Luận Văn Tổng quan về mạ điện

I. Sự hình thành lớp mạ điện

1. Khái niệm

Mạ điện được dùng trong nhiều nghành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn, phục hồi kích thước, trang sức, chống mòn, tăng cứng, phản quang, dẫn điện, dễ hàn, dẫn nhiệt . Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo, gốm sứ hoặc composit. Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là composit của kim loại- chất dẻo hoặc kim loại - gốm . Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ và năng lực công nghệ, vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành. Xu hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ, sẵn còn vật liệu mạ đắt, quí hiếm hơn nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài.
Vậy mạ điện là gì?
Một cách đơn giản nhất có thể hiểu mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá . đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn.
Tuy nhiên chỉ những công nghệ nào ổn định trong một thời gian dài để luôn cho sản phẩm có tính chất như nhau mới được ứng dụng vào trong sản xuất.
2. Điều kiện tạo thành lớp mạ

Mạ điện là quá trình điện phân. Quá trình điện cực tổng quát là:
- Trên Anốt xảy ra quá trình hoà tan kim loại Anốt :

M - ne M [SUP]n+[/SUP] (1)

- Trên Katốt, cation giải phóng điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ:

M[SUP]n+[/SUP] + ne M (2)

Nếu khống chế các điều kiện điện phân như thế nào đó để cho hiệu suất của hai phản ứng (1) & (2) bằng nhau thì nồng độ ion M[SUP]n+[/SUP] trong dung dịch sẽ luôn luôn không thay đôỉ (điều này ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ). Một số trường hợp phải dùng Anôt trơ (không tan) , khi đó dung dịch sẽ đóng vai trò chất nhường điện tử vì vậy ion kim loại phải được định kỳ bổ sung dưới dạng muối vào dung dịch, lúc đó phản ứng chính trên Anốt chỉ là quá trình giải phóng ôxi.
Thực ra quá trình trên xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau. Ví dụ quá trình Katôt gồm các bước sau :
- Cation M[SUP]n+[/SUP]. mH[SUB]2[/SUB]O di chuyển từ dung dịch vào trong bề mặt Katôt
- Cation mất vỏ hydrat (mH[SUB]2[/SUB]O) tiếp xúc trực tiếp với bề mặt (quá trinh hấp phụ)
- Điện tử từ Katôt điền vào vành điện tử hoá trị của cation, biến nó thành nguyên tử kim loại trung hoà ở dạng hấp phụ.
Các nguyên tử kim loại này sẽ tạo thành mầm tinh thể mới hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó. Mầm phát triển thành tinh thể. Từ đó các tinh thể kết hợp thành lớp mạ.
Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong bộ mạ điện. (hình vẽ 1)


[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]


Để cho quá trình mạ được thành công phải :
- Gia công đúng kỹ thuật cho Katôt.
- Chọn đúng vật liệu Anôt, thành phần dung dịch mạ, mật độ dòng điện và các điều kiện điện phân khác.
Có thể chọn dùng trong số các chủng loại lớp mạ sau :
- Lớp mạ kim loại : Zn, Cd, Sn, Cu, Ni, Cr, Pb, Ag, Au, Pt
- Lớp mạ hợp kim : Cu - Ni, Cu - Sn, Sn - Ni, Ni - Cr .
- Lớp mạ composit : là lớp mạ có chứa các hạt rắn, nhỏ và phân tán như Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB], Cr[SUB]3[/SUB]C[SUB]2[/SUB], TiO[SUB]2[/SUB], SiO[SUB]2[/SUB], .

Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể tính dựa theo định luật Faraday :

m = S . D[SUB]c[/SUB] . t . H - C
Trong đó :
- S : diện tích mạ (dm[SUP]2[/SUP])
- D[SUB]c[/SUB] : mật độ dòng điện Katôt (A/dm[SUP]2[/SUP])
- t : thời gian mạ (h)
- H : hiệu suất dòng điện
- C : đương lượng điện hoá của ion kim loại mạ ( g/ Ah)
Một số kim loại cho nhiều ion hoá trị khác nhau nên có giá trị C tương ứng khác nhau. Ví dụ, đồng từ dung dịch axit tồn tại ở dạng muối đơn, ion đồng có giá trị +2 nên C tương ứng là 1,186 g/ Ah; trong khi đồng từ dung dịch Xianua kiềm tồn tại ở dạng muối phức nên C tương ứng là 2,372 g/ Ah. Vì vậy cùng một đương lượng điện được dùng cho phản ứng kết tủa thì ion kim loại nào có trạng thái oxi hoá thâpthì 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 CrO[SUB]3[/SUB] cho H rất thấp thường là 0,05 < H < 0,2. Phản ứng phụ hay gặp nhất trên Katôt là sự phóng điện của ion H[SUP]+[/SUP] để giải phóng hydro.
Chiều dày lớp mạ được tính như sau :

d = 100Dc. t . C . H/ g (mm)
Trong đó :
- d : chiều dày trung bình lớp mạ (mm)
- g : trọng lượng riêng kim loại mạ (g / cm[SUP]2[/SUP])
- D[SUB]c [/SUB] : mật độ dòng điện (A/ dm[SUP]2[/SUP])
- t : thời gian mạ (h)
- C : đương lượng điệnhoá kim loại mạ (g / Ah)
- H : hiệu suất dòng điện (%)