Chương 2. Cơ sở công nghệ phục hồi chi tiết máy

2.1. Vai trò, ý nghĩa của phục hồi chi tiết máy

Qua hình 1.1.4 và hình 1.1.5 đã thấy được vị trí của việc phục hồi chi tiết máy trong quá trình sản xuất trong sửa chữa máy. Khi không có chi tiết mới thay thế cho các chi tiết bị hỏng thì để bảo trì được các thông số kinh tế - kỹ thuật của máy phải sử dụng các chi tiết phục hồi. Các chi tiết mới, chi tiết phục hồi có thể được sản xuất trong nước hay nhập ngoại.

Chi tiết phục hồi thường rẻ hơn rất nhiều so với chi tiết mới (chỉ chiếm khoảng 35  60% giá mua chi tiết mới). Các chi tiết càng phức tạp, càng đắt khi chế tạo mới và các chi tiết nhập ngoại thì nếu phục hồi được, hiệu quả kinh tế càng cao.

Lý do chi tiết phục hồi rẻ hơn chi tiết mới gồm:

- Tiết kiệm được nguyên vật liệu vì lượng hao mòn của chi tiết thường rất nhỏ so với khối lượng của nó;

- Không phải mất công tạo phôi;

- Chi phí gia công chi tiết giảm do không phải gia công tất cả các bề mặt mà chỉ gia công những bề mặt có hư hỏng.

Tuy vậy để các chi tiết phục hồi được khách hàng chấp nhận, rõ ràng chúng phải có chất lượng tốt.

2.2. Các phương pháp phục hồi chi tiết máy

Như đã trình bày ở môn học "Cơ sở độ tin cậy máy": có rất nhiều dạng hư hỏng của chi tiết máy. Việc phân loại chúng dựa vào một số cơ sở. Hiện có rất nhiều phương pháp phục hồi cho phép hồi phục được nhiều loại hư hỏng, thậm chí một loại hư hỏng có thể được hồi phục bằng nhiều phương pháp khác nhau.

Hư hỏng của chi tiết máy ngoài cách phân loại như ở môn học Cơ sở độ tin cậy máy còn có cách phân loại khác. Ở cách này hư hỏng được chia thành ba nhóm: mòn; hư hỏng cơ học và hư hỏng hoá nhiệt.

Mòn là dạng hư hỏng hay gặp nhất. Dựa vào mức độ mòn, mòn lại có thể chia thành ba nhóm: mòn đều; mòn không đều sinh ra ôvan, côn (đây là loại thường gặp nhất ở các bề mặt làm việc và bề mặt chính của chi tiết); các vết xước và sây sát nhỏ.

Hư hỏng cơ học (cơ khí) gồm: các vết nứt, thủng, gãy, vỡ, uốn, xoắn, các vết xước và sây sát lớn.

Hư hỏng hoá - nhiệt gồm: gỉ, rỗ do bị ăn mòn (hoá học và điện hoá), cháy, tạo cặn dầu, cặn nước, cong vênh (do giãn nở vì nhiệt).

Trên cơ sở phân loại hư hỏng như trên, các phương pháp phục hồi (loại bỏ hư hỏng) được chia thành ba nhóm: loại bỏ mòn (hồi phục cặp lắp ghép); loại bỏ hư hỏng hoá - nhiệt và loại bỏ hư hỏng cơ học (hình 2.2.1).

Từ hình thấy một hư hỏng có thể được loại bỏ bằng nhiều phương pháp khác nhau. Để hồi phục hoàn toàn một chi tiết (khi chi tiết có nhiều loại hư hỏng) thường phải sử dụng tổ hợp nhiều phương pháp phục hồi khác nhau. Hiệu quả phục hồi chi tiết phụ thuộc đáng kể vào phương pháp gia công chúng và lựa chọn phương pháp hay tổ hợp phương pháp phục hồi hợp lý.

Việc chọn phương pháp phục hồi hợp lý trong một số trường hợp còn làm tăng chất lượng (tuổi thọ) của chi tiết phục hồi so với chi tiết mới.

Để xây dựng quy trình công nghệ phục hồi chi tiết máy cần qua tâm đến những số liệu ban đầu sau:

- Bản vẽ của chi tiết mới với các chỉ dẫn về kích thước, yêu cầu cấp chính xác gia công và độ nhám bề mặt; vị trí tương đối giữa các trục và bề mặt làm việc và các yêu cầu kỹ thuật khác;

- Vật liệu, độ cứng và dạng nhiệt luyện của chi tiết mới;

- Bản vẽ của chi tiết sửa chữa với các chỉ dẫn về phương pháp gia công bề mặt và các phương pháp kiểm tra chuyên dùng (nếu chi tiết sửa chữa bằng phương pháp kích thước sửa chữa hay ghép thêm chi tiết phụ thì trên bản vẽ cần chỉ dẫn các thay đổi tương ứng về kích thước và cầu trúc);

- Điều kiện phủ các kim loại khác nhau, đảm bảo chi tiết phục hồi có các cơ - lý tính cần thiết;

- Bản vẽ cụm trong đó có chi tiết sửa chữa;

- Biểu công nghệ của nhà máy chế tạo chi tiết mới;

- Các yêu cầu về thiết bị, catalog về dụng cụ cắt, đo, phụ trợ;

- Định mức về thời gian cắt, thời gian phụ, thời gian chuẩn bị - kết thúc và thời gian bổ sung.

- Dung sai lắp ghép và lượng dư gia công.

Trong trường hợp không có các số liệu, hồ sơ, thông qua hồ sơ của các máy, chi tiết tương tự, máy, chi tiết mới, nghiên cứu quá trình làm việc của máy, đo đạc...để thiết lập hồ sơ. Thời gian thiết lập hồ sơ trong một số trường hợp có thể khá dài do vừa cho máy làm việc vừa hoàn thiện.

2.3. Hồi phục chi tiết bằng gia công nguội - cơ khí

2.3.1. Hồi phục cặp lắp ghép bằng điều chỉnh

Cách điều chỉnh chỉ thực hiện khi hao mòn của chi tiết nằm trong giới hạn cho phép sử dụng. Điều chỉnh thường được dùng trong sửa chữa, bảo dưỡng đối với khe hở xupap, khe hở cặp bánh răng côn, khe hở một số cặp lắp ghép của hệ thống di động, truyền động.

Do đặc điểm của phương pháp này là chỉ tác động vào khe hở, hình dáng hình học hoàn toàn không được khôi phục lại; thậm chí có trường hợp làm tăng thêm sự biến đổi, sai lệch của nó. Do vậy việc điều chỉnh không cho phép dùng ở các cặp lắp ghép có yêu cầu chất lượng bôi trơn cao. Ví dụ cho trường hợp khôi phục khe hở ban đầu của cặp lắp ghép trục - bạc có thể thấy ngay nhược điểm nói trên.

Ở một số máy kéo cũ giữa hai mảnh lót trục và bạc lót có thêm một số đệm điều chỉnh. Sau một thời gian làm việc khe hở của cặp lắp ghép đạt giá trị giới hạn Smax (hình 2.3.1a). Bằng phương pháp điều chỉnh lại chỉ cần lấy bớt các mảnh đệm ở nắp, bạc lót sẽ hạ thấp xuống đến khi đạt khe hở ban đầu (hình 2.3.1b). Như vậy rõ ràng đã làm tăng thêm độ ôvan của bạc lót. Việc tăng độ ô van sẽ dẫn đến phá hoại màng dầu bôi trơn làm cho cặp lắp ghép làm việc không bình thường. Sau một thời gian làm việc do ảnh hưởng của hao mòn, hình dạng hình học của bạc lót có thể khôi phục lại, song khi đó cặp lắp ghép đã đạt gần đến giá trị giới hạn. Do vậy cặp lắp ghép gần như thường xuyên làm việc trong tình trạng không bình thường. Khi hạ thấp tấm đệm ngoài việc làm thay đổi hình dáng còn làm ảnh hưởng đến tình trạng tiếp xúc giữa bạc lót và ổ đặt bên ngoài, giảm thấp khả năng tản nhiệt, làm tăng nhiệt độ và tăng tốc độ hao mòn.

2.3.2. Hồi phục chi tiết theo kích thước sửa chữa

Trong trường hợp này, cặp lắp ghép được khôi phục khe hở ban đầu, chi tiết được khôi phục hình dáng với các kích thước mới. Các kích thước này được gọi là kích thước sửa chữa. Thường trong một cặp lắp ghép, quy định kích thước sửa chữa cho một chi tiết, chi tiết còn lại thay thế hay gia công với kích thước phù hợp với nó để đạt giá trị khe hở lắp ghép ban đầu. Ví dụ trong máy kéo, ôtô, cặp lắp ghép pitông, xi lanh động cơ; xi lanh doa lại, quy định kích thước sửa chữa cho pitông...Chi tiết thay thế bao giờ cũng là chi tiết dễ chế tạo, rẻ tiền hay có điều kiện hồi phục.

Ưu điểm của phương pháp này là tận dụng được kim loại của bản thân chi tiết, sử dụng hết dự trữ kỹ thuật của nó, điều này rất có ý nghĩa đối với các chi tiết bằng kim loại quý, gia công chế tạo phức tạp.

Nhược điểm là hạn chế việc lắp lẫn, những trường hợp chi tiết hao mòn lớn làm rút ngắn tuổi thọ của máy.

Dưới đây trình bày phương pháp xác định kích thước sửa chữa và số lần sửa chữa.

a) Xác định kích thước sửa chữa

Chi tiết dạng trục (hình 2.3.2).

Kích thước sửa chữa lần thứ nhất (trong trường hợp gia công không dịch tâm) được xác định theo công thức:

dSC1 = dBD - 2(umax + z) (2.3.1)

Độ mòn tổng cộng tính theo đường kính của truc:

u = umax + umin (2.3.2)

Hệ số mòn không đều kkd là tỷ số giữa độ mòn lớn nhất và độ mòn tổng cộng:

(2.3.3)

Khi trục mòn đều (umax=umin) có kkd = 0.5, còn khi trục chỉ mòn một phía (umin = 0) thì có kkd = 1. Như vậy hệ số mòn không đều sẽ dao động trong khoảng từ 0.5 đến 1.

Nếu ta đặt:

SC = 2(umax +z) = 2(kkd.u + z) (2.3.4)

trong đó: SC - miền kích thước sửa chữa (gian cách giữa các lần sửa chữa) và ta có kích thước sửa chữa lần thứ nhất là:

dSC1 = dBD - SC (2.3.5)

Kích thước sửa chữa lần thứ hai, thứ ba,..., thứ n (trong trường hợp hao mòn giữa các lần sửa chữa là như nhau) sẽ là:

dSC2 = dBD - 2SC

dSC3 = dBD - 3SC (2.3.6)

.............................

dSCn = dBD - n.SC

Chi tiết dạng lỗ (cách vẽ hình cũng tương tự như chi tiết dạng trục)

Tương tự như trên có các công thức xác định kích thước sửa chữa cho chi tiết dạng lỗ như sau:

DSC1 = DBD + SC

DSC2 = DBD + 2SC (2.3.7)

.............................

DSCn = DBD + n.SC

trong đó: DBD - kích thước danh nghĩa của chi tiết dạng lỗ; DSCi (i = 1 ÷ n) - kích thước sửa chữa lần thứ i của của chi tiết dạng lỗ.

b) Xác định số lần sửa chữa n.

Chi tiết dạng trục (nT):

(2.3.8)

Chi tiết dạng lỗ (nL):

(2.3.9)

trong đó: dmin, Dmax là kích thước tối thiểu hay nhỏ nhất cho phép của chi tiết dạng trục và kích thước tối đa hay lớn nhất của chi tiết dạng lỗ. Các kích thước này được xác định dựa vào độ bền và điều kiện làm việc bình thường của chi tiết.

Để thuận tiện cho việc chuẩn bị phụ tùng và mở rộng khả năng lắp lẫn, kích thước của từng chi tiết một trong các lần sửa chữa được quy định trước.

Trên thực tế, ngoài các trường hợp hao mòn theo quy luật tự nhiên, có hao mòn vượt quá kích thước lần sửa chữa kế tiếp, khi đó phải gia công với kích thước khác ứng với lần sửa chữa sau. Trường hợp này trong thực tế gọi là "nhảy cốt".

Trên thực tế để tiết kiệm kim loại, có cơ sở đã quyết định sửa chữa theo kích thước đơn chiếc và sử dụng phương pháp gia công lệch tâm nhằm chỉ khôi phục lại hình dáng với kích thước bất kỳ nào đó. Tuy vậy cách này chỉ áp dụng cho những chi tiết khi thay đổi tâm không ảnh hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của nó.

2.3.3. Hồi phục chi tiết bằng cách lắp thêp chi tiết phụ hay thay một phần chi tiết

a) Hồi phục chi tiết bằng cách lắp thêp chi tiết phụ

Khi phục hồi chi tiết bằng cách lắp thêm chi tiết phụ thì bề mặt bị mòn của chi tiết phục hồi phải được gia công để khử hết độ mòn lệch, độ côn, độ ô van sau đó lắp chi tiết phụ trực tiếp lên bề mặt hao mòn.

Phương pháp này hồi phục các lỗ lắp ghép các ổ bi của vỏ hộp số, thân cầu sau, may ơ bánh, ổ đặt xupap...

Chi tiết phụ có thể là ống lót, vòng, vòng đệm, bạc có ren thùy thuộc vào dạng bề mặt phục hồi. Chi tiết phụ thường được chế tạo từ vật liệu giống vật liệu chi tiết được phục hồi. Hồi phục các chi tiết bằng gang cũng có thể chế tạo các chi tiết phụ bằng thép. Bề mặt làm việc của chi tiết phụ phải tương ứng với tính chất của bề mặt được phục hồi của chi tiết. Vì vậy trong trường hợp cần thiết chi tiết phụ cũng phải được gia công nhiệt. Lắp ghép chi tiết phụ được thực hiện nhờ kiểu lắp ghép có độ dôi. Trong trường hợp cần đảm bảo độ tin cậy của lắp ghép có thể bắt chặt bổ sung nhờ hàn vẩy theo mặt rìa, bắt vít hay dùng chốt hãm. Để đề phòng biến dạng trước khi ép bạc nên bôi trên bề mặt chi tiết hỗn hợp dầu máy và grafit.

Sau khi lắp và bắt chặt chi tiết phụ vào chi tiết phục hồi mới tiến hành gia công cơ kết thúc để đạt được kích thước yêu cầu.

Phương pháp hồi phục bằng lắp thêm chi tiết phụ được sử dụng rộng rãi trong sửa chữa máy do quy trình công nghệ và trang thiết bị sử dụng đơn giản. Tuy nhiên sử dụng phương pháp này không phải luôn luôn đáp ứng quan điểm kinh tế do cho phí vật liệu lớn để chế tạo các chi tiết phụ. Ngoài ra nhiều trường hợp đưa đến làm giảm độ bền cơ học của chi tiết hồi phục và làm phức tạp trong lắp lẫn.

Hình 2.3.3 là sửa chữa bằng lắp thêm chi tiết (bạc) để lắp trục (a) và lắp ổ lăn (b).

b) Hồi phục chi tiết bằng cách thay một phần chi tiết

Khi phục hồi bằng cách thay một phần chi tiết, thì một phần chi tiết bị mòn hay hỏng sẽ được cắt bỏ rồi thay vào bằng một phần mới có kích thước và hình dạng ban đầu hay nguyên thủy.

Phương pháp này thường được dùng để sửa chữa mặt ổ khớp xoay của cần sang số (hình 2.3.4), vành răng hoặc ống trục then hoa...

2.4. Hồi phục chi tiết bằng phương pháp hàn

Hàn là một trong những công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xưởng sửa chữa hiện nay để hồi phục các chi tiết hao mòn, hàn nối các chi tiết gãy vỡ trong ô tô, máy kéo, các loại máy động lực và công tác khác.

Kiến thức cơ bản về hàn đã được giới thiệu trong môn học Gia công cơ khí. Ở đây chỉ giới thiệu những vấn đề liên quan đến việc vận dụng công nghệ này trong hồi phục chi tiết máy.

2.4.1. Phân loại hàn

Mối ghép nguyên khối không tháo được nhờ sự hàn gọi là mối ghép hàn. Mối ghép hàn (kim loại và hợp kim) đặc trưng bởi sự liên kết liên tục và nguyên khối về kết cấu và tổ chức nhờ các liên kết nguyên - phân tử giữa các hạt cơ bản của các vật hàn. Để xảy ra sự hàn, cần dịch chuyển các phần tử hàn tới khoảng cách cấp bán kính nguyên tử (10-8 cm). Lúc ấy giữa các nguyên tử bề mặt của các chất rắn có thể xảy ra sự tương tác nguyên tử và tiếp theo sự tương tác hóa học.

Hiện có rất nhiều loại hàn, việc phân loại chúng dựa vào một số cơ sở. Dưới đây trình bày một cách phân loại (dĩ nhiên cách phân loại này cũng chỉ là tương đối).

a) Dựa vào phương pháp dịch chuyển các phần tử hàn lại gần nhau:

1. Hàn nóng chảy (làm nóng chảy cả vật hàn và điện cực như: hàn hồ quang, hàn hơi);

2. Hàn áp lực (đốt nóng vật hàn và điện cực đến trạng thái dẻo sau đó ép để tăng khả năng thẩm thấu, khuyết tán như: hàn rèn, hàn điện tiếp xúc);

3. Hàn hỗn hợp (vừa có sự làm nóng chảy kim loại vừa có sử dụng áp lực như: hàn nhiệt nhôm, hàn vẩy).

b) Dựa vào nguồn nhiệt làm nóng chảy kim loại

1. Hàn điện (hàn hồ quang, hàn điện xỉ, hàn tia lửa điện);

2. Hàn hóa học (hàn hơi, hàn nhiệt nhôm).

Hàn nhiệt nhôm là phương pháp dùng nhiệt năng phát ra do sự cháy của bột nhôm với oxit sắt để đốt nóng vật hàn.

Phương trình phản ứng hóa học của bột nhôm với ôxit sắt như sau:

8Al +3Fe3O4  4Al2 + 9Fe +Q (2.4.1)

trong đó: Q - nhiệt năng phát ra (khoảng 30000C).

Hàn nhiệt nhôm có ba loại: hàn áp lực bột nhôn - sắt; hàn nóng chảy bột nhôm - sắt và hàn hỗn hợp bao gồm hàn áp lực bột nhôn - sắt và hàn nóng chảy bột nhôm - sắt.

c) Dựa vào mức độ cơ khí hóa

1. Hàn tay;

2. Hàn bán tự động;

3. Hàn tự động.

d) Dựa vào điện cực nóng chảy hay không

1. Hàn điện cực không nóng chảy;

2. Hàn điện cực nóng chảy (que hàn hoặc dây hàn).

đ) Dựa vào môi trường bảo vệ

1. Que hàn trần;

2. Que hàn bọc thuốc bảo vệ;

3. Que hàn dạng ống chứa thuốc bảo vệ;

4. Hàn (với dây hàn trần) dưới lớp thuốc bảo vệ;

5. Hàn trong môi trường khí bảo vệ :

- Hàn MIG (điện cực nóng chảy trong môi trường Ar; He);

- Hàn MAG (điện cực nóng chảy trong môi trường CO2; hỗn hợp CO2 + Ar).

6. Hàn trong môi trường chất lỏng bảo vệ (hơi nước);

7. Hàn trong môi trường bảo vệ tổng hợp (thuốc hàn, khí).

e) Dựa vào một số cơ sở khác (tăng năng suất, chất lượng)

1. Hàn rung;

2. Hàn nhiều điện cực....

2.4.2. Đặc điểm của việc ứng dụng công nghệ hàn trong hồi phục chi tiết máy

Công nghệ hàn trong phục hồi chi tiết (sửa chữa) máy có những chỗ khác so với công nghệ hàn trong chế tạo cơ khí. Đối tượng chủ yếu của hàn trong sửa chữa là các chi tiết hao mòn, hư hỏng đã qua thời gian làm việc. Do vậy trong hàn hồi phục cần quan tâm đầy đủ đến các mặt sau để có biện pháp phòng ngừa và khắc phục thích đáng các khuyết tật gây ra sau này:

1. Biến dạng của chi tiết và làm tăng hao mòn của chi tiết do hàn gây ra

Khi hàn do chi tiết chịu nhiệt không đều, tốc độ nung nóng và làm nguội khác nhau, đặc biệt đối với các chi tiết lớn và cấu tạo phức tạp, hiện tượng trên dễ làm biến dạng chi tiết sau khi hàn. Biến dạng và ứng suất trong dễ làm chi tiết bị nứt, vỡ đồng thời cũng làm tăng hao mòn trong thời gian làm việc sau này. Ngoài ra biến dạng do hàn có thể làm thay đổi các chuẩn (gia công, gá, đo) hay vị trí tương đối giữa các bề mặt làm việc dẫn đến chi tiết phải loại bỏ.

1. Vấn đề đảm bảo chất lượng chi tiết sau khi hồi phục bằng hàn

Chi tiết của các loại máy dùng trong nông nghiệp bao gồm rất nhiều loại, yêu cầu và điều kiện làm việc của chúng lại khác nhau rất nhiều; dùng công nghệ hàn để hồi phục cần thỏa mãn đặc điểm đó của các chi tiết. Do vậy, trước khi muốn dùng hàn để hồi phục chi tiết nào, cần hiểu rõ yêu cầu làm việc, tính chất kim loại cơ bản và các yêu cầu kỹ thuật khác của chi tiết cần hồi phục. Các yêu cầu khi làm việc là chịu kéo, chịu nén; yêu cầu độ chống mòn cao; yêu cầu đảm bảo kín sít...đề ra những yêu cầu kỹ thuật khác nhau trong công nghệ hàn.

Để đảm bảo chất lượng hàn tốt, cần:

- Chuẩn bị, gồm việc chọn loại hàn và thiết bị; chuẩn bị mối hàn (như việc xẻ rãnh, kích thước rãnh, hình thức tiếp xúc của hai phần chi tiết tại mỗi nối); các biện pháp đảm bảo cho chi tiết khỏi biến dạng khi hàn;

- Chọn các số liệu, điều kiện kỹ thuật; chọn que hàn, thuốc hàn và các chế độ (thông số công nghệ), điều kiện kỹ thuật khác;

- Kỹ thuật hàn, cách bố trí mối hàn, phương pháp đưa que hàn...

3. vấn đề gia công cơ khí sau khi hàn

Một số chi tiết sau khi hồi phục bằng hàn cần tiến hành gia công cơ khí để đảm bảo kích thước, hình dáng và độ bóng cần thiết. Do vậy khi quyết định hồi phục bằng phương pháp hàn và kỹ thuật tiến hành hàn cụ thể, cần quan tâm đến điều này để chi tiết sau khi hàn, việc gia công cơ khí được thuận tiện. Trong thực tế nếu không được quan tâm đầy đủ có trường hợp sau khi hàn, việc gia công sẽ không thực hiện được. Ví dụ đối với các chi tiết bằng gang, khi hàn nếu không chú ý đến tốc độ làm nguội (cho nguội quá nhanh), ở mối hàn kim loại có kết cấu gang trắng, độ cứng cao, không những chất lượng hàn không đảm bảo mà còn gây khó khăn cho gia công cơ khí, việc sử dụng thuốc hàn đúng để lấy hết các oxit kim loại (đặc biệt là oxit crôm) ra khỏi mối hàn cũng có tác dụng làm dễ dàng cho việc gia công sau này. Ngoài ra việc đảm bảo lớp hàn có bề dày nhất định để đủ lượng dự trữ cho lượng dư gia công sau này cũng cần phải chú ý.

2.4.3. Một số phương pháp hàn

a) Hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc hàn (chất trợ dung)

Hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc là quá trình hàn hồ quang kín, trong đó hồ quang 6 cháy trong bọt khí giữa mút dây điện cực và vật hàn được bảo vệ khỏi sự xâm nhập của không khí nhờ một lớp vật liệu hạt (thuốc hàn). Một phần thuốc hàn nóng chảy do tác dụng của nhiệt hồ quang tạo thành màng xỉ lỏng 3 bảo vệ vùng hồ quang và bể kim loại lỏng. Thuốc hàn (dạng lỏng và dạng hạt) ép lên kim loại nóng chảy tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành mối hàn. Ngoài ra nhờ thuốc hàn cho phép hợp kim hóa được mối hàn. Thuốc hàn lỏng khi đông đặc tạo thành lớp xỉ bảo vệ kim loại mối hàn khỏi ôxi hóa và nitơ hóa.

Sử dụng thuốc bảo vệ hồ quang cho phép:

1. Tăng năng suất hàn tới 15 ÷ 17 lần so với hàn tay. Điều này đạt được là nhờ:

- Sử dụng cường độ và mật độ dòng điện lớn;

- Tăng tốc độ chảy của kim loại dây hàn tới 15 ÷ 22 g/A.h;

- Tăng chiều sâu ngấu do đó giảm lượng kim loại dây hàn;

- Tăng tốc độ hàn tới 20 m/h và có thể hơn thế nữa;

2. Nâng cao chất lượng mối hàn nhờ kim loại lỏng được bảo vệ khỏi tác dụng của môi trường xung quanh; nhờ sự đồng nhất thành phần hóa học của mối hàn;

3. Tăng lượng dây hàn và lượng điện tiêu thụ, giảm sự hao hụt kim loại do bắn tóe;

4. Cải thiện điều kiện lao động của công nhân;

5. Giảm thời gian đào tạo thợ hàn.

Khi hàn dưới lớp thuốc có thể dùng dòng một chiều cực dương hoặc âm và dòng xoay chiều. Hàn với cực dương (ngược cực) cho độ ngấu lớn nhất. Độ ngấu thấp nhất khi hàn với cực âm (thuận cực) và trung bình khi hàn với dòng xoay chiều.

Với tốc độ chảy của dây hàn lớn nhất khi hàn dòng một chiều thuận cực và nhỏ nhất khi hàn ngược cực.

Chiều rộng của mối hàn khi hàn dòng một chiều thuận cực thay đổi ít hơn khi hàn ngược cực.

Hàn hồ quang kín với dòng xoay chiều thích hợp hơn với sản xuất và kinh tế hơn. Song ứng dụng với dòng ngược cực cho phép nhận mối hàn chất lượng cao hơn. Do vậy để để hàn các kết cấu quan trọng từ thép hợp kim thấp và trung bình cần sử dụng dòng một chiều cực dương.

Hàn với cực âm ít được ứng dụng, trừ những trường hợp đặc biệt (như hàn trên đệm đồng hoặc đệm đồng - thuốc).

Tuy nhiên hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc có một số nhược điểm như khi hàn không nhì rõ chỗ hàn; giá thành chất trợ dung cao; không thể hàn đắp chi tiết có đường kính nhỏ hơn 50mm.

b) Hàn điện xỉ

Đây là phương pháp được sử dụng trong sửa chữa để phục hồi các chi tiết kim loại có kích thước lớn. Hàn và hàn đắp điện xỉ giống như hàn dưới lớp trợ dung. Về nguyên tắc chỉ khác nhau ở chỗ là không phóng hồ quang ở chế độ ổn định.

Chi tiết hàn 6 (hình 2.4.2) nằm ở vị trí thẳng đứng, con trượt 2 (bằng đồng có nước lưu thông) ban đầu nằm ở vị trí cuối cùng trên đế 7. Bề mặt trong con trượt, bề mặt ngoài chi tiết và đế grrafit tạo thành một khoảng trống. Dây hàn 1 và chất trợ dung được cung cấp vào khoảng trống đó. Khe hở giữa bề mặt con trượt và chi tiết được xác định phụ thuộc vào yêu cầu bề dày của lớp hàn đắp. Hồ quang chỉ cháy ở đầu quá trình đến khi có bể xỉ lỏng đủ lớn. Khi dây hàn nhúng chìm trong bể xỉ này hồ quang tắt. Dòng điện đi qua bể xỉ lỏng đốt nóng nó và duy trì ở đó nhiệt độ và tính dẫn điện cao. Nhiệt độ bể xỉ phải cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại cơ bản và điện cực. Xỉ làm nóng chảy điện cực và bề mặt vật hàn. Kim loại nóng chảy chìm xuống đáy bể xỉ và tạo thành bể kim loại 4 và nhờ con trượt 2 (theo mức độ chảy của điện cực) chuyển động lên phía trên) làm nguội đông đặc tạo thànhlớp hàn đắp 5.

Một trong những điều kiện để có được quá trình hàn điện xỉ là bể xỉ phải có chiều sâu tương đối lớn. Điều này dễ dàng thực hiện được khi hàn ở vị trí thẳng đứng (hình 2.4.2).

Ưu điểm của hàn điện xỉ là cho năng suất rất cao (tốc độ chảy của kim loại dây hàn tới 26 ÷ 30 g/A.h), chi phí chất trợ dung nhỏ hơn 15 lần so với hàn tự động dưới lớp thuốc.

2.4.4. Mô hình điều khiển quá trình hàn

Các quá trình hàn và hàn đắp cùng với các trang thiết bị để thực hiện chúng (nguồn năng lượng, các điện cực, môi trường bảo vệ, thiết bị đo - điều khiển v.v...) có thể được xem như những sơ đồ công nghệ. Mục đích của điều khiển chúng là để nhận được mối liên kết hàn hay lớp hàn đắp với những tính chất xác định trong những điều kiện xác định. Những điều kiện này thường liên quan đến chi phí năng lượng, lao động và vật liệu nhỏ nhất v.v...

Mục đích của việc điều khiển các hệ thống này đòi hỏi sự biểu diễn cụ thể trong các thông số ra. Nó gồm các đại lượng liên quan với các kết quả từ sự làm việc và được đo định lượng chúng. Theo đặc trưng chúng có thể gồm các thông số kinh tế, kỹ thuật, vệ sinh , chất lượng v.v...

Trong trường hợp chung nhất các thông số đầu ra gồm: độ cứng, độ chặt (không rỗ-chỗ rỗng, vết nứt v.v...), tính chống ăm mòn, tính chống mài mòn cơ học, chiều sâu của sự nóng chảy trong kim loại nền (chiều sâu chảy), năng suất hàn, hệ số hàn đắp, chi phí năng lượng v.v...Trong một số trường hợp các thông số cần phải nhận giá trị cực đại, trường hợp khác - giá trị cực tiểu, còn trường hợp thứ ba - giá trị khác, với giá trị này hiệu quả là lớn nhất.

Các thông số điều khiển đầu vào ở trong trường hợp chung nhất liên quan đến chế độ điện và động học của hàn, với điện cực, chất trợ dung, môi trường khí bảo vệ, v.v...Thông qua việc điều khiển chúng thích hợp sẽ gây ảnh hưởng đến các thông số ra.

Các yếu tố không điều khiển nhưng kiểm soát được có thể gồm độ ẩm của không khí, tạp chất trong vật liệu điện cực v.v...

Các yếu tố nhiễu có thể gồm sự thay đổi (sai lệch nhỏ) trong thời gian ngắn của điện áp hàn, ...

Trên hình 2.4.3 biểu diễn mô hình của hệ thống công nghệ hàn, hàn đắp.

Ký hiệu yi là các thông số đầu ra (các hàm mục tiêu), còn với xj - các thông số đầu vào điều khiển được. Thông qua các thông số đầu ra (i = 8) gồm những thông số quan trọng nhất và thường sử dụng là mục đích của quá trình hàn hay hàn đắp. Trong các trường hợp khác không loại trừ sử dụng các hiệu quả khác ở đầu ra của hệ thống ví dụ tính gia công của lớp hàn, độ bám với nền (ví dụ khi hàn rung trong môi trường nước),...

Các thông số đầu vào xj (j = 8) gồm những thiết bị quan trọng nhất điều khiển công nghệ: chế độ điện, điện cực, môi trường bảo vệ (khí, hỗn hợp khí, chất trợ dung v.v...). Trong một số trường hợp sẽ bỏ một số thông số.

Với Xn biểu diến các yếu tố không điều khiển nhưng kiểm soát được, còn Zm - các thông số không kiểm soát được (nhiễu).

Với các đường đứt biểu diễn mối quan hệ (kênh ảnh hưởng) của một số trong các thông số vào và ra. Chúng chỉ mang tính định tính và không thể hiện bản chất vật lý và cơ chế của sự ảnh hưởng này, điều này chính là đặc điểm của "hộp đen".

2.5. Hồi phục chi tiết bằng mạ

Công nghệ mạ hiện đang sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo cũng như trong phục hồi chi tiết máy. Phương pháp này có nhiều ưu điểm với nheững chi tiết có hao mòn nhỏ và có trường hợp nó là phương pháp phục hồi duy nhất.

2.5.1. Phân loại mạ

Cũng như một số phương pháp khác, mạ có nhiều loại và việc phân loại chúng dựa vào một số cơ sở.

a) Dựa vào việc có sử dụng nguồn điện ngoài hay không:1. Mạ điện; 2. Mạ hóa.

b) Dựa vào kim loại lớp mạ:1. Mạ đơn: mạ crôm, mạ sắt; mạ niken; mạ vàng...; 2. Mạ hợp kim; 3. Mạ comozit

c) Dựa vào công dụng lớp mạ: 1. Mạ bảo vệ; 2. Mạ bảo vệ - trang trí; 3. Mạ chuyên dùng (mạ tăng cứng; mạ hồi phục...)

d) Dựa vào một số cơ sở khác: 1. Mạ với điện cực hòa tan và điện cực không hòa tan; 2. Mạ nóng, mạ lạnh; 3. Mạ trong bể, mạ ngoài bể...

Ở đây chủ yếu quan tâm đên mạ điện đơn.

2.5.2. Một số vấn đề chung về mạ điện

a) Sơ lược về một số loại mạ điện.

1. Mạ crôm: lớp mạ crôm có tính ổn định hoá học tốt, tính chịu mòn cao đồng thời bề mặt lớp mạ trông rất đẹp, khả năng phản xạ ánh sáng tốt vì thế chúng được sử dụng rộng rãi cho công nghiệp sản xuất ô tô, các chi tiết máy, dụng cụ y tế, phụ tùng.

Mặt khác lớp mạ crôm có độ cứng cao hơn các loại gang thép khác(HB = 800 ÷ 1000), hệ số ma sát nhỏ, chịu nhiệt độ cao(450 ÷ 5000C) không biến màu, bám chắc với kim loại nền. Vì vậy mạ crôm được ứng dụng rất rộng rãi để phục hồi các chi tiết máy đã bị mài mòn.

2. Mạ sắt: sắt kết tủa bằng phương pháp mạ điện có cấu trúc tinh thể khác hẳn sắt chế tạo bằng phương pháp luyện kim: có độ tinh khiết cao, cấu tạo đồng nhất nên bị ăn mòn chậm hơn so với sắt thông thường. Màu sắc của lớp mạ thay đổi từ xám sáng đến tối tuỳ thuộc vào điều kiện điện phân, lớp mạ mịn như nhung, hơi bóng hoặc rất bóng. Độ cứng lớp mạ dao động trong khoảng 1200 ÷1300 đến 6500 ÷ 7500 MPa. Nhược điểm của lớp mạ là khá giòn, độ bền kéo và đàn hồi kém. Vật mạ làm việc trong điều kiện khắc nghiệt cần phải thấm than sau khi mạ. Khi thấm than hidrô được tách ra làm lớp mạ khắc phục được hiện tượng giòn hidrô.

Lớp mạ sắt được dùng chủ yếu để hồi phục các chi tiết máy đã bị hao mòn hay bù cho chi tiết máy bị hụt kích thước khi chế tạo. So với mạ crôm, mạ sắt có ưu điểm: tốc độ mạ nhanh, gắn bám chắc với nền, tiêu tốn ít điện năng. Lớp mạ sắt có thể mài thấm than.

3. Mạ kẽm: mạ kẽm được dùng với mục đích chống gỉ. Mạ kẽm những chi tiết bắt chặt làm tăng độ bền lâu của chi tiết.

Dung dịch mạ kẽm có hai loại: dung dịch axit và dung dịch xianua. Dung dịch axit có hiệu suất dòng điện cao (96% - 98%) nhưng khả năng tán xạ không tốt. Dung dịch xianua có khả năng tán xạ cao hơn nhưng hiệu suất dòng điện thấp (70% - 75%) và rất độc.

3. Mạ đồng: mạ đồng dùng để bảo vệ các phần riêng rẽ của chi tiết khi hoá nhiệt lượng khỏi bão hoà cacbon, cũng như mục đích chống gỉ, dùng để làm lớp mạ lót cho crôm, niken.

Chất điện phân mạ theo thành phần chia làm hai loại; dung dịch axit và dung dịch xianua. Dung dịch axit có thành phần đơn giản trong làm việc có hiệu suất dòng điện gần 100% nhưng khả năng tán xạ thấp và lớp mạ không bám chắc với gang thép.

Dung dịch xianua có khả năng tán xạ cao hơn, có thể nhận được lớp mạ đồng có cấu trúc nhỏ hạt, có độ bám tốt với gang thép.

4. Mạ niken: mạ niken được sử dụng rộng rãi với mục đích làm bảo vệ, trang trí cũng như để tăng độ chống mòn của một số chi tiết. Mạ niken được lớp mạ có độ bóng sáng, cứng mà chịu mài mòn. Ưu điểm của lớp mạ niken là có thể nhận được lớp mạ đều đặn trên toàn chi tiết có hình dáng phức tạp.

Dung dịch mạ niken có thể kể ra hai loại chính là kiềm và axit. Tuy nhiên cũng tuỳ theo tính chất của từng chi tiết mạ người ta điều chỉnh dung dịch khác nhau.

5. Mạ vàng: lớp mạ vàng chống rỉ tốt, dẫn điện tốt, dễ hàn, chịu nhiệt độ cao. Vì thế mạ vàng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp làm đồng hồ, các mạch điện, điểm tiếp xúc...lớp mạ vàng trên lớp mạ bạc chống sự thay đổi màu. Lớp mạ vàng có nhiều màu khác nhau, vì thế nó được dung để mạ các chi tiết có giá trị cao. Dung dịch mạ vàng có hai loại: dung dịch mạ vàng có xianua và dung dịch mạ vàng không có xianua.

6. Mạ hợp kim: mạ hợp kim là phương pháp có nhiều triển vọng vì nó tạo điều kiện để nhận được lớp mạ có chất lượng cao với nhiều tính chất khác nhau: độ cứng, độ chống gỉ và độ chịu mài mòn lớn.

Có nhiều loại dung dịch để mạ và ở điều kiện nhất định có thể nhận được như sắt với cacbon, sắt với mangan, sắt với crôm, sắt với niken...

7. Mạ compozit: đây cũng là một trong các phương pháp có nhiều triển vọng. Lớp mạ nhận được có thể coi là vật liệu compozit (lớp phủ compozit).

Lớp phủ compozit là một khối vật liệu kim loại hay phi kim trong đó có chứa các chất làm bền. Các chất làm bền này có thể là dạng sợi, bột và các vật liệu có các tính chất khác hẳn với vật liệu cơ bản.

b) Dung dịch điện ly, sự tạo thành lớp mạ

Dung dịch điện li

Trong kỹ thuật mạ, áp dụng rộng rãi các dung dịch axit, bazơ và muối. Khi hòa tan trong dung dịch (nước) thì chúng phân li thành những ion và được gọi là dung dịch điện li.

Trong dung dịch axit thì phân li thành ion H+ và gốc axit:

HCl  H+ + Cl-

Trong dung dịch kiềm thì phân li thành ion kim loại và ion hiđroxit OH- :

NaOH  Na+ + OH-

Trong dung dịch muối thì phân li thành ion kim loại và gốc axit:

FeSO4 ® Fe2+ + SO42-

Trong dung dịch muối phức thì phân li thành hai bước. Bước thứ nhất phân li thành ion kim loại và ion muối phức. Bước thứ hai ion muối phức phân li thành ion kim loại và ion gốc axit:

Na2[Zn(CN)4] ® 2Na+ + Zn(CN)42-

Zn(CN)42- ® Zn2+ + 4CN-

Sự phân li của ion muối phức rất nhỏ, nên nồng độ kim loại rất thấp.

Ion dương (ion kim loại, H+) còn gọi là kation; ion âm (gốc axit, OH-) - anion.

Sự hình thành lớp mạ

Nhúng hai tấm kim loại (gọi là điện cực) vào dung dịch điện li và nối với nguồn điện một chiều. Cực nối với cực dương của nguồn điện gọi là anôt (cực dương), cực nối với cực âm của nguồn điện gọi là katôt (cực âm).

Khi có dòng điện chạy qua thì các ion dương (kation) sẽ theo chiều dòng điện chạy về katôt, nhận điện tử - bị khử. Ion âm (anion) sẽ chạy về anôt và mất điện tử - bị oxi hóa.

Ví dụ khi nhúng hai cực vào dung dịch sắt sunphát và nối với nguồn điện một chiều (hình 2.5.1) lúc này ta thấy trên katôt có sắt và khí hiđrô thoát ra. Trên anôt, nếu anôt không hòa tan thì ôxi thoát ra, nếu anôt là sắt (hòa tan) thì sắt bị hòa tan và ôxi thoát ra. Phản ứng của chúng như sau:

Trên katôt: Fe2+ + 2e  Fe

2H+ + 2e  H2

Trên atôt: Fe - 2e  Fe2+

4OH- - 2e  2H2O + O2

2SO4 - + 2H2O - 4e  2H2SO4 + O2

Trên anôt, sắt bị hòa tan, bổ sung ion sắt bị tiêu hao trong ducng dịch. Nếu như katôt là chi tiết đã được làm sạch, thì sẽ tạo thành lớp mạ sắt trên bề mặt chi tiết.

Ở katôt ion kim loại thành nguyên tử kim koại, ở anôt nguyên tử kim loại thành ion kim loại. Đó là anôt hòa tan. Ở anôt không hòa tan xảy ra những phản ứng phức tạp khác.

c) Xác định khối lượng kim loại mạ, thời gian mạ

Định luật Pharađây

Định luật Pharađây phát biểu như sau: "Lượng chất thoát ra ở điện cực tỷ lệ thuận với khối lượng mol nguyên tử hoặc khối lượng mol phân tử của chất thoát ra ở điện cực, với lượng điện đi qua dung dịch (tức cường độ và thời gian điện phân) và tỷ lệ nghịch với số electron tham gia phản ứng điện cực".

Định luật Pharađây được viết dưới dạng công thức:

(2.5.1)

trong đó: m - khối lượng chất thoát ra ở điện cực, g; M - khối lượng mol nguyên tử hoặc mol phân tử của chất thoát ra ở điện cực, g.mol-1; I - cường độ dòng điện, A; t - thời gian, giờ (h); F - số Pharađây (F = 96500C.mol-1 =96500A.s.mol-1=26,8A.giờ.mol-1); n0 - số electron tham gia phản ứng điện cực (trong trường hợp ion kim loại Mn+ bị khử thành kim loại M thì số n0 bằng hóa trị kim loại Mn+ + n0e  M); Q = It là điện lượng, C .

Ghi chú: Khối lượng mol là khối lượng của 6,022.1023hạt vi mô (nguyên tử, phân tử, ion...). Khi nói khối lượng mol phải nói rõ khối lượng mol của hạt vi mô nào. Ví dụ khối lượng mol của nguyên tử hidro là 1,008g.mol-1, còn khối lượng mol của phân tử hidro là 2,016g.mol-1.

Công thức trên (2.5.1) có thể viết dưới dạng:

Số mol chất thoát ra ở điện cực nmol: (2.5.2)

hoặc: m = E.I.t (2.5.3)

trong đó: - đương lượng điện hóa chất thoát ra ở điện cực, g/A.h.

Như vậy đương lượng điện hóa là số gam chất thoát ra ở điện cực khi đi qua điện lượng 1A.giờ (3600A.s = 3600C). Bảng 2.5.1 là đương lượng điện hóa của một số nguyên tố.

Bảng 2.5.1. Đương lượng điện hóa của một số nguyên tố

Tên Zn Cd Cu Cu Ni Ni Sn Sn Cr Cr Ag Au

Hóa trị 2 2 1 2 2 3 2 4 3 6 1 3

Đương lượng điện hóa mg/C 0,399 0,852 0,658 0,329 0,304 0,203 0,615 0,307 0,18 0,0896 1,118 0,681

mg/A.h 1,22 2,079 2,372 1,186 1,1095 0,730 2,214 1,107 0,647 3,24 4,025 2,452

Xác định khối lượng lớp mạ

Khối lượng lớp mạ xác định theo công thức 2.5.3 chỉ là khối lượng lớp mạ lý thuyết (mLT). Bởi trên katôt ngoài ion kim loại phóng điện (kết tủa kim loại) còn có các ion khác (ví dụ ion hiđrô - thoát khí hiđrô). Chính vì vậy khối lượng kim loại mạ thực tế (mTT) bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng kim loại mạ thực tế và được xác định theo công thức:

(2.5.4)

trong đó: được gọi là hiệu suất dòng điện (%).

Hiệu suất dòng điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có mật độ dòng điện.

Xác định thời gian mạ

Trên thực tế, công thức 2.5.4 được sử dụng để xác định chiều dầy lớp mạ h đạt được khi thời gian mạ cho trước là t hay ngược lại xác định thời gian mạ t để đạt được lớp mạ có chiều dầy yêu cầu là h.

Với mục đích trên khối lượng lớp mạ được xác định bằng tích của thể tích lớp mạ V (cm3), trọng lượng riêng của lớp mạ d (g/cm3) và từ công thức 2.5.4 có (với điều kiện lớp mạ đều):

(2.5.5)

trong đó: t - thời gian mạ để đạt được lớp mạ có chiều dầy là h, h; h - chiều dầy lớp mạ, mm; S- diện tích cần mạ, dm2; - mật độ dòng điện katôt, A/dm2 (ngoài ra còn có Da - mật độ dòng điện anôt).

Trên thực tế lớp mạ không đều. Ví dụ: mạ một mặt phẳng thì lớp mạ ở biên dầy hơn ở giữa, những chi tiết phức tạp thì lớp mạ chỗ lồi dầy hơn chỗ lõm...Nguyên nhân là do mật độ dòng điện phân bố ở các vị trí không đều nhau.

Khả năng phân bố (khả năng tán xạ) tốt là khả năng cho độ dày lớp mạ ở các vị trí đều nhau. Định lượng khả năng phân bố được đo bằng phần trăm (%) và được xác định bằng các công thức khác nhau phụ thuộc vào từng loại bình thí nghiệm chuẩn.

Hình 2.5.2 là một loại bình thí nghiệm chuẩn và công thức xác định khả năng phân bố như sau:

(2.5.6)

trong đó: KPB - khả năng phân bố, %; mg, mx - khối lượng lớp mạ trên katôt gần và katôt xa, mg; lg, lx - khoảng cách từ anôt chung đến katôt gần và katôt xa, mm; k = lx/lg - hệ số.

Bình xác định khả năng phân bố theo một vài tiêu chuẩn khi k = 5 được xác định như sau:

Nếu mg = mx , KPB =100% - khả năng phân bố "lý tưởng"; nếu , KPB = 0 còn khi , KPB < 0.

d) Điện thế (thế điện cực) của kim loại, sự phân cực

Điện thế của kim loại

Khi nhúng thanh kim loại M vào dung dịch muối của nó (ví dụ MCln - hình 2.5.3, trên hình không vẽ anion Cl-) có thể xảy ra ba quá trình:

- Ion Mn+ chạm vào thanh kim loại trở thành kim loại M: Mn+ + ne  Me ;

- Ion Mn+ va chạm vào thanh kim loại nhưng không có sự biến đổi nào và trở lại dung dịch;

- Nguyên tử kim loại cho (để lại) ne trở thành Mn+ đi vào dung dịch (kim loại bị hòa tan): Me - ne  Men+. Các ion này sau khi đi vào dung dịch bị điện tích âm của khi loại giữ lại tạo nên lớp điện tích kép (hình 2.5.3).

Sau một thời gian đạt tới trạng thái cân bằng, nghĩa là:

M  Mn+ + ne (2.5.7)

(rắn) (dung dịch)

Như vậy giữa thanh kim loại và dung dịch tạo nên hiệu điện thế. Đối với các kim loại khác nhau thì hiệu điện thế này cũng khác nhau.

Người ta không đo được giá trị tuyết đối của từng thế điện cực mà chỉ đo được hiệu điện thế giữa hai điện cực nên người ta chọn điện cực hiđrô (hình 2.5.4) gồm một bản platin phủ muội platin (platin bột đen), nhúng vào dung dịch axit có [H+] = 1M nằm cân bằng với H2 (áp suất 1atm) :

H2(k)  2Hn+ + 2e (2.5.8)

(rắn) (dung dịch)

làm điện cực hiđrô tiêu chuẩn (hình 2.4.4) và thế của điện cực đó được quy ước bằng không.

Điện thế điện cực của kim loại có liên quan tới nhiệt độ, áp suất, tính chất của dung dịch và nồng độ ion. Để tiện so sánh người ta đo điện thế điện cực ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc): nhiệt độ 25oC, nồng độ ion trong dung dịch là 1g ion/lít (nếu là chất khí thì áp suất bằng 1 atm) và gọi là điện thế tiêu chuẩn (ĐTTC)(điện thế cân bằng - ký hiệu là cb).

Bảng 2.5.2 là điện thế tiêu chuẩn của một số kim loại thường dùng. Điện thế của kim loại sắp xếp từ âm đến dương (nếu là âm, nghĩa là ở đktc khi nối điện cực khảo sát với điện cực hiđrô dòng electron chuyển từ điện cực khảo sát sang điện cực hiđrô còn nếu là âm thì ngược lại). Giá trị điện thế tiêu chuẩn cho thấy khả năng ôxi hóa (hoặc khử) của các chất. ĐTTC càng dương khả năng ôxi hóa càng lớn và ĐTTC càng âm khả năng khử càng lớn (ĐTTC càng âm thì kim loại càng hoạt động). Những kim loại có ĐTTC âm hơn có thể đẩy những kim loại có ĐTTC dương hơn khỏi muối của nó.

Sự phân cực

Khi nhúng một thanh kim loại vào trong dung dịch thì tạo nên một điện thế nhất định khi đạt tới trạng thái cân bằng (như đã trình bày như trên). Nhưng khi có dòng điện đi qua trì trạng thái cân bằng bị phá hủy.

Khi có dòng điện một chiều (dòng I) đi vào hai cực kim loại nhúng vào trong dung dịch thì điện thế katôt (cực âm) trở nên âm hơn (điện thế khi này được ký hiệu là k), điện thế anôt (cực dương ) trở nên dương hơn (điện thế khi này được ký hiệu là a). Sự thay đổi điện thế như vậy gọi là sự phân cực. Khi điện phân, tốc độ di chuyển của ion kim loại trong dung dịch và tốc độ phóng điện của chúng không kịp thời với tốc độ di chuyển của điện tử, làm cho bề mặt katôt tích điện âm tăng lên. Vì vậy điện thế càng âm. Ở anôt, do sự hòa tan của kim loại, tăng các nồng độ ion, tích lũy điện tích dương càng nhiều, làm cho điện thế càng dương.

Bảng 2.5.2. Điện thế tiêu chuẩn của kim loại

Kim loại Phản ứng tạo thành điện thế Điện thế tiêu chuẩn

Mg Mg  Mg2+ + 2e -2,38

Al Al  Al3+ + 3e -1,66

Zn Zn  Zn2+ + 2e -0,76

Cr Cr  Cr3+ + 3e -0,74

Fe Fe  Fe2+ + 2e -0,44

Cd Cd  Cd2+ + 2e -0,4

Ni Ni  Ni2+ + 2e -0,25

Sn Sn  Sn2+ + 2e -0,14

Pb Pb  Pb2+ + 2e -0,127

H H  H+ + e 0,000

Cu Cu  Cu2+ + 2e +0,399

Ag Ag  Ag+ + e +0,799

Au Au  Au+ + e +1,68

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 anôt và katôt. Ở lớp sát anôt nồng độ ion kim loại tăng lên, ở lớp sát katôt nồng độ ion kim loại giảm đi.

Sự phân cực do sự phóng điện chậm của ion gọi là sự phân cực điện hóa. Trong quá trình điện phân thường xảy ra đồng thời hai loại phân cực nồng độ và phân cực điện hóa, nhưng tùy trường hợp cụ thể mà nó chiếm tỷ trọng khác nhau. Thông thường khi mật độ dòng điện nhỏ thì phân cực điện hóa là cơ bản. Khi mật độ dòng điện cao thì phân cực nồng độ là cơ bản.

Sự phân cực có quan hệ mật thiết với mạ và quyết định:

- Được lớp mạ kết tinh mịn;

- Khả năng phân bố tốt, lớp mạ phân bố đồng đều;

- Làm hiđrô 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 anôt làm cho hòa tan không bình thường, dung dịch không ổn định.

Ảnh hưởng của sự phân cực đến lớp mạ có mặt lợi có mặt hại. Trong quá trình mạ, cần lợi dụng mặt lợi, khống chế mặt hại. Trong quá trình mạ ngoài dung dịch mạ thiếc tính kiềm và mạ hợp kim thiếc, lợi dụng phân cực anôt, làm cho anôt thụ động hóa để hòa tan ion Sn4+, nói chung không cần sự phâncực anôt. Đa số trường hợp muốn được lớp mạ mịn, khả năng phân bố tốt đều phải nâng cao phân cực katôt nhưng phải hạn chế trong phạm vi nhất định bởi vì nâng cao phân cực katôt sẽ làm giảm hiệu suất dòng, độ bám mạ không tốt...

Giá trị định lượng của sự phân cực katôt còn được gọi là độ phân cực katôt (quá thế katôt - ký hiệu là pc-k ), tức là điện thế katôt dịch về phía âm hơn một lượng pc-k so với cân bằng:

pc-k = cb-k¬ - k (2.5.9)

trong đó: ¬cb-k¬ - điện thế cân bằng của katôt, V; k - điện thế phân cực của katôt (đã có dòng I), V.

Sự phân cực phụ thuộc vào thành phần dung dịch, mật độ dòng điện, nhiệt độ và sự khuấy trộn.

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 dịch nồng độ thấp, số ion của nó rất khó bổ sung vào lớp sát katôt. 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.

Khi mật độ dòng điện nâng cao, sự phân cực cũng tăng lên. Bởi vì khi mật độ dòng điện cao, tốc độ di chuyển của ion và tốc độ phóng điện của nó cũng khác nhau rõ rệt. Quan hệ giữa điện thế điện cực và mật độ dòng điện thay đổi gọi là đường cong phân cực.

Nhiệt độ của dung dịch tăng lên, làm tăng sự dịch chuyển của ion, bổ sung rất nhanh số ion ở lớp sát katôt và khuyếch tán mạnh số ion của anôt hòa tan, do đó làm giảm sự phân cực.

Khuấy trộn làm tăng sự khuyếch tán của ion, do đó làm giảm sự phân cực.

đ) Quá thế hiđrô

Muốn có kim loại kết tủa trên katôt phải có điện thế tiêu chuẩn âm hơn điện thế của nó. Ví dụ: khi mạ niken, ĐTTC của niken là -0,25V, cần phải điện thế -0,6V mới có lớp mạ. Vậy lượng điện thế tăng lên so với ĐTTC gọi là quá thế.

Trên katôt ngoài ion kim loại thoát ra còn có hiđrô thoát ra. Hiđrô thoát ra nhiều hay ít là do quá thế hiđrô quyết định. Ion nào có quá thế thấp thì ion đó phóng điện trước, quá thế cao thì ion khó phóng điện.

Quá thế hiđro có ý nghĩa lớn trong kỹ thuật mạ. Những kim loại như kẽm, niken, crôm, sắt...có điện thế tiêu chuẩn âm hơn so với hiđrô, vì vậy khí hiđrô thoát ra trước, kim loại không thể kết tủa được. Nhưng do tồn tại quá thế hiđrô, nên có thể mạ được những kim loại này. Đồng thời quá thế hiđrô làm giảm sự thoát hiđrô, làm giảm tính giòn lớp mạ, nâng cao hiệu suất dòng điện, lớp mạ bám chắc.

Hiđrô thoát ra làm lớp mạ không tốt, vì vậy phải dùng mọi biện pháp để nâng cao quá thế hiđrô.

Qúa thế hiđrô phụ thuộc vào bản chất điện cực, quá thế hiđrô trên platin bằng 0,03V, quá thế hiđrô trên crôm bằng 0,826V. Quá thế hiđrô phụ thuộc vào trạng thái điện cực: bề mặt gồ ghề, xù xì quá thế hiđrô nhỏ.

Quá thế hiđrô tăng khi mật độ dòng điện tăng và giảm khi nhiệt độ tăng.

Quá thế hiđrô phụ thuộc vào tính chất của dung dịch. Quá thế hiđrô phụ thuộc vào độ pH của dung dịch. Ví dụ: quá thế hiđrô của dung dịch mạ axit tăng khi độ pH tăng.

e) Yêu cầu đối với lớp mạ

Trong mạ điện, yếu tố quan trọng nhất không phải là tiết kiện năng lượng, tăng hiệu suất, mà là vấn đề chất lượng mạ. Vì vậy phải tìm các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ như dung dịch, điều kiện điện phân...và điều khiển chúng để lớp mạ đạt chất lượng cao. Chất lượng của lớp mạ được đánh giá nhờ các tính chất cơ bản sau:

- Bám chắc vào kim loại nền, không bong;

- Lớp mạ có kết tủa nhỏ mịn, độ xốp nhỏ;

- Lớp mạ bóng, dẻo, độ cứng cao;

- Lớp mạ có đủ độ dày nhất định và độ đồng đều cao.

g) Cơ chế tạo thành lớp mạ điện

Quá trình hình thành lớp mạ

Sự hình thành lớp mạ được trình bày ở mục b (hình 2.5.1) chỉ là khái quát. Thực ra quá trình tạo thành lớp mạ điện rất phức tạp, nó xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau. Ví dụ, quá trình katôt có thể gồm các bước sau:

- Kation hyđrat hóa Mn+.mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt katôt;

- Kation mất vỏ hyđrat (mH2O), vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt katôt (hấp phụ);

- Điện tử (e) từ katôt điền vào vành điện tử hóa trị của kation, biến nó thành nguyên tử kim loại trung hòa (phóng điện) ở dạng hấp phụ;

- Các nguyên tử kim loại trên hoặc sẽ tạo thành mầm tinh thể mới, hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó. Mầm phát triển thành tinh thể. Tinh thể kết thành lớp mạ.

Tốc độ chung của quá trình katôt nhanh hay chậm là do tốc độ chậm nhất của một trong các bước quyết định. Mọi trở lực của các bước trên đều được thể hiện ở độ phân cực katôt.

Hình thành các tinh thể

Cũng như các quá trình kết tinh từ dung dịch bão hòa, từ chất nóng chảy...động học quá trình hình thành lớp mạ điện (điện kết tinh) cũng bị chi phối bới hai yếu tố chính: tốc độ tạo mầm tinh thể (hay các trung tâm kết tinh) và tốc độ phát triển các mầm ấy. Tốc độ phát triển mầm lớn hơn sẽ cho tinh thể nhỏ mịn, chặt sít...Tốc độ phát triển mầm lớn hơn sẽ cho tinh thể thô, to, xốp.

Lớp mạ điện có cấu trúc tinh thể rất điển hình. Không phải mọi mầm tinh thể sinh ra đều được phát triển thành tinh thể cả. Chỉ có những mầm có kích thước lớn hơn một ngưỡng nào đó mới có khả năng phát triển thành tinh thể được. Để sinh ra được mầm đạt hoặc vượt ngưỡng ấy đòi hỏi phải có một quá thế bổ sung (tức cần cung cấp thêm năng lượng), điều đó có thể thực hiện được nếu trên bề mặt điện cực bị thụ động nhẹ. Khi tinh thể lớn lên (phát triển mầm) chỉ đòi hỏi một quá thế bình thường (không cần quá thế bổ sung nữa) vì bề mặt tinh thể ở trạng thái hoạt động. Các tinh thể này thường được nuôi lớn đến cỡ 10-5  10-3cm. Hình thù của chúng không giống hệt nhau, vì trong lúc phát triển mầm chúng tự chèn ép lẫn nhau mà biến dạng đi.

Mầm phát triển thành tinh thể diễn ra như sau: giả sử tinh thể có kiểu ô mạng như hình 2.5.5. Các kation kim loại phóng điện thành nguyên tử và tham gia vào mạng lưới tinh thể tại chỗ nào có lợi nhất về năng lượng. Đó chính là chỗ tập trung nhiều nguyên tử làng giềng nhất, vì ở đó năng lượng dư bề mặt lớn nhất, các mối liên kết chưa được sử dụng là nhiều nhất. Trên hình 2.5.5: góc 1 dễ tiếp nhận nguyên tử mới phóng điện vào mạng tinh thể nhất, sau đó là mặt 2. Còn mặt 3 khó tiếp nhận nguyên tử mới hơn cả. Kết quả là kết tủa lan theo hai chiều thành một mặt mới. Chỉ khi nào trên mặt 3 xuất hiện một nguyên tử mới thì từ đó kết tủa lại lan theo hai chiều thành một mặt khác (tức lớp đơn nguyên tử khác). Cứ như thế các mặt mạng kế tiếp nhau xuất hiện và tinh thể được lớn lên. Cũng có khi trên mặt 3 xuất hiện nhiều nguyên tử mới chồng chất vô trật tự lên nhau (do có hấp phụ tạp chất chẳng hạn), từ đó chúng sẽ lan ra thành lớp đa nguyên tử. Các lớp trên chỉ phát triển trong phạm vi một tinh thể. Các trung tâm khác cũng phát triển đồng thời như vậy thành các tinh thể khác. Chúng phát triển dần và tiếp giáp nhau bằng các tinh giới và hợp thành kim loại kết tủa.

Lúc đầu, khi tinh thể còn nhỏ, chúng cách biệt nhau nên hình dạng của chúng khá chuẩn mực. Các mặt bên của tinh thể lớn lên theo từng lớp lan đến biên giới của nó. Chiều dầy và tốc độ lan của mỗi lớp phụ thuộc vào nồng độ ion, chất hoạt động bề mặt, chế độ mạ...

Trong quá trình lớn lên của tinh thể, hình dạng của nó biến đổi dần. Có nhiều nguyên nhân, nhưng trước hết phải kể đến hiện tượng lệch mạng. Do nhiều tác động khiến một số nguyên tử không được xếp vào vị trí vốn có của chúng mà xếp lệch so với nguyên tử khác làm xuất hiện bậc OA thẳng (hình 2.5.6). Khi tiếp tục lớn lên, lệch ban đầu về bên phải thành lệch móc và cuối cùng là lệch xoắn. Nếu bậc của lệch xoắn đủ lớn thì tinh thể tiếp tục lớn lên chủ yếu bằng cách tiếp nhận trực tiếp các nguyên tử mới giải phóng vào các bậc ấy, và lệch xoắn cứ tồn tại mãi chừng nào tinh thể chưa bị thụ động. Quan sát bề mặt mạ thấy mật độ lệch rất lớn. Tại các bậc của lệch cũng dễ hấp phụ các nguyên tử, phân tử, ion lạ, các chất hoạt động bề mặt vào, làm thay đổi rất rõ các tính chất cơ lý của lớp mạ như tính chất quang học, bán dẫn, dẫn điện, độ cứng, độ dẻo, độ bóng...

h) Thành phần dung dịch và chế độ mạ

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, chất điên li, và các loại phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn

1. Ion kim loại mạ: trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion hydrat hoá hoặc ion phức, nhưng nói chung đều có nồng độ lớn là để tăng giá trị của dòng điện giới hạn, tạo điều kiện nâng cao hơn giải mật độ dòng điện thích hợp Dc cho lớp mạ tốt. Dung dich 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 .

2. Chất điện ly: chất điện ly được đưa vào dung dịch với nồng độ cao để tăng độ dẫn điện cho chúng và cũng đóng vai trò là chất đệm, khống chế pH luôn ổn định,

3. Chất tạo phức: dùng phức chất để làm cho điện thế kết tủa trở nên âm hơn nhằm tránh hiện tượng tự xảy ra phản ứng hoá học giữa katot và ion kim loại mạ và cũng dùng để làm thay đổi phản ứng khử kim loại nhằm cải thiện khả năng phân bố của dung dịch mạ. Nó cũng có vai trò làm hoà tan anot vì chúng ngăn cản được sự thụ động anot.

4. Phụ gia hữu cơ: chất hữu cơ được cho vào bể mạ với nồng độ tương đối thấp nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất của kết tủa katot. Chúng thường có khả năng hấp phụ lên bề mặt catot, và có trường hợp chất hữu cơ bị giữ lại và kết tủa. Nhiều chất cũng làm tăng quá thế điện kết tủa. Một số chất phụ gia thường dùng:

Chất bóng: chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn và có thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều. Chúng cho lớp mạ nhẵn, mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm.

Chất san bằng: các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng. Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở đó xuống

Biến đổi cấu trúc: các phụ gia là thay đổi cấu trúc lớp mạ và thậm chí có thể ưu tiên định hướng tinh thể hay ưu tiên sinh ra kiểu mạng tinh thể nào đó. Một số chất được dùng để tạo ra các tính chất đặc biệt cho lớp mạ, số khác dùng để điều chỉnh ứng suất trong lớp mạ

Chất thấm ướt:cho vào để thúc đẩy các bọt khí, bột hydro mau chóng tách khỏi bề mặt điện cực.

5. Mật độ dòng điện catot Dc: mật độ dòng điện giữ vai tro rất quan trọng trong khi mạ. Nếu mật độ dòng điện thấp, tốc độ chuyển đổi điện tử trong các phản ứng điện cực sẽ nhỏ, các nguyên tử mới hình thành có đủ thời gian gia nhập có trật tự vào mạng tinh thể, vì vậy mạng lưới và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi.

Khi tăng mật độ dòng điện, tốc độ điện tăng nhanh, các nguyên tử kim loại sinh ra ồ ạt, không chịu gia nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể. Mặt khác do quá thế lúc đó lớn, nên nhiều mầm tinh thể mới tiếp tục sinh ra. Do vậy mà tinh thể trở nên mất trật tự và được thể hiện ra là lớp mạ có nhiều lớp, nhiều gợn sóng, và nhiều khối đa tinh. Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên cao hơn nữa, tốc độ phóng điện quá nhanh, làm cho ion kim loại gần catot quá nghèo, quá trình điện cực bị lâm vào tình trạng bị chi phối bởi sự khuếch tán: những điểm lồi, mũi nhọn,...được ion kim loại chuyển đến dễ dàng hơn, đồng thời điện thế rơi từ các điểm này đến anot lại dễ hơn, nên tại đó sẽ được ưu tiên phóng điện, kết tủa là kết tủa có sần sùi hoặc có dạng hình nhánh cây. Nếu tăng tiếp mật độ dòng điện thì nó sẽ khuếch tán ion hoàn toàn không kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được thì sẽ là bột kim loại.

Vì vậy, để có lớp mạ đạt yêu cầu buộc phải dùng dải mật độ dòng điện tương đối thấp. Hơn nữa ở Dc thấp kim loại mạ dễ bắt chước lặp lại đúng kiểu mạng lưới của kim loại nền và cho độ gắn bám rất cao, lớp mạ nhẵn, đa tinh, rất bền, được dùng nhiều nhất.

6. Khuấy: khuấy để tăng chuyển động tương đối giữa catot và dung dịch nên được phép dùng mật độ dòng điện Dc cao hơn, tốc độ mạ sẽ nhanh hơn, ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực; san bằng pH và nhiệt độ trong toàn khối dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực.

Một số cách khuấy:

- Chuyển động catot: cho catot đu đưa theo chiều dọc và chiều đứng; quay catot; mạ trong thùng quay; catot là dây, băng cho chạy liên tục qua bể mạ

- Chuyển động dung dịch: bằng cách sục khí nén vào bể ; bơm tuần hoàn dung dịch ra vào bể hay phun dung dịch vào khe hẹp giữa anot và catot

Tuy nhiên khuấy phải luôn kèm theo lọc dung dịch để loại hết cặn bẩn

7. Anot: anot thường làm bằng kim loại cùng loại với lớp mạ và chọn cách sử dụng sao cho nồng độ ion kim loại trong dung dịch thay đổi chậm nhất. Muốn vậy phải làm cho hiệu suất dòng điện catot và anot phải bằng nhau trong suốt thời gian phục vụ của anot. Phải đảm bảo cho anot không bị thụ động, anot phải luôn dễ tan và tan đều; muốn thế diện tích bề mặt anot phải lớn để mật độ dòng điện đủ nhỏ, tức là giữ anot nằm trong vùng hoạt động.

Phải khống chế các điều kiện kỹ thuật để anot tan thành các ion có hoá trị mong muốn. Anot phải được chế tạo sao cho khi hoà tan ít tạo thành bùn cặn nhất, ít tạp chất nhất và khó bị tơi rã nhất.

2.5.3. Chuẩn bị bề mặt (gia công) trước khi mạ

Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ là công việc tốn kém, vất vả, nhưng không thể bỏ qua, vì nó quyết định chất lượng sản phẩm mạ. Nhiệm vụ quan trọng nhất của chuẩn bị bề mặt là làm sạch hết các lớp gỉ, các màng ôxit, màng dầu mỡ, tạp chất, tạo độ bóng...trên bề mặt kim loại để tạo điều kiện cho lớp mạ gắn chắc với nền; đồng thời tùy đặc điểm của sản phẩm mà nhiệm vụ chuẩn bị bề mặt có những yêu cầu riêng nữa (với các chi tiết mòn không đều khi hồi phục phải lấy lại hình dáng hình học...).

Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ phải trải qua nhiều bước, tùy đặc điểm của phôi, yêu cầu của sản phẩm và căn cứ vào thiết bị, vật liệu của chi tiết mạ. Chọn dây chuyền mạ (chọn số bước và thứ tự các bước đó) sao cho hợp lý nhất cả về kinh tế lẫn kỹ thuật. Vì vậy ở đây không thể tìm được quy trình công nghệ xử lý chung cho các vật mạ cho nên chỉ lấy ví dụ để tham khảo. Khi điều kiện và yêu cầu thay đổi cần thêm bớt một công nghệ nào đó cho hợp lý.

Ví dụ quy trình gia công bề mặt sắt thép có gỉ và dính nhiều dầu mỡ: tẩy dầu hóa học (hoặc lau mùn cưa)  tẩy gỉ  rửa nước  sấy  đánh bóng  tẩy dầu hóa học  rửa  tẩy gỉ  rửa nước  chải  tẩy dầu điện hóa  rửa nước  tẩy nhẹ  rửa  mạ.

Dưới đây trình bày sơ lược nội dung một số bước chính.

a) Gia công cơ học

Có nhiều cách gia công cơ học: mài, đánh bóng, quay xóc, rung, phun cát, phun nước, chải...

Mài được thực hiện bằng bột mài với nhiều cỡ hạt khác nhau (từ 250m  3m). Dùng keo để gắn bột mài lên các loại đế có hình dạng khác nhau: dạng đĩa trụ (phớt mài), dạng đai chuyền... và chúng được gắn lên máy quay để mài.

Đánh bóng được dùng để gia công lần cuối cho bề mặt thép đã mài, để đánh bóng các vật bằng đồng, nhôm, kẽm...hoặc đánh bóng cho các lớp mạ trang trí...Cách thực hiện cũng giống như mài nhưng vật liệu dùng và chế độ gia công có khác: đế ghép rời bằng 10  20 lượt vải mềm (thường gọi là bóng). Chất kết dính được đun nóng chảy rồi trộn đều với bột mài, đóng thành bánh ở dạng sáp, khi dùng bôi lên mặt chiếc bóng. Bột mài là một trong các oxit của crôm, sắt, mage, kẽm... Chất kết dính là một hỗn hợp gồm parafin, stearin, axit oleic, dầu hỏa...Tốc độ quay (hoặc tốc độ dài) khi đánh bóng phải lớn hơn khi mài từ 20  60%.

Quay xóc áp dụng cho các vật bé, mảnh. Chúng được đổ vào thùng quay hay máng rung cùng với chất tẩy rửa và chất độn.

Phun áp dụng cho vật to, thô, vật khó di chuyển... Dùng tia cát hoặc tia nước áp suất cao, phun lên bề mặt cần làm sạch làm bong hết chất bẩn, dầu mỡ và gỉ, ôxit...

Chải áp dụng cho các vật có nhiều khe, kẽ, lỗ, rãnh, răng... Bàn chải quay làm bằng dây thép, dây đồng thau hoặc rễ cây... Thường chải ướt bằng dung dịch xà phòng.

Trong quá trình gia công cơ học, lớp kim loại bề mặt của sản phẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám với lớp mạ sau này. Khắc phục bằng cách trước khi mạ phải tẩy sạch dầu mỡ lại, hoạt hóa bề mặt kim loại sau đó rửa sạch trong nước chảy rồi mạ ngay.

b) Tẩy dầu mỡ

Bề mặt kim loại thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ làm cho bề mặt kim loại trở nên kỵ nước, không tiếp xúc được với các dụng dịch tẩy, dung dịch mạ... Một số phương pháp tẩy dầu mỡ đã được trình bày ở mục 1.8.3 (Rửa chi tiết). Ở đây chỉ trình bày hai phương pháp: tẩy dầu mỡ điện hóa và tẩy dầu mỡ siêu âm.

Tẩy dầu mỡ điện hóa có ưu điểm là tẩy rất nhanh, rất sạch. Thường tẩy katôt (chi tiết nối với cực âm) nhưng đôi khi cũng tẩy anôt hoặc tẩy liên hoàn katôt - anôt. Dung dịch tẩy có thành phần giống tẩy dầu mỡ hóa học nhưng loãng hơn. Cơ chế của tẩy dầu mỡ điện hóa là tách dầu mỡ trên bề mặt thành nhũ tương trong dung dịch nhờ thoát các bọt hiđrô trên katôt hoặc ôxi trên anôt. Khi nhúng chi tiết dính dầu mỡ vào dung dịch kiềm, do tác dụng của sức căng bề mặt, màng dầu mỡ bị nứt vỡ và co lại thành giọt nhỏ. Dưới tác dụng của phân cực, độ bám của dầu trên kim loại yếu đi, các giọt dầu càng co lại mạnh hơn, đồng thời tính thấm ướt của kim loại tăng lên. Các bọt khí nhỏ tách khỏi bề mặt kim loại sẽ bám lên các giọt dầu cạnh đó. Dần dần bọt khí lớn lên ôm lấy giọt dầu và cùng tách khỏi bề mặt kim loại do sức đẩy thủy tĩnh.

Để tẩy thép và gang có thể dùng dung dịch sau: NaOH (10  20g/l); Na3PO4 hoặc Na2CO3 (25  50g/l); Na2SiO3 (3  5g/l); nhiệt độ (70  800C); D (3  10A/dm2); tkatôt (2  3 ph); tanôt (0,5  1ph).

Tẩy dầu mỡ siêu âm: tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ hoặc trong dung dịch kiềm yếu có thêm tác dụng của siêu âm sẽ rất nhanh và rất sạch. Không chỉ dầu mỡ được tẩy sạch mà màng ôxit cũng bị bào mòn, bong ra. Tăng nhiệt độ cho dung dịch tác dụng của tẩy siêu âm càng tăng lên. Thành phần dung dịch tẩy siêu âm cũng ảnh hưởng đến chất lượng và tốc độ tẩy rửa. Nếu chất lỏng không có tác dụng gì với chất bẩn thì vật vẫn được tẩy sạch do tác dụng cơ học tạo ra bởi siêu âm. Thường người ta tẩy trong dung dịch kiềm để tận dụng cả tác dụng hóa học của nó nữa. Ví dụ tẩy trong siêu âm cho kim loại đen và màu từ dung dịch gồm: NaOH (5  10g/l); Na2CO3 (15  20g/l); Na3PO4 (40  60g/l). Tần số siêu âm: 20kHz. Khi tẩy cho vật có nhiều khe, lỗ, rãnh hẹp phải nâng tần số lên 200  500kHz.

c) Tẩy gỉ

Tẩy gỉ kim loại đen có thể sử dụng tẩy hóa học hoặc tẩy điện hóa.

Tẩy gỉ hóa học: bề mặt kim loại đen thường phủ lớp oxit dầy (gỉ) gồm FeO, Fe2O3, Fe3O4 và các hiđrôxit của Fe2+ và Fe3+. Tẩy gỉ hóa học cho sắt, thép thường dùng dung dịch axit loãng H2SO4 hoặc HCl hoặc hỗn hợp của chúng. Khi tẩy thường diễn ra đồng thời hai quá trình: hòa tan oxit và hòa tan sắt nền. HCl hòa tan ôxit là chính, H2SO4 hòa tan sắt nền là chính và cho khí hiđrô thoát ra làm bong màng ôxit. Các phản ứng hóa học xảy ra khi tẩy gỉ trong HCl gồm:

FeO + 2HCl  FeCl2 + H2O

Fe2O3 + 6HCl  2FeCl3 + 3H2O

Fe3O4 + 8HCl  3FeCl3 + FeCl2 + 4H2O

2FeCl3 + H2  2FeCl2 + 2HCl

2FeCl3 + Fe  3FeCl3

Fe + 2HCl  FeCl2 + H2

Tẩy bằng HCl nhanh hơn, cho bề mặt trắng hơn. Nồng độ tốt nhất là 150  200g/l và tẩy ở nhiệt độ dưới 400C. Nồng độ và nhiệt độ cao hơn sẽ bốc mùi khó chịu, sắt nền bị ăn mòn nhanh.

Tẩy bằng H2SO4 sẽ nhanh nếu tăng nhiệt độ dung dịch. Sau khi tẩy phải làm sạch mùn đen trên mặt vật tẩy. Tốt nhất là dùng nồng độ 80  120g/l ở nhiệt độ 50  700C.

Để hạn chế hòa tan kim loại nền trong khi tẩy, ngày nay thường dùng các chất ức chế dưới dạng phụ gia của dung dịch. Các chất này được các nhà chế tạo cung cấp dưới những tên gọi đã được mã hóa nhưng có hướng dẫn rõ cách sử dụng.

Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ hóa học đồng thới có sự tham gia của dòng điện. Vật tẩy có thể nối với cực âm hay cực dương của nguồn điện.

Khi tẩy anôt màng ôxit bị mất đi do hòa tan điện hóa và bị bong ra do tác dụng cơ học của khí thoát ra. Dung dịch là H2SO4, HCl hoặc muối của các axit ấy. Katôt (anôt) làm bằng chì. Tẩy anôt bề mặt rất sạch và hơi nhám nên độ gắn bám của lớp mạ sẽ rất tốt. Khi tẩy anôt, thoạt đầu màng ôxit bị tẩy đi, tiếp đó trên bề mặt kim loại có thể hình thành một màng thụ động, tạo điều kiện cho OH- phóng điện và giải phóng ôxi:

4OH- - 4e  2H2O + O2

Tốc độ tẩy anôt rất nhanh và mạnh nên dễ bị tẩy quá nếu không theo dõi đầy đủ. Tẩy anôt hay dùng cho các vật bằng thép cacbon, thép hợp kim có hình thù đơn giản. Có thể tẩy anôt cho thép cacbon trong dung dịch sau: H2SO4 (200  250g/l); FeSO4 (1  2g/l); NaCl (20  25g/l); Da (5  10A/dm2); nhiệt độ T (500C); thời gian t (10  20ph).

Khi tẩy katôt trên sản phẩm xảy ra quá trình giải phóng hiđrô:

2H+ + 2e  H2

Hiđrô nguyên tử mới sinh sẽ khử một phần lớp ôxit, còn bọt hiđrô làm tơi cơ học màng gỉ, oxit...rồi rời ra. Dung dịch là H2SO4 hay HCl hoặc hỗn hợp H2SO4 và HCl hoặc muối của các axit ấy, cần phải có độ dẫn điện cao. Anôt làm bằng chì, hợp kim Pb và 8%Sb, gang silic...Tẩy katôt thường sử dụng cho các sản phẩm bằng thép cácbon và không xảy ra hiện tượng tẩy quá. Vật bằng Ni, Cr tẩy katôt không hiệu quả lắm. Thường cho thêm muối Sn hay muối Pb vào dung dịch. Sn và Pb sẽ kết tủa lên phần katôt đã được tẩy sạch gỉ, vừa bảo vệ nền không bị tẩy quá vừa giảm dòn hiđrô cho nền (do quá thế hiđrô trên chúng lớn nên khó thoát ra). Màng Sn, Pb dễ dàng bóc đi bằng cách hòa tan anôt trong dung dịch kiềm. Dung dịch tẩy katôt cho thép cacbon: H2SO4 (50  60g/l); HCl (25  30g/l); NaCl (15  20g/l); Dc (8  10A/dm2); T (60  700C); t (10  15ph).

Tẩy gỉ kim loại màu để áp dụng để hoàn thiện bề mặt sản phẩm và tiếp đó phải có lớp thụ động hay lớp sơn không màu bảo vệ, hoặc để chuẩn bị bề mặt trước khi mạ lên nó. Tẩy gỉ cho Cu và hợp kim Cu thường dùng H2SO4. Tẩy nhẵn cho Cu và hớp kim Cu thường dùng HNO3 có cho thêm H2SO4 và/hoặc HCl. Khi tẩy có thoát khí NO, NO2 rất độc, cần phải có thiết bị an toàn tốt.

Tẩy Al và hợp kim Al bằng NaOH hoặc hỗn hợp HF + HNO3.

Tẩy Zn và Cd bằng H2SO4 hoặc HCl (50  200g/l).

Tẩy Pb bằng HNO3 (50  100g/l).

Tẩy Sn bằng HCl (50  100g/l).

d) Tẩy nhẹ

Tẩy nhẹ còn gọi là hoạt hóa bề mặt (tẩm thực), nhằm lấy đi lớp ôxit rất mỏng, không nhìn thấy bằng mắt thường, được hình thành trong quá trình chuẩn bị ngay trước khi mạ. Khi tẩy nhẹ xong, cấu trúc của nền được lộ ra, độ gắn bám của lớp mạ được tăng lên. Tẩy nhẹ tiến hành ngay trước khi nhúng vật mạ vào bể mạ.

Có thể tẩy nhẹ hóa học và tẩy nhẹ điện hóa.

Dung dịch tẩy nhẹ hóa học thường là H2SO4 hoặc HCl (3 10%). Tẩy nhẹ cho đồng, hợp kim Cu thực hiện trong H2SO4 (5  10%) ở một bể riêng. Có thể tẩy nhẹ trong NaCN (3  7%) cho Zn, Al...trước khi mạ trong môi trường kiềm. Thời gian tẩy nhẹ chỉ cần 5  10s. Sau tẩy nhẹ phải rửa và mạ ngay.

h) Rửa

Trong công nghệ mạ, sau mỗi khâu gia công thường phải rửa vật gia công. Nếu do thiếu nước rửa hoặc rửa không đủ, không đúng...sẽ làm giảm độ gắn bám của lớp mạ, làm lẫn dung dịch từ bể này sang bể kia, gây nên nhiều hư hỏng và phiền toái trong sản xuất.

Có thể rửa nhúng liên tiếp trong nhiều bể, rửa trong dòng chảy, rửa trong bể có sục khí, rửa dưới vòi nước hoặc dưới giàn phun mưa...Nên kết hợp nhiều cách trong một lần rửa. Nước sau khi rửa sẽ lẫn nhiều hóa chất, nồng độ các chất này trong nước rửa phải dưới giới hạn cho phép, nếu không sẽ gây hại cho nhiều khâu tiếp theo. Ví dụ, nước rửa có quá 3g/l SO42- thì sau đó vật đưa sang bể tẩy dầu mỡ sẽ bị giảm hiệu quả tẩy từ 93 xuống 75%, nếu nước rửa lại có mặt Fe2+ nữa thì hiệu quả này còn giảm nhiều hơn. Muối trong nước rửa có thể tác dụng với kim loại thành màng muối khó tan. Các ion Ca2+, Ma2+ trong nước cứng cũng tạo thành màng khó rửa sạch. Trường hợp phải dùng nước cứng, nước tận dụng để rửa, nhất thiết phải rửa lại lần cuối cùng bằng nước sạch, nước mềm. Nước rửa có thể là nước lạnh, nước ấm (49  590C) hay nước nóng (60  900C). Nước ấm rửa sau tẩy dầu mỡ, sau tẩy gỉ cho kim loại nhẹ và hợp kim của nó để bóc lớp bùn cặn, rửa sau khi ôxi hóa kim loại đen. Nước nóng để rửa vật trước khi sấy khô. Có trường hợp để thu hồi dung dịch nước rửa có yêu cầu như nước pha dung dịch.

Bảo quản tạm thời vật đã gia công xong (chưa kịp mạ) trong nước có chứa 3  5% Na2CO3 và một ít NH4OH, khi cần mạ phải tẩy nhẹ lại.

2.5.4. Một số biện pháp nhằm nâng cao chất lượng lớp mạ

a) Nâng cao độ đồng đều của lớp mạ

Trên thực tế lớp mạ thường không đồng đều do sự phân bố mật độ dòng điện trên bề mặt chi tiết mạ không đều. Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp (nhiều chỗ lồi, lõm) sự phân bố này lại càng không đều hơn.

Lớp mạ đều có ý nghĩa rất lớn trong việc giảm thời gian mạ cũng như giảm chi phí cho mạ.

Trên thực tế sử dụng một số biện pháp như (hình 2.5.7): dùng anôt phụ; dùng katôt phụ; dùng bảng chắn phi kim; dùng anôt lặp lại hình dáng của chi tiết. Ngoài ra có thể tăng khoảng cách giữa anôt và katôt (chi tiết); bố trí hợp lý khoảng cách giữa thành bể và các điện cực.

Nguyên nhân của sự không đồng đều lớp mạ là do sự phân bố mật độ dòng điện trên bề mặt chi tiết.

b) Mạ với chế độ không ổn định

Mạ với chế độ không ổn định không chỉ nâng cao năng suất mà còn nâng cao chất lượng lớp mạ.

Trong thực tế sử dụng mạ với dòng điện đảo chiều (hình 2.5.8a) và mạ với dòng điện xoay chiều không đối xứng (hình 2.5.8b).

Khi mạ với dòng điện đảo chiều, chi tiết nối với cực âm (dòng điện Ik) trong thời gian tk. Trong thời gian này quá trình mạ xảy ra bình thường. Sau đó thay đổi chiều dòng điện, chi tiết nối với cực dương (Ia = Ik) trong thời gian ta nhỏ hơn tk (thông thường tk/ta  60). Ở gian đoạn này, lớp mạ được hòa tan một phần, nhờ đó chiều dầy lớp mạ trở lên đồng đều hơn, cấu trúc có ứng suất nhỏ hơn.

Tương tự như vậy khi mạ với dòng điện xoay chiều bất đối xứng. Đặc điểm của phương pháp mạ này là chỉ có thể thay đổi  = Ik/Ia và giữ không đổi các điều kiện khác của dung dịch. Để nâng cao độ bám của lớp mạ sắt nên bắt đầu mạ với Da = 20  30A/dm2;  = 1,3 và duy trì trong khoảng 15  30s sau đó tăng từ từ Dk và Da để nhận được  = 6  8 trong vòng 5  10 phút.

c) Mạ không thùng mạ (mạ ngoài bể)

Khi hồi phục các chi tiết có kích thước lớn như trục cơ, xilanh ôtô, máy kéo...gặp nhiều khó khăn khi phải bao các vị trí không cần mạ, rửa,...Để đơn giản có thể ứng dụng phương pháp mạ ngoài bể.

Có một số phương pháp mạ ngoài bể như: mạ phun; mạ dòng chảy và mạ quét (mạ xoa).

Mạ phun (hình 2.5.9): dung dịch mạ được cung cấp đến bề mặt chi tiết nhờ vòi phun đặc biệt. Vòi phun đó có thể đồng thời là anôt. Để có lớp mạ đều chi tiết quay với 2  6v/ph (hình 2.5.9a). Ngoài phương pháp quay chi tiết, lớp mạ đều có thể nhận được khi chi tiết không quay nhờ bố trí các lỗ phun hợp lý (lỗ phun được chế tạo dưới góc 30  400 so với hướng bán kính). Điều đó tạo ra sự quay tương đối giữa bề mặt chi tiết và dung dịch.

Mạ dòng chảy (hình 2.5.10): nguyên tắc mạ dòng chảy là cho dung dịch chảy qua bề mặt cần mạ. Trong một số trường hợp khi mạ các bề mặt nhỏ, dung dịch mạ ở các bề mặt mạ cục bộ có thể không luân chuyển.

Mạ quét (mạ tiếp xúc, mạ xoa) (hình 2.5.11): ở phương pháp này chổi quét hay bàn chải (anôt được bọc vải bông để giữ dung dịch) dịch chuyển theo bề mặt của katôt (chi tiết). Lớp mạ cũng có thể nhận được khi chuyển động bề mặt mạ tương đối với anôt không chuyển động. Khi đó chi tiết được định vị trên mâm cặp của máy tiện còn anôt bắt trên bàn dao. Chổi quét được cung cấp dung dịch khi quét trên bề mặt chi tiết tạo nên bể mạ cục bộ và diễn ra tất cả các quá trình điện hóa.

Sự dịch chuyển tương đối của chổi quét cản trở sự phát triển của mầm kết tinh của lớp mạ, làm giảm ứng suất bên trong và do đó cho phép nâng cao mật độ dòng điện đến 150  200A/dm2. Do mật độ dòng điện cao như vậy có khả năng tăng nhiệt độ vùng mạ, vì vậy sử dụng bộ phận giữ chổi quét có cánh tản nhiệt.

2.5.5. Một số loại mạ

a) Mạ crôm

Một số đặc điểm của mạ crôm:

So với những quá trình mạ khác mạ crôm có những đặc điểm kỹ thuật sau:

- Đa số các dung dịch mạ đều kết tủa kim loại từ muối của nó riêng mạ crôm lại kết tủa kim loại từ axít crômic, ngoài ra còn có các ion khác nh¬ư SO4-2, SiF6-2 với tỷ lệ nhất định thì crôm mới kết tủa đ¬ược. Dung dịch mạ crôm ít nhạy với các tạp chất kim loại;

- Chế độ mạ (nhiệt độ, mật độ dòng điện) ảnh hư¬ởng đến quá trình mạ nhạy hơn so với các quá trình mạ khác. Chọn chế độ mạ thích hợp có thể cho lớp mạ bóng mà không cần phải dùng chất làm bóng (hình 2.5.12).. Mật độ dòng điện tối thiểu để được lớp mạ crôm lớn gấp hàng chục lần quá trình mạ khác.

- Khải năng phân bố của lớp mạ crôm kém, những chi tiết có hình dáng phức tạp cần áp dụng những phương pháp để có lớp mạ đồng đều, mật độ dòng điện mạ lớn, nên phải chú ý đến việc sử dụng móc treo hợp lý (hình 2.5.13);

- Các điều kiện mạ như nhiệt độ, mật độ dòng điện có ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp mạ crôm lớn hơn hàng chục đến hàng trăm lần so với trường hợp mạ các kim loại khác

- Điện trở của các dung dịch mạ crôm cao, nên điện áp phải bằng 10  12 vôn. Sử dụng anôt không tan mà không dùng crôm, vì crôm rất giòn, tốc độ tan của crôm nhanh hơn tốc độ mạ. Vì vậy phải thường xuyên bổ sung dung dịch để bù lại lượng crôm đã kết tủa.

- Hiệu suất dòng catôt khi mạ crôm thấp do trên bề mặt catôt có hydro giải phóng, còn trên bề mặt anôt không tan thì ôxi thoát ra mạnh. Các khí thoát ra kéo theo một lượng lớn điện phân làm hao hụt các chất điện phân. Để làm giảm hao hụt này người ta thường thêm vào dung dịch này một lượng hoá chất "crômmin" để làm giảm sức căng bề mặt của chất điện phân. Cũng có thể thêm vào bể các mẫu hoặc các viên bi nổi làm từ các vật liệu trơ (pôlyêtylen, plyprôpylen, ...).

Một số dung dịch mạ crôm:

Có rất nhiều loại dung dịch mạ crôm. Bảng 2.5.3 là một số loại dung dịch thường dùng.

Bảng 2.5.3. Một số loại dung dịch mạ crôm

Tên chất Hàm lượng, g/l Chế độ mạ

CrO3 H2SO4 Dk, A/dm2 T, 0C

Loãng 120  150 1,2  1,5 40  100 55  65

Vạn năng 200  250 2,0  2,5 20  60 45  55

Đặc 300  350 3,0  3,5 15  30 40  50

Dung dịch loãng có khả năng tán xạ tốt và hiệu suất dòng cao hơn. Lớp mạ nhận được có độ cứng và độ chống mòn cao.

Dung dịch vạn năng được sử dụng rộng rãi để nhận lớp mạ cứng chịu mòn và có tính bảo vệ, trang trí. Nó là dung dịch trung gian giữa dung dịch loãng và dung dịch đậm đặc.

Dung dịch đậm đặc có khả năng tán xạ và hiệu suất dòng điện thấp (10  12%). Tuy vậy có thể nhận được lớp mạ chặt, có ứng suất nhỏ hơn, không phải thường xuyên hiệu chỉnh thành phần dung dịch, cho phép sử dụng rộng rãi với mục đích bảo vệ - trang trí.

Một số hư hỏng thưởng gặp khi mạ crôm:

Bảng 2.5.4. là một số hư hỏng, nguyên nhân và biện pháp khắc phục khi mạ crôm

Bảng 2.5.4. Một số hư hỏng thường gặp khi mạ crôm

Đặc điểm hư hỏng Nguyên nhân của hư hỏng Biện pháp khắc phục

Crôm không kết tủa ở tất cả các chi tiết 1. Mật độ dòng nhỏ quá

2. Nhiệt độ dung dịch cao quá 1. Tăng mật độ dòng điện

2. Giảm nhiệt độ dung dịch

Crôm không kết tủa ở từng chi tiết Tiếp xúc giữa chi tiết với giá treo không tốt Sửa chữa các chỗ tiếp xúc giữa chi tiết và giá treo

Các kết tủa crôm màu tối; lớp chì lót bị phá huỷ Có mặt axit nitric HNO3¬ 1. Kết tủa HNO3 bằng barriclorua Bacl2 và điện phân dung dịch ở mật độ dòng cao trong 4-5 giờ.

2. Thay dung dịch nếu xử lý bằng điện phân không tác dụng

Crôm không kết tủa cả trong những chỗ ít lõm 1. Dư axit sunfuric(H2SO4)

2. Nồng độ CrO3 thấp qúa

3. Nồng độ Fe3+ quá quy định 1. Tách H2SO4 bằng BaCO3

2. Thêm CrO3 theo quy định

3. Kết tủa bằng kalifeo-xianua

Crôm không kết tủa ở từng chỗ của bề mặt 1. Mật độ dòng thấp

2. Bề mặt bị che chắn

3. Có các bọt khí 1. Tăng mật độ dòng

2. Thay đổi vị trí các chi tiết trên giá treo

3. Như trên (1,2)

Lớp mạ crôm và lớp mạ niken ở dưới bị bóc từng lớp Mạ niken rồi không đúng chế độ gia công bề mặt trước khi mạ niken tồi Cải thiện tính chất bề mặt niken và gia công bề mặt ban đầu

Lớp mạ crôm tách khỏi kim loại nền 1. Chi tiết làm từ hợp kim có nhiều crôm

2. Còn lớp mạ crôm cũ không tẩy hết

3. Tẩy gỉ chưa đủ 1. Thay vật liệu chi tiết

2. Tách hoàn toàn lớp mạ cũ

3. Tẩy gỉ lại

Lớp mạ xám khó đánh bóng 1.Thiếu CrO3

2. Mật độ dòng lớn 1. Thêm CrO3

2. Giảm mật độ dòng

b) Mạ niken hóa học

Khác nhau cơ bản giữa mạ điện và mạ hóa là ở mạ hóa không sử dụng dòng điện ngoài. Ở đây chỉ giới thiệu sơ lược về mạ niken hóa học để hiểu được nguyên lý của kiểu mạ này.

Phân loại mạ hóa học

Hiện có bốn phương pháp mạ hóa học được sử dụng.

1. Phương pháp mạ hóa học nhờ phản ứng trao đổi.

Trong phương pháp này kim loại nền có điện thế tiêu chuẩn âm hơn kim loại mạ, nên khử được ion kim loại mạ có trong dunh dịch. Ví dụ có thể mạ đồng lên thép nhờ phản ứng trao đổi:

Fe + Cu2+  Cu + Fe2+

Các chi tiết bằng thép, gang sau khi làm bóng, tẩy dầu, mỡ, tẩy gỉ, nhúng trực tiếp vào dung dịch CuSO¬4¬ đã axit hóa, phản ứng trao đổi trên sẽ diễn ra, tạo lớp phủ đồng (Cu) trên toàn bộ bề mặt chi tiết.

Lớp mạ hóa học nhờ phản ứng trao đổi thường rất mỏng, khoảng 0,02  0,5 m và được sử dụng như lớp mạ trang trí. Tốc độ hình thành lớp mạ phụ thuộc vào nồng độ muối kim loại mạ, nhiệt độ và sự chênh lệch điện thế tiêu chuẩn của kim loại mạ và kim loại nền. Cấu trúc tinh thể lớp mạ phụ thuộc vào tốc độ mạ và cường độ khuấy trộn dung dịch. Tốc độ mạ càng lớn nếu chênh lệch điện thế tiêu chuẩn của kim loại mạ và kim loại nền càng lớn. Ví dụ kẽm có cb-Zn2+/Zn = -0,76V, bạc cb-Ag2+/Ag = +0,79V ngay ở nồng độ bạc rất nhỏ và cường độ khuấy trộn yếu cũng không tạo được lớp mạ bạc trên kẽm. Ion bạc Ag+ bị khử nhanh, tạo thành bạc (Ag) dạng bột màu xi măng. Trong thực tế, phương pháp mạ trao đổi chỉ sử dụng cho những kim loại có điên thế tiêu chuẩn gần nhau. Ví dụ mạ thiếc (Sn), đồng (Cu), niken (Ni) lên sắt thép.

2. Phương pháp mạ hóa học tiếp xúc.

Lớp mạ thu được bằng phương pháp mạ tiếp xúc phải có 2 điều kiện:

- Kim loại mạ có điện thế tiêu chuẩn dương hơn kim loại nền;

- Phải có một kim loại khác có độ âm điện cao hơn kim loại nền tiếp xúc với kim loại nền ngay trong dung dịch mạ.

Về bản chất người ta xem lớp mạ tiếp xúc như lớp mạ điện hóa.

Nguồn điện được hình thành do 2 kim loại tiếp xúc nhau trong dung dịch chất điện phân. Kim loại nền đóng vai trò catốt, trên đó ion kim loại mạ bị khử điện thành kim loại tạo lớp mạ.

Kim loại tiếp xúc đóng vai trò anôt, bị ôxi hóa ion của nó tan vào dung dịch.

Phương pháp tiếp xúc cho lớp mạ có độ dày cao hơn phương pháp trao đổi, tuy tốc độ hình thành lớp mạ diễn ra tương đối chậm. Phương pháp mạ tiếp xúc chủ yếu sử dụng để mạ những chi tiết nhỏ trong thùng mạ quay, có độ dày lớp mạ khoảng 1  2 m.

3. Phương pháp tạo lớp mạ nhờ phản ứng khử hóa học.

Trong phương pháp nay người ta thường sử dụng chất khử hữu cơ để khử ion kim loại mạ. Sự khử ion kim loại từ muối đơn diễn ra quá nhanh, lớp mạ tạo ra xốp, dễ bong, nên trong thực tế người ta sử dụng muối phức của kim loại mạ. Tùy thuộc độ bền ion phức kim loại mạ, điện thế của chất khử, nồng độ muối phức, nồng độ chất khử, pH dung dịch, nhiệt độ mà tốc độ hình thành lớp mạ nhanh hay chậm. Phản ứng khử tạo lớp mạ chỉ bắt đầu khi cho chất khử vào dung dịch và diễn ra trong toàn bộ thể tích dung dịch mạ, nhưng chỉ một phần nhỏ lượng kim loại thoát ra trên bề mặt đối tượng mạ. Phương pháp khử tạo lớp mạ có hiệu quả kinh tế thấp do phải sử dụng một lượng hóa chất lớn hơn rất nhiều so với yêu cầu tạo lớp mạ. Phương pháp khử tạo lớp mạ chủ yếu dùng để mạ đồng (Cu), bạc (Ag) lên các chi tiết chất dẻo, thủy tinh, sứ kỹ thuật và các phi kim khác.

4. Phương pháp tạo lớp mạ hóa học nhờ xúc tác.

Lớp mạ hóa học xúc tác là trường hợp riêng của phương pháp khử.

Thành phần dung dịch mạ, nồng độ muối kim loại mạ, chất khử và nồng độ của nó cũng như các thành phần phụ gia khác được chọn sao cho dung dịch mới pha chế dù ở nhiệt độ cao phản ứng khử cũng không diễn ra. Phản ứng khử tạo lớp mạ chỉ thực sự diễn ra khi dung dịch tiếp xúc với chất xúc tác có mặt trên bề mặt chi tiết mạ. Chất xúc tác cho phản ứng khử tạo lớp mạ có thể là bản thân kim loại nền như trong trường hợp mạ niken hóa học cho sắt (Fe), nhôm (Al), kẽm (Zn), magiê (Mg) và coban (Co).

Trong trường hợp kim loại nền không có khả năng xúc tác như đồng và hợp kim của nó (đồng thau) thì có thể dùng nhôm (Al), sắt (Fe), kẽm (Zn), magiê (Mg), côban (Co) làm chất xúc tác. Bản thân lớp mạ niken hóa học cũng là chất xúc tác cho phản ứng khử ion Ni trong dung dịch, nhờ vậy mà quá trình khử Ni tạo lớp mạ liên tục diễn ra, làm dày lớp mạ theo yêu cầu.

Trong trường hợp mạ đồng và niken lên chất dẻo hoặc các phi kim thì chất xúc tác là các kim loại quý như vàng (Au), bạc (Ag), platin(Pt), paladi (Pd), trong đó paladi có hoạt tính xúc tác cao nhất và rẻ tiền hơn vàng và platin nên được sử dụng phổ biến nhất. Bằng cách sử dụng chất xúc tác thích hợp có thể tạo được lớp mạ hóa học có độ dày theo yêu cầu như lớp mạ điện.

So với mạ điện, mạ hóa học không những tạo được lớp mạ đồng đều ngay trên bề mặt có cấu hình rất phức tạp mà còn mạ được kim loại trên bề mặt các phi kim.

Phương pháp mạ hóa học có nhược điểm là phải định kỳ phân tích, bổ sung các hóa chất, thiết bị mạ phức tạp, đắt tiền, giá thành cao.

Mạ niken hóa học

1.Mạ niken trao đổi.

Mạ niken nhờ phản ứng trao đổi cho lớp mạ mỏng 0,1m thực hiện trực tiếp trên thép. Các chi tiết bằng thép sau khi gia công bề mặt được nhúng trực tiếp vào dung dịch có thành phần sau: NiCl2.6H2O (600g/l); H3BO3 (30g/l); pH (3,5  4,5); T (790C). Dung dịch cần khuấy liên tục.

Ở các nước công nghiệp phát triển, quá trình mạ niken trao đổi thường được thực hiện trong các thiết bị tự động hóa. Trong thiết bị này quá trình làm giàu NiCl¬¬2¬¬¬ và làm nghèo FeCl¬2¬ diễn ra liên tục nhờ bổ sung vào dung dịch NiCO¬3:

4FeCl2 + 2H2O + 4NiCO3 + O2  4FeOHCO3 + 4NiCl2

¬Kết tủa FeOHCO¬3¬ được lọc và loại bỏ.

2. Mạ niken tiếp xúc

Mạ niken tiếp xúc cho đồng (Cu) và hợp kim của nó thường diễn ra trong dung dịch: Ni(NH4)2(SO4)2 (320g/l); axit xitric (15g/l); NH4Cl (66,5g/l); T (1000C).

Kim loại tiếp xúc thường dùng là nhôm (Al) hay thiếc (Sn).

3. Mạ niken xúc tác

Mạ niken xúc tác được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều ở các nước công nghiệp phát triển.

Quá trình hình thành lớp mạ tên bề mặt chi tiết nhờ phản ứng khử Ni2+ bằng các chất khử thích hợp. Ví dụ theo phản ứng:

Ni2+ +H2  Ni + 2H+

Chất khử mạ niken hóa học thường dùng nhất là natrihipôphôtphit (NaH2PO2.H2O), ở mức độ ít hơn còn dùng natribohyđric (NaBH4).

Cơ chế quá trình khử Na2+ chưa được biết chính xác, tuy nhiên cơ chế sau đây được nhiều người thừa nhận. Theo cơ chế này, quá trình khử Ni2+ bằng NaH2PO2.H2O diễn ra theo 4 phản ứng sơ cấp:

Phản ứng (1) và (2) là phản ứng chủ yếu. Phản ứng (3) và (4) là những phản ứng phụ làm giảm hiệu suất quá trình. Phản ứng (3) giải phóng photpho (P), tạo với lớp niken hình thành dung dịch rắn. Lớp mạ Ni - P thường chứa 7  10% P. Photpho có mặt trong lớp mạ làm thay đổi thành phần, cấu tạo lớp mạ và vì thế làm thay đổi tính chất cơ lý cũng như hóa học của lớp mạ.

Dung dịch và quy trình mạ niken hóa học.

Một số loại dung dịch mạ niken hóa học cho ở bảng 2.5.5. Quy trình mạ hóa không khác mấy so với mạ điện. Mạ hóa được thực hiện trong bể mạ bằng sứ, bằng thủy tinh hay bể tráng men (hình 2.5.14). Quá trình mạ kéo dài trong thời gian khoảng 60 phút ở nhiệt độ 90  920C. Nhược điểm chính của mạ hóa niken là thay đổi thành phần dung dịch theo thời gian, giảm muối niken, hipôphôtphit. Điều đó làm thay đổi pH của dung dịch và làm giảm vận tốc tách Ni cho đến khi kết thúc hoàn toàn quá trình mạ. Vì vậy mạ hóa Ni phải sử dụng dung dịch mạ mới.

Bảng 2.5.5. Một số loại dung dịch mạ niken hóa học

Tên chất Hàm lương, g/l của dung dịch

Số 1 Số 2 Số 3

Niken sunphat NiSO4.7H2O 30 - -

Natri hipôphôtphit NaH2PO2.H2O 10 12 22  23

Axêtat natri CH3COONa 10 10 10

Niken clorua - 30 21  22

2.6. Phun kim loại

2.6.1. Một số vấn đề chung

a) Bản chất của phun kim

Phun kim loại đôi khi còn gọi là kim loại hóa. Nguyên lý của công nghệ này là kim loại lỏng được dùng không khí nén thổi làm phân tán thành các lớp sương mù rất nhỏ, bắn lên bề mặt đã được chuẩn bị sạch, như vậy sẽ tạo thành một lớp kim loại phủ dày, trong đó các phần tử kim loại đè lên nhau theo từng lớp. Để thực hiện phun lim loại, sử dụng thiết bị phun có đầu phun.

Phun kim loại có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim của chúng hoặc lên bề mặt kim loại hoặc bề mặt vật cứng khác như gỗ, vải, giấy, sứ... Bằng phun kim loại cũng có thể tạo ra những lớp dẫn điện trên vật không dẫn điện, tạo các lớp chịu nhiệt...

b) Phân loại phun phủ

Dựa vào nguồn nhiệt làm nóng chảy, phun kim loại có thể phân thành: phun điện (phun điện trở, phun hồ quang, phun cao tần); phun khí cháy; phun điện và khí (phun plasma).

Dưới đây trình bày sơ đồ và nguyên lý phun bằng khí cháy (hình 2.6.1) và phun bằng hồ quang điện (hình 2.6.2).

Phun bằng khí cháy: ở đây kim loại được đưa vào trong đầu phun dưới dạng dây có đường kính khoảng 1,2  3mm.

Các ống dẫn ôxi, axêtylen, không khí có áp suất khoảng 5  6atm. Ôxi và axêtylen cháy cho ngọn lửa như ngọn lửa hàn khí (hàn hơi). Dưới tác dụng của ngọn lửa, đầu dây bị đốt nóng chảy. Đồng thời không khí nén thổi giọt kim loại lỏng làm bắn ra những hạt kim loại nhỏ bay theo dòng khí nén với tốc độ rất nhanh (khoảng 100  200m/s) đập lên bề mặt vật đắp. Ở đây sự dịch chuyển của dây được thực hiện bằng cơ cấu dịch chuyển cơ khí. Lớp kim loại phủ trên bề mặt vật sẽ có độ cứng và giòn hơn kim loại dây và có sức bền kéo không lớn lắm. Độ bám với nền cũng nhỏ. Nhưng tính chất của lớp phủ sẽ có nhiều tác dụng khác như tính chịu mài mòn trong ma sát ướt, có khả năng giữ dầu... Để nâng cao độ bám của lớp phun, bề mặt nền phải hoàn toàn sạch và được chuẩn bị trước bằng các phương pháp thích hợp như gia công cơ khí, phun bi, gia công tia lửa điện... để tạo nhám. Sau khi làm sạch và tạo nhám chậm nhất là 2 giờ phải tiến hành phun. Nếu để lâu, bề mặt làm sạch lại bị ôxi hóa.

Kim loại hoặc hợp kim, trong trường hợp không thể tạo được dưới dạng dây, thì có thể đưa và các đầu phun dưới dạng bột và gọi là đầu phun bột kim loại.

Phun hồ quang: để gây hồ quang, dùng dòng điện bình thường như với hàn điện. Nguyên lý phun cũng giống như phun khí. Kim loại phun bằng đầu phun khí và đầu phun hồ quang không nhất thiết phải có tính chất chung.

Ví dụ: khả năng chống gỉ của lớp nhôm sẽ tốt hơn khi thu được bằng cách phun hồ quang. Lớp phủ bằng thiếc hoặc nhôm ở đây dùng để chống gỉ cho những kết cấu thép dẫn điện, cầu, ống, tàu thủy...

c) Ứng dụng của phun kim loại

Phun kim loại hiện nay được sử dụng cho các mục đích sau:

- Phục hồi các chi tiết máy bị mòn;

- Sửa chữa các khuyết tật của vật đúc;

- Sửa chữa các khuyết tật khi gia công cơ khí;

- Bảo vệ (chống gỉ) ở môi trường khí quyển;

- Bảo vệ (chống gỉ) ở nhiệt độ cao;

- Thay thế kim loại màu bằng kim loại phun;

- Trang trí.

Một vài thống kê trên thế giới về sử dụng phun kim loại trong một số lĩnh vực như sau:

- 65% cho việc bảo vệ chống gỉ các thiết bị, cấu trúc...;

- 35% cho việc phục hồi các chi tiết máy bị mòn, trong đó sử dụng nhiều tính chất trượt (tính chịu mài mòn) của lớp phun.

Phun kim loại có những nhược điểm sau:

- Mối liên kết giữa lớp phủ và nền thấp;

- Tổn thất kim loại nhiều;

- Ảnh hưởng đến sức bền của chi tiết (giảm giới hạn mỏi của chi tiết);

- Bề mặt phun luôn luôn yêu cầu phải làm sạch và tạo nhấp nhô (tạo nhám);

- Đòi hỏi tay nghề công nhân kỹ thuật cao. Điều kiện làm việc nặng nhọc.

Những nhược điểm này cũng là những hướng quan tâm nghiên cứu hiện nay.

d) Một số loại đầu phun

Đầu phun hồ quang điện: đầu phun điện trở (hình 2.6.3 và hình 2.6.4); đầu phun hồ quang điện (hình 2.6.5 và hình 2.6.6).

Đầu phun theo nguyên lý điện trở biểu diễn trên hình 2.6.3. Sự chảy của kim loại được tiến hành trong nồi 1 của đầu phun. Xung quanh nồi 1 được đặt lò xo điện trở 2 để đảm bảo cho kim loại trong nồi luôn luôn ở trạng thái lỏng. Nguồn điện ở đây thường là dùng máy biến thế hàn. Ở phía trước của nồi là miệng phun 3, được điều chỉnh khe hở phun nhờ kim 4. Khi mở miệng phun, kim loại sẽ được chảy qua. Kim loại sẽ được phun do dòng khí nén chạy dọc phía thành ngoài của ống.

Hình 2.6.4. là đầu phun điện trở với vật liệu phun là dây. Dây được chuyền trong ống than chì đến miệng phun. Ống điện trở được đặt ngay sát miệng phun, như vậy dây phun sẽ được đốt nóng và chảy lỏng ở đây. Sự phun sẽ được thực hiện bằng dòng khí nén.

Đầu phun hồ quang điện được sử dụng rộng rãi và có công suất lớn. Nguyên lý làm việc thể hiện trên hình 2.6.5. Hai dây 1 (điện cực) được chuyển dịch bằng cáp bánh xe 3 đi vào ống dẫn hướng 2 đến vị trí tiếp xúc với nhau. Vòi phun khí nén 4 được bố trí giữa hai cực.

Hình 2.6.6 là đầu phun hồ quang điện ba điện cực để phun đồng thời hai, ba loại vật liệu phun. Động cơ điện 1 được bố trí thẳng đứng truyền chuyển động cho bộ truyền ma sát vô cấp 2, qua bộ truyền bánh răng 3 và 4 và các bộ truyền bánh răng khác làm các trục D1 và D2 quay, tức là làm các bộ con lăn quay và làm dịch chuyển dây phun với cùng vận tốc như nhau. Đối với đầu phun này dùng dòng điện ba pha.

Đầu phun khí cháy (và khí plasma - hình 2.6.7).

Các đầu phun kiểu ngọn lửa khí (và khí plasma) có nhiều loại. Chúng thường sử dụng hỗn hợp khí từ các khí cháy khác nhau với ôxi như axêtylen, mêtan, prôpan, butan, khí thiên nhiên, dầu hỏa...

Phương hướng thiết kế các đầu phun hiện nay theo các điều kiện sau:

- Đầu phun phải làm việc được với mọi phạm vi thời gian của công việc, tức là có thể tắt hoặc gây hồ quang thường xuyên mà vẫn đảm bảo an toàn;

- Đầu phun có cấu tạo từ các chi tiết chịu mòn cao chủ yếu là bộ truyền dây và đầu dẫn hướng;

- Đầu phun làm việc ổn định với các thông số phun trong thời gian dài;

- Đầu phun có chùm tia phun (tập trung);

- Đầu phun có sự tiêu hao khí nén ít nhất;

- Đầu phun cho cấu trúc lớp phủ có chất lượng tốt nhất;

- Đầu phun có thể tự động điều chỉnh dòng điện và áp lực khí nhỏ, các cơ cấu được tự động và cơ khí hóa.

2.6.2. Sự hình thành lớp phủ và cấu trúc lớp phủ

Trên cơ sở các hiện tượng lý hóa xảy ra trong quá trình phun kim loại, sự hình thành lớp phủ rất phức tạp và về vấn đề này có rất nhiều quan điểm. Ở đây trình bày một số quan điểm chính về sự hình thành lớp phủ.

a) Những quan điểm về sự xuất hiện lớp phun phủ

1. Lý thuyết của Pospisil - Sehyl

Tác giả của lý thuyết này đã kết luận rằng: lớp phủ bằng phun kim loại đã xuất hiện do các giọt kim loại lỏng bị phun bằng một dòng khí nén với tốc độ rất cao (trung bình khoảng 200m/s). Các giọt này bị phá vỡ thành rất nhiều hạt nhỏ. Dạng của các hạt này được đặc trưng bằng kim loại của nó. Theo bản chất có thể chia kim loại thành hai nhóm:

- Các kim loại mà ôxit của nó khi phun ở thể lỏng thì luôn luôn tạo thành các hạt có dạng hình cầu.

- Các kim loại mà ôxit của nó khi phun ở thể rắn (như nhôm, kẽm) sẽ tạo thành những hạt có dạng không đồng đều (đa cạnh).

Dạng của các hạt khi bay hoàn toàn không thay đổi mà chủ yếu chỉ xảy ra sự ôxi hóa. Sự ôxi hóa kim loại thực chất bắt đầu xẩy ra từ quá trình làm chẩy dây phun và trong thời điểm tạo ra các hạt nhỏ một phần lớn các ôxit sinh ra trong quá trình bay của các hạt. Nghĩa là khi các giọt kim loại lỏng bắt đầu tách thành các hạt nhỏ thì bề mặt của các hạt cũng bắt đầu tăng lớp ôxit. Số lượng lớp ôxit nhiều, ít là một nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng của lớp phủ.

Quá trình va đập của các hạt, thực nghiệm rất khó xác định vì quá trình này xẩy ra trong một thới gian rất ngắn, mà trong thời gian đó quá trình này có ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ bám của các phần tử với kim loại nền.

Từ các thực nghiệm, tác giả của lý thuyết này tính toán và kết luận rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là ở thể lỏng.

2. Lý thuyết Schop

Tác giả đã khẳng định rằng: năng lượng động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp bằng dòng khí nén, nên khi va đập lên bề mặt bị phun thực tế có sự thay đổi nhiệt. Thực nghiệm đã xác định được rằng: những hạt kim loại khi rơi khỏi miệng vòi phun, bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén. Trong thời điểm va đập chúng sẽ có sự biến dạng dẻo, do vậy chúng sẽ liên kết với nhau thành những lớp liên kết.

Tác giả của lý thuyết này đã cố gắng chứng minh rằng các phần tử kim loại chảy lỏng khi phun, luôn luôn nguội dần. Trong một khoảng cách rất ngắn từ đầu phun, sự giữ nhiệt trong dòng các tia kim loại là tương đối thấp còn khoảng 500C đến 1000C. Do vậy tác giả đã kết luận cho lý thuyết của mình rằng: có thể phủ được cả những vật liệu dễ chảy mà không xảy ra sự cháy.

3. Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger

Lý thuyết này cũng cho rằng những hạt kim loại bị nguội và đông đặc là do tác dụng của nguồn năng lượng của khí nén. Mặt khác trong quá trình đi từ đầu phun các hạt đã ở trạng thái nguội như vậy sẽ không xẩy ra sự biến dạng dẻo.

4. Lý thuyết của Schenk

Tác giả của lý thuyết này đã kết luận rằng: nhiệt độ của các hạt phun phải ở trên nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt chúng với nhau. Nhưng điều này không thực tế vì ở thời điểm va đập trên bề mặt bị phun, kim loại lớp bề mặt của kim loại nền bị phun có khả năng bị đốt nóng đến nhiệt độ chảy để có thể xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử với kim loại cơ sở.

b) Cơ chế hình thành lớp phủ bằng phun

Trên cơ sở phân tích các lý thuyết trên, toàn bộ cơ chế hình thành lớp phủ có thể mô tả như sau: trong pha đầu của quá trình phun kim loại được đặc trưng bằng sự chẩy của đầu dây phun. Trong pha thứ hai là sự tách các giọt kim loại từ đầu dây, tiếp đó là quá trình bay và va đập của các hạt kim loại trên bề mặt đã được chuẩn bị và cuối cùng là sự hình lớp phun kim loại bằng mối liên kết của chúng với bề mặt nền.

1. Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun.

Khi phun kim loại bằng hồ quang điện, đầu tiên xảy ra sự tiếp xúc của 2 dây kim loại (điện cực). Sự đoản mạch gây tác dụng nung nóng đáng kể kim loại ở vị trí tiếp xúc. Trong đó kim loại bị nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy của chúng. Giọt kim loại suất hiện sau khi bị nóng chảy được phủ trên bề mặt điện cực. Giữa kim loại lỏng và môi trường khí xảy ra quá trình khuyếch tán và sự tác dụng hóa lý với nhau như ứng suất bề mặt, nội năng, nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt, khả năng co rút gây ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong và các tính chất khác của giọt kim loại lỏng.

Trong quá trình chảy cũng xảy ra sự đốt cháy một số thành phần hóa học trong kim loại lỏng.

Sự lớn lên của một số kim loại lỏng chảy từ đầu dây tồn tại cho đến khi lực động học của dòng không khí nén lớn hơn ứng suất bề mặt kim loại lỏng sẽ làm tách các giọt kim loại giọt kim loại bị áp lực của dòng khí nén sẽ phân tách thành rất nhiều hạt nhỏ, những hạt này tạo ra những tia phun kim loại.

Toàn bộ quá trình chảy và phân tán các hạt xảy ra rất nhanh. Sự phân tán chỉ kéo dài khoảng 1/10.000 đến 1/100.000 giây. Và sau mỗi giây tạo ra khoảng 7.000 giọt thép. Dạng của các hạt xuất hiện từ sự phân tách giọt kim loại phụ thuộc vào kim loại. Điều này có thể giải thích như sau:

Mỗi hạt, ngoài kim loại còn có phần trăm tỉ lệ nhất định các ôxít, các ôxít này có thể chia làm 2 loại.

- Loại lỏng bao bọc xung quanh hạt và tạo hạt có dạng hình cầu - ví dụ như thép.

- Loại đặc bị đông đặc nhanh và giọt kim loại lỏng không thể tạo ra dạng cầu - ví dụ như nhôm, kẽm.

2. Quá trình bay của các hạt.

Toàn bộ quá trình bay của các hạt từ lúc bị phân tách từ giọt kim loại đến khi va đập trên bề mặt phun kim loại xảy ra rất ngắn khoảng 0,002  0,008 giây. Trong quá trình bay của hạt, chủ yếu xảy ra sự ôxít hóa, do vậy các phần tử phun kim loại bị bao bọc bằng một lớp ôxít, lớp này sẽ lớn lên theo khoảng cách bay.

Các hạt kim loại lỏng di động trong dòng không khí nén có tốc độ rất lớn. Ngoài ra các phần tử còn bị ảnh hưởng của rất nhiều nhân tố, biểu thị của những phản ứng không đồng nhất. Khi phun kim loại ta phải tính toán đến các vấn đề sau:

- Các hạt kim loại đi ra ở trạng thái lỏng hay trạng thái đã đặc sệt.

- Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường gia tốc.

- Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh mà trong môi trường này chứa ôxi, nitơ, hiđrô, hơi nước và các thành phần hóa học khác

- Khả năng hòa tan của khí phụ thuộc vào nhiều nhiệt độ, cũng như tới áp lực riêng của khí.

3. Sự hình thành lớp phủ bằng phun kim loại.

Quá trình tạo thành lớp phủ bằng phun kim loại tương đối phức tạp. Trên cơ sở những kết quả của nhiều thí nghiệm và tính toán, người ta đã xác định: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn.

Để hiểu sự hình thành lớp phủ cần phải chú ý các hịên tượng xảy ra khi va đập của các phần tử bề mặt (vật liệu nền) kim loại cần được phun phủ.

- Vấn đề thứ nhất là năng lượng động năng của các phần tử va đập lên bề mặt phun gây ra sự tác dụng và biến dạng rất nhanh, mạnh. Năng lượng động năng này được xác định bằng tốc độ của các phần tử và khối lượng của chúng. Bởi vậy các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có năng lượng động năng khác nhau (khi chúng có cùng một tốc độ). Tốc độ bay của các phần tử là một nhân tố cho việc xác định sự biến dạng của các phần tử.

- Vấn đề thứ hai cần quan tâm để xác định sự biến dạng của các phần tử, đó là khả năng biến dạng của các phần tử. Lớp vỏ ôxit trên các phần tử có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất này. Điều cần khẳng định là: trong thời điểm va đập lớp ôxi phải là lỏng. Như vậy trong trường hợp này không thể giữ được sự biến dạng của các phần tử và ngược lại ở các phần tử có lớp vỏ cứng, khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác định bằng lớp vỏ bọc này.

Khả năng biến dạng của các phần tử thép với lớp màng bọc ôxi ở trạng thái lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước nó không kết thúc ngay mà còn xẩy ra sự biến dạng tiếp theo do sự tác dụng của các phần tử sau, giống như sự tác dụng của rèn. Sự biến dạng của các phần tử xẩy ra rất nhanh. Bởi vậy khi các phần tử sau va đập lên các phần tử trước thì các phần tử trước hãy còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, giữa chúng dễ dàng xẩy ra sự liên kết kim loại với nhau.

c) Cấu trúc của lớp phun kim loại

Lớp phủ bằng kim loại có tính chất và thành phần khác với vật liệu ban đầu.

Cấu trúc của lớp kim loại phủ có cấu trúc của các cấu trúc bị nguội lạnh đột ngột. Ở lớp thép cácbon (có thành phần cacbon cao) thường có cấu trúc mactenxit cho đến cấu trúc bainhit. Ngoài những phần tử nền này ra, trong lớp phủ còn chứa các phần tử nhỏ không biến dạng, những phần tử này khi va đập lên bề mặt nền đã ở trạng thái rắn.

Sự nguội nhanh của các phần tử xẩy ra rất nhanh và bị tác dụng bởi nguội lạnh lớn, nên trong cấu trúc, ngoài dung dịch đặc Fe - C còn có dung dịch đặc của Fe - ôxit do vậy khi đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng những trung tâm lệch mạng, những trung tâm này có ảnh hưởng đến độ bám của lớp phủ.

Trong lớp phủ có thể có hai loại ôxit, một loại ôxit được hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại biến dạng. Loại đầu thường coi là bất lợi, làm xấu tính chất cơ học của lớp phủ. Loại thứ hai đóng vai trò liên kết các phần tử kim loại riêng biệt. Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc lớp phủ phải kể đến một lượng khá lớn các lỗ xốp. Các lỗ xốp này được hình thành do sự liên kết không chặt chẽ của các phần tử kim loại khi biến dạng. Các lỗ xốp có trong các cấu trúc của lớp phủ sẽ cho lớp phủ những tính chất tốt khi lớp phủ làm việc trong điều kiện bôi trơn.

2.6.3. Quá trình công nghệ phun phủ

Công nghệ phun phủ có thể biểu thị bằng sơ đồ chung (hình 2.6.8). Trong từng điều kiện cụ thể hoặc sản phẩm cụ thể một số công đoạn có thể bỏ qua hoặc một số bước có thể được ghép lại làm đồng thời.

Kiểm tra vật liệu: ở bước đầu tiên này kiểm tra mác nền, độ cứng và kích thước để chọn vật liệu phun. Kim loại dùng làm vật liệu phun thường ở dạng dây hay dạng bột. Nhiệt độ chảy của dây phun có ảnh hưởng đến việc chọn tốc độ dịch chuyển dây, chọn lưu lượng khí cháy và kỹ thuật phun. Đối với bột phun phủ, kiểm tra những thông số chính như cấp hạt, hình dáng, độ chảy. Bột dùng để phun phải được chuẩn bị trước. Công đoạn chuẩn bị bột phun bao gồm các bước: sấy bột và phân cấp hạt.

2.6.4. Công nghệ chuẩn bị bề mặt trước khi phun phủ

Công nghệ chuẩn bị bề mặt trước khi phun phủ được biểu thị trên hình 2.6.9. Ở đây chỉ trình bày sơ lược về tạo nhám bề mặt trước khi phun phủ.

Việc tạo ra độ nhám trên bề mặt của chi tiết là một nguyên công quan trọng trong quá trình công nghệ phun kim loại. Nguyên công này đảm bảo độ bền và độ dính kết của kim loại phủ với bề mặt chi tiết được phủ.

Lựa chọn phương pháp chuẩn bị bề mặt là nhằm mục đích tạo độ nhám trên bề mặt của chi tiết được phủ với độ nhám có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với độ nhám được tính toán. Nói chung các phương pháp chuẩn bị bề mặt có đặc điểm chung, còn một vài phương pháp được áp dụng riêng biệt.

Gia công phun cát, phun hạt kim loại hoặc phun bi, cắt ren, gia công tia lửa điện (gại điện) là những phương pháp được sử dụng hiện nay trong lĩnh vực phun kim loại.

Người ta áp dụng các phương pháp như cắt ren tròn, cắt ren bằng cùng với việc sửa lại đỉnh ren là những phương pháp có nhiều ưu điểm khi phủ các lớp dày.

Tuy nhiên khi lựa chọn một phương pháp chuẩn bị bề mặt cần thiết phải chú ý đến độ bền dính kết của lớp phủ; tới dạng bề mặt chi tiết, điều kiện làm việc của bề mặt... Bảng 2.6.1 cho biết các phương pháp chuẩn bị bề mặt khi phun kim loại.

Bảng 2.6.1. Phân loại các phương pháp chuẩn bị bề mặt (tạo nhám) trước khi phun

Phương pháp chuẩn bị bề mặt Chiều dầy lớp phủ trên chi tiết hình trụ

Nhân công

Thiết bị, dụng cụ

Phạm vi ứng dụng

min max Công nhân Bậc

Phun cát

0,02

3

Phun cát

34

Thiết bị phun cát Sửa chữa các khe nứt của chi tiết đúc, chống gỉ trang trí bằng phun kim loại và cho các lớp mạ khác

Cắt ren và phun cát 0,15 4 Nguội 34 Thiết bị phun cát Dùng cho những lớp phủ mỏng và trong việc phục hồi các trục cơ ôtô

Phun cát 34

Cắt ren bằng

0,5

20

Tiện

45

Máy tiện, dao cắt ren Để phủ các chi tiết máy bị mòn (trục và bạc lót) bề mặt được qua xêmentit và không qua tôi

Cắt rãnh và cán đầu 0,5 30 Tiện 45 Máy tiện, dao cắt ren, dụng cụ cán Dùng như trường hợp trên và dùng cho các bề mặt trụ trong của các xilanh

Cắt ren và cán đầu 0,5 30 Tiện 45 Máy tiện, dao cắt ren, dụng cụ cán Dùng cho các bề mặt qua xêmentit hoặc qua tôi (đặc biệt dùng cho các chi tiết làm việc với tải trọng lớn)

Gại điện

0,7

10

Hàn

5 Máy tiện, máy biến thế và gá lắp gại điện chuyên dùng Dùng cho các bề mặt qua xêmentit và tôi, chuẩn bị các bề mặt trong của các xi lanh

2.7. Một số phương pháp gia công và phục hồi khác

Ở đây chỉ trình bày sơ lược một số phương pháp gia công và phục hồi chi tiết khác.

2.7.1. Gia công kim loại bằng plasma

Khái niệm về plasma (Bản chất của plasma)

Plasma là một dạng vật chất ở tình trạng ion hóa mạnh. Sự ion hóa của khí tạo plasma diễn ra do mất một hay một số điện tử của nguyên tử dưới tác dụng của nhiệt độ cao của hồ quang điện. Để tạo plasma, cho chất khí tạo plasm đi qua rãnh hẹp trong đó có sự phóng điện giữa hai điện cực (hồ quang). Khí ép cột hồ quang tạo thành dòng plasma có nhiệt độ đến 160000C và cao hơn nữa. Khi áp suất của khí 0,2  0,3MPa và cường độ dòng điện 400  500A vận tốc của các phần tử trong buồng có thể đạt đến 15000m/s.

Một số mỏ tạo plasma

Mỏ tạo plasma có thể chia thành ba loại (hình 2.7.1): loại tác dụng trực tiếp; loại tác dụng gián tiếp và loại tác dụng hỗn hợp.

Ở mỏ tạo plasma tác dụng trực tiếp (hình 2.7.1a) hồ quang cháy giữa điện cực không chảy vômfram 6 và chi tiết 1. Hồ quang bị ép trong rãnh hẹp của miệng phun 2 và khí tạo plasma đi vào khoảng trống 5. Một phần khí sau khi đi qua cột hồ quang bị ion hóa và thoát ra miệng phun dưới dạng luồng plasma. Lớp khí bao quanh cột hồ quang nguội tương đối tạo ra sự cách nhiệt và cách điện giữa hồ quang và miệng phun. Nhiệt độ của luồng plasma trong trường hợp này có thể đạt đến 300000C.

Ở mỏ tạo plasma tác dụng gián tiếp (hình 2.7.1b), hồ quang cháy giữa điện cực không chảy 6 và miệng phun 2. Nhiệt độ của luồng plasma trong trường hợp nàu có thể đạt đến 160000C.

Ở mỏ tạo plasma tác dụng hỗn hợp (hình 2.7.1c) có hai loại hồ quang: giữa điện cực và miệng phun được làm nguội bằng nước và giữa điện cực với chi tiết.

Luồng plasma thoát ra khỏi miệng phun với vận tốc lớn làm tăng dòng khí từ không khí xung quang vào vùng plasma (vùng hàn). Vì vậy để bảo vệ vùng hàn mỏ tạo plasma được trang bị thêm miệng bảo vệ khí 3.

Một số ứng dụng của plasma

Do nhiệt độ của luồng plasma rất cao nên nó được dùng để hàn những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, tôi bề mặt và đặc biệt là sử dụng để cắt kim loại. Khi cắt kim loại, sử dụng mỏ tạo plasma hình kim (hình 2.7.2). Ở loại mỏ này có miệng phun điều tia 7. Miệng phun điều tia ngoài tác dụng bảo vệ vùng plasma (như miệng bảo vệ khí 3 ở hình 2.7.1) nó còn có tác dụng điều chỉnh luồng plasma để có dạng hình kim.

2.7.2. Gia công tia lửa điện

Nguyên lý của gia công tia lửa điện (Bản chất của tia lửa điện)

Hai đoạn dây kim loại đặt dưới một điện thế cao áp và cho tiếp xúc đóng mở liên tục sẽ phát sinh hiện tượng phóng tia lửa điện. Sự phóng tia lửa điện là do sự chuyển dịch của điện tử dưới ảnh hưởng của sự chênh lệch điện áp. Quá trình xảy ra có thể biểu thị như hình 2.7.3.

Sự phóng điện tử kim loại ở cực âm sẽ dẫn đến sự chuyển dịch dây truyền của hàng loạt điện tử trong không khí từ ít đến nhiều (theo diễn biến trong hình a, b, c, d). Sự va chạm khi phóng hàng loạt điện tử sẽ biến thành nhiệt năng đạt đến hàng vạn độ, làm nóng chảy kim loại và phóng ra ở thể khí, làm hao tổn kim loại ở cực dương (chi tiết gia công). Phần hao tổn này một phần bay vào không khí (dưới dạng tia lửa), một phần đi về phía cực âm (dụng cụ) và bám vào đầu dây cực âm. Nếu để dụng cụ và chi tiết vào chất lỏng điện môi (dung dịch không dẫn điện ở điều kiện bình thường như dầu biến thế, dầu hỏa, rượu etylic...) thì phần kim loại này khuyếch tán vào dung dịch. Nói cách khác, khi các tia lửa điện phóng ra, vật liệu bề mặt chi tiết (phôi) sẽ bị hớt đi bởi một quá trình điện - nhiệt thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại, nó thay cho tác động cơ học của dụng cụ và phôi.

Một số phương pháp gia công tia lửa điện

Có hai phương pháp công nghệ gia công tia lửa điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp là: phương pháp "xung định hình" và gia công tia lửa điện bằng cắt dây.

Gia công xung định hình là sử dụng một điện cực (dụng cụ) có hình dạng đơn giản chuyển động theo côngtua (được lập trình trước) (hình 2.7.4a, b, c) hay điện cực là một hình không gian bất kỳ mà nó in hình của mình lên phôi tạo thành một lòng khuôn (hình 2.7.4d).

Ở gia công tia lửa điện bằng cắt dây, điện cực là một dây mảnh (d = 0,1 ÷ 0,3mm) được cuốn liên tục và được chạy theo một côngtua cho trước (hình 2.7.5).

Ở loại có tụ không tiếp xúc (hình 2.7.4a), tia lửa điện phát sinh do mức độ tích lũy năng lượng điện bởi tụ điện đến điện áp cần thiết đánh thủng khe hở giữa các điện cực.

Ở loại không tụ tiếp xúc (hình 2.7.4b) dụng cụ chuyển động tịnh tiến (lên, xuống) không ngừng (tia lửa điện xuất hiện khi dụng cụ đến gần chi tiết) còn ở loại không tụ không tiếp xúc có chuyển động quay (quá trình gia công xảy ra khi có dòng điện lớn do có sự tiếp xúc trực tiếp rất nhanh giữa các mấp mô bề mặt làm cho kim loại nóng chảy và bị phá hủy).

Một số ứng dụng của gia công tia lửa điện

Một trong các đặc điểm của gia công tia lửa điện là có thể sử dụng cụ (điện cực) có độ cứng thấp hơn nhiều so với độ cứng của phôi. Điện cực có thể là đồng, graphit, còn phôi là thép đã tôi hoặc hợp kim cứng. Do vậy ứng dụng của công nghệ này là để gia công vật liệu kim loại có độ cứng cao. Ngoài ra công nghệ này còn gia công những bề mặt có prôfin phức tạp (khuôn đúc) và hợp kim hóa bề mặt chi tiết (khi này chi tiết được nối với cực âm).

2.7.3. Gia công điện hóa

Nguyên lý của gia công điện hóa (gia công anôt cơ)

Gia công điện hóa là quá trình ngược với quá trình mạ điện. Chi tiết được nối với cực dương còn dụng cụ được nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Gia công điện hóa dựa trên sự hòa tan anôt của kim loại chi tiết (cực dương) và tách khỏi bề mặt chi tiết các sản phẩm của phản ứng điện hóa.

Một số phương pháp gia công điện hóa

Gia công điện hóa được sử dụng cho việc cắt, mài (hình 2.7.6) và gia công các bề mặt có prôfil phức tạp (khi này bề mặt dụng cụ là âm bản của bề mặt cần gia công).

Hình 2.7.6. Một số phương pháp gia công điện hóa

a - cắt; b - mài; c - mài nghiền tinh (với dụng cụ trung hòa điện);

1 - đá mài (tách sản phẩm phản ứng điện hóa) ; 2 - chi tiết gia công (katôt); 3 - thiết bị cung cấp dung dịch; 4 - dụng cụ gia công (anôt); 5 - bộ phận nối điện.

Khi cắt và mài (hình 2.7.6a,b) dụng cụ 4 vừa là dụng cụ gia công (katôt) vừa là dụng cụ tách sản phẩm của phản ứng điện hóa khỏi bề mặt chi tiết. Khi mài nghiền tinh (hình 2.7.6c) đá mài (dụng cụ trung hòa điện) chỉ có tác dụng tách sản phẩm của phản ứng điện hóa. Ngoài phương pháp tách sản phẩm điện hóa khỏi bề măt chi tiết bằng dụng cụ (có điện và trung hòa điện) còn sử dụng phương pháp thủy lực (bơm chất điện phân qua khe hở với áp suất 0,6 ÷ 1,2 MPa).

Một số ứng dụng của gia công điện hóa

Cũng như gia công tia lửa điện phương pháp này được ứng dụng để gia công vật liệu kim loại có độ cứng cao. Có thể gia công được bề mặt có prôfin phức tạp.

2.7.4. Gia công cơ điện

Nguyên lý gia công cơ điện

Gia công cơ điện là tác dụng cơ học của dụng cụ trên bề mặt chi tiết được đốt nóng cục bộ (nhờ dòng điện) với sự dịch chuyển kim loại ở vị trí tiếp xúc của dụng cụ.

Phương pháp này thường sử dụng để gia công chi tiết dạng trục và dạng chốt trên máy tiện. Cường độ dòng điện 400 ÷ 1000A và điện áp 2 ÷ 6V được đưa đến vùng tiếp xúc của dụng cụ và chi tiết (hình 2.7.7a). Do diện tích tiếp xúc nhỏ, năng lượng điện khi điện trở lớn sẽ đốt nóng tức thời kim loại đến nhiệt độ 800 ÷ 9000C. Dưới tác dụng của nhiệt độ này, kim loại trở nên mềm và dưới tác dụng của lực theo bán kính của dụng cụ sẽ biến dạng theo hướng mong muốn phụ thuộc vào prôfin của dụng cụ.

Hình 2.7.7. Gia công cơ điện

a - sơ đồ gia công điện hóa: 1 - cầu dao ; 2 - biến trở; 3 - cuộn dây thứ cấp; 4 - mâm cặp; 5 - chi tiết; 6 - ụ sau của máy; 7 - dụng cụ gia công;

b - sơ đồ chồn và san phẳng bề mặt chi tiết: 1 - chi tiết; 2 - dụng cụ chồn; 3 - dụng cụ san bằng; D0 - đường kính sau san bằng; D1 - đường kính sau chồn; D2 - đường kính ban đầu

Ứng dụng của gia công cơ điện

Phương pháp gia công cơ điện rất hữu hiệu khi hồi phục kích thước của chi tiết dạng trục và làm bền chúng (hình 2.7.7b).

2.7.5. Hồi phục chi tiết bằng phương pháp biến dạng dẻo

Bản chất của phương pháp biến dạng dẻo

Hồi phục chi tiết bằng phương pháp biến dạng dẻo dựa trên khả năng thay đổi hình dáng và kích thước của kim loại nhưng không bị phá hỏng dưới tác dụng của tải do biến dạng còn lại (biến dạng dẻo). Khi biến dạng dẻo, thể tích của kim loại không thay đổi nhưng kim loại thì chuyển từ vùng này sang vùng khác. Bằng phương pháp biến dạng dẻo có thể phục hồi được hàng loạt các chi tiết ở trạng thái nguội và trạng thái nóng.

Một số dạng phục hồi bằng biến dạng dẻo

Một số dạng phục hồi bằng biến dạng dẻo cho ở hình 2.7.7.

Chồn để tăng đường kính bên ngoài chi tiết đặc (hình 2.7.7a) và để giảm đường kính bên trong của chi tiết rỗng.

Nong được thực hiện nong rộng bằng trục lõi. Hướng tác dụng của lực trùng với hướng biến dạng yêu cầu (hình 2.7.7b).

Tóp dùng để giảp đường kính bên trong của chi tiết rỗng bằng cách giảm đường kính ngoài (hình 2.7.7.c). Trên hình 2.7.7d là thiết bị tóp bạc

Chấn là phương pháp liên kết đồng thời chồn và nong. Trong đa số trường hợp lực tác dụng nghiêng một góc so với hướng biến dạng yêu cầu (hình 2.7.7e).

Uốn nắn dùng để khắc phục các biến dạng còn lại (uốn, cong, xoắn). Hướng tác dụng của lực trùng với hướng biến dạng yêu cầu. Uốn nắn cục bộ là phương pháp đơn giản và tin cậy để uốn nắn một số chi tiết như trục cơ. Bản chất của phương pháp này là tạo ra ứng suất bằng ứng suất nén ở các phần riêng rẽ của chi tiết, gây biến dạng chi tiết theo hướng yêu cầu (hình 2.7.7h).

2.7.6. Hồi phục chi tiết bằng phương pháp đúc kim loại lỏng

Bản chất của phương pháp và phạm vi ứng dụng

Để hồi phục các chi tiết bị hao mòn lớn có thể dùng các phương pháp có năng suất cao như hàn đắp, làm vành bánh, đệm... Tuy nhiên các phương pháp đó không phải lúc nào cũng đảm bảo chất lượng và năng suất cao, các chi tiết mòn một phía hồi phục rất khó khăn hay nói chung là không thể hồi phục được. Vì vậy các chi tiết này, tốt hơn hết là hồi phục bằng phương pháp đúc gang hay thép trong khuôn kim loại được chế tạo đặc biệt phù hợp với chi tiết và đặc điểm hao mòn của chi tiết.

Khi sử dụng phương pháp đúc gang, trong thời gian rót giữa chi tiết và gang nóng chảy diễn ra các quá trình sau: gang làm nóng bề mặt chi tiết và làm mềm chúng, cácbon trong gang nóng chảy khuyếch tán vào bề mặt nóng của chi tiết. Gang gần bề mặt thép mất một phần cacbon do khuyếch tán. Graphit dạng tấm bị chia nhỏ và nó có cấu trúc nhỏ hạt hơn. Giữa thép và gang nhận thấy có vùng chuyển tiếp. Gang xung quanh chi tiết phục hồi (có bề dầy khoảng 1mm) biến thành kim loại gần với thép cùng tích, chuyển tiếp một cách đều đặn có cấu trúc hạt nhỏ mịn và cơ tính cao hơn. Sau đó cấu trúc kim loại chuyển từ từ thành cấu trúc gang bình thường.

Khuôn kim loại

Tùy thuộc vào cấu trúc, khuôn kim loại được chia thành không tháo được, tháo được với mặt tháo nằm ngang, thẳng đứng hay hỗn hợp.

Để chế tao khuôn đúc có thể sử dụng gang xám, gang có độ bền cao với grafit dạng hình cầu.

Khuôn đúc các chi tiết bộ phận di động máy kéo xích có thể có các hệ thống rót khác nhau và thậm chí không có hệ thống rót. Hệ thống rót được làm cố định bằng gang hay tạm thời bằng cát khuôn. Hệ thống rót được làm hỗn hợp hay riêng rẽ (hình 2.7.8).

Khi thiết kế khuôn nên để hệ thống rót có thể chuyển từ vị trí này sang vị trí khác để đảm bảo sự làm việc bền lâu của khuôn. Cần tính toán bề mặt trong khuôn để định tâm các chi tiết hồi phục.

Khuôn được làm nguội bằng không khí, bằng nước hay hỗn hợp để tăng thời hạn phục vụ và điều chỉnh tốc độ nguội của chi tiết.

Lấy chi tiết ra khỏi khuôn có thể thực hiện bằng tay, nhờ xi lanh thủy lực hay nhờ khí ép.

Để hồi phục các bánh đà, đỡ xích, các bánh chủ động và hướng dẫn, sử dụng thiết bị với khuôn không tháo. Chúng có độ bền cao và ít bị cong vênh, đồng thời chi tiết hồi phục có hình dáng chính xác do không có khe hở trong khuôn tháo được.

Quy trình công nghệ hồi phục chi tiết bằng đúc kim loại lỏng

Quy trình gồm: chuẩn bị chi tiết, gá lắp chi tiết hao mòn, đúc và lấy chi tiết ra khỏi khuôn.

Kim loại để dúc phải có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bắt đầu kết tinh 100 ÷ 5000C. Bằng các chất trợ dung chảy như borac và anhydric boric, kali florua và hỗn hợp nhiệt nhôm, hỗn hợp bột đồng và niken làm tăng khả năng nấu chảy kim loại. Các vật liệu nêu trên được sử dụng theo một tỷ lệ nhất định.

Chuẩn bị chi tiết là khâu quan trọng. Các chi tiết phải được làm sạch cẩn thận. Sau làm sạch chi tiết được phủ một lớp bảo vệ của chất trợ chảy. Chất trợ chảy được bôi một lớp dầy từ 1 ÷ 2mm. Chất liên kết có thể dùng sơn. Chi tiết cùng với lớp phủ được sấy khô ở nhiệt độ 200 ÷ 2500C trong vòng 1 ÷ 1,5h.

Chi tiết có thể chuẩn bị bằng các biện pháp sau: bằng phương pháp hóa học gồm có tẩm thực trong dung dịch 10 ÷ 12%H2SO4; bằng phương pháp cơ học gồm cắt rãnh, cắt ren, khoan lỗ, đặt chốt...; bằng mạ một lớp đồng; bằng phương pháp nhiệt bằng cách đốt nóng chi tiết đến nhiệt độ 600 ÷ 11000C. Trong các phương pháp chuẩn bị này thì phương pháp nhiệt là tốt hơn cả.

Lắp vào khuôn và đúc. Chi tiết được chuẩn bị đặt vào khuôn đã được đốt nóng sơ bộ đến nhiệt độ 200 ÷ 2500. Gang hay thép lỏng qua hệ thống rót làm đầy khoảng trống giữa khuôn và chi tiết. Sau khi nguội lấy chi tiết ra khỏi khuôn.

Ưu điểm của phương pháp: đảm bảo chính xác các kích thước của chi tiết và không cần gia công bổ sung sau đó; có thể hồi phục chi tiết hao mòn không đều; khi đúc trong khuôn kim loại có thể nhận được một lớp gang trắng có độ cứng và độ chịu mòn cao.

Nhược điểm của phương pháp: do có ứng suất kéo trong phần đúc, nên độ bền của nó giảm một cách đáng kể và vì vậy cần phải tiến hành xử lý nhiệt sau khi đúc.

2.7.7. Sử dụng vật liệu polime trong phục hồi chi tiết máy

a) Một số vấn đề chung

Trong sửa chữa sử dụng khá rộng rãi vật liệu polime để chế tạo cũng như để phục hồi chi tiết. Vật liệu polime có nhiều tính chất quý giá như khối lượng riêng nhỏ, độ bền hóa học tốt, tính chịu mòn và độ cách điện cao, chịu rung, một số loại polime có tính chịu nhiệt...Sử dụng vật liệu polime trong nhiều trường hợp tránh được các quy trình công nghệ phức tạp khi hồi phục chi tiết như hàn đắp, mạ... Công nghệ sử dụng polime đơn giản, dễ tiếp thu, dễ ứng dụng ở các cơ sở sửa chữa.

Cơ sở của polime là nhựa nhân tạo (tổng hợp) và nhựa tự nhiên. Nó đóng vai trò là vật liệu liên kết và xác định các tính chất hóa, cơ, lý và các tính chất khác. Ngoài ra trong polime còn có các chất phụ gia, chất biến dẻo, chất biến mầu và các vật liệu khác.

Lựa chọn polime phụ thuộc vào điều kiện làm việc của chi tiết, đặc tính hao mòn. Sau khi chọn polime cần chọn phương pháp hồi phục.

Có các phương pháp hồi phục chính sau: phun vật liệu polime lên bề mặt chi tiết, thay thế các chi tiết hay các phần của chúng bị mài mòn nhanh bằng vật liệu polime (có thể sử dụng phương pháp đúc polime áp lực), dán bằng keo tổng hợp và vá các vết nứt bằng nhựa êpôxi.

b) Phun vật liệu polime

Để phun vật liệu polime lên bề mặt chi tiết sử dụng một số phương pháp như phun xoáy, phun rung, phun rung xoáy, phun bằng ngọn lửa khí.

Phun xoáy có thể phục hồi được các ổ trượt, bạc trục cam, thân bơm dầu, các đĩa của bơm nước và một số chi tiết khác của ôtô, máy kéo, máy nông nghiệp.

Bản chất của quá trình phun xoáy bao gồm: đốt nóng chi tiết đến nhiệt độ nhất định (cao hơn nhiệt độ nóng chảy của polime), nhúng chi tiết trong lớp xoáy (lớp giả sôi) của polime nằm trong buồng xoáy (hình 2.7.9).

Buồng xoáy được ngăn cách bằng màng ngăn xốp. Không khí được lọc sạch hơi ẩm và dầu mỡ hay khí hiếm dưới áp suất được cung cấp vào phần dưới của buồng xoáy. Phần trên của màng ngăn xốp cho polime dạng bột (có kích thước 0,1 ÷ 0,15mm). Không khí hay khí hiếm được thổi vào buồng xoáy sau khi đi qua màng xốp tạo nên lớp xoáy (giả sôi) của polime có tính chất giống nước. Tùy thuộc vào khối lượng riêng và độ hạt của polime cũng như áp lực khí ép vào buồng xoáy, bột polime có thể tăng kích thước ban đầu (A) lên 40 ÷ 100%. Những bột này bay rất mạnh và rất độc đối với người sử dụng, vì vậy nơi sử dụng phải được thông gió tốt.

Quy trình công nghệ phun xoáy gồm: chuẩn bị chi tiết; đốt nóng chi tiết; phủ polime trong buồng xoáy; gia công nhiệt chi tiết và gia công kết thúc.

Chi tiết sau khi phủ cần phải gia công nhiệt: cho chi tiết đã phủ vào thùng chứa dầu trơ được đốt nóng đến nhiệt độ 140 ÷ 1600C và giữ trong thời gian 10 ÷ 60ph. Nếu nhiệt độ của dầu nhỏ hơn 100 ÷ 1200C thì thời gian phải tăng lên 2 giờ. Gia công nhiệt với mục đích khử ứng suất trong lớp phủ, tạo cấu trúc tinh thể trong lớp phủ (chất dẻo) và giảm độ ẩm chứa trong nó. Ngoài ra khi ngâm chi tiết trong dầu nóng làm cho nó không bị ôxi hóa.

Phun rung là nhờ bộ phận rung đặc biệt để tạo lớp giả sôi của polime (hình 2.7.10). Chi tiết cũng được đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của polime và được nhúng vào lớp giả sôi.

Phương pháp phun rung so với phương pháp phun xoáy có ưu điểm hơn là nhiệt độ đốt nóng ban đầu của chi tiết có thể thấp hơn, thời gian phủ có thể kéo dài hơn do nhiệt độ của chi tiết giảm chậm hơn.

Phun rung xoáy là phương pháp kết hợp cả hai phương pháp rung và xoáy. Phương pháp phun rung xoáy cho phép nhận được lớp phủ có chiều dầy lớn hơn khi phun xoáy hay phun rung.

Phun bằng ngọn lửa khí có quá trình phun như sau: bột vật liệu polime đưa vào ngọn lửa của mỏ hàn, đốt nóng, làm nóng chảy và các phần tử nóng chảy được đưa đến bề mặt chi tiết đã được đốt nóng bằng không khí nén.

Phương pháp này có thể đắp được một lớp mỏng polime chịu mòn, chịu ma sát, cách điện, cách nhiệt, trang trí và bảo vệ.

c) Đúc polime áp lực

Hình 2.7.11. là sơ đồ đúc polime áp lực.

Polime được đổ vào thùng chứa 1, qua bộ phận điều chỉnh (lưu lượng) vào buồng chứa 4. Sau đó polime được nén vào xilanh đốt nóng 6. Ở đây nó được làm nóng chảy và được nén vào khuôn. Nước qua lỗ làm mát 9 làm mát khuôn.

d) Sử dụng keo tổng hợp

Để hồi phục cặp lắp ghép cố định, dán các tấm ma sát, vá vết nứt, vết xước và các chỗ thủng... có thể sử dụng nhựa tổng hợp. Để dán cần hoàn thành các nguyên công sau: chuẩn bị bề mặt chi tiết để dán, chuẩn bị keo, bôi keo lên bề mặt dán, dán và gia công kết thúc.

Hiện nay sử dụng rộng rãi loại keo dán trên cơ sở epôxi. Việc pha chế chúng thường được hướng dẫn cụ thể phụ thuộc vào mỗi loại keo.

2.8. Một số đặc điểm của gia công cơ khí trong phục hồi chi tiết máy

a) Đặc điểm chung

Gia công cơ khí giữ một vai trò quan trọng trong phục hồi chi tiết. Nó có thể xem như một phương pháp phục hồi độc lập (phương pháp kích thước sửa chữa). Nhưng chủ yếu nó được sử dụng để gia công chuẩn bị và gia công kết thúc trong quy trình phục hồi chi tiết máy.

Yêu cầu của gia công cơ khí trong phục hồi chi tiết không khác mấy so với gia công cơ khí khi chế tạo mới. Cụ thể, chi tiết phục hồi sau khi gia công kết thúc cũng phải đảm bảo được các thông số về kích thước, hình dáng, độ nhám... Nhưng gia công cơ khí trong phục hồi gặp nhiều khó khăn hơn do một số nguyên nhân sau:

- Khó tạo chuẩn vì các chuẩn khi chế tạo mới hoặc đã bị mất hay bị thay đổi do quá trình làm việc của chi tiết, chi tiết bị mòn, biến dạng và các hư hỏng khác.

- Khi gia công chuẩn bị do hao mòn thường không đều nên các phoi kim loại cắt ra trong một vòng quay thường khác nhau do đó có khó khăn và giảm độ chính xác.

- Khi gia công kết thúc bề mặt gia công thường khó hơn do độ cứng lớp kim loại đắp thường cao hơn kim loại chi tiết. Ngoài ra độ cứng của bề mặt gia công khi phục hồi có trường hợp không đều. Lượng dư gia công khi phục hồi thường nhỏ hơn và không đều so với khi chế tạo mới.

b) Một số lưu ý khi gia công trong phục hồi chi tiết máy

Do những đặc điểm trên đây, khi gia công trong phục hồi chi tiết máy cần phải chú ý một số điểm sau đây:

- Cần tạo chuẩn hợp lý. Có thể phải tạo chuẩn nhiều lần để đảm bảo độ chính xác.

- Cần lựa chọn chế độ gia công phù hợp với tính chất của lớp phủ.

Dưới đây là một số lưu ý cụ thể khi gia công:

Gia công các chi tiết được hồi phục bằng hàn đắp thường gặp khó khăn do: lượng dư gia công không đều; tính chất kim loại hàn đắp không đồng nhất; tạp chất của xỉ và các nguyên nhân khác làm xấu điều kiện làm việc của dụng cụ cắt. Tùy thuộc vào độ cứng kim loại hàn đắp mà tiến hành gia công trên máy tiện hay trên máy mài. Khi độ cứng của lớp hàn đắp nhỏ hơn HRC 35 ÷ 40 có thể tiện bằng dao hợp kim cứng. Trường hợp độ cứng của kim loại hàn đắp cao hơn nên gia công bằng mài. Bắt đầu ở chế độ cắt giảm thấp khi mài thô sau đó mài tinh.

Gia công cơ khí các chi tiết được hồi phục bằng phương pháp phun kim loại có liên quan đến độ giòn, độ rỗ xốp và độ cứng cao của chúng. Tùy thuộc vào độ cứng cũng như lượng dư gia công mà chọn tiện hay mài. Khi tiện sử dụng dao hợp kim cứng và chế độ cắt giảm thấp, vận tốc cắt không lớn hơn 60 ÷ 80m/ph, chiều sâu cắt không lớn hơn 0,1 ÷ 0,3mm.

Lớp mạ crôm có độ cứng cao thường được gia công bằng mài. Chọn chế độ mài các chi tiết mạ crôm cần tính đến độ truyền nhiệt của crôm thấp có thể làm nóng lớp mạ dẫn đến thay đổi tính chất lớp mạ và có thể làm bong lớp mạ.

Lớp phủ chất dẻo trên bề mặt chi tiết có độ truyền nhiệt thấp và không cho phép đốt nóng chất dẻo nhiệt cứng đến nhiệt độ lớn hơn 150 ÷ 1600C, còn chất dẻo nhiệt mềm đến nhiệt độ lớn hơn 1200C. Gia công lớp phủ chất dẻo sử dụng dụng cụ cắt chịu nhiệt, có thể dùng gia công tiện ở vận tốc cắt cao ( 250 ÷ 300m/ph) và lượng ăn dao rất nhỏ (0,1 ÷ 0,2mm/vòng).

2.9. Cơ sở lựa chọn phương pháp phục hồi chi tiết máy hợp lý

Do có nhiều phương pháp phục hồi nên có thể dẫn đến kết luận sau: một chi tiết có thể được phục hồi bằng một số phương pháp và trong một số trường hợp có thể bằng tất cả các phương pháp. Về bản chất vấn đề lựa chọn phương pháp phục hồi hợp lý là một vấn đề tổng hợp, để giải quyết nó cần phải quan tâm, trước hết các yếu tố sau:

- Đặc điểm cấu trúc của chi tiết;

- Điều kiện làm việc của chi tiết;

- Giá trị của hao mòn;

- Giá thành phục hồi;

- Các đặc điểm sử dụng của quá trình hồi phục;

- Giá của chi tiết mới.

Các đặc trưng cấu trúc - công nghệ của chi tiết được xác định nhờ các đặc trưng cấu trúc của chúng và những đặc trưng này phụ thuộc vào kích thước, hình dáng, và dạng nhiệt luyện, vào độ cứng của lớp bề mặt làm việc, vào sự sai lệch của các kích thước hình học đã cho.

Điều kiện làm việc của chi tiết được đặc trưng bởi các lực tác dụng trong thời gian làm việc, với nhiệt và các quá trình khác; với môi trường, dạng ma sát và hao mòn.

Các đặc trưng sử dụng của quá trình phục hồi được xác định bởi độ bám của lớp đắp với nền, bởi tính chống mòn, độ bền động lực học và tính gia công của chi tiết phục hồi.

Tiêu chuẩn công nghệ.

Các thông tin về đặc điểm cấu trúc của chi tiết, điều kiện làm việc và các đặc trưng sử dụng của quá trình phục hồi cho phép xác định công nghệ phục hồi chi tiết máy. Theo cách này chính là việc sử dụng tiêu chuẩn công nghệ, nhưng nó không được đầy đủ để lựa chọn phương pháp phục hồi hợp lý của nhiều chi tiết cụ thể. Cần phải sử dụng thêm tiêu chuẩn tuổi thọ (độ bền); tiêu chuẩn kinh tế; và có thể coi là tiêu chuẩn cuối cùng - tiêu chuẩn kinh tế - kỹ thuật.

Tiêu chuẩn tuổi thọ (độ bền) đặc trưng khối lượng công việc (thời gian làm việc) tương đối của chi tiết phục hồi với chi tiết mới đến khi cùng đạt đến một trạng thái giới hạn. Nó được biểu diễn bằng tỷ số:

trong đó: KT - hệ số tuổi thọ (hệ số độ bền); thp và tm - thời gian làm việc (khối lượng công việc) của chi tiết phục hồi và của chi tiết mới đến trạng thái giới hạn.

Chỉ tiêu công nghệ và chỉ tiêu độ bền chỉ thể hiện tính kỹ thuật của vấn đề đặt ra. Hiệu quả kinh tế của việc ứng dụng một phương pháp phục hồi nào đó dược tính nhờ tiêu chuẩn kinh tế.

Tiêu chuẩn kinh tế cho phép đặt ra một cách định lượng khả năng ứng dụng của các phương pháp phục hồi. Với mục đích ấy sử dụng công thức sau:

C = Ccb + Cđ + Cgc

trong đó: Ccb - chi phí cho việc chuẩn bị đắp lớp vật liệu; Cđ - chi phí cho công việc đắp lớp vật liệu (những tác động công nghệ lên bề mặt chi tiết); Cgc - chi phí cho gia công cơ sau phục hồi.

Mặt khác, các số hạng của phương trình cuối cùng phụ thuộc vào quy mô của nhà máy (cơ sở), và phụ thuộc vào việc tổ chức sản xuất. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ bản của chi phí hồi phục một chi tiết cụ thể nào đó đến giá của chi tiết phục hồi có thể được xác định theo công thức sau:

trong đó: Ccb, Cph và Cgc - chi phí lao động cho việc chuẩn bị chi tiết hồi phục, bản thân công việc hồi phục (có thể là việc đắp vật liệu như trong công thức 2.9.2) và gia công cơ kết thúc;

H1 - chi phí gián tiếp của xưởng cho gia công cơ chuẩn bị và gia công cơ kết thúc (sau phục hồi);

H1'- chi phí gián tiếp của xưởng phục hồi;

H2 và H2'- chi phí gián tiếp của cả nhà máy về gia công cơ chuẩn bị, kết thúc và về bản thân phục hồi;

M - chi phí nguyên vật liệu cho phục hồi.

Chi phí của chi tiết phục hồi phụ thuộc rất nhiều vào kế hoạch sản xuất năm của cơ sở. Chi phí phục hồi chi tiết có thể chia thành phần không phụ thuộc vào kế hoạch năm và phần phụ thuộc vào kế hoạch năm. Nếu cố định chi phí vận chuyển, chí phí này tăng khi quy mô của cơ sở sản xuất tăng, giá thành của chi tiết phục hồi được xác định theo công thức:

(2.9.4)

trong đó: Ctd: - chi phí thay đổi, gồm lương chính và lương phụ, giá vật liệu, sửa chữa nhỏ và khấu hao trang thiết bị và dụng cụ sản xuất;

Ckd - chi phí không đổi gồm chi phí bảo trì, sửa chữa, nhà xưởng, các trang thiết bị, các chi phí hành chính sự nghiệp chung của nhà máy, các chi phí cho lãnh đạo xưởng, các công nhân phụ sửa chữa và cung ứng về các nhu cầu công cộng chung v.v...;

N - kế hoạch sản xuất trong một năm của cơ sở (số chi tiết).

Độ lớn (giá trị) của các chi phí thay đổi Ctd và chi phí không thay đổi Ckd phụ thuộc vào phương pháp phục hồi. Phương pháp phục hồi có thể ảnh hưởng rất lớn đến đặc điểm thay đổi giá thành của chi tiết phục hồi (hình 2.9.1). Nếu sự thay đổi gía thành C (theo công thức 2.9.4) của một phương pháp phục hồi nào đó được biểu diễn bằng đường 1, còn của phương pháp khác - đường 2 (hình 2.9.1), có thể đưa ra kết luận: khoảng giảm nhanh C khi tăng N nằm ở phía trái hơn đối với phương pháp thứ nhất (đường 1) so với phương pháp thứ 2 (đường 2). Điều đó chứng tỏ, hiệu quả của mức độ tăng kế hoạch sản xuất phụ thuộc trực tiếp bởi các đặc trưng kinh tế của phương pháp phục hồi.

Để nhận được giá thành toàn bộ của chi tiết phục hồi, cần phải đưa thêm vào công thức (2.9.4) chi phí vận chuyển (cho một chi tiết). Nếu chấp nhận những chi phí này tăng tuyến tính khi tăng quy mô (kế hoạch sản xuất), điều đó đồng với việc tăng bán kính tác động trung bình của nó, giá thành toàn bộ của hồi phục theo hai phương pháp được biểu diễn bằng đường 1 và 2 (hình 2.9.1). Các sự phụ thuộc hình học này cho phép giải quyết vấn đề xác định kế hoạch sản xuất tối ưu Ntư (bán kính tác động) của cơ sở phục hồi một loại chi tiết nào đó.

Giá thành toàn bộ (tổng) của phục hồi theo hai phương pháp là như nhau chỉ ở các điểm giao nhau của các đường 1 và 2 với kế hoạch sản xuất N0. Khi kế hoạch của cơ sở N < N0, phương pháp phục hồi thứ nhất có hiệu quả kinh tế hơn so với phương pháp phục hồi thứ hai, bởi vì khi này C1 < C2 , còn khi N > N0 , phương pháp hai chiếm ưu thế hơn vì C2 < C1.

Nếu xây dựng tương tự như đường 1 và đường 2 của tất cả các phương pháp phục hồi (đã được lựa chọn theo chỉ tiêu công nghệ, độ bền và chỉ tiêu kinh tế), có thể quyết định ứng dụng phương pháp phục hồi có hiệu quả nhất ứng với một kế hoạch sản xuất nào đó. Nhưng cách giải quyết như vậy có thể là không đúng bởi vì phương pháp này có thể không phải là phương pháp có hiệu quả nhất. Trên thhực tế còn gặp nhiều trường hợp khi sử dụng các quá trình đắt hơn được đặc trưng với hiệu quả lớn hơn. Hiệu quả của phương pháp phục hồi có thể được đánh giá bằng chỉ tiêu tổng hợp hơn, ví dụ đó là chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.

Tiêu chuẩn kinh tế - kỹ thuật tính đến ngoài giá thành của chi tiết phục hồi mà cả tuổi thọ của chi tiết phục hồi và được so sánh với tuổi thọ của chi tiết mới. Để đánh giá sử dụng hệ số tuổi thọ (xác định bằng công thức 2.9.1). Theo tiêu chuẩn kinh tế, mỗi phương pháp phục hồi được gọi là có hiệu quả nếu thỏa mãn bất phương trình sau:

hay , (2.9.5)

trong đó: Cm và Cph - là gía của chi tiết mới và chi tiết phục hồi;

KT - hệ số tuổi thọ (xác định theo 2.9.1).

Trong trường hợp đặt vấn đề lựa chọn một phương pháp phục hồi trong các phương pháp phục hồi đã thỏa mãn điều kiện (2.9.5), sẽ chọn phương pháp nào (được gọi là tối ưu) nếu Cph của nó là nhỏ nhất. Phương pháp hợp lý được lựa chọn dựa vào các điều kiện cụ thể, và thông thường có các đặc trưng kinh tế - kỹ thuật kém hơn so với phương pháp tối ưu.

Cần phải nhấn mạnh rằng với bất đẳng thức (2.9.5) tiêu chuẩn kinh tế kỹ thuật vẫn chưa tính đến tất cả các nhược điểm và ưu điểm của một phương pháp phục hồi nào đó, bởi vì chưa tính đến chi phí bảo trì máy khi làm việc với chi tiết mới và chi tiết phục hồi trong thời gian tm và tph. Và trên thực tế thấy rằng điều kiện (2.9.5) có thể được thỏa mãn nhưng với chi phí (giá) do việc máy phải dừng nhiều lần và dừng lâu (tổn thất), chi phí nhiều hơn cho bảo dưỡng, sửa chữa chúng, cho nhiên liệu, dầu bôi trơn v.v...Chính vì vậy bất đẳng thức (2.9.5) có thể được biểu diễn theo cách sau:

(2.9.6)

trong đó:

Rph và Rm - chi phí bảo trì máy ở trạng thái có khả năng làm việc khi nó bị phá vỡ do chi tiết phục hồi và chi tiết mới trong khoảng thời gian [0, thp] và [0, tm];

Zhp và Zm - các tổn thất tương ứng của máy;

Php và Pm - các chi phí khác (tổn thất) khác cho bảo trì máy làm việc với chi tiết phục hồi và chi tiết mới.

Vấn đề lựa chọn phương pháp phục hồi có ý nghĩa lớn trong sản xuất sửa chữa. Hiệu quả sử dụng chi tiết phục hồi ở một mức độ cao phụ thuộc vào việc lựa chọn đúng phương pháp phục hồi, mức độ tập trung hay chuyên môn hóa của việc phục hồi chi tiết và hiệu quả của bảo dưỡng - sửa chữa cũng phụ thuộc vào việc lựa chọn đúng đắn này. Một trong các nguyên tắc cơ bản khi giải quyết nhiệm vụ này là cần phải tìm nhiều phương pháp phục hồi cạnh tranh, như khi xuất hiện phương pháp mới hay hoàn thiện phương pháp đang sử dụng cần phải kiểm tra cách giải quyết nhiệm vụ đặt ra.