đó, điện kết tủa kim loại trên catot sẽ diễn ra khi nào điện thế catot dịch

khỏi vị trí cân bằng và chuyển về phía âm một đại lượng

đủ để khắc phục các

trở lực nói trên.

1.3.1.2. Cơ chế tạo thành lớp mạ

a. Điều kiện xuất hiện tinh thể