Xử lý bề mặt kim loại
Xử lý điện hóa bề mặt kim loại là một quá trình công nghệ hay được sử dụng, vì thực tế hầu như tất cả các vật dụng bằng kim loại đều phải được hoàn thiện, đồng thời đó cũng là trách nhiệm của nhà sản xuất.
Xử lý bề mặt là một khâu quan trọng trong quá trình sản xuất hầu hết các vật dụng bằng kim loại. Tùy thuộc vào bản chất của việc xử lý, bề mặt kim loại có thể được hoàn thiện theo các cách khác nhau. Nó có thể được cải thiện về độ bền ăn mòn hoặc bào mòn; có thể có một bề măt có tính xúc tác; hoặc có thể được làm tăng vẻ đẹp của bề mặt… Xử lý bề mặt kim loại bằng phương pháp điện hóa có thể thực hiện được tất cả những điều đó. Mạ điện là phương pháp xử lý bề mặt điện hóa được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, còn có các phương pháp xử lý khác cũng dựa vào kỹ thuật điện hóa. Ví dụ: các quá trình thụ động hóa, anốt hóa, mạ hóa học, sơn điện di, đánh bóng điện hóa và đúc điện.
Mạ điện
Mạ điện là quá trình điện hóa catôt: Bề mặt kim loại cần xử lý được dùng làm catôt trong một bình điện phân (đòi hỏi dùng dòng điện bên ngoài – trong trường hợp này là từ nguồn điện một chiều) để thực hiện quá trình điện hóa. Phản ứng catốt xảy ra và thực hiện việc xử lý cần thiết – đó là mạ một lớp kim loại lên trên bề mặt cần xử lý.Hình 1 trình bày sơ đồ đơn giản của một bể mạ điện.
Dung dịch mạ là dung dịch mà trong đó quá trình mạ điện xảy ra. Nó có chứa các ion của kim loại sẽ được mạ lên bề mặt kim loại cần xử lý – các ion kim loại này tham gia phản ứng catôt và bị khử điện hóa thành kim loại điện kết tủa lên trên bề mặt cần xử lý. Ví dụ trong trường hợp mạ kẽm, ion kẽm hóa trị hai bị khử trên bề mặt kim loại nền (thép chẳng hạn).
                    Zn2+ + 2e– → Zn
Rõ ràng là trong một bình điện hóa như vậy cũng cần phải có phản ứng anôt tương ứng. Trong mạ điện, đó thường là sự hòa tan anôt của một anôt kim loại để đảm bảo nồng độ ion kim loại trong bể mạ gần như không đổi Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp các anôt có thể không tan và được làm bằng các vật liệu như graphit, chì, titan phủ platin…; chúng trơ trong dung dịch mạ. Anôt không tan vẫn thực hiện phản ứng anôt trong đó có một phản ứng anôt quan trọng là phản ứng thoát oxy.
                    H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e–
                    (Trong dung dịch axit)
Lớp phủ kim loại hình thành trên bề mặt catôt thường có cấu trúc tinh thể và dày từ 1-50µm tùy thuộc vào kim loại được mạ và yêu cầu hoàn thiện mặt hàng đó.
Mạ hóa học
Trong mạ điện, các điện tử cần cung cấp cho phản ứng khử điện hóa được lấy từ nguồn bên ngoài; còn trong mạ hóa học các điện tử được cung cấp bởi chất khử hóa học. Ví dụ, khi mạ Ni hóa học, natri hypophotphit được sử dụng làm tác nhân  khử và bị oxy hóa thành octophotphit, do đó có thể xảy ra phản ứng anôt sau:
           H2PO2– + H2O → H2PO3– +2H+ + 2e–
Các điện tử tách ra và tham gia vào quá trình khử Ni ở phản ứng catôt:
           Ni2++ 2e– → Ni
Ni và Cu là hai kim loại chính thường được mạ bằng kỹ thuật này. Ni thường được sử dụng ở nơi cần độ bền ăn mòn và bào mòn. Do bản chất của phản ứng mạ nên lớp mạ thu được là hợp kim của Ni với các sản phẩm phân hủy của tác nhân khử. Vì vậy khi sử dụng natri hypophotphit sẽ tạo ra một lớp niken – photpho, và kh i sử dụng natri – bo hyđrua sẽ tạo ra một lớp mạ niken – bo. Khi mạ Cu hóa học, thường lớp mạ là Cu tinh khiết. Mạ hóa học có thể chỉ xảy ra trên một bề mặt xúc tác: nhiều kim loại thông thường đáp ứng được yêu cầu này. Vật liệu phi kim như nhựa và gốm có thể được xúc tác bằng cách xử lý để tạo ra kết tủa kim loại palađi lên bề mặt không dẫn điện. Phản ứng mạ hóa học sau đó có thể bắt đầu trên các phần tử này và phát triển thành lớp mạ. Bằng cách này, việc mạ kim loại có thể tiến hành cho các bề mặt không dẫn điện. Cũng có thể làm cho bề mặt phi kim dẫn điện, để sau đó tiếp tục mạ bằng phương pháp mạ điện.
Anôt hóa
Anôt hóa, như tên gọi, đòi hỏi sử dụng phản ứng anôt để xử lý bề mặt. Nhôm (và nhiều hợp kim của nó) thường được xử lý theo cách này. Quá trình anôt hóa sinh ra một lớp màng oxit bảo vệ trên bề mặt kim loại, thường được tiến hành trong dung dịch điện ly là axit sunfuric.
           2Al + 3H2O → Al2O3 + 6H+ + 6e–
Để duy trì phản ứng mong muốn này chống lại phản ứng:
           Al → Al3+ + 3e–
dung dịch cần được giữ lạnh, đặc biệt cần dùng điện cao thế để thắng điện trở tăng dần lên khi lớp oxit dày lên.
Các kỹ thuật xử lý khác
Mạ điện, mạ hóa học và anôt hóa chiếm tỷ trọng lớn trong các quá trình xử lý điện hóa bề mặt kim loại. Tuy nhiên, còn có nhiều lĩnh vực khác mà ở đó kỹ thuật điện hóa có thể mang đến những thay đổi có lợi cho bề mặt kim loại. Trước khi tiến hành xử lý, bề mặt kim loại cần được làm sạch dầu mỡ, các màng oxit và màng ăn mòn khác. Các dung dịch làm sạch điện hóa đã được sử dụng cho mục đích này. Chúng thường là các dung dịch kiềm, chứa natri hyđroxyt. Vật cần xử lý có thể là catôt hoặc luân phiên giữa hai cực. Quá trình thoát hyđro (ở chu kỳ catôt) và oxy (ở chu kỳ anôt) sẽ “cọ sạch” bề mặt
Một quá trình xử lý anôt bề mặt khác là đánh bóng điện hóa. Đây là một quá trình anôt, vật  được xử lý trong  một dung dịch  nhớt pha từ axit đặc. Độ nhớt cao ngăn cản quá trình khuếch tán và cho phép hình thành một lớp màng trên bề mặt anôt. Sự hòa tan chọn lọc qua màng này chỉ xảy ra ở các điểm lồi trên bề mặt đã làm bề mặt phẳng và bóng lên. Trường hợp này áp dụng cho hợp kim đồng và một số loại thép không rỉ.
Cuối cùng, các lớp phủ thụ động cũng là các kỹ thuật điện hóa được sử dụng rộng rãi. Chúng thường được dùng cho các kim loại như nhôm và hợp kim nhôm, kẽm và hợp kim kẽm, thiếc, hợp kim magiê, cađimi. Quá trình thụ động, hầu hết thường đơn giản là nhúng để tạo ra một lớp oxit trên bề mặt kim loại làm tăng độ bền ăn mòn và đồng thời cũng quan trọng là làm nền rất tốt cho các màng hữu cơ khác. Một ví dụ của cách này là hộp thép tráng thiếc và sau đó tráng vecni để bảo vệ thiếc khỏi bị ăn mòn do thực phẩm. Có nhiều loại dung dịch thụ động hóa, song có 2 loại chính là cromat và photphat. Tuy  nhiên cromat đang gây ra nhiều lo ngại vì độc tính và khả năng gây ung thư của nó.
Các lĩnh vực then chốt của nghiên cứu ngày nay.
Ngày nay trên thế giới, trong việc xử lý bề mặt có sự phân chia thành các quá trình điện hóa ướt và các kỹ thuật khô mà điển hình là quá trình xi mạ nhờ phun nhiệt (của cả kim loại và gốm), kết tủa bằng cách bốc hơi hóa học và vật lý. Hai quá trình này đòi hỏi chân không hoặc thiết bị phản ứng cho phép thực hiện quá trình xi mạ trong đó. Các kỹ thuật khô này thường được quảng cáo như là các kỹ thuật mạ hiện đại và hiển nhiên là cách xử lý bề mặt tiên tiến. Còn các quá trình ướt thường được xem là không tốt về mặt môi trường. Nhưng thực ra các quá trình ướt truyền thống lại chiếm một thị phần lớn nhất trên thị trường xử lý bề mặt và do vậy được ứng dụng rộng rãi nhất. Ví dụ: phương pháp mạ điện có thể mạ được một số lượng cực lớn kim loại nguyên chất hoặc hợp kim.
Quá trình mạ điện bị qui là có nhiều điều hạn chế như dung dịch phức tạp về mặt hóa học, khó giải quyết vấn đề xử lý nước thải. Tuy nhiên công nghệ này hiện đã được hoàn thiện và nhiều vấn đề môi trường đã được giải quyết thông qua khâu thiết kế cẩn thận và sử dụng các máy móc, thiết bị hiện đại.
Nghiên cứu về mạ điện hiện vẫn đang phát triển mạnh mẽ, có lẽ có 3 lĩnh vực được quan tâm:
* Hợp kim mới – để cải thiện các tính chất hóa học và tính chất cơ lý;
* Tìm vật liệu đồng kết tủa cùng với kim loại mạ điện và mạ hóa. Ví dụ đồng kết tủa cacbuasilic, polytetrafluoetylen, dầu trong các vi nang… cùng với Ni.
* Thực hiện lớp mạ đa lớp với các tính chất cơ, điện hoặc hóa đặc biệt.
Mạ đa lớp
Khái niệm về điện kết tủa (mạ điện) phân lớp trong xử lý bề mặt không phải là mới. Lớp mạ crôm trang sức, được sử dụng để làm đẹp cho các thanh chắn của ô tô. Đây là một cấu trúc phân lớp. Lớp lót là Cu mạ điện trực tiếp lên nền thép để tăng độ bám dính. Lớp Ni kép để bảo vệ chống ăn mòn và một lớp Cr cuối cùng rất mỏng để trang sức. Ngày nay người ta quan tâm hơn đến công nghệ mạ đa lớp và khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng.
Người đầu tiên đã tiên đoán rằng, các lớp mạ hợp kim dạng kết cấu tổ hợp đa lớp (CMA) có thể có các tính chất ưu việt là nhà vật lý J.S. Koehler. Ông đã dự đoán rằng, một sự sắp xếp thứ tự các màng mỏng có thể làm tăng các tính chất cơ học như tăng độ bền kéo và độ cứng. Để có cấu trúc phân lớp từ hai kim loại cần phải tuân theo một số nguyên tắc nhất định. Về bản chất chúng cần có các thông số ô mạng nguyên tử tương tự nhau, hệ số dãn nở nhiệt tương tự nhau và hằng số đàn hồi rất khác nhau. Hơn nữa, liên kết giữa các lớp khác nhau cần phải được sắp giống như liên kết nội bên trong các lớp trong khi độ dày của các lớp chỉ nên cỡ 100 nguyên tử hoặc ít hơn.
Một trong những phương pháp sớm nhất để tạo ra lớp mạ có cấu trúc CMA là mạ điện. Các nhà nghiên cứu lúc đầu đã nghiên cứu hệ CMA trên cơ sở mạ điện Cu và Ni. Điều này có ưu điểm là bể mạ tương đối đơn giản về mặt hóa học và các quá trình mạ diễn ra thuận lợi. Có 2 phương pháp chính đã được sử dụng: Phương pháp thứ nhất được gọi là phương pháp bể mạ kép; sử dụng 2 bể mạ riêng biệt: một cái mạ Cu, một cái mạ Ni. Phương pháp thứ hai là kỹ thuật bể mạ đơn. Như tên gọi phương pháp này chỉ sử dụng một dung dịch mạ và 2 mật độ dòng điện mạ để tạo ra 2 kiểu lớp mạ. Bể mạ đơn phức tạp hơn về mặt hóa học so với bể mạ kép tương ứng, với phản ứng kém hơn của hai kim loại được mạ cùng với số lượng rất nhỏ của chúng trong bể để tạo ra các lớp riêng rẽ tương đối tinh khiết.
CMA đòi hỏi nhiều lớp mạ riêng biệt tương đối mỏng, vì vậy người ta cần tới kỹ thuật dòng điện “gián đoạn”. Đó chính là nơi mà kỹ thuật mạ dòng xung đã có được một trong những ứng dụng quan trọng nhất của nó. Hình 2 cho thấy một dạng quan hệ dòng điện – thời gian. Các xung riêng biệt có thể tạo ra các lớp mạ riêng biệt (trái) hoặc một dãy các xung cùng kiểu có thể tạo thành một lớp cùng thành phần và một dãy các xung thứ hai tạo ra một lớp khác (phải) và cứ như vậy tạo thành nhiều lớp xen kẽ.
Tương lai của ngành xử lý bề mặt kim loại
Mặc dù xử lý điện hóa ướt cổ điển bị chỉ trích, thường là do các lo ngại về môi trường, nhưng đến nay không có một phương pháp mạ xen kẽ các lớp đơn nào có thể thay thế nó khi hoàn thiện bề mặt kim loại. Sự thực có những sức ép về mặt môi trường đối với các hệ như mạ cađimi, thụ động cromat. Nhưng mặt khác có ít sự thay thế hiệu quả và nhiều khi vẫn phải dựa trên cơ sở điện hóa dung dịch nước. Thay cho việc tìm cách thay thế hệ thống điện hóa, hầu hết các nhà khoa học đang (hoặc nên) nghiên cứu xem có thể sử dụng chúng để thực hiện các phương pháp xử lý bề mặt khác không. Quá trình mạ điện tạo ra nhiều loại hợp kim tiên tiến hiện vẫn là một cách phát triển chưa có biện pháp thay thế của kỹ thuật xử lý bề mặt bằng điện hóa.
CHỬ VĂN NGUYÊN
Theo Chemistry & Industry,
Nguyên Khang 