Mạ composite Ni-Al2O3 giải pháp kỹ thuật nâng cao khả năng chống mõn của lớp mạ Ni

Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 12 MẠ COMPOSITE Ni-Al2O3 GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG MÕN CỦA LỚP MẠ Ni Nguyễn Đăng Bình, Phan Quang Thế*, Trần Minh Đức Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Mạ composite Al2O3 trên nền Ni là một giải pháp công nghệ bề mặt để nâng cao khả năng chịu mài mòn của lớp mạ Ni khi làm việc trong môi trƣờng mòn và ăn mòn cao. Kết quả nghiên cứu mạ composite Al2O3 trên nền Ni chỉ ra rằng mật độ hạt Al2O3 tham gia vào lớp mạ phụ thuộc đáng kể vào phƣơng pháp khuấy và tốc độ khuấy dung dịch huyền phù. Độ cứng tế vi của lớp mạ composite tăng khoảng 1,8 lần so với lớp mạ Ni thông thƣờng. Mật độ dòng điện trong quá trình mạ là một thông số quan trọng ảnh hƣởng đáng kể đến chất lƣợng của lớp mạ. Từ khóa: Mạ composite; Ni-Al2O3; Ứng dụng mạ composite; Vận tốc khuấy; Độ cứng tế vi MỞ ĐẦU Mạ điện là một phƣơng pháp để tạo ra lớp mạ composite. Các hạt trung tính không tan trong dung dịch điện phân đƣợc giữ lơ lửng trong dung dịch và tham gia vào quá trình hình thành và phát triển lớp mạ kim loại. Việc đƣa các hạt trung tính tham gia vào lớp mạ composite làm thay đổi đáng kể độ cứng, độ bền của lớp mạ cũng nhƣ làm thay đổi đặc tính tƣơng tác của lớp mạ với bề mặt đối tiếp hoặc môi trƣờng xung quanh [1]. Quá trình mạ composite, cụ thể là mạ composite Al2O3 trên nền Ni đƣợc thực hiện trong bể mạ điện Ni thông thƣờng. Dung dịch mạ đƣợc điều chế từ các hóa chất trong bảng 1 trong dung môi nƣớc cất. Các hạt trung tính đƣợc giữ lơ lửng trong dung dịch nhờ thiết bị khuấy theo sơ đồ nguyên lý trên Hình 1. Cỡ hạt trung tính thƣờng dƣới 20 µm cho đến kích thƣớc thang nano. Chiều dày lớp mạ có thể đạt từ vài µm đến vài trăm µm [1]. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống mạ composite trên nền Ni tại trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Các kết quả nghiên cứu về quá trình mạ composite Al2O3 trên nền Ni và tính chất cơ lý của lớp mạ đƣợc trình bày trong bài báo này. Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạ composite (a) khuấy nhờ bơm tƣới (b) khuấy cơ học  Tel: 0912064824; Email: phanqthe@tnut.edu.vn Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 13 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 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 và hàm lƣợng Al2O3 là 50g/l. Các hạt có kích thƣớc không đồng đều do tự vón kết với nhau thành hạt lớn thể hiện trên ảnh SEM (Hình 2). Các đỉnh Au trên phân tích EDX là kết quả của mạ màng Au trên mẫu hạt Al2O3. Chế độ và quá trình chuẩn bị Quá trình mạ đƣợc thực hiện với mật độ dòng điện 5A/dm2. 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); nhiệt độ giữ ổn định ở 40C  2C; tần số xung sử dụng trong thí nghiệm là 200 Hz; tỷ lệ xung thuận/ nghịch là 80%. 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 trong dải tốc độ 140, 175, 210, 245 v/p 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. Bảng 1. Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni-Al2O3 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 Hình 2. Ảnh SEM hạt trung tính Al2O3 sử dụng trong thí nghiệm và thành phần hóa học qua phân tích EDX Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 14 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. Từ kết quả đo độ cứng tế vi có thể thấy rằng độ cứng của lớp mạ composite Ni-Al2O3 phụ thuộc vào mật độ hạt Al2O3 và mức độ phân bố đồng đều của các hạt này trong lớp mạ tức là phụ thuộc vào tốc độ khuấy. Với tốc độ khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ đạt thấp nhất (HV10=218). Độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-Al2O3 tăng đến 273 HV10 ở tốc độ khuấy 175 v/p và 210 v/p sau đó tăng đến HV10=303khi tăng tốc độ khuấy đến 245 v/p gấp 1,78 lần độ cứng lớp mạ Ni thông thƣờng (HV10=170) tại tốc độ khuấy 175 v/p. Sự tham gia của các hạt trung tính Al2O3 vào lớp mạ Ni đƣợc xác định trên kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy) Jeol 5410 LV tại trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. Có thể thấy rằng mật độ các hạt trung tính Al2O3 tham gia vào lớp mạ Ni trở nên đồng đều hơn khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p (hình 3). Hiện tƣợng vón cục thƣờng xảy ra rõ nét ở tốc độ khuấy thấp. Đây là hiện tƣợng các hạt Al2O3 liên kết lại với nhau và tạo thành những mảng cục bộ trong lớp mạ (Hình 3a). Tại những nơi xảy ra vón cục của các hạt trung tính độ cứng tế vi giảm rõ rệt. Kết quả phân tích EDX bề mặt của các lớp mạ sau khi đƣợc mài, đánh bóng và tẩm thực khẳng định Al2O3 tham gia vào lớp mạ Ni chỉ ra trên Hình 4. Thành phần hóa học bề mặt chủ yếu là Ni, Al2O3 và một hàm lƣợng nhỏ Fe. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Cơ tính của lớp mạ composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong quá trình mạ điện. Tuy nhiên, các thông số về mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch điện phân và độ pH nói chung ít ảnh hƣởng đến sự tham gia của các hạt trung tính vào lớp mạ nên đƣợc giữ cố định trong nghiên cứu này. Mật độ dòng điện có thể là một thông số đƣợc khảo sát rộng nhất. Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ có thể khác nhau. Mật độ dòng điện có ảnh hƣởng rất ít hoặc gần nhƣ không có ảnh hƣởng đến số hạt bám vào lớp mạ [2]. Trong nghiên cứu này, mật độ khi tăng mật độ dòng điện từ 5 A/dm2 tới 9 A/dm2 bề mặt của lớp mạ bị rạn nứt và phá hủy nghiêm trọng do hiệu ứng mũi nhọn trong quá trình mạ. 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 [2]. Nhiệt độ dung dịch trong thí nghiệm đƣợc giữ tƣơng đối ổn định tại 40C. Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hƣởng của độ pH cho các kết quả thống nhất, khi độ pH > 2 ảnh hƣởng của pH đến mật độ hạt cứng tham gia vào lớp mạ là không đáng kể, còn ở dƣới giá trị này số hạt cứng tham gia vào lớp mạ giảm đối với hệ Ni-Al2O3 [4]. Tốc độ khuấy là thông số đƣợc đặc biệt quan tâm bởi vì đây là thông số có ảnh hƣởng trực tiếp đến mức độ tham gia của các hạt vào lớp mạ. Các hạt trung tính cần đến bề mặt của cathode để tham gia vào lớp mạ composite nên phải đƣợc dịch chuyển từ nguồn hạt tới cathode. Khuấy thúc đẩy sự dịch chuyển các hạt và tăng khuấy sẽ làm cho nhiều hạt cứng tham gia vào lớp mạ. Tuy nhiên, tốc độ khuấy quá cao sẽ giảm các hạt tham gia vào lớp mạ bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặt cathode trƣớc khi chúng đƣợc giữ lại [2, 3]. Bảng 2. Độ cứng tế vi của lớp mạ phụ thuộc tốc độ khuấy. Lần đo Ni Ni-Al2O3 140 v/p Ni-Al2O3 175 v/p Ni-Al2O3 210 v/p Ni-Al2O3 245 v/p 1 154 225 280 280 300 2 184 230 260 270 300 3 170 200 290 270 310 Trung bình 170 218 273 273 303 Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 15 Hình 3. Ảnh SEM thể hiện mức độ tham gia của các hạt Al2O3 vào lớp mạ khi khuấy với tốc độ (a) 140 v/p; (b) 175 v/p; (c) 210 v/p; (d) 245 v/p Hình 4. EDS phân tích bề mặt lớp mạ trên hình (b) và (d) cho thấy Ni, Al2O3 và Fe. 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 [2,3]. Khi thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p mật độ các hạt Al2O3 tham gia vào lớp mạ tăng lên rõ rệt, hiện tƣợng vón cục giảm đi đáng kể. Từ Hình 3a và 3b có thể thấy rõ hiện tƣợng vón cục xảy ra phổ biến ở tốc độ khuấy 140 v/p và 175 v/p. Khi tăng tốc độ khuấy đến 175 v/p và 245 v/p hiện tƣợng này vẫn còn nhƣng mức độ giảm đi đáng kể (Hình 3c và 3d). Khuấy với tốc độ cao là nguyên nhân làm các hạt Al2O3 hạn chế hình thành các mảng lớn trong dung dịch huyền phù. (a) (b) (c) (d) Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 16 Kết quả phân tích EDX trên Hình 4 cho thấy sự tham gia của các hạt Al2O3 vào trong lớp mạ Ni rất rõ nét. Tuy nhiên, trên đồ thị phân tích cũng xuất hiện nguyên tố Fe nhƣ một tạp chất bám vào lớp mạ. Đây là vấn đề cần khắc phục trong quá trình mạ composite Ni-Al2O3, đó là phải loại triệt để các ion Fe ra khỏi dung dịch điện phân. Độ cứng tế vi của lớp mạ hiển nhiên phụ thuộc vào mật độ hạt Al2O3 tham gia và mức độ phân bố đồng đều của hạt trong lớp mạ. Ở tốc độ khuấy thấp mức độ các hạt tham gia và phân bố đồng đều vào lớp mạ hạn chế hơn so với khuấy ở tốc độ cao. Tuy nhiên, ở tốc độ khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ chỉ đạt HV10=218 so với HV10=273ở tốc độ khuấy 175 v/p và 210 v/p và HV10=303 tại tốc độ khuấy 245 v/p điều này đƣợc giải thích là do hiện tƣợng vón cục của các hạt Al2O3 ở tốc độ khuấy thấp làm giảm độ cứng tế vi của lớp mạ [2]. Từ các phân tích trên có thể thấy tốc độ khuấy 245 v/p vừa cho mật độ các hạt trung tính trong lớp mạ cao vừa cho độ cứng tế vi của lớp mạ cao nhất. Đây là tốc độ khuấy nên lựa chọn để tạo thành lớp mạ composite Ni-Al2O3 có khả năng chịu ăn mòn và mòn đồng thời. KẾT LUẬN Hệ thống mạ do trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp tự thiết kế và chế tạo cho phép thực hiện thành công mạ composite Al2O3 trên nền Ni. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ tăng đáng kể và trở nên đồng đều hơn khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p. Độ cứng tế vi của lớp mạ cao gấp 1,8 lần so với độ cứng tế vi của lớp mạ Ni thông thƣờng tại tốc độ khuấy 235 v/p. Khi tăng vận tốc khuấy hiện tƣợng vón cục giảm đáng kể là nguyên nhân chính làm tăng độ cứng tế vi của lớp mạ. Mật độ dòng điện sử dụng không nên lớn hơn 5 A/dm 2 để giữ cho lớp mạ không bị rạn nứt. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Benea. L, Varsanyi. M. L, Maurin. G., “The Electrolytic Co-deposition of Zerconium Oxide Particles with Nikel”, the Annal of University of Galaty, (2003). 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. Shi. L, Sun. C, Gao. P., “Mechanical Properties and Wear and Corrosion Resistance of Electrodeposited Ni-Co/SiC Nanocomposite Coatings”, Applied Surface Science, Vol. 252, pp.3591-3599, (2006). 4. Indira Rajagopal., “Composite Coatings”, Surface Modification Technologies” Marcel Dekker, Inc, New York, 1989. ABSTRACT Ni-Al2O3 COMPOSITE COATINGS IS A TECHNICAL SOLUTION TO ENHANCE THE WEAR RESISTANCE OF THE Ni COATING Nguyen Dang Binh, Phan Quang The  , Tran Minh Đuc Thai Nguyen University of Technology - TNU Al2O3 composite coatings is a surface advanced technology to enhance the wear resistance of Ni plating coatings in the environment of high wear and corrosion. The studying result of the Ni- Al2O3 composite coatings was evident that the density of Al2O3 particles in Ni matrix depends considerably on the mixing method and the mixing velocity for the electrolyzing solution. The micro-hardness of the coating layer is approximately 1,8 times higher than that of the Ni normal electroplating layer. The current density is an important parameter effecting on the quality of the coating layer. Keyword: Composite Coating; Ni-Al2O3; Composite Application; Mixing velocity; Micro- hardness  Tel: 0912064824; Email: phanqthe@tnut.edu.vn