Mạ kim loại: Quy trình, ứng dụng và triển vọng trong tương lai

Mạ điện là quá trình trong đó một lớp mỏng kim loại hoặc hợp kim khác được mạ lên các bề mặt kim loại nhất định bằng nguyên lý điện phân. Nguyên tắc là phôi mạ vàng được sử dụng làm cực âm, kim loại mạ điện được sử dụng làm cực dương (đôi khi kim loại không hòa tan trong dung dịch mạ điện được sử dụng làm cực dương) và chất lỏng mạ điện là hợp chất kim loại mạ điện. và muối dẫn điện, chất phụ gia, v.v. Khi các cực được nối với nguồn điện (dòng điện một chiều), các ion kim loại trong dung dịch mạ sẽ di chuyển về cực âm, tại đây các electron thu được sẽ bị khử và lắng đọng trên bề mặt cực âm để trở thành lớp phủ.

Mạ kim loại có lịch sử phát triển lâu đời. Tài liệu về mạ điện được xuất bản sớm nhất là quy trình mạ bạc do Giáo sư Brugnatelli ở Ý đề xuất vào năm 1805, và sau đó ông đề xuất quy trình mạ vàng. Đến năm 1840, Elkington, Anh, nộp đơn xin cấp bằng sáng chế đầu tiên cho bạc mạ xyanua và sử dụng nó trong sản xuất công nghiệp, đánh dấu sự khởi đầu của ngành mạ. Cùng năm đó, Jaeobi nhận được bằng sáng chế đầu tiên về mạ điện đồng từ dung dịch axit.

Vào những năm 1840, các hợp kim mạ điện bắt đầu xuất hiện, chẳng hạn như hợp kim đồng kẽm (đồng thau) và mạ hợp kim kim loại quý. Đến những năm 1850, các kỹ thuật như mạ điện niken, đồng, thiếc và kẽm lần lượt được phát triển. Đầu thế kỷ 20, người ta nhận ra việc sử dụng mạ axit sunfat trên bề mặt dải thép, Proctor đề xuất mạ điện bằng xyanua, Fink (C.G. ink) và Eldridge (C.H.Eldridge) đề xuất phương pháp mạ crom công nghiệp, mạ điện dần phát triển thành một hệ thống kỹ thuật điện hóa hoàn chỉnh.

Hai cuộc chiến tranh thế giới sau đó và ngành hàng không đang phát triển đã thúc đẩy sự phát triển và cải tiến hơn nữa về định vị điện, sự phát triển của các công nghệ thương mại như mạ crom cứng và hợp kim đồng mạ điện, và thiết bị mạ điện được phát triển từ vận hành thủ công sang vận hành dây chuyền lắp ráp hoàn toàn tự động hiện đại.

Do lớp phủ hợp kim có hiệu suất tốt hơn lớp phủ kim loại đơn lẻ nên nó được phát triển từ mục đích ban đầu là lấy lớp phủ hợp kim trang trí sang nghiên cứu lớp phủ hợp kim trang trí, bảo vệ và chức năng. Mạ điện Sau hơn 200 năm ứng dụng và phát triển, các vật liệu mạ điện mới và phương pháp công nghệ xử lý mạ điện tiếp tục xuất hiện và lĩnh vực ứng dụng tiếp tục mở rộng. Vật liệu phủ có thể là kim loại, hợp kim, chất bán dẫn, v.v., và vật liệu ma trận cũng được mở rộng từ kim loại sang vật liệu gốm và polymer.

Giai đoạn tiền xử lý

Làm sạch bề mặt là một bước quan trọng trong quá trình tiền xử lý mạ kim loại. Các phương pháp phổ biến bao gồm làm sạch bằng hóa chất, làm sạch cơ học và làm sạch bằng siêu âm. Làm sạch bằng hóa chất loại bỏ dầu và tạp chất khỏi bề mặt bằng cách sử dụng các tác nhân hóa học cụ thể; Làm sạch cơ học bằng cách mài, phun cát và các phương pháp khác để loại bỏ bề mặt lớp oxit và bụi bẩn; Làm sạch bằng sóng siêu âm sử dụng rung động âm thanh tần số cao để nâng cao hiệu quả làm sạch. Mục đích của các phương pháp làm sạch này là mang lại bề mặt sạch sẽ cho các quá trình mạ tiếp theo, đảm bảo độ bám dính và tính đồng nhất của lớp phủ.

Tẩy gỉ chủ yếu được sử dụng để loại bỏ oxit và rỉ sét trên bề mặt kim loại. Dung dịch tẩy phổ biến bao gồm axit sulfuric, axit clohydric, v.v. Quá trình tẩy rửa có thể kích hoạt bề mặt kim loại và cải thiện lực liên kết giữa lớp phủ và chất nền.

Xử lý trước mạ cũng bao gồm kích hoạt, thụ động và các bước khác. Việc xử lý kích hoạt có thể tăng cường hoạt động của bề mặt kim loại và làm cho quá trình mạ điện diễn ra suôn sẻ hơn. Xử lý thụ động tạo thành một lớp màng bảo vệ trên bề mặt kim loại để cải thiện khả năng chống ăn mòn của lớp phủ.

Giai đoạn mạ điện

Trong quá trình mạ điện, việc điều chỉnh các thông số như dòng điện, nhiệt độ là rất quan trọng. Mật độ dòng điện ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lắng và chất lượng của lớp phủ. Mật độ dòng điện thấp dẫn đến tốc độ lắng đọng chậm và sự kết tinh thô của lớp phủ. Tuy nhiên, mật độ dòng điện quá cao có thể khiến lớp phủ bị cháy và bề mặt bị nhám. Vì vậy, cần phải chọn mật độ dòng điện phù hợp theo thành phần của bể và yêu cầu của lớp phủ.

Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu ứng mạ điện. Tăng nhiệt độ có thể đẩy nhanh tốc độ khuếch tán ion và cải thiện tính đồng nhất và mật độ của lớp phủ. Tuy nhiên, nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự phân hủy thành phần của bể và ảnh hưởng đến chất lượng của lớp phủ.

Việc chuẩn bị dung dịch mạ là khâu then chốt để đảm bảo chất lượng mạ. Các vật liệu phủ khác nhau đòi hỏi các công thức tắm khác nhau, tỷ lệ và nồng độ của các thành phần khác nhau phải được kiểm soát chặt chẽ khi chuẩn bị. Đồng thời, cần xem xét các yếu tố như độ pH và độ dẫn điện của bể để đảm bảo độ ổn định của bể và đạt được kết quả mạ điện tốt.

Giai đoạn hậu xử lý

Làm sạch là bước đầu tiên của quá trình xử lý sau, có thể loại bỏ dung dịch mạ còn sót lại và các tạp chất trên bề mặt lớp phủ và ngăn lớp phủ bị đổi màu và ăn mòn.

Đánh bóng có thể cải thiện độ phẳng bề mặt và độ bóng của lớp phủ và làm cho vẻ ngoài của nó đẹp hơn.

Khô giúp loại bỏ độ ẩm trên bề mặt lớp phủ, ngăn ngừa vết nước và rỉ sét.

Xử lý niêm phong tạo thành một lớp màng bảo vệ dày đặc trên bề mặt lớp phủ, cải thiện hơn nữa khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn của lớp phủ, đồng thời kéo dài tuổi thọ của lớp phủ. Các phương pháp xử lý sau này phối hợp với nhau để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của lớp phủ.

Lợi thế

Mạ kim loại có nhiều ưu điểm đáng kể. Đầu tiên, mạ điện có thể tăng cường đáng kể khả năng chống ăn mòn của kim loại. Bằng cách hình thành một lớp phủ bảo vệ trên bề mặt kim loại, nó ngăn chặn hiệu quả sự tiếp xúc giữa kim loại với oxy, nước và các chất ăn mòn khác ở môi trường bên ngoài, kéo dài đáng kể tuổi thọ của kim loại. Ví dụ, khả năng chống ăn mòn của sản phẩm thép mạ kẽm trong môi trường khắc nghiệt đã được cải thiện rất nhiều.

Thứ hai, mạ điện có thể làm tăng đáng kể độ cứng của kim loại. Một số kim loại được phủ như crom và niken có độ cứng cao, có thể cải thiện khả năng chống mài mòn của kim loại sau khi mạ lên bề mặt kim loại, giúp kim loại bền hơn trong môi trường ma sát và mài mòn.

Trong Ngoài ra, mạ điện cũng có thể cải thiện tính dẫn điện của kim loại. Ví dụ, mạ vàng, mạ bạc và các quy trình khác có thể tạo thành một lớp dẫn điện tốt trên bề mặt kim loại, giảm điện trở và cải thiện hiệu suất dẫn dòng điện, có ý nghĩa lớn trong sản xuất thiết bị điện tử và mạch điện.

Trong Ngoài ra, mạ điện cũng có thể cải thiện sự xuất hiện của kim loại, làm cho nó mịn hơn, sáng hơn, có tính trang trí tốt hơn, đáp ứng các nhu cầu thẩm mỹ khác nhau.

Nhược điểm

Tuy nhiên, mạ kim loại cũng có một số nhược điểm không thể bỏ qua. Đầu tiên, quá trình mạ điện sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nước thải mạ điện thường chứa một số lượng lớn các ion kim loại nặng, chẳng hạn như crom, niken, cadmium, v.v., cũng như các chất axit-bazơ và các chất ô nhiễm hữu cơ. Nếu nước thải được thải trực tiếp mà không được xử lý thích hợp sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng cho đất, nguồn nước, gây nguy hiểm cho môi trường sinh thái và sức khỏe con người.

Thứ hai, xử lý không đúng cách trong quá trình mạ điện có thể gây phản tác dụng. Ví dụ, vấn đề giòn do hydro có thể làm cho lớp phủ và kim loại cơ bản trở nên giòn, làm giảm tính chất cơ học của chúng. Nếu các bước xử lý sau trong quy trình mạ không hoàn hảo có thể dẫn đến các khuyết tật trên lớp phủ, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của lớp phủ.

Trong Ngoài ra, mạ điện cần tiêu tốn nhiều năng lượng và tài nguyên, và quá trình này tương đối phức tạp và chi phí cao. Đồng thời, đối với một số doanh nghiệp nhỏ, có thể thiếu thiết bị và công nghệ kiểm soát ô nhiễm hiệu quả, khó đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường.

Lĩnh vực trang trí bảo vệ

Trong lĩnh vực trang trí bảo vệ, mạ kim loại có rất nhiều ứng dụng. Vòi vệ sinh thường được xử lý bằng lớp mạ đồng/niken/crom, không chỉ mang lại vẻ ngoài sáng bóng mà còn mang lại những đặc tính bảo vệ nhất định giúp chống gỉ và mài mòn trên bề mặt vòi. Trang sức nhân tạo cũng là một trường hợp ứng dụng phổ biến, chẳng hạn như mạ điện giả vàng, vàng, bạc và các lớp phủ kim loại khác hoặc sử dụng quy trình anodizing nhôm để có màu sắc và kết cấu tương tự như kim loại quý, đáp ứng nhu cầu làm đẹp của con người. và trang trí. Ngoài ra, những phần cứng tiếp xúc thường xuyên hàng ngày như tay nắm cửa thường được mạ điện để tăng vẻ đẹp và độ bền.

Lĩnh vực bảo vệ chống ăn mòn

Trong lĩnh vực chống ăn mòn, mạ kim loại đóng vai trò quan trọng. Tấm mạ kẽm là vật liệu chống ăn mòn phổ biến, mạ một lớp kẽm trên tấm sắt có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn của tấm sắt và được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, ô tô và các ngành công nghiệp khác. Mạ crom cũng là lớp phủ chống ăn mòn phổ biến và quá trình này thường được sử dụng ở vành bánh xe đạp cũ trước đây. Ngoài ra, các quy trình như mạ niken điện phân và anodizing cũng có thể tăng cường hiệu quả khả năng chống ăn mòn của kim loại, mang lại sự bảo vệ đáng tin cậy cho các sản phẩm kim loại trong môi trường khắc nghiệt như công nghiệp và ngoài trời, đồng thời kéo dài tuổi thọ của chúng.

Các lĩnh vực hiệu suất được cải thiện

Về mặt cải thiện hiệu suất, mạ kim loại hoạt động tốt. Chúng ta biết rằng nhựa ban đầu không dẫn điện, nhưng theo một số yêu cầu đặc biệt, một lớp kim loại dẫn điện được mạ trên bề mặt nhựa thông qua một quy trình đặc biệt, chẳng hạn như mạ bạc hoặc đồng, có thể làm cho nhựa có đặc tính dẫn điện, vì vậy như được sử dụng trong các thiết bị điện tử, mạch tích hợp và các lĩnh vực khác. Phương pháp mạ này mang lại cho vật liệu những đặc tính mới và mở rộng phạm vi ứng dụng của nó.

Các lĩnh vực yêu cầu hiệu suất đặc biệt

Đối với các yêu cầu hiệu suất đặc biệt, mạ kim loại cũng có thể được đáp ứng. Trong nhu cầu chống mài mòn, chẳng hạn như bề mặt của một số bộ phận cơ khí, có thể mạ một lớp vật liệu chống mài mòn, chẳng hạn như một lớp phủ cacbua vonfram hoặc carbon giống kim cương (DLC), cải thiện đáng kể độ mài mòn sức đề kháng của các bộ phận, giảm hao mòn và kéo dài tuổi thọ. Trong trường hợp tự bôi trơn, một lớp phủ nanocompozit than chì có thể được mạ trên bề mặt vật liệu để giảm hệ số ma sát, đạt được hiệu quả tự bôi trơn và cải thiện hiệu quả vận hành và độ ổn định của thiết bị.

Triển vọng thị trường

Với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp ô tô, nhu cầu mạ kim loại sẽ tiếp tục tăng cao. ô tô các bộ phận bên ngoài và bên trong, chẳng hạn như cản xe, bánh xe, bảng điều khiển, v.v., để đạt được tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn cao hơn, nhu cầu về quy trình mạ điện chất lượng cao ngày càng tăng. Đồng thời, sự gia tăng của các phương tiện sử dụng năng lượng mới, đối với linh kiện pin, linh kiện điện tử và các yêu cầu về lớp mạ bảo vệ khác cũng khắt khe hơn. Trong các ngành thiết bị gia dụng , các sản phẩm thông minh và cao cấp đã trở thành xu hướng chủ đạo, đồng thời yêu cầu của người tiêu dùng về hình thức và độ bền của sản phẩm đã thúc đẩy các nhà sản xuất thiết bị gia dụng áp dụng các công nghệ mạ điện tiên tiến hơn, chẳng hạn như mạ nano, để nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm. trong lĩnh vực hàng không vũ trụ , với sự tiến bộ của khám phá không gian và cải tiến liên tục hiệu suất máy bay, các yêu cầu cao hơn được đặt ra cho các đặc tính chịu nhiệt độ cao, chống mài mòn và chống ăn mòn của các bộ phận, điều này sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ mạ kim loại trở nên tinh tế hơn và hướng hiệu quả cao. Dự kiến ​​nhu cầu mạ kim loại trong các ngành này sẽ tiếp tục duy trì xu hướng tăng trưởng mạnh mẽ trong thời gian tới.

Sự đổi mới, phát triển về công nghệ

Về vật liệu mạ điện mới, việc ứng dụng vật liệu nano và vật liệu composite dự kiến ​​sẽ trở thành trọng tâm của nghiên cứu và phát triển . Công nghệ mạ nano sẽ cải thiện hơn nữa các đặc tính của lớp phủ như độ cứng, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn. Đồng thời, các vật liệu hợp kim mới, chẳng hạn như hợp kim đồng có tính chất đặc biệt, hợp kim niken, v.v., cũng sẽ được phát triển để đáp ứng các nhu cầu công nghiệp khác nhau. Về mặt đổi mới quy trình, dây chuyền sản xuất mạ điện thông minh và tự động sẽ trở thành xu hướng phát triển, có thể nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo tính đồng nhất của chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nhân công. Ngoài ra, việc phát triển và ứng dụng quy trình mạ điện không chứa xyanua và mạ điện có hàm lượng crom thấp dựa trên các khái niệm bảo vệ môi trường xanh sẽ được mở rộng hơn để giảm ô nhiễm môi trường.

Bảo vệ môi trường và bền vững

Trong quá trình phát triển của mạ kim loại, bảo vệ môi trường, tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải là rất quan trọng. Yêu cầu của chính phủ và xã hội về bảo vệ môi trường ngày càng khắt khe, doanh nghiệp cần tăng cường đầu tư thiết bị, công nghệ bảo vệ môi trường để đảm bảo nước thải, khí thải và cặn thải được thải ra đạt tiêu chuẩn. Nghiên cứu phát triển và sử dụng các quy trình mạ thân thiện với môi trường hơn, chẳng hạn như công nghệ mạ không phát thải dung dịch mạ, sẽ trở thành hướng phát triển trong tương lai. Đồng thời, bằng cách tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm tiêu thụ tài nguyên và đạt được sự phát triển bền vững. Tăng cường tái chế, tái sử dụng chất thải mạ điện không chỉ có thể giảm ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế nhất định. Tóm lại, chỉ bằng cách tập trung vào bảo vệ môi trường và phát triển bền vững, ngành mạ kim loại mới có thể có một tương lai rộng mở.