Ảnh hưởng của thông số quá trình tới độ cứng tế vicủa lớp mạ Composite

Phan Quang Thế và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 3 - 7 3 ẢNH HƢỞNG CỦA THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH TỚI ĐỘ CỨNG TẾ VICỦA LỚP MẠ COMPOSITE Phan Quang Thế*, Nguyễn Đăng Bình, Trần Minh Đức, Lý Việt Anh Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Một trong những biện pháp để tăng khả năng chống mòn của lớp mạ composite trên nền Ni là thay đổi thông số quá trình để tăng độ cứng tế vi của lớp mạ. Kết quả nghiên cứu mạ composite Al2O3 và TiO2 trên nền Ni chỉ ra rằng độ cứng tế vi của lớp mạ composite phụ thuộc đáng kể vào tốc độ khuấy, mật độ dòng điện và nhiệt độ của dung dịch điện phân. Thay đổi các thông số này trong quá trình mạ có thể tạo đƣợc lớp mạ composite có độ cứng tế vi gấp hơn 2 lần so với lớp độ cứng tế vi của lớp mạ Ni thông thƣờng. Từ khóa: Mạ composite; Ni-Al2O3; Thông số mạ composite; Vận tốc khuấy; Độ cứng tế vi MỞ ĐẦU  Mạ composite nhằm tạo ra lớp mạ trên nền kim loại, hợp kim, chất dẻo. Lớp mạ composite trên nền Ni có cơ tính đặc biệt nhằm tăng khả năng làm việc của chi tiết máy trong điều kiện mòn và ăn mòn. Nguyên lý và cơ chế mạ composite đƣợc nêu rõ trong các tài liệu tham khảo [1]. Các thông số quá trình mạ composite nhƣ mật độ dòng điện, chế độ xung, tốc độ khuấy, nhiệt độ dung dịch điện phân, độ pH có ảnh hƣởng trực tiếp đến cấu trúc và cơ tính của lớp mạ composite [2]. Mật độ dòng điện đƣợc xác định theo công thức sau: CE = 100.WAct/WTheo - CE là mật độ dòng điện - WAct là khối lƣợng thực của lớp mạ - WTheo là khối lƣợng mạ lý tƣởng tính theo định luật Faraday Mật độ dòng điện có thể là một thông số đƣợc khảo sát rộng nhất. Mật độ dòng điện có ảnh hƣởng rất ít hoặc gần nhƣ không có ảnh hƣởng đến số các hạt bám vào lớp mạ. Đối với hệ Ni-TiO2 ở tốc độ khuấy cao thì điểm cực đại của thành phần các hạt bám vào lớp mạ sẽ dịch chuyển về phía mật độ dòng điện cao. Tƣơng tự với hệ Cr-Al2O3 thì khi mật độ các hạt trung tính trong bể mạ tăng lên thì một điểm cực tiểu đƣợc tạo nên về phía mật độ dòng điện thấp [2].  Tel: 0912064824; Email: phanqthe@tnut.edu.vn Ngoài việc vận chuyển các hạt, việc khuấy cũng có tác dụng giữ các hạt lơ lửng và ổn định sự lơ lửng của các hạt này. Cả việc khuấy dung dịch điện phân và trộn hạt cứng với dung dịch điện phân đều có tác dụng làm tan các cục do các hạt trung tính vón lại. Để tạo nên sự đồng đều cho lớp mạ, dung dịch huyền phù cần chứa những hạt mịn phân tán [3,4]. Ảnh hƣởng của nhiệt độ dƣờng nhƣ khác nhau đối với các hệ mạ composite. Với hệ Ni- Al2O3, ảnh hƣởng của nhiệt độ tới phần trăm các hạt tham gia vào lớp mạ là không đáng kể. Tuy nhiên, thành phần graphite trong lớp mạ Cr tăng lên cùng nhiệt độ tới 50C. Trong khi đó Cr- Al2O3 thì ngƣợc lại hoàn toàn nghĩa là các hạt cứng tham gia vào lớp mạ giảm khi tăng nhiệt độ tới 50C. Trong cả hai trƣờng hợp tác dụng của nhiệt độ khi tăng trên 50C có thể bỏ qua. Đối với hệ Ni-V2O5 thành phần hạt cứng tham gia vào lớp mạ là lớn nhất ở 50C. Phần trăm khối lƣợng các hạt cứng tham gia vào lớp mạ Cu giảm liên tục khi tăng nhiệt độ [3,5]. Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy, mật độ dòng điện, nhiệt độ mạ đến độ cứng tế vi của lớp mạ composite Al2O3 và TiO2 trên nền Ni trong điều kiện phòng thí nghiệm tại trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đƣợc trình bày dƣới đây. THÍ NGHIỆM Thiết bị thí nghiệm Thiết bị mạ composite trên nền Ni do nhóm nghiên cứu tự thiết kế và chế tạo bao gồm bể chứa dung dịch điện phân dung tích 60 lít, hệ Phan Quang Thế và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 3 - 7 4 thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện có thể nâng và ổn định nhiệt độ của dung dịch tới 80C, hệ thống điều khiển tự động cung cấp dòng một chiều xung hoặc liên tục cho bể mạ, hệ thống khuấy cơ học có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ khuấy từ 10 v/p đến 350 v/p. Hóa chất Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni liệt kê trong bảng 1. Sodium dodecyl sulfate đƣợc sử dụng là chất phụ gia để tăng hoạt tính bề mặt của các hạt trung tính. Hạt trung tính sử dụng trong thí nghiệm là Al2O3 với cỡ hạt  1 m, TiO2 với cỡ hạt  300 nm và có chung hàm lƣợng là 50g/l. Chế độ và quá trình chuẩn bị Quá trình mạ đƣợc thực hiện với độ pH của dung dịch trong khoảng từ 4  4,5 (độ pH đƣợc điều chỉnh bằng cách cho thêm NH3 hoặc axit HCl loãng); tần số xung sử dụng trong thí nghiệm là 200 Hz; tỷ lệ xung thuận/ nghịch là 80%. a. Chế độ mạ Ni-Al2O3 - Thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 312 v/p Nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2. - Thay đổi mật độ dòng điện: 3A/dm2, 5A/dm 2 , 7A/dm 2 Nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p. - Thay đổi nhiệt độ mạ: 35C, 40C, 45C, 50C Mật độ dòng điện 5A/dm2, tốc độ khuấy 210 v/p. b. Chế độ mạ Ni-TiO2 - Thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p Nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2. - Thay đổi mật độ dòng điện: 3A/dm2, 5A/dm 2 , 7A/dm 2 Nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p. - Thay đổi nhiệt độ mạ: 35C, 40C, 45C Tốc độ khuấy 210 v/p, mật độ dòng điện 5A/dm 2 . Trƣớc khi mạ dung dịch huyền phù đƣợc khuấy bằng máy khuấy siêu âm SW3H của Thụy sỹ trong 30 phút, sau đó khuấy cơ học trong bể mạ trong 6 giờ. Mẫu mạ composite là thép 09CrSi, tôi đạt độ cứng HRC = 58-60, dạng hình trụ kích thƣớc d = 26 mm, h = 10 mm đƣợc đánh bóng, sau đó làm sạch, rửa trong bể hỗn hợp axít loãng ở nhiệt độ môi trƣờng trƣớc khi mạ. Trong quá trình mạ, dung dịch huyền phù đƣợc khuấy cơ học với tốc độ nêu trên trong thời gian 1,5 giờ. Sau khi mạ, mẫu đƣợc rửa trong nƣớc chảy, sau đó đƣợc rửa siêu âm trong nƣớc cất khoảng 10 phút. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Chiều dày lớp mạ trên chi tiết đo trên kính hiển vi quang học đạt đƣợc từ 50m  70 m. Mẫu đƣợc mài trên giấy nháp cỡ 800, 1000, 1200 sau đó đánh bóng trên máy đánh bóng kim loại học của Đài Loan bằng bột kim cƣơng 1 m sau đó tẩm thực trong dung dịch Nital 2% trong thời gian 1 phút. Độ cứng tế vi của lớp mạ đƣợc đo trên máy đo độ cứng tế vi Future fm 700e của Nhật, tải trọng 10 gram cho kết quả trên bảng 2, 3, 4. a. Lớp mạ composite Ni-Al2O3 Bảng 1. Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Al2O3 –Ni và TiO2-Ni Hóa chất NiSO4.6H2O (g/l) NiCl2.6H2O (g/l) H3BO3 (g/l) Sodium dodecyl sulfate (g/l) Hàm lƣợng 300 50 40 0,1 Bảng 2. Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 312 v/p, nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2. Lần đo Ni Ni-Al2O3 140 v/p Ni-Al2O3 175 v/p Ni-Al2O3 210 v/p Ni-Al2O3 245 v/p Ni-Al2O3 278 v/p Ni-Al2O3 312 v/p 1 154 225 280 280 300 300 200 2 184 230 260 270 300 250 210 3 170 200 290 270 310 220 310 Trung bình 170 218 273 273 303 256 240 Phan Quang Thế và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 3 - 7 5 Bảng 3. Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi mật độ dòng điện: 3A/dm 2 , 5A/dm 2 , 7A/dm 2 , nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p. Lần đo Ni Ni-Al2O3 3A/dm 2 Ni-Al2O3 5A/dm 2 Ni-Al2O3 7A/dm 2 1 154 250 280 170 2 184 210 270 200 3 170 160 270 200 Trung bình 170 206 273 190 Bảng 4. Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al2O3, khi thay đổi nhiệt độ mạ 35C, 40C, 45C, 50C, mật độ dòng điện 5A/dm2, tốc độ khuấy 210 v/p. Lần đo Ni Ni-Al2O3 35C Ni-Al2O3 40C Ni-Al2O3 45C Ni-Al2O3 50C 1 154 300 280 420 290 2 184 160 270 380 300 3 170 160 270 350 280 Trung bình 170 206 273 383 290 Bảng 5. Độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-TiO2 khi thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p, nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/ dm2. Lần đo Ni Ni-TiO2 140 v/p Ni-TiO2 175 v/p Ni-TiO2 210 v/p Ni-TiO2 245 v/p 1 154 240 250 225 160 2 184 235 230 240 213 3 170 222 250 230 200 Trung bình 170 232 243 230 191 Bảng 6. Độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-TiO2 khi thay đổi mật độ dòng điện: 2A/dm 2 , 3A/dm 2 , 5A/dm 2 , 7A/dm 2 nhiệt độ mạ 40C, tốc độ khuấy 210 v/p. Lần đo Ni Ni-TiO2 2A/dm 2 Ni-TiO2 3A/dm 2 Ni-TiO2 5A/dm 2 Ni-TiO2 7A/dm 2 1 154 270 300 225 270 2 184 300 350 240 260 3 170 290 300 230 290 Trung bình 170 286 316 230 273 Bảng 7. Độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-TiO2 khi thay đổi nhiệt độ mạ: 35C, 40C, 45C, tốc độ khuấy 210 v/p, mật độ dòng điện 5A/dm2. Lần đo Ni Ni-TiO2 30C Ni-TiO2 35C Ni-TiO2 40C Ni-TiO2 45C 1 154 270 330 225 300 2 184 260 380 240 350 3 170 250 330 230 300 Trung bình 170 260 346 230 316 b. Lớp mạ composite Ni-TiO2 Các kết quả đo độ cứng tế vi HV10 đối với lớp mạ composite Al2O3, TiO2 cho thấy tốc độ khuấy, mật độ dòng điện và nhiệt độ dung dịch mạ có ảnh hƣởng đáng kể tới độ cứng tế vi của lớp mạ composite. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hƣởng của tốc độ khuấy đến độ cứng tế vi của lớp mạ composite là đáng kể tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng là khác nhau. Ảnh hƣởng của tốc khuấy, với lớp mạ Ni- Al2O3, khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p độ Phan Quang Thế và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 3 - 7 6 cứng tăng dần từ HV10=218, đạt cực đại tại tốc độ 245 v/p với HV10= 303 sau đó giảm đến HV10=240 tại tốc độ khuấy 312 v/p. Với lớp mạ Ni-TiO2, khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p độ cứng tăng từ HV10=232, đạt cực đại tại tốc độ 175 v/p với HV10=243 sau đó giảm đến HV10=191 tại tốc độ khuấy 245 v/p (Hình 1). Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện, với lớp mạ Ni-Al2O3, khi tăng mật độ dòng điện từ 3A/dm 2 đến 7A/dm2 độ cứng tăng từ HV10=206 đạt giá trị cực đại HV10=273 tại mật độ dòng điện 5A/dm2 sau đó giảm đến giá trị HV10=190. Với lớp mạ Ni-TiO2, độ cứng tế vi đạt giá trị cực đại HV10=316 tại mật độ dòng điện 3A/dm2 và giảm đến HV10=273 tại mật độ dòng điện 7A/dm2 (Hình 2). Về ảnh hƣởng của nhiệt độ, đối với lớp mạ Ni-Al2O3, trong dải nhiệt độ từ 35C đến 50C, độ cứng tế vi đạt giá trị cực đại HV10=383 tại nhiệt độ 45C. Tuy nhiên với lớp mạ Ni-TiO2, độ cứng tế vi đạt giá trị cực đại HV10=346 tại nhiệt độ 35C (Hình 3). Các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hƣởng của nhiệt độ mạ đến độ cứng tế vi là lớn nhất, thay đổi nhiệt độ trong khoảng nói trên có thể tăng độ cứng lên 125% đối với lớp mạ Ni- Al2O3 và 104% đối với lớp mạ Ni-TiO2. Đối với lớp mạ Ni-Al2O3, ảnh hƣởng của tốc độ khuấy đến độ cứng tế vi lớn hơn của mật độ dòng điện (78% và 43% với lớp mạ TiO2). Tuy nhiên, đối với lớp mạ Ni-TiO2, ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến độ cứng tế vi lớn hơn ảnh hƣởng của tốc độ khuấy (86% và 60% đối với lớp mạ Al2O3). Độ cứng tế vi của lớp mạ composite tăng lên thể hiện sự tham gia nhiều hơn của các hạt trung tính vào lớp mạ. Do độ cứng tế vi của lớp mạ có liên hệ mật thiết với mật độ các hạt trung tính tham gia vào lớp mạ nên có thể sử dụng kết quả đo độ cứng tế vi của lớp mạ để đánh giá mật độ các hạt trung tính tham gia vào lớp mạ. Trong một số nghiên cứu trƣớc đây tốc độ khuấy là thông số ảnh hƣởng mạnh đến mật độ các hạt trung tính tham gia vào lớp mạ do tác dụng duy trì các hạt trung tính với mật độ cao lơ lửng sát bề mặt của cathode [2,3]. Mật độ dòng điện ít ảnh hƣởng tới mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ hơn và sau đó là nhiệt độ, độ pH [4,5]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hƣởng của nhiệt độ tới độ cứng tế vi của lớp mạ là lớn nhất (có thể tăng độ cứng của lớp mạ Al2O3 lên tới 125%), sau đó đến mật độ dòng điện và nhiệt độ mạ. Tuy nhiên ảnh hƣởng của các thông số nói trên đến độ cứng tế vi là khác nhau đối với các lớp mạ composite khác nhau trên nền Ni (mức độ ảnh Độ cứng tế vi lớp mạ composite phụ thuộc vào mật độ dòng điện 0 50 100 150 200 250 300 350 2A/dm2 3A/dm2 5A/dm2 7A/dm2 Mật độ dòng điện Đ ộ c ứ n g t ế v i H V 1 0 Ni-Al2O3 Ni-TiO2 Hình 2. Mối quan hệ giữa độ cứng tế vi của lớp mạ composite và mật độ dòng điện Độ cứng tế vi lớp mạ composite phụ thuộc vào nhiệt độ 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 30 độ C 35 độ C 40 độ C 45 độ C 50 độ C Nhiệt độ Đ ộ c ứ n g t ế v i H V 1 0 Ni-Al2O3 Ni-TiO2 Hình 3: Mối quan hệ giữa độ cứng tế vi của lớp mạ composite và nhiệt độ mạ Độ cứng tế vi lớp mạ composite phụ thuộc tốc độ khuấy 0 50 100 150 200 250 300 350 140 v/p 175 v/p 210 v/p 245 v/p 278 v/p 312 v/p Tốc độ khuấy Đ ộ c ứ n g t ế v i H V 1 0 Ni-Al2O3 Ni-TiO2 Hình 1. Mối quan hệ giữa độ cứng tế vi của lớp mạ composite và tốc độ khuấy Phan Quang Thế và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 3 - 7 7 hƣởng của cùng một thông số nhƣ mật độ dòng điện có thể chênh lệch tới 34%). Sự khác nhau giữa các kết quả nghiên cứu trƣớc đây về tính chất của lớp mạ composite so với nghiên cứu này có thể là do sự khác nhau của từng hệ mạ composite cụ thể. Ảnh hƣởng của độ pH đến độ cứng tế vi là không đáng kể nên độ pH đƣợc giữ bằng hằng số trong nghiên cứu này. KẾT LUẬN Để tăng khả năng chống mòn của bề mặt tiếp xúc làm việc trong môi trƣờng ăn mòn, tăng độ cứng tế vi của lớp bề mặt là một giải pháp hữu hiệu. Thay đổi các thông số của quá trình mạ nhƣ tốc độ khuấy, mật độ dòng điện, nhiệt độ mạ dẫn đến những thay đổi đáng kể về độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-Al2O3 và Ni-TiO2. Nhiệt độ có ảnh hƣởng lớn nhất đến độ cứng tế vi của lớp mạ composite (có thể tăng độ cứng đến 125%) sau đó là tốc độ khuấy và mật độ dòng điện (có thể tăng độ cứng đến 86%). Đây là những kết quả có ý nghĩa to lớn trong việc nâng cao khả năng chống mòn của bề mặt tiếp xúc. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Indira Rajagopal., “Composite Coatings”, Surface Modification Technologies” Marcel Dekker, Inc, New York, 1989. [2].Hovestad. A, Janssen. L.J.J., Electrochemical Co-deposition of Inert Particles in a Metallic Matrix, Journal of Applied Electrochemistry, Vol. 25, pp. 519-527, (1995). [3].R. C. Agarwala and Vijaya Agarwala; Electroless alloy/composite coatings: A review; Sadhana Vol. 28, Parts 3 & 4, pp.475-493, June/August 2003. [4].Gang Wu, Ning Li, Derui Zhou, Kurachi Mitsuo; Electrodeposited Co-Ni-Al2O3 composite coatings; Surface and Coatings Technology, 176, 157-164, 2004. [5].Hovestad. A, Janssen. L.J.J., Electrochemical Codeposition of Inert Particles in a Metallic Matrix, Journal of Applied Electrochemistry, Vol. 25, pp. 519-527, (1995). ABSTRACT EFFECTS OF PROCESS PARAMETERS ON THE MICRO-HARDNESS OF COMPOSITE COATINGS Phan Quang The  , Nguyen Dang Binh, Tran Minh Đuc, Ly Viet Anh Thai Nguyen University of Technology - TNU One of the solutions to enhance the wear resistance of the composite coatings layer based on Nickel matrix. The research results of Ni-Al2O3and Ti-TiO2showed that the micro-hardness of the composite coating depends considerably on mixing velocity, current density and the temperature of electrolyze. The variation of these parameters in electroplating process can produce the composite coating with the micro-hardness increasing more than 2 times compared with normal Ni coating layer. Key words: Composite Coating; Ni-Al2O3; Composite process Parameters; Mixing velocity; Micro-hardness  Tel: 0912064824; Email: phanqthe@tnut.edu.vn