1 PHẦN MỞ ĐẦU Việt Nam là quốc gia đang trên đà phát triển, quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước đòi hỏi sự vượt trội về công nghệ và nguồn nhân lực trí thức trẻ. Đó là điều mỗi nước đều theo đuổi nhằm đạt được sự ưu việt nhất trong quá trình sản xuất, nó không chỉ có ý nghĩa về mặt lợi nhuận mà còn có ý nghĩa về sự phát triển khoa học. Vi ệc tìm tòi nghiên cứu và tìm ra những thiết bị, máy móc mới nhằm phục vụ sản xuất và đời sống chính là mục tiêu cố gắng không ngừng nghỉ của mỗi người với ý nghĩa khẳng định sự thành công trong thương trường khi áp dụng được những công nghệ tốt nhất quốc gia và Việt Nam cũng không nằm ngoài dòng chảy chung đó của thế giới. Tại Việt Nam khi mà việc áp dụng khoa học công nghệ còn chưa cao và chưa được thực hiện trên quy mô lớn thì việc hiện đại hóa các quy trình sản xuất càng bức thiết hơn bao giờ hết. Khi nền công nghiệp pháp triển cũng kéo theo các yêu cầu cao về độ chính xác, độ bền, độ phẩm mỹ của các chi tiết cơ khí. Hiện nay trên thị trường các sản phẩm chi tiết cơ khí có bề mặt rất bóng, có độ bền cao; đó là vì chúng đã được mạ một lớp kim loại có những tính chất hóa học như trên. Nổi bật trong đó là hai kim loại Nikel và Crom đóng vai trò chủ yếu và quan trọng. Tại Việt Nam, các công ty phải nhập các dây chuyền mạ Nikel - Crom từ nước Ngoài chi phí cao. Thời gian gần đây đã có nhiều công ty Việt Nam đã tự chế tạo các dây chuyền mạ Nikel-Crom, tuy nhiên số lượng còn hạn chế. Đồng thời ngành giáo dục nước nhà cũng phải đào tạo được nguồn lao động có trình độ tay nghề cao đáp ứng được công nghệ hiện đại. Việc xây dựng các mô hình thí nghiệm sát với các hệ thống công nghiệp tại các trường đại học, cao đẳng để sinh viên ra trường không phải đào tạo lại là một việc mang tính cấp bách. Tại khoa Công nghệ Hóa – Thực phẩm, trường Đại học Lạc Hồng, các bạn sinh viên đã được tiếp xúc với quy trình thí nghiệm mạ Nikel-Crom. Tuy nhiên đây chỉ là ph ương pháp thủ công, chính vì thế mà các bạn rất dễ tiếp xúc với hóa chất độc hại cao, ảnh hưởng đến sức 2 khỏe và việc học tập. Do đó việc tự động hóa quy trình mạ Nikel-Crom trong phòng thí nghiệm là một nhu cầu cấp thiết. Được sự chấp thuận của Ban giám hiệu, ban lãnh đạo khoa Cơ Điện trường Đại Học Lạc Hồng, ban lãnh đạo khoa Công nghệ Hóa – Thực phẩm, hướng nghiên cứu này được thực hiện bằng đề tài tốt nghiệp mang tên: “Thiết kế tự động hóa pilot mạ Nikel - Crom phục v ụ phòng thí nghiệm khoa Hóa”. Phương pháp nghiên cứu của đề tài là: Kế thừa và phát huy mô hình thí nghiệm mạ Nikel-Crom của khoa Công nghệ hóa – thực phẩm, dưới tiêu chí chế tạo được mô hình cánh tay robot đơn giản nhất với chi phí thấp nhất nhưng mang lại hiệu quả cao nhất. Nhóm nghiên cứu đã đưa ra nhiều ý tưởng cũng như sử dụng công nghệ phù hợp với giải pháp của đề tài. Từ đó lựa ch ọn giải pháp tốt nhất mang hiệu quả giảng dạy – học tập, tiết kiệm diện tích cho phòng thí nghiệp thực hiện việc thiết kế và thi công mô hình. Nội dung thực hiện của đề tài là lựa chọn các giải pháp cơ khí đơn giản, chính xác, ứng dụng điều khiển tự động vào mô hình mạ Nikel -Crom ứng dụng trong phòng thí nghiệm nhưng sát với các dây chuyền xi mạ trên thực tế. Mục đích của đề tài là tự động động hóa quy trình mạ Nikel-Crom, với độ chính xác cao, nhằm phục vụ giảng dạy thực tế với bên ngoài công ty, xí nghiệp. Ý nghĩa khoa học của đề tài là ứng dụng kỹ thuật cơ khí và tự động hóa vào quy trình mạ Nikel-Crom, để khi sinh viên tiến hành thí nghiệm có thể quan sát quá trình xi mạ một cách thuận lợi nhất mà không phải tiếp xúc với các hóa chất độc hại. Ý nghĩ a thực tiễn của đề tài là góp phần vào việc nâng cao chất lượng giảng dạy- học tập, sinh viên không bỡ ngỡ với công nghệ tự động các dây chuyền mạ Nikel- Crom. Kết quả sản phẩm thành công sẽ được lắp đặt chuyển giao cho phòng thí nghiệm khoa công nghệ Hóa - Thực Phẩm trường Đại Học Lạc Hồng, có thể nhân rộng ra các trường khác nếu có nhu cầu. 3 PHẦN NỘI DUNG Chương 1 Cơ Sở Lý Thuyết 1.1. Tổng quan về mạ điện 1.1.1. Lịch sử phát triển [1] Ngành mạ điện được nhà hóa học người Ý: Luigi V.Brugnatelli khai sinh vào năm 1805. Ông đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp Alessandro Volta là pin Volta để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên. Tuy nhiên, phát minh của ông không có ứng dụng trong công nghiệp trong suốt 30 năm mà chỉ được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm. Hình 1.1: Nhà khoa học Luigi V.Brugnatelli Năm 1839, hai nhà hóa học Anh và Nga khác độc lập nghiên cứu quá trình mạ kim loại đồng cho những nút bản in. Ngay sau đó, John Wright, Birmingham sử dụng chất Kali xyanua cho dung dịch mạ vàng, bạc. Vào thời kì này, đó là dung dịch duy nhất có khả năng cho lớp mạ kim loại quý rất đẹp. Tiếp bước Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sáng chế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840. Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện tại. Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới. Cùng với sự phát triển của 4 khoa học điện hóa, cơ chế điện kết tủa lên bề mặt kim loại ngày càng được nghiên cứu và sáng tỏ. Kỹ thuật mạ điện trang trí cũng được phát triển. Lớp mạ đồng, kẽm, thiếc thương mại chất lượng tốt đã trở nên phổ biến từ những năm 1850. Kể từ khi máy phát điện được phát minh từ cuối thế kỉ 19, ngành công nghiệp mạ điện đã bước sang một kỉ nguyên mới. Mật độ dòng điện tăng lên, năng suất lao động tăng, quá trình mạ được tự động hóa từ một phần đến hoàn toàn. Những dung dịch cùng với các phụ gia mới làm cho lớp mạ đạt chất lượng tốt hơn. Các lớp mạ được nghiên cứu phát triển để thỏa mãn cả yêu cầu chống ă n mòn lẫn trang trí, làm đẹp . Kể từ sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta còn nghiên cứu thành công kỹ thuật mạ Crom cứng, mạ đa lớp, mạ đồng hợp kim . Nhà vật lí Mỹ Richard Feynman đã nghiên cứu thành công công nghệ mạ lên nền nhựa. Hiện nay công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi. 1.1.2. Khái niệm, nguyên lý của mạ điện Khái niệm: Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thu ật 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 (Kathode), kim loại mạ gắn với cực dương (Anode) của nguồn điện một chiều trong dung dịch điện môi (có thể là các axit loãng). Hình 1.2: Nguyên lý của mạ điện (mạ Đồng) 5 Tại cực dương (Anode) xảy ra quá trình Oxy hóa kim loại, giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm (Kathode), tại đây chúng nhận lại e - trong quá trình ôxi 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. 1.2. Công nghệ mạ điện Nikel-Crom 1.2.1. Giới thiệu về Nikel – Crom [4] 1.2.1.1. Nikel (Ni) Hình 1.3: Mẫu tinh thể kim loại Nikel ¾ Ký hiệu hoá học: Ni ¾ Tính chất hoá học: Nikel là kim loại có màu xám, kết tinh ở dạng lập phương diện tâm. Khối lượng nguyên tử 58.6934 đ.v.C, Khối lượng riêng lớn d= 8.9 cm 3 . Nikel có tính khử yếu hơn Fe, tác dụng với nhiều đơn chất và hợp chất, không tác dụng với H 2 . ¾ Tính chất vật lý: Nikel có nhiều tính năng đặc biệt nổi trội như: cứng nhưng lại dẻo, dễ cán mỏng, nhiêt độ nóng chảy cao (1455 0 C), độ bền của Nikel cao hơn các kim loại khác. Nikel bền với không khí và nước ở nhiệt độ phòng. 6 ¾ Ứng dụng: Nikel dùng trong ngành luyện kim. Thép chứa Nikel có độ bền cao về mặt cơ học và hóa học. Trong chế tạo cơ khí, sản phẩm văn phòng, trang trí mạ Nikel để chống gỉ, chống ăn mòn cho bề mặt chi tiết. Hình 1.4: Các chi tiết cơ khí được mạ Nikel 1.2.1.2. Crom (Cr) Hình 1.5: Tinh thể Crom ¾ Ký hiệu hóa học: Cr ¾ Tính chất hoá học: Các trạng thái oxy hóa phổ biến của crom là +2, +3 và +6, với +3 là ổn định nhất. Các trạng thái +1, +4 và +5 là khá hiếm. Các hợp chất của crom với trạng thái oxy hóa +6 là những chất có tính ôxi hóa mạnh. Trong không khí, crom được oxy thụ động hóa, tạo thành một lớp mỏng ôxít bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá trình oxy hóa tiếp theo đối với kim loại ở phía dưới. ¾ Tính chấ t vật lý: Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ bóng cao và nhiệt độ nóng chảy cao. Nó là chất không mùi, không vị và dễ rèn. 7 ¾ Ứng dụng: do có tính chất hoá lý tương tự như Nikel nên hai kim loại này thường đi chung cới nhau trong các ứng dụng mạ điện lên các chi tiết cơ khí, trang trí, tạo độ bền cơ học và tính thẩm mỹ. Hình 1.6: Các chi tiết được mạ Crom 1.2.2. Giới thiệu mạ điện Nikel - Crom 1.2.2.1. Khái niệm mạ Mạ về cơ bản là tạo ra lớp che phủ vô cơ lên bề mặt của chi tiết cần mạ nhằm đem lạcác đặc tính mong muốn như chống ăn mòn, tạo độ cứng, chống mài mòn, chống rạn nứt, dẫn điện hoặc nhiệt, hoặc để trang trí. Những quy trình m ạ phức tạp đặc biệt thường ứng dụng mối quan hệ điện cực (cực âm/cực dương) giữa vật cần mạ và bể mạ. 1.2.2.2 Phân loại mạ ¾ Mạ trống quay: loại kỹ thuật này dùng để mạ một lúc rất nhiều các chi tiết nhỏ. Các chi tiết này được đổ ào vào bể mạ từ các thùng hoặc các thùng nhúng. ¾ Mạ xoa: lớp dung d ịch mạ được phủ lên bề mặt vật cần mạ bằng một vật thấm dung dịch mạ giống như một cây chổi quét, đóng vai trò như cực dương. Chi tiết cần mạ giữ vai trò là cực âm và quá trình được thực hiện bằng một dòng điện trực tiếp. ¾ Mạ cơ khí: là một quá trình diễn ra trong thùng lắng kim loại lên nhiều chất làm nền sử d ụng cơ học chứ không dùng năng lượng điện. 8 ¾ Mạ trên rá: đặt các chi tiết lên vị trí dễ mạ nhất để tiếp xúc với dòng mạ. ¾ Mạ xung điện: được sử dụng phổ biến để mạ vàng và hợp kim vàng, nickel, bạc, chromium, hợp kim thiếc và palladium. ¾ Mạ điện: là một quy trình phổ biến nhất tại các nhà máy hoàn tất kim loại. Trong một số kỹ thuật mạ điện các ion kim loại trong môi trườ ng dung dịch a-xít, kiềm, hoặc trung tính được giảm xuống trên vật cần mạ. Các ion kim loại trong dung dịch thường được bổ sung bằng sự tan rã kim loại từ cực dương kim loại rắn được làm từ chính loại kim loại đang mạ, hoặc có thể được bổ sung trực tiếp dung dịch muối kim loại hoặc các loại ô-xít xyanua, thường ở dạng muối hoặc kali xyanua thường. 1.2.2.3. Quá trình phân cực trong mạ đ iện Nikel-Crom [10] Mạ điện là một quá trình điện phân, ở đó một bề mặt kim loại sẽ được phủ một lớp kim loại khác qua quá trình điện phân. Hoạt động mạ điện chủ yếu ứng dụng với các dạng mạ vô cơ cho các bề mặt vì mục đích chống gỉ, tạo độ cứng, chống mòn, tạo đặc tính chống rạn nứ t, dẫn điện hoặc nhiệt, hoặc để trang trí. Các kim loại và hợp kim thường được dùng trong mạ điện là đồng (đồng-kẽm), cát-mi, crôm, đồng đỏ, vàng, nickel, bạc, thiếc, và kẽm. (OECA, 1995). Hình bên dưới mô tả nguyên lý cơ bản của mạ điện. Hình 1.7: Tổng quát quá trình mạ điện 9 Trên Anode xảy ra quá trình hòa tan kim loại: M – ne Æ M n+ Trên catot, cation phóng điện thành nguyên tử kim loại: M n+ + ne Æ M Thực tế qúa trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao gồm nhiều giai đoạn nối tiếp. Quá trình xảy ra tại Kathode gồm các bước sau: • Cation hydrat hóa M n+. mH 2 O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt Kathode. • Cation mất vỏ hydrat (mH 2 O), vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt Kathode. • Điện tử (e) từ Kathode điền vào vành điện tử hóa trị của Cation, biến nó thành nguyên tử kim loại trung hòa ở dạng hấp thụ. • Các nguyên tử kim loại này sẽ tạo thành tinh thể mới hoặc sẽ tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước. Mầm phát triển thành tinh thể, tinh thể kết tủa thành lớp mạ. T ốc độ chung của quá trình Kathode nhanh hay chậm là do tốc độ chậm nhất của một trong các bước trên quyết định. Mọi trở ngại của các bước trên đều được thực hiện ở độ phân cực Kathode (quá thế Kathode η c ), tức là điện thế Kathode dịch về phía âm hơn một lượng η c so với cân bằng: η c = φ cb – φ (1.1) Trong đó: φ cb : điện thế cân bằng của Kathode (V) φ : điện thế phân cực của Kathode (V) Giữa phân cực Kathode (quá thế Kathode) và cấu trúc kết tủa (lớp mạ) có quan hệ chặt chẽ với nhau: phân cực Kathode càng lớn, tinh thể càng nhỏ mịn. 10 Sự phân cực gây nên do tốc độ di chuyển của ion, gọi là sự phân cực nồng độ. Sự phân cực nồng độ là do sự thay đổi nồng độ ion kim loại ở lớp sát anode và kathode. Ở lớp sát anode nồng độ ion kim loại tăng lên, ở lớp sát kathode nồng độ ion kim loại giảm đi. Sự phân cực có quan hệ mật thiết với mạ và quyết định: • Được lớp kết tinh m ịn. • Khả năng phân bố tốt, lớp mạ đồng đều. • Làm Hydro thoát ra mạnh, làm giảm hiệu suất dòng điện và độ bám lớp mạ. Khi nghiêm trọng có thể gây ra bọt khí, tróc. • Sự phân cực anode làm cho hòa tan không bình thường, dung dịch không ổn định. Nói chung, sự phân cực của dung dịch nồng độ thấp lớn hơn sự phân cực của dung dịch nồng độ cao. Hiện tượng này do trong dung d ịch nồng độ thấp, số ion của nó rất khó bổ sung vào lớp sát kathode. Dung dịch muối phức có sự phân cực lớn hơn dung dịch muối đơn. Khi cho phụ gia vào dung dịch, sẽ có ảnh hưởng lớn tới sự phân cực. Đa số trường hợp khi cho chất phụ gia vào làm tăng sự phân cực. Nhiệt độ của dung dịch tăng lên, làm tăng sự dịch chuyển của ion, bổ sung rấ t nhanh số ion ở lớp sát kathode và khuyếch tán mạnh số ion của anode hòa tan, do đó làm giảm sự phân cực. 1.2.2.4 Thành phần dung dịch và chế độ mạ [11] Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối đa, mặt hàng mạ, .) và chất lượng mạ. Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại mạ, chấ t điên li, và các loại phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn. ¾ Ion kim loại mạ: . bằng đề tài tốt nghiệp mang tên: Thiết kế tự động hóa pilot mạ Nikel - Crom phục v ụ phòng thí nghiệm khoa Hóa . Phương pháp nghiên cứu của đề tài là: Kế. các dây chuyền xi mạ trên thực tế. Mục đích của đề tài là tự động động hóa quy trình mạ Nikel-Crom, với độ chính xác cao, nhằm phục vụ giảng dạy thực tế