Mạ Kim Loại Là Gì?
Mạ kim loại là một lớp kim loại mỏng được phủ thêm bên ngoài vật liệu. Nó là một quá trình bao phủ bề mặt bằng cách đó một kim loại được lắng đọng trên một bề mặt dẫn điện. Mạ đã được thực hiện trong hàng trăm năm; nó cũng rất quan trọng đối với công nghệ hiện đại.
Mạ được sử dụng để trang trí các đồ vật, để ức chế ăn mòn, cải thiện tính hàn, làm cứng, cải thiện độ mòn, giảm ma sát, cải thiện độ bám dính của sơn, thay đổi độ dẫn điện, cải thiện hệ số phản xạ IR, che chắn bức xạ và cho các mục đích khác. Trang sức thường sử dụng xi mạ để tạo ra lớp hoàn thiện bằng bạc hoặc vàng.
Sự lắng đọng màng mỏng đã tạo ra các vật thể mạ có kích thước nhỏ như một nguyên tử, do đó mạ được sử dụng trong công nghệ nano.
Có một số phương pháp mạ và nhiều biến thể. Trong một phương pháp, một bề mặt rắn được bao phủ bởi một tấm kim loại, sau đó nhiệt và áp suất được áp dụng để nung chảy chúng. Các kỹ thuật mạ khác bao gồm mạ điện, lắng đọng hơi trong chân không và lắng đọng phún xạ. Gần đây, mạ thường đề cập đến việc sử dụng chất lỏng. Metallizing đề cập đến việc phủ kim loại lên các vật thể phi kim loại.
Lợi Ích Của Việc Mạ Kim Loại
Mạ kim loại mang lại nhiều lợi ích cho các sản phẩm làm từ kim loại và các vật liệu khác. Điều này chủ yếu đạt được thông qua quá trình mạ điện, đòi hỏi dòng điện hoặc thông qua quá trình mạ không điện, trong một quá trình hóa học tự xúc tác. Những kỹ thuật này, cũng như một số kỹ thuật khác, dẫn đến một hoặc một số lợi ích sau:
- Cải thiện khả năng chống ăn mòn
- Hấp dẫn trang trí
- Tăng khả năng hàn
- Nâng cao độ cứng
- Giảm ma sát
- Độ dẫn điện bị thay đổi
- Tăng cường độ bám dính sơn
- Lắng đọng vật chất
- Tăng từ tính
Các Loại Mạ Kim Loại
Có nhiều kiểu mạ kim loại khác nhau như được mô tả Dưới đây:
- Mạ điện
- Mạ điện
- Mạ ngâm
- Carburizing
- Công nghệ mạ chân không
- Sơn phun Plasma
1. Mạ Điện
Mạ điện là phương pháp mạ phổ biến nhất. Mạ điện sử dụng dòng điện để hòa tan các hạt (ion) kim loại mang điện tích dương trong dung dịch hóa học. Các ion kim loại mang điện tích dương bị hút vào vật cần mạ, đó là mặt mang điện tích âm của đoạn mạch.
Sau đó, bộ phận hoặc sản phẩm cần mạ được đặt trong dung dịch này, và các hạt kim loại hòa tan được kéo lên bề mặt của vật liệu. Mạ điện dẫn đến lớp phủ mịn, đều và nhanh chóng cho vật liệu được mạ, giúp thay đổi bề mặt vật liệu một cách hiệu quả.
Có một số bước và quy trình khác nhau có thể liên quan đến quá trình mạ điện, bao gồm làm sạch, đánh dấu, lắng đọng điện hóa, mạ điện xung và mạ điện bàn chải.
Các Hiệu Ứng
Mạ điện được sử dụng để cung cấp một lớp phủ bảo vệ, một hình thức trang trí hoặc để thay đổi các đặc tính của vật liệu kỹ thuật. Mạ điện cải thiện các tính chất hóa học, vật lý và cơ học của phôi ảnh hưởng đến cách nó thực hiện khi gia công.
Mạ phôi có thể được sử dụng để xây dựng nó từ một kích thước nhỏ hơn, giúp gia công dễ dàng hơn và tăng tính hàn, độ dẫn điện hoặc độ phản xạ.
2. Mạ Không Điện
Mạ không điện có tên gọi như vậy vì đây là phương pháp mạ không sử dụng nguồn điện bên ngoài. Mạ không điện liên quan đến một phản ứng hóa học gây ra sự khử nguyên tử kim loại.
Nói cách khác, dung dịch của các ion kim loại (hạt) khi trộn với chất khử sẽ chuyển thành chất rắn kim loại khi chúng tiếp xúc với kim loại xúc tác (chất gây phản ứng). Điều này dẫn đến kim loại được mạ một lớp rắn của kim loại mạ.
Các Hiệu Ứng
Mạ không điện hoặc xúc tác tự động phù hợp với các kích thước và hình dạng đa dạng của vật liệu và không yêu cầu điện bên ngoài hoặc bể mạ, giúp giảm chi phí. Tuy nhiên, mạ không điện chậm hơn, không thể tạo ra các tấm dày và khó kiểm soát hơn so với mạ điện.
Phương pháp phổ biến nhất của mạ tự xúc tác là mạ niken không điện. Tuy nhiên, cũng có thể áp dụng kỹ thuật này để mạ bạc, vàng và đồng.
Ảnh hưởng của lớp mạ không điện đối với sản phẩm cuối cùng bao gồm bảo vệ kim loại cơ bản khỏi bị ăn mòn, tăng kích thước của phôi và thay đổi khả năng hàn, độ phản xạ và độ dẫn điện.
3. Mạ Ngâm
Mạ nhúng bao gồm việc nhúng một kim loại vào dung dịch chứa các ion kim loại từ kim loại cao hơn. Các ion từ kim loại nobler ổn định hơn, và do đó có một ‘lực kéo’ tự nhiên để dịch chuyển các ion kim loại bề mặt khỏi kim loại kém quý hơn bằng một lớp mỏng của các ion kim loại nobler.
Mạ ngâm là một quá trình chậm hơn và chỉ có thể được sử dụng để mạ ít kim loại quý hơn với kim loại cao hơn. Kim loại nobler là kim loại trơ về mặt hóa học. Ví dụ: vàng, bạch kim hoặc bạc.
Các Hiệu Ứng
Mạ ngâm chỉ tạo ra một lớp mạ mỏng, sau đó quá trình mạ sẽ dừng lại. Mạ ngâm dường như cũng có chất lượng bám dính kém hơn, khi lớp mạ không ‘dính’ chắc vào kim loại cơ bản.
Các tác động của việc mạ nhúng lên sản phẩm cuối cùng bao gồm cải thiện khả năng chống ăn mòn , độ dẫn điện bị thay đổi, ngoại hình thay đổi, độ cứng lớn hơn, khả năng chịu mô-men xoắn và khả năng liên kết được sửa đổi.
4. Carburizing
Còn được gọi là làm cứng vỏ, thấm cacbon là một quá trình xử lý nhiệt để tạo ra bề mặt chống mài mòn trong khi vẫn duy trì độ bền của lõi. Thường được áp dụng cho thép cacbon thấp sau khi gia công, cũng như cao, cho phép bánh răng , ổ trục, v.v.
Carburizing phù hợp với các hình dạng phức tạp của vật liệu giá rẻ hơn có thể được gia công dễ dàng để tạo ra bề mặt rất cứng. Quá trình này bao gồm việc nung nóng bộ phận trong lò hầm lò hoặc lò khí quyển kín.
Sau đó, các khí cacbon hóa (thường là cacbon monoxit nhưng cũng có natri xianua và bari cacbonat) được đưa vào ở nhiệt độ, với nhiệt độ và nhiệt độ ảnh hưởng đến độ sâu khuếch tán cacbon. Sau đó, bộ phận này được làm nguội chậm để làm nguội sau đó hoặc được dập tắt trực tiếp trong dầu.
5. Sự Lắng Đọng Hơi Vật Lý (PVD)
PVD là một họ các quy trình phủ, trong đó các màng mỏng được lắng đọng trên chất nền. Trong quá trình lắng đọng hơi vật lý, vật liệu phủ rắn như titan, crom hoặc nhôm bị bay hơi bởi nhiệt hoặc bằng cách bắn phá với các ion.
Trong quá trình này, một khí phản ứng như nitơ được đưa vào, tạo thành hợp chất với hơi kim loại và lắng đọng trên bề mặt kim loại như một lớp phủ rất mỏng. Điều này dẫn đến một liên kết cực kỳ mạnh mẽ giữa lớp phủ và phần kim loại.
Một số lợi thế của PVD là; bề mặt rất cứng và chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao và chịu va đập tốt.
Lý tưởng cho một loạt các ứng dụng:
- Không gian vũ trụ
- Ô tô
- Dụng cụ cắt
- Y khoa
- Súng cầm tay
- Quang học
- Màng mỏng như màu cửa sổ, bao bì thực phẩm
6. Sơn Phun Plasma
Mạ phun Plasma là một trong những loại mạ kim loại ít được biết đến hơn. Trong quá trình mạ này, còn được gọi là phun nhiệt, vật liệu nóng chảy hoặc nhiệt làm mềm được phun lên bề mặt để cung cấp lớp phủ.
Vật liệu phủ được đưa vào ngọn lửa plasma nhiệt độ rất cao (nhiệt lên đến 10.000 K), nó được đốt nóng nhanh chóng và sau đó được tăng tốc với tốc độ cao lên bề mặt của bộ phận và nhanh chóng nguội đi để tạo thành lớp phủ trên bề mặt bộ phận.
Quá trình tạo ra một lớp phủ, thường là cho các vật liệu kết cấu, để bảo vệ chống lại nhiệt độ rất cao, ví dụ như trong quản lý nhiệt khí thải. Nó cũng cung cấp khả năng chống ăn mòn và mài mòn. Lớp phủ cũng có thể thay đổi sự xuất hiện và tính chất điện của bộ phận.
Kim Loại Được Sử Dụng Trong Mạ
Mạ Kẽm
Kẽm là một vật liệu rẻ tiền được sử dụng để cung cấp một lớp mạ kẽm trên nhiều bề mặt kim loại. Ngoài việc được mạ điện, phần tử còn được áp dụng theo quy trình Sherardizing, bằng cách nhúng bồn tắm nóng chảy và bằng cách phun.
Trong quá trình điện phân, hay quá trình nguội, vật cần mạ được thiết lập như một cực âm trong bể điện phân gồm các muối kẽm hòa tan cùng với một cực dương là kẽm kim loại. Quá trình tạo ra một lớp mạ kẽm nguyên chất có độ dẻo cao mà độ dày và tính đồng nhất có thể được kiểm soát một cách chính xác.
Quá trình Sherardizing được sử dụng để phủ các vật dụng phần cứng nhỏ như đinh vít và đinh. Các vật phẩm được chất trong thùng cùng với bụi kẽm và được nung nóng đến khoảng 500F. Các bộ phận được nhào lộn trong thùng tạo ra một lớp phủ có khoảng 90% là kẽm và 10% là sắt.
Kẽm nóng chảy cũng có thể được áp dụng bằng cách nhúng hoặc bằng cách sơn thủ công cho các hạng mục lớn hơn. Đôi khi một lượng nhỏ nhôm được thêm vào bể để cải thiện tính lưu động và cải thiện lớp phủ có hình dạng kỳ lạ.
Tương tự như vậy, một tỷ lệ nhỏ thiếc trong bể sẽ giúp đạt được lớp phủ đồng nhất của bề mặt và lớp hoàn thiện được cải thiện. Quá trình nhúng nóng tạo ra một lớp hợp kim kẽm-sắt tiếp giáp với kim loại cơ bản có thể hơi giòn và ảnh hưởng đến độ bám dính của các lớp bên ngoài.
Phun kim loại, hoặc hóa kim loại, sử dụng ngọn lửa để nấu chảy bột hoặc dây kim loại và đâm chúng vào bề mặt nền, tạo ra liên kết cơ học giữa lớp phủ và kim loại cơ bản. Bề mặt của kim loại cơ bản cần hơi nhám để liên kết cơ học diễn ra nhưng có thể áp dụng các lớp phủ khá dày theo cách này.
Các lớp phủ cũng có thể xốp, nhưng vì kẽm là cực dương đối với sắt và thép nên điều này không ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn của lớp phủ. Bản chất xốp của kim loại được phun sơn cũng giúp nó giữ sơn tốt.
Mạ Cađimi
Mạ cađimi đã có thời được sử dụng để thay thế cho kẽm và thường được mạ trên các vật dụng ô tô khác. Các nhà sản xuất máy bay đã chỉ định nó vì các đặc tính bảo vệ hy sinh và khả năng bôi trơn tự nhiên của nó đối với các bộ phận thường xuyên được tháo và lắp lại.
Nó đặc biệt phù hợp với môi trường biển, nơi nó chống chọi tốt với nước ngọt và nước mặn. Do những lo ngại về an toàn, việc sử dụng nó như một vật liệu mạ đã giảm dần trong những năm qua mặc dù nó vẫn còn tồn tại. Nhiều nhà sản xuất hàng không vũ trụ đã chuyển sang mạ hợp kim kẽm-niken.
Mạ Chrome
Mạ crom thường phục vụ mục đích trang trí đơn thuần nhưng nó cũng tăng cường khả năng chống ăn mòn và độ cứng cao, làm cho nó hữu ích cho các ứng dụng công nghiệp nơi có vấn đề về mài mòn. Ở đây nó được gọi là mạ crom cứng, và đôi khi nó được sử dụng để khôi phục dung sai trên các bộ phận bị mòn.
Crom thường được mạ trên niken trong sản xuất đồ nội thất bằng thép , đồ trang trí ô tô, v.v. Bản thân niken thường được mạ trên đồng và sự kết hợp của ba lớp nguyên tố này chỉ bảo vệ kim loại bên dưới khỏi bị ăn mòn bằng cách loại trừ không khí và độ ẩm; nghĩa là, không có hành động anốt. Vì vậy, lớp mạ phải được áp dụng đúng cách để đạt được khả năng chống ăn mòn phù hợp.
Mạ chrome là một quá trình mạ điện thường liên quan đến việc sử dụng một axit cromic được gọi là crom hóa trị sáu . Bể chứa crom hóa trị ba, bao gồm phần lớn crom sunfat hoặc clorua crom, là một lựa chọn khác cho các mục đích công nghiệp.
Chromate đôi khi được phủ lên trên lớp mạ kẽm để bảo vệ kẽm và trong một số trường hợp, làm thay đổi màu sắc của kim loại, chẳng hạn như mạ kẽm màu xanh lá cây hoặc đen.
Mạ Niken
Niken là một kim loại mạ phổ biến, đặc biệt là vì nó rất hữu ích trong quá trình mạ không điện. Mạ niken thường phủ lên các sản phẩm gia dụng như tay nắm cửa, dao kéo và đồ đạc trong nhà tắm để nâng cao khả năng trang trí và chống mài mòn.
Các tấm niken thường liên kết với đồng và nhôm, nhưng cũng hoạt động trên nhiều loại kim loại và dùng làm lớp mạ cơ bản cho crom .
Trong mạ không điện, hợp kim niken phốt pho được sử dụng. Phần trăm phốt pho trong dung dịch có thể thay đổi từ 2 đến 14%. Mức phốt pho cao hơn giúp tăng cường độ cứng và khả năng chống ăn mòn. Mức phốt pho thấp hơn cho phép khả năng hàn và từ tính cao hơn.
Mạ Đồng
Đồng là một kim loại mạ phổ biến khác cho các ứng dụng yêu cầu độ dẫn điện cao và tiết kiệm chi phí. Mạ đồng thường đóng vai trò là tiền xử lý trước lớp phủ cho các lớp mạ kim loại tiếp theo, như đã thảo luận ở trên.
Nó cũng là một kim loại mạ phổ biến cho các linh kiện điện tử như bảng mạch in. Hiệu quả mạ cao và chi phí vật liệu thấp làm cho đồng trở thành một trong những kim loại ít đắt tiền hơn.
Có ba loại quy trình mạ đồng là kiềm, kiềm nhẹ và axit. Mức kiềm cao hơn mang lại sức ném vượt trội nhưng yêu cầu mật độ dòng điện thấp hơn và các biện pháp phòng ngừa an toàn nâng cao. Các thanh tra y tế đã liên kết xyanua trong các bồn tắm bằng đồng kiềm với một số nguy cơ sức khỏe nhất định, vì vậy điều quan trọng là phải theo dõi các mức độ này.
Mạ Vàng
Vàng được đánh giá cao nhờ khả năng chống oxy hóa và độ dẫn điện cao. Mạ vàng, khác với mạ vàng ở chỗ vàng không phải là lá, là một trong những cách đơn giản nhất để truyền những đặc tính này lên các kim loại như đồng và bạc. Quy trình này thường được sử dụng để trang trí đồ trang sức và cải thiện độ dẫn điện của các bộ phận điện tử như đầu nối điện.
Khi mạ vàng đồng, xỉn màu là một vấn đề và có thể dễ dàng giải quyết nhất bằng cách lắng đọng trước bằng một lớp niken. Ngoài ra, hãy xem xét độ cứng và độ tinh khiết của vàng khi xác định các yếu tố như hỗn hợp ngâm tối ưu và thời gian ngâm.
Mạ Bạc
Giống như vàng, bạc được sử dụng trong các ứng dụng mạ để trang trí và cải thiện độ dẫn điện. Nói chung, bạc được dùng như một giải pháp mạ hiệu quả hơn về chi phí vì nó rẻ hơn so với vàng và đồng tấm.
Các vấn đề có thể hạn chế mạ bạc như một giải pháp mạ khả thi bao gồm độ ẩm và ăn mòn mạ. Cụ thể, mạ bạc không hoạt động tốt đối với các ứng dụng chịu độ ẩm cao vì bạc dễ bị nứt và bong tróc, cuối cùng có thể làm lộ lớp nền cơ bản.
Mạ Thiếc
Thép mạ thiếc từ lâu đã được sử dụng để đóng gói thực phẩm và đồ uống. Ngoài việc cung cấp khả năng chống ăn mòn, thiếc không độc hại và cung cấp một lớp phủ giúp thép dễ hình thành (nhờ tính chất bôi trơn mà thiếc cung cấp) và hàn và hàn dễ dàng.
Quá trình thụ động phủ lên tấm thiếc bằng dầu thực phẩm, điều này cũng giúp cải thiện độ bám dính của sơn mài. Tấm thiếc có thể được chỉ định với độ dày khác nhau của thiếc trên mỗi mặt để phù hợp hơn với nhu cầu của bề mặt bên trong và bên ngoài thùng chứa với môi trường của chúng.
Tấm thiếc cũng được sử dụng trong các ứng dụng đóng gói khác, từ thùng sơn đến hộp đựng dầu mỡ. Tấm thiếc hầu như luôn được sản xuất bằng quy trình nhúng nóng. Mạ thiếc cũng được sử dụng trong sản xuất các linh kiện điện tử.
Một lớp mạ thiếc khác, được gọi là terneplate, theo truyền thống thường sử dụng hợp kim chì-thiếc làm chất ức chế ăn mòn trên thép. Được sơn, kim loại có thể tồn tại 90 năm nếu được bảo dưỡng thường xuyên, lý tưởng cho việc sử dụng cho các mái nhà bằng thiếc.
Ngày nay, chì đã được loại bỏ và thiếc được áp dụng trên thép không gỉ để tạo ra tấm lợp chống ăn mòn phát triển lớp gỉ mềm. Vật liệu có thể kéo dài gấp đôi so với tấm lợp đồng.
Mạ Rhodium
Rhodium là một loại bạch kim cung cấp khả năng chống xỉn màu, chống trầy xước và cho vẻ ngoài sáng bóng, màu trắng. Mạ Rhodium cũng phổ biến trong sản xuất đồ trang sức, đặc biệt là trong các tình huống cần mạ vàng trắng. Bạc, bạch kim và đồng cũng là những kim loại cơ bản phổ biến để mạ rhodium.
Một nhược điểm của lớp mạ rhodium là hàng rào bảo vệ của rhodium cuối cùng sẽ bị mài mòn trong các ứng dụng chịu mức độ mài mòn cao. Điều này cuối cùng có thể dẫn đến sự đổi màu và có khả năng sẽ cần lớp mạ thứ hai sau một vài năm.
