CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN 1. Cơ sở lý thuyết về công nghệ mạ điện 1. Sự hình thành lớp mạ Mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nên, tạo thành một lớp phủ có các tính chất cơ, lý, hóa đáp ứng yêu cầu kĩ thuật. Mạ điện được dùng trong nhiều ngành công nghệ khác nhau để chống ăn mòn, phục hồi kích thước, trang trí làm đẹp chỉ tiết, chống mòn, tăng cường độ cứng, phản quang, tăng khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt của vật liệu.
Ví dụ : phủ kim loại nickel, kẽm hoặc phủ một lớp hợp kim đồng - kẽm lên trên nền thép, như mạ trên vành xe đạp, các chi tiết ôtô, các dụng cụ, hoặc mạ kẽm các Ốc vít, nan hoa xe đạp, xe máy. nhằm mục đích trang trí, làm đẹp các chỉ tiết cũng như tăng độ bền chống ăn mòn của chỉ tiết, các thiết bị. Mạ điện thực chất là quá trình điện phân. Dưới tác dụng của dòng điện trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại dé trở thành ion (trong trường hợp anot hòa tan), hoặc quá trình khử các chất khử.
Trên catot các ion kim loại phóng điện trở thành kim loại bám lên điện cực. Tai anot (+): Me = Me™ +ne hoic Khu = Oxh+ ne Tai catot (-): Me™ +ne = Me Trong thuc tế, quá trình kết tủa kim loại từ dung dịch nước thường được tiến hành trong các dung dịch muối đơn hoặc phức và nói chung là quá trình phức tạp, gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau. Đầu tiên ion kim loại từ trong dung dịch được khuếch tán vào lớp kép, sau đó hấp phụ lên trên bề mặt điện cực và phóng điện. Các nguyên tử kim loại sẽ kết hợp với nhau tạo thành mam tinh thé và lớn dần thành bề mặt.
Tốc độ của quá trình được quyết định bởi tốc độ của giai đoạn chậm nhất [1][2][2]. [Me(H;O),]” an; dịch aes [Me(H20),]" ap kép > Me™ ne tạo mầm —*> Menguyén ttt — —> Mmàm tinh thể —> ÌMC lưới tỉnh thẻ- 1. Thanh phan cia dung dich ma điện Dung dich mạ giữ vai trò quyết định về tốc độ mạ, chiều dày tối đa và chất lượng bề mặt mạ. Dung dịch mạ thường là hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điện ly (dẫn điện), và các chất phụ gia khác nhằm đảm bảo lớp mạ có chất lượng và tính chất như mong muốn.
Dưới đây sẽ xem xét vai trò của từng cấu tử ấy. lon kim loại mạ Trong dung dịch ion kim loại mạ có thể tồn tại ở dang ion don hidrat hóa hoặc ion phức. Dung dịch đơn thường dùng để mạ với tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn giản, còn dung dịch phức dùng cho trường hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dạng phức tạp. Các dung dịch mạ điện công nghiệp thường có nồng độ tổng của ion kim loại mạ lớn cỡ 1-3 mol/L.
Mục đích là để tăng giá trị của dòng điện giới hạn lạn, tạo điều kiện nâng cao hơn dải mật độ dòng điện thích hợp I,, cho lớp mạ tốt. Tuy nhiên nước thải của các bể mạ với nồng độ ion kim loại cao gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nặng nẻ [4]. Do vậy nghiên cứu mạ điện từ dung dịch nồng độ thấp là hướng đi mới đang thu hút nhiều sự quan tâm. Nhược điểm cơ bản của dung dịch nồng độ thấp đó là khi tiến hành mạ với mật độ dòng cao sẽ kèm theo quá trình phụ giải phóng khí H; khiến hiệu suất dòng giảm mạnh, khí hiđro sinh ra cũng có thê ảnh hưởng xấu tới chất lượng lớp mạ.
Chất điện ly Nhiều chất điện ly được đưa vào dung dịch mạ điện với nồng độ cao để tăng độ dẫn điện cho chúng. Các chất này (hay còn gọi là chất nền) không tham gia vào quá trình điện cực mà chỉ đóng vai trò chuyển điện tích trong dung dịch, làm giảm điện trở bề mặt mạ, do đó giảm nhiệt thoát ra, cho phép dùng dòng điện mạ cao hơn. Các chất điện ly hay được sử dụng là NaCl, Na;SOi. Chất đệm Do phản ứng phụ thoát hiđro trên bề mặt catot hoặc phản ứng thoát oxi trên bề mặt anot mà pH của dung dịch có thể bị thay đổi, đặc biệt là lớp dung dịch sát điện cực.
Nếu pH quá lớn, hiđroxit kim loại sẽ kết tủa, lẫn vào lớp mạ, làm giảm chất lượng mạ. Điều này đặc biệt khó khăn cho các trường hợp mạ các kim loại có tính xúc tác thoát hidro va dé bị thủy phân (ví dụ Ni). Nếu pH thấp hiđro sẽ thoát ra nhiều, không những làm giảm hiệu suất dòng, chất lượng lớp mạ cũng giảm như: tăng độ giòn, gãy, rỗ, bong.Do vậy việc sử dụng chất đệm để giữ ổn định giá trị pH của dung dịch mạ điện là vô cùng cần thiết. Các chất đệm thường dùng là axit yếu như axit boric H;BO¿, axetic,.
hoặc các muối amoni, amino axit. Mỗi chất đệm có tác dụng ổn định pH trong một khoảng nhất định. Chất tạo phức Dùng chất tạo phức với ion kim loại mạ sẽ làm thế điện cực trở nên âm hơn nhằm tránh xảy ra phản ứng hóa học giữa ion kim loại mạ với kim loại nền. Ví dụ như trường hợp mạ đồng lên thép có thể xảy ra phản ứng hóa học: Cu* + Fe = Cut Fe” Phản ứng này làm cho lớp mạ đồng rất xấu, vừa xốp vừa dễ bong.
Nếu thêm chất tạo phức với Cu”” thì thế khử của đồng trở nên âm hơn của sắt nên về mặt Nhiệt động học phản ứng khử hóa học đồng không thể xay ra. Chất tạo phức cũng được dùng để thay đổi độ nghiêng Tafel của phản ứng khử kim loại nhằm cải thiện khả năng phân bố của dung dịch mạ. Chất tạo phức còn có vai trò ngăn cản được sự thụ động anot. Chất tạo phức thường dùng trong công nghệ mạ điện là ion xianua, hiđroxit và sunfamat, amoniac, các aminoaxit.
Chất phụ gia hữu cơ Nhiều loại chất hữu cơ được cho vào bề mạ với nồng độ tương đối thấp nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất của bề mặt mạ. Lựa chọn chất nào, cách thức sử dụng ra sao phần lớn dựa vào thực nghiệm. Các chất phụ gia sử dụng thông thường có khả năng phủ lên bề mặt catot, có trường hợp chất hữu cơ bị giữ lại trong kết tủa, đặc biệt là khi mạ các kim loại có năng lượng bề mặt lớn (điểm nóng chảy cao). Nhiều chất cũng làm tăng độ phân cực điện cực và làm thay đổi độ nghiêng Tafel.
Một chất phụ gia có thể ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của lớp mạ, nhưng dung dịch thường dùng đồng thời nhiều chất phụ gia vì cần đến tác động tổng hợp của chúng. Các phụ gia này thường được phân loại thành: chất làm bóng; chất san bằng; chất biến đổi cầu trúc và chất thấm ướt. Giới thiệu vé nickel va céng nghé ma nickel 1. Gidi thiéu vé nickel a.
Lich si tim ra nguyén té nickel Nickel đã được sử dụng từ rất lâu, có thể từ năm 3500 trước Công nguyên. Có nhiều bản thảo của Trung Quốc nói rằng “đồng trắng” — một loại hợp kim của nickel, đã được dùng ở phương Đông từ năm 1700 đến 1400 trước Công nguyên. Tuy nhiên vì quặng nickel dễ nhằm lẫn với quặng bạc nên sự hiểu biết về kim loại này cũng như thời gian sử dụng cũng có thể chưa chính xác. Vào thời kì Đức trung cổ, khoáng vật màu đỏ được tìm thấy trong Erzgebirge (núi quặng) giống như quặng đồng.
Tuy nhiên, người thợ mỏ không thê tách ra được bất kì loại đồng nào từ nó. Vào năm 1751, Baron Axel Frederik Cronstedt cố gắng tách đồng từ kupfemickel nhưng thu được một kim loại trắng mà ông gọi là nickel. Tiền xu đầu tiên bằng nickel nguyên chất được làm vào năm 1881 ở Thụy Sĩ [18]. Vài nét chung về niekel - Nickel có kí hiệu hóa học là Ni - Số hiệu nguyên tử : Z.= 28 - Cấu hình electron hóa trị : [Ar] 3°48” - Trong Bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Ni nằm ở ô thứ 28, chu kì 4, nhóm VIIIB.
¢ Tinh chat vật lý Nickel là một kim loại màu trắng bạc, bề mat bong lang. Nickel nam trong nhóm sắt từ (VIIB). Đặc tính cơ học của kim loại này là cứng, dé dat mỏng và dễ uốn, dé kéo sợi. Một số hằng số vật lý của nickel được đưa ra trong Bang 1.
Các hằng số vật lí đặc trưng của nickel 1 Ban kinh nguyén tir (A) 1,24 2 __ | Năng lượng ion hoá thứ nhất E >E' (eV) 7,63 3 | Năng lượng ion hoá thứ hai EÌ > E?' (eV) 18,15 4 | Năng lượng ion hod thir ba E** > E* (eV) 35,16 5 | Ban kinh ion Ni’ (A) 0,74 6 Khối lượng riêng (g/cm*) 8,9 7 Nhiệt độ nóng chảy (°C) 1455 8 | Nhiệt độ sôi (°C) 2730 ¢ Tính chất hóa học Nickel là kim loại hoạt động trung bình, thế điện cực chuẩn Oran yon 0,25 V. O diéu kién thường, khi không có hơi am, nickel không tác dụng với những phi kim như O;, Cl;, Br¿,. nhưng khi đun nóng thì phản ứng xảy ra mãnh liệt, nhất là đối với nickel dạng bột nghiền: 2Ni + O; — 2NIO Với axit HCI và H;SO¿ loãng nickel phản ứng giải phóng khí hiđro: Ni + 2HCI (loãng) — NIC]; + H; Ni tan dễ dàng trong dung dịch axit HNO; đặc, nóng: Ni + 4HNO;(dac) — Ni(NO3).+ 2NO, +2H,O Nickel có độ bền cao trong môi trường kiềm bởi khả năng thụ động hoá của nó. Ở điều kiện thường, không quan sát thấy phản ứng của nickel với kiềm nhưng trên thực tế thì nickel tác dụng ngay với OH' theo phản ứng: Ni+ 20H — Ni(OH), + 2e =-0,69V 0 Wi(on),IN¡ Màng Ni(OH); tạo ra phủ trên bề mặt nickel kim loại ngăn cản không cho nickel kim loại tiếp tục phản ứng với OH' nên ta không thể quan sát được phản ứng.
Khi phân cực anot nickel trong môi trường kiềm với dòng áp vào đủ lớn thi nickel vượt qua trạng thái thụ động và Ni(OH); chuyển thành NiOOH theo phản ứng: Ni(OH), +OH — NiOOH + H;O +e Màng NiOOH cũng có tác dụng bảo vệ nên ta cũng không thể quan sát được phản ứng mà chỉ thấy được một lớp vàng nâu mỏng của NiOOH trên bề mặt nickel. s* Ứng dụng Nickel là một trong những kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trên trái đất. Nickel kim loại được sử dụng trong thành phần của hơn 300.000 sản phẩm khác nhau. Thông thường nó được tìm thấy trong thép và hợp kim của kim loại, nhưng nó cũng được sử dụng trong sản xuất pin và nam châm vĩnh cửu.
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của nickel là sản xuất thép không gỉ.