Mạ điện

Kỹ thuật mạ điện hoặc kỹ thuật Galvano (được đặt theo tên của nhà khoa học người Ý Luigi Galvani), là quá trình điện phủ lớp kim loại lên một vật.

Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được kết nối với cực âm catốt, kim loại được mạ kết nối với cực dương anốt của nguồn điện trong dung dịch điện phân. Cực dương của nguồn điện sẽ thu hút các electron trong quá trình oxi hóa và giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng của lực điện trường, các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm, nơi chúng nhận lại electron trong quá trình oxi hóa khử để tạo thành lớp kim loại phủ 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.
Ví dụ: mạ đồng trong dung dịch điện phân SO_{4, tại cực dương:}

Cu → Cu + 2e

Cu + SO_{4 → CuSO4}

CuSO_{4 dễ tan trong dung dịch, tại cực âm}

CuSO_{4 → Cu + SO4}

Cu + 2e → Cu

Kim loại mạ thường là vàng, bạc, đồng, niken và được sử dụng trong sản xuất đồ trang sức, linh kiện điện tử, tế bào nhiên liệu, đồ gia dụng không gỉ,...

Lịch sử

Ngành mạ điện được nhà hóa học người Ý Luigi V. Brugnatelli sáng lập vào năm 1805. Ông đã sử dụng thành quả của nhà khoa học người Ý Alessandro Volta, pin Volta để phát triển quá trình phủ điện đầu tiên. Phát minh của ông ban đầu không được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và chỉ được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Vào năm 1839, hai nhà hóa học Anh và Nga độc lập nhau đã nghiên cứu quá trình mạ điện kim loại đồng để sản xuất các nút bản in. Ngay sau đó, John Wright từ Birmingham, Anh đã sử dụng kali xyanua trong dung dịch mạ vàng, bạc. Đây là dung dịch duy nhất có khả năng tạo ra lớp mạ kim loại quý rất đẹp. Theo sau Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sáng chế về kỹ thuật mạ điện vào năm 1840. Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện tại Birmingham đã sản xuất sản phẩm mạ điện phủ rộng khắp trên toàn cầu. Cùng với sự phát triển của khoa học điện hóa, cơ chế kết tủa điện lên bề mặt kim loại ngày càng được nghiên cứu và hiểu rõ hơn. Kỹ thuật mạ điện phi trang trí cũng tiến bộ. Các lớp mạ kẽm, đồng, kẽm, thiếc thương mại chất lượng cao đã trở nên phổ biến từ những năm 1850. Kể từ khi máy phát điện được phát minh từ cuối thế kỷ XIX, ngành công nghiệp mạ điện đã bước sang kỷ nguyên mới. Mật độ dòng điện tăng lên, năng suất lao động gia tăng, quá trình mạ được tự động hóa từ một phần đến hoàn toàn. Các dung dịch mới và phụ gia đã làm cho lớp mạ có chất lượng tốt hơn. Các lớp mạ được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng cả yêu cầu chống ăn mòn và mục đích 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, mạ kẽm sunfamat,... Nhà vật lý người Mỹ Richard Feynman đã thành công trong nghiên cứu công nghệ mạ lên nền nhựa. Hiện nay công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi. Kỹ thuật mạ hiện nay là một trong ba quá trình của chu trình LIGA - được sử dụng trong sản xuất robot điện tử siêu nhỏ (MEMS).

Sự hình thành lớp mạ điện

• Điều kiện tạo thành lớp mạ điện

Mạ điện là một quá trình điện phân. Quá trình tổng quát là: -Trên anot xảy ra quá trình tan chảy kim loại anot:

M – ne → M

-Trên catot xảy ra quá trình ion dương bị giải phóng trở thành kim loại mạ:

M + ne → M

Thực tế quá trình trên diễn ra qua nhiều giai đoạn liên tục như: quá trình hidrat hóa cation di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catot (quá trình khuếch tán); cation mất vỏ hidrat tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catot (quá trình hấp phụ); điện tử chuyển từ catot vào vùng hóa trị của cation, biến chúng thành nguyên tử kim loại trung hòa (quá trình phóng điện); những nguyên tử kim loại này sẽ tạo thành mầm tinh thể mới hoặc tham gia vào việc phát triển mầm tinh thể đã hình thành trước đó. Mọi trở ngại của các quá trình trên dẫn đến sự phân cực âm của catot (quá trình phân cực catot), tức là điện thế của catot dịch chuyển về phía âm so với điểm cân bằng một lượng nhất định:

η_c = φ_cb - φ = η_nđ + η_đh + η_kt

Trong đó:

η_c: tổng quá thế ở catot

φ_cb: điện thế cân bằng của catot

φ: điện thế phân cực của catot (với dòng i)

η_nđ: quá thế nồng độ (phụ thuộc vào quá trình khuếch tán)

η_đh: quá thế chuyển điện tích

η_kt: quá thế kết tinh

Do đó, quá trình kết tủa kim loại trên catot chỉ xảy ra khi điện thế của catot dịch chuyển khỏi điểm cân bằng về phía âm đủ để vượt qua các trở ngại nêu trên.

• Điều kiện hình thành tinh thể

Trong điều kiện điện kết tủa kim loại trong dung dịch, yếu tố quyết định tốc độ hình thành mầm tinh thể là tỷ lệ giữa mật độ dòng điện catot Dc và mật độ dòng trao đổi i₀:

β = D_c / i₀

Ngược lại, theo phương trình Tafel:

η = a + b.log D_c

Mở rộng ra, mọi yếu tố làm tăng phân cực catot đều dẫn đến lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn hơn, và ngược lại. Các mầm tinh thể ban đầu mới xuất hiện được ưu tiên tham gia vào mạng lưới tinh thể của kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về năng lượng. Đó là những vị trí có nhiều nguyên tử láng giềng nhất, vì ở đó năng lượng bề mặt dư thừa nhất, và các mối liên kết chưa được sử dụng nhiều nhất. Nếu kim loại nền và kim loại kết tủa có cấu trúc mạng khá tương đồng về hình thái và kích thước, thì cấu trúc của kim loại nền được bảo toàn và kim loại kết tủa sẽ phát triển theo cấu trúc đó (cấu trúc lai ghép (epitaxy)), diễn ra ở những lớp nguyên tử đầu tiên. Sau đó, nó sẽ dần chuyển về cấu trúc ban đầu của nó ở những lớp kết tủa tiếp theo. Trường hợp này làm cho lớp mạ kim loại có độ bám dính rất tốt, gần như bằng độ bền liên kết của kim loại nền. Nếu thông số mạng lưới của chúng khác nhau đáng kể, hoặc bề mặt chúng có tạp chất hoặc chất hấp phụ, thì sự lai ghép sẽ không xảy ra. Đây là một trong những nguyên nhân gây ứng suất nội và khiến lớp mạ dễ bong.

• Thành phần dung dịch điện phân

Dung dịch điện phân dùng trong quá trình mạ điện thường là dung dịch nước của muối đơn hoặc muối phức. Dung dịch muối đơn, hay còn gọi là dung dịch axit, chủ yếu là các muối của axit vô cơ tan nhiều trong nước và hoàn toàn phân ly thành các ion tự do trong dung dịch. Trong dung dịch này, hiện tượng phân cực nồng độ và hóa học không quá lớn, do đó lớp mạ thu được thường có cấu trúc thô, dày mỏng không đều và dễ bong. Ngược lại, dung dịch này mang lại hiệu suất dòng điện cao, đặc biệt là khi mật độ dòng lớn. Thường được sử dụng để mạ các chi tiết có hình dạng đơn giản như tấm, hộp... Dung dịch muối phức được tạo thành khi pha chế từ các chất ban đầu. Ion kim loại mạ hình thành phức với các ligan thành phức ion. Hoạt tính của ion kim loại tự do giảm đi rất nhiều, do đó điện thế tiêu chuẩn dịch về phía âm nhiều hơn. Điều này giúp cho lớp mạ mịn, phủ kín, đồng đều... được dùng để mạ các chi tiết có hình dạng phức tạp... Để tăng độ dẫn điện cho dung dịch, thường pha thêm các chất điện giải trơ. Các chất này không tham gia vào quá trình catot và anot mà chỉ đóng vai trò dẫn điện trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ. Các chất dẫn điện thường dùng là Na2SO4, H2SO4, Na2CO3... Để ổn định pH cho dung dịch mạ, cần phải thêm vào dung dịch các chất đệm pH thích hợp để tạo môi trường phản ứng tốt nhất cho quá trình điện kết tủa diễn ra. Các chất hoạt động bề mặt bao gồm các chất bóng loại I, loại II, các chất thấm ướt, chất chống thụ động anot thường là những hợp chất hữu cơ, có tác dụng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha, tham gia vào một số quá trình mong muốn, làm cho lớp mạ thu được có chất lượng tốt hơn.

Xử lý bề mặt kim loại trước khi mạ

• Xử lý cơ học

Xử lý cơ học là quá trình giúp cho bề mặt vật mạ có độ đồng đều và mịn màng cao, từ đó giúp cho lớp mạ bám chắc và đẹp. Các phương pháp xử lý cơ học có thể thực hiện bao gồm mài, đánh bóng (là quá trình mài bóng), quay xóc đối với các vật nhỏ, chải, phun cát hoặc nước dưới áp suất cao. Quá trình xử lý cơ học có thể làm biến dạng bề mặt kim loại sản phẩm, làm giảm độ bám của lớp mạ sau này. Vì vậy, trước khi mạ, bề mặt cần được hoạt hóa trong axit loãng sau đó mới thực hiện quá trình mạ.

• Tẩy dầu mỡ

Bề mặt kim loại sau nhiều công đoạn sản xuất cơ khí thường bị dính dầu mỡ, ngay cả lớp mỏng cũng làm cho bề mặt trở nên khó tẩy sạch, không thể tiếp xúc với dung dịch tẩy mạ… Có thể tẩy dầu mỡ bằng các phương pháp sau: Tẩy trong dung môi hữu cơ như tricloetylen C2HCl3, tetracloetylen C2Cl4, cacbontetraclorua CCl4… chúng có đặc điểm là hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không ăn mòn kim loại, không gây cháy nổ. Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên bề mặt kim loại vẫn còn một lớp mỏng dầu mỡ, không sạch, cần phải tiếp tục tẩy bằng dung dịch kiềm. Tẩy trong dung dịch kiềm nóng NaOH có thêm các chất nhũ tương hóa như Na2SiO3, Na3PO4… Với các chất hữu cơ từ thực vật, chúng tham gia vào phản ứng xà phòng hóa với NaOH và bị loại bỏ khỏi bề mặt kim loại. Đối với các loại dầu mỡ khoáng, chúng bị loại bỏ dưới sự ảnh hưởng của nhũ tương hóa Na2SiO3. Tẩy bằng phương pháp điện hóa, dưới tác dụng của dòng điện, oxy và hydrogen thoát ra có tác dụng cuốn theo các hạt mỡ bám vào bề mặt. Tẩy bằng phương pháp này, dung dịch kiềm chỉ cần pha loãng hơn so với phương pháp tẩy hóa học đã đạt hiệu quả. Tẩy dầu mỡ bằng sóng siêu âm là dùng sóng siêu âm có tần số dao động lớn tác dụng lên bề mặt kim loại, những rung động mạnh sẽ giúp lớp dầu mỡ tách ra dễ dàng hơn.

• Tẩy gỉ

Bề mặt kim loại nền thường có một lớp oxit dày, gọi là gỉ. Tẩy gỉ hóa học cho kim loại thường sử dụng axit loãng H2SO4 hoặc HCl hoặc hỗn hợp của chúng. Quá trình tẩy thường diễn ra đồng thời 2 quá trình: hòa tan oxit và kim loại nền. Tẩy gỉ điện hóa là quá trình tẩy gỉ hóa học kết hợp với dòng điện. Có thể thực hiện tẩy gỉ ở catot hoặc anot. Tẩy gỉ ở anot, lớp bề mặt sẽ rất sạch và hơi nhám, do đó lớp mạ sẽ bám rất chắc. Tẩy gỉ ở catot sẽ sinh ra H mới, có tác dụng khử một phần oxit. Hydro sinh ra cũng góp phần làm tơi cơ học màng oxit và sẽ bong ra. Tẩy gỉ ở catot chỉ áp dụng cho vật liệu mạ bằng thép cacbon, còn với vật liệu mạ Ni, Cr thì không hiệu quả lắm.

• Tẩy bóng điện hóa và hóa học

Tẩy bóng điện hóa để đạt được độ bóng cao hơn so với gia công cơ khí. Lớp mạ trên bề mặt bám chắc, có tinh thể nhỏ và ít lỗ thủng, tạo ra tính chất quang học đặc biệt. Khi tẩy bóng điện hóa, thường sử dụng vật tẩy với anot đặt trong một dung dịch đặc biệt. Do tốc độ hòa tan của phần lồi lớn hơn phần lõm, bề mặt được san bằng và trở nên nhẵn bóng. Cơ chế tẩy bóng hóa học cũng tương tự tẩy bóng điện hóa. Khi tẩy bóng hóa học, xuất hiện lớp màng mỏng cản trở hoặc kìm hãm tác dụng xâm thực của dung dịch với kim loại tại chỗ lõm.

• Tẩy nhẹ

Tẩy nhẹ, còn được gọi là hoạt hóa bề mặt, nhằm loại bỏ lớp oxit rất mỏng, không thể nhìn thấy, được hình thành trong quá trình gia công ngay trước khi mạ. Sau khi tẩy nhẹ xong, cấu trúc tinh thể của bề mặt được lộ ra, độ bám dính sẽ tăng lên.

• Anot hóa
• Mạ Crom
• Điện hóa
• Các ngành công nghiệp

Ghi chú

• Dufour, Jim (2006). Một Giới Thiệu về Kỹ Thuật Luyện Kim, ấn bản thứ 5. Cameron.
• Mohler, James B. (1969). Mạ Điện và Các Quy Trình Liên Quan. Chemical Publishing Co. ISBN 0-8206-0037-7.
• Todd, Robert H. (1994). “Phủ Mặt”. Hướng Dẫn Tham Khảo Quy Trình Sản Xuất. Dell K. Allen và Leo Alting. Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-3049-0.
• Trần Minh Hoàng. Mạ Điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2001.
• Trần Minh Hoàng, Nguyễn Văn Thanh, Lê Đức Tri. Sổ Tay Mạ Điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2002.
• Trương Ngọc Liên. Điện Hóa Lý Thuyết. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2000

Liên Kết Bên Ngoài

• Điện Hóa - Bài viết trong Bách Khoa điện Hóa Lưu trữ 2009-05-30 tại Wayback Machine