Mạ đồng
Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thuật Galvano (lấy theo tên nhà khoa học Ý Luigi Galvani), là tên gọi của quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên một vật.
Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm catôt, kim loại mạ gắn với cực dương anôt của nguồn điện trong dung dịch điện phân. 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. Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời gian mạ.
Ví dụ: mạ đồng trong dung dịch điện môi SO42-, tại cực dương:
- Cu → Cu2+ + 2e-
- Cu2+ + SO42- → CuSO4
CuSO4 dễ tan trong dung dịch, tại cực âm
- CuSO4 → Cu2+ + SO42-
- Cu2+ + 2e- → Cu
Kim loại mạ thường là vàng, bạc, đồng, niken và được dùng trong việc sản xuất đồ trang sức đẹp, linh phụ kiện điện tử, tế bào nguyên vật liệu, đồ gia dụng không gỉ, …
Ngành mạ điện được nhà hóa học ý Luigi V. Brugnatelli khai sinh vào năm 1805. Ông đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp Alessandro Volta, pin Volta để tạo ra lớp phủ điện hóa tiên phong. Phát minh của ông không có ứng dụng trong công nghiệp trong suốt 30 năm và chỉ được điều tra và nghiên cứu trong những phòng thí nghiệm. Năm 1839, hai nhà hóa học Anh và Nga khác độc lập điều tra và nghiên cứu quy trình mạ sắt kẽm kim loại đồng cho những nút bản in. Ngay sau đó, John Wright, Birmingham, Anh sử dụng Kali Xyanua cho dung dịch mạ vàng, bạc. Vào thời kì này, đó là dung dịch duy nhất có năng lực cho lớp mạ sắt kẽm kim loại quý rất đẹp. Tiếp bước Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được văn bằng bản quyền trí tuệ kĩ thuật mạ điện vào năm 1840. Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện tại Birmingham đã có loại sản phẩm mạ điện trên khắp quốc tế. Cùng với sự tăng trưởng của khoa học điện hóa, chính sách điện kết tủa lên mặt phẳng sắt kẽm kim loại ngày càng được nghiên cứu và điều tra và sáng tỏ. Kĩ thuật mạ điện phi trang trí cũng được tăng trưởng. Lớp mạ kền, đồng, kẽm, thiếc thương mại chất lượng tốt đã trở nên thông dụng từ những năm 1850. Kể từ khi máy phát điện được ý tưởng từ cuối thế kỷ XIX, ngành công nghiệp mạ điện đã bước sang một kỉ nguyên mới. Mật độ dòng điện tăng lên, hiệu suất lao động tăng, quy trình mạ được tự động hóa từ một phần đến trọn vẹn. Những dung dịch cùng với những phụ gia mới làm cho lớp mạ đạt chất lượng tốt hơn. Các lớp mạ được nghiên cứu và điều tra tăng trưởng để thỏa mãn nhu cầu cả nhu yếu chống ăn mòn lẫn trang trí, làm đẹp … Kể từ sau cuộc chiến tranh quốc tế thứ hai, người ta còn nghiên cứu và điều tra thành công xuất sắc kĩ thuật mạ crom cứng, mạ đa lớp, mạ đồng kim loại tổng hợp. mạ kền sunfamat … Nhà vật lý Mỹ Richard Feynman đã điều tra và nghiên cứu thành công xuất sắc công nghệ tiên tiến mạ lên nền nhựa. Hiện nay công nghệ tiên tiến này đã được ứng dụng thoáng đãng. Kĩ thuật mạ hiện là một trong ba quy trình trong quy trình LIGA – được sử dụng trong sản xuất robot điện tử siêu nhỏ ( MEMS ) .
Sự hình thành lớp mạ điện[sửa|sửa mã nguồn]
- Điều kiện tạo thành lớp mạ điện
Mạ điện là một công nghệ tiên tiến điện phân. Quá trình tổng quát là : – Trên anot xảy ra quy trình hòa tan sắt kẽm kim loại anot :
- M – ne → Mn+
– Trên catot xảy ra quy trình cation phóng điện trở thành sắt kẽm kim loại mạ :
- Mn+ + ne → M
Thực ra quy trình trên xảy ra theo nhiều bước liên tục nhau, bao nhiều tiến trình tiếp nối đuôi nhau nhau như : quy trình cation hidrat hóa vận động và di chuyển từ dung dịch vào mặt phẳng catot ( quy trình khuếch tán ) ; cation mất lớp vỏ hidrat, vào tiếp xúc trực tiếp với mặt phẳng catot ( quy trình hấp phụ ) ; điện tử chuyển từ catot điền vào vành hóa trị của cation, biến nó thành nguyên tử sắt kẽm kim loại trung hòa ( quy trình phóng điện ) ; những nguyên tử sắt kẽm kim loại này sẽ tạo thành mầm tinh thể mới, hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã hình thành trước đó. Mọi trở lực của những quy trình trên đều gây nên một độ phân cực catot, ( quá thế catot ), tức là điện thế catot dịch về phía âm hơn một lượng so với cân đối :
- ηc = φcb – φ = ηnđ + ηđh + ηkt
- Trong đó:
- ηc: quá thế tổng cộng ở catot
- φcb: điện thế cân bằng của catot
- φ: điện thế phân cực catot (đã có dòng i)
- ηnđ: quá thế nồng độ (phụ thuộc vào quá trình khuếch tán)
- ηđh: quá thế chuyển điện tích
- ηkt: quá thế kết tinh
Do đó, điện kết tủa sắt kẽm kim loại trên catot sẽ chỉ diễn ra khi nào điện thế catot di dời khỏi vị trí cân đối về phía âm một lượng đủ để khắc phục những trở lực nói trên .
- Điều kiện xuất hiện tinh thể
Trong điều kiện kèm theo điện kết tủa sắt kẽm kim loại trong dung dịch, yếu tố quyết định hành động vận tốc tạo mầm tinh thể là tỷ số giữa tỷ lệ dòng điện catot Dc và tỷ lệ dòng trao đổi i0 :
- β = Dc / i0
Mặt khác, theo phương trình Tafel:
- η = a + b.log Dc
Suy rộng ra, mọi yếu tố làm tăng phân cực catot đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, và ngược lại. Các mầm tinh thể bắt đầu mới Open được ưu tiên tham gia vào mạng lưới tinh thể của sắt kẽm kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về mặt nguồn năng lượng. Đó là những chỗ tập trung chuyên sâu nhiều nguyên tử láng giềng nhất, vì ở đó nguồn năng lượng dư mặt phẳng lớn nhất, những mối link chưa được sử dụng là nhiều nhất. Nếu sắt kẽm kim loại nền và sắt kẽm kim loại kết tủa có cấu trúc mạng khá giống nhau về hình thái, size thì cấu trúc của sắt kẽm kim loại nền được bảo tồn và sắt kẽm kim loại kết tủa sẽ tăng trưởng theo cấu trúc đó ( cấu trúc lai ghép ( epitaxy ) ), xảy ra ở những lớp nguyên tử tiên phong. Sau đó sẽ dần chuyển về cấu trúc vốn có của nó ở những lớp kết tủa tiếp theo. Trường hợp này cho lớp sắt kẽm kim loại mạ có độ gắn bám rất tốt, xê dịch với độ bền link của sắt kẽm kim loại nền. Nếu thông số kỹ thuật mạng của chúng khác khá xa nhau, hoặc mặt phẳng chúng có tạp chất hay chất hấp phụ, thì sự lai ghép sẽ không xảy ra. Đấy là một trong những nguyên do gây nên ứng suất nội và làm lớp mạ dễ bong .
- Thành phần chất điện giải
Chất điện giải dùng trong mạ điện thường là dung dịch nước của muối đơn hay muối phức. Dung dịch muối đơn còn gọi là dung dịch axit. Cấu tử chính của dung dịch này là muối của những axit vô cơ hòa tan nhiều trong nước và phân ly trọn vẹn trong dung dịch thành những ion tự do. Ở dung dịch này, phân cực nồng độ và phân cực hóa học không lớn lắm nên lớp mạ thu được thô, to, dày mỏng mảnh không đều, rất dễ bị lỏi. Mặt khác dung dịch muối đơn cho hiệu suất dòng điện cao, và càng cao khi tỷ lệ dòng lớn. Thường được dùng để mạ những chi tiết cụ thể có hình thù đơn thuần như dạng tấm, dạng hộp … Dung dịch muối phức dược tạo thành khi pha chế dung dịch từ những cấu tử khởi đầu. ion sắt kẽm kim loại mạ sẽ tạo phức với những ligan thành ion phức. hoạt độ của ion sắt kẽm kim loại tự do giảm đi rất nhiều. do đó điện thế tiêu chuẩn dịch về phía âm rất nhiều. điều này giúp cho lớp mạ mịn, phủ kín, dày đều … được dùng để mạ những chi tiết cụ thể có hình thù phức tạp … Để tăng độ dẫn điện cho dung dịch, thường pha thêm những chất điện giải trơ. Các chất này không tham gia vào quy trình catot và anot mà chỉ đóng vai trò chuyển điện trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ. Các chất dẫn điện thường dùng là Na2SO4, H2SO4, Na2CO3 … Để không thay đổi pH cho dung dịch mạ, cần phải thêm vào dung dịch chất đệm pH thích hợp để tạo thiên nhiên và môi trường thích hợp nhất cho phản ứng điện kết tủa xảy ra. Các chất hoạt động giải trí mặt phẳng gồm có những chất bóng loại I, loại II, những chất thấm ướt, chất chống thụ động anot thường là những hợp chất hữu cơ, có công dụng hấp phụ lên mặt phẳng phân loại pha, tham gia vào 1 số ít quy trình mong ước, làm cho lớp mạ thu được có chất lượng tốt hơn .
Gia công mặt phẳng sắt kẽm kim loại trước khi mạ[sửa|sửa mã nguồn]
Gia công cơ học là quy trình giúp cho mặt phẳng vật mạ có độ đồng đều và độ nhẵn cao, giúp cho lớp mạ bám chắc và đẹp. hoàn toàn có thể thực thi gia công cơ học bằng nhiều cách : mài, đánh bóng ( là quy trình mài tinh ), quay xóc so với những vật nhỏ, chải, phun tia cát hoặc tia nước dưới áp suất cao Quá trình gia công cơ học làm lớp sắt kẽm kim loại mặt phẳng loại sản phẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám của lớp mạ sau này. Vì vậy trước khi mạ cần phải hoạt hóa mặt phẳng trong axit loãng rồi đem mạ ngay .
- Tẩy dầu mỡ
Bề mặt sắt kẽm kim loại sau nhiều quy trình sản xuất cơ khí, thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng mảnh cũng đủ để làm cho mặt phẳng trở nên kị nước, không tiếp xúc được với dung dịch tẩy, dung dịch mạ … Có thể triển khai tẩy dầu mỡ bằng những cách sau : Tẩy trong dung môi hữu cơ như tricloetylen C2HCl3, tetracloetylen C2Cl4, cacbontetraclorua CCl4 … chúng có đặc thù là hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không ăn mòn sắt kẽm kim loại, không bắt lửa. Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên mặt phẳng sắt kẽm kim loại vẫn còn dính lại lớp màng dầu mỡ rất mỏng dính => không sạch, cẩn phải tẩy tiếp trong dung dịch kiềm. Tẩy trong dung dịch kiềm nóng NaOH có bổ trợ thêm một số ít chất nhũ tương hóa như Na2SiO3, Na3PO4 … Với những chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật sẽ tham gia phản ứng xà phòng hóa với NaOH và bị tách ra khỏi mặt phẳng. Với những loại dầu mỡ khoáng vật thì sẽ bị tách ra dưới tính năng nhũ tương hóa của Na2SiO3. Tẩy trong dung dịch kiềm bằng giải pháp điện hóa, dưới tính năng của dòng điện, oxy và hydro thoát ra có tính năng cuốn theo những hạt mỡ bám vào mặt phẳng. tấy bằng giải pháp này dung dịch kiềm chỉ cần pha loãng hơn so với tẩy hóa học đã đạt hiệu suất cao. Tẩy dầu mỡ siêu âm là dùng sóng siêu âm với tần số xê dịch lớn công dụng lên mặt phẳng sắt kẽm kim loại, những rung động mạnh sẽ giúp lớp dầu mỡ tách ra thuận tiện hơn .
- Tẩy gỉ
Bề mặt sắt kẽm kim loại nền thường phủ một lớp oxit dày, gọi là gỉ. tẩy gỉ hóa học cho sắt kẽm kim loại đen thường dùng axit loãng H2SO4 hay HCl hoặc hỗn hợp của chúng. Khi tẩy thường diễn ra đồng thời 2 quy trình : hòa tan oxit và sắt kẽm kim loại nền. Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ hóa học đồng thời có sự tham gia của dòng điện. Có thể triển khai tẩy gỉ catot hoặc tẩy gỉ anot. Tẩy gỉ anot lớp mặt phẳng sẽ rất sạch và hơi nhám nên lớp mạ sẽ gắn bám rất tốt. Tẩy gỉ catot sẽ sinh ra H mới sinh, có tính năng khử một phần oxit. Hydro sinh ra còn góp thêm phần làm tơi cơ học màng oxit và nó sẽ bị bong ra. Tẩy gỉ bằng catot chỉ vận dụng cho vật mạ bằng thép cacbon, còn với vật mạ Ni, Cr thì không hiệu suất cao lắm .
- Tẩy bóng điện hóa và hóa học
Tẩy bóng điện hóa cho độ bóng cao hơn gia công cơ học. lớp mạ trên nó gắn bám tốt, tinh thể nhỏ, ít lỗ thủng và tạo ra đặc thù quang học đặc biệt quan trọng. Khi tẩy bóng điện hóa thường mắc vật tẩy với anot đặt trong một dung dịch đặc biệt quan trọng. Do vận tốc hòa tan của phần lồi lớn hơn của phần lõm nên mặt phẳng được san bằng và trở nên nhẵn bóng. Cơ chế tẩy bóng hóa học cũng giống tẩy bóng điện hóa. Khi tẩy bóng hóa học cũng Open lớp màng mỏng mảnh cản trở hoặc ngưng trệ tính năng xâm thực của dung dịch với sắt kẽm kim loại tại chỗ lõm .
- Tẩy nhẹ
Tẩy nhẹ hay còn gọi là hoạt hóa mặt phẳng, nhằm mục đích lấy đi lớp oxit rất mỏng mảnh, không nhìn thấy được, được hình thành trong quy trình gia công ngay trước khi mạ. khi tẩy nhẹ xong, cấu trúc tinh thể của nền bị lộ ra, độ gắn bám sẽ tăng lên .
- Dufour, Jim (2006). An Introduction to Metallurgy, 5th ed. Cameron.
- Mohler, James B. (1969). Electroplating and Related Processes. Chemical Publishing Co. ISBN 0-8206-0037-7.
- Todd, Robert H. (1994). “Surface Coating”. Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-3049-0.
- Trần Minh Hoàng. Mạ điện. Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật, Hà Nội, 2001.
- Trần Minh Hoàng, Nguyễn Văn Thanh, Lê Đức Tri. Sổ tay Mạ điện. Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật, Hà Nội, 2002.
- Trương Ngọc Liên. Điện hóa lý thuyết. Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật, Hà Nội, 2000
