Chương I
Tổng quan về mạ điện
I/ Sự hình thành lớp mạ điện :
1/ Khái niệm:
Mạ điện được dùng trong nhiều nghành công nghiệp khác nhau
để chống ăn mòn, phục hồi kích thước, trang sức, chống mòn, tăng
cứng, phản quang, dẫn điện, dễ hàn, dẫn nhiệt Về nguyên tắc,
vật liệu nền có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo,
gốm sứ hoặc composit. Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp
kim ra nó còn có thể là composit của kim loại- chất dẻo hoặc kim
loại - gốm Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc
vào trình độ và năng lực công nghệ, vào tính chất cần có ở lớp mạ
và vào giá thành. Xu hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ, sẵn còn
vật liệu mạ đắt, quí hiếm hơn nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài.
Vậy mạ điện là gì ?
Một cách đơn giản nhất có thể hiểu mạ điện là quá trình kết tủa
kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý,
hoá đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn.
Tuy nhiên chỉ những công nghệ nào ổn định trong một thời gian
dài để luôn cho sản phẩm có tính chất như nhau mới được ứng
dụng vào trong sản xuất.
2/ Điều kiện tạo thành lớp mạ :
Mạ điện là quá trình điện phân. Quá trình điện cực tổng quát là:
- Trên Anốt xảy ra quá trình hoà tan kim loại Anốt :

M - ne M
n+
(1)
- Trên Katốt, cation giải phóng điện tử tạo thành nguyên tử kim
loại mạ:
M

Toàn bộ quá trình trên xảy ra trong bộ mạ điện. (hình vẽ 1)
Để cho quá trình mạ được thành công phải :
- Gia công đúng kỹ thuật cho Katôt.
- Chọn đúng vật liệu Anôt, thành phần dung dịch mạ, mật độ
dòng điện và các điều kiện điện phân khác.
Có thể chọn dùng trong số các chủng loại lớp mạ sau :
- Lớp mạ kim loại : Zn, Cd, Sn, Cu, Ni, Cr, Pb, Ag, Au, Pt
- Lớp mạ hợp kim : Cu - Ni, Cu - Sn, Sn - Ni, Ni - Cr
- Lớp mạ composit : là lớp mạ có chứa các hạt rắn, nhỏ và
phân tán như Al
2
O
3
, Cr
3
C
2
, TiO
2
, SiO
2
,
Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể tính dựa theo
định luật Faraday :
m = S . D
c
. t . H - C
Trong đó :
- S : diện tích mạ (dm
2

2
)
- D
c
: mật độ dòng điện (A/ dm
2
)
- t : thời gian mạ (h)
- C : đương lượng điệnhoá kim loại mạ (g / Ah)
- H : hiệu suất dòng điện (%)
II/ Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ :
1/ Vật liệu nền và sự thoát hydro :
Kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ
sạch và độ nhẵn:
+ Độ sạch của nền đảm bảo cho các nguyên tử kim loại mạ liên kết
trực tiếp vào mạng tinh thể kim loại nền, đạt được độ gắn bám cao
nhất.
+ Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp
của lớp mạ. Nếu bề mặt nền nhám, xước quá thì phân bố điện thế
và mật độ dòng điện sẽ không đều, chỗ lom, rãnh sâu Nếu điện
thế và mật độ dòng điện cục bộ bé thì tốc độ mạ chậm hoặc không
mạ được,chỗ lồi cao, chỗi đỉnh nhọn Nếu điện thế và mật độ
dòng điện cao thì tốc độ đó lại rất lớn, thậm chí sinh ra gai,
cháy kết quả là độ nhám của nền đã khuyếch đại lên sau khi mạ.
Có thể dùng chất san bằng để khắc phục hiện tượng trên nếu bề
mặt nền không quá nhám.
• Ảnh hưởng của bản chất kim loại nền :
Thông thường thì kim loại nền và kim loại mạ có điện thế khác
nhau :
- Nếu kim loại nền dương hơn kim loại mạ thì khi bị ăn mòn

- Thụ động nền bằng cách phương pháp đặc biệt để cho điện
thế của nó dương lên rồi mới mạ lớp mạ katôt lên. Ví dụ mạ
Cu từ dung dịch sunfat trực tiếp lên sắt, thép đã được sử lý
trước trong HNO
3
đặc hoặc trong dung dịch có tính ức chế
thích hợp.
- Lợi dụng phản ứng đẩy giữa kim loại nền ( âm hơn) với kim
loại mạ (dương hơn) để giải phóng ra kim loại mạ. Nếu tìm
điều kiên kỹ thuật thích hợp thì kim loại giải phóng ra sẽ cho
lớp mạ đạt những yêu cầu nhất định và sẽ có thể sử dụng nó
như một lớp mạ lót. Ví dụ : nền Al ( -1,67 V) khi nhúng vào
dung dịch zincat do kết quả của phản ứng này sẽ sinh ra líp
Zn ( - 0,76 V). Sau đó có thể mạ tiếp Ni, Cu, Cr hoặc : nền
kẽm đúc, có hiều lỗ sâu nên thường được mạ lót đồng nhỏ
phản ứng đẩy từ dung dịch kiềm , sau đó mạ tiếp các lớp khác
lên.
• Ảnh hưởng của sự thoát hydro và quá thế katôt :
Mạ điện thường thực hiện trong môi trường nước nên phản ứng
phụ katôt hay gặp nhất la H
+
phóng điện tạo ra sự thoát Hydro trên
katôt, điều này sẽ gây ra nhiều tác hại :
- Giảm hiệu suất dòng điện : tiêu phí điện năng vào quá trình
phụ thoát hydro vô Ých, do đó tốc độ mạ giảm đi.
- Thay đổi pH cua dung dịch : tạo ra các hydroxit hoặc muối
kiềm khó tan. Các chất không tan này lẫn vào lớp mạ gây ra
gai, xùi. Để khắc phục hiện tượng này phải điện phân ở nhiệt
độ cao hơn, khuấy mạnh dung dịch, tăng nồng độ ion kim loại
và ion H

đơn giản, còn dung dịch phức dùng cho trường hợp cần có khả
năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp.
b/ Chất điện ly :
Nhiều chất điện ly đưa vào dung dịch với nồng độ cao để tăng độ
dẫn điện cho chúng. Các chất này cũng có thể kiêm luôn vai trò
chất đệm, khống chế pH luôn ổn định cho dù hydro hay oxi thoát
ra có làm thay đổi độ axit ở sát các điện cực đi nữa. Vì nếu pH lớn
quá thì hydroxit kim loại sẽ kết tủa, lẫn vào lớp mạ. Điều này đặc
biệt khó khăn cho các trường hợp mạ các kim loại có tÝnh xúc tác
thoát hydro và dễ bị thủy phân ( như Ni ). Điều đó giải thích tại
sao trong dung dịch mạ kền có chứa axit boric. Khi dung dịch có
pH > = 2 thì hầu như hydro rất khó thoát ra nên hiện tượng giòn
hydro hoặc sinh ra các hydrat sẽ giảm đi rất nhiều.
c/ Chất tạo phức :
Dùng phức chất để làm cho điện thế kết tủa trở nên âm hơn nhằm
tránh hiện tượng tự xảy ra phản ứng hoá học giữa catôt và ion kim
loại mạ như trường hợp mạ đồng lên sắt thép :
Cu
2+
+ Fe Cu + Fe
2+

Phản ứng hoá học này cho lớp mạ Cu rất xấu, vừa xốp vừa dễ
bong. Nếu cho chất tạo phức vào để làm cho điện thế oxi hoá - khử
của đồng trở nên âm hơn của sắt thì khả năng nhiệt động xảy ra
phản ứng trên không còn nữa. Chất tạo phức thông dụng nhất trong
công nghệ mạ điện là các ion xianua, hydroxit và sunfamat. Chất
tạo phức cũng có vai trò làm hoà tan anôt vì chúng ngăn cản sự thụ
động anôt.
d/ Phô gia hữu cơ :

lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở đó
xuống. Vậy là các phụ gia này đã ưu tiên hấp phụ lên các
điểm lệch là chỗ có năng lượng tự do lớn hơn và lên các đỉnh
lồi là chỗ có tốc độ khuếch tán lớn các phô gia đến đó. Các
phụ gia hấp phụ này sẽ làm giảm tốc độ chuyển dịch điện tử.
Trong thực tế, nhiều phụ gia có cả tác dụng của chất bóng và
chất san bằng.
- Các chất biến đổi cấu trúc : Các phụ gia làm thay đổi ,cấu
trúc lớp mạ và thậm chí có thể ưu tiên định hướng tinh thể
nào đó. Một số chất được dùng để tạo ra các tích chất đặc biệt
cho lớp mạ, số khác dùng để điều chỉnh ứng suất trong lớp
mạ nên được gọi là chất giảm ứng suất.
- Các chất thấm ướt : Chất này được cho vào để thúc đẩy các
bọt khí, bọt hydro mau chóng tách khỏi bề mặt điện cực.
Thiếu chúng, bọt khí nhất là hydro sinh ra từ phản ứng phụ sẽ
gây rỗ và giòn hydro do chúng thấm vào kim loại.
3/ Mật độ dòng điện ( MĐDĐ) catôt:
Mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực
Lúc đang mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mạ.
Nếu mật độ dòng điện rất thấp, tốc độ chuyển đổi điện tử trong
các phản ứng điện cực sẽ nhỏ, các nguyen tử mới hình thành có đủ
thời gian gia nhập có trật tự vào mạng tinh thể, vì vậy mạng lưới
và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi.
Khi tăng mật độ dòng điện lên, tốc độ phóng điện tăng nhanh,
các nguyen tử kim loại sinh ra ở anốt, không kịp gia nhập các vị trí
cân bằng trong mạng tinh thể. Mặt khác do quá thể lúc đó lớn, nên
nhiều mầm tinh thể mới tiếp tục sinh ra. Do vậy mà quang tinh thể
trở nên mất trật tự và được thể hiện ra là lớp mạ có nhiều lớp,
nhiều gợn sóng, và nhiều khối đá tinh. Nếu tiếp tục tăng mật độ

Cách thứ nhất và thứ hai
không thể tăng bao nhiêu cũng được. Nồng độ không thể cao hơn
độ bão hoà được, ngoài ra khi dùng nồng độ cao thì mất mát khi
thao tác sẽ lớn, tốn nhiều vật tư hoá chất. Còn nhiệt độ chỉ nên đến
60 ÷ 70
0
C. Nếu lên cao quá sẽ ăn mòn mạnh thiết bị do bay hơi,
phân huỷ sẽ lớn, tốn nhiều điện năng và thời gian để đun nóng. Chỉ
có cách thứ ba (tăng chuyển động tương đối giữa catôt và dung
dịch mạ ) là tỏ ra tối ưu nhất. Ta có thể thực hiện bằng cách khuấy
để tăng chuyển động tương đối giữa catôt và dung dịch mạ, điều
này làm tăng tốc độ mạ, ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hydro dẽ
tách khỏi bề mặt điện cực, san bằng pH và nhiệt độ trong toàn khối
dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực.
Ta có thể thực hiện khuấy bằng cách :
- Chuyển động catôt : Cho catôt đu đưa theo chiều dọc và chiều
đứng hoặc quay catôt ; mạ trong thùng quay ; catôt là dây
băng cho chạy liên tục qua bể mạ .
- Chuyển động dung dịch : bằng cách sục khí nén vào bể, bơm
tuần hoàn dun dịch ra vào bể hay phun dung dịch vào khe hẹp
giữa anôt và catôt. Tuy nhiên khuấy phải luôn kèm theo lọc
dung dịch để loại hết cặn bẩn.
4/ Ảnh hưởng của nhiệt độ :
Tăng nhiệt độ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn ( vì
tăng được độ hoà tan các cấu tử ban đầu ) ; đồng thời còn làm tăng
độ dẫn điện của dung dịch ; giảm nguy cơ thụ động anôt. Ba yếu tố
đó đã làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho dùng mật độ
dòng điện cao hơn. Nhưng nhiệt độ cao lại làm giảm phân cực
catôt do giảm tác dụng của các chất hoạt động bề mặt, tăng độ
phân ion phức hay ion hydrat hoá ( làm giảm phân cực hoá học) và

c
, sau đó dòng điện đổi chiều và trong
thời gian t
a
vật mạ chịu phân cực anôt nên sẽ tan ra một phần. Tiếp
đó lại bắt đầu lại một chu kỳ mới. Thời gian mỗi chu kỳ T = t
a
+
t
c
nếu I
c
* t
c
> I
a
* t
a
thì vật vẫn được mạ. Khi lớp mạ bị hòa tan
bởi điện lượng I
a
* t
a
, thì chính những đỉnh nhọn, gai, khuyết tật
là những chỗ hoạt động anôt nhất nên tan mạnh nhất, kết quả là thu
được lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn. Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ
lệ t
c
: t
a