báo cáo thiết kế nguồn mạ một chiều

Lời nói đầu

Mạ điện là một trong những phương pháp rất có hiệu quả để bảo vệ kim

loại khỏi bị ăn mòn trong môi trường khí quyển.

Nhờ mạ điện tạo ra các sản phẩm có độ bền cao,nâng cao tính thẩm mỹ

của sản phẩm để vụ cho các ngành công nghiệp cũng như ứng dụng thực tế trong

cuộc sống hàng ngày….

Các vật mạ điện có giá trị trang trí cao,bền và rẻ,ngoài ra còn có độ

cứng,độ dẫn điện cao được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất công cụ

thiết bị điện năng,ôtô,môtô,xe đạp,dụng cụ y tế… Ở các nước công nghiệp,ngành

mạ điện phát triển rất mạnh. Ở nước ta ngành mạ điện luôn được hoàn thiện để đáp

ứng nhu cầu ngày càng phát triển của công nghiệp. Nhưng nói chung về mặt kỹ

thuật chưa được chú ý,chất lượng mạ chưa tốt. Mấy năm gần đây,những kỹ thuật

mới,công nghệ mới về mạ đặc biệt là mạ trang sức,mạ vàng giả,mạ phi kim loại,mạ

phức hợp,mạ điện…có nhiều thành quả nghiêm cứu và ứng dụng phong phú.

Để nắm vững lý thuyết cũng như từng bước tiếp cận công nghệ mới về mạ

điện em được giao tìm hiểu về đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Đây là một đề

tài có quy mô và ứng dụng thực tế cao. Trong quá trình làm và hoàn thành đồ án

môn học,em đã nhận được sự giúp đỡ,chỉ bảo tận tình của thầy Đoàn Văn Tuân,đây

là lần đầu tiên làm đồ án môn học với đề tài mới mẻ có liên quan nhiều đến môn

học khác. Mặc dù em đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi hết khuyết

điểm. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy,cô để đồ án của em

được hoàn chỉnh hơn.

Em xin chân thành cám ơn !

Hải Phòng, ngày 10 tháng 10 năm 2012.

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN

1.1. Tổng quan về công nghệ mạ điện.

1.1.1 Sơ lược về kỹ thuật mạ điện.

Mạ điện đơn giản có thể là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp

phủ có tính chất cơ lý hóa…đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên chỉ những công

nghệ ổn định,bền trong thời gian dài mới được sử dụng trong sản xuất. Mạ điện

thực chất là quá trình điện phân(phản ứng phân tích hóa học xảy ra dưới tác dụng

của dòng điện một chiều). quá trình điện phân tổng quát trên diode xảy ra quá trình

hòa tan kim loại điện cực dilde.

Phương trình: → +

−

n M ne M

Trên catot,các cation nhận điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ:

Phương trình: M ne M

n+

+ →

Trong mạ điện bao gồm rất nhiều giai đoạn và các bước nối tiếp nhau. Ví dụ

ở catot.

Cation M mH O

n

2

+

di chuyển từ dung dịch vào trong bề mặt catot. Cation mất

vỏ Hyđrat mH2O tiếp xúc trực tiếp với bề mặt. điện tử từ catot điền vào vách điện

tử hóa trị của cation biến nó thành nguyên tử kin loại trung hòa ở dạng hấp thu. Các

nguyên tử kim loại sẽ tạo thành mầm tinh thể mới. từ đó các tinh thể kết hợp thành

lớp mạ.

2

Hình 1.1: Mô hình mạ điện phân với nguồn một chiều.

Các phần tử trong sơ đồ:

1- Bình ổn nhiệt. 2- Bình điện phân. 3- catôt. 4 và 5- anôt, 6- dụng cụ đo

điện lượng. 7- Ampe kế. 8- nguồn điện một chiều

1.1.2 Sự phát triển của công nghệ mạ điện

Kỹ thuật mạ điện hiện nay đã có những bước tiến triển nhảy vọt,thỏa mãn

được yêu cầu kỹ thuật quan trọng trong sản xuất và đời sống. Các nhà khoa học

luôn tập trung mọi lỗ lực nhằm tìm ra những chất phụ gia mới,phát minh những

chất điện giải mới,phương pháp điện phân mới với những mục đích nâng cao không

những chất lượng lớp mạ không chỉ trên bề mặt kim loại mà ngay trên bề mặt chất

dẻo hay các phi kim loại khác.

Kỹ thuật mạ điện luôn đòi hỏi lớp mạ có cấu trúc tinh thể mịn,dẻo nhưng rất

cứng,độ bám tốt,không xốp,không bong tróc ngay khi thay đổi nhiệt độ hay va

chạm mạnh cũng như bền trong môi trường sử dụng. Vì vậy phải không ngừng

nghiên cứu,cải tiến các thiết bị,máy móc chuyên dùng,thiết kế các dây chuyền sản

xuất đồng bộ,tự động hóa với độ tin cậy cao. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng

lớp mạ một cách vững chắc,hạ giá thành sản phẩm,chống ô nhiễm môi trường

1.1.3 Mục đích và ý nghĩa của công nghệ

3

- Lớp mạ có nhiệm vụ bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn hóa học hay điện hóa

trong môi trường sử dụng.

- Lớp mạ có nhiệm vụt trang trí bên ngoài sản phẩm chế tạo kim loại hoặc

hợp kim rẻ tiền,nó đồng thời là lớp mạ bảo vệ các chi tiết máy móc khỏi bị ăn mòn.

- Người ta còn tạo được lớp mạ kim loại hoặc hợp kim có tính chất hóa lý đặc

biệt như:

+ Lớp mạ làm tăng độ chống mài mòn,chống ma sát.

+ Tạo lớp mạ dẫn điện tốt hơn kim loại nền nhiều lần,lại không gỉ,đảm

bảo dòng điện rất nhỏ lưu thông trong hệ thống lâu dài.

+ Lớp mạ có độ rắn cao,chịu được các lực tác dụng mà không bị bong

tróc,tạo lớp mạ bóng sáng,bền nhiệt cao…

1.2 Yêu cầu của công nghệ mạ điện.

Để quá trình mạ thành công:

- Gia công đúng kỹ thuật cho catot.

- Chọn đúng vật liệu cho anot,thành phần dung dịch mạ,mật độ dòng điện và

các điều kiện điện phân khác,sự ổn định dòng điện trong quá trình mạ. có rất nhiều

yếu tố ảnh hưởng đến sự thành công cũng như chất lượng mạ điện. Nhưng đồ án là

thiết kế nguồn mạ nên ta chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của nguồn cung cấp cho quá

trình mạ có vai trò rất quan trọng đến sự thành công cũng như chất lượng và độ bền

của lớp mạ.

Do yêu cầu công nghệ bắt buộc phải có nguồn điện một chiều nên ta dùng

dòng điện một chiều không đảo chiều. dòng điện một chiều không đảo chiều ổn

định trong suốt quá trinh mạ sẽ cho ra những sản phẩm có lớp mạ đều và bóng.

Điện áp một chiều phải tương đối bằng phẳng. Dòng điện một chiều phải đi vào 2

cực kim loại nhưng vào dung dịch thì điện thế catot(cực âm) trở lên âm hơn,điện

4

thế anot (cực dương) trở lên dương hơn. Sự thay đổi điện thế như vậy gọi là sự

phân cực. 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 Hyđrô thoát ra

mạnh,làm giảm hiệu suất dòng điện và độ bám lớp mạ.

Phân cực anot làm anot hòa tan không bình thường,ảnh hưởng sự phân cực

đến lớp mạ có mặt lợi,mặt hại. trong quá trình mạ phải lợi dụng mặt lợi,khống chết

mặt hại. đa số trường hợp muốn lớp mạ mịn,khả năng phân bố tốt phải nâng cao sự

phân cực (trong phạm vi cho phép), tránh làm giảm hiệu suất dòng điện,độ bám lớp

mạ không tốt.

Để tạo nguồn một chiều cho mạ điện có thể dùng máy phát điện một

chiều hay máy chỉnh lưu.Hiện nay,máy chỉnh lưu được dùng rộng rãi để thay thế

máy phát điện một chiều. Dùng máy chỉnh lưu có lợi là hiệu suất cao,thời gian sử

sụng lâu,tiếng ồn nhỏ, dễ điều khiển, có thể lắp trực tiếp cạnh bể mạ.

1.3. Phạm vi ứng dụng và một số sản phẩm thực tế.

Các sản phẩm của công nghệ mạ điện có mặt ở nhiều ngành trong nền kinh

tế, giữ vai trò quan trọng trong một số ngành công nghiệp khác nhau.

- Trong lĩnh vực xây dựng: mạ ống nước, đường sắt, các thiết bị ngoài trời,

mạ các thiết bị chịu lực, mạ kẽm cho tôn…

- Trong sản xuất dân dụng: làm đồ trang sức, lư đồng, huy chương, bát đĩa,

vòi nước…

- Trong ngành kĩ thuật cao: sản xuất robot, tên lửa…

- Trong công nghiệp đóng tàu: thường mạ một lớp kẽm lên bề mặt vỏ tàu.

- Trong các công trình thủy (ở Tôkiô): các trụ cầu của cầu dẫn qua cảng

Tokyo, lớp phủ titanium (1mmTi + 4mm thép tấm).

5

- Trong lĩnh vực khác: mạ vàng điện thoại, xe hơi, laptop….

Sản phẩm mạ của công nghệ mạ điện có giá trị ngày càng cao trong nền kinh

tế quốc dân nhất là trong lĩnh vực công nghệ cao hiện nay.

Chương 2: Tính chọn mạch công suất

2.1. Giới thiệu mạch công suất và phân tích ưu nhược điểm

Nhiệm vụ đặt ra đối với thiết kế là thiết kế nguồn mạ một chiều có điện áp

thấp và dòng rất lớn. Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ trong

quá trình nạp. Mạch có khâu bảo vệ chống chạm điện cực.

Trong công nghệ mạ điện thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nó

quyết định nhiều đến chất lượng lớp mạ thu được. Nguồn điện một chiều có thể là

ắc quy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi… Chúng ta phân tích từng loại nguồn

để quyết định lựa chọn phương án nào :

2.1.1. Ắc quy.

6

Trong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm hay

sản xuất ở quy mô nhỏ. Do hạn chế về lượng điện tích lên ắc quy chỉ dùng để mạ

các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy được. Đặc biệt khi

dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng được. Vì vậy mà trong công

nghệ mạ người ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn mạ.

2.1.2. Máy phát điện một chiều.

Đối với máy phát điện một chiều ta có:

+ Máy phát điện một chiều tự kích thíc.

+ Máy phát điện một chiều kích thích độc lập.

Hầu hết các quá trình mạ đều dùng nguồn điện một chiều có công suất khác

nhau nhưng điện thế chỉ từ 6 -12 V hay 24 V, 30 V. Để cấp điện cho tải một chiều

người ta dùng máy phát điện một chiều:

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy phát cung cấp điện cho bể mạ:

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện một chiều cung cấp

cho bể mạ.

Trong sơ đồ gồm có các phần tử sau:

a b c

CD

FK

MF

ĐCK

i

kt

KT

+

A

-

K

Chuyển

dịch ion

Bểmạ

Dung dịch

mạ

Lớp

U

1c

ne

ne

7