Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÁY MẠ NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LỚP MẠ TRÊN BỀ MẶT CHI TIẾT MÁY RESEARCH AND DEVELOP A ELECTROPLATING MACHINE TO IMPROVE THE QUALITY OF PLATING LAYER ON MACHINE PART’S SURFACE Trần Văn Trọn1a Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a trontv@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Lớp mạ nói chung lớp mạ crôm nói riêng sử dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy khả chịu mài mòn, chịu nhiệt, chống gỉ, Chất lượng lớp mạ phụ thuộc nhiều vào thông số trình mạ mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch mạ, vận tốc dung dịch mạ,… Hiện tại, máy mạ có thị trường giúp phủ lên bề mặt chi tiết lớp mạ mà không sâu vào việc giám sát, khống chế thông số trình mạ Để khắc phục hạn chế này, máy mạ phục vụ mạ phục hồi chi tiết máy nghiên cứu, phát triển Máy có khả giám sát nhiệt độ dung dịch mạ tạo chuyển động quay cho catốt để điều khiển vận tốc dung dịch mạ cách phù hợp giúp nâng cao chất lượng lớp mạ Các kết mạ thực nghiệm cho thấy thu lớp mạ có chiều dày độ đồng đạt yêu cầu cho phép nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy Từ khóa: mạ điện, mạ crôm, xử lý bề mặt, vận tốc dung dịch, chi tiết máy ABSTRACT Plating layer, specially chrome plating layer has widely been used to enhance the quality of machine part’s surface such as wear resistance, heat resistance, corrosion resistance,… Properties of chrome plating layer are almost depended on parameters of plating process such as current density, plating solution temperature, plating solution velocity,… Electroplating machines, sold in market, only help to coat on surfaces of engine components a plating layer These machines hardly have function to monitor and control these above parameters To overcome this limitation, a electroplating machine, applied to recover worn shafts, was researched and improved to be enable to monitor the temperature of plating solution and make cathode spin to control the plating solution velocity In experiment, hard chrome plating layer has the thickness with the uniform satisfying requirements This helps to enhance the quality of machine part’s surface Keywords: electroplating, hard chrome plating, surface treatment, solution velocity, engine’s components ĐẶT VẤN ĐỀ Lớp mạ crôm cứng sử dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết khí tăng khả chịu mài mòn, tăng khả chịu nhiệt chống gỉ sét,… Những tính chất lớp mạ crôm phần lớp phụ thuộc vào thông số trình mạ cường độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch mạ, vận tốc dung dịch mạ,… Những thông số giám sát điều khiển máy dùng trình mạ [1, 2] Trong báo này, máy mạ sử dụng cho việc phục hồi chi tiết dạng trục bị mòn nghiên cứu phát triển Máy mạ có khả tạo điều khiển chuyển động quay cho catốt, giám sát khống chế nhiệt độ dung dịch mạ phạm vi phù hợp trình 329 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV mạ để đảm bảo bề dày nâng cao độ đồng lớp mạ bề mặt chi tiết máy Thực nghiệm đánh giá khả làm việc máy thực kết cho thấy việc sử dụng máy mạ thu lớp mạ có chiều dày độ đồng đạt yêu cầu đề THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY MẠ Trong trình mạ, chuyển động dung dịch ảnh hưởng đến phân bố dòng ion Đây yếu tố định đến chất lượng đồng lớp mạ Để tạo chuyển động cho dung dịch mạ sử dụng hai phương pháp sau: - Chuyển động catốt: mạ thùng quay, catốt dây băng chạy liên tục qua bể mạ, - Chuyển động dung dịch: sục khí vào bể, bơm tuần hoàn dung dịch vào bể,… Trong nghiên cứu này, máy mạ thiết kế với cấu tạo chuyển động quay cho catốt nhằm thay chuyển động dung dịch 2.1 Yêu cầu thiết kế Máy mạ điện dự kiến phát triển với mục đích máy thí nghiệm mạ crôm phục vụ công việc nghiện cứu học tập, thông số máy mạ đề xuất sau: Bảng Thông số thiết kế máy mạ Chỉ tiêu Thông số Kích thước máy x 0,8 x m Kích thước bể mạ 0,5 x 0,5 x 0,6 m Điện áp vào 220 VAC Điện áp 24 VDC Tốc độ quay cực âm - 60 vòng/ph Chiều dài trục mạ 80 - 100 mm Đường kính trục mạ 40 - 80 mm 2.2 Thiết kế máy mạ - Để tạo chuyển động quay cho catốt dạng trục trình mạ, máy có cấu chấp hành sau: + Cụm kẹp truyền động quay cho catốt: động bước truyền chuyển động quay cho phận kẹp thông qua trục truyền động Bộ phận kẹp truyền chuyển động cho chi tiết lực ma sát tạo lò xo Chi tiết định vị nhờ mũi chống tâm Hình Cơ cấu truyền động cho catốt + Cụm đỡ chi tiết quay: chi tiết đỡ chi tiết mạ quay quanh trục cố định thông qua vòng đệm làm ổ lăn Hình Cụm đỡ chi tiết 330 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Tính giám sát điều khiển nhiệt độ dung dịch mạ thực theo lưu đồ sau: Hình Lưu đồ giám sát điều khiển nhiệt độ dung dịch mạ - Mô hình thiết kế máy mạ Hình Hình trình bày máy mạ chế tạo hoàn thiện Hình Mô hình thiết kế máy mạ Hình Bản vẽ lắp máy mạ Hình Máy mạ hoàn thiện 331 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Mục đích Đánh giá khả lớp mạ crôm với tiêu chí: (i) bề dày; (ii) độ đồng bề mặt chi tiết dạng trục mạ máy chế tạo so sánh với lớp mạ crôm thu mạ thông thường 3.2 Mô tả mẫu, dung dịch mạ thông số mạ - Mẫu làm từ vật liệu thép C45, tiện mài để đạt độ xác kích thước độ bóng bề mặt cấp độ (Hình 7) Hình Bản vẽ thiết kế chi tiết mẫu Giá trị sai lệch a đo trực tiếp chi tiết mạ ghi lại - Dung dịch axit crômit sử dụng cho trình mạ, thành phần sau [3, 4]: Bảng Thành phần dung dịch mạ [3, 4] Thành phần Khối lượng (g/l) CrO3 150 H2SO4 1,5 Cr2O3 Đường mía - Trong trình mạ, nhiệt độ bể mạ khống chế từ T = 520C – 560C, mật độ dòng điện catốt IK = 29 A/dm2, thời gian mạ t = 31 phút 38 giây Theo tính toán lý thuyết với thông số thu lớp mạ có bề dày 10 μm [3, 4] 3.3 Tiến trình thực nghiệm 3.3.1 Thực nghiệm máy mạ thông thường - Bước 1: Đo tính giá trị trung bình kích thước đường kính trục trước mạ; - Bước 2: Tiến hành mạ crôm cho mẫu chi tiết với thông số trên; - Bước 3: Đo tính giá trị trung bình kích thước đường kính trục chi tiết sau mạ; - Bước 4: So sánh kích thước đường kính trục sau trước mạ, từ đánh giá bề dày độ đồng lớp mạ thu được; Bộ mẫu trước mạ: Hình Mẫu vị trí đo kích thước đường kính mẫu 332 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Để đo đường kính trục, thước panme TESA micromaster có độ xác μm sử dụng thước điều chỉnh 25mm mẫu Hình Số lần đo vị trí Kích thước trung bình đường kính trục trước mạ: Bảng Kích thước trung bình đường kính trục mẫu Vị trí 38.996 38.997 38.996 38.997 38.974 38.977 38.977 38.980 38.979 38.979 38.979 38.981 38.977 38.979 38.979 38.983 Mẫu Sau mạ crôm (Hình 10), kích thước đường kính trục đo vị trí so với trước mạ thu kết Bảng Hình 10 Bộ mẫu mạ crôm bể mạ thông thường Bảng Giá trị đường kính trục mẫu mạ crôm bể thông thường Vị trí Mẫu 39.012 39.013 39.014 39.018 38.991 38.994 38.995 38.999 38.995 38.998 38.997 39.002 38.993 38.997 38.998 39.005 So sánh giá trị trung bình đường kính mẫu trước sau mạ thu giá trị gia tăng đường kính trục sau (Bảng 5, Hình 11): 333 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Giá trị gia tăng đường kính trục mẫu mạ bể thông thường Vị trí 0.016 0.016 0.018 0.021 0.017 0.017 0.018 0.019 0.016 0.019 0.018 0.021 0.016 0.018 0.019 0.022 Mẫu mm ,0.025 ,0.024 ,0.023 ,0.022 ,0.021 ,0.020 ,0.019 ,0.018 ,0.017 ,0.016 ,0.015 ,0.014 ,0.013 ,0.012 ,0.011 ,0.010 ,0.009 ,0.008 ,0.007 ,0.006 ,0.005 ,0.004 ,0.003 ,0.002 ,0.001 ,0.000 Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 4 Vị trí đo Hình 11 Giá trị gia tăng đường kính trục mẫu mạ bề mạ thông thường Nhận xét: - Kích thước trung bình đường kính trục mẫu mạ bể mạ thông thường thay đổi phạm vi ±4 μm; - Độ chênh lệch kích thước lớn μm theo chiều dài dọc trục; - Độ chênh lệch tối đa kích thước hướng tâm (tại vị trí đo) 12 μm; 3.3.2 Thực nghiệm máy mạ chế tạo - Bước 1: Đo tính giá trị trung bình kích thước đường kính trục chi tiết trước mạ; - Bước 2: Tiến hành mạ crôm cho mẫu với thông số thiết lập tốc độ quay 40 vòng/phút cho catốt; - Bước 3: Đo tính giá trị trung bình kích thước đường kính trục chi tiết sau mạ; - Bước 4: So sánh kích thước đường kính trục trước sau mạ, từ đánh giá bề dày độ đồng lớp mạ thu được; Thực nghiệm tiến hành tương tự với số liệu sau: Kích thước trung bình đường kính trục trước mạ: 334 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Kích thước trung bình đường kính trục mẫu Vị trí 38.989 38.991 38.991 38.991 38.988 38.989 38.987 38.987 38.981 38.986 38.985 38.988 38.992 38.992 38.992 38.994 Mẫu Sau mạ crôm (Hình 12), kích thước đường kính trục đo vị trí so với trước mạ thu kết Bảng 7: Hình 12 Bộ mẫu mạ crôm máy mạ Bảng Giá trị trung bình đường kính trục mẫu mạ crôm máy mạ Vị trí 39.010 39.013 39.012 39.009 39.009 39.010 39.005 39.005 39.001 39.007 39.006 39.005 39.011 39.010 39.010 39.012 Mẫu So sánh giá trị trung bình đường kính mẫu trước sau mạ thu giá trị gia tăng đường kính trục sau (Bảng 8, Hình 13): Bảng Giá trị gia tăng đường kính trục mẫu mạ máy mạ chế tạo Vị trí 0.021 0.022 0.021 0.018 0.021 0.021 0.018 0.018 0.020 0.021 0.021 0.017 0.019 0.018 0.018 0.018 Mẫu 335 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV mm 0.024 0.023 0.022 0.021 0.02 0.019 0.018 0.017 0.016 0.015 0.014 0.013 0.012 0.011 0.01 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 4 Vị trí đo Hình 13 Giá trị gia tăng đường kính trục mẫu mạ máy mạ Nhận xét: - Kích thước trung bình đường kính trục mẫu mạ máy mạ chế tạo thay đổi phạm vi ±3 μm Theo kết số liệu vị trí đo thứ chi tiết sai lệch μm, vị trí đo chi tiết khác độ sai lệch phạm vi ±2 μm Nguyên nhân sai lệch diện tích tiếp xúc mẫu mạ điện cực âm lớn nên dẫn đến tượng cháy xén mức độ cháy xén mẫu lớn hao hụt dung dịch mạ trình mạ; Hiện tượng cháy xén làm cho bề dày lớp mạ có khuynh hướng giảm vị trí đo thứ 4; - Độ chênh lệch kích thước lớn μm theo chiều dài dọc trục; - Độ chênh lệch tối đa kích thước hướng tâm (tại vị trí đo) μm; KẾT LUẬN Từ trình thực nghiệm kết số liệu đến kết luận sau: - Máy mạ đáp ứng thông số kỹ thuật đề xuất; - Máy mạ có khả tạo chuyển động quay ổn định cho catốt (từ – 60 vòng/phút), cho phép giám sát khống chế nhiệt độ dung dịch suốt trình mạ; - Bề dày lớp mạ thu có độ sai lệch phạm vi ±3 μm suốt chiều dài trục mạ - Độ chênh lệch tối đa kích thước hướng tâm (tại vị trí đo) μm; - Độ dày lớp ổn định chi tiết mạ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] BAL SEAL Engineering A Guide for Selecting the Type of Chrome Plating for Use Technical Report TR-14 (Rev F) [2] L.Maria Irudaya Raj, Sathishkumar.J, B.Kumaragurubaran, P Gopal Analysis of Hard Chromium Coating Defects and its Prevention Methods International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), ISSN: 2249 – 8958, Volume-2, Issue-5 June 2013 [3] Kenneth R Newby Functional chromium plating Atotech USA Inc., Rock Hill, SC 2008 [4] Nguyễn Khương Những quy trình kỹ thuật mạ kim loại hợp kim tập 1,2 NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2010 336