Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng mạ composite Chrome

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 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ 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 MỤC LỤC Nội dung Phần mở đầu  Trang 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 SO 2- 27 b. Mạ crôm từ dung dịch có anion F- 30 c. Mạ crôm từ dung dịch có anion SO 2-  và SiF 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 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 53 khuấy đến chất lƣợng lớp mạ 4.1.Kế hoạch thực nghiệm đối xứng 53 4.1.1.Kế hoạch trung tâm hợp thành 53 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 I . T ính c ấp t hiết c ủa đề tài PHẦN MỞ ĐẦU 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 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. I I . Nội dung ng hiê n c ứ u 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. ra. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hình thành lớp mạ và các hiện tượng xảy - 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 I I I . Đối tƣ ợ ng và p hạm vi ng hiê n c ứ u 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. I V. P hƣ ơ ng p háp ng hiê n c ứ u 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 ng hĩa khoa học và ý ng hĩa t hự c tiễ n c ủa l uậ n vă n 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. 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 CHƢƠNG I  TỔNG QUAN VỀ MẠ ĐIỆN 1 .1 . Cơ sở c hung - 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 compos ite ở dạng này 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 c hất 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 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. + - 5 ne ne Nguån mét chiÒu Anot 3  ChuyÓn dich Ion Líp m¹ Catot 2 BÓ m¹ 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. + 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 : Mn+ + ne M ( 1.1) Mn+ 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 a nốt chính là sự hoà tan nó thành iôn M+ đi vào dung dịch : M + ne Mn+ (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/dm2) 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 :   100.Dc.t.C.H   (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/dm2) 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 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) Hình 1.2 Bình Haring- Blum đo khả năng phân bố dung dịch mạ Catèt 1 Anèt Catèt 2 l1 l2 - 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 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 10cm2 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 c hế mạ - 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. 1. 3. T hà nh p hầ n d ung dịc h và c hế đ ộ 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 I on kim l oạ i 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 điệ n 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.