NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của một số THÔNG số CÔNG NGHỆ tới CHẤT LƯỢNG lớp mạ KHI CHẾ tạo đá mài KIM CƯƠNG và CBN BẰNG PHƯƠNG PHÁP mạ điện

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỚI
CHẤT LƯỢNG LỚP MẠ KHI CHẾ TẠO ĐÁ MÀI KIM CƯƠNG VÀ CBN
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN
STUDY ON INFLUENCE OF SOME TECHNOLOGICAL PARAMETERS TO THE
QUALITY OF PLATING LAYER IN MANUFACTURING DIAMOND AND CBN
GRINDING WHEEL WITH ELECTROPLATING METHOD
Bùi Thế Hùng (1a), Trần Thị Vân Nga (2b), Trương Hoành Sơn (3c)
1
Trường Đại học Sao Đỏ, Hải Dương
2
Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội
3
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
b
a ; ; c
TÓM TẮT
Đá mài CBN và đá mài kim cương với những đặc tính mài nổi bật của nó như có khả
năng mài vật liệu có độ cứng cao, hệ số mài lớn, khả năng chịu nhiệt cao đang được sử dụng
rất phổ biến trong các nguyên công mài, đặc biệt là mài định hình. Trong đó, đá mài CBN liên
kết kim loại bằng phương pháp mạ điện có thể chế tạo ra được các loại đá mài đặc biệt như đá
mài định hình, đá mài có chiều dày mỏng dưới 1mm. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo đá mài
liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện đang là một trong những vấn đề đang được quan
tâm nghiên cứu trong công nghiệp chế tạo đá mài. Bài báo này trình bày một số kết quả
nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình mạ điện đến chất lượng lớp mạ cũng như
khả năng bám dính của hạt mài khi tạo cầu liên kết bằng phương pháp mạ điện. Kết quả thí
nghiệm chỉ ra rằng chất lượng lớp mạ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ mạ, mật độ dòng điện, độ
pH của dung dịch và thời gian mạ. Các kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra rằng chất lượng lớp mạ
tốt được tạo ra khi nhiệt độ mạ từ 50-60C, điện áp dòng điện mạ 12V, cường độ dòng điện
mà 79 A/dm2, độ pH dung dịch mạ 4.

Từ khóa: đá mài CBN, cầu liên kết, mạ điện, mật độ dòng điện mạ, chiều dày lớp mạ,
điện áp mạ.
ABSTRACT
CBN and diamond grinding wheel with prominent grinding characteristics as capable of
high-strength materials, large grinding ratio, high-heat resistance are used very commonly in
the grinding proces especially in shaped grinding. In CBN grinding wheel with metal bonded
by electroplating method can be manufacture special grinding wheels as shaped grinding
wheel, thin grinding wheel which has a thickness smaller than 1mm. Therefore, the studing
and manufacturing of grinding wheel with metal bonded by electroplating method is one of
the problem which is caring in grinding wheel manufacturing. This paper presents some
results of studing on the influence of the plating parameters to the quality of electroplated
plating layer as well as the adhesion ability of abrasive grain with metal bonded bridge by
electroplating. Experimental results show that the plating quality depends heavily on
temperature plating, electric current density, pH and duration of plating solution. The
experimental results also show that good plating layer is created at heat of solution from 5060C, plateing voltage 12V, plating current density of 79 A / DM2, solution pH plating 4.
Keywords: CBN Grinding wheel, Bond bridge, Electroplating, Plating current density,
Plating thickness, Plating voltage.

260


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
1. GIỚI THIỆU VỀ ĐÁ MÀI LIÊN KẾT KIM LOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN

Hình 1. Đá mài liên kết kim
loại bằng mạ điện
Đá mài kim cương và đá mài CBN là những đá mài sử dụng vật liệu hạt mài siêu cứng.
Do các hạt mài có độ cứng cao nên các loại đá này được sử dụng rất rộng rãi trong sản xuất
nói chung và trong gia công cơ khí nói riêng. Đá mài kim cương và đá mài CBN có thể được
chế tạo bằng phương pháp thiêu kết với chất dính kết là kim loại và chất thủy tinh hóa, bằng

phương pháp lưu hóa với chất liên kết nhựa hoặc bằng phương pháp mạ điện với chất liên kết
là kim loại. Trong đó, đá mài chế tạo theo phương pháp mạ điện có các ưu điểm như: thời
gian chế tạo nhanh, không mất thời gian sửa đá, có thể chế tạo được các đá mài có hình dáng
phức tạp, đá mài có chiều dày mỏng và giá thành chế tạo rẻ hơn các phương pháp khác. Đá
mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện đã được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng
rộng rãi ở các nước có nền chế tạo cơ khí phát triển [1], [2], còn ở nước ta vẫn còn hạn chế.
Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số của quá trình mạ
đến sự hình thành cầu liên kết trong đá mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện trên
phương diện sự hình thành cầu liên kết giữa các hạt mài.
2. SỰ HÌNH THÀNH CẦU LIÊN KẾT TRONG ĐÁ MÀI LIÊN KẾT KIM LOẠI
BẰNG MẠ ĐIỆN
2.1. Cầu liên kết trong đá mài
Hạt mài

Hạt mài

Cầu liên kết

Cầu liên kết

a) Đá mài mạ điện

b) Đá mài thiêu kết

Hình 3. Kết quả chụp
SEM của mặt điện [3]

Hình 2. Cầu liên kết trong đá mài
Trong các đá mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện, thường chỉ một hoặc vài
lớp hạt mài được dính kết trên bề mặt lõi đá mài. Khác với cầu liên kết trong các đá mài được

chế tạo bằng phương pháp thiêu kết, cầu được hình thành bằng sự nóng chảy khi thiêu kết làm
cho các hạt mài liên kết với nhau thành một khối như Hình 2.b thì cầu liên kết kim loại giữa
261


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
các hạt mài được hình thành bằng phương pháp mạ điện như được chỉ ra trên Hình 2.a. Theo
phương pháp này, để nâng cao khả năng liên kết của hạt mài với lõi kim loại, một lớp kim loại
sẽ được mạ lót trước gắn hạt mài lên bề mặt lõi kim loại như Hình 3 [3]. Các hạt mài sau đó
được “gắn” sơ bộ lên bề mặt lõi kim loại bằng phương pháp mạ điện, sau đó chúng sẽ được
gắn chặt với lõi kim loại và liên kết với nhau bằng các cầu liên kết kim loại cũng được tạo ra
bằng phương pháp mạ điện. Mức độ liên kết bền vững của hạt mài trên bề mặt đá sẽ phụ
thuộc vào: mức độ bám dính của kim loại mạ với bề mặt lõi đá mài; sự bám dính giữa cầu liên
kết kim loại với lõi và khả năng neo giữ các hạt mài của cầu liên kim loại được tạo ra. Kim
loại tạo cầu liên kết được sử dụng là các kim loại đáp ứng được hai yêu cầu: có khả năng dính
kết cao với kim loại lõi và với hạt mài. Niken là kim loại đáp ứng được hai yêu cầu này và
đang được sử dụng rộng rãi. Niken có độ bám dính tốt với kim cương và CBN tuy nhiên với
lõi đá mài thì còn phụ thuộc vào kim loại được sử dụng và chất lượng bề mặt được xử lý trước
khi mạ. [4].
2.2. Chiều dày lớp kim loại mạ
Chiều dày lớp kim loại hình thành bằng phương
pháp mạ điện phân được xác định dựa theo công thức [4]:
m=K.I..t
Trong đó:
m: khối lượng chất thoát ra sau t giờ, biểu thị ra gam
t: thời gian mạ tính theo giờ (h)
K: đương lượng điện hóa tính theo g/A.h
I: cường độ dòng điện mạ tính theo ampe (A)
: hiệu suất dòng điện mạ
Như vậy, bằng phương pháp mạ điện, chiều dày lớp

mạ (hay còn gọi là kích thước cầu liên kết) sẽ được điều
chỉnh bằng cách thay đổi các thông số công nghệ của quá
trình mạ điện.

Hình 4. Thiết bị mạ

3. THÍ NGHIỆM CHẾ TẠO CẦU LIÊN KẾT BẰNG
PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN
3.1. Thiết bị thí nghiệm
Để tạo ra được lớp mạ theo ý muốn, thiết bị thí nghiệm phải được thiết kế phải đảm bảo
có thể điều chỉnh được các thông số công nghệ của quá trình mạ như cường độ dòng điện I,
nhiệt độ dung dịch mạ T, vận tốc khuấy dung dịch mạ nkh và tốc độ quay của chi tiết mạ nct.
Thiết bị thí nghiệm được thể hiện trên Hình 4.
3.2. Xác định thông số thí nghiệm
Chi tiết mạ (lõi): Chi tiết mạ được chọn là hình trụ kích thước 10, được làm từ thép
C45. Bề mặt chi tiết mạ được gia công đạt độ nhẵn bóng cấp 7.
Vật liệu hạt mài: Hạt mài dược chọn làm thí nghiệm là hạt mài SiC có độ hat #120
(đường kính khoảng 100µm). Hạt mài được để tự do trong bề mạ và được khuấy cùng với
dung dịch mạ trong quá trình mạ.
Các thông số quá trình mạ: Các thông số của quá trình mạ được thể hiện ở Bảng 1 và 2.
Quá trình mạ: Được thực hiện theo quy trình được chỉ ra trên Hình 5.

262


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 1. Thành phần dung dịch mạ composite Ni-SiC
Tên các chất

Thành phần, g/l

Niken Sunfat (NiSO4.6H2O)
Niken Clorua (NiCl2. 6H2O)
Axít boric (H3BO3)
Sáckarin
Butandiol-1,4
Hạt SiC (cỡ 100 ÷ 120 µm)

250
60
40
3
0.5
100

Bảng 2. Các mức thay đổi của các thông số thí nghiệm
Mức (thứ tự)

Dc (A/dm2)

T (0C)

pH

1

2

Nhiệt độ phòng

3

2

3

40

4

3

5

50

5

4

7

60

4

5

9

60

5

Xử lý sơ bộ

Kiềm

Rửa

Nước nóng

Làm sạch bằng axit

Axit sulfuric

Cố định hạt mài

Mạ lần thứ 1

Lấp hạt mài

Mạ lần thứ 2

Hình 5. Sơ đồ mạ điện
3.3. Tiến hành thí nghiệm và thu thập kết quả
Quá trình mạ hạt được tiến hành qua hai giai đoạn. Đầu tiên là mạ lớp thứ nhất với mục
đích tạo sự bám dính giữa hạt mài với lõi, sau đó tiến hành quá trình mạ lần thứ 2 để đạt được
lớp mạ cần thiết. Quá trình mạ được thực hiện với các thông số công nghệ khác nhau để có
thể có được kết quả đánh giá chất lượng lớp kim loại mạ cũng như khả năng tạo cầu liên kết

theo phương pháp mạ điện. Sau khi mạ, vật mạ được làm sạch. Chất lượng lớp mạ được đánh
giá dựa trên việc quan sát bề mặt đá được mạ và chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
263


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
4.1. Khả năng hình thành cầu liên kết giữa các hạt mài cũng như với lõi kim loại

a)

b)

Hình 6. Ảnh SEM của bề mặt đá mài liên kết kim loại bằng phương pháp mạ điện
Kết quả của quá trình mạ điện để tạo cầu liên kết được chỉ ra trên Hình 6. Có thể thấy
rằng các hạt mài đã được liên kết với nhau và liên kết với lõi để tạo thành một lớp đá mài trên
bề mặt lõi kim loại, như được chỉ ra trong Hình 6.a. Hình 6.b cho thấy hạt mài đã được phủ
một lớp kim loại có chiều dày khoảng từ 30-50 µm và có thể quan sát chứng tỏ hạt mài bám
dính tốt với chất dính kết kim loại.
4.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ mạ đến chất lượng lớp mạ
4.2.1. Ảnh hưởng của dòng điện
Dòng điện mạ ảnh hưởng nhiều đến chất lượng lớp mạ vì nó quyết định đến lượng
Niken được kết tủa trên bề mặt chi tiết mạ. Khi mật độ dòng điện thấp, tốc độ phản ứng điện
hóa chậm dẫn tới tốc độ mạ chậm, khả năng phân bố của lớp mạ kém, nếu quá thấp có thể
không có lớp mạ. Tăng mật độ dòng điện hợp lý làm cho tốc độ chuyển đổi điện tử trong các
phản ứng điện cực tạo cơ hội cho các nguyên tử mới hình thành, có đủ thời gian nhập vào
mạng lưới tinh thể với một cấu trúc duy trì đều đặn được lớp mạ có chất lượng tốt.

Dc = 2 A/dm2

Dc = 5 A/dm2

Dc = 7 A/dm2

Dc = 9A/dm2

Hình 7. Bề mặt đá mài khi mạ với mật độ dòng điện và pH=4, T=500C,
thời gian mạ t= 30 phút
Chất lượng lớp mạ khi mạ ở điều kiện độ pH=4, nhiệt độ mạ T=500C với các cường độ
dòng điện khác nhau được chỉ ra trên Hình 7. Có thể thấy khi mật độ dòng điện nhỏ Dc =
2A/dm2 và Dc = 5 A/dm2 cho lớp mạ kém hơn (nền màu tối hơn), tốc độ bắt hạt chậm hơn.
264


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong khi đó, độ dày lớp mạ tăng lên theo cường độ dòng điện và bề mặt mạ sáng bóng khi
Dc = 7 A/dm2 và đây cũng là bề mặt nhận được tốt nhất. Khi tăng dòng điện mạ lên 9 A/dm2
thì chất lượng bề mặt mạ vẫn đẹp, sáng nhưng chiều dày lớp mạ lớn và gần như “chôn lấp”
hết các hạt mài bám trên bề mặt đá do lượng Niken được giải phóng ra tăng lên nhiều so với
khi mạ dòng nhỏ hơn.
4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ mạ ảnh hưởng lớn đến sự hình thành lớp mạ. Khi tăng nhiệt độ làm tăng hiệu
suất dòng điện, có thể nâng cao được mật độ dòng điện do đó làm tăng tốc độ mạ, vẫn đảm
bảo được lớp mạ kết tinh nhỏ mịn. Nhiệt độ tăng làm tăng hoạt động của các phần tử trong
dung dịch mạ như: làm tăng sự di chuyển của các phần tử, bổ sung nhanh số ion ở sát lớp
catot và khuếch tán mạnh số ion của anot hòa tan. Nhưng nếu nhiệt độ quá cao gây nhiều tác
hại như: độ nhớt của dung dịch chất điện phân giảm, nồng độ các phần tử trong lớp sát catot
giảm do sự lắng nhanh của các hạt (khi khuấy trộn yếu). Dung dịch bị phân hủy và hao hụt
nhiều do bay hơi, đồng thời tốn nhiều điện năng và thời gian để đun nóng dung dịch. Ở điều
kiện thí nghiệm dưới 40OC, lớp mạ Niken thu được sẫm, tối (Hình 8.a). Khi nhiệt độ từ 500C600C, lớp mạ được hình thành sáng và chất lượng lớp mạ tốt hơn.

a) Nhiệt độ phòng

b)T = 400C

c) T = 500C

d) T = 600C

Hình 8. Ảnh hưởng của nhiệt độ mạ đến chất lượng lớp mạ
(pH = 4, Dc = 7A/dm2 và t = 15 phút)

`

4.2.3. Ảnh hưởng của độ pH
Độ pH của bể mạ ảnh hưởng đến điện thế phóng điện hydro, đến lượng chất kiềm lẫn
vào lớp mạ, đến thành phần phức hay thành phần hydrat của ion kim loại kết tủa, đến phạm vi
hấp phụ của chất phụ gia. Vì không thể dự đoán được hết các yếu tố này nên dải pH tốt nhất
cho bể mạ dựa vào thực nghiệm. Các kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, khi độ pH của dung dịch
thấp (pH=3) sẽ làm cho quá trình giòn hydro tăng lên, hydro lẫn vào lớp mạ ảnh hưởng xấu
đến cơ tính của lớp mạ như trên Hình 9.a. Lớp mạ thu được có màu sẫm tối. Ở độ pH=4, bề
mặt lớp mạ thu được sáng, đẹp (Hình 9.b). Nhưng pH tăng cao (pH=5) sẽ làm dung dịch kiềm
hóa, làm giảm hiệu suất dòng điện thậm chí thoát khí oxy/clo trên điện cực và làm cho chất
lượng lớp mạ xấu, bề mặt bị đen như trên Hình 9.c.

265


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

a) pH = 3

b) pH = 4

c) pH = 5

Hình 9. Bề mặt lớp mạ với độ pH khác nhau
5. KẾT LUẬN
Từ các kết quả thí nghiệm và thảo luận, một số kết luận được rút ra là:
Có thể sử dụng phương pháp mạ điện bằng dung dịch Watts để tạo ra sự liên kết giữa
các hạt mài với nhau và với lõi kim loại.
Chất lượng lớp mạ phụ thuộc vào nhiệt độ mạ, mật độ dòng điện, độ pH của dung dịch
mạ. Chất lượng lớp mạ trong điều kiện thực hiện thí nghiệm được tạo ra có chất lượng tốt khi
nhiệt độ mạ từ 50600C, điện áp dòng điện mạ 12V, mật độ dòng điện là 79 A/dm2, độ pH
dung dịch mạ là 4, trong điều kiện này có thể tạo ra được chiều dày lớp mạ từ 3050m với
thời gian mạ 15-30 phút.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Kunio Nishihara, Hiromichi, Onikura, Osamu Ohnishi (2005), Fabrication of Ni-W
Electroplated Micro Diamond Grinding Tools and Their Application to Grooving in
Silicon, International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21 st Century, p
1241-1245.
[2] K Sato, K Suzuki, T. Yokoyama (1996), Production of Electrodeposited Diamond
Wheels and Grinding Performance for Hard Metals and Ceramics, Journal of Materials
Processing Technology Vol 62, p 303-308.
[3] Trần Thị Vân Nga, Trương Hoành Sơn, Trần Vĩnh Hưng (2015), Nghiên cứu chế tạo đá
mài đơn lớp và bước đầu nghiên cứu chế tạo đá mài CBN bằng phương pháp mạ điện,
Tạp chí Khoa học công nghệ - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội số 27, p 130-133.
[4] Trần Minh Hoàng (2010), Mạ kền – lý thuyết và ứng dụng, NXB Bách Khoa – Hà Nội.
[5] Nguyễn Văn Lộc (2012), Công nghệ mạ đặc biệt, NXB Bách Khoa – Hà Nội.
[6] Nguyễn Văn Lộc (2010), Sổ tay công nghệ mạ điện, NXB Bách Khoa – Hà Nội.

THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ
1.

Bùi Thế Hùng. Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ, Hải Dương, Việt Nam.
Email: Điện thoại: 0902134222

2.

Trần Thị Vân Nga. Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Hà Nội,
Việt Nam. Email: , Điện thoại: 0913596858.

3.

Trương Hoành Sơn. Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam,
Email: , Điện thoại: 0904241165

266