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

Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 72(10): 73 - 77<br /> <br /> MẠ COMPOSITE TiO2-Ni MỘT GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO KHẢ NĂNG<br /> LÀM VIỆC CỦA LỚP MẠ Ni<br /> Nguyễn Đăng Bình1*, Phan Quang Thế1, Trương Đức Thiệp2<br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên<br /> 2<br /> Trường Cao đẳng nghề số 1 – Bộ NN & PTNT<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Mạ composite là một trong những biện pháp công nghệ bề mặt tiên tiến đang được ứng dụng rộng<br /> rãi để tạo nên lớp bề mặt có tính chất vượt trội so với lớp mạ điện thông thường. Kết quả nghiên<br /> cứu mạ composite TiO2 trên nền Ni chỉ ra rằng mật độ hạt TiO2 tham gia vào lớp mạ phụ thuộc<br /> đáng kể vào tốc độ khuấy dung dịch và độ cứng tế vi của lớp mạ composite TiO 2-Ni tăng khoảng<br /> gần 1,4 lần so với lớp mạ Ni thông thường. Đây là cơ sở để triển khai những nghiên cứu tiếp theo<br /> nhằm đưa mạ composite vào ứng dụng trong sản xuất công nghiệp của Việt Nam.<br /> Keywword: Mạ composite, composite TiO2-Ni, mạ điện thông thường<br /> <br /> MỞ ĐẦU*<br /> Mạ điện là một phương pháp để tạo ra lớp mạ<br /> composite. Các hạt trong tính không tan trong<br /> dung dịch điện phân được giữ lơ lửng trong<br /> dung dịch và tham gia vào quá trình hình<br /> thành và phát triển của lớp mạ kim loại. Việc<br /> đưa các hạt trung tính tham gia vào lớp mạ<br /> composite làm thay đổi đáng kể độ cứng, độ<br /> bền của lớp mạ cũng như làm thay đổi đặc<br /> tính tương tác của lớp mạ với bề mặt đối tiếp<br /> hoặc môi trường xung quanh [1].<br /> Quá trình mạ composite ZrO2 hoặc TiO2 trên<br /> nền Ni được thực hiện trong bể mạ điện Ni<br /> thông thường. Dung dịch mạ được điều chế từ<br /> hóa chất và nước cất. Các hạt trung tính được<br /> <br /> các hạt trung tính thường dưới 20 µm cho đến<br /> kích thước ở thang nano. Chiều dày lớp mạ có<br /> thể đạt từ vài µm đến vài trăm µm [1].<br /> Các thông số quá trình cơ bản ảnh hưởng đến<br /> tính chất của lớp mạ composite trên nền kim<br /> loại bao gồm mật độ dòng điện, bản chất của<br /> dung dịch điện phân, nhiệt độ dung dịch, độ<br /> pH, chất phụ gia, tính chất của hạt trung tính<br /> và cỡ hạt, tốc độ khuấy v.v. [1, 2].<br /> Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành<br /> công hệ thống mạ composite trên nền Ni hoặc<br /> Cr tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp.<br /> Một số kết quả nghiên cứu bước đầu về mạ<br /> composite TiO2 trên nền Ni được trình bày<br /> trong bài báo này.<br /> <br /> khuấy theo sơ đồ nguyên lý trên Hình 1. Cỡ<br /> <br /> (a) khuấy nhờ bơm tưới (b) khuấy cơ học<br /> <br /> *<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạ composite<br /> <br /> Tel: 0913286661<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 73<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> THÍ NGHIỆM<br /> Thiết bị thí nghiệm<br /> Thiết bị mạ composite trên nền Ni do nhóm<br /> nghiên cứu tự thiết kế và chế tạo bao gồm bể<br /> chứa dung dịch điện phân dung tích 60 lít, hệ<br /> thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện có thể<br /> nâng và ổn định nhiệt độ của dung dịch tới<br /> 80C, hệ thống điều khiển tự động cung cấp<br /> dòng một chiều xung hoặc liên tục cho bể mạ,<br /> hệ thống khuấy cơ học có thể điều chỉnh vô<br /> cấp tốc độ khuấy từ 10 v/p đến 350 v/p.<br /> Hóa chất<br /> Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ<br /> composite Ni liệt kê trong bảng 1.<br /> Sodium dodecyl sulfate được sử dụng là chất<br /> phụ gia để tăng hoạt tính bề mặt của các hạt<br /> trung tính. Hạt trung tính sử dụng trong thí<br /> nghiệm là TiO2 với cỡ hạt  1 m. Các hạt có<br /> kích thước tương đối đồng đều thể hiện trên<br /> ảnh SEM (Hình 2).<br /> <br /> 72(10): 73 - 77<br /> <br /> khuấy bằng máy khuấy siêu âm SW3H của<br /> Thụy sỹ trong 30 phút, sau đó khuấy cơ học<br /> trong bể mạ trong 6 giờ.<br /> Mẫu mạ composite là thép 09CrSi, tôi đạt độ<br /> cứng 58-60 HRC, dạng hình trụ kích thước d<br /> = 26 mm, h = 10 mm được đánh bóng, sau đó<br /> làm sạch, rửa trong bể hỗn hợp axít loãng ở<br /> nhiệt độ môi trường trước khi mạ. Trong quá<br /> trình mạ, dung dịch huyền phù được khuấy cơ<br /> học trong dải tần số 140, 175, 210, 245 v/p<br /> trong thời gian 1,5 giờ. Sau khi mạ, mẫu được<br /> rửa trong nước chảy, sau đó được rửa siêu âm<br /> trong nước cất khoảng 10 phút.<br /> KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM<br /> Chiều dày lớp mạ t = 50m  70 m. Mẫu<br /> được đánh bóng trên máy đánh bóng mẫu kim<br /> loại học của Đài Loan bằng bột kim cương<br /> sau đó thực trong dung dịch Nital 2% trong<br /> thời gian 1 phút. Độ cứng lớp mạ được đo<br /> trên máy đo độ cứng tế vi Future fm 700e<br /> của Nhật, tải trọng 10 gram cho kết quả trên<br /> Bảng 2.<br /> Sự tham gia của các hạt trung tính TiO2 trong<br /> lớp mạ Ni được khảo sát trên kính hiển vi<br /> điện tử quét (scanning electron microscopy)<br /> Jeol 5410 LV tại trường Đại học Khoa học Tự<br /> nhiên Hà Nội. Kết quả quan sát trên kính hiển<br /> vi điện tử cho thấy mật độ hạt trung tính TiO2<br /> tham gia vào lớp mạ Ni giảm dần khi tăng tốc<br /> độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p. Tại tốc độ<br /> khuấy 140 v/p mật độ hạt tham gia vào lớp mạ<br /> đạt cực đại.<br /> <br /> Hình 2. Hạt trung tính TiO2 sử dụng trong thí nghiệm<br /> <br /> Chế độ và quá trình chuẩn bị<br /> Quá trình mạ được thực hiện với mật độ dòng<br /> điện 3A/dm2; độ pH trong khoảng từ 4  4,5<br /> (độ pH được điều chỉnh bằng cách cho thêm<br /> NH3 hoặc axit HCl loãng); nhiệt độ 40C; tần<br /> số xung 200 Hz; tỷ lệ xung thuận/ nghịch là<br /> 80%.<br /> Trước khi mạ dung dịch huyền phù được<br /> <br /> Từ hình 3 có thể thấy các hạt TiO2 tham gia<br /> vào lớp mạ tương đối đồng đều khi khuấy với<br /> vận tốc 175 v/p (Hình 3a). Mật độ hạt trở nên<br /> dày đặc hơn khi giảm tốc độ khuấy xuống 140<br /> v/p (Hình 3b). Tuy nhiên, nếu giảm vận tốc<br /> khuấy xuống tới 105 v/p các hạt TiO2 bị kết<br /> hợp lại với nhau tạo thành những mảng tương<br /> đối lớn làm giảm cơ tính của lớp mạ. Phân<br /> tích EDS (Hình 3c) cho thấy bề thành phần<br /> hóa học của lớp mạ tương đối thuần nhất chủ<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 74<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> yếu là Ni và TiO2, sự xuất hiện của Fe có thể<br /> <br /> 72(10): 73 - 77<br /> <br /> do ảnh hưởng của vật liệu nền.<br /> <br /> Bảng 1. Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite TiO2-Ni<br /> Hóa chất<br /> Hàm lượng<br /> <br /> NiSO4.6H2O<br /> (g/l)<br /> 300<br /> <br /> NiCl2.6H2O<br /> (g/l)<br /> 50<br /> <br /> H3BO3<br /> (g/l)<br /> 40<br /> <br /> Sodium dodecyl<br /> sulfate (g/l)<br /> 0,1<br /> <br /> (b)<br /> <br /> (a)<br /> <br /> (c)<br /> 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;<br /> (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<br /> trong lớp mạ Ni<br /> <br /> Lần đo<br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> Trung bình<br /> <br /> Bảng 2. Độ cứng tế vi của bề mặt mẫu sau khi mạ composite<br /> TiO2-Ni<br /> TiO2-Ni<br /> TiO2-Ni<br /> Ni<br /> 140 v/p<br /> 175 v/p<br /> 210 v/p<br /> 154<br /> 240<br /> 250<br /> 225<br /> 184<br /> 235<br /> 230<br /> 240<br /> 170<br /> 222<br /> 250<br /> 230<br /> 170<br /> 232<br /> 243<br /> 230<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> TiO2-Ni<br /> 245 v/p<br /> 160<br /> 213<br /> 200<br /> 191<br /> <br /> | 75<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 72(10): 73 - 77<br /> <br /> Từ kết quả đo độ cứng tế vi có thể thấy rằng độ cứng của lớp mạ composite TiO 2-Ni phụ thuộc vào mật<br /> 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.<br /> Với tốc độ khuấy 245 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ đạt thấp nhất (191 HV 10). Độ cứng tế vi của lớp mạ<br /> composite TiO2-Ni đạt cao nhất là 243 HV10 gấp 1,4 lần độ cứng lớp mạ Ni thông thường (170 HV10) tại<br /> tốc độ khuấy 175 v/p.<br /> PHÂN TÍCH KẾT QUẢ<br /> Cơ tính của lớp mạ composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong quá trình mạ điện. Tuy nhiên, các<br /> thông số về mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch điện phân và độ pH nói chung ít ảnh hưởng đến sự<br /> tham gia của các hạt trung tính vào lớp mạ nên được giữ cố định trong quá trình nghiên cứu đầu tiên này.<br /> Mật độ dòng điện có thể là một thông số được khảo sát rộng nhất. Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến<br /> mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ có thể khác nhau. Thứ nhất, mật độ dòng điện có ảnh hưởng rất ít<br /> hoặc gần như không có ảnh hưởng đến số hạt bám vào lớp mạ. Thứ hai, sự phụ thuộc của mật độ dòng<br /> điện và số lượng các hạt bám dính vào lớp mạ có thể theo quy luật có vài điểm cực trị [2].<br /> Ảnh hưởng của nhiệt độ dường như khác nhau đối với các hệ mạ composite. Với hệ Ni-Al2O3, ảnh hưởng<br /> của nhiệt độ tới phần trăm các hạt tham gia vào lớp mạ là không đáng kể. Tuy nhiên, khi mạ graphite,<br /> thành phần graphite trong lớp mạ Cr tăng lên cùng nhiệt độ tới 50C [2].<br /> Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của độ pH cho các kết quả thống nhất, khi độ pH > 2 ảnh hưởng<br /> 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<br /> 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<br /> phản ứng khử Ni giảm đáng kể khi độ pH < 2 khi sử dụng các hạt SiC làm hạt trung tính [4].<br /> Tốc độ khuấy là thông số được đặc biệt quan tâm bởi vì đây là thông số có ảnh hưởng trực tiếp đến mức<br /> độ tham gia của các hạt vào lớp mạ. Các hạt trung tính cần đến bề mặt của cathode để tham gia vào lớp<br /> mạ composite nên phải được dịch chuyển từ nguồn hạt tới cathode. Khuấy thúc đẩy sự dịch chuyển các<br /> hạt và tăng khuấy sẽ làm cho nhiều hạt cứng tham gia vào lớp mạ. Tuy nhiên, khuấy quá nhiều sẽ giảm<br /> các hạt tham gia vào lớp mạ bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặt cathode trước khi chúng được<br /> 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<br /> mạ sẽ dịch chuyển về phía mật độ dòng điện cao [2,3].<br /> Khi khuấy với tốc độ cao, các hạt TiO2 phân tán vào lớp mạ đồng đều hơn nhưng mật độ thấp là nguyên<br /> nhân làm giảm độ cứng tế vi của lớp mạ. Ngược lại, khi giảm tốc độ khuấy các hạt TiO2 quá một giới hạn<br /> nào đó các hạt kết lại với nhau tạo thành những mảng tương đối lớn làm giảm độ cứng và cơ tính của lớp<br /> 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,<br /> lượng hạt tham gia vào lớp mạ giảm dần khi tăng tốc độ khuấy và đạt giá trị thấp nhất tại tốc độ khuấy<br /> cao nhất trong nghiên cứu (245 v/p).<br /> 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<br /> 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<br /> 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<br /> 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<br /> vi của lớp mạ [2].<br /> 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<br /> 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<br /> các thông số quá trình khác trong các nghiên cứu tiếp theo.<br /> KẾT LUẬN<br /> Hệ thống mạ do trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp tự thiết kế và chế tạo cho phép thực hiện thành<br /> công mạ composite TiO2 trên nền Ni. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy mật độ các hạt tham gia vào<br /> 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<br /> 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<br /> hứa hẹn cho việc ứng dụng rộng rãi mạ composite vào thực tiễn sản xuất công nghiệp ở Việt Nam.<br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 76<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 72(10): 73 - 77<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Benea. L, Varsanyi. M. L, Maurin. G., “The Electrolytic Co-deposition of Zerconium Oxide Particles with<br /> Nikel”, the Annal of University of Galaty, (2003).<br /> [2]. Hovestad. A, Janssen. L.J.J., “Electrochemical Co-deposition of Inert Particles in a Metallic Matrix”, Journal<br /> of Applied Electrochemistry, Vol. 25, pp. 519-527, (1995).<br /> [3]. Shi. L, Sun. C, Gao. P., “Mechanical Properties and Wear and Corrosion Resistance of Electrodeposited NiCo/SiC Nanocomposite Coatings”, Applied Surface Science, Vol. 252, pp.3591-3599, (2006).<br /> [4]. Indira Rajagopal., “Composite Coatings”, Surface Modification Technologies” Marcel Dekker, Inc, New York,<br /> 1989.<br /> <br /> SUMMARY<br /> COMPOSITE TiO2-Ni COATING, A TECHNICAL SOLUTION TO INCREASE THE<br /> WORKING CAPACITY OF Ni COATING LAYER<br /> Nguyen Dang Binh1, Phan Quang The1, Truong Duc Thiep2<br /> 1<br /> College of Technology – Thai Nguyen University<br /> College of Agriculture Mechanics – Ministry of Agriculture and Rural Development<br /> <br /> 2<br /> <br /> Composite coating is an advanced technology that is being widely applied to produce surface electroplating<br /> coatings with properties much better than that of the normal electroplating layer. The studying result of the<br /> TiO2-Ni composite coatings showed that the density of TiO2 particles in Ni matrix depends considerably on<br /> the rotating velocity and the micro-hardness of the coating layer is 1,4 times higher than that of the Ni<br /> normal electroplating layer. This is a fundamental to develop further study to put composite coatings<br /> technology into practice of the industrial manufacturing of Vietnam.<br /> Keywords: Composite coating , composite TiO2-Ni, electroplating coatings<br /> <br /> <br /> <br /> Tel: 0913286661<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> | 77<br /> <br />