luận văn công nghệ hóa học Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa trên nền thép cacbon

Mở Đầu
Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Người ta đã
nghiên cứu và chế tạo ra những loại vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn so
với vật liệu truyền thống sử dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên các chi tiết
máy được làm từ các loại vật liệu mới đó, trong quá trình làm việc vẫn chưa
đáp ứng được hết các yêu cầu kỹ thuật đặt ra, vì qua nghiên cứu người ta thấy
rằng hầu hết các chi tiết máy bị hư hỏng đều bắt đầu từ việc phá huỷ bề mặt
ngoài, do sự tác động phá huỷ của môi trường làm việc và môi trường tự
nhiên, bề mặt ngoài của chi tiết máy thường bị cào xước, bị mòn, biến dạng
bề mặt và thay đổi kích thước, bị ăn mòn hoá học bề mặt…vv.
Để khắc phục những vấn đề đó người ta đã nghiên cứu thành công và
ứng dụng công nghệ mạ xoa vào trong việc phục hồi các chi tiết bị hư hỏng,
tạo nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt của chi tiết, bảo vệ bề mặt
các chi tiết không bị xước, bị mòn, chống lại sự ăn mòn hoá học.
Với công nghệ này, có thể đắp kim loại, mạ lại tại chỗ cho các chi tiết
máy bị mài mòn. Công nghệ mạ xoa có thể sử dụng cho 19 kim loại tiêu
chuẩn và hợp kim như đồng, niken, crom…công nghệ này có thể giúp phục
hồi các chi tiết máy có hình dạng, kích thước khác nhau: dạng lỗ, trục, tấm
phẳng…, thậm chí với các chi tiết có đường kính đến vài trăm milimét.
Thiết bị đơn giản, gọn nhẹ dễ vận hành, thao tác linh hoạt, phù hợp với chi
tiết lớn có rãnh mà không thể dùng các phương pháp khác để phục hồi. Phạm
vi phục hồi rất rộng rãi về chế độ chính xác hình học cũng như kích thước.
Tốc độ mạ nhanh, lớn hơn 5 lần so với bể mạ, chủng loại lớp mạ đa dạng, độ
dính bám của lớp mạ cao do đó có phạm vi ứng dụng rộng. Cho phép đắp
thêm kim loại mà không bị ảnh hưởng của nhiệt, không phải mạ lại toàn bộ
chi tiết khi phục hồi, có thể chỉ cần mạ cục bộ mà không làm bong lớp mạ.
1
1
Công nghệ mạ xoa tiêu tốn ít năng lượng, khắc phục được những lỗi bề mặt
trong mạ điện, chính vì các đặc điểm và ưu điểm trên mà công nghệ mạ xoa
rất có hiệu quả trong chế tạo sản phẩm mới hoặc khôi phục, sửa chữa và

cường hoá các chi tiết máy, đặc biệt phù hợp với các chi tiết có kích thước
lớn, khôi phục sửa chữa tại hiện trường, ngoài ra công nghệ mạ xoa còn có
tính trang trí rất cao. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm đó công nghệ mạ
xoa vẫn còn những mặt hạn chế nhất định, đặc biệt là hiện nay khi mà các cơ
sở sản xuất đều sử dụng dung dịch mạ cr6+.
Khi sử dụng dung dịch mạ cr6+, có chứa gốc cr6+ đây là tác nhân oxi
hoá mạnh ngoài môi trường tự nhiên, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao
động, gây ăn mòn thiết bị và đặc biệt gây nguy hiểm cho môi trường nếu như
nước thải không được sử lý triệt để.
Tại Việt Nam, chính phủ chưa có quy định bắt buộc phải mạ crom từ
dung dịch Cr3+, tuy nhiên do nền kinh tế có quan hệ thương mại với nhiều
nước trên thế giới, đặc biệt là châu Âu, Nhật Bản và Mỹ nên nhu cầu mạ crom
từ dung dịch Cr3+ là cần thiết trong tương lai gần. Do vậy, việc tìm hiểu và
áp dụng thử nghiệm một quy trình mạ Cr3+ tiến tới áp dụng cho các nhà sản
xuất là một yêu cầu bức thiết trong ngành công nghiệp mạ hiện nay.
Tôi đã thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm
dùng cho mạ xoa trên nền thép cacbon”.
2
2
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MẠ XOA
1.1. Sự phát triển của công nghệ mạ xoa
Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thuật Galvano (lấy theo tên nhà khoa học Ý
Luigigalvani), là tên gọi của quá trình điện hoá phủ lớp kim loại nên vật.
Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm catốt, kim
loại mạ gắn với cực dương anốt của nguồn điện trong dung dịch điện môi.
Cực dương của nguồn điện sẽ hút các electron e
-
trong quá trình oxi hoá và
giải phóng ra các kim loại dương, dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện các ion
dương e

+
này sẽ di chuyển về cực âm, tại đây chúng nhận lại e
-
trong quá trình
oxi hoá khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ. Độ dày
của lớp mạ phụ thuộc vào mật độ dòng điện và thời gian mạ.
Điều kiện hình thành lớp mạ điện:
Mạ điện là một công nghệ điện phân. Quá trình tổng quát là:
Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot :
M – ne → M
n+
Trên catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ :
M
n+
+ ne → M
Kỹ thuật mạ xoa là sự phát triển mới của kỹ thuật mạ điện, là một nội
dung quan trọng của công nghệ bề mặt.
Mạ xoa là phương pháp mạ điện khi sử dụng bút xoa và dung dịch mạ
được cấp trực tiếp và bề mặt chi tiết. Các thiết bị cần thiết bao gồm: Một
nguồn điện điều khiển, cấp điện âm cho chi tiết mạ và điện áp dương cho bút
xoa, bơm dung dịch, và một số thiết bị phụ trợ khác.
3
3

Hình 1.1. Nguyên lý của quá trình mạ
Mạ xoa là quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có
những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được các yêu cầu mong muốn.
Sự hình thành lớp mạ là quá trình kết tinh gián đoạn ion kim loại trong
dung dịch mạ, chỉ phóng điện hoàn nguyên kết tinh tại nơi tiếp xúc giữa bút
mạ xoa và chi tiết. Sự dịch chuyển của bút mạ hạn chế sự lớn lên và xát nhập

của các hạt tinh thể, do đó trong lớp mạ tồn tại rất nhiều hạt tinh thể siêu mịn
và lệch vị, dấn tới nâng cao, củng cố độ cứng của lớp mạ.
Các ví dụ về ứng dụng và sản phẩm của công nghệ mạ xoa:
Hình 1.2. Ứng dụng công nghệ mạ xoa phục hồi chi tiết
4
4




Hình 1.3. Các sản phẩm của công nghệ mạ xoa
1.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ và ứng dụng công nghệ
mạ xoa vào trong sản xuất
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Công nghệ mạ xoa ra đời vào đầu những năm 70 của thế kỷ 20. Ngày
nay, công nghệ mạ xoa là một trong những công nghệ xử lý bề mặt được sử
dụng rộng rãi và hiệu quả trong rất nhiều lĩnh vực trên thế giới.
Vì vậy, việc nghiên cứu và chế tạo dung dịch mạ xoa để phục vụ cho
công nghệ mạ, nâng cao chất lượng mạ đã được rất nhiều quốc gia có nền
công nghiệp phát triển chú trọng và quan tâm. Đặc biệt hơn nữa, do nhược
5
5
điểm khi sử dụng dung dịch CrO
3
có chứa gốc Cr6+, đây là tác nhân gây oxi
hoá mạnh ngoài môi trường tự nhiên, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao
động, gây ăn mòn thiết bị…Do vậy, trên thế giới đã phát triển nhiều công
nghệ mạ crôm trên nền dung dịch Cr3+, và nhiều nước đã có quy trình mạ
Cr3+ đã được thương mại hoá. Nhiều nhà sản xuất Châu Âu đã yêu cầu bắt
buộc phải mạ từ dung dịch Cr3+ đối với các sản phẩm cần mạ crôm.

Hiện nay, trên thế giới thì công ty SurTec của Đức là một trong hãng đi
đầu về công nghệ mạ Cr3+. Dung dịch mạ dùng muối gốc sunphát, và họ có 3
chủng loại phụ gia tạo ra 3 loại:
- Loại có khả năng chống lại muối
- Loại thứ hai là loại cho lớp mạ crôm bóng đen
- Một loại nữa sẽ cho ra màu trắng xanh (tương tự Cr6+)
còn ở Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản thì sử dụng nhiều Cr3+. Tại Nhật Bản có
hơn 100 lines mạ Cr3+ dùng công nghệ của SurTec. Các công ty này chủ yếu
làm linh kiện cho Toyota, Honda (xe hơi), Nissan, Canon…Và công nghệ mạ
xoa được thế giới ứng dụng rất nhiều trong các ngành như Hàng Hải và Hải
Quân, Công nghiệp chế tạo máy bay và ngành hàng không, Công nghiệp in,
công nghiệp điện tử, công nghiệp đúc và làm khuôn Ngoài việc dùng công
nghệ mạ xoa để phục hồi chi tiết, bảo vệ bề mặt ngoài của chi tiết, ở các nước
trên thế giới người ta còn ứng dụng công nghệ này, để mạ trên nền nhựa phục
vụ cho ngành công nghiệp trang trí các sản phẩm nhựa.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam trong những năm gần đây, ngành cơ khí rất quan tâm đến
việc áp dụng các công nghệ bề mặt tiên tiến và hiện đại vào trong thực tiễn
sản xuất nhằm đẩy mạnh nền công nghiệp trong nước, đem lại hiệu quả cho
ngành kinh tế quốc dân.
Tuy nhiên, công nghệ mạ xoa ở nước ta cho đến nay vẫn chưa được chú ý
nghiên cứu và ứng dụng một cách cụ thể vào trong sản xuất, hầu hết các kết
6
6
quả nghiên cứu chỉ dừng ở mức độ đề tài và trong phòng thí nghiệm. Hiện tại
ở nước ta, tuy nhu cầu và phạm vi ứng dụng rất lớn nhưng mới có một số
lượng rất ít các thiết bị mạ xoa tại các cơ sở nghiên cứu và sản xuất như:
- 01 Thiết bị mạ xoa 100A tại PTNTĐ về công nghệ hàn và xử lý bề mặt
- Viện nghiên cứu cơ khí.
- 01 Thiết bị mạ xoa (TQ) của trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

- 01 Thiết bị mạ xoa (TQ) của Viện Máy Mỏ và năng lượng.
- 01 Thiết bị mạ xoa tại Nhà máy Z153.
Các thiết bị này mới bước đầu được đưa vào khai thác và vận hành, do
vậy chưa đạt được kết quả như mong muốn. Mặt khác, các loại nguyên vật
liệu, phụ tùng thay thế đều phải nhập ngoại, gây nhiều khó khăn trong quá
trình triển khai công việc cũng như mục đích hạ giá thành sản phẩm. Và hầu
hết các cơ sở sản xuất ở nước ta hiện nay vẫn sử dụng dung dịch mạ Cr6+,
điều này gây tác hại rất lớn đối với môi trường và sức khoẻ của con người. vì
vậy, việc nghiên cứu tìm ra một quy trình công nghệ hợp lý, cũng như nghiên
cứu chế tạo dung dịch mạ mới có nhiều ưu điểm hơn vì mục tiêu môi trường
là việc làm hết sức cần thiết hiện nay.
Kết luận chương I:
- Công nghệ mạ xoa đã được các nước trên thế giới nghiên cứu, phát
triển từ rất lâu và ứng dụng vào trong rất nhiều các ngành công nghiệp
khác nhau.
- Thực tế ở nước ta hiện nay, công nghệ mạ xoa vẫn là công nghệ mới,
việc nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn sản xuất vẫn còn gặp rất
nhiều hạn chế. Vấn đề đặt ra hiện nay là cần sự quan tâm nhiều hơn để
có thể phát triển công nghệ này, áp dụng những ưu điểm của nó vào
trong sản xuất.
7
7
- Bên cạnh những ưu điểm của công nghệ này, đi song song với nó là tác
hại không tốt với môi trường, đây là một vấn đề cũng cần chúng ta
quan tâm nhiều hơn.
- Việc nghiên cứu và chế tao ra dung dịch mạ mới, dung dịch Cr3+, và
chế độ công nghệ thích hợp, từ đó ứng dụng vào mạ xoa trên nền thép
các bon để kiểm tra chất lượng dung dịch mạ và các thông số công
nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ.
8

8
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng, địa điểm và nội dung nghiên cứu của đề tài
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa. Cụ thể
dung dịch mạ Cr3+.
- ứng dụng mạ trên mẫu thép các bon.
2.1.2. Địa điểm nghiên cứu
- Tại phòng thí nghiệm trọng điểm cấp nhà nước công nghệ Hàn và Xử
lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí.
- Phòng thực tập Kim loại học và nhiệt luyện - Bộ môn Công nghệ Cơ
khí - Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
2.1.3. Nội dung nghiên cứu đề tài
Từ những cơ sở phân tích ở trên và tình hình điều kiện thực tế, ta có nội
dung nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu chế tạo dung dịch mạ xoa crôm, cụ thể: “ Nghiên cứu chế
tạo dung dịch mạ crôm dùng cho mạ xoa trên nền thép các bon“, dung
dịch mạ Cr3+.
- Từ kết quả nghiên cứu chế tạo được dung dịch mạ ở trên, ta tiến hành
mạ thử trên mẫu. Sau đó kiểm tra đánh giá chất lượng lớp mạ.
- Kết quả dự kiến đạt được: Dung dịch mạ crôm, các chế độ công nghệ
mạ.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm trong đó nghiên cứu thực nghiện là chủ yếu.
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu lý thuyết công nghệ mạ xoa, công nghệ mạ điện hoá, lịch
sử phát triển của ngành mạ, thông qua các tài liệu có liên quan, từ đó thấy
9
9

được vai trò của công nghệ này trong sản xuất. Đồng thời qua đó thấy được
sự giống và khác nhau giữa công nghệ mạ xoa và công nghệ mạ điện hoá.
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mạ vào trong thực tế sản
xuất ở các nước trên thế giới.
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này ở nước ta hiện nay.
Nghiên cứu đặc điểm của công nghệ mạ xoa, dung dịch dùng trong mạ
xoa, những ưu nhược điểm của từng loại dung dịch mạ, đặc biêt là sự tác
động của nó tới môi trường.
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu, tìm hiểu thiết bị công nghệ mạ xoa được đặt tại phòng thí
nghiệm trọng điểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt, viện nghiên cứu cơ khí,
Bộ công nghiệp.
Nghiên cứu và chế tạo dung dịch mạ, loại Cr3+, tiền hành làm thí
nghiệm trên mẫu.
Tiến hành đo, kiểm tra độ dính bám, độ bóng, chiều sâu lớp mạ trên
mẫu thí nghiêm.
sau đó ghi chép các kết quả thu được sau các lần thí nghiệm và chọn ra
một chế độ công nghệ tối ưu nhất.
2.3. Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm
Các số liệu thực nghiệm được ghi chép lại trong quá trình làm thí
nghiệm:
- Với dung dịch mạ, cách pha chế từng loại dung dịch, thành phần dung
dịch, tỉ lệ thành phần giữa các dung dịch được ghi chép lại cụ thể.
- Với chế độ công nghệ, các số liệu được ghi chép trên đồng hồ hiện số
chính xác, được lắp đồng bộ trên thiết bị mạ xoa như, đồng hồ đo dòng
điện, điện áp, ampe giờ, nhiệt độ dung dịch mạ
Một số số liệu được tính toán từ các công thức toán học như mật độ dòng
catot, mật độ dòng anot, tốc độ dịch chuyển tương đối giữa anot và catot
10
10

Các số liệu kiểm tra chất lượng lớp mạ như độ cứng, độ dày, độ xốp, độ
bóng, độ dính bám được kiểm tra theo những quy trình chung của nhà nước
và trên các thiết bị tại phòng đo lường cơ lý thuộc cục đo lường chất lượng
Việt Nam, và phòng kiểm nghiệm của viện cơ khí.
Các số liệu kiểm tra được đo tại ít nhất ba vị trí trên mẫu để đảm bảo
sác xuất tin cậy của dụng cụ. Nếu trong quá trình khảo nghiệm khi thấy các số
liệu có sai lệch bất thường, tiến hành đo lại để kiểm tra nhằm đảm bảo độ tin
cậy. trong quá trình tính toán, xử lý số liệu đo đạc được áp dụng quy tắc của
sác xuất thống kê.
Các giá trị đo được:
X
i
(i = 1 ÷ n)
Giá trị trung bình:
X
=
n
1
∑
=
n
i
Xi
1
Sai số:
σ
=
( )
1
1

2
−
−
∑
=
n
XX
n
i
i
Sai số trung bình:
tb
σ
=
n
σ
Giá trị tin cậy được tính theo chuẩn Student với mức ý nghĩa:
α = 0,05 bậc tự do f = α – 1
→ Độ tin cậy
X
± t
α
.
tb
σ
Với các số liệu nghi ngờ kiểm tra bằng quy luật phân bố chuẩn
X > 3
σ
thì loại bỏ.
11

11
2.4. Phương pháp kiểm tra
- Kiểm tra bề mặt ngoài của lớp mạ: là phương pháp thường dùng để
kiểm tra chất lượng lớp mạ, dùng mắt để kiểm tra có thể phân làm ba loại:
loại đạt chất lượng, loại phải làm lại và loại phế phẩm.
- Kiểm tra độ bám chắc: độ bám chắc của lớp mạ không tốt, nguyên
nhân chủ yếu do khâu chuẩn bị bề mặt trước khi mạ không tốt. Ngoài ra độ
bám chắc còn chịu ảnh hưởng của thành phần dung dịch, chế độ làm việc, hệ
số nở nhiệt giữa kim loại nền và lớp mạ. Có nhiều phương pháp kiểm tra,
nhưng ta có thể dùng phương pháp đơn giản sau: sau khi chuẩn bị mẫu xong,
trước khi mạ ta dùng băng dính, dính lên bề mặt của mẫu và tiến hành mạ, sau
khi mạ xong bóc lớp băng dính ra và đánh giá được độ bám chắc của lớp mạ.
- Độ dày lớp mạ đo trên máy MINITEST 4000 bằng phương pháp đo
không phá huỷ.
- Độ xốp được kiểm tra bằng phương pháp kim tương trên kính hiển vi
kim tương OLYMPUS – TOKYO.
Ngoài ra mẫu mạ còn có thể được kiểm tra ở một số yếu tố sau:
- Độ cứng đo trên máy đo độ cứng HPO – 250 của Đức, theo phương
pháp đo độ cứng tế vi (HV).
- Độ mài mòn đo trên máy của Đức APGI. Phương pháp thử nghiệm
theo DIN 53516 ( Cho mài mòn trên mẫu sau mỗi chu kỳ dừng máy cân
mẫu và tính được lượng mài mòn của mẫu).
- Độ nhám bề mặt kiểm tra bằng máy Mitutoyo SJ – 400 (Nhật Bản).
Máy đo độ nhám SJ – 400 được hoạt động dựa trên nguyên lý cơ học,
trong đó đầu dò (dạng kim) tiếp xúc và di chuyển trên bề mặt vật cần đo, độ
nhám bề mặt sẽ được xác định dựa vào những biến đổi về vị trí của đầu dò
trong quá trình dịch chuyển. Kết quả đo được hiển thị trên màn hình hoặc có
thể in kết quả đo ra giấy nhiệt.
12
12

Kết luận chương II:
- Xác định đối tượng và nội dung nghiên cứu đề tài.
- Phương pháp nghiên cứu đề tài, kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và
thực nghiệm.
- Giới thiệu một số phương pháp kiểm tra và đánh giá mẫu thí nghiệm.
13
13
CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ MẠ XOA
3.1. Cơ sở lý thuyết mạ điện hoá
3.1.1. Bản chất của công nghệ mạ điện
Mạ điện là dùng phương pháp điện phân để kết tủa trên lớp kim loại
nền một lớp kim loại hoặc hợp kim mỏng, để chống sự ăn mòn, trang sức bề
mặt, tăng tính dẫn điện, tăng kích thước, tăng độ cứng bề mặt. Trong mạ điện,
yếu tố quan trọng nhất không phải là tiết kiệm năng lượng, tăng hiệu suất, mà
là vấn đề chất lượng lớp mạ. Vì vậy phải tìm thành phần dung dịch, điều kiện
điện phân, để đảm bảo lớp mạ có những tính chất sau:
- Bám chắc vào kim loại nền, không bong.
- Lớp mạ có kết tủa nhỏ mịn, độ xốp nhỏ.
- Lớp mạ bóng, dẻo, độ cứng cao.
- Lớp mạ có đủ độ dày nhất định.
Cấu tạo tinh thể giữ vai trò quyết định đến chất lượng lớp mạ. Tinh thể
càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt.
3.1.2. Nguồn điện dùng trong công nghệ mạ điện hoá
Trong công nghệ mạ điện hoá, nguồn điện một chiều là yếu tố quan
trọng ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của lớp mạ.


Hình 3.1. Sơ đồ mô tả quá trình mạ điện
14
14

Nguồn điện một chiều dùng trong mạ điện như: Pin, ắc qui, máy phát
điện một chiều, bộ biến đổi. Ngày nay được dùng phổ biến nhất là bộ biến
đổi. Bộ biến đổi dùng cho quá trình điện phân có điện áp ra thấp: 3V, 6V,
12V, 24V Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra cho phù hợp. Một
bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cần thiết cho một số qui trình. Ngoài
ra do nguồn điện một chiều được lấy từ Pin, Ắc Qui chỉ dùng trong phòng thí
nghiệm, không ứng dụng được nhiều trong sản xuất lớn.
Đối với máy phát điện một chiều, khắc phục được các nhược điểm của
ắc quy. Nhưng giá thành đầu tư cho máy phát điện lớn, cơ cấu điều khiển hoạt
động khá phức tạp, cồng kềnh, làm việc gây tiếng ồn lớn Chính vì vậy, bộ
biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều được sử dụng nhiều hơn
trong công nghệ mạ điện.
3.1.3. Các điện cực
- Anốt: là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều. Trước
khi điện phân anốt cần phải đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ
Anốt dùng trong mạ điện có hai loại: anốt hoà tan và anốt không hoà
tan. Anốt hoà tan được dùng trong các trường hợp mạ niken, mạ đồng, mạ
kẽm, mạ thiếc Trong quá trình điện phân anốt tan vào trong dung dịch mạ
theo phản ứng ở điện cực:
M – ne → M
n+
Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đi đến catốt. Phản
ứng điện hoá ở anốt là phản ứng oxi hoá.
- Catốt: là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trong mạ
điện catốt là vật mạ. Trên bề mặt vật mạ luôn diễn ra phản ứng khử các
ion kim loại mạ:
M
n+
+ ne → M
15

15
Catốt (vật mạ) cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập dưới
nước 8 – 15cm và cách đáy bể khoảng 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo chỗ
tiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiện tượng phóng điện trong chất điện phân.
Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đã nối mạch điện.
3.1.4. Dung dịch chất điện phân
Dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường có hai phần:
- Thành phần cơ bản: gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại và
một số hoá chất thiết yếu khác, nếu thiếu hoá chất này thì dung dịch
không thể dùng để mạ được.
- Thành phần thứ hai: bao gồm các hợp chất phụ gia.
+ Chất làm bóng lớp mạ
+ Chất đệm giữ cho pH dung dịch ổn định
+ Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo cho lớp mạ không bong nứt
+ Chất san bằng đảm bảo cho lớp mạ đồng đều hơn
+ Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng đều hơn
+ Chất chống thụ động hoá anốt nhằm ổn định mạ
Một số đặc điểm của dung dịch mạ:
- Dung dịch mạ cần phải có độ dẫn điện cao. Độ dẫn điện của dung dịch
không những chỉ giảm được tổn thất điện trong quá trình mạ mà còn
làm cho lớp mạ đồng đều hơn.
- Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng trong một khoảng nhiệt độ nhất
định. Ví dụ mạ niken pH=4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch amôniclorua
pH=4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch axít pH=3,5 đến 4
- Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng cao trong một khoảng nhiệt
độ nhất định. Ví dụ mạ niken khoảng nhiệt độ là 55 đến 70
0
c, mạ vàng
60 đến 70
0

c. Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt
qua nhiệt độ sôi của dung dịch.
- Mỗi dung dịch có một khoảng mật độ dòng catốt thích hợp.
16
16
- Dung dịch chứa muối phức của kim loại thường cho lớp mạ có chất
lượng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu được từ muối đơn. Ví dụ
lớp mạ thu được từ dung dịch Zn(CN)42- hoặc Zn(CN)2-3 tốt hơn lớp mạ
thu được từ dung dịch muối CuSO4. Trong dung dịch muối phức thì phân li
thành hai bước. Bước thứ nhất phân li thành ion kim loại và ion muối phức.
Bước thứ hai ion muối phức phân li thành ion kim loại và ion gốc axít.
3.1.5. Sự hình thành lớp mạ
Nhúng hai tấm kim loại (gọi là điện cực) vào dung dịch điện li và nối
với nguồn điện một chiều. Cực nối với cực dương của nguồn điện gọi là anốt
(cực dương), cực nối với cực âm của nguồn điện gọi là catốt hay chi tiết cần
mạ (cực âm).
Khi có dòng điện chạy qua thì các ion dương (cation) sẽ theo chiều
dòng điện chạy về catốt, nhận điện tử - bị khử. Ion âm (anion) sẽ chạy về anốt
và mất điện tử - bị oxi hoá.
Ví dụ khi nhúng hai cực vào dung dịch sắt sunphát và nối với nguồn
điện một chiều (hình 3.2) lúc này ta thấy trên catốt có sắt và khí hiđrô thoát
ra. Trên anốt, nếu anốt không hoà tan thì oxi thoát ra, nếu anốt là sắt (hoà tan)
thì sắt bị hoà tan và oxi thoát ra. Phản ứng của chúng như sau:
Trên catốt: Fe
2+
+ 2e → Fe
2H
+
+ 2e → H
2

↑
Trên anốt: Fe - 2e → Fe
2+
4OH
−
- 2e → 2H
2
O + O
2
↑
2SO
4
─
+ 2H
2
O → 2H
2
SO
4
+ O
2
↑
17
17

Hình 3.2. Sơ đồ điện phân trong dung dịch sắt sunfat
1- Bể điện phân, 2 – Dung dịch điện phân, 3 - Cực âm (catốt, chi tiết mạ),
4 - Cực dương (anốt), 5 - Nguồn điện
Trên anốt, sắt bị hoà tan, bổ xung ion sắt bị tiêu hao trong dung dịch.
Nếu như catốt là chi tiết đã được làm sạch, thì sẽ tạo thành lớp mạ sắt trên bề

mặt chi tiết.
Ở catốt ion kim loại thành nguyên tử kim loại, ở anốt nguyên tử kim
loại thành ion kim loại. Đó là anốt hoà tan, ở anốt không hoà tan xảy ra những
phản ứng phức tạp.
3.1.6. Xác định thời gian mạ
a, Định luật pharađây
Định luật pharađây phát biểu như sau: “ Lượng chất thoát ra ở điện cực tỷ
lệ thuận với khối lượng mol nguyên tử hoặc khối lượng mol phân tử của chất
thoát ra ở điện cực, với lượng điện đi qua dung dịch (tức cường độ và thời gian
điện phân) và tỷ lệ nghịch với số electron tham gia phản ứng điện cực”.
18
18
Định luật pharađây được viết dưới dạng công thức:
n
mol
=
M
m
=
Fn
It
0
=
Fn
Q
0
Hoặc: m = E.I.t
Trong đó: m - Khối lượng chất thoát ra ở điện cực, g; M - khối lượng
mol nguyên tử hoặc phân tử của chất thoát ra ở điện cực, g.mol
-1

; I - cường độ
dòng điện, A; t - thời gian, giờ; F - hằng số pharađây (F=96500C.mol
-1
=
96500A.s.mol
-1
= 26,8A.giờ.mol
-1
); n
0
- Số electron tham gia phản ứng điện
cực (Trong trường hợp ion kim loại M
n+
bị khử thành kim loại M thì số n
0
bằng hoá trị kim loại M
n+
+ n
0
e → M); Q = It là điện lượng, C; n
0
- số mol hoá
chất thoát ra ở điện cực; E =
Fn
M
.
0
- đương lượng hoá chất thoát ra ở điện cực,
g/A.h.
b, Xác định khối lượng lớp mạ

m
tt
= m
lt
.
η
= m
η
= EIt.
η
Trong đó:
100.
lt
tt
m
m
=
η
% =
100.
EIt
m
tt
% Được gọi là hiệu suất dòng
điện(%).
Hiệu suất dòng điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có mật độ
dòng điện.
c, Xác định thời gian mạ
Trên thực tế, công thức xác định khối lượng lớp mạ được sử dụng để
xác định chiều dày lớp mạ đạt được khi thời gian mạ cho trước là t, hay ngược

lại xác định thời gian mạ t để đạt được lớp mạ có chiều dày yêu cầu là h.
Với mục đích trên khối lượng lớp mạ được xác định bằng tích của thể
tích lớp mạ V(cm
3
), trọng lượng riêng của lớp mạ d (g/cm
3
) và từ công thức
xác định khối lượng lớp mạ có (với điều kiện lớp mạ đều):
19
19
η
η
k
ktt
ED
hd
t
d
tED
dS
m
h
.10
.10
.
.10
=⇒==
Trong đó: t - thời gian mạ để đạt được lớp mạ có chiều dày là h; h -
chiều dày lớp mạ, mm; S - diện tích cần mạ, dm
2

; D
k
= I/S mật độ dòng điện
catốt, A/dm
2
(ngoài ra còn có D
a
- mật độ dòng điện anốt).
3.2. Đặc điểm công nghệ mạ xoa
Kỹ thuật mạ xoa là sự phát triển mới của kỹ thuật mạ điện. Công nghệ
mạ dạng này là công nghệ đặc biệt, không những tăng năng suất của quá trình
mà còn nâng cao được chất lượng lớp mạ, mạ xoa cũng giống như các
phương pháp mạ điện khác. Mạ xoa là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt
nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được các yêu cầu
mong muốn. Sự hình thành lớp mạ là quá trình kết tinh gián đoạn ion kim loại
trong dung dịch mạ, chỉ phóng điện hoàn nguyên kết tinh tại nơi tiếp xúc giữa
bút mạ xoa và chi tiết. Sự dịch chuyển của bút mạ hạn chế sự lớn lên và xát
nhập của các hạt tinh thể, do đó trong lớp mạ tồn tại rất nhiều hạt tinh thể siêu
mịn và lệch vị, dẫn tới nâng cao, củng cố độ cứng lớp mạ.
Hình 3.3. Hình ảnh mô tả công nghệ mạ xoa
20
20
Chi tiết
mạ
Nguồn điện Bút xoa
Lớp bọcanốt
Bơm dung dịch

3.2.1. Thiết bị dùng trong mạ xoa
So với phương pháp mạ điện hoá, thiết bị dùng trong mạ xoa đều sử

dụng một hệ thống các thiết bị dựa trên nguyên lý mạ như trong phương pháp
mạ điện hoá, gồm: nguồn điện một chiều, bơm dung dịch, các điện cực, cực
dương (anốt), cực âm (catốt hay chi tiết cần mạ). Ngoài ra cả hai phương pháp
mạ đều sử dụng các thiết bị đo đạc, kiểm tra giống nhau. Điểm khác biệt về
mặt thiết bị ở hai phương pháp mạ này là thiết bị dùng trong mạ xoa có kết
cấu đơn giản, gọn nhẹ hơn, dễ dàng vận chuyển tới cơ sở sản xuất, nơi có máy
móc cũ cần được phục hồi, trong khi đó thiết bị dùng trong mạ điện có kết cấu
phức tạp, khó vận chuyển di dời.

Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị mạ xoa
21
21
3.2.2. Vật liệu dùng trong mạ xoa
Từ hàng trục năm nay, quy trình mạ crôm được thực hiện trên nền dung
dịch cơ bản của axít cromíc CrO
3
, H
2
SO
4
và một số phụ gia. Dung dịch này có
một số ưu điểm là khả năng vận hành ổn định, kinh tế, khả năng chịu tạp chất
cao. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là sử dụng dung dịch CrO
3
có chứa gốc
Cr6+, đây là tác nhân oxi hoá mạnh ngoài môi trường tự nhiên, gây ảnh
hưởng đến sức khoẻ người lao động, gây ăn mòn thiết bị và đặc biệt gây nguy
hiểm cho môi trường nếu như nước thải không được sử lý triệt để. vì vậy, xu
hướng phát triển mới hiện nay trên thế giới chủ yếu sử dụng công nghệ mạ
Crom trên nền dung dịch Cr3+.

Dung dịch dùng cho mạ crôm tốt nhất là dùng nước cất. Khi sử dụng
nước sinh hoạt thông thường thì cần được loại bỏ tạp chất cơ học lẫn trong đó,
các tạp chất hữu cơ, cũng như các ion clo và axit nitric.
Do nồng độ của crôm oxít khác nhau mà phân ra ba loại: dung dịch
nồng độ cao, dung dịch nồng độ trung bình, dung dịch nồng độ thấp. Dung
dịch nồng độ trung bình thường gọi là dung dịch nồng độ tiêu chuẩn.
3.2.3. Công nghệ mạ xoa
Mạ xoa là phương pháp mạ điện khi sử dụng bút xoa. Cơ cấu của thiết
bị bao gồm: Một bộ nguồn có điều khiển vô cấp, cấp điện áp âm (-) cho chi
tiết mạ và điện áp dương (+) cho bút xoa. Khi thực hiện quá trình mạ xoa,
phải có sự chuyển động tương đối giữa bút xoa và chi tiết mạ trong khi dung
dịch mạ được cấp liên tục bằng máy bơm dung dịch. Quá trình mạ diễn ra liên
tục ở nơi bút xoa tiếp xúc với chi tiết gia công.
Sự hình thành lớp mạ là quá trình kết tinh gián đoạn ion kim loại trong
dung dịch mạ, chỉ phóng điện hoàn nguyên kết tinh tại nơi tiếp xúc giữa bút
mạ xoa và chi tiết. Sự dịch chuyển của bút mạ hạn chế sự lớn lên và xát nhập
của các hạt tinh thể, do đó trong lớp mạ tồn tại rất nhiều hạt tinh thể siêu mịn
và lệch vị, dẫn tới nâng cao củng cố độ cứng của lớp mạ.
22
22
Dung dịch mạ xoa thông qua bút xoa được cung cấp kịp thời lên bề mặt
làm việc, rút ngắn quá trình khuyếch tán ion kim loại, khiến cho không nảy
sinh hiện tượng thiếu ion. Do hàm lượng ion kim loại trong dung dịch mạ rất
cao cho phép sử dụng dòng điện cao hơn mạ bể rất nhiều, do đó tốc độ hình
thành lớp mạ rất cao.
Nguyên lý của kỹ thuật mạ xoa:
M
+n
+ ne
⇒

M
Trong đó: M
n+
: Ion kim loại M
n : Hoá trị của kim loại
e : Điện tử
M : Nguyên tử kim loại
Công nghệ mạ này là công nghệ đặc biệt, không những tăng năng suất
của quá trình mà còn nâng cao được chất lượng lớp mạ.
Khi mạ xoa khuyến cáo nên dùng dung dịch mạ với nồng độ cao của axít
sunphuric:
- anhiđrít crom: 200 – 300 g/l
- axít sunphuric: 3,5 – 7 g/l
Quá trình công nghệ được sử dụng để tạo lớp mạ cả cho mặt trong lẫn
mặt ngoài của các chi tiết như: xilanh, trục, nắp đậy động cơ, ống dẫn
3.2.4. Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ
Dung dịch mạ xoa và các thông số công nghệ như: mật độ dòng điện,
điện áp mạ, nhiệt độ, tốc độ dịch chuyển của bút xoa khi mạ xoa có ảnh
hưởng rất lớn đến chất lượng lớp mạ.
Trong công nghệ mạ xoa hiện đại, để tăng cường quá trình mạ thường
dùng dung dịch có nồng độ cao, đồng thời tiến hành ở mật độ có dòng điện
lớn, nhiệt độ cao và tốc độ nhanh. Mỗi dung dịch mạ đòi hỏi một chế độ công
nghệ thích hợp riêng để thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn.
23
23
3.2.4.1. Ảnh hưởng của điện áp mạ xoa
Điện áp mạ xoa ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp mạ, nó là một
trong những yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất đến chất lượng lớp mạ.
Nếu điện thế cao, dòng điện mạ xoa sẽ lớn, tốc độ mạ xoa tăng nhanh,
dễ hình thành tổ chức lớp mạ thô, xốp. Dòng điện lớn làm phát nhiệt nhiều, tăng

nhiệt độ dung dịch mạ xoa, tốc độ hình thành lớp mạ xoa càng nhanh, bề mặt lớp
mạ càng khô nhanh, làm tốn nhiều dung dịch mạ, dương cực dễ bị cháy khiến
cho lớp mạ bị đen và thô nhám, thậm chí bong ra do quá nhiệt. Nếu điện thế thấp
hơn yêu cầu, tốc độ hình thành lớp mạ quá chậm, đồng thời chất lượng lớp mạ
cũng thấp. Muốn chất lượng lớp mạ đảm bảo, tăng hiệu suất sản xuất, cần xác
định phạm vi sử dụng của điện thế tuỳ theo dung dịch mạ.
3.2.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và mật độ dòng điện
Trong quá trình mạ, mật độ dòng điện giữ vai trò rất quan trọng, nó ảnh
hưởng nhiều đến tính chất lớp mạ. Nếu mật độ dòng điện thấp, tốc độ chuyển
động 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 vậy, mạng lưới
và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi, quan sát bằng kính hiển vi
điện tử và nhiễu xạ điện tử cho thấy rõ điều đó. Tiến hành mạ ở mật độ dòng
điện thấp cho lớp mạ mịn, ít gai, nhưng độ cứng lớp mạ thu được không cao,
tốc độ tăng chiều dày lớp mạ thấp. Nếu mạ ở mật độ dòng quá thấp lớp mạ sẽ
không được hình thành hoặc khả năng bám dính của lớp mạ kém.
Khi tăng mật độ dòng điện lên, tốc độ phóng điện tăng nhanh, số lượng
nguyên tử kết tủa lên đơn vị diện tích và trong đơn vị thời gian càng nhiều,
chúng sẽ sắp xếp sít hơn. Do vậy, kết cấu bề mặt trở nên rắn chắc và độ cứng
lớp mạ tăng. Mặt khác các nguyên tử kim loại sinh ra ồ ạt, không kịp gia nhập
vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể do quá thế lúc đó lớn, nên nhiều mầm
tinh thể mới tiếp tục 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
do đó bề mặt lớp mạ trở nên không đồng nhất.
24
24
Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên cao hơn nữa, tốc độ phóng điện quá
nhanh, làm cho ion kim loại gần catot 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 trên các điểm này đến anot sẽ bé

lại, nên tại đó sẽ được ưu tiên phóng điện, kết quả là kết tủa sẽ sần sùi hoặc có
dạng hình nhánh cây. Nếu tiếp tục tăng 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 lớp mạ đạt yêu cầu nên
dùng dải dòng điện mật độ thấp. Hơn nữa
Nhiệt độ và mật độ dòng điện có quan hệ mật thiết với nhau, giữ vai trò
quan trọng trong quá trình mạ crôm, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất, độ bóng, độ
cứng, vết nứt, cấu tạo tinh thể, độ bám chắc kết tủa v.v khi một yếu tố thay đổi
thì yếu tố kia phải thay đổi theo. Vì vậy, ngoài thành phần dung dịch, khống chế
chính xác nhiệt độ và mật độ dòng điện có ý nghĩa quan trọng.
Mật độ dòng điện và nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất dòng điện (hình
3.5). Từ hình vẽ ta thấy, tăng nhiệt độ, hiệu suất dòng điện giảm. khi nhiệt độ
không đổi, mật độ dòng điện càng cao thì hiệu suất dòng điện tăng nhưng không
phải thế mà sử dụng mật độ dòng điện cao và nhiệt độ thấp.

Hình 3.5. Quan hệ giữa mật độ và nhiệt độ dung dịch
25
25