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

n 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/cm3 Điện trở riêng 10-6 Wm Dc, A/dm2 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 mm . 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 mm , lớp thứ 2 là lớp crôm bóng, chiếm từ 30- 50 % chiều dày lớp mạ tổng. - 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 c ủa q uá tr ì nh m ạ c r ôm 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), 2- - 2- thường là SO4 được. , F ,SiF6 , không có chúng không thể thực hiện kết tủa crôm - 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 2- hoạt hoá là thì nồng độ SO4 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 Cr3+ 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 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 tạ o và tí nh c hất lớ p mạ c r ôm - Lớp mạ crôm có cấu tạo tinh thể rất nhỏ mịn. Lớp crom có tinh thể nhỏ nhất: 0,001- 0,01 mm . Lớp crom mờ và sữa có tinh thể to hơn: 0,1 -10 mm . 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: a Cr, có tỷ trọng 7.1 g/cm3, sắp xếp chặt chẽ và b 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 a Cr, cho lớp mạ bóng, cứng. Mạ ở nhiệt độ thấp, mật độ dòng điện nhỏ chủ yếu sinh ra b Cr, cho lớp mạ xám tối, xốp , bám kém. Dạng b 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 a Cr cho độ cứng dạng b 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 a Cr hay b Cr. Sau khi mạ đem xử lý nhiệt trong 1h ở 6500C sẽ giảm độ cứng từ 9000 M Pa xuống còn 5000 MPa. - Lớp mạ crôm có ứng xuất nội cao nguyên nhân là do sự co rút thể tích khi nó tự chuyển dạng từ b Cr và a 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/dm2 Chiều dày tối đa mm Nhiệt độ 0 C Dc, A/dm2 Chiều dày tối đa mm 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 d lớp mạ crôm có thể tính gần đúng theo công thức sau: d = 4,6.H.t.Dc (mm) (2.1) Trong đó: H- hiệu suất dòng điện ( H=12-18%) t- thời gian mạ (h) Dc- mật độ dòng điện catot (A/dm2) 1. 5. 4. Các dung dịc h mạ c r ôm a. Mạ crôm từ dung dịch có anion SO42- - 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 2- dùng để cung cấp anion hoạt hoá SO4 . 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 4 Bảng 1.3: Các dung dịch mạ crôm chứa anion SO 2- Loại dung dịch Nồng độ các cấu tử, g/l Chế độ mạ CrO3 H2SO4 Dc, A/dm2 Nhiệt độ 0C 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 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 2- giống như thiếu anion SO4 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. 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, 0C Dc, A/dm2 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). 4 - Để ổn định nồng độ SO 2-  có thể cho có thể cho dư muối khó tan 2- SrSO4 vào dung, phần đã tan cho nồng độ SO4 đúng yêu cầu của dung dịch mạ crôm loãng, phần dư chưa tan nằm trong dung dịch, lúc nào cũng sẵn sàng 2- tan ra để bù SO4 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 , 0C Dc, A/dm2 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 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 2- chứa SO4 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 0C , Dc = 10 D/dm2. - 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. 2- c. Mạ crôm từ dung dịch có các anion SO42- và SiF6 - Dung dịch chứa đồng thời hai nhóm anion SO42- và SiF62- 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 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/dm2 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/dm2) 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 dịc h 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 mm 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: 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/dm2 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 mm /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/dm2 cho lớp mạ mềm, dễ đánh bóng, mạ ở Dc 40-80A/dm2 cho hiệu suất dòng điện cao hơn, cho lớp mạ cứng hơn, nhưng 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. M ạ c r ôm đe n - 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 - 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. M ạ c r ôm 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/dm2, t0 = 65- 75 0C - Xốp rãnh mạ ở điều kiện: Dc = 60 A/dm2, t0 = 60- 65 0C, mạ dày cỡ 100 - 125  mm . Tốt nhất là dùng dung dịch có tỷ lệ CrO3/H2SO4 = 115/1 - Xốp điểm mạ ở điều kiện: Dc = 50A/dm2, t0C = 50- 520C, mạ dày tối thiểu 100  mm .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/dm2 trong vài phút, có thể lâu hơn hay lặp lại vài lần nếu cần lỗ xốp sâu 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 mm , chiều sâu rãnh xốp trong thành phẩm phải cỡ 25 mm .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 luậ n - 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 nhiề u trong các ngành như: Đóng tàu, công nghiệp mỏ… 1. 6. M ạ c omp os ite (M ạ t ổ 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 mm 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 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. CHƢƠNG II ẢNH HƢỞNG CỦA CHẾ ĐỘ KHUẤY TRONG MẠ COMPOSITE CHROME 2. 1. M ạ c omp os ite c r ôm - 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: Pha thứ nhất C¸c h¹t pha thø 2  Kim lo¹i nÒn 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. - 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 tr ì nh tạ o t hà nh lớp m ạ c omp os i te - 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 c omp os ite c r ôm. - 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. + Quá trình khuấy tốc độ của dung dịch phải đủ lớn để làm sạch được bề mặt của catot. 2. 4. Nhữ ng yế u t ố ả nh hƣ ở ng đế n q uá tr ì nh mạ c om p os ite c r ôm - 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 hƣ ở ng c ủa c hế đ ộ khuấy đế n q uá tr ì nh hì nh t hà nh l ớp m ạ - 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: + 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. + + Anot B¬m Catot Hình 2.2 Sơ đồ bể mạ khuấy bằng bơm phun 2. 5. 2. Sơ đồ 2 : Khuấy theo phƣơng pháp bơm sục sung dịch từ trên xuống + _ Bé phËn läc dung dÞch B¬m  Van ®iÒu chØnh BÓ chøa 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. 2. 5. 3. Sơ đồ 3 : Khuấy bằng cánh quạt  Động cơ + - + C¸nh qu¹t khuÊy 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. 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. 2. 5. 5. Sơ đồ 5: Khuấy bằng từ * Ưu điểm: Hình 2.5: Sơ đồ bể mạ khuấy bằng cơ khí 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. 2. 5. 6. Kết luậ n - 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 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. T ính t oá n t huỷ lực đƣ ờ ng ống 3. 1. 1. L ý thuyế t tí nh t oá n - 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). + 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: Trong đó:  0 + Pa ρ.g  + 0 = z 2  P + 2 ρ.g α v 2 w + 2 2 + h 2g ö 2  (1) 2 æ h w = ç ζ è  van,vµo  + ζ uon + λ l ÷ v2 d ø 2g v i = å ζ 2 2g Gọi độ cao chân không là: a P - P 2 h ck = ρg Thì phương trình (1) được viết thành: v2 v2 2 2 v2 æ ö 2 h ck = z2 + ρ.g + 2g å ζi Þ z2 = h ck - ç1 + å ζi ÷ 2g (2) è ø 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: ) ( 2 z 2 cp  = æç h è  ö÷ ck øcp  - æç1 + å ζ è v ö÷ 2 (3) i ø 2g 3. 1. 2. T ính t oá n t huỷ lực đƣ ờ ng ống hút Cho chiều dài ống hút :l (m) Lưu lượng: Q = (m3/s) Độ nhớt:  υ(cm 2 /s) (ở nhiệt độ t). Trọng lượng riêng: γ(N/m 2 ) 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). Tính toán có kể đến mọi tổn thất, trong đó có hệ số tổn thất tại khoá ζ k . Hệ số tổn thất tại miệng vào của ống ζ dt . 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: ( ) p - p  α v2 - 2 8 æ  l öæ Q2 ö z - z + 1 2  1 2 + γ 1 1 α2v2 2g  k = ç å ζ π2g è  + λ ÷ç ÷ ø d ç d 4 ÷ è ø p - v 2 8 æ l öæ Q2 ö z + a p α v - 2 2 =  ç ζ + ζ  + λ ÷ç ÷ γ 2g π2g è k dt d øç d 4 ÷ Đặt è ø pa - p v Ho = z + γ H0 =  8 æ ç α π g è 2  + ζ k  + ζ dt + λ l ö Q2 ÷ ø  (4) 2 d d 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. λ = 64 = Re  64 , α = 2 4Q πdv Phương trình 4 sẽ có dạng: æ ö ç . ç ÷ H = 8 ç 2 + ζ + ζ + =64 =l ÷ Q2 d ÷ 0 π 2g ç k è æ ç ç dt 4Q d 4 ÷ pdv ø ö . ÷ Hay d 4 = 8 ç 2 + ζ + ζ + =64 =l ÷ Q2 o ÷ π 2g ç è k dt 4Q d H ÷ πdv ø 3.1.3. Tính t oá n t huỷ lực đƣ ờ ng 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: P 2 z + 2 + ρg  2 α v2 2 2g  P b 3 + H = z + 3 + ρg  3 α v2 3 2g  (5) Thông thường ta lấy: P z2 = z3, v2 = v3 , với P α 2 = α3 : 2 3 + H = (6) ρg b ρg Ta lấy hai mặt cắt ngay sau mắy bơm và mặt cắt ra tại bể chứa, rồi viết phương trình Becnuli: P v2 3 3  Pa ' z3 + ρg + 2g = z4 + ρg + 0 + h w (7) h Trong đó: ' - tổn thất cột nước từ máy bơm ra ống hút. w Khi tính toán cho đường ống đẩy, ta có thể tính theo công thức củ ống dài hoặc ống ngắn. Ta gọi: h å ' = ζ¢ w i  v2 3 (8) 2g và giải kết hợp với phương trình (5),(6),(7) ta được: H b = z 4 + h w + h¢w Hoặc  v 2 v 2 å 2 ¢ 3 H b = z 4 + å ζi + ζ 2g i 2g (9) 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: ( h w + h¢w ) 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. T ính c ông s uất c ủa b ơm. 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  ηbom , hiệu suất của động cơ bằng bị bơm:  ηdongco thì công suất cần phảI cung cấp cho thiết N = γQ(hw + hw )  (W) (Dùng khắc phục sức cản trong ống hút và ống đẩy) ηbom.ηdongco 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. M ô hì nh hệ t hống khu ấy H×nh 3.1: S¬ ®å hÖ thèng khuÊy 3. 2. 1. T ính t oá n hệ t hố ng khuấy Thông số tính toán: - Tổng chiều dài ống hút:l =1,5m, - Lưu lượng: Q = 6m3/s - Độ nhớt của dung dịch :  υ = 1,0(cm2 /s)  (ở nhiệt độ t = 600C). - Trọng lượng riêng: γ = 8609,81 (N/m 2 ) - 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 khoá - Hệ số tổn thất tại miệng vào của ống: ζ k = 4 . ζ dt = 0,5 và hệ số tổn thất tại Thay các giá trị bằng số của các số hạng trong phương trình ta có: d 4 = 8 æ ç ç ç 2 + ζ + ζ  + =64 ö 2 ÷ . =l ÷ Q o ÷  ta có: π 2g ç è k dt 4Q d H ÷ πdv ø Đường kính ống đẩy: d4= 33,18cm4, d = 2,4cm Đường kính ống hút: d = 1,3cm Kiểm tra trạng thái chảy: λ = 64 = Re  64 4Q πdv  = 4.6 3,14.1,8.1  < 2320 Đúng là trạng thái chảy tầng. 3. 2. 2. T hiết kế hệ t hống - Hệ thống gồm ống đẩy gồm (Thiết kế theo kích thước bể mạ 500x1200x350) + Hai thanh f 24 dài 400mm, 1 thanh f 24 dài 200mm, hai cút vuông f 24 và một cút chữ T f 24. + Hai thanh f13 dài 400mm trên thanh có khoan lỗ f 5. + Hai thanh f 13 dài 350mm trên có khoan lỗ f 5, hai thanh đều có 1 đầu bịt kín. + Hai thanh f 13 đài 900 trên có khoan lỗ f5. + Bốn cút vuông f 13, hai cút chữ T f 13. - Hệ thống ống hút gồm: + Một thanh f 13 dài 200mm, sáu thanh f 13dài 500mm. + Bốn cút vuông f 13, một cút chữ T f 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= 6m3/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 f5, 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 Vị trí lắp van điều chỉnh Bơm A Hình 3.2: Bản vẽ chế tạo hệ thống khuấy 3.3. Kết luận Hình 3.3: Hệ thống sục - 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. - 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 2n-p (22) 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 -a 0 0 a2 0 6 +1 +a 0 0 a2 0 7 +1 0 -a 0 0 a2 8 +1 0 +a 0 0 a2 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 ±a. 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 a 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 F 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: y = b¢ n + b x n-1 n + n b x x + b  æ x 2 - x 2 ö å å å å ç ÷ 0 i=1 i i i=1 j=i+1 ij i j i=1 ii è i i ø Trong đó:  2 1 N 2  2n - p + 2a 2 x = å x = i N u = 1 iu N 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 = 2n-p + 2n +1 b¢ = b  n + å b x 2 0 0 i = 1 ii i 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 -a=-1 0 0 1/3 -2/3 6 +1 a=+1 0 0 1/3 -2/3 7 +1 0 -a=-1 0 -2/3 1/3 8 +1 0 a=+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: N  N N N ç ÷ x ÷ å ç N f ¢ æ x2 - x 2 ö = å æ 2 - x 2 ö = å x2 - Nx 2 = å x2 - N 1 å x2 = 0 u = 1 0 è iu i ø u = 1è iu i ø u = 1 iu i u = 1 iu N u = 1 iu Đẳng thức (3.5) đúng với mọi giá trị a cụ thể. Nhưng với a tuỳ ý thì sẽ dẫn đến tính không trực giao của tích các cột trong ma trận hàm cơ sỏ, mà chúng ứng với các biến bình phương khác nhau. Vì thế trong kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao chọn giá trị a sao cho thoả mãn điều kiện trực giao: N 2 2 æ 2 2 ö å (xiu - xi )ç x ju - x j ÷ = 0 u = 1 è ø Từ (3.6) sẽ có: i ¹ j, i, j = 1,2,..........., n α = 2n-p-2 (2n-p + 2n + 1) - 2n-p-1 Theo (3.7) có thể tính được giá trị cụ thể của a với mọi số n thông số đầu vào. Với n= 2, a =1, vì thế ở bảng 3.2 giá trị a 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 2n-p+2a2 … 0 0 … 0 0 … 0 0 0 … 2n-p+2a2 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 2a4 … 0 … … … … … … … … … … 0 0 … 0 0 … 0 0 … 2a1 Và ma trận nghịch đảo Φ-1 cũng có dạng đường chéo đơn giản: N 0 … 0 0 … 0 0 … 0 0 1/2n-p+2a2 … 0 0 … 0 0 … 0 0 0 … 1/2n-p+2a2 0 … 0 0 … 0 0 0 … 0 1/2n-p … 0 0 … 0 Φ -1= … … … … … … … … … … 0 0 … 0 0 … 1/2n-p 0 … 0 0 0 … 0 0 … 0 1/2a4 … 0 … … … … … … … … … … 0 0 … 0 0 … 0 0 … 1/2a1 Từ đó thấy ngay rằng ma trận tương quan của các ước lượng hệ số hồi quy cũng là đường chéo : C =  e σ 2Φ -1. 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: s 2 σ2 = b¢ 0  e N s 2 σ 2 = e bi 2n - p + 2a 2 s 2 σ 2 = bij  e 2n - p σ 2 bii s 2 = e 2a 4 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 + Phần 2: Phần các điểm cách tâm thực nghiệm một khoảng ±a: 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 đ ộ ma - Thể tích bể mạ: 500x1200x350(mm) - Độ b = 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: 20 10 120 - 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 tr ì nh t hí ng hiệ m Hình ảnh chụp lớp mạ thu được sau khi mạ: Hình 4.1: Hình chụp lớp mạ với Q = 3,6m3/h Hình 4.2: Hình chụp lớp mạ với Q = 4,2m3/h 4. 3. 1. T hí ng hiệ m lầ n 1 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 3 Số hạt/diện tích 125 145 137 154 160 Trung bình 144,2 4. 3. 2. T hí ng hiệ m lầ n 2 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 3,2 Số hạt/diện tích 139 132 156 147 165 Trung bình 147,8 4. 3. 3. T hí ng hiệ m lầ n 3 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 3,4 Số hạt/diện tích 142 153 149 161 168 Trung bình 154,6 4. 3. 4. T hí ng hiệ m lầ n 4 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 3,6 Số hạt/diện tích 162 173 175 165 181 Trung bình 171,2 4. 3. 5. T hí ng hiệ m lầ n 5 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 3,8 Số hạt/diện tích 171 179 185 194 185 Trung bình 182,8 4. 3. 6. T hí ng hiệ m lầ n 6 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 4 Số hạt/diện tích 183 179 191 196 205 Trung bình 190,8 4. 3. 7. T hí ng hiệ m lầ n 7 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 4,2 Số hạt/diện tích 187 194 204 211 207 Trung bình 200,6 4. 3. 8. T hí ng hiệ m lầ n 8 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 4,4 Số hạt/diện tích 195 189 198 211 214 Trung bình 201,4 4. 3. 9. T hí ng hiệ m lầ n 9 Mẫu số 1 2 3 4 5 Q(Lƣu lƣợng)(m3/h) 4,6 Số hạt/diện tích 197 204 213 216 209 Trung bình 207,8 4. 4. Kết luậ n: Từ số lần thí nghiệm ta lập mối quan hệ giữa lưu lượng Q và mật độ hạt trên một mm2. Sè h¹t(mm2) 207,8 201,4 200,6 190,1 182,8 171,2 154,6 147,8 144,2 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 Q(m2/h) CHƢƠN G 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. * 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. mạ. - Cần nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến chất lượng lớp - Cần nghiên cứu ảnh huởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ với vật liệu khác như: Niken……. 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 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/ 1. Hệ thống khuấy PHỤ LỤC Hệ thống ống đẩy Hệ thống ống hút 2. Quá tr ì nh t hí ng hiệm Tác giả làm thí nghiệm Thạc sĩ: Trần Anh Đức hỗ trợ làm thực nghiệm Quá trình khuấy và mạ chi tiết Ảnh chụp sau khi mạ Ảnh chụp sau khi mạ Ảnh chụp sau khi mạ Chiều dày lớp mạ Chiều dày lớp mạ