Bài giảng Các tính chất cơ lý hóa và ứng dụng lớp mạ

11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 1 CHƯƠNG 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan. CHƯƠNG 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ trong thực tế. CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ HÓA  VÀ ỨNG DỤNG LỚP MẠ 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 2 Quá trình điện kết tủa kim loại. Ứng dụng lớp mạ trong thực tế. Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 3 Quá trình điện kết tủa kim loại Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Khái niệm và yêu cầu của lớp mạ. Cơ sở lý thuyết. Điện kết tủa kim loại. Các yếu tố ảnh hưởng điện kết tủa. Các tính chất lớp mạ. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 4 Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Khái niệm và yêu cầu của lớp mạ Mạ điện là dùng phương pháp điện phân để kết tủa lên lớp kim loại nền một lớp kim loại hoặc hợp kim mỏng có tính chất cơ lý hóa, đáp ứng được yêu cầu mong muốn. Yêu cầu của lớp mạ. Bám chắc với kim loại nền không bong tróc. Lớp mạ mịn, độ xốp nhỏ. Lớp mạ bóng dẻo, có độ cứng cao. Có bề dày đáp ứng. Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 5 Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Cơ sở lý thuyết Cơ sở lý thuyết ban đầu. Cơ sở hóa học Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 6 Cơ sở lý thuyết Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Cơ sở lý thuyết ban đầu Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm cathode , kim loại mạ gắn với cực dương anode của nguồn điện . Cực dương của nguồn điện sẽ hút các electron e- trong quá trình oxy hóa và giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm, tại đây chúng nhận lại e- trong quá trình oxy hóa khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ. Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 7 Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Cơ sở hóa học Quá trình oxy hóa: C hất A cho ne - thành A n+ . Quá trình khử: C hất B nhận ne - thành B n- . Phản ứng oxy hóa khử A + B → A n+ + B n- . Khi A và B đều là kim loại thì có phản ứng oxy hóa khử : A n+ + B → A + B n+ . Nếu phản ứng này là liên tục thì có 1 dòng chuyển động của ne- hay 1 dòng điện giữa A và B . Cơ sở lý thuyết Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 8 Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Quá trình này gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn phát triển mầm. Tốc độ tạo mầm lớn thì tinh thể sẽ nhỏ mịn. Tốc độ phát triển mầm lớn thì lớp mạ thu được to thô. Trong dung dịch bảo hòa thì yếu tố quyết định đến tốc độ xuất hiện mầm tinh thể là độ quá bão hòa  của dung dịch. Thông số này có giá trị như sau: C: Nồng độ của dung dịch quá bão hòa. C cb : Nồng độ cân bằng của dung dịch bão hòa. Điện kết tủa kim loại Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 9 Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Thành phần dung dịch mạ Chế độ mạ . Bản chất của kim loại nền . Sự thoát hyđrô . Thụ động anôt . Sự phân cực . Các yếu tố ảnh hưởng điện kết tủa kim loại Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 10 Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Sự thoát hyđrô Muốn có kim loại kết tủa trên caôt thì phải cho điện thế âm hơn điện thế tiêu chuẩn của nó. Vậy lượng điện thế tăng lên so với điện thế tiêu chuẩn gọi là quá thế. Trên catôt ngoài iôn kim loại thoát ra, còn có khí hyđrô thoát ra. Hiđrô thoát ra nhiều hay ít là do quá thế của nó. Iôn nào có quá thế thấp thì iôn ấy phóng điện trước, quá thế cao thì ion khó phóng điện. Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 11 Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Sự phân cực Khi nhúng một thanh kim loại vào trong dung dịch thì tạo nên một điện thế nhất định đạt tới trạng thái cân bằng. Nhưng khi có dòng điện đi qua thì trạng thái cân bằng này bị phá vỡ tạo nên một điện thế mới. Khi có dòng điện một chiều đi vào 2 cực kim loại nhúng trong dung dịch thì điện thế tại cực âm càng trở nên âm hơn, điện thế ở cực dương trở nên dương hơn. Sự thay đổi điện thế như thế gọi là sự phân cực. Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 12 Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Tính cơ lý: Điển hình là độ dẻo dai, độ bám chắc, độ chịu mài mòn, Tính vật lý của lớp mạ: Độ chịu nhiệt, độ dẫn điện và cách điện, độ phản quang, Tính chất hoá lý: Đáng lưu ý của lớp mạ chính là tính chất hấp phụ ánh sáng, Độ dày của lớp mạ cũng là một chỉ tiêu quan trọng Các tính chất của lớp mạ Quá trình điện kết tủa kim loại 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 13 Ứng dụng lớp mạ trong thực tế Chương 1: Những khái niệm cơ bản và các vấn đề liên quan Ứng dụng trong lãnh vực xây dựng: các tấm lợp đường dây điện, đường sắt, các ống nước, cống nước, các thiết bị lắp đặt ngoài trời. Dùng làm đồ trang sức, huy chương, thìa bát đĩa, làm gương phản chiếu, pha đèn của ô tô, làm tiếp điểm điện, dây dẫn, làm điện cực trong các môi trường ăn mòn(mạ bạc, vàng, hợp kim). Tăng một số cơ tính cho vật liệu(mài mòn, bào mòn, chịu va đập, tăng cứng) trong kĩ thuật in, mạ các khuôn bản in, dụng cụ gia đình, dụng cụ y tế, phụ tùng xe đạp, máy khâu Trong lãnh vực nghiên cứu quang học làm tăng khả năng hấp thụ ánh sang(mạ crôm, hợp kim Ni-Cr). xử lý bề mặt kim loại. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 14 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm. Tính chất và ứng dụng của lớp mạ nickel. Tính chất và ứng dụng của lớp mạ đồng. Tính chất và ứng dụng của lớp mạ crôm. Tính chất và ứng dụng của lớp mạ CEP. Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 15 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Giới thiệu kẽm. Đặt vấn đề. Biện pháp chống rỉ sét và ăn mòn. Đánh giá hiệu quả. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 16 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Giới thiệu kẽm Kẽm là kim loại óng ánh, màu trắng, hơi xanh lam. Điện thế tiêu chuẩn -0,76V. Điện thế tiêu chuẩn của kẽm tương đối âm, đối với sắt thép nó là lớp mạ anot, vì vậy trong công nghiệp, mạ kẽm dùng để đề phòng ăn mòn kim loại, được gọi là lớp mạ bảo vệ. Độ tinh khiết của lớp mạ kẽm cao, cấu trúc đồng đều, do đó tính ổn định hóa học cao. Tính đàn hồi của lớp mạ tốt, khi chi tiết bị uốn kéo, nhưng độ cứng thấp, độ bóng kém, trong không khí dễ tạo muối kẽm Cacbonat có tính kiềm nên bị mờ. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 17 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Đặt vấn đề Sự han rỉ và ăn mòn mà hàng năm nuốt mất hàng chục triệu tấn sắt thép trên thế giới Dưới tác động của môi trường, kim loại bị xâm thực, bị ăn mòn trong không khí, trong đất hay trong vùng ngập nước làm cho tuổi thọ công trình bị xuống cấp nhanh chóng. Lớp rỉ không đồng đều, nguy hiểm nhất là các dạng rỉ điểm, rỉ lỗ làm giảm khả năng chịu tải của kết cấu. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 18 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Biện pháp chống rỉ sét và ăn mòn 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 19 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Biện pháp chống rỉ sét và ăn mòn Cathodic protection. Bản chất của quá trình: Xây dựng thành một hệ gồm catốt (kim loại cần bảo vệ) và anốt. Anốt được chọn như Mg, Al, Zn làm vật liệu hy sinh thay thế cho sắt thép cần bảo vệ vì các kim loại này đều đứng trước Fe trong bảng tuần hoàn hóa học. Trong hệ luôn tồn tại dòng điện một chiều đi qua giữa anốt và catốt, xuất phát từ sự chênh lệch điện thế giữa hai kim loại khác nhau trong môi trường tồn tại dung dịch điện phân là nước hoặc do bị áp đặt từ nguồn điện một chiều bên ngoài. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 20 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Biện pháp chống rỉ sét và ăn mòn Phương pháp mạ kẽm nhúng nóng. Các kết cấu kim loại sau khi đã được làm sạch bằng axit, hóa chất được đưa vào các bể kẽm được nung nóng chảy ở nhiệt độ cao hình thành nên một màng chắn bao bọc kim loại. Lớp bảo vệ này chịu va đập, không thấm nước, chống tia cực tím 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 21 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Biện pháp chống rỉ sét và ăn mòn Phương pháp mạ kẽm lạnh. Mạ kẽm lạnh là phủ lên bề mặt kim loại một lớp kẽm lỏng tương tự như sơn ở nhiệt độ môi trường bình thường, bằng cách dùng áp lực khí nén thổi dung dịch kẽm lỏng thành chùm các hạt kẽm bắn vào bề mặt kim loại đã vệ sinh sạch bề mặt. Trong dung dịch kẽm có chất gắn liên kết và các phụ gia giúp cho kẽm bám chặt vào bề mặt kim loại và khô cứng trong vài giờ tương tự như các loại sơn truyền thống. Hai chức năng bảo vệ: thứ nhất là chức năng bảo vệ thụ động (passive protection) là lớp màng chắn bảo vệ kim loại như các loại sơn truyền thống; và chức năng thứ hai là bảo vệ chủ động (active protection) tức chức năng chống ăn mòn catốt (Cathodic protection), chức năng này có ở lớp phủ bảo vệ bằng mạ kẽm nhúng nóng (hot-dip galvanizing). 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 22 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ kẽm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Đánh giá hiệu quả. Mạ Zn được thực hiện nhờ phương pháp nhúng các chi tiết bằng thép vào trong bể mạ kẽm. Các bể mạ này có thể áp dụng cho các vật mạ có chiều dài 18 - 24m. Đây là phương pháp lý tưởng để áp dụng cho các kết cấu thép có hình dạng phức tạp rất khó làm sạch bề mặt và sơn. Một số kết quả nghiên cứu cho thấy trong một môi trường công nghiệp khắc nghiệt mà chất ô nhiễm chính là lưu huỳnh đioxit thì lớp sơn giàu Zn chỉ tồn tại được 7 năm còn lớp mạ Zn trong những điều kiện như vậy là 25 năm. Các kết quả điều tra cho thấy, trong đa số các trường hợp, lớp mạ Zn có tốc độ ăn mòn nhỏ hơn 10 mm/năm. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 23 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ Nickel Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Giới thiệu nickel. Tính chất và ứng dụng. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 24 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ Nickel Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Nikel là kim loại có màu trắng hơi vàng. điện thế tiêu chuẩn -0.25V, Nikel sẽ tan trong trong acid loãng, bị thụ động trong acid đặc, hòa tan chậm trong acid Sunphuric và acid clohydric. Lớp mạ Nikel dễ đánh bóng, sau khi đánh bóng có thể đạt được độ bóng như gương. Điện thế của nikel dương hơn so với sắt, nên nó là lớp mạ catod, vì vậy chỉ khi nào lớp mạ không có lỗ xốp mới có tác dụng bảo vệ cho sắt khỏi bị ăn mòn. Mạ nikel còn để làm tăng chịu mài mòn, như trong kỹ thuật in, mạ các khuôn bản in, tăng độ cứng bề mặt, tăng tính chịu mài mòn Giới thiệu nickel 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 25 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ Nickel Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Lớp mạ kền thường cứng và giòn, nếu được nung nóng đến 9000C sẽ mềm và dẻo trở lại. Độ cứng của lớp mạ kền phụ thuộc vào thành phần dung dịch và điều kiện mạ. Độ cứng của lớp mạ kền mờ dao động từ 2500 – 4000MPa, của lớp mạ kền bóng từ 4500 – 5000MPa. Giới hạn bền là 400 – 500MPa, độ dãn dài tương đối là 40%.Lớp mạ kền có khả năng hấp phụ khí khá lớn cũng chính vì thế mà cơ tính của lớp mạ kền kém đi. Mạ Ni đen : có khả năng hấp phụ ánh sáng rất cao, có độ ăn mòn và mài mòn thấp, độ dẻo và độ gắn bó với kim loại nền kém. Tính chất và ứng dụng 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 26 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ Nickel Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Lớp mạ kền có ứng dụng khá rộng trong nhiều ngành công nghiệp. Mạ kền mờ một lớp được dùng để bảo vệ các thiết bị chống xâm thực của môi trường, đặc biệt là môi trường kiềm; bảo vệ các dụng cụ y tế; tăng độ chịu mài mòn và độ dẫn điện cho các sản phẩm. Lớp mạ kền đen được dùng trong chế tạo các thiết bị quang học. Mạ kền hoá học đắt tiền nên chỉ dung cho trường hợp cần mạ các vật có hình dạng rất phức tạp, nhiều khe khuất, rãnh sâu hẹp, để được lớp mạ dày đều mọi nơi hay mạ cho các vật phi kim như chất dẻo thủy tinh, gốm sứ, Tính chất và ứng dụng 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 27 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ đồng Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Đồng là một kim loại màu đỏ hơi hồng, rất mềm và dẻo. Điện thế tiêu chuẩn +0.399V. Đồng không tan trong các acid clohydric và acid sunphuric loãng, tan trong acid nitric và các acid clohydric, acid sunphuric đặc (trong HCl phải có Pt). Đồng  tan chậm trong NH 4 OH khi có không khí. Mạ đồng được dùng rộng rãi để làm lớp mạ lót trên sắt, tăng khả năng bám của lớp mạ khác, tăng độ bền và độ bóng. Mạ đồng còn dùng để bảo vệ chi tiết khỏi bị thấm than trong quá trình nhiệt luyện. Mạ đồng trên thép để tăng độ dẫn điện và tiết kiệm nguyên liệu đồng, mạ đồng lên bạc để làm giảm ma sát. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 28 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ crôm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Giới thiệu crôm. Tính chất và ứng dụng. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 29 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ crôm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Crom là kim loại màu trắng bạc, hơi xanh. Điện thế tiêu chuẩn -0.71V. Crom là kim loại hoạt động nhưng dễ bị thụ động, nên rất bền trong nhiều môi trường xâm thực. Crom bền trong không khí, bền trong nhiều acid hữu cơ và vô cơ như acid nitric, acid axetic, acid xitric, kiềm. Giới thiệu crôm 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 30 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ crôm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Lớp mạ Cr có độ cứng cao hơn các loại gang thép khác (HB= 800 – 1000HRC). Hệ số ma sát nhỏ, chịu nhiệt cao, không biến màu, bám chắc với nền, khả năng phản xạ ánh sáng tốt, có tính ổn định hóa học tốt, tính chịu mài mòn cao Lớp mạ Cr bảo vệ trang sức dùng cho các vật mạ làm việc trong môi trường khí quyển. Lớp mạ Cr này có thể là bóng, chỗ bóng chỗ mờ, đen hay có màu khác. Lớp mạ Cr chịu mài mòn và chịu va đập có 2 loại: kín và xốp. Lớp mạ Cr 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 máy đã cũ,mòn. Lớp mạ Cr xốp chống mài mòn rất tốt. Tính chất và ứng dụng 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 31 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ crôm Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Mạ Cr được ứng dụng rộng rãi để phục hồi các chi tiết máy đã bị mài mòn. Lớp mạ crom có tính ổn định hóa học tốt, tính chịu mòn cao đồng thời bề ngoài trông rất đẹp, khả năng phản xạ ánh sáng tốt, vì thế nó được dùng rộng rãi trong công nghiệp mạ ôtô, mạ các chi tiết máy, dụng cụ y tế, phụ tùng xe đạp, máy may,... Xéc măng, xi lanh của những động cơ đốt Tính chất và ứng dụng 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 32 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ CEP Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Giới thiệu. Cơ chế hình thành lớp mạ CEP. Lớp mạ Ag – Al 2 O 3 . 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 33 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ CEP Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Giới thiệu. CEP(Combination – Electro – Plating)là lớp mạ bình thường nhưng trong đó cấu tạo các hạt cực nhỏ của một hay vài chất. Những hạt này đồng kết tủa cùng kim loại từ một huyền phù. Lớp mạ CEP thu được từ chất điện giải để mạ kim loại nhưng có thêm một lượng bột của pha thứ 2 có khả năng phân tán cao trong dung dịch. Khi đặt dòng điện một chiều từ bên ngoài vào, trên bề mặt catôt kim loại mạ sẽ kết tủa(pha thứ nhất), các hạt bột chuyển động va chạm vào bề mặt catôt sẽ bị che phủ bởi kim loại kết tủa hình thành pha thứ 2 trong pha thứ nhất từ đó lớp mạ CEP hình thành. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 34 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ CEP Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Cơ chế hình thành lớp mạ CEP Gồm 3 giai đoạn: Sự chuyển động các tiểu phân của pha thứ 2 từ các lớp sâu trong dung dịch đến bề mặt catôt. Sự dính kết các tiểu phân này lên bề mặt catôt. Sự che phủ tiểu phân bằng kim loại điện kết tủa. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 35 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ CEP Chương 2: Các tính chất cơ lý hóa của một số lớp mạ Lớp mạ Ag – Al 2 O 3 dung dịch 1 bột corundum M20(d = 20  m) thì lớp mạ thu được sau khi mạ có độ rắn từ 140 – 170KG/mm 2 . Độ rắn này vẫn được giữ sau 1 năm rưỡi. Hàm lượng Al 2 O 3 trong huyền phù từ 0,5 – 0,6% sẽ làm cho lớp mạ phân bố đều(thường sử dụng các hạt corundum Al 2 O 3 M7 trong dung dich mạ có nồng độ Al 2 O 3 là 100g/l, mật độ dòng 5A/dm 2 ).Độ dẫn điện của lớp mạ Ag – Al 2 O 3 tương tự như lớp mạ bạc nguyên chất. Độ bền mài mòn của lớp mạ Ag – Al 2 O 3 cao hơn lớp mạ bạc nguyên chất 2 – 3 lần. Độ rắn và độ mài mòn của lớp mạ Ag – Al 2 O 3 và lớp mạ bạc nguyên chất là như nhau. 11/6/2022 SVTH:Tran Hoang Thai 36 Hết CÁC TÍNH CHẤT CƠ LÝ HÓA  VÀ ỨNG DỤNG LỚP MẠ