Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TỚI CHẤT LƯỢNG LỚP MẠ KHI CHẾ TẠO ĐÁ MÀI KIM CƯƠNG VÀ CBN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN STUDY ON INFLUENCE OF SOME TECHNOLOGICAL PARAMETERS TO THE QUALITY OF PLATING LAYER IN MANUFACTURING DIAMOND AND CBN GRINDING WHEEL WITH ELECTROPLATING METHOD Bùi Thế Hùng (1a), Trần Thị Vân Nga (2b), Trương Hoành Sơn (3c) Trường Đại học Sao Đỏ, Hải Dương Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội b a bhungct@gmail.com; ngattv@utc.edu.vn; c son.truonghoanh@hust.edu.vn TÓM TẮT Đá mài CBN đá mài kim cương với đặc tính mài bật có khả mài vật liệu có độ cứng cao, hệ số mài lớn, khả chịu nhiệt cao sử dụng phổ biến nguyên công mài, đặc biệt mài định hình Trong đó, đá mài CBN liên kết kim loại phương pháp mạ điện chế tạo loại đá mài đặc biệt đá mài định hình, đá mài có chiều dày mỏng 1mm Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo đá mài liên kết kim loại phương pháp mạ điện vấn đề quan tâm nghiên cứu công nghiệp chế tạo đá mài Bài báo trình bày số kết nghiên cứu ảnh hưởng thông số trình mạ điện đến chất lượng lớp mạ khả bám dính hạt mài tạo cầu liên kết phương pháp mạ điện Kết thí nghiệm chất lượng lớp mạ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ mạ, mật độ dòng điện, độ pH dung dịch thời gian mạ Các kết thí nghiệm chất lượng lớp mạ tốt tạo nhiệt độ mạ từ 50-60C, điện áp dòng điện mạ 12V, cường độ dòng điện mà 79 A/dm2, độ pH dung dịch mạ Từ khóa: đá mài CBN, cầu liên kết, mạ điện, mật độ dòng điện mạ, chiều dày lớp mạ, điện áp mạ ABSTRACT CBN and diamond grinding wheel with prominent grinding characteristics as capable of high-strength materials, large grinding ratio, high-heat resistance are used very commonly in the grinding proces especially in shaped grinding In CBN grinding wheel with metal bonded by electroplating method can be manufacture special grinding wheels as shaped grinding wheel, thin grinding wheel which has a thickness smaller than 1mm Therefore, the studing and manufacturing of grinding wheel with metal bonded by electroplating method is one of the problem which is caring in grinding wheel manufacturing This paper presents some results of studing on the influence of the plating parameters to the quality of electroplated plating layer as well as the adhesion ability of abrasive grain with metal bonded bridge by electroplating Experimental results show that the plating quality depends heavily on temperature plating, electric current density, pH and duration of plating solution The experimental results also show that good plating layer is created at heat of solution from 5060C, plateing voltage 12V, plating current density of 79 A / DM2, solution pH plating Keywords: CBN Grinding wheel, Bond bridge, Electroplating, Plating current density, Plating thickness, Plating voltage 260 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV GIỚI THIỆU VỀ ĐÁ MÀI LIÊN KẾT KIM LOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN Hình Đá mài liên kết kim loại mạ điện Đá mài kim cương đá mài CBN đá mài sử dụng vật liệu hạt mài siêu cứng Do hạt mài có độ cứng cao nên loại đá sử dụng rộng rãi sản xuất nói chung gia công khí nói riêng Đá mài kim cương đá mài CBN chế tạo phương pháp thiêu kết với chất dính kết kim loại chất thủy tinh hóa, phương pháp lưu hóa với chất liên kết nhựa phương pháp mạ điện với chất liên kết kim loại Trong đó, đá mài chế tạo theo phương pháp mạ điện có ưu điểm như: thời gian chế tạo nhanh, không thời gian sửa đá, chế tạo đá mài có hình dáng phức tạp, đá mài có chiều dày mỏng giá thành chế tạo rẻ phương pháp khác Đá mài liên kết kim loại phương pháp mạ điện nghiên cứu chế tạo ứng dụng rộng rãi nước có chế tạo khí phát triển [1], [2], nước ta hạn chế Bài báo trình bày số kết nghiên cứu ảnh hưởng thông số trình mạ đến hình thành cầu liên kết đá mài liên kết kim loại phương pháp mạ điện phương diện hình thành cầu liên kết hạt mài SỰ HÌNH THÀNH CẦU LIÊN KẾT TRONG ĐÁ MÀI LIÊN KẾT KIM LOẠI BẰNG MẠ ĐIỆN 2.1 Cầu liên kết đá mài Hạt mài Hạt mài Cầu liên kết Cầu liên kết a) Đá mài mạ điện b) Đá mài thiêu kết Hình Kết quả chụp SEM của mặt điện [3] Hình Cầu liên kết đá mài Trong đá mài liên kết kim loại phương pháp mạ điện, thường vài lớp hạt mài dính kết bề mặt lõi đá mài Khác với cầu liên kết đá mài chế tạo phương pháp thiêu kết, cầu hình thành nóng chảy thiêu kết làm cho hạt mài liên kết với thành khối Hình 2.b cầu liên kết kim loại 261 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV hạt mài hình thành phương pháp mạ điện Hình 2.a Theo phương pháp này, để nâng cao khả liên kết hạt mài với lõi kim loại, lớp kim loại mạ lót trước gắn hạt mài lên bề mặt lõi kim loại Hình [3] Các hạt mài sau “gắn” sơ lên bề mặt lõi kim loại phương pháp mạ điện, sau chúng gắn chặt với lõi kim loại liên kết với cầu liên kết kim loại tạo phương pháp mạ điện Mức độ liên kết bền vững hạt mài bề mặt đá phụ thuộc vào: mức độ bám dính kim loại mạ với bề mặt lõi đá mài; bám dính cầu liên kết kim loại với lõi khả neo giữ hạt mài cầu liên kim loại tạo Kim loại tạo cầu liên kết sử dụng kim loại đáp ứng hai yêu cầu: có khả dính kết cao với kim loại lõi với hạt mài Niken kim loại đáp ứng hai yêu cầu sử dụng rộng rãi Niken có độ bám dính tốt với kim cương CBN nhiên với lõi đá mài phụ thuộc vào kim loại sử dụng chất lượng bề mặt xử lý trước mạ [4] 2.2 Chiều dày lớp kim loại mạ Chiều dày lớp kim loại hình thành phương pháp mạ điện phân xác định dựa theo công thức [4]: m=K.I..t Trong đó: m: khối lượng chất thoát sau t giờ, biểu thị gam t: thời gian mạ tính theo (h) K: đương lượng điện hóa tính theo g/A.h I: cường độ dòng điện mạ tính theo ampe (A) : hiệu suất dòng điện mạ Như vậy, phương pháp mạ điện, chiều dày lớp mạ (hay gọi kích thước cầu liên kết) điều chỉnh cách thay đổi thông số công nghệ trình mạ điện Hình Thiết bị mạ THÍ NGHIỆM CHẾ TẠO CẦU LIÊN KẾT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN 3.1 Thiết bị thí nghiệm Để tạo lớp mạ theo ý muốn, thiết bị thí nghiệm phải thiết kế phải đảm bảo điều chỉnh thông số công nghệ trình mạ cường độ dòng điện I, nhiệt độ dung dịch mạ T, vận tốc khuấy dung dịch mạ nkh tốc độ quay chi tiết mạ nct Thiết bị thí nghiệm thể Hình 3.2 Xác định thông số thí nghiệm Chi tiết mạ (lõi): Chi tiết mạ chọn hình trụ kích thước 10, làm từ thép C45 Bề mặt chi tiết mạ gia công đạt độ nhẵn bóng cấp Vật liệu hạt mài: Hạt mài dược chọn làm thí nghiệm hạt mài SiC có độ hat #120 (đường kính khoảng 100µm) Hạt mài để tự bề mạ khuấy với dung dịch mạ trình mạ Các thông số trình mạ: Các thông số trình mạ thể Bảng Quá trình mạ: Được thực theo quy trình Hình 262 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Thành phần dung dịch mạ composite Ni-SiC Tên chất Thành phần, g/l Niken Sunfat (NiSO4.6H2O) Niken Clorua (NiCl2 6H2O) Axít boric (H3BO3) Sáckarin Butandiol-1,4 Hạt SiC (cỡ 100 ÷ 120 µm) 250 60 40 0.5 100 Bảng Các mức thay đổi của thông số thí nghiệm Mức (thứ tự) Dc (A/dm2) T (0C) pH Nhiệt độ phòng 3 40 50 60 60 Xử lý sơ Kiềm Rửa Nước nóng Làm axit Axit sulfuric Cố định hạt mài Mạ lần thứ Lấp hạt mài Mạ lần thứ Hình Sơ đồ mạ điện 3.3 Tiến hành thí nghiệm thu thập kết quả Quá trình mạ hạt tiến hành qua hai giai đoạn Đầu tiên mạ lớp thứ với mục đích tạo bám dính hạt mài với lõi, sau tiến hành trình mạ lần thứ để đạt lớp mạ cần thiết Quá trình mạ thực với thông số công nghệ khác để có kết đánh giá chất lượng lớp kim loại mạ khả tạo cầu liên kết theo phương pháp mạ điện Sau mạ, vật mạ làm Chất lượng lớp mạ đánh giá dựa việc quan sát bề mặt đá mạ chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 263 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 4.1 Khả hình thành cầu liên kết hạt mài với lõi kim loại a) b) Hình Ảnh SEM của bề mặt đá mài liên kết kim loại phương pháp mạ điện Kết trình mạ điện để tạo cầu liên kết Hình Có thể thấy hạt mài liên kết với liên kết với lõi để tạo thành lớp đá mài bề mặt lõi kim loại, Hình 6.a Hình 6.b cho thấy hạt mài phủ lớp kim loại có chiều dày khoảng từ 30-50 µm quan sát chứng tỏ hạt mài bám dính tốt với chất dính kết kim loại 4.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ mạ đến chất lượng lớp mạ 4.2.1 Ảnh hưởng dòng điện Dòng điện mạ ảnh hưởng nhiều đến chất lượng lớp mạ định đến lượng Niken kết tủa bề mặt chi tiết mạ Khi mật độ dòng điện thấp, tốc độ phản ứng điện hóa chậm dẫn tới tốc độ mạ chậm, khả phân bố lớp mạ kém, thấp lớp mạ Tăng mật độ dòng điện hợp lý làm cho tốc độ chuyển đổi điện tử phản ứng điện cực tạo hội cho nguyên tử hình thành, có đủ thời gian nhập vào mạng lưới tinh thể với cấu trúc trì đặn lớp mạ có chất lượng tốt Dc = A/dm2 Dc = A/dm2 Dc = A/dm2 Dc = 9A/dm2 Hình Bề mặt đá mài mạ với mật độ dòng điện pH=4, T=500C, thời gian mạ t= 30 phút Chất lượng lớp mạ mạ điều kiện độ pH=4, nhiệt độ mạ T=500C với cường độ dòng điện khác Hình Có thể thấy mật độ dòng điện nhỏ Dc = 2A/dm2 Dc = A/dm2 cho lớp mạ (nền màu tối hơn), tốc độ bắt hạt chậm 264 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong đó, độ dày lớp mạ tăng lên theo cường độ dòng điện bề mặt mạ sáng bóng Dc = A/dm2 bề mặt nhận tốt Khi tăng dòng điện mạ lên A/dm2 chất lượng bề mặt mạ đẹp, sáng chiều dày lớp mạ lớn gần “chôn lấp” hết hạt mài bám bề mặt đá lượng Niken giải phóng tăng lên nhiều so với mạ dòng nhỏ 4.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ mạ ảnh hưởng lớn đến hình thành lớp mạ Khi tăng nhiệt độ làm tăng hiệu suất dòng điện, nâng cao mật độ dòng điện làm tăng tốc độ mạ, đảm bảo lớp mạ kết tinh nhỏ mịn Nhiệt độ tăng làm tăng hoạt động phần tử dung dịch mạ như: làm tăng di chuyển phần tử, bổ sung nhanh số ion sát lớp catot khuếch tán mạnh số ion anot hòa tan Nhưng nhiệt độ cao gây nhiều tác hại như: độ nhớt dung dịch chất điện phân giảm, nồng độ phần tử lớp sát catot giảm lắng nhanh hạt (khi khuấy trộn yếu) Dung dịch bị phân hủy hao hụt nhiều bay hơi, đồng thời tốn nhiều điện thời gian để đun nóng dung dịch Ở điều kiện thí nghiệm 40OC, lớp mạ Niken thu sẫm, tối (Hình 8.a) Khi nhiệt độ từ 500C600C, lớp mạ hình thành sáng chất lượng lớp mạ tốt a) Nhiệt độ phòng b)T = 400C c) T = 500C d) T = 600C Hình Ảnh hưởng của nhiệt độ mạ đến chất lượng lớp mạ (pH = 4, Dc = 7A/dm2 t = 15 phút) ` 4.2.3 Ảnh hưởng độ pH Độ pH bể mạ ảnh hưởng đến điện phóng điện hydro, đến lượng chất kiềm lẫn vào lớp mạ, đến thành phần phức hay thành phần hydrat ion kim loại kết tủa, đến phạm vi hấp phụ chất phụ gia Vì dự đoán hết yếu tố nên dải pH tốt cho bể mạ dựa vào thực nghiệm Các kết thí nghiệm rằng, độ pH dung dịch thấp (pH=3) làm cho trình giòn hydro tăng lên, hydro lẫn vào lớp mạ ảnh hưởng xấu đến tính lớp mạ Hình 9.a Lớp mạ thu có màu sẫm tối Ở độ pH=4, bề mặt lớp mạ thu sáng, đẹp (Hình 9.b) Nhưng pH tăng cao (pH=5) làm dung dịch kiềm hóa, làm giảm hiệu suất dòng điện chí thoát khí oxy/clo điện cực làm cho chất lượng lớp mạ xấu, bề mặt bị đen Hình 9.c 265 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a) pH = b) pH = c) pH = Hình Bề mặt lớp mạ với độ pH khác KẾT LUẬN Từ kết thí nghiệm thảo luận, số kết luận rút là: Có thể sử dụng phương pháp mạ điện dung dịch Watts để tạo liên kết hạt mài với với lõi kim loại Chất lượng lớp mạ phụ thuộc vào nhiệt độ mạ, mật độ dòng điện, độ pH dung dịch mạ Chất lượng lớp mạ điều kiện thực thí nghiệm tạo có chất lượng tốt nhiệt độ mạ từ 50600C, điện áp dòng điện mạ 12V, mật độ dòng điện 79 A/dm2, độ pH dung dịch mạ 4, điều kiện tạo chiều dày lớp mạ từ 3050m với thời gian mạ 15-30 phút TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kunio Nishihara, Hiromichi, Onikura, Osamu Ohnishi (2005), Fabrication of Ni-W Electroplated Micro Diamond Grinding Tools and Their Application to Grooving in Silicon, International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21 st Century, p 1241-1245 [2] K Sato, K Suzuki, T Yokoyama (1996), Production of Electrodeposited Diamond Wheels and Grinding Performance for Hard Metals and Ceramics, Journal of Materials Processing Technology Vol 62, p 303-308 [3] Trần Thị Vân Nga, Trương Hoành Sơn, Trần Vĩnh Hưng (2015), Nghiên cứu chế tạo đá mài đơn lớp bước đầu nghiên cứu chế tạo đá mài CBN phương pháp mạ điện, Tạp chí Khoa học công nghệ - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội số 27, p 130-133 [4] Trần Minh Hoàng (2010), Mạ kền – lý thuyết ứng dụng, NXB Bách Khoa – Hà Nội [5] Nguyễn Văn Lộc (2012), Công nghệ mạ đặc biệt, NXB Bách Khoa – Hà Nội [6] Nguyễn Văn Lộc (2010), Sổ tay công nghệ mạ điện, NXB Bách Khoa – Hà Nội THÔNG TIN LIÊN HỆ TÁC GIẢ Bùi Thế Hùng Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ, Hải Dương, Việt Nam Email:bhungct@gmail.com Điện thoại: 0902134222 Trần Thị Vân Nga Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Email: ngattv@utc.edu.vn, Điện thoại: 0913596858 Trương Hoành Sơn Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam, Email: son.truonghoanh@hust.edu.vn, Điện thoại: 0904241165 266 ... đạt lớp mạ cần thiết Quá trình mạ thực với thông số công nghệ khác để có kết đánh giá chất lượng lớp kim loại mạ khả tạo cầu liên kết theo phương pháp mạ điện Sau mạ, vật mạ làm Chất lượng lớp mạ. .. 4.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ mạ đến chất lượng lớp mạ 4.2.1 Ảnh hưởng dòng điện Dòng điện mạ ảnh hưởng nhiều đến chất lượng lớp mạ định đến lượng Niken kết tủa bề mặt chi tiết mạ Khi. .. nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV GIỚI THIỆU VỀ ĐÁ MÀI LIÊN KẾT KIM LOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN Hình Đá mài liên kết kim loại mạ điện Đá mài kim cương đá mài CBN đá mài sử dụng