Ứng dụng mạ thiếc trong công nghiệp

 

Ứng dụng mạ thiếc trong công nghiệp

Mạ thiếc được ứng dụng rộng rãi cho nhiều sản phẩm thuộc các ngành công nghiệp sản xuất khác nhau:

- Thiết bị và bao bì sản xuất thực phẩm: Vì thiếc là kim loại không độc hại và hiện không có giới hạn nào được đặt ra khi tiếp xúc với kim loại thiếc, thêm vào đó là khả năng chống ăn mòn và đặc tính dễ uốn cong nên chúng được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các loại bao bì, thiết bị vận chuyển và sản xuất thực phẩm.

Thiếc là kim loại được FDA cho phép sử dụng trong ngành thực phẩm
(Nguồn: www.crowncork.com)

Với độ dẻo rất cao và dễ uốn, lớp mạ thiếc được sử dụng cho các mặt hàng phải uốn sau khi mạ và cho các bộ phận tiếp xúc như đầu uốn để lấp đầy khoảng trống khi uốn. Các tấm kim loại nền đã mạ thiếc sẽ được tạo thành nhiều hình dạng khác nhau mà không làm hỏng lớp thiếc. Tuy nhiên, khi thiếc được dùng để bảo vệ thép, lớp thiếc phải tuyệt đối không có lỗ rỗng, các vết trầy xước hoặc các điểm không liên tục để đảm bảo thép không bị gỉ. Các thiết bị chế biến thực phẩm và thùng chứa vận chuyển thực phẩm được mạ thiếc cần phải đảm bảo độ dày tối thiểu 30 µm.

- Ngành công nghiệp điện tử:  Ngoài khả năng chống oxy hóa, thiếc có một đặc tính nổi bật đó là khả năng hàn cực kỳ tốt, nên chúng được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận điện và điện tử trong ngành công nghiệp điện tử.

Mạ thiếc trên thanh đồng để chống oxy hóa và cải thiện khả năng hàn
(Nguồn: stormpowercomponents.com)

- Động cơ ô tô: Lớp mạ thiếc có hệ số ma sát thấp, thiếc mềm và tự bôi trơn. Bằng cách áp dụng lớp mạ thiếc mềm trên vật liệu cứng, nó có tác dụng giảm lực ma sát và cải thiện hiệu suất trượt của bộ phận trượt. Do đó, thiếc cũng được sử dụng cho các bộ phận piston của động cơ ô tô. Thông thường, lớp mạ này phải đạt độ dày từ 50 – 250 µm.

Mạ thiếc cải thiện được đặc tính ngắt của piston
(Nguồn: global.yamaha-motor.com)

Công nghệ mạ thiếc

Thiếc có thể mạ trên hầu hết các kim loại nền, trên các chi tiết bằng thép, đồng và hợp kim đồng, nhôm và hợp kim nhôm. Riêng với nền bằng nhôm và hợp kim đồng thì cần phải mạ một lớp kim loại khác để ngăn ngừa sự khuếch tán giữa thiếc và chất nền.

Quá trình mạ thiếc thực hiện được theo cả 3 phương pháp: mạ nhúng nóng, mạ điện và mạ hóa học. Trong đó, mạ điện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất.

Có hai kiểu lớp mạ: Bóng và mờ. Cả hai loại này đều có thể thu được từ dung dịch mạ tính kiềm và dung dịch mạ tính axit. Mỗi loại có những đặc điểm riêng:

Thiếc bóng:

- Tính thẩm mỹ cao

- Khả năng bôi trơn tốt

- Khả năng chống ăn mòn

- Tăng cường tính dẫn điện cho vật liệu nền

Thiếc mờ:

- Tính hàn tốt

- Tăng cường tính dẫn điện cho vật liệu nền

- Không phản quang

Theo đó, các ứng dụng có yêu cầu quan trọng về tính thẩm mỹ, độ bôi trơn thì mạ thiếc bóng thường được ưu tiên chọn lựa hơn. Tuy nhiên, phụ gia hữu cơ dùng trong dung dịch mạ sẽ tạo được cấu trúc hạt chặt chẽ hơn, làm bóng sáng cho lớp mạ thiếc, điều này có thể cản trở khả năng hàn hoặc liên kết epoxy.

Riêng các ứng dụng có yêu cầu chính về việc kết nối thì nên chọn lớp mạ thiếc mờ. Thiếc mờ chứa hàm lượng cacbon rất thấp nên có khả năng hàn tốt hơn nhiều so với thiếc bóng. Tuy nhiên, vì liên kết hàn không xảy ra tại lớp mạ thiếc mà với lớp nền, nên để đảm bảo khả năng hàn tốt nhất có thể thì cần mạ thiếc trên lớp mạ lót là niken mờ.

 

Phân loại	Độ dày tối thiểu	Ứng dụng
A	2.5 µm	Tiếp xúc điện (Không được hàn)
B	5.0 µm	Cho các ứng dụng nhẹ, tạo điều kiện cho quá trình hàn
C	8.0 µm 10 µm với nền thép	Phần cứng điện tử, khung
D	15 µm 20 µm với nền thép	Đầu nối điện trong các điều kiện khắc nghiệt, phụ kiện ô tô
E	30 µm	Điều kiện vận hành rất khắc nghiệt, nhiệt độ cao, môi trường hoặc khí có tính ăn mòn

Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn ASTM B-545 cho lớp mạ thiếc
 

Quy trình mạ thiếc theo phương pháp điện phân

Mạ thiếc theo phương pháp điện phân được lựa chọn theo 4 quy trình tương ứng với dung dịch mạ chứa các thành phần sau: stannat kiềm, sulfat axit, floborat axit và sulfonat axit.

- Dung dịch mạ stannat kiềm chứa các thành phần chính là kali stannat (potassium stannate – K₂SnO₃) hoặc natri stannat (sodium stannate – Na₂SnO₃) kết hợp với kali hydroxit (KOH) hoặc natri hydroxit (NaOH).

Trong tất cả các quy trình mạ thiếc bằng phương pháp điện phân, dung dịch kiềm tạo lớp mạ thiếc có khả năng phân bố và chui sâu tốt nhất. Quy trình này không cần bổ sung phụ gia hữu cơ nhưng cần vận hành ở nhiệt độ cao (70 – 90 ^oC). Điều quan trọng đó là cần kiểm soát nghiêm ngặt cực dương thiếc để tránh việc tạo lớp mạ bị xốp và thô. Thông thường, lớp mạ thiếc sẽ hoàn hảo khi cực dương thiếc có màu vàng lục trong quá trình mạ.

- Dung dịch mạ sulfat axit bao gồm thiếc sunfat (SnSO₄) và axit sunfuric (H₂SO₄). Khác với quy trình mạ stannat kiềm, dung dịch sulfat tính axit không yêu cầu kiểm soát kỹ cực dương nhưng cần bổ sung phụ gia hữu cơ để tạo được lớp mạ thiếc mờ hoặc bóng. Lớp mạ bóng có ưu điểm hơn về khả năng chống ăn mòn, giảm độ xốp, khả năng chống dấu vân tay, khả năng hàn và tính thẩm mỹ. Quy trình này được vận hành ở nhiệt độ 20 – 30 ^oC, tuy nhiên khả năng phân bố, độ chui sâu của lớp mạ kém hơn so với quy trình mạ thiếc stannat kiềm.

- Dung dịch mạ thiếc floborat tính axit bao gồm thiếc floborat (B₂F₈Sn) và axit floboric (BF₃.FH). Quy trình này áp dụng để tạo lớp mạ thiếc mờ với ưu điểm chính là có thể vận hành ở mật độ dòng catot cao hơn nhiều so với mạ thiếc sunfat.

- Dung dịch mạ thiếc dựa trên axit metan sulfonic đã được áp dụng với ưu điểm về tốc độ mạ cao, việc xử lý chất thải đơn giản, không chứa florua hoặc boron và ít ăn mòn hơn so với chất điện phân dựa trên axit floboric. 

Trong 4 loại dung dịch mạ thiếc trên, các dung dịch mạ thiếc có tính axit đều tạo lớp mạ thiếc kim loại từ ion thiếc hóa trị 2 (+2), khác so với dung dịch mạ stannat kiềm (pha từ sodium stannate) là ion thiếc hóa trị 4 (+4). Do đó, các quy trình mạ thiếc tính axit có tốc độ mạ nhanh gấp đôi so với quy trình stannat kiềm và đặc biệt là mạ ở điều kiện nhiệt độ thường.

 

Tài liêu tham khảo:

Michael Carano, Tin Plating, Plating and Surface Finishing, 1998.

ASTM B545-13, Standard Specification for Electrodeposited Coatings of Tin, 2021