Chế tạo thiết bị cho công nghệ mạ xoa sử dụng để phục hồi chi tiết máy bị mài mòn

 93
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Tập 48, số 3, 2010 Tr. 93-99 
CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHO CÔNG NGHỆ MẠ XOA SỬ DỤNG ĐỂ 
PHỤC HỒI CHI TIẾT MÁY BỊ MÀI MÒN 
ĐÀO KHÁNH DƯ 
1. MỞ ĐẦU 
Bề mặt của chi tiết máy làm việc động thường xuyên sẽ bị mài mòn và đến giới hạn phải 
thay thế hoặc phục hồi để đảm bảo chất lượng hoạt động của thiết bị cũng như chất lượng của 
sản phẩm do thết bị tạo ra. Việc phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn sẽ có ý nghĩa kĩ thuật và 
kinh tế rất cao do không phải thay mới toàn bộ thiết bị nên đã được quan tâm nghiên cứu và ứng 
dụng từ rất lâu. Bên cạnh các kĩ thuật phục hồi bằng công nghệ phun, đắp cơ và nhiệt [1] công 
nghệ mạ điện hóa tỏ ra có nhiều lợi thế về đầu tư và chất lượng lớp kim loại phục hồi [2]. Tuy 
nhiên công nghệ mạ điện hóa truyền thống phải cần hệ thống bể mạ và đưa chi tiết máy cần mạ 
vào bể nên gặp nhiều khó khăn, nhất là các chi tiết có kích thước cũng như trọng lượng lớn và 
cấu hình phức tạp, nhiều mặt che khuất. Những thập niên gần đây công nghệ mạ không sử dụng 
bể mạ (KSDBM) [3], còn được gọi là mạ xoa [4], mạ chải (brush plating) [5], mạ chọn lọc 
(selective plating) [6] đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh trong nhiều lĩnh vực như: công 
nghiệp trang trí, chống ăn mòn kim loại [7], công nghiệp điện tử [8] và đặc biệt là mạ phục hồi 
của ngành cơ khí [9]. Những đặc điểm cơ bản của công nghệ mạ KSDBM so với kĩ thuật mạ 
thông thường không những ở thành phần dung dịch mạ mà còn ở các thiết bị như anốt và bộ 
nguồn, nhất là khi mạ với công suất lớn. Nhằm thử nghiệm khả năng nghiên cứu và ứng dụng 
công nghệ MKSDBM để phục hồi chi tiết máy bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tạo các thiết 
bị đặc thù là điện cực và thiết bị tạo và kiểm soát dòng mạ. 
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
Đặc thù của kĩ thuật mạ không sử dụng bể mạ là anốt cầm tay di chuyển trực tiếp trên bề 
mặt catốt với khoảng cách giữa hai điện cực rất ngắn nên bộ nguồn được thiết kế và chế tạo tại 
trường Cao đẳng Kĩ thuật Cao Thắng phải đáp ứng các điều kiện: 
- Thay đổi điện áp chính xác theo yêu cầu của từng kim loại và hợp kim cần mạ. 
- Giữ ổn định điện áp khi thay đổi trong khoảng rộng mật độ dòng điện mạ. 
- Có mạch bảo vệ chập mạch AC và DC, chống quá dòng, quá nhiệt để bảo vệ người sử 
dụng, chi tiết máy cần phục hồi và thiết bị mạ. 
- Có khả năng đảo cực với đèn hiệu mạ thuận và nghịch tương ứng để phục vụ các quá trình 
mạ catốt, tẩy lớp mạ anốt cũng như hoạt hóa bề mặt của vật mạ. 
- Hiển thị điện áp cũng như dòng mạ rõ ràng và chính xác. 
Do kĩ thuật mạ KSDBM luôn thay đổi dòng mạ nên cần có thiết bị đo điện lượng mạ nhằm 
kiểm soát lượng kim loại và chất lượng lớp mạ. Điều đó được thực hiện nhờ kĩ thuật điện tử tích 
hợp để xác định tích phân của dòng theo thời gian mạ: Q = ∫
2
2
t
t
Idt . 
 94
Anốt của công nghệ KSDBM không thể sử dụng kim loại tan như công nghệ mạ truyền 
thống mà thường phải sử dụng vật liệu trơ cũng như bền điện hóa và hóa học như titan phủ rutini 
ôxit [10]. 
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 
 Sơ đồ nguyên lí hệ thống các thiết bị được chế tạo sử dụng cho công nghệ mạ 
KSDBM trình bày tại hình 1. 
Từ hình 1 ta thấy cực dương (anốt) của bộ nguồn một chiều (1) được nối với thiết bị đo 
điện lượng (2) và nối với anốt trơ Ti/RuO2 (6) áp sát với bề mặt mẫu cần mạ (3). Anốt cầm tay 
được nối với cực âm (catốt) của thiết bị đo điện lượng và di chuyển liên tục trên bề mặt vật cần 
mạ để tạo lớp mạ kim loại hoặc hợp kim (4). Khoảng cách giữa anốt và catốt rất nhỏ chỉ bằng 
chiều dày của vật liệu mang dung dịch điện ly bọc quanh anốt (5). Dung dịch điện li được thấm 
vào lớp bọc anốt hoặc được bổ sung tự động vào lớp bọc anốt. 
Thiết bị nguồn mạ có các công suất khác nhau nhưng phải đảm bảo gọn, nhẹ và dễ di chuyển 
nên có thể thiết kế mạch theo các nguyên lí: nghịch lưu; chỉnh lưu 1 hoặc 3 pha hoặc kết hợp. 
Sơ đồ nguyên lí nắn dòng nghịch lưu được trình bày tại hình 2. 
6 
 1 
 2 
5
5 
4 
3 
Hình 1. Sơ đồ hệ thống sử 
dụng các thiết bị mạ không sử 
dụng bể mạ 
1. Bộ nguồn DC. 
2. Thiết bị đo Ah. 
3. Mẫu mạ. 
4. Lớp mạ. 
5. Lớp bọc anốt. 
6. Anốt Ti/RuO2. 
chỉnh lưu 
và lọc 
nghịch lưu tần số cao 
qua biến áp xung 
hồi tiếp 
điện áp 
Nguồn điện 
1 (3) pha 50Hz 
chỉnh lưu và 
lọc 
Tải mạ 
Hình 2. Sơ đồ nguyên lí bộ nắn dòng nghịch lưu 
 95
Nguyên tắc hoạt động của bộ nắn dòng nghịch lưu như sau: 
- Nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha, 50Hz được chỉnh lưu không đều khiển thành 
điện áp DC. 
- Tụ lọc được mắc vào sau chỉnh lưu để san bằng dạng sóng chỉnh lưu. 
- Điện áp DC được đưa vào bộ nghịch lưu là các linh kiện điện tử công suất đóng ngắt tần 
số cao như FET, IGBT, transistor, biến điện áp DC thành AC có tần số cao khoảng vài kHz đến 
vài chục kHz. 
- Điện áp DC được đưa qua máy biến áp xung để tạo một điện áp xoay chiều thấp và cách li 
bên phía sơ cấp. 
- Chỉnh lưu và lọc phẳng điện áp xoay chiều thấp thành điện áp DC cung cấp cho tải mạ. 
Ưu điểm của bộ nguồn theo nguyên lí nắn dòng nghịch lưu là: 
- Do biến áp chỉnh lưu làm việc ở tần số cao nên kích thước MBA giảm đáng kể, nên khối 
lượng giảm, rất thuận tiện cho việc di chuyển và lắp ráp. 
- Dải điện áp đầu ra ổn định, ít dao động. 
- Khả năng điều chỉnh vô cấp điện áp tốt. 
Tuy nhiên nhược điểm của dạng thiết bị này là: 
- Hệ sẽ phức tạp trong thiết kế và vận hành hơn so với khi không có bộ nghịch lưu. 
- Do các linh kiện điện tử làm việc ở điện áp và dòng điện cao đòi hỏi phải có các linh kiện 
thích hợp là các transistor hoặc FET hoặc IGBT và điốt có dòng và áp định mức cao nên việc 
bảo vệ các linh kiện trở nên quan trọng và yêu cầu an toàn cao. 
- Giá thành sản xuất cao nên chỉ thích hợp với thiết bị có công suất mạ nhỏ như hình 1. 
Sơ đồ nguyên lí nắn dòng chỉnh lưu có điều khiển 1 và 3 pha được trình bày tại hình 3. 
Nguyên lí hoạt động của bộ nắn dòng chỉnh lưu 1 và 3 pha như sau: 
- Nguồn điện: khi công suất không lớn lắm chỉ cần sử dụng nguồn 1 pha 220V / 50Hz để 
cung cấp năng lượng cho máy