Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Chế tạo và khảo sát tính chất của lớp mạ niken cứng ứng dụng trong môi trường lò than

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu chế tạo lớp mạ NiP bằng phương pháp điện hóa và khảo sát các tính chất của lớp mạ NiP được xử lý ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau; định hướng ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp khai thác than.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Chế tạo và khảo sát tính chất của lớp mạ niken cứng ứng dụng trong môi trường lò than

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- LÊ THANH LIÊM CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA LỚP MẠ NIKEN CỨNG ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG LÒ THAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội - 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- LÊ THANH LIÊM CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA LỚP MẠ NIKEN CỨNG ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG LÒ THAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. HOÀNG THỊ BÍCH THỦY Hà Nội - 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- LÊ THANH LIÊM TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA LỚP MẠ NIKEN CỨNG ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG LÒ THAN CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội - 2016
LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Hoàng Thị Bích Thủy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, giảng viên của Bộ môn Công nghệ Điện hóa và Bảo vệ kim loại cùng các thầy cô giáo đang công tác tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho em được nghiên cứu và hoàn thành luận văn cũng như trong suốt quá trình học tập tại trường. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã động viên, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành khóa học và cuốn luận văn này! Học viên thực hiện Lê Thanh Liêm 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận văn này là những kết quả của tôi có được sau quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và thí nghiệm lâu dài dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Hoàng Thị Bích Thủy, Bộ môn Công nghệ Điện hóa và Bảo vệ kim loại, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực, không trùng lặp với các luận văn khác và chưa được công bố trong các công trình mà không có tôi tham gia. Học viên thực hiện Lê Thanh Liêm 3
MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA………………………………………………………… 1 LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………… 2 LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………….. 3 MỤC LỤC…………………………………………………………………. 4 DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT……………………………… 7 DANH MỤC BẢNG……………………………………………………… 8 DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ………………………………………… 9 MỞ ĐẦU…………………………………………………………………… 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN……………...……………………………… 15 1.1. Tổng quan về lớp mạ niken……………………………………….. 15 1.1.1. Lý thuyết lớp mạ niken……..…………………………………. 15 1.1.2. Một số tính chất cơ lý của lớp mạ niken..…………………........ 16 1.1.2.1. Rỗ xốp và rạn nứt……………………………..................... 16 1.1.2.2. Độ giãn dài…………..………..………………………….. 17 1.1.2.3. Ứng suất nội……….…………………………………….... 17 1.1.2.4. Độ cứng và độ bền mài mòn……………………………… 17 1.1.2.5. Độ bám dính của lớp mạ………………………………..… 18 1.2. Các lớp mạ hợp kim niken cứng…………..……………………... 18 1.2.1. Lớp mạ hợp kim NiB………………………………………….. 19 1.2.1.1. Một số tính chất của lớp mạ hợp kim NiB……………….. 20 1.2.1.2. Các phương pháp chế tạo lớp mạ hợp kim NiB.………….. 20 1.2.2. Lớp mạ hợp kim NiP…….……………………………………. 24 1.2.2.1. Một số tính chất của lớp mạ hợp kim NiP……………….. 24 1.2.2.2. Các phương pháp chế tạo lớp mạ hợp kim NiP…………... 25 1.2.3. Các kết quả nghiên cứu về lớp mạ hợp kim niken-phôtpho…… 28 1.3. Vấn đề nghiên cứu………………………………………………… 29 1.3.1. Yêu cầu đối với lớp mạ trên bề mặt cột chống hầm lò than.…... 29 1.3.1.1. Giới thiệu cột chống hầm lò than.………………………… 29 4
1.3.1.2. Điều kiện môi trường làm việc trong hầm lò than………... 30 1.3.2. Nhiệm vụ của luận văn………………………………………… 31 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………………………………………………………… 32 2.1. Thực nghiệm.………………………………………………………. 32 2.1.1. Chuẩn bị mẫu đo……..………………………………………… 32 2.1.2. Chuẩn bị hóa chất……………………………………………… 33 2.1.3. Sơ đồ mạch điện………..……………………………………… 33 2.1.4. Mạ niken cứng NiP……...……………………………………... 34 2.1.5. Quy trình xử lý nhiệt mẫu sau mạ….………………………..… 34 2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu…..………………………………… 35 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)…..……………………….. 35 2.2.2. Phương pháp chụp ảnh qua kính hiển vi kim tương…………… 36 2.2.3. Phương pháp đo độ bám dính lớp mạ………………………….. 36 2.2.4. Phương pháp đo độ cứng Vickers….………………………..… 37 2.2.5. Phương pháp đo độ bền mài mòn...……………………………. 38 2.2.6. Phương pháp đo đường cong phân cực……….…………..…… 41 2.2.7. Phương pháp đo tổng trở điện hóa (EIS)………………...….… 42 2.2.8. Phương pháp thử nghiệm phun mù muối…………………....… 43 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………….. 45 3.1. Nghiên cứu sự hình thành lớp mạ NiP…………………………… 45 3.2. Hình thái, cấu trúc lớp mạ NiP…………...…………………….… 47 3.2.1. Hình thái, cấu trúc và thành phần của lớp mạ NiP chưa được xử lý nhiệt…………………………………………………….… 47 3.2.1.1. Hình thái bề mặt và thành phần lớp mạ NiP……………… 47 3.2.1.2. Thành phần pha của lớp mạ NiP………………………….. 48 3.2.2. Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt tới hình thái, cấu trúc các lớp mạ NiP……………………………………………………… 49 3.2.2.1. Hình thái bề mặt…………….…………………………….. 49 3.2.2.2. Thành phần pha…………………………………………… 51 3.2.2.3. Ảnh hiển vi kim tương và ảnh SEM mặt cắt ngang các lớp mạ NiP…………….……………………………………… 54 5
3.3. Cơ tính của các lớp mạ NiP…………………………………….… 56 3.3.1. Độ bám dính……..…………………………………………..… 56 3.3.2. Độ cứng……......……………………………………………… 57 3.3.3. Độ bền mài mòn……………………………………………..… 58 3.4. Độ bền ăn mòn của các lớp mạ NiP……………………………… 60 3.4.1. Đường cong phân cực ………………………………………… 60 3.4.2. Tổng trở điện hóa.……………………………………………… 62 3.4.3. Thử nghiệm phun mù muối..…………………………...……… 64 3.4.4. Giản đồ XRD xác định thành phần các mẫu mạ sau thử nghiệm phun mù muối……………………………………………..……. 66 3.5. Ứng dụng lớp mạ NiP bảo vệ cho cột chống hầm lò than………. 69 KẾT LUẬN………………………………………………………………… 73 CÁC KẾT QUẢ CỦA LUẬN VĂN ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ…………… 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 75 6
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT EDX: Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán xạ năng lượng tia X) Eăm: Điện thế ăn mòn (mV). iăm: Mật độ dòng ăn mòn (hay còn gọi là tốc độ ăn mòn điện hóa) (µA/cm2) PTFE: Polytetrafluoroethylene SEM: Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) TWI: Taber Wear Index (Chỉ số mài mòn Taber). XLN: Xử lý nhiệt XRD: X-ray diffraction (Nhiễu xạ tia X) 7
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số ứng dụng của các lớp mạ niken cứng………………... 19 Bảng 1.2. Dung dịch mạ hóa học hợp kim NiB………………………… 21 Bảng 1.3. Dung dịch mạ điện hợp kim NiB……………………….......... 23 Bảng 1.4. Dung dịch mạ hóa học hợp kim NiP………………………… 26 Bảng 1.5. Dung dịch mạ điện hợp kim NiP…………………………….. 27 Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng trong nghiên cứu………………. 33 Bảng 2.2. Thành phần dung dịch và chế độ mạ điện hợp kim NiP……... 34 Bảng 3.1. Thành phần dung dịch và chế độ mạ điện hợp kim NiP sử dụng trong nghiên cứu……………………………………….. 47 Bảng 3.2 Ảnh phóng đại bề mặt lớp mạ NiP sau khi xử lý ở các nhiệt độ khác nhau…………………………………………………. 50 Bảng 3.3. Số lần bẻ gập và ảnh chụp các lớp mạ sau khi bẻ gãy….......... 56 Bảng 3.4. Kết quả đo độ cứng mẫu mạ NiP với các chế độ xử lý nhiệt khác nhau…………………………………………………….. 57 Bảng 3.5. Kết quả iăm và Eăm của các lớp mạ NiP khác nhau…………… 61 8
DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình 2.1. Sơ đồ xử lý bề mặt mẫu trước khi mạ…………………... 32 Hình 2.2. Sơ đồ mạch điện phân…………………………………… 33 Hình 2.3. Thiết bị nhiễu xạ tia X - D8 Advance…………………… 35 Hình 2.4. Kính hiển vi quang học kết nối máy tính……………….. 36 Hình 2.5. Nguyên lý đo độ bám dính lớp mạ bằng phương pháp bẻ gập mẫu 90o…………………………………………….. 37 Hình 2.6 Ảnh minh họa vết đo độ cứng bằng phương pháp Vickers 38 Hình 2.7. Thiết bị đo mài mòn Taber 5131 Abraser……………….. 39 Hình 2.8. Hình ảnh bề mặt mẫu trước và sau khi đo mài mòn bằng phương pháp Taber……………………………………… 40 Hình 2.9. Cách xác định giá trị logiăm và Eăm theo phương pháp ngoại suy Tafel…………………………………………. . 42 Hình 2.10. Thiết bị đo điện hóa PGSTAT 302N…………………….. 43 Hình 2.11. Thiết bị thử nghiệm phun mù muối Q-FOG Cyclic Corrosion Tester CCT 600………………………………. 44 Hình 3.1. Đường cong phân cực catôt của điện cực sắt trong các dung dịch mạ ở 60oC với các nồng độ NaH2PO2 khác nhau………………………………………………………. 45 Hình 3.2. Ảnh chụp lớp mạ NiP được mạ ở 60oC với nồng độ NaH2PO2 thay đổi từ 0,15M - 0,3M……………………... 46 Hình 3.3. Ảnh SEM và phổ EDX của lớp mạ NiP…………………. 47 Hình 3.4. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP chưa được xử lý nhiệt…… 48 Hình 3.5. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP xử lý nhiệt ở 200oC……… 52 Hình 3.6. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP xử lý nhiệt ở 300oC……… 52 Hình 3.7. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP xử lý nhiệt ở 400oC……… 53 Hình 3.8. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP xử lý nhiệt ở 500oC……… 53 Hình 3.9. Ảnh hiển vi kim tương mặt cắt ngang của các lớp mạ NiP. 54 Hình 3.10. Ảnh SEM mặt cắt ngang các lớp mạ NiP……………….. 55 9
Hình 3.11. Độ giảm khối lượng mẫu sau mỗi chu kỳ mài mòn của các mẫu mạ NiP được xử lý nhiệt khác nhau……………. 58 Hình 3.12. Biểu đồ biểu diễn chỉ số mài mòn Taber của các mẫu mạ NiP được xử lý nhiệt khác nhau…………………………. 59 Hình 3.13. Đường cong phân cực của các mẫu mạ NiP khác nhau trong dung dịch NaCl 3,5%................................................ 60 Hình 3.14. Phổ tổng trở giản đồ Bode theo thời gian của các mẫu mạ NiP không được XLN trong dung dịch NaCl 3,5%........... 62 Hình 3.15. Phổ tổng trở giản đồ Bode, giản đồ pha và sơ đồ mạch tương đương của các mẫu mạ NiP được XLN trong dung dịch NaCl 3,5 %.................................................................. 63 Hình 3.16. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP không xử lý nhiệt sau phun mù muối 480 giờ ……………....………………………… 66 Hình 3.17. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP xử lý nhiệt ở 200oC sau phun mù muối 480 giờ …………..……………………… 67 Hình 3.18. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP xử lý nhiệt ở 300oC sau phun mù muối 480 giờ …………..……………………… 67 Hình 3.19. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP xử lý nhiệt ở 400oC sau phun mù muối 480 giờ …………..……………………… 68 Hình 3.20. Giản đồ XRD của lớp mạ NiP xử lý nhiệt ở 500oC sau phun mù muối 480 giờ …………..……………………… 68 Hình 3.21. Hình ảnh các cột chống thủy lực sau khi mạ NiP………. 70 Hình 3.22. Hình ảnh các cột chống thủy lực được mạ NiP và mạ kẽm sau 1,5 tháng sử dụng trong hầm lò than……………….. 70 10
MỞ ĐẦU Các lớp phủ mỏng được sử dụng phổ biến để tăng cường chức năng bề mặt vật liệu kim loại như: lớp phủ kim loại trên các vật liệu khác cho thấy độ bền, các tính chất ma sát, độ bền ăn mòn và độ dẫn điện tuyệt vời. Độ cứng là một tính chất bề mặt để xác định độ bền cơ tính của các vật liệu. Ngày nay, yêu cầu về tính năng kỹ thuật của các loại lớp phủ trong các ngành công nghiệp và dân dụng ngày càng cao nên các lớp phủ như crom, niken và các hợp kim của chúng được sử dụng rộng rãi để cải thiện độ cứng bề mặt vật liệu. Trong đó, lớp mạ hợp kim NiP có nhiều ưu điểm nổi bật về độ cứng, khả năng chịu mài mòn và độ bền ăn mòn nên chúng được ứng dụng trong các ngành công nghiệp hàng không, ô tô, dầu khí, quang học, điện tử, máy tính, dệt may, khai thác khoáng sản,…[17]. Lớp mạ hợp kim NiP có thể được tạo ra bởi quá trình mạ hóa học hay điện hóa. Mạ hóa học NiP đã có từ lâu và được sử dụng phổ biến cho đến tận ngày nay nhưng nó vẫn tồn tại những nhược điểm đặc trưng của mạ hóa học mà chưa thể khắc phục được. Bên cạnh đó, mạ điện cũng là một phương pháp điển hình để chế tạo lớp mạ hợp kim NiP. Mặc dù chưa có nhiều nghiên cứu về lớp mạ điện NiP được công bố nhưng nó lại thể hiện được nhiều ưu điểm vượt trội so với mạ hóa học: công nghệ đơn giản, chi phí vận hành thấp, dễ dàng khống chế tốc độ kết tủa và thành phần hợp kim,…[31]. Để có thể mở rộng phạm vi ứng dụng và hoàn thiện hơn công nghệ mạ điện hợp kim NiP, các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu các phương pháp nhằm cải thiện hơn nữa độ cứng, khả năng chịu mài mòn và độ bền ăn mòn của các lớp mạ NiP.  Lý do chọn đề tài Ở Việt Nam, lớp mạ NiP hóa học cũng được nghiên cứu từ lâu và được ứng dụng trong các lĩnh vực chống mài mòn và ăn mòn như: dùng để bảo vệ các chi tiết trục máy in, nòng súng, thiết bị gia nhiệt, lò nướng, khuôn đúc,…Tuy nhiên, lớp mạ NiP chế tạo bằng phương pháp điện hóa vẫn chưa có nhiều công trình nghiên cứu được công bố nên khả năng ứng dụng vào thực tế vẫn chưa tương xứng với những 11
ưu điểm mà lớp mạ hợp kim này mang lại. Nhằm bổ sung và hoàn thiện thêm kiến thức về lớp mạ NiP điện hóa, tôi đã lựa chọn đề tài: “Chế tạo và khảo sát tính chất của lớp mạ niken cứng ứng dụng trong môi trường lò than”.  Lịch sử nghiên cứu Tình hình nghiên cứu trên thế giới - Năm 2003, J.N. Balaraju cùng cộng sự đã đưa ra sự hình thành, cơ chế đồng kết tủa và khảo sát sự ảnh hưởng của các hạt đồng kết tủa tới cấu trúc, độ cứng, khả năng chịu mài mòn, độ bền ăn mòn, quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao tới lớp mạ hóa học compozit NiP và các ứng dụng của chúng [22]. - Năm 2003, T.S.N Sankara Narayanan cùng cộng sự đã chế tạo và đánh giá độ cứng, khả năng chịu mài mòn và độ bền ăn mòn của các lớp mạ hóa học kép NiP/NiB [32]. - Năm 2005, Changdong Gu cùng cộng sự đã kết hợp phương pháp mạ hóa học và điện hóa để chế tạo và khảo sát thành phần hóa học, tính chất chống ăn mòn của lớp phủ đa lớp NiP/Ni/NiP [15]. - Năm 2007, J.N. Balaraju, K.S. Rajam đã chế tạo và khảo sát các tính chất của các lớp mạ compozit chứa hàm lượng P cao NiP-Si3N4 [23]. - Năm 2008, G.Stremsdoerfer cùng cộng sự đã chế tạo và khảo sát cơ tính, tính chất từ các lớp màng mỏng NiP và NiB-P bằng phương pháp mạ hóa học [18]. - Năm 2012, Anju M. Pillai đã chế tạo lớp mạ NiP bằng phương pháp điện hóa và khảo sát các tính chất cũng như sự biến đổi cấu trúc của lớp mạ khi được xử lý nhiệt ở 400oC trong 1 giờ [10]. - Năm 2015, Ruixue Sun và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phôtphit tới hiệu suất và chất lượng lớp mạ NiP hóa học trên nền hợp kim Magie AZ91D [28]. Tình hình nghiên cứu trong nước - Năm 2009 nhóm tác giả trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích thước hạt Al2O3 tới các tính chất của lớp mạ hóa học NiP/Al2O3; tiếp đó, nghiên cứu chế tạo và so sánh tính chất hai lớp mạ hóa học compozit NiP/Al2O3 và NiP/PTFE [19,1]. 12
- Năm 2014, tác giả Hoàng Thị Bích Thủy và cộng sự đã nghiên cứu đặc tính và độ bền ăn mòn của lớp mạ điện hợp kim NiP [9].  Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo lớp mạ NiP bằng phương pháp điện hóa và khảo sát các tính chất của lớp mạ NiP được xử lý ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau; định hướng ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp khai thác than.  Nội dung nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu ở trên, luận văn thực hiện các nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nghiên cứu chế tạo lớp mạ hợp kim NiP bằng phương pháp điện hóa; - Phân tích xác định thành phần hóa học, cấu trúc pha của lớp mạ NiP được chế tạo bằng phương pháp điện hóa; - Khảo sát các tính chất cơ lý (độ bám dính, độ cứng, khả năng chịu mài mòn) và độ bền ăn mòn của lớp mạ NiP; - Khảo sát sự ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt tới sự thay đổi cấu trúc tinh thể, các tính chất cơ lý (độ bám dính, độ cứng, khả năng chịu mài mòn) và tính chất điện hóa (độ bền ăn mòn) của lớp mạ NiP; - Thử nghiệm, đánh giá khả năng ứng dụng lớp mạ NiP vào môi trường hầm lò than thông qua quá trình lắp đặt và sử dụng thực tế.  Phƣơng pháp nghiên cứu Để hoàn thiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, tôi đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp đo đường cong phân cực catôt nghiên cứu sự hình thành lớp mạ NiP; - Phương pháp kính hiển vi quang học, SEM, EDX xác định hình thái bề mặt và thành phần hóa học của lớp mạ NiP; - Phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc và thành phần pha của các lớp mạ NiP; - Phương pháp đo độ cứng Vickers xác định độ cứng tế vi của lớp mạ NiP; 13
- Phương pháp mài mòn Taber xác định khả năng chịu mài mòn của các lớp mạ NiP; - Phương pháp đo đường cong phân cực và phép ngoại suy Tafel xác định tốc độ ăn mòn; - Phương pháp đo phổ tổng trở và phun mù muối xác định độ bền ăn mòn của các lớp mạ NiP. 14
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về lớp mạ niken 1.1.1. Lý thuyết lớp mạ niken Niken là kim loại màu trắng bạc, dẻo, dễ cán và đánh bóng. Độ cứng của lớp mạ niken phụ thuộc vào thành phần dung dịch và điều kiện mạ. Độ cứng của lớp mạ niken mờ dao động từ 2.500 đến 4.000 MPa, của lớp mạ niken bóng từ 4.500 đến 5.000 MPa (1 MPa ≈ 10 kg/cm2). Giới hạn bền là 400 MPa đến 500 MPa, độ giãn dài tương đối là 40 %. Niken là một trong những vật liệu từ quan trọng có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ nhất. Tính sắt từ được bảo toàn đến nhiệt độ 385oC. Khối lượng riêng 8,9 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy 1.452oC, có thể làm việc đến nhiệt độ 650oC. Lớp mạ niken thường cứng và giòn, nếu được xử lý nhiệt đến 900oC có thể sẽ lại mềm và dẻo [4]. Khối lượng nguyên tử niken bằng 58,7. Trong các hợp chất thường gặp, niken có hóa trị +2, trong một số hợp chất khác niken có hóa trị +3. Kim loại niken trong điều kiện khí quyển luôn bị phủ một lớp oxit mỏng trong suốt làm thụ động bề mặt của nó. Nếu khí quyển có chứa các hợp chất lưu huỳnh, bề mặt niken sẽ nhanh bị mờ đi. Niken bền trong nước tự nhiên, nước cất và trong nước biển. Trong H2SO4 và HCl loãng, niken tan chậm hơn sắt. Niken dễ tan trong HNO 3 loãng nhưng lại bị thụ động trong HNO3 đặc. Niken không tác dụng với N2 cho dù nhiệt độ lên đến 1400oC [5]. Điện thế tiêu chuẩn của niken là -0,25 V. Trong mọi môi trường niken đều là lớp mạ catôt đối với sắt, vì vậy điều kiện cơ bản để bảo vệ sắt thép không bị tác dụng của môi trường bên ngoài là lớp mạ niken phải kín, không có châm kim, lỗ xốp. Nhưng lớp mạ niken càng mỏng thì độ xốp càng lớn, nhất là lớp mạ niken bóng. Tuy lỗ xốp rất nhỏ, không nhìn thấy bằng mắt thường được, nhưng lại tạo ăn mòn pitting khi hơi ẩm ngưng tụ vào. Trong các vi pin ăn mòn này, sắt là điện cực hòa tan, gây ra hoen gỉ trên bề mặt lớp mạ niken. Để lớp mạ niken được xem là hoàn toàn kín, chiều dày của nó phải đạt được 20-30 μm. Nhưng niken là một kim 15
loại đắt tiền nên cần phải tiết kiệm, thường giảm chiều dày của chúng bằng cách mạ lót đồng. Lớp mạ niken liên hợp này bảo vệ sắt thép tốt hơn so với lớp mạ đơn niken có cùng chiều dày. Lớp mạ liên hợp ba lớp Cu-Ni-Cr vừa có tác dụng bảo vệ tốt vừa có tác dụng trang sức, nên được sử dụng phổ biến trong công nghiệp chế tạo máy móc, dụng cụ, ô tô, đồ gia dụng… Mạ niken mờ một lớp ngày nay chỉ dùng để bảo vệ các thiết bị hóa học chống xâm thực của môi trường, đặc biệt là môi trường kiềm, bảo vệ các dụng cụ y tế, tăng độ chịu mài mòn và độ dẫn điện cho các sản phẩm. Lớp mạ niken đen được dùng để mạ các thiết bị quang học. Mạ niken hóa học đắt tiền nên chỉ dùng cho trường hợp cần mạ các vật có hình dạng phức tạp, nhiều khe khuất, lỗ sâu, rãnh hẹp,… để được lớp mạ dày đều mọi nơi hay mạ cho các vật liệu phi kim như gốm sứ, chất dẻo,... hay để tạo lớp mạ NiP cứng cho các dụng cụ yêu cầu đặc biệt. 1.1.2. Một số tính chất cơ lý của lớp mạ niken [5] 1.1.2.1. Rỗ xốp và rạn nứt Nguyên nhân gây nên rỗ xốp là bọt khí hydro bám dính lâu trên catôt trong khi mạ; khuyết tật của kim loại nền; dung dịch lẫn dầu mỡ hoặc tạp chất cơ học,… Lớp mạ niken mỏng luôn có nhiều lỗ xốp hay vết rạn nứt, nhất là khi mạ bóng và bán bóng (do phụ gia gây ra). Khi phụ gia lẫn vào kết tủa sẽ làm giảm độ đàn hồi của lớp mạ niken, đồng thời làm tăng ứng suất nội đến mức có thể làm rạn nứt lớp mạ. Để loại trừ rỗ xốp do bọt hydro bám lâu trên bề mặt gây ra, cần phải cho vào dung dịch chất hoạt động bề mặt để giảm sức căng bề mặt (tăng tính thấm ướt) của nó như metyl-taurin. Các chất thấm ướt này có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt xuống rất nhiều, có thể xuống dưới 3.10-5 N/mm. Ảnh hưởng của vật liệu kim loại nền đến việc sinh ra rỗ xốp cho lớp mạ niken cũng rất rõ. Thật vậy, khi mạ niken lên đồng đã đánh bóng chỉ cần dày 5 µm đã hết lỗ thủng, trong khi mạ lên thép đã mài nhẵn với cùng một điều kiện mạ như nhau thì lớp niken phải dày đến 25 - 30 µm mới hết lỗ thủng. 16
1.1.2.2. Độ giãn dài Độ giãn dài (%) đặc trưng cho tính dẻo dai của lớp mạ niken và được đo bằng cách kéo giãn dài đến đứt một mẫu đo là lớp mạ niken dày 25 µm, dài 150 mm, rộng 10 mm. Độ giãn dài phụ thuộc nhiều vào chiều dày lớp mạ, chiều dày càng lớn độ giãn dài càng cao,…Độ giãn dài cũng phụ thuộc vào bản chất dung dịch, pH, phụ gia và các điều kiện tiến hành mạ. 1.1.2.3. Ứng suất nội Có hai loại ứng suất nội của lớp mạ: - Ứng suất phát sinh một cách độc lập với kim loại nền gọi là ứng suất nội tại, nó chỉ phụ thuộc vào bản chất dung dịch và điều kiện mạ. - Ứng suất phát sinh do ảnh hưởng của kim loại nền đến tổ chức và cấu tạo các lớp kết tủa đầu tiên của lớp mạ (vì thông số lưới của kim loại mạ và kim loại nền khác nhau) được gọi là ứng suất ngoại lai. Ứng suất nội còn được gọi là ứng suất thô hay ứng suất loại 1, nó là kết quả của sự phân bố không đồng đều về mặt vĩ mô và vi mô của các ứng suất kéo và nén trong lớp mạ. Ứng suất nén thường không gây nguy hại bằng ứng suất kéo vì nó không làm bong lớp mạ khỏi nền. Nếu trị số của ứng suất nội lớn mà nguyên nhân chính là do thành phần ứng suất kéo đóng góp, thì nó sẽ gây nên nứt nẻ trong các lớp mạ mỏng đồng thời cũng là nguyên nhân làm vênh, méo các sản phẩm đúc điện rất dày được sản xuất theo phương pháp mạ đúc. 1.1.2.4. Độ cứng và độ bền mài mòn Độ cứng không phải là một thuộc tính cơ bản của kim loại, nó phụ thuộc phức tạp vào rất nhiều các yếu tố vật lý và cơ học. Độ cứng của lớp mạ còn phụ thuộc vào các điều kiện tiến hành mạ và các phụ gia hữu cơ có trong dung dịch mạ. Lớp mạ niken nói chung có độ cứng khá cao, đó là do hệ quả của một hoặc nhiều hiệu ứng: - Ứng suất nội; - Độ nhỏ của hạt tinh thể; - Trong mạng có lẫn các hạt nhỏ như các oxit, chất bóng,…; 17
- Tinh thể sắp xếp ưu tiên theo một hướng nhất định. Độ cứng có thể biểu thị cho mức độ bền vững của vật liệu kim loại. Độ cứng cũng có thể biểu thị cho khả năng chịu mài mòn khi làm việc trong điều kiện ma sát. 1.1.2.5. Độ bám dính của lớp mạ Có sự khác nhau về độ bám dính của lớp mạ lên ba nhóm nền chính: - Nền và lớp mạ cùng một kim loại, như mạ niken bóng lên niken bán bóng: Trường hợp này sẽ cho độ bám dính là tốt nhất, nếu điều kiện mạ thuận lợi sẽ xảy ra hiện tượng epitaxy, tức mạng kim loại catôt được tiếp tục phát triển trong lớp mạ; - Nền và lớp mạ không cùng một kim loại, như mạ niken lên nền đồng: Đây là trường hợp hay gặp, khi đó độ bám dính là kết quả của lực liên kết giữa các kim loại. Các ion phóng điện rồi lập tức tham gia vào mạng kim loại nền và nằm trong trường của lực hút phân tử và các lực tương tác giữa các nguyên tử như lực Van der Waals, lực đồng hóa trị, lực liên kết kim loại, lực ion và phân cực. Nếu cấu trúc của kim loại mạ và nền tương tự nhau cũng có thể xảy ra hiện tượng epitaxy, cấu trúc của nền có thể tiếp tục phát triển dày đến 300 nm đầu tiên trong lớp mạ. Cấu trúc nền khác nhiều với cấu trúc kim loại mạ cũng có thể xảy ra hiện tượng epitaxy nếu mạ ở mật độ dòng điện thấp. Những trường hợp như vậy cho độ bám dính tốt; - Nền là phi kim, như mạ niken lên chất dẻo: Thông dụng nhất là nhựa ABS và một số chất dẻo khác. Vì nền không dẫn điện nên cần được phủ trước một lớp dẫn điện mỏng rồi mới mạ điện niken lên. Lớp dẫn điện có thể thực hiện được bằng cách khử hóa học còn gọi là mạ không điện hay phương pháp bốc bay chân không. 1.2. Các lớp mạ hợp kim niken cứng Lớp mạ hợp kim niken cứng có những tính chất: - Độ cứng cao ( ≥ 500 HV); - Hệ số ma sát thấp; - Khả năng chịu mài mòn tốt; - Độ bền ăn mòn cao (đặc biệt trong các môi trường có tính oxy hóa). Nhờ những ưu điểm vượt trội đó mà các lớp mạ hợp kim niken cứng được ứng dụng rộng rãi trong một số ngành công nghiệp. 18