nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết mạ composite al2o3-ni trong điều kiện ma sát trượt trong môi trường ăn mòn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP









LÝ VIỆT ANH





“NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CHI TIẾT MẠ COMPOSITE AL
2
O
3

TRONG ĐIỆU KIỆN MA SÁT TRƯỢT TRONG MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN”

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

















Thái Nguyên- năm 2011

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn


Công trình đ-ợc hoàn thành tại: Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Tác giả luận văn: Lý Việt Anh


Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: PGS.TS Phan Quang Thế

Phản biện 1: PGS.TS Phan Bùi Khôi


Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Dự.




Luận văn sẽ đ-ợc bảo vệ tr-ớc hội đồng chấm luận văn
họp tại: Tr-ờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - ĐHTN

Ngày 10. tháng 12 năm 2011

.Có thể tìm hiểu luận văn tại th- viện Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Lý Việt Anh, học viên lớp Cao học K12 – CN CTM. Sau hai năm
học tập nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là sự giúp
đỡ của PGS.TS Phan Quang Thế, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, và
các thầy cô trong phòng thí nghiệm của trường Giao thông vận tải, tôi đã đi đến
cuối chặng đường để kết thúc khoá học.
Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: “Nghiên cứu khả năng làm
việc của chi tiết mạ Composite Al
2
O
3
-Ni trong điều kiện ma sát trượt
trong môi trường ăn mòn”
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Phan Quang Thế và chỉ tham khảo các tài liệu đã được
liệt kê. Tôi không sao chép công trình của các cá nhân khác dưới bất cứ hình
thức nào. Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

NGƯỜI CAM ĐOAN



Lý Việt Anh

Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS Phan Quang Thế - Người thầy
hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn của thầy
trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng như những chỉ bảo
trong quá trình tôi viết luận văn.
Tôi xin cảm ơn các cán bộ phòng thí nghiệm công trình của trường ĐH
KTCN Thái Nguyên cùng đồng chí Soái Công Doanh cán bộ phòng thí nghiệm
vật lý trường ĐH Khoa học tự nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện hết
sức thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình làm thí nghiệm thực nghiệm để hoàn
thành luận văn này.
Tôi cũng muốn cảm ơn các thày cô giảng dạy lớp cao học K12-CTM
trường ĐH KTCN Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình tôi, các thầy cô
giáo, các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình làm
luận văn này.

Tác giả

Lý Việt Anh
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 3

MỤC LỤC

Nội dung
Trang
Lời cam đoan
01
Lời cám ơn
02
MỤC LỤC
03
Danh mục các bảng biểu
06
Danh mục các sơ đồ, hình vẽ
07
MỞ ĐẦU
08
1. Tính cấp thiết của đề tài
08
2. Mục đích của đề tài
09
3. Đối tượng nghiên cứu
09
4. Phương pháp nghiên cứu
09
5. Ý nghĩa của đề tài

10
Phần 1 – TỔNG QUAN

13
1.1 Những vấn đề cơ bản về mạ Composite

13
1.2 Nguyên lý Mạ composite.
14
1.3 Mạ composite trên nền Ni
16
1.3.1 Mạ composite trên nền Ni
16
1.3.2 Ảnh hưởng của các thông số quá trình tới cơ tính của
lớp mạ
17
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 4

1.4 Kết luận
20
PHẦN 2 – THỰC HIỆN MẠ COMPOSITE Al
2
O
3
-Ni TRÊN
MỘT SỐ CHI TIẾT VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LỚP MẠ
21
2.1. Thí nghiệm

21
2.1.1. Thiết bị thí nghiệm
21
2.1.2. Hóa chất
22
2.1.3. Chế độ và quá trình chuẩn bị
23
2.2. Kết quả thí nghiệm
24
2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển đến
độ cứng tế vi của lớp mạ composite Ni-Al
2
O
3

25
2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển đến
mật độ hạt cứng lớp mạ composite Ni-Al
2
O
3

28
2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố điều khiển đến
độ bám dính của lớp mạ composite Ni-Al
2
O
3

37
2.3. Kết luận phần 2
41
PHẦN 3 – NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU MA SÁT
MÀI MÒN CỦA CHI TIẾT ĐƢỢC MẠ Ni -Al
2
O
3

44
3.1: Chế tạo thiết bị ma sát trượt:
44
3.1.1 Thiết bị mặt phẳng nghiêng để xác định hệ số ma sát
của chi tiết mạ Ni-Al
2
O
3

44
a) Cơ sở lý thuyết để xác định hệ số ma sát:

44
b) Tiến hành thí nghiệm so sánh hệ số ma sát giữa chi
50
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 5

tiết được mạ tổ hợp composite Ni-Al
2

O
3
và chi tiết mạ Ni
đơn chất thông thường
3.1.2 Nguyên nhân khả năng giảm ma sát của mạ tổ hợp
composite Ni-Al
2
O
3
so với mạ đơn chất thông thường.
53
3.2 Nghiên cứu khả năng làm việc của bộ khuôn dập thuốc
viên được mạ tổ hợp composite Ni-Al
2
O
3

56
3.2.1 Tổng quan về công nghệ sản xuất thuốc viên trong
ngành dược phẩm.
56
3.2.2 Kết cấu bộ khuôn dập thuốc và nguyên lý làm việc
58
a) Kết cấu bộ khuôn dập
58
b) Nguyên lý làm việc
59
3.2.3. Cơ chế tác dụng lực và các dạng hỏng của bộ khuôn
62
3.2.4. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của bộ khuôn

64
a. Các giải pháp cơ bản nâng cao chất lượng bộ khuôn
64
b. Lựa chọn loại viên thuốc để thử nghiệm
65
c. Kết luận
66
3.2.5 Quy trình thử nghiệm
66
3.2.6 Kết luận phần 3
69
PHẦN 4 – KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN
70
TÀI LIỆU THAM KHẢO
72


Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu
Tên bảng biểu
Trang
Bảng 2.0
Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni-Al
2
O
3

22
Bảng 2.1
Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al
2
O
3
, khi thay đổi tốc độ khuấy từ
140 v/p đến 312 v/p, nhiệt độ mạ 40C, mật độ dòng điện 5A/dm
2
.
25
Bảng 2.2
Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al
2
O
3
, 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.
25
Bảng 2.3
Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-Al
2

O
3
, khi thay đổi nhiệt độ mạ
35C, 40C, 45C, 50C, mật độ dòng điện 5A/dm
2
, tốc độ khuấy
210 v/p.
26
Bảng 2.4
Chiều dày lớp mạ phụ thuộc vào thời gian mạ
37
Bảng 3.1
Hệ số ma sát của các chi tiết chỉ được mạ Ni thông thường
51
Bảng 3.2
Hệ số ma sát của các chi tiết đã được mạ tổ hợp composite Ni-
Al
2
O
3
51
Bảng 3.3
Hệ số ma sát của các chi tiết chỉ được mạ Ni thông thường khi
ngâm trong các dung dịch ăn mòn cao.
52
Bảng 3.4
Bảng hệ số ma sát của các chi tiết đã được mạ tổ hợp composite
Ni-Al
2
O

3
khi ngâm trong các dung dịch ăn mòn cao.
52
Bảng 3.5
Kết quả đo mòn đương kính đầu chày
68
DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ
Số hiệu
Tên hình vẽ và sơ đồ
Trang
Hình 1.1
Sơ đồ bố trí các thiết bị mạ điện
14
Hình 1.2
Sơ đồ mô tả cơ chế các hạt cứng tham gia vào lớp mạ.
15
Hình 2.1
Bể chứa dung dịch điện phân
21
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 7

Hình 2.2
Hệ thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện
21
Hình 2.3
Hệ thống khuấy cơ học
22
Hình 2.4

Ảnh SEM hạt trung tính Al
2
O
3
sử dụng trong thí nghiệm và thành
phần hóa học qua phân tích EDX.
23
Hình 2.5
Ảnh SEM thể hiện mức độ tham gia của các hạt Al
2
O
3
vào lớp mạ
30
Hình 2.6
EDS phân tích bề mặt lớp mạ trên hình (b) và (d) cho thấy Ni,
Al
2
O
3
và Fe.
31
Hình 2.7
Ảnh chụp bề mặt lớp mạ với chế độ mạ 3 – Nhiệt độ mạ 35
0
C
32
Hình 2.8
Ảnh chụp bề mặt lớp mạ với chế độ mạ 3 – Nhiệt độ mạ 40
0

C
32
Hình 2.9
Ảnh chụp bề mặt lớp mạ với chế độ mạ 3 – Nhiệt độ mạ 45
0
C
33
Hình 2.10
Ảnh chụp bề mặt lớp mạ với chế độ mạ 3 – Nhiệt độ mạ 50
0
C
34
Hình 2.11
Ảnh SEM mặt cắt ngang của lớp mạ sau 2 giờ mạ.
38
Hình 2.12
Ảnh SEM bề mặt và phân tích EDX thành phần lớp mạ sau 2h
mạ.
38
Hình 2.13
Ảnh SEM thể hiện sự bám dính của lớp mạ tại góc của chi tiết.
39
Hình 2.14
Ảnh SEM thể hiện sự tham gia của hạt cứng trong lớp mạ
41
Hình 3.1
Thiết bị đo hệ số ma sát của các CTM
49
Hình 3.2
Thực hiện đo hệ số ma sát của các CTM

50
Hình 3.3:
Thời điểm thực hiện đo góc ma sát của các CTM
50
Hình 3.4:
Bộ khuôn dập thuốc
59
Hình 3.5:
Kết cấu máy dập thuốc ZP 3
61
Hình 3.6
Cơ chế tác dụng lực lên bộ khuôn
60
Hình 3.7:
Máy dập ZP 31
67
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 8

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp trên thế giới, các
chi tiết máy phải làm việc trong những điều kiện hết sức khắc nghiệt như nhiệt
độ, áp suất, tốc độ cao, chịu ảnh hưởng của ma sát mài mòn lớn. Do vậy các chi
tiết máy sau khi gia công sử dụng kỹ thuật mạ nhằm nâng cao chất lượng bề mặt
được sử dụng ngày càng phổ biến. Chúng dần thay thế cho các chi tiết máy gia
công truyền thống không có sự can thiệp của công nghệ bề mặt hỗ trợ. Những ưu
việt của chi tiết được mạ có thể chỉ ra được ngay như: có độ bền và độ dai, khả
năng chống va đập, chịu được ăn mòn về hóa học hay Ôxi hóa do môi

trường….cao hơn hẳn [1], [2], [3].
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, ngành công nghệ bề mặt nói chung và kỹ
thuật mạ cũng không ngừng tiến bộ và phát triển nhằm đáp ứng được nhu cầu
của xã hội. Kỹ thuật bề mặt nói chung và kỹ thuật mạ nói riêng đã trở thành một
trong những ngành kỹ thuật đầy tiềm năng. Trong thập niên đầu tiên của thế kỷ
XXI, sự chuyển giao công nghệ, kỹ thuật mạ tiên tiến từ các tập đoàn nước ngoài
vào nước ta diễn ra hết sức mạnh mẽ. Mặt khác trong nền giáo dục sau đại học ở
các nước công nghiệp phát triển kỹ thuật bề mặt cũng phát triển nở rộ tạo ra rất
nhiều cơ hội nghiên cứu chuyên sâu cho các học viên cao học.
Tuy nhiên tại thời điểm này, kỹ thuật mạ ở Việt Nam vẫn chủ yếu tập trung
vào lĩnh vực mạ đơn thuần, tức là mạ các vật liệu ở dạng đơn chất như mạ
Niken, Crôm, …lên vật dụng [4],[5]. Những cách mạ này có thể tăng được khả
năng chống ăn mòn trên vật liệu tuy nhiên cơ tính bề mặt lại bị ảnh hưởng xấu
đi. Mặt khác, các chi tiết được mạ ở dạng đơn chất có chất lượng bề mặt chỉ
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 9

dừng lại ở mức độ trung bình. Vì vậy vấn đề mạ chi tiết theo trạng thái
Composite ở nước ta là một vấn đề hết sức cấp bách, nhằm đáp ứng yêu cầu chế
tạo ra các chi tiết mạ với cơ tính, khả năng chịu ăn mòn tốt, vừa đảm bảo chất
lượng bề mặt cao [6], [7].
Vì vậy tác giả chọn đề tài:
“Nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết mạ Composite Al
2
O
3
-Ni trong
điều kiện ma sát trượt trong môi trường ăn mòn”
Thành công của đề tài sẽ góp phần quan trọng trong việc nâng cao chất lượng

sản phẩm cơ khí làm việc trong môi trường ăn mòn của các lĩnh vực khác nhau.
2. Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết mạ
Composite Al
2
O
3
-Ni khi chúng làm việc trong môi trường có các chất hóa học
ăn mòn như Axit, muối, xút….Qua đó nhận xét những ưu điểm của lớp mạ
Composite Al
2
O
3
-Ni, phạm vi ứng dụng của các chúng đồng thời có những bước
phát triển để khắc phục những tồn tại của những chi tiết mạ Composite Al
2
O
3
-
Ni.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Tạo ra lớp mạ Composite Al
2
O
3
-Ni cho các chi tiết máy, nghiên cứu khả
năng làm việc của các chi tiết máy được mạ so sánh với các chi tiết máy không
có lớp mạ này. Rút ra những ưu việt của lớp mạ Composite Al
2
O

3
-Ni.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với triển khai thực nghiệm.
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 10

Nghiên cứu lý thuyết, qua đó triển khai thí nghiệm tạo ra lớp mạ trên các
chi tiết máy.
Thí nghiệm Phân tích các đặc tính cơ lý của lớp mạ.
Thử nghiệm cho chi tiết làm việc trong môi trường có các chất hóa học ăn
mòn.
5. Ý nghĩa của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học
Về mặt khoa học đề tài rất phù hợp với xu thế phát triển trong và ngoài
nước về công nghệ bề mặt. Do đó ý nghĩa khoa học của đề tài là thể hiện trong
nghiên cứu khả năng làm việc của chi tiết máy được mạ Composite Al
2
O
3
-Ni,
những tính năng vượt trội khi chi tiết được mạ so với các chi tiết không được mạ.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Ngày nay các chi tiết máy phải làm việc trong những điều kiện hết sức
khắc nghiệt như nhiệt độ, áp suất, tốc độ cao, chịu ảnh hưởng của ma sát mài
mòn lớn. Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật đòi hỏi khoa học về công nghệ bề mặt
phải tạo ra những chi tiết máy đáp ứng được những điều kiện khắc nghiệt này. Vì
vậy, đề tài này có ý nghĩa rất thực tiễn trong việc sản xuất, tạo ra các chi tiết có
độ cứng và tuổi bền cao nhằm nâng cao tính kinh tế của chi tiết máy, hạ giá

thành sản phẩm.



Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 11

Nội dung của luận văn bao gồm:
Phần 1: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ bề mặt:
- Các vấn đề cơ bản về mạ Composite. Khái quát về các hướng nghiên
cứu, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mạ Composite các chi tiết máy
(tập chung vào mạ Composite Ni) để từ đó định hướng nội dung đề tài nghiên
cứu.
Phần 2: Thực hiện mạ Composite Al
2
O
3
-Ni trên một số chi tiết máy thông
dụng phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đên đặc tính lớp mạ tổ hợp:
- Tạo ra lớp mạ Composite Al
2
O
3
-Ni trên các chi tiết dạng trục cơ bản.
- Phân tích các đặc tính cơ lý của lớp mạ Composite Al
2
O
3
-Ni trên các chi

tiết máy.
- Trên cơ sở phân tích SEM của lớp mạ nhận xét về các nhân tố ảnh hưởng
đến đặc tính cơ lý của lớp mạ Composite Al
2
O
3
-Ni. Tối ưu về giá thành
của sản phẩm.
Phần 3: Chế tạo thiết bị ma sát trƣợt, nghiên cứu khả năng làm việc của chi
tiết đƣợc mạ tổ hợp composite Al
2
O
3
-Ni
- Chế tạo thiết bị ma sát trượt dựa trên các cơ cấu nguyên lý máy cơ bản
như mặt phẳng nghiêng, cơ cấu bốn khâu bản lề…
- Thực hiện đưa các chi tiết máy đã được mạ Composite Al
2
O
3
-Ni và chi
tiết máy chỉ được mạ Ni thông thường vào thiết bị ma sát trượt, sau đó so
sánh và đánh giá khẳ năng chịu ma sát mài mòn giữa chúng. Thử nghiệm
cho các chi tiết ngay trong môi trường ăn mòn:

Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 12

Phần 4: Kết luận cho đề tài của luận văn


















Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 13

Phần 1 – TỔNG QUAN
1.1. Những vấn đề cơ bản về mạ Composite
Mạ composite là một biện pháp công nghệ cao nhằm tạo nên trên bề mặt chi
tiết một lớp mạ có ít nhất hai pha; pha nền kim loại và pha có dạng hạt cứng
hoặc sợi giúp chi tiết có khả năng làm việc vượt trội so với mạ điện thông
thường. Mạ composite có các ưu điểm sau :

1. Tăng khả năng chống mòn, mòn cho các cặp đôi ma sát kim loại và hượp
kim.
2. Tăng khả năng chống ăn mòn.
3. Tạo nên lớp giảm ma sát trên bề mặt đối tiếp.
4. Tăng độ bền vững về cơ tính vùng bề mặt.
5. Tạo nên lớp bề mặt có thể sử dụng trong các môi trường đặc biệt như
trong công nghệ hạt nhân.
- Pha nền sử dụng trong mạ điện composite bao gồm các kim loại hoặc
hợp kim của chúng như: Cr, Ni, Cu, Pb, Co, Zn… Pha hạt cứng là các hạt
Cac bit Ti, Ta, Si, W, Cr,…; Các Nitrit của B và Si, các hợp chất Borides của
Ti, Zn Ni, các hợp chất sulfides của Mo, W, Mica, graphit, kim cương, các
oxide của Al, Ti…
- Chiều dày lớn nhất của lớp mạ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến
sự thành công của quá trình mạ. Mạ composite có thể tạo ra lớp mạ đồng đều
trên bề mặt các chi tiết máy có hình dạng phức tạp.
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 14

- Các thông số quan trọng của quá trình mạ điện composite là: Dung dịch điện
phân, các chất phụ gia, kích thước hạt cứng, độ PH, mật độ dòng điện, nhiệt độ
mạ, hiệu quả của quá trình khuấy, tần số xung….
- Mạ composite ngày nay được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết máy của động
cơ máy bay, công nghiệp ô-tô, công nghiệp dược…
1.2. Nguyên lý Mạ composite.
Mạ điện composite thường được thực hiện bằng các thiết bị mạ điện thông
thường cộng thêm thiết bị khuấy để giữ các hạt trung tính lơ lửng trong dung
dịch mạ và tham gia vào lớp mạ.

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí các thiết bị mạ điện
a)Katot di động; b) bơm; c) khuấy không khí; d) chi tiết quay; e) khuấy cơ khí;
f) quay li tâm; quay nghiêng; h) rung điện từ hoặc siêu âm
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 15

*) Cơ chế mạ composite
Cơ chế mạ composite là do: va chạm cơ học của các hạt trong quá trình
khuấy đẩy các hạt về phía ca tốt; tương tác tĩnh điện của các hạt điện cực kim
loại hay điện ly; đồng lắng đọng của các hạt bằng cơ chế liên kết hoá học với
điện cực, hay hai giai đoạn hấp thụ.
Hiệu quả của Katot là rất quan trọng trong việc xác định khả năng các hạt
cứng có tính trơ có thể tham gia vào lớp mạ được không. Nếu tốc độ mạ xảy ra
quá nhanh các hạt cứng khi đến cathode sẽ bị bật ra. Độ giảm hiệu điện thế trong
quá trình mạ điện (0,1 – 0,3 V/cm) là quá thấp để tạo nên cơ chế lắng đọng của
các hạt cứng và vì thế việc khuấy dung dịch điện phân là rất cần thiết để đẩy các
hạt cứng va chạm và gắn vào bề mặt cathode và sau đó tham gia vào lớp mạ.
Dung d?ch di?n phân
l?p m? composite t? h?p
Bu?c 1
H?t c?ng trung tính

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả cơ chế các hạt cứng tham gia vào lớp mạ.
Hạt cứng trung tính
Bước 1
Dung dịch điện phân
Bước 2: Hình thành lớp mạ
composite
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 16

Theo Guglielmi có một mô hình toán học dựa trên hai bước hấp thụ kế tiếp.
- Bước 1: Các hạt trung tính bị kéo riêng rẽ đến Katot và chúng ở trạng
thái cân bằng với các hạt ở trạng thái huyền phù cho đến khi bị bao bọc bởi ion
và phân tử dung môi. Bước thứ nhất được tính toán dựa trên những đặc tính vật
lý là chủ yếu.
Bước 2: Bước hấp thụ thứ hai mang đặc tính hóa học tạo nên liên kết chặt
chẽ các hạt với Katot. Những hạt này sau đó được bao phủ bởi lớp mạ kim loại.
1.3. Mạ composite trên nền Ni
1.3.1 Mạ composite trên nền Ni
Mạ composite trên nền Ni được thực hiện trong các bể điện phân muối
Niken Sulfate tiêu chuẩn hoặc Niken sulfamate sử dụng hạt cứng là Al
2
O
3
, TiO
2
,
Cacbit và Nitrit chịu nhiệt, graphit, MoS
2
, kim cương, thạch anh….Với Al
2
O
3
ở
dạng thù hình α hoặc γ với kích thước cỡ micro hoặc nano tham gia vào lớp mạ
cùng Ni. Trong mọi trường hợp, thể tích của Al
2

O
3
trong lớp mạ tỉ lệ thuận với tỉ
lệ phần trăm các hạt trong dung dịch điện phân. Trong một số trường hợp tỉ lệ
hạt có thể lên tới 200 mg/l. [8]
Các tính chất của lớp mạ composite Al
2
O
3
(có kích thước micron và nhỏ
hơn) trên nền Ni đều có độ cứng tế vi, giới hạn bền, khả năng chống mòn đều
được nâng cao là do sự tồn tại của Al
2
O
3
trong Matric Ni. Độ cứng tế vi của lớp
mạ có thể tăng tới 2 lần so với mạ Ni thông thường, độ cứng này tỉ lệ thuận với
mật độ Al
2
O
3
trong lớp mạ và tỉ lệ nghịch với kích thước của hạt cứng, giới hạn
bền và giới hạn bền kéo tăng lên 4 lần, khi tăng mật độ Al
2
O
3
trong lớp mạ khả
năng chống mòn của bề mặt được nâng cao. Giới hạn chảy của lớp mạ Ni giảm
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Trang 17

mạnh khi nhiệt độ tăng đến 200
0
F trong khi các lớp mạ Ni- Al
2
O
3
giới hạn chảy
hầu như không thay đổi đến nhiệt độ 800
0
F [8,9].
Mạ composite có thể thực hiện bằng phương pháp electroless (mạ không
điện). Trong nhiều trường hợp phương pháp này đạt hiệu quả cao trong việc tạo
nên lớp mạ đồng đều cùng với những ưu điểm vượt trội trong việc mạ vật liệu
dẫn điện và không dẫn điện. Tuy nhiên, phương pháp này tiêu tốn nhiều thời
gian và sức lực so với mạ điện composite thông thường. Hơn nữa, phương pháp
electroless không thể tạo được lớp mạ thuần Ni [10].
1.3.2 Ảnh hƣởng của các thông số quá trình tới cơ tính của lớp mạ
`Kuo [11] cho thấy thành phần thể tích các hạt Al
2
O
3
trong lớp mạ cùng
với độ cứng tế vi giảm khi giảm nồng độ của dung dịch điện phân. Khi sử dụng
năng lượng siêu âm thành phần thể tích các hạt cứng tăng từ 8,37% lên đến
24,65%. Chất hoạt tính đưa vào hệ thống làm thành phần thể tích của hạt cứng
trong lớp mạ tăng lên tuy nhiên nhỏ hơn nhiều so với năng lượng siêu âm.
Al
2

O
3
phân tán đồng đều trong dung dịch điện phân làm tăng mật độ hạt
cứng trong lớp mạ và cơ hội hấp thụ lỏng của các hạt Al
2
O
3
trên điện cực. Sự
phân tán của các hạt Al
2
O
3
trong bể điện phân Sulfamate-Chloride có hiệu quả
hơn khi nồng độ chất điện phân thấp hơn, nên thành phần thể tích các hạt cứng
tham gia vào lớp mạ được thúc đẩy khi với mật độ Ion Ni thấp trong phản ứng
điện hóa này [8,11]. Muller và Ferkel [12] đã nghiên cứu sự phân bố của các hạt
Al
2
O
3
trong lớp mạ composite nền Ni. Kết quả cho thấy với đường kính trung
bình là 14 nm các hạt Al
2
O
3
phân bố tương đối đồng đều trong lớp mạ. Khi giảm
kích thước hạt hiện tượng vón cục các hạt cứng trong matrix Ni xảy ra làm giảm
cơ tính của lớp mạ.
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Trang 18

Xung điện cũng đóng vai trò trong kết quả của việc hình thành lớp mạ
composite. Nghiên cứu của Steinbach và Ferkel [13] cho thấy các hạt cứng nano
nhỏ được giữ lại Katot hiệu quả hơn các hạt lớn do vậy ngoài việc lựa chọn cỡ
hạt phải chú ý rằng mạ composite Ni-Al
2
O
3
trong điều kiện PDC làm cho mức
độ vón cục các hạt cứng trong lớp mạ thấp hơn nhiều so với mạ DC. Việc lựa
chọn xung nhịp bao nhiêu cũng rất quan trọng, Bahrololoom và đồng nghiệp [14]
nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số xung trong quá trình mạ composite Ni-
Al
2
O
3
tới độ cứng và khả năng chống mòn của lớp mạ thông qua thay đổi cấu
trúc tế vi. Với cùng mật độ dòng điện và các điều kiện thí nghiệm khác, tần số
xung thấp (10-20 Hz) và chu kỳ công tác (10%-20%) sẽ tạo nên lớp mạ có độ
cứng cao hơn. Độ cứng sẽ giảm nếu tăng tần số hoặc chu kỳ làm việc của xung.
Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng mạ điện Ni sử dụng kỹ thuật xung có thể
tạo nên lớp mạ có độ xốp thấp và cải thiện được tính chống ăn mòn so với mạ
dùng dòng một chiều
Ảnh hưởng của nhiệt độ khác nhau đối với các hệ mạ composite, với hệ
Ni-Al
2
O
3
, ảnh hưởng của nhiệt độ tới phần trăm các hạt tham gia vào lớp mạ là

không đáng kể. Tuy nhiên với mạ Ni nên duy trì nhiệt độ ổn định trong khoảng
từ 40 – 45
0
C là tốt nhất.
Độ pH > 2 không ảnh hưởng tới sự tham gia của các hạt cứng vào lớp mạ,
còn dưới giá trị này thì các hạt cứng tham gia vào lớp mạ Ni-Al
2
O
3
giảm hẳn.
Kết quả này cũng được khẳng định đối với các hệ khác [15].
Mật độ dòng điện có thể là một thông số được nghiên cứu kỹ càng nhất.
Thứ nhất, mật độ dòng điện có ảnh hưởng rất ít hoặc gần như không đáng kể đến
số hạt bám vào lớp mạ. Thứ hai, sự phụ thuộc của mật độ dòng điện và đường
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 19

cong thể hiện thành phần của các hạt bám dính vào lớp mạ được chỉ ra và dự
đoán là có một hoặc vài điểm cực đại [8,15].
Khi các hạt trung tính đến bề mặt chi tiết để tham gia vào lớp mạ
composite nó phải được dịch chuyển từ nguồn hạt tới Katot. Hệ thống khuấy
thúc đẩy sự dịch chuyển các hạt và tăng khuấy sẽ làm các hạt cứng chuyển động
mạnh hơn do đó sẽ làm các hạt cứng này tham gia vào lớp mạ tăng lên. Tuy
nhiên, nếu khấy quá nhiều sẽ làm văng các hạt ra khỏi bề mặt chi tiết trước khi
chúng được giữ lại. Do các hạt Graphit bị vón cục và kết tủa người ta đã dùng
một phương pháp khác ngoài phương pháp khuấy để duy trì các hạt lơ lửng trong
dung dịch. Khi này sự lơ lửng của các hạt trong dung dịch được duy trì bằng các
chất hoạt tính bề mặt như Axit tannic (C
14

H
10
O
9
) và Gelatin. Các chất hoạt tính
bề mặt thúc đẩy sự ổn định của các hạt lơ lửng nhờ tăng tính thấm ướt của các
hạt này bằng cách hấp thụ trên bề mặt của chúng. Tính thấm ướt của các hạt vô
cơ không phải là vấn đề chính trong mạ composite nhưng nó tạo nên những ưu
điểm phụ nếu như các chất hoạt tính bề mặt tích điện dương được sử dụng.
Những chất hoạt tính tích điện dương tạo nên một lưới điện tích dương ngăn cản
hiện tượng vón cục và hấp dẫn nó về phí Katot [15].
1.4. Kết luận
Qua các nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước có thể thấy mạ
composite đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là mạ điện composite
Al
2
O
3
trên nền Ni hoàn toàn có thể áp dụng trong điều kiện nghiên cứu ở nước
ta. Trong năm 2010 trường ĐHKTCN Thái Nguyên cũng đã bảo vệ thành công
một đề tài cấp nhà nước về mạ tổ hợp composite để nâng cao chất lượng làm
việc của chi tiết máy. Tuy nhiên tác giả nhận thấy việc nghiên cứu khả năng làm
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 20

việc của các chi tiết máy được mạ tổ hợp composite Al
2
O
3

trên nền Ni là chưa
phổ biến, các công bố ưu điểm về khả năng làm việc của các chi tiết này của các
tác giả nước ngoài cũng rất khó được kiểm chứng, hơn nữa khi chi tiết làm việc
trong điều kiện ma sát trượt lớn lại có các chất ăn mòn như sút, axit, muối thì
rất thiếu các nghiên cứu cụ thể và kiểm chứng rõ ràng.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chi tiết máy mạ
composite trong điều kiện ma sát trượt trong môi trường ăn mòn, tuy nhiên qua
các tài liệu đã công bố [10,11] tác giả nhận thấy có 3 yếu tố ảnh hưởng rất lớn tới
khả năng làm việc của chi tiết máy là
- Độ bám dính của lớp mạ trên bề mặt chi tiết.
- Độ cứng tế vi của lớp mạ.
- Mật độ hạt cứng trong lớp mạ.
Trong khuôn khổ luận văn này tác giả không có ý định nghiên cứu mức
độ ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố này mà mong muốn đóng góp một phần nào
đó trong việc cung cấp những thông tin cần thiết để tạo ra lớp mạ composite
Al
2
O
3
– Ni có độ bám dính cao, độ cứng tế vi và mật độ hạt cứng hợp lý nhất qua
đó đưa ra kiến nghị về việc sử dụng các thiết bị được mạ composite trong điều
kiện thực tế của Việt Nam.
Ngoài ra qua lớp mạ composite Al
2
O
3
– Ni đã mạ thành công tại trường
ĐHKTCN đồng thời tác giả chứng minh những ưu điểm vượt trội của các thiết bị
chi tiết đã được mạ Al
2

O
3
– Ni so với các chi tiết thông thường chưa được mạ
hoặc mạ bằng phương pháp thông thường.
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 21

PHẦN 2 – THỰC HIỆN MẠ COMPOSITE Al
2
O
3
-Ni TRÊN MỘT
SỐ CHI TIẾT VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LỚP MẠ
2.1. THÍ NGHIỆM
2.1.1. Thiết bị thí nghiệm
Thiết bị mạ composite trên nền Ni bao gồm:
1. Bể chứa dung dịch điện phân (hình 2.1) dung
tích 60 lít, trong quá trình mạ lượng dung dịch
là 30 lít.




2. Hệ thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện (hình 2.2) có thể nâng và ổn
định nhiệt độ của dung dịch tới 80C.

3. Hệ thống điều khiển tự động cung cấp dòng một chiều xung hoặc liên tục
Hình 2.1
Hình 2.2

Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 22

cho bể mạ.
4. Hệ thống khuấy cơ học (hình 2.3) có thể điều
chỉnh vô cấp tốc độ khuấy từ 10 v/p đến 350
v/p.




2.1.2. Hóa chất
Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni liệt kê trong bảng 3.
Bảng 2.0: Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni-Al
2
O
3

Hóa chất
NiSO
4
.6H
2
O
(g/l)
NiCl
2
.6H
2

O
(g/l)
H
3
BO
3
(g/l)
Sodium
dodecyl
sulfate (g/l)
Hàm lượng
300
50
40
0,1
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 Al
2
O
3
với
cỡ hạt  1 m và hàm lượng Al
2
O
3
là 50g/l. Các hạt có kích thước không đồng
đều do tự vón kết với nhau thành hạt lớn thể hiện trên ảnh SEM (Hình 3). Các
đỉnh Au trên phân tích EDX là kết quả của mạ màng Au trên mẫu hạt Al
2
O

3
.

Hình 2.3
Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ ngành CNCTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Trang 23




Hình 2.4: Ảnh SEM hạt trung tính Al
2
O
3
sử dụng trong thí nghiệm và thành phần
hóa học qua phân tích EDX.
2.1.3. Chế độ và quá trình chuẩn bị
Chế độ ban đầu của quá trình mạ lựa chọn sơ bộ theo các công trình
nghiên cứu trước đó:
Quá trình mạ được thực hiện với mật độ dòng điện 5A/dm
2
. Độ pH của
dung dịch trong khoảng từ 4  4,5 (độ pH được điều chỉnh bằng cách cho thêm
NH
3
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%.
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 HRC = 58-60, 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.