Mạ composite TiO2-Ni một giải pháp kỹ thuật nâng cao khả năng làm việc của lớp mạ ni

Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 73 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 73 MẠ COMPOSITE TiO2-Ni MỘT GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA LỚP MẠ Ni Nguyễn Đăng Bình1*, Phan Quang Thế1, Trương Đức Thiệp2 1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên 2Trường Cao đẳng nghề số 1 – Bộ NN & PTNT TÓM TẮT Mạ composite là một trong những biện pháp công nghệ bề mặt tiên tiến đang được ứng dụng rộng rãi để tạo nên lớp bề mặt có tính chất vượt trội so với lớp mạ điện thông thường. Kết quả nghiên cứu mạ composite TiO2 trên nền Ni chỉ ra rằng mật độ hạt TiO2 tham gia vào lớp mạ phụ thuộc đáng kể vào tốc độ khuấy dung dịch và độ cứng tế vi của lớp mạ composite TiO2-Ni tăng khoảng gần 1,4 lần so với lớp mạ Ni thông thường. Đây là cơ sở để triển khai những nghiên cứu tiếp theo nhằm đưa mạ composite vào ứng dụng trong sản xuất công nghiệp của Việt Nam. Keywword: Mạ composite, composite TiO2-Ni, mạ điện thông thường MỞ ĐẦU* Mạ điện là một phương pháp để tạo ra lớp mạ composite. Các hạt trong tính không tan trong dung dịch điện phân được giữ lơ lửng trong dung dịch và tham gia vào quá trình hình thành và phát triển của lớp mạ kim loại. Việc đưa các hạt trung tính tham gia vào lớp mạ composite làm thay đổi đáng kể độ cứng, độ bền của lớp mạ cũng như làm thay đổi đặc tính tương tác của lớp mạ với bề mặt đối tiếp hoặc môi trường xung quanh [1]. Quá trình mạ composite ZrO2 hoặc TiO2 trên nền Ni được thực hiện trong bể mạ điện Ni thông thường. Dung dịch mạ được điều chế từ hóa chất và nước cất. Các hạt trung tính được khuấy theo sơ đồ nguyên lý trên Hình 1. Cỡ * Tel: 0913286661 các hạt trung tính thường dưới 20 µm cho đến kích thước ở thang nano. Chiều dày lớp mạ có thể đạt từ vài µm đến vài trăm µm [1]. Các thông số quá trình cơ bản ảnh hưởng đến tính chất của lớp mạ composite trên nền kim loại bao gồm mật độ dòng điện, bản chất của dung dịch điện phân, nhiệt độ dung dịch, độ pH, chất phụ gia, tính chất của hạt trung tính và cỡ hạt, tốc độ khuấy v.v. [1, 2]. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống mạ composite trên nền Ni hoặc Cr tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Một số kết quả nghiên cứu bước đầu về mạ composite TiO2 trên nền Ni được trình bày trong bài báo này. Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạ composite (a) khuấy nhờ bơm tưới (b) khuấy cơ học Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 73 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 74 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 được 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 TiO2 với cỡ hạt  1 m. Các hạt có kích thước tương đối đồng đều thể hiện trên ảnh SEM (Hình 2). Hình 2. Hạt trung tính TiO2 sử dụng trong thí nghiệm Chế độ và quá trình chuẩn bị Quá trình mạ được thực hiện với mật độ dòng điện 3A/dm2; độ pH trong khoảng từ 4  4,5 (độ pH được điều chỉnh bằng cách cho thêm NH3 hoặc axit HCl loãng); nhiệt độ 40C; tần số xung 200 Hz; tỷ lệ xung thuận/ nghịch là 80%. Trước khi mạ dung dịch huyền phù được 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 58-60 HRC, dạng hình trụ kích thước d = 26 mm, h = 10 mm được đánh bóng, sau đó làm sạch, rửa trong bể hỗn hợp axít loãng ở nhiệt độ môi trường trước khi mạ. Trong quá trình mạ, dung dịch huyền phù được khuấy cơ học trong dải tần số 140, 175, 210, 245 v/p trong thời gian 1,5 giờ. Sau khi mạ, mẫu được rửa trong nước chảy, sau đó được rửa siêu âm trong nước cất khoảng 10 phút. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Chiều dày lớp mạ t = 50m  70 m. Mẫu được đánh bóng trên máy đánh bóng mẫu kim loại học của Đài Loan bằng bột kim cương sau đó thực trong dung dịch Nital 2% trong thời gian 1 phút. Độ cứng lớp mạ được đo trên máy đo độ cứng tế vi Future fm 700e của Nhật, tải trọng 10 gram cho kết quả trên Bảng 2. Sự tham gia của các hạt trung tính TiO2 trong lớp mạ Ni được khảo sát trên kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy) Jeol 5410 LV tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. Kết quả quan sát trên kính hiển vi điện tử cho thấy mật độ hạt trung tính TiO2 tham gia vào lớp mạ Ni giảm dần khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p. Tại tốc độ khuấy 140 v/p mật độ hạt tham gia vào lớp mạ đạt cực đại. Từ hình 3 có thể thấy các hạt TiO2 tham gia vào lớp mạ tương đối đồng đều khi khuấy với vận tốc 175 v/p (Hình 3a). Mật độ hạt trở nên dày đặc hơn khi giảm tốc độ khuấy xuống 140 v/p (Hình 3b). Tuy nhiên, nếu giảm vận tốc khuấy xuống tới 105 v/p các hạt TiO2 bị kết hợp lại với nhau tạo thành những mảng tương đối lớn làm giảm cơ tính của lớp mạ. Phân tích EDS (Hình 3c) cho thấy bề thành phần hóa học của lớp mạ tương đối thuần nhất chủ Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 73 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 75 yếu là Ni và TiO2, sự xuất hiện của Fe có thể do ảnh hưởng của vật liệu nền. Bảng 1. Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite TiO2-Ni Hóa chất NiSO4.6H2O (g/l) NiCl2.6H2O (g/l) H3BO3 (g/l) Sodium dodecyl sulfate (g/l) Hàm lượng 300 50 40 0,1 Hình 3. (a) Ảnh SEM thể hiện sự tham gia vào lớp mạ của các hạt TiO2 khi khuấy với tốc độ 175 v/p; (b) Khuấy với tốc độ 140 v/p; (c) EDS phân tích bề mặt của (b) khẳng định sự tham gia của các hạt TiO2 trong lớp mạ Ni Bảng 2. Độ cứng tế vi của bề mặt mẫu sau khi mạ composite Lần đo Ni TiO2-Ni 140 v/p TiO2-Ni 175 v/p TiO2-Ni 210 v/p TiO2-Ni 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 (a) (b) (c) Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 73 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 76 Từ kết quả đo độ cứng tế vi có thể thấy rằng độ cứng của lớp mạ composite TiO2-Ni phụ thuộc vào mật độ hạt TiO2 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 245 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ đạt thấp nhất (191 HV10). Độ cứng tế vi của lớp mạ composite TiO2-Ni đạt cao nhất là 243 HV10 gấp 1,4 lần độ cứng lớp mạ Ni thông thường (170 HV10) tại tốc độ khuấy 175 v/p. 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 hưởng đến sự tham gia của các hạt trung tính vào lớp mạ nên được giữ cố định trong quá trình nghiên cứu đầu tiên này. Mật độ dòng điện có thể là một thông số được khảo sát rộng nhất. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ có thể khác nhau. Thứ nhất, mật độ dòng điện có ảnh hưởng rất ít hoặc gần như không có ảnh hưởng đến số hạt bám vào lớp mạ. Thứ hai, sự phụ thuộc của mật độ dòng điện và số lượng các hạt bám dính vào lớp mạ có thể theo quy luật có vài điểm cực trị [2]. Ảnh hưởng của nhiệt độ dường như khác nhau đối với các hệ mạ composite. Với hệ Ni-Al2O3, ảnh hưởng của nhiệt độ tới phần trăm các hạt tham gia vào lớp mạ là không đáng kể. Tuy nhiên, khi mạ graphite, thành phần graphite trong lớp mạ Cr tăng lên cùng nhiệt độ tới 50C [2]. Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của độ pH cho các kết quả thống nhất, khi độ pH > 2 ảnh hưởng của pH đến mật độ hạt cứng tham gia vào lớp mạ là không đáng kể, còn ở dưới giá trị này số hạt cứng tham gia vào lớp mạ giảm đối với hệ Ni-Al2O3. Mới đây, người ta đã tìm thấy rằng hiệu suất của dòng điện đối với phản ứng khử Ni giảm đáng kể khi độ pH < 2 khi sử dụng các hạt SiC làm hạt trung tính [4]. Tốc độ khuấy là thông số được đặc biệt quan tâm bởi vì đây là thông số có ảnh hưởng 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 được 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, khuấy quá nhiều sẽ giảm các hạt tham gia vào lớp mạ bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặt cathode trước khi chúng được giữ lại [3]. 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 khuấy với tốc độ cao, các hạt TiO2 phân tán vào lớp mạ đồng đều hơn nhưng mật độ thấp là nguyên nhân làm giảm độ cứng tế vi của lớp mạ. Ngược lại, khi giảm tốc độ khuấy các hạt TiO2 quá một giới hạn nào đó các hạt kết lại với nhau tạo thành những mảng tương đối lớn làm giảm độ cứng và cơ tính của lớp mạ. Điều này giải thích cho thực tế số lượng hạt tham gia vào lớp mạ lớn nhất ở tốc độ khuấy 140 v/p, lượng hạt tham gia vào lớp mạ giảm dần khi tăng tốc độ khuấy và đạt giá trị thấp nhất tại tốc độ khuấy cao nhất trong nghiên cứu (245 v/p). Độ cứng tế vi của lớp mạ hiển nhiên phụ thuộc vào mật độ hạt tham gia và mức độ phân bố đều trong lớp mạ. Ở tốc độ khuấy thấp mức độ các hạt tham gia vào lớp mạ nhiều hơn so với ở tốc độ khuấy cao. Tuy nhiên, ở tốc độ khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ chỉ đạt 232 HV10 so với 243 ở tốc độ khuấy 175 v/p điều này được giải thích là do hiện tượng vón cục của các hạt TiO2 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 175 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 khi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình khác trong các nghiên cứu tiếp theo. KẾT LUẬN Hệ thống mạ do trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp tự thiết kế và chế tạo cho phép thực hiện thành công mạ composite TiO2 trên nền Ni. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ giảm đáng kể khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 175 v/p. Độ cứng tế vi của lớp mạ cao gấp 1,4 lần so với độ cứng tế vi của lớp mạ Ni thông thường tại tốc độ khuấy 175 v/p. Đây là những kết quả đầy hứa hẹn cho việc ứng dụng rộng rãi mạ composite vào thực tiễn sản xuất công nghiệp ở Việt Nam. Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 73 - 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 77 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. SUMMARY COMPOSITE TiO2-Ni COATING, A TECHNICAL SOLUTION TO INCREASE THE WORKING CAPACITY OF Ni COATING LAYER Nguyen Dang Binh 1 , Phan Quang The 1 , Truong Duc Thiep 2 1College of Technology – Thai Nguyen University 2College of Agriculture Mechanics – Ministry of Agriculture and Rural Development Composite coating is an advanced technology that is being widely applied to produce surface electroplating coatings with properties much better than that of the normal electroplating layer. The studying result of the TiO2-Ni composite coatings showed that the density of TiO2 particles in Ni matrix depends considerably on the rotating velocity and the micro-hardness of the coating layer is 1,4 times higher than that of the Ni normal electroplating layer. This is a fundamental to develop further study to put composite coatings technology into practice of the industrial manufacturing of Vietnam. Keywords: Composite coating , composite TiO2-Ni, electroplating coatings  Tel: 0913286661