Trong quá trình sản xuất các dải đồng và hợp kim đồng, trên bề mặt sau khi dải được ủ và cán có nhiều loại chất bẩn hữu cơ và vô cơ. Nếu xử lý không đúng cách hoặc trong môi trường nhiệt độ cao, bề mặt dải đồng sẽ bị oxy hóa, đồng thời dầu cán còn sót lại cũng làm ô nhiễm bề mặt dải. Nếu các sản phẩm trung gian được bảo quản không đúng cách, chúng cũng có thể gây ra hiện tượng đổi màu bề mặt. Với việc ứng dụng rộng rãi các sản phẩm dải đồng trong ngành công nghiệp hiện đại, yêu cầu về chất lượng bề mặt ngày càng cao. Để thu được dải đồng chất lượng cao, việc tăng cường công tác vệ sinh bề mặt là rất quan trọng. Do đó, công nghệ và thiết bị vệ sinh bề mặt dải đồng thường được coi trọng.
1 Công nghệ làm sạch bề mặt dải đồng
1.1 Tẩy dầu mỡ
Mục đích của việc tẩy dầu mỡ là loại bỏ các chất bẩn hữu cơ trên bề mặt dải đồng, đặc biệt là dầu cán còn sót lại và dầu cơ khí lẫn vào đó. Việc tẩy dầu mỡ chủ yếu được thực hiện trước khi tẩy gỉ và đánh bóng bề mặt. Nếu quá trình tẩy dầu mỡ không hoàn chỉnh, các oxit trên bề mặt dải đồng sẽ không thể được làm sạch hoàn toàn bằng axit. Các phương pháp tẩy dầu mỡ bao gồm: tẩy dầu mỡ bằng dung môi, tẩy dầu mỡ bằng xút, tẩy dầu mỡ điện phân và tẩy dầu mỡ bằng sóng siêu âm.
1.1.1 Tẩy dầu mỡ bằng dung môi
Các dung môi tẩy dầu mỡ bao gồm các loại gốc dầu mỏ, chứa clo, chứa flo và chất hoạt động bề mặt. Hệ thống gốc dầu mỏ dễ gây cháy, hệ thống chứa clo có khả năng gây ung thư, còn hệ thống chứa flo thì gây hại cho tầng ozone, vì vậy chúng ít được sử dụng. Gần đây, nhiều chất hoạt động bề mặt đã được phát triển. Chất hoạt động bề mặt đưa các nhóm ưa dầu vào phân tử và nhũ hóa dầu trong nước để đạt được hiệu quả tẩy dầu mỡ.
1.1.2 Tẩy dầu mỡ bằng xút
Chất béo và dầu động thực vật bị phân hủy bằng kiềm và thủy phân để tạo ra axit béo natri chất lượng cao (xà phòng) và glycerin. Phản ứng xà phòng hóa này giúp tẩy dầu mỡ, và xà phòng tạo thành hoạt động như chất hoạt động bề mặt anion hỗ trợ quá trình tẩy dầu mỡ. Tuy nhiên, dầu cán là dầu khoáng, chủ yếu là hydrocacbon aliphatic từ dầu mỏ, và không trải qua phản ứng xà phòng hóa. Vì vậy, cần bổ sung chất hoạt động bề mặt trong quá trình tẩy dầu mỡ bằng dung dịch kiềm.
1.1.3 Tẩy dầu mỡ điện phân
Tẩy dầu bằng điện phân là một phương pháp rất hiệu quả. Thông thường, quá trình này được thực hiện trong dung dịch tẩy dầu kiềm. Nước bị điện phân: điện phân catot (dùng băng đồng làm catot) tạo ra khí hydro, còn điện phân anot tạo ra khí oxy. Các bọt khí sinh ra có thể bóc tách các chất bẩn trên bề mặt. Lượng hydro sinh ra từ điện phân catot gấp đôi lượng oxy, và tác dụng khử của hydro cũng giúp hoạt hóa bề mặt. Do đó, việc tẩy dầu bằng điện phân đối với dải đồng thường áp dụng phương pháp điện phân catot, nhưng cần chú ý đến sự kết tủa của các tạp chất kim loại trong dung dịch tẩy dầu và hiện tượng tẩy dầu quá mức. Việc thêm xyanua giúp ngăn chặn sự kết tủa của các tạp chất kim loại, nhưng lại gây ô nhiễm nên phải được sử dụng một cách nghiêm ngặt. Điện phân anot, do quá trình oxy hóa của oxy, có thể loại bỏ lớp chất bảo quản trên bề mặt dải đồng mà điện phân catot không thể loại bỏ, nhưng dễ dẫn đến tình trạng tẩy dầu quá mức.
I. 1.4 Tẩy dầu mỡ bằng sóng siêu âm
Máy tẩy dầu bằng sóng siêu âm bao gồm một bộ tạo tín hiệu siêu âm và một bể tẩy dầu. Bộ tạo tín hiệu siêu âm phát ra tín hiệu dao động tần số cao (sóng sin), qua đầu dò sẽ tạo ra hàng chục nghìn dao động cơ học tần số cao mỗi giây, hình thành sóng siêu âm trong dung dịch tẩy dầu, luân phiên giữa áp suất dương và áp suất âm ở tần số cao. Sóng siêu âm lan truyền theo hướng tới (với các chức năng bức xạ trực tiếp, phản xạ và khúc xạ) trong môi trường đặc kín, liên tục gây ra việc hình thành vô số bong bóng nhỏ li ti trong dung dịch tẩy dầu và chúng liên tục vỡ tung. Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng cavitation”. Khi bong bóng vỡ, tức thời tạo ra áp suất cao trên 1.000 atm, gây ra hàng loạt vụ nổ, giải phóng năng lượng cực lớn và tạo tác động mạnh lên bề mặt dải đồng, khiến dầu nhanh chóng bị bóc tách khỏi bề mặt dải, đạt được mục đích tẩy dầu và làm sạch. Sử dụng phương pháp tẩy dầu bằng dung môi siêu âm, nếu bề mặt dải đồng bị oxy hóa nhẹ thì không cần phải tẩy axit. Chất thụ động hóa được thêm vào chất tẩy rửa để vừa làm sạch vừa hoàn tất quá trình thụ động hóa, giúp đơn giản hóa đáng kể quy trình và thiết bị tẩy dầu.
1.2 Tẩy gỉ
So với việc làm sạch bề mặt bằng phương pháp cơ học, có hai loại làm sạch hóa học bề mặt dải đồng: tẩy và nhúng. Phương pháp loại bỏ lớp oxit dày trên bề mặt và ngâm dải đồng trong dung dịch axit trong thời gian dài được gọi là tẩy; còn phương pháp loại bỏ lớp oxit và ngâm dải đồng trong dung dịch axit trong thời gian ngắn được gọi là nhúng. Theo truyền thống, hai phương pháp này được gọi chung là tẩy. Dung dịch tẩy dải đồng thường sử dụng dung dịch axit sunfuric, và nồng độ phụ thuộc vào mức độ oxy hóa của bề mặt dải đồng. Trong sản xuất dải đồng hiện đại, tình trạng oxy hóa bề mặt tương đối nhẹ, nên phần lớn quá trình tẩy sử dụng dung dịch axit sunfuric có nồng độ từ 5% đến 15%. Nhiệt độ ở điều kiện phòng, một số trường hợp được gia nhiệt lên 60°C. Thời gian tẩy kiểu xuyên qua dao động từ 10 đến 60 giây. Các thông số cụ thể của quy trình tẩy cần được điều chỉnh tùy theo từng loại dải đồng và tình trạng bề mặt. Nồng độ dung dịch axit cho đồng thau tương đối thấp, còn cho đồng đỏ và đồng thanh thì cao hơn. Để tăng cường hiệu quả tẩy hợp kim đồng-niken, người ta trộn các chất oxy hóa như axit nitric và hydrogen peroxide vào dung dịch axit sunfuric. Tuy nhiên, do axit nitric dễ bay hơi NO₂, nên không nên lạm dụng. Axit clohydric sẽ tạo ra môi trường ăn mòn chứa clorua, làm tăng tốc độ đổi màu của dải đồng và gây ăn mòn thiết bị, vì vậy cần tránh sử dụng. Nhìn chung, việc kết hợp giữa tẩy và mài có thể mang lại hiệu quả tốt.
1.3 Mài và làm sạch
Các phương pháp mài bao gồm đánh bóng, chải bằng con lăn và mài bằng con lăn, v.v., để làm sạch bề mặt cơ học. Thêm các chất mài mòn như cacbua silic, nhôm oxit, v.v. vào bánh xe đánh bóng làm bằng vải, vải lanh, nhựa, v.v., hoặc sử dụng bàn chải dây nylon (polyamide) phủ nhôm oxit. Chải cơ học để làm sạch bề mặt của dải đồng. Để nâng cao chất lượng đánh bóng và mài bề mặt dải đồng, việc tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, đánh bóng và mài thường được kết hợp thành một dây chuyền sản xuất. Khi đánh bóng và mài, đối với các loại dải đồng khác nhau, độ dày dải và điều kiện bề mặt khác nhau, cần lựa chọn các loại con lăn chải đánh bóng và mài cũng như đường kính sợi nylon (polyamide), kích thước hạt, hoặc mật độ mắt lưới và độ cứng của con lăn chải phù hợp. Đối với bàn chải dây đánh bóng phủ nhôm oxit, thường sử dụng bàn chải đánh bóng có đường kính sợi 0,25–0,3 mm và kích thước hạt 500–600 mesh. Đối với con lăn chải mài làm bằng vải không dệt, kích thước hạt là 1500–2000 mesh, độ cứng 40 (mềm) hoặc 60 (trung bình). Đối với các sản phẩm có yêu cầu cao hơn về bề mặt dải đồng, thậm chí có thể sử dụng con lăn chải mài với kích thước hạt 250.000–3.000 mesh. Mật độ mắt lưới càng cao thì tuổi thọ của bàn chải càng ngắn. Khi sử dụng, điều chỉnh áp lực tiếp xúc giữa bàn chải đánh bóng và bề mặt dải đồng, hoặc mức độ mài của con lăn chải mài, cũng như tốc độ quay thích hợp của con lăn chải tùy theo tình trạng bề mặt dải đồng. Đối với dải đồng thiếc-phốt pho cán thô và đã ủ, để loại bỏ các khuyết tật bề mặt do đúc và cán gây ra và cải thiện chất lượng bề mặt dải, thường sử dụng các bánh xe mài đàn hồi có số mesh thấp hơn (220 mesh). Thực hiện đánh bóng bề mặt đơn giản cho dải dày. Wanfang Data Số 2 Gong Shoupeng: Công nghệ và thiết bị làm sạch bề mặt dải đồng 71 Mặc dù quy trình này làm tăng tổn thất kim loại trên bề mặt dải, nhưng sẽ đóng vai trò đáng kể trong việc cải thiện chất lượng bề mặt dải đồng. Phương pháp này cũng hiệu quả trong việc loại bỏ và cải thiện bề mặt dải đồng thau được sản xuất bằng phương pháp đúc liên tục ngang do quá trình nấu chảy và đúc, cũng như vận hành không đúng cách.
1.4 Xử lý thụ động bề mặt (chống gỉ)
Vì bản thân kim loại đồng là chất kiềm theo định nghĩa của Lewis, nên nó dễ dàng mất electron và bị oxy hóa, đặc biệt là hợp kim đồng có chênh lệch điện thế âm, rất dễ bị oxy hóa trong môi trường ẩm nóng và gây ra hiện tượng đổi màu. Do đó, việc ngăn ngừa sự đổi màu sau khi làm sạch cũng là một phần quan trọng trong quá trình xử lý bề mặt của các dải đồng. Các phương pháp xử lý chống xỉn màu truyền thống bao gồm thụ động hóa bằng cromat và thụ động hóa bằng benzotriazole (BTA). Cromat có tính oxy hóa mạnh và có thể tạo thành một lớp thụ động không hoạt động trên bề mặt đồng, từ đó đóng vai trò bảo vệ và mang lại hiệu quả thụ động hóa tốt. Tuy nhiên, do những hạn chế về môi trường, phương pháp xử lý này không còn được sử dụng trên quy mô lớn. Benzotriazole và các dẫn xuất của nó có hiệu quả cao trong việc ức chế sự ăn mòn của đồng, và hiện nay đây là chất thụ động hóa được sử dụng rộng rãi nhất. Cơ chế thụ động hóa của BTA (C₆H₅N₃) là nguyên tử H trong nhóm NH của vòng benzen trong phân tử BTA liên tục phối hợp và kết hợp với đồng hóa trị I, tạo thành một lớp màng hợp chất dạng polyme, có độ bền liên kết cao với bề mặt dải đồng. Theo các tài liệu, độ dày của lớp màng có thể đạt tới 5×10⁻⁶ mm, có tính ổn định nhiệt ở 300°C, điểm nóng chảy thấp hơn 100°C, và duy trì hiệu quả ổn định trong khoảng pH 3-12. Khi sử dụng, nồng độ dung dịch nước là 0,5%-1% (theo khối lượng), và nhiệt độ từ 60-80°C. Do độ hòa tan của BTA trong nước có hạn, tốt nhất nên hòa tan nó với một lượng cồn nhất định khi pha chế, rồi đổ vào nước mềm. Trong những năm gần đây, tại Trung Quốc đã phát triển một loại chất thụ động hóa hợp kim đồng mới CC-2002, dựa trên BTA kết hợp với nhiều phụ gia hữu cơ khác nhau. Quy trình pha chế, sử dụng và bảo dưỡng dung dịch rất đơn giản. Hiệu quả chống xỉn màu được cải thiện rõ rệt so với BTA truyền thống, đồng thời không chứa ion kim loại nặng hay các hóa chất độc hại cho môi trường, và có độ pH gần trung tính, không gây ăn mòn thiết bị, không gây kích ứng da, là một loại chất thụ động hóa mới đáng được phổ biến và áp dụng.
2 Thiết bị làm sạch bề mặt dải đồng
Đơn vị làm sạch dải đồng là một thiết bị đặc biệt được phát triển trong 20 năm qua, và đã liên tục được cải tiến, hoàn thiện trong quá trình sử dụng thực tế. Thông thường, đơn vị làm sạch dải đồng bao gồm các cụm chức năng khác nhau. Các cụm chức năng này bao gồm cụm tẩy dầu và rửa, cụm tẩy axit và rửa, cụm đánh bóng và rửa, và cụm thụ động hóa và sấy khô. Các cụm chức năng khác nhau có thể tạo thành dây chuyền xử lý bề mặt dải đồng cho các mục đích khác nhau, chẳng hạn như: dây chuyền tẩy dầu bề mặt; dây chuyền tẩy dầu và tẩy axit bề mặt; dây chuyền tẩy dầu, tẩy axit, đánh bóng, mài và thụ động hóa bề mặt. Ngoài ra, do dây chuyền làm sạch của tổ hợp nhiều chức năng thường dài, chiếm diện tích lớn và gây bất tiện cho thao tác tại bàn điều khiển phía trước, nên gần đây, ngoài kiểu bố trí một tầng, người ta còn phát triển kiểu bố trí dây chuyền làm sạch dải đồng hai tầng. Bố trí một tầng của dây chuyền làm sạch dải đồng được thể hiện trong Hình 1, còn bố trí hai tầng của dây chuyền làm sạch dải đồng được thể hiện trong Hình 2.
2.1 Khâu nối băng đồng
Dùng máy ghép dải bằng thủy lực để nối đầu và đuôi của hai cuộn băng đồng, thiết bị này được trang bị hai khuôn trên và dưới, hệ thống thủy lực cùng các tấm dẫn hướng trước và sau. Sử dụng khuôn trên và dưới có dạng lõm-convex để đột các mối nối và chèn dây đồng nhằm kết nối hai dải. Mỗi khi phần đã được ghép của dải băng đi qua con lăn kẹp, con lăn ép hoặc con lăn chổi, các con lăn này sẽ tự động nâng lên để tránh hư hỏng. Sau khi phần đã được ghép đi qua, con lăn sẽ tự động được hạ xuống. Gần đây, phương pháp hàn điểm bằng khí argon để nối dải đã bắt đầu được sử dụng trong các máy làm sạch nhờ thao tác đơn giản.
2.2 Đơn vị tẩy dầu mỡ và rửa
Thiết bị thường bao gồm một buồng tẩy dầu mỡ dạng băng, một buồng rửa bằng nước lạnh, một số cặp con lăn ép kín, một bể chứa chất tẩy dầu mỡ, một hệ thống tuần hoàn và một thiết bị gia nhiệt. Trong những năm gần đây, để tăng cường hiệu quả tẩy dầu mỡ, người ta đã thêm công đoạn tẩy dầu mỡ sơ bộ bằng phun trước buồng tẩy dầu mỡ. Buồng tẩy dầu mỡ được trang bị một con lăn chổi dây nylon (Belon) không có chất mài mòn và một con lăn áp lực ngược. Dòng điện của động cơ con lăn chổi có thể điều chỉnh để thay đổi áp lực của chổi lên băng thép. Thiết bị tẩy dầu mỡ của Hyundai còn được trang bị các thiết bị lọc chất tẩy dầu mỡ và tách dầu-nước tự động. Việc tách dầu-nước của chất tẩy dầu mỡ không tốt sẽ làm giảm hiệu quả tẩy dầu mỡ.
2.3 Tẩy gỉ và rửa nước
Cấu trúc bể tẩy rửa băng kim loại có hai loại: loại đơn tầng thông thường và loại hai tầng trên dưới. Tẩy rửa băng đồng hiện đại sử dụng cấu trúc bể tẩy tuần hoàn hai tầng trên dưới kiểu nâng hạ. Lớp dưới chứa axit, còn băng kim loại đi qua lớp trên. Nếu cần tẩy rửa, khởi động bơm tuần hoàn axit để đưa axit từ lớp dưới lên lớp trên, làm cho băng kim loại ngập hoàn toàn trong axit. Vì dung dịch axit tiếp xúc với băng kim loại ở trạng thái chảy liên tục nên hiệu quả tẩy rửa tốt hơn. Nếu không cần tẩy rửa, chỉ cần tắt bơm axit, axit ở lớp trên sẽ chảy trở lại lớp dưới, và băng kim loại sẽ đi qua trực tiếp. Sau khi tẩy rửa, bề mặt băng đồng vẫn còn dính dung dịch axit. Thông thường, tại cửa ra của bể axit bố trí hai cặp con lăn ép; sau khi ép, băng kim loại sẽ đi vào buồng rửa bằng nước lạnh được tạo thành từ các ống và vòi phun.
2.4 Đánh bóng, mài và chà sát
Đánh bóng, mài và chải là những công đoạn rất quan trọng trong quá trình làm sạch bề mặt của dải đồng. Quá trình này thường được thực hiện trong một hộp chà có trang bị bàn chải đánh bóng hoặc bàn chải mài, quay với tốc độ cao, đồng thời phun một lượng lớn nước để rửa trôi. Có nhiều loại con lăn bàn chải; đối với việc chải thông thường, có thể sử dụng các bàn chải lăn bằng sợi nylon thông dụng; còn để đánh bóng và mài bề mặt dải, người ta thường dùng các bàn chải lăn xếp xoắn ốc với nhôm oxit hoặc silicon carbide (Anderlon), hoặc các loại vải không dệt nhân tạo có độ bền cao làm từ sợi mài. Đối với các dải đồng có chiều rộng từ 400 mm trở xuống, các con lăn bàn chải đánh bóng và mài có thể sử dụng cấu trúc kiểu cantilever. Còn đối với các dải có chiều rộng lớn hơn 400 mm, phần lớn các cấu trúc đều được đỡ ở cả hai đầu của con lăn bàn chải. Độ chính xác chế tạo thiết bị, độ cân bằng động của con lăn bàn chải và điều kiện lắp đặt sẽ ảnh hưởng đến chất lượng đánh bóng và mài bề mặt dải, thậm chí khiến dải không thể sử dụng được do để lại các vết bàn chải rõ rệt. Tốc độ quay của con lăn bàn chải có thể lên tới 750–1200 vòng/phút. Ngoài ra, cũng có thể tăng số lượng các con lăn bàn chải mài và bố trí các loại hoặc kích cỡ hạt mài khác nhau trước và sau để làm sạch bề mặt dải đồng, qua đó nâng cao độ sạch bề mặt.
2.5 Sử dụng nước xả nhiều cấp
Một dây chuyền sản xuất làm sạch dải đồng có các chức năng tẩy dầu, tẩy gỉ, đánh bóng, mài và thụ động hóa; mỗi đơn vị chức năng cần được trang bị hệ thống rửa bằng nước lạnh. Nếu nước xả của từng đơn vị được cấp và thoát riêng biệt, lượng nước tiêu thụ sẽ rất lớn. Do đó, một thiết bị xả nước đa cấp gọi là “cấp ngược” đã được giới thiệu. Thiết bị này chia bể chứa nước xả thành nhiều bể nước riêng biệt. Nước xả sau khi đánh bóng sẽ quay trở lại bể nước số 1. Nước từ bể nước số 1 được sử dụng làm nước rửa sau khi tẩy gỉ dải. Nước rửa sau đó quay trở lại bể nước số 2, dùng để rửa sau khi tẩy dầu và xả nước thải trở lại. Vì nước xả trong quá trình đánh bóng chứa nhiều bột đồng và các hạt khác, nên phải trang bị thêm một bộ lọc băng tải riêng, và nước có thể được tái chế sau khi lọc.
2.6 Thụ động hóa và sấy khô
Chất thụ động hóa tái chế có thể được phun hoặc ngâm để phản ứng với băng đồng đang đi qua, tạo thành một lớp màng thụ động trên bề mặt nhằm đạt hiệu quả chống gỉ. Nhiệt độ của không khí nóng trong phòng sấy khoảng 80°C, và thường sử dụng quạt tuần hoàn khí nóng cùng quạt hút ẩm để làm nóng. Để đảm bảo bề mặt dải đồng được làm khô sau khi đi qua buồng sấy, trước tiên phải loại bỏ độ ẩm bề mặt của dải đồng khi vào buồng sấy. Vì lý do này, hai cặp con lăn ép bằng cao su thường được trang bị “dao gió” để thổi bay lượng hơi nước còn sót lại. Gần đây, các con lăn thiên niên kỷ 3M (Mill Roll) đã được sử dụng thay thế cho con lăn ép bằng cao su. Con lăn thiên niên kỷ là một loại con lăn có cấu trúc đĩa sợi không dệt xốp, cường độ cao, mang lại hiệu quả ép tốt hơn. Cần đặc biệt lưu ý khi sử dụng con lăn thiên niên kỷ để tránh các góc quá sắc và các cạnh bị nứt của băng đồng gây hư hỏng cho nó.
3 Kết luận
Thiết bị làm sạch dải đồng bao gồm các đơn vị chức năng khác nhau không chỉ đáp ứng được yêu cầu làm sạch bề mặt của dải đồng thành phẩm, mà còn có thể được sử dụng để làm sạch bề mặt của dải đồng trong quá trình trung gian, thậm chí còn dùng để mài và loại bỏ các khuyết tật bề mặt của phôi cán thô. Với việc các khách hàng ngày càng nâng cao yêu cầu về chất lượng bề mặt của dải đồng, sự phát triển của công nghệ và thiết bị xử lý bề mặt dải đồng ngày càng thu hút sự chú ý của các nhà máy sản xuất đồng và các nhà sản xuất thiết bị, đồng thời trở thành một phần quan trọng trong công nghệ và thiết bị sản xuất dải đồng, qua đó ngày càng thể hiện rõ tầm quan trọng của nó.
