nghiên cứu công nghệ mạ composite và ứng dụng thử nghiệm các chi tiết nhằm nâng cao chất lượng bề mặt

1

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Khái niệm chất lượng bề mặt chi tiết
Các chi tiết bị hỏng khi các thông số của nó sai khác so với yêu cầu kỹ thuật.
Dưới đây trình bày khái niệm về các thông số của chi tiết [3,8,78]:
Thông số của chi tiết gồm: các thông số bề mặt, các thông số bên trong.
- Các thông số bề mặt: hình dáng (hình trụ, hình côn, hình răng, hình then,
hình ren, hình prôphil, hình cầu, hình phẳng, hình rãnh, dạng mặt phẳng nhẵn; kích
thước (đường kính, chiều dài, chiều rộng, chiều dày, chiều sâu, diện tích); tính chất
cơ lý (độ cứng, tính chống mòn, độ bám của lớp phủ với nền, tính chịu mỏi, tính
đàn hồi); độ chính xác (cấp chính xác); độ nhám; tính hoàn chỉnh; dạng nhiệt luyện
hay hóa nhiệt luyện; sự có mặt của vật liệu phủ; cấu trúc (tổ chức tế vi), thành phần
hóa học;….
- Các thông số bên trong: độ cứng; tính chịu mỏi; tính đồng nhất (rỗ, vết
nứt,…); tính đàn hồi; cấu trúc (tổ chức tế vi); thành phần hóa học;....
Các thông số bề mặt của chi tiết đã trình bày ở trên có thể được coi là đặc
trưng cho chất lượng bề mặt chi tiết.
Trên thực tế, tùy vào lĩnh vực nghiên cứu, các thông số được quan tâm nhiều
hơn (thông số chính) hay ít hơn (thông số phụ).
Trong gia công cơ khí, chất lượng bề mặt gia công được đánh giá bằng hai
yếu tố đặc trưng: tính chất cơ - lý của lớp kim loại bề mặt và độ nhám bề mặt.
Khi nghiên cứu về ma sát, chất lượng bề mặt bao gồm: các thông số về hình
học bề mặt (trạng thái hình học bề mặt). Tính chất cơ - lý - hóa của lớp bề mặt.
Trạng thái ứng suất của lớp bề mặt.
Các thông số trên có quan hệ lẫn nhau.


2

1.2. Hư hỏng và phương pháp phục hồi chi tiết máy
1.2.1. Nguyên nhân dẫn đến hư hỏng của chi tiết máy
Có rất nhiều nguyên nhân (yếu tố) làm các thông số đối tượng (chi tiết, máy)
thay đổi. Chúng có thể phân chia theo một số cách. Dưới đây trình bày một trong
các cách phân loại [1,39,76]:
Các nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi trạng thái của đối tượng (dẫn đến hư
hỏng của đối tượng) được chia thành hai nhóm: nguyên nhân nhân tạo (người thiết
kế, chế tạo, sử dụng và sửa chữa) và nguyên nhân tự nhiên. Ở đây chủ yếu quan tâm
đến nguyên nhân tự nhiên.
Các nguyên nhân tự nhiên được chia thành hai nhóm: yếu tố bên ngoài và
yếu tố bên trong.
a. Các yếu tố bên ngoài
Các yếu tố bên ngoài có thể chia thành ba nhóm:
* Các yếu tố vật lý: lực, nhiệt,… các yếu tố này tác dụng lên đối tượng (chi
tiết) với cường độ (độ lớn) khác nhau.
* Các yếu tố hóa học: các chất khí, không khí, chất lỏng,… các yếu tố này
tác dụng lên chi tiết ở các nhiệt độ khác nhau.
* Các yếu tố lý - hóa: cùng một lúc các yếu tố vật lý và hóa học tác dụng lên
chi tiết.
Trong nhiều trường hợp chi tiết hay cặp lắp gép chịu tác dụng cùng một lúc
một số yếu tố nhưng về nguyên tắc chủ đạo sẽ là một trong các yếu tố: các yếu tố
hay gặp nhất là lực (lực ma sát) và môi trường ăn mòn. Các yếu tố này là nguyên
nhân dẫn đến giảm chất lượng bề mặt chi tiết máy. Khi chất lượng bề mặt giảm quá
giới hạn cho phép, chi tiết coi như bị hỏng.
b. Các yếu tố bên trong
Các yếu tố bên trong có thể được chia thành hai nhóm: các thông số (yếu tố)
bề mặt; các thông số bên trong.

3

1.2.2. Ma sát và mài mòn chi tiết máy
Ma sát là hiện tượng xuất hiện những lực và ngẫu lực có tác dụng cản trở các
chuyển động, hoặc các xu hướng chuyển động tương đối của hai vật trên bề mặt của
nhau (khi xét hai vật rắn có liên kết với nhau). Ma sát còn có thể được hiểu là sự
mất mát năng lượng cơ học trong các quá trình: khởi động, chuyển động, dừng. Ma
sát có thể được phân loại dựa vào đối tượng, quá trình, chuyển động và trạng thái
hình 1.1. Ngoài ra còn có thể dựa vào tác dụng của ma sát: ma sát có lợi và ma sát
có hại [4,39].
Đối
tượng

Hình 1.1: Tổng quan về phân loại ma sát


4

Một số đặc trưng cơ bản của ma sát
* Lực ma sát
Cho đến thế kỷ XX, lực ma sát được tính gần đúng theo công thức:
(1.1)

Fms  FN

Ở trạng thái tĩnh (trước khi có chuyển động tương đối), lực ma sát bằng lực
tác dụng theo phương tiếp tuyến:
Fms = Ft

(1.2)

* Mômen ma sát
Mômen ma sát được viết như sau:
Mms = Fms.R

(1.3)

* Công ma sát (năng lượng ma sát)
Năng lượng ma sát (Wms, Ems) được viết như sau:
- Đối với ma sát trượt:
dS ms

(1.4)

Wms L  E msL   M ms d L

(1.5)

Wms T  E msT 

F

ms

S ms

- Đối với ma sát lăn:
L

- Tương tự với ma sát xoay có:

Wms X  E ms X 

M

ms

d X

(1.6)

X

Trong đó: FN- lực pháp tuyến với bề mặt tiếp xúc có chuyển động tương đối;
R- cánh tay đòn tương ứng với lực ma sát Fms.; Sms- quãng đường ma sát; L- góc
lăn; X- góc xoay.
Mòn là một quá trình thay đổi hình dáng, khối lượng, kích thước của bề mặt
vật thể, làm mất mát hoặc thay đổi vị trí tương đối trên bề mặt do biến dạng, mất
liên kết, bong tách, chảy dẻo, ion hóa tạo ra vùng vật liệu mới.
Mòn còn là một quá trình làm thay đổi bản chất vật liệu trên bề mặt tiếp xúc
do hiện tượng khuếch tán, hấp thụ, hợp kim hóa, ăn mòn, xâm thực.


5

Một số công thức tính mòn cổ điển theo kinh nghiệm
Trong một thời gian dài, cường độ mòn (Ih) được tính theo một số công thức
kinh nghiệm sau:
Ih

p 

 dn

m

H

(1.7)

Công thức trên thường được sử dụng khi biến dạng đàn hồi, pdn nhỏ và gần
bằng 0,14 MPa, độ cứng lớn (HB ≈ 8500 MPa).
Theo một số tác giả khác, cường độ mòn được tính theo công thức sau:
I h  209 E 1,31

(1.8)

Đối với một số vật liệu phi kim loại, cường độ mòn được tính như sau:
I h  8, 4.103.HV 0,27
1,72
I h  ebh

(1.9)

Đối với polime:
I h  1, 42.103.HV 0,27
I h  8, 6.104.ebh0,5

(1.10)

Trong đó: pdn- áp lực danh nghĩa trên bề mặt tiếp xúc; H- độ cứng của vật liệu
tiếp xúc; m- chỉ số mòn phụ thuộc vào bản chất vật liệu; E- mô đun đàn hồi của vật

liệu; HV- độ cứng Vicke; ebh- năng lượng bốc hơi của vật liệu.
1.2.3. Ảnh hưởng của môi trường ăn mòn
Do tác động của môi trường, nhiều chi tiết máy (đặc biệt là các chi tiết kim
loại) bị hỏng là do bị ăn mòn dẫn đến máy bị hỏng. Ăn mòn kim loại là hiện tượng tự
phá hủy của các vật liệu kim loại do tác dụng hóa học hoặc tác dụng điện hóa giữa kim
loại với môi trường bên ngoài. Tùy theo cách quan sát hiện tượng, các quá trình ăn
mòn kim loại có thể phân loại như hình 1.2 [39,78].


6

Ăn mòn hóa
học
Phân
loại

Ăn mòn điện
hóa

theo
quá
trình

Ăn mòn trong
khí

Ăn mòn trong k.khí ướt
Ăn mòn trong k.khí ẩm

Ăn mòn trong

không khí

PHÂN
LOẠI
CÁC
QUÁ
TRÌNH
ĂN
MÒN
KIM
LOẠI

Phân
loại
theo
môi
trường

Ăn mòn trong k.khí khô

Ăn mòn trong
đất
Ăn mòn trong axit
Ăn mòn trong
chất lỏng
Ăn mòn lựa
chọn

Ăn mòn trong kiềm
Ăn mòn trong d.dịch muối

Ăn mòn trong nước sông

Ăn mòn ngầm
(dưới bề mặt)
Phân
loại

Ăn mòn giữa
các tinh thể

theo
đặc
tính
phá
hủy

Ăn mòn cục
bộ
Ăn mòn nứt
nẻ

Ăn mòn trong nước biển

Ăn mòn dạng vết đốm
Ăn mòn dạng vết loét
Ăn mòn điểm
Ăn mòn xuyên tinh thể

Ăn mòn rạn
nứt

Hình 1.2: Phân loại các quá trình ăn mòn


7

1.2.4. Các phương pháp phục hồi chi tiết máy
Như đã trình bày ở trên: có nhiều nguyên nhân dẫn đến hư hỏng của chi tiết
máy, do đó có nhiều dạng hư hỏng của chi tiết máy. Hiện nay có rất nhiều phương
pháp phục hồi cho phép phục hồi được nhiều loại hư hỏng, thậm chí một dạng hư
hỏng có thể được phục hồi bằng nhiều phương pháp khác nhau [1,28,76].
Để phân loại các phương pháp phục hồi có thể dựa vào phương pháp phân
loại hư hỏng. Ở cách này hư hỏng được chia thành ba nhóm: mòn; hư hỏng cơ học
và hư hỏng hoá nhiệt.
Mòn là dạng hư hỏng hay gặp nhất. Dựa vào mức độ mòn, mòn lại có thể chia
thành ba nhóm: mòn đều, mòn không đều sinh ra ôvan, côn (đây là loại thường gặp
nhất ở các bề mặt làm việc và bề mặt chính của chi tiết), các vết xước và sây sát nhỏ.
Hư hỏng cơ học (cơ khí) gồm: các vết nứt, thủng, gãy, vỡ, uốn, xoắn, các vết
xước và sây sát lớn.
Hư hỏng hoá - nhiệt gồm: gỉ, rỗ do bị ăn mòn (hoá học và điện hoá), cháy,
tạo cặn dầu, cặn nước, cong vênh (do giãn nở vì nhiệt).
Trên cơ sở phân loại hư hỏng như trên, các phương pháp phục hồi (loại bỏ
hư hỏng) được chia thành ba nhóm: loại bỏ mòn (phục hồi cặp lắp ghép); loại bỏ hư
hỏng hoá - nhiệt và loại bỏ hư hỏng cơ học hình 1.3.
Từ hình 1.3 cho thấy một hư hỏng có thể được loại bỏ bằng nhiều phương
pháp khác nhau. Để phục hồi hoàn toàn một chi tiết (chi tiết có nhiều loại hư hỏng)
thường phải sử dụng tổ hợp nhiều phương pháp phục hồi khác nhau. Hiệu quả phục
hồi chi tiết phụ thuộc đáng kể vào phương pháp gia công chúng và lựa chọn phương
pháp hay tổ hợp phương pháp phục hồi hợp lý [36].
Việc chọn phương pháp phục hồi hợp lý trong một số trường hợp còn làm

tăng chất lượng (tuổi thọ) của chi tiết phục hồi so với chi tiết mới.


8

PHỤC HỒI CHI TIẾT
(loại bỏ hư hỏng)
Loại bỏ mòn

Loại bỏ hư hỏng

Loại bỏ hư hỏng

(phục hồi cặp lắp ghép)

hóa - nhiệt

cơ học (cơ khí)

Không khôi
phục kích
thước ban
đầu

Kích thước
sửa chữa

Khôi phục
kích thước
ban đầu

Ghép thêm
chi tiết phụ

GC

GC

GC

Cơ
khí

Nguội

Nhiệt

Sử dụng
vật liệu của
chính chi
tiết

Đắp thêm
vật liệu lên
chi tiết

Sử dụng
mối liên kết
không tháo
được

Sử dụng
mối liên kết
tháo được

- Hàn đắp kim loại
Biến

- Phun kim loại

dạng

- Mạ điện và mạ hoá

dẻo

- Sử dụng polime

Hàn

Dán
Đinh
tán

- Đúc kim loại lỏng

Hình 1.3: Phân loại các phương pháp phục hồi chi tiết máy
Từ hình 1.3, mạ điện và mạ hóa là một trong những công nghệ vừa phục hồi
được những chi tiết hỏng do mòn (nguyên nhân chính là do lực ma sát) đồng thời
phục hồi được những chi tiết hỏng bị gỉ, rỗ do bị ăn mòn (nguyên nhân chủ yếu là

do tác động của môi trường). Lớp mạ bảo vệ tốt cho kim loại khỏi bị ăn mòn hóa
học hay điện hóa, trang trí tăng vẻ đẹp sản phẩm. Có một số chi tiết máy do nhu cầu
thực tế là hạ giá thành và không cần dùng kim loại hay hợp kim đắt tiền để chế tạo,
người ta đã dùng kim loại hay hợp kim rẻ tiền rồi mạ các lớp mạ lên nó tạo điều
kiện cho việc tiêu thụ sản phẩm tốt,…. [31].


9

Mạ điện composite là một hướng phát triển của mạ điện, ngoài những ưu
điểm của mạ điện thường vừa trình bày ở trên, công nghệ này còn tạo ra được một
loại vật liệu (vật liệu composite) đang rất được quan tâm trong lĩnh vực cơ khí nói
chung và trong lĩnh vực vật liệu nói riêng, là loại vật liệu đa pha kết hợp với nhau
theo sơ đồ thiết kế trước, nhằm tận dụng và phối hợp các tính chất ưu việt của từng
pha. Các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này luôn có tính cấp bách không những đối
với các nước đang phát triển như nước ta mà ngay cả với các nước phát triển trên
thế giới [8]. Tuy vậy ở nước ta vẫn chưa có nghiên cứu nào về lĩnh vực này, chính
vì vậy tác giả đã lựa chọn mạ điện compsite là đối tượng nghiên cứu của đề tài và
được trình bày kỹ hơn ở các mục sau.
1.3. Mạ điện composite
1.3.1. Những vấn đề cơ bản về mạ điện composite
Mạ điện composite trên cơ sở của mạ điện thường, nhưng trong mạ composite
có các hạt cứng, sự có mặt của các hạt đã cải thiện được tính chất của lớp mạ như
tăng độ bền về ăn mòn, mài mòn, chịu làm việc ở nhiệt độ cao, tăng độ cứng cho
lớp mạ,... có thể mạ trên nền kim loại, nền polyme, nền cacbon, nền gốm. Yêu cầu
các hạt trong dung dịch luôn ở trạng thái lơ lửng và có độ phân tán cao [23].
Mạ composite là một biện pháp công nghệ cao nhằm tạo nên trên bề mặt các chi
tiết máy một lớp mạ có ít nhất là hai pha, pha nền kim loại và pha có dạng hạt cứng
hoặc sợi nhằm tạo cho chi tiết máy có khả năng làm việc vượt trội so với lớp mạ điện
thông thường. Mạ điện composite cho phép các chi tiết máy có thể làm việc tốt ở cả

nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao, tăng khả năng chống mòn, chống ăn mòn cho chi
tiết máy, giảm ma sát với bề mặt đối tiếp [31]:
-

Tăng khả năng chống mòn cho các cặp đôi ma sát và hợp kim.

-

Tăng khả năng chống ăn mòn.

-

Tạo nên lớp giảm ma sát trên bề mặt đối tiếp.

-

Tăng độ bền vững về cơ tính của vùng bề mặt khi làm việc ở nhiệt độ cao.

-

Tạo nên lớp bề mặt sử dụng trong các môi trường đặc biệt như trong công
nghiệp hạt nhân.


10

Pha nền sử dụng trong mạ điện composite bao gồm các kim loại và hợp kim
của chúng như: Cr, Ni, Cu, Pb, Au, Zn,.... Pha cứng hoặc pha giảm ma sát có thể là
các hạt cứng bao gồm các oxít của Al, Zn, Ti; cacbit của Ti, Ta, Si, W, B, Ni, Cr; các
nitrit của B và Si, các hợp chất borides của Ti, Zr, Ni, các chất sulfides của Mo, W,

grafit, mica, kim cương.
Các hạt dẫn điện tham gia vào lớp mạ tốt hơn hạt không dẫn điện, hạt có kích
thước lớn dễ bị lắng, còn các hạt nhỏ mịn dễ tạo keo, kết tụ thành từng khối trong dung
dịch, các hạt mềm có khả năng chống dính hoặc bôi trơn khô.
Mạ composite có thể tạo ra lớp mạ có chiều dày đồng đều trên bề mặt các chi tiết
máy có hình dạng phức tạp. Các thông số quan trọng của quá trình mạ điện composite
là: dung dịch điện phân, các chất phụ gia, thể tích và các kích thước của hạt cứng trong
dung dịch, mật độ dòng điện, độ pH, tốc độ khuấy, nhiệt độ,....
Ngoài composite chế tạo bằng phương pháp mạ một lớp, các lớp mạ
composite chế tạo bằng mạ nhiều lớp cũng được thực hiện mà không thay đổi quy
trình mạ ban đầu so với mạ một lớp. Cấu trúc và các thuộc tính của từng lớp trong
lớp mạ khi so với mạ một lớp, không bị ảnh hưởng bởi các kỹ thuật khác nhau. Với
công nghệ mạ 3 lớp đã nâng cao hiệu quả sử dụng của lớp mạ, lớp mạ trung gian bị
ăn mòn, riêng lớp mạ trong cùng vẫn đảm bảo bám dính tốt với nền không bị ăn
mòn, lớp mạ ngoài cùng vẫn giữ được độ bóng [75].
1.3.2. Mạ compsite 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 Al2O3, TiO2, cacbit và
nitrit chịu nhiệt, grafit, MoS2, WS2, kim cương [42,57],....
Lớp mạ composite Ni-TiO2 có những tính chất như: độ cứng, giới hạn bền
và giới hạn chảy đều tăng do sự tham gia của Ni-TiO2 vào lớp mạ. Tuy nhiên các
tính chất cơ học của lớp mạ composite Ni-TiO2 kém hơn so với lớp mạ composite
Ni-Al2O3. Các lớp mạ composite đều có độ xốp thấp, khả năng chống ăn mòn cao
và duy trì được cơ tính ở nhiệt độ cao tốt hơn so với lớp mạ kim loại thường. Độ
cứng của lớp mạ composite không phải hoàn toàn là do các hạt cứng phân bố trong


11

lớp mạ mà còn do sự làm mịn các hạt trong matrix Ni (do sự tồn tại của các hạt

cứng) tạo nên [52,55,68].
Các tính chất của lớp mạ composite Al2O3 (có kích thước Micromet và nhỏ
hơn) trên nền niken như: độ cứng tế vi, giới hạn bền kéo và khả năng chống mòn
đều được nâng cao do sự tồn tại của hạt Al2O3 trong Maxtric Ni. Khi tăng mật độ
hạt Al2O3 trong lớp mạ khả năng chống mòn của bề mặt được nâng cao. Giới hạn
chảy của lớp mạ Ni giảm mạnh khi nhiệt độ tăng đến 2000F, trong khi đó lớp mạ
Ni-TiO2 và Ni-Al2O3 giới hạn chảy hầu như không thay đổi đến nhiệt độ 8000F. Kết
quả tương tự đối với giới hạn bền [43,49,67].
1.4. Tình hình nghiên cứu mạ điện composite trong và ngoài nước
Lớp mạ tổ hợp điện hóa Combination electro- plating viết tắt (CEP), đó là lớp
mạ điện thường, nhưng trong cấu tạo có các hạt với kích thước nhỏ đến đơn vị nano
của một hay vài chất cùng với kim loại mạ kết tủa lên bề mặt điện cực. Lớp mạ CEP
đã được nghiên cứu và tạo ra từ lâu. C.G. Fink và J.D. Prin thu được lớp mạ từ năm
1929, hai tác giả đã mô tả sự tạo thành lớp mạ Cu từ dung dịch axit có chứa các hạt
grafit. Bằng cách tương tự, 1939 Bajmakov (Nga) đã thu được lớp mạ CEP với sự
đồng kết tủa của hạt phi kim loại [23].
Sự phát triển nhảy vọt về kỹ thuật thu lớp mạ CEP và sự nghiên cứu các tính
chất quý giá của nó từ những năm 60 của thế kỷ 20. Trong những năm đầu thập
niên 60 phương pháp mạ composite nikel-cacbid silic được thử nghiệm tại Hoa Kỳ.
Phương pháp mạ composite có nhiều ưu điểm, cho lớp mạ có khả năng chịu ăn mòn
và mài mòn rất tốt, duy trì được độ cứng ở nhiệt độ cao, hơn nữa phương pháp mới
còn thân thiện đối với môi trường [23,51].
Lớp phủ hợp kim Ni-Cr đã được tạo ra trên nền đồng và thép có sử dụng quá
trình mạ điện có thể điều khiển được tỉ lệ các thành phần trong dung dịch và vai trò
của các tham số khác nhau đối với cấu trúc, và thuộc tính của lớp mạ đã được khảo
sát. Khả năng tạo ra lớp mạ composite của hợp kim Ni-Cr có khả năng chống mòn có
chứa grafit hay các hạt MoS2 cũng đã được nghiên cứu; việc đưa các hạt bôi trơn
dạng rắn vào lớp mạ đã cải thiện khả năng tribology của lớp mạ. Sự kết hợp các vật

12

liệu cứng như hợp kim Ni-Cr có cấu trúc tinh thể nano với hạt bôi trơn dạng rắn có
một tiềm năng lớn trong sự phát triển mới của phương pháp xử lý bề mặt (biến đổi
tính chất lớp bề mặt) [9,62].
Hợp kim cấu trúc nano nền niken như Ni-B, Ni-Co, Ni-Cr,… đã nhận được
sự quan tâm rất lớn không chỉ vì các cơ tính được nâng cao của chúng khi so với
các loại hợp kim có cấu trúc vi tinh thể thông thường, mà còn vì chúng mở ra
hướng nghiên cứu mới về vật liệu nano. Nhiều năm trước đây, Lashmore và cộng
sự đã đưa ra một hệ thống mạ điện dựa trên Cr hóa trị 3, một loại lớp phủ hợp kim
có độ cứng cao, nhưng phải không có sự phá hủy của môi trường liên quan đến quá
trình mạ Cr hóa trị 6. Trong tài liệu gốc của Lashmore và cộng sự, các hạt của lớp
phủ Ni-Cr không được cung cấp, nhưng dựa trên các công trình gần đây trong các
hệ thống mạ hợp kim niken khác, có lý do để ước tính rằng Ni-Cr có khả năng hình
thành cấu trúc nano tinh thể. Mục đích của công trình này là tạo ra và mô tả kỹ hơn
lớp phủ Ni-Cr dựa trên dung dịch và các tham số đề xuất bởi Lashmore cùng các
cộng sự, và xác định sự có mặt của cấu trúc nano tinh thể. Hơn nữa, tác giả đưa ra
vài thay đổi trong quá trình của Lashmore, bao gồm việc đồng thời đưa các hạt bôi
trơn thể rắn vào lớp mạ [6,52].
Mạ Ni-Cr đồng thời với các hạt bôi trơn đã được khảo sát. Phương pháp mạ
đồng thời có thể dùng để thay đổi thuộc tính của lớp phủ bằng cách tích hợp các hạt
bôi trơn vào nền ma trận kim loại. Phương pháp này là phân tán các hạt bôi trơn vào
trong dung dịch mạ với hàm lượng tới 20 g/l. Dung dịch rắn được sử dụng là MoS2
nhưng Ni-Cr/grafit được sử dụng khá xốp và có độ dày không đồng đều. Trong cả
hai trường hợp quá trình mạ đồng thời dẫn đến hình thành các lỗ của Ni-Cr trên bề
mặt lớp mạ [65].
Người ta cũng đã nghiên cứu và khảo sát mạ điện composite Ni-W/Wp ở dạng
ma trận vô định hình. Vật liệu hợp kim Ni-W dạng ma trận sulfate, sodium tungstate,
sodium citrate, ammonium chloride và một lượng thay đổi các hạt vonfram với mật
độ từ 5 g/l đến 15 g/l. Phương pháp thứ nhất là mạ với mức độ khuấy nhẹ. Phương

pháp thứ hai là hình thành dòng chảy cưỡng bức của dung dịch mạ trên nền bằng


13

bơm. Các kết quả cho thấy cả hai phương pháp đều nhận sự liên kết, nhưng phương
pháp tạo dòng chảy cưỡng bức cho mức độ liên kết cao hơn. Mức độ liên kết tăng khi
số mật độ hạt trong dung dịch mạ tăng đến giới hạn trong khoảng giữa 10 g/l và 15
g/l. Tại điểm này, mức độ liên kết bị giảm do số lượng hạt quá lớn trong dung dịch và
phương pháp dòng chảy cưỡng bức làm giảm mức độ rỗ cao hơn phương pháp thông
thường. Một sự thay đổi trong mức độ tồn tại hạt W giữa phía nền và phía bề mặt của
lớp mạ được quan sát; vùng gần với nền có mật độ hạt W cao hơn vùng gần bề mặt.
Thí nghiệm độ cứng cho thấy sự khác nhau về đặc tính cơ khí theo độ dày của lớp mạ
với các vùng gần nền mềm hơn vùng gần bề mặt [47,58,66].
Ngoài ra, hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu về mạ composite titanalumilium nitride trên nền thép, Ni-Al2O3, nikel/alumina nano-particles composite
coating, Ni-composite với hạt Mo [66].
Còn mạ điện composite đối với Việt Nam chưa được quan tâm, đầu tư và
nghiên cứu nhiều, chủ yếu các cơ sở sản xuất trong nước hiện nay là mạ điện thông
thường (lớp mạ Ni, Cr, Cu,…), tồn tại này có thể do nhiều nguyên nhân như: do nền
kinh tế của Việt Nam còn nghèo nàn, trình độ kỹ thuật và công nghệ còn thấp so với
các nước có nền công nghiệp phát triển, sự khuyến khích, động viên, cho các nhà
khoa học, các nhà kỹ thuật, các trung tâm, viện nghiên cứu,… chưa đúng mức, chưa
hiệu quả; đây là một tồn tại chủ quan và khách quan, tồn tại này nếu không được
nhận thức đúng và khắc phục kịp thời thì việc đưa Việt Nam trở thành một nước
công nghiệp hiện đại, kinh tế phát triển, hội nhập quốc tế vào năm 2020 là điều khó
khăn. Bởi vì vật liệu composite có ý nghĩa và tầm quan trọng đặc biệt đối với khoa
học - công nghệ, các ngành kỹ thuật, các lĩnh vực của đời sống xã hội,….
1.5. Ứng dụng lớp mạ composite
Lớp mạ composite chịu mài mòn
Những sản phẩm cơ khí, mạ khuôn, dụng cụ đo, xi lanh, các lớp mạ composite

có khả năng chịu nhiệt độ cao; trong công nghiệp điện tử để mạ các tiếp điểm, có
tính chịu mòn rất tốt so với lớp mạ đơn nhằm nâng cao tuổi thọ sử dụng cho các
linh kiện điện tử. Hợp chất Cu-SnC chúng có đặc điểm chống mài mòn trong chân


14

không tốt, nâng cao tính ổn định của các cơ cấu chuyển mạch, đặc biệt là khi làm
việc trong chân không (vũ trụ) [40].
Hợp kim Cu-Grafit làm việc tốt trong môi trường không khí có ăn mòn và ma
sát, khi có grafit + molipden vào bề mặt tạo cho bề mặt có độ cứng ít thay đổi khi
gặp điều kiện làm việc khắc nghiệt, MoS2 có tính chống mòn tốt (trong không khí
hệ số ma sát giảm 2,5 lần), điện trở chuyển tiếp không đổi do đó hợp chất phủ này
sử dụng tốt trong điện tử, radio [74].
Lớp mạ composite chống ăn mòn
Lớp mạ chống gỉ tốt cho lớp mạ bảo vệ - trang sức crom, có thể mạ lớp mạ
composite nhiều lớp nhằm tăng khả năng bám, chịu ăn mòn, chịu mài mòn, cứng,…
như lớp mạ Cr-SiO2, Cr-Al2O3. Khi lớp mạ niken có hạt siêu nhỏ rắn là SiO2,
Al2O3,… sẽ nâng cao độ bền chống gỉ tốt [70].
Mạ kim loại với các phần tử (hạt) nâng cao tính bền vững ăn mòn bề mặt; khi
mạ phủ 2 lớp Ni-Cr có chiều dày lớp mạ dưới 40 µm (Ni), và trên 5µm là (Cr), các
hạt ZnO2, TiO2, Al2O3 được mạ với niken.
Mạ 3 lớp Ni-Ni-Cr có mạ một lớp trung gian của niken với Al2O3 hoặc SiO2
thì tính chống ăn mòn tăng 2 ÷ 10 lần. Khi mạ niken với các phần tử pha phân tán
ZrO2, WC, NbC tính chống ăn mòn tăng 1,3 ÷ 2,5 lần so với lớp mạ chỉ có niken.
Ngoài hai loại lớp mạ composite nói trên còn có lớp mạ composte chống
dính, lớp mạ composite tự bôi trơn, lớp mạ composite trang sức [74].
1.6. Cơ sở lý thuyết mạ điện composite
1.6.1. Nguyên lý mạ điện composite
Trong qúa trình mạ điện composite các hạt phải được ở trạng thái lơ lửng

(dạng huyền phù) nhờ khuấy đảo dung dịch. Khi chuyển động các hạt va chạm vào
bề mặt catot và bị chôn lấp bởi sự kết tủa của kim loại mạ. Quá trình hình thành lớp
mạ điện composite được chia thành các giai đoạn sau [15,23,29,71,74]:
Giai đoạn 1: Sự chuyển động của các phần tử pha phân tán và các ion trong
dung dịch huyền phù đến catot


15

Sự chuyển động này chủ yếu dựa vào sự đối lưu, sự lắng đọng, sự khuếch tán,
các chế độ chảy tầng, chảy lớp, chảy rối của chất lỏng đều ảnh hưởng đến các phần
tử của pha thứ hai trong dung dịch đến bề mặt catot.
Khi hạt chuyển động đến bề mặt điện cực để cùng kết tủa lên kim loại mạ bị
các lực tác dụng như hình 1.4.
F6
d
F2
F1

F3

Gradp

F4
F7

F5

Hình 1.4: Sơ đồ các lực tác dụng lên hạt giai đoạn 1
Các ký hiệu: F1- lực quán tính của phân tử; F2- lực cản độ nhớt; - độ nhớt

động học của dung dịch; F3- lực xuất hiện tác dụng lên Gradien; F4- lực điện bên
ngoài (do nguồn một chiều cung cấp cho bể mạ); F5- trọng lực; F6- lực đẩy Acsimet;
F7- lực điện (do ma sát giữa các lớp chảy tầng sinh ra); d- đường kính của hạt.
Sự dời chuyển của các phần tử pha thứ 2 đến catot chủ yếu được thực hiện do
khuấy đảo, sự điện di (các hạt mang điện), sự khuếch tán của các hạt. Sự khuấy trộn
làm cho các phần tử bột, các ion chuyển động đến bề mặt catot diễn ra nhanh.
Các yếu tố ảnh hưởng của giai đoạn này: độ nhớt của chất lỏng, vận tốc
chuyển động của các hạt và ion, kích thước của các phần tử pha thứ 2, nồng độ
dung dịch, thành phần của chất điện phân, chế độ khuấy đảo của dung dịch, vị trí
tương đối giữa catot và anot.


16

Giai đoạn 2: Sự bám dính của các phần tử pha thứ hai (các hạt) lên bề mặt catot
Vẫn tiếp tục giai đoạn một, các phần tử bột tiếp tục chuyển động với khoảng
cách bằng chiều dày lớp khuếch tán. Lực hấp thụ các phần tử trên catot phụ thuộc
vào kích thước của các phần tử, nồng độ chất điện phân, hình dáng catot, tốc độ
hướng và tính chất của dòng chảy.
Sự dính kết diễn ra và thực hiện được nhờ lực hút tĩnh điện, đó là sự tương tác
giữa các điện tích và được tuân theo định luật cu lông. Lực dính kết của các hạt lên
bề mặt catot thường tỷ lệ với sức căng bề mặt (còn gọi là năng lượng bề mặt) và
được xác định bằng thực nghiệm.
Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn này: bề mặt catot, khí hydro thoát ra ở bề
mặt catot sẽ đẩy hoặc ngăn cản các phần tử vào catot, kích thước các hạt, bề mặt mạ
kỵ nước (làm giảm độ bám phủ). Điện trường và độ từ thẩm đều có ảnh hưởng vì nó
tác dụng lực lên các điện tích. Thời gian hạt tiếp xúc với catot càng dài thì khả năng
phủ của hạt càng tốt. Đặc điểm va chạm của hạt vào catot do cách bố trí catot song
song với anot hoặc dòng mạ phủ vuông góc với mặt catot.
Giai đoạn 3: Sự chôn lấp (che, phủ) của kim loại kết tủa lên các hạt

Đây là giai đoạn quan trọng nhất. Ở giai đoạn này của quá trình nó xác định số
lượng pha phân tán trong lớp phủ, mối liên kết bền vững và sự cấu trúc cục bộ
không đồng nhất của các hạt.
Các hạt bám trên bề mặt vào lớp mạ được che phủ và chôn lấp cùng với kim
loại kết tủa, kết thúc quá trình mạ ta được lớp mạ composite với nền là kim loại mạ
cùng các hạt.
Các yếu tố ảnh hưởng của giai đoạn này: sự che phủ các hạt trên bề mặt catot
bởi kim loại mạ kết tủa phụ thuộc vào tính chất của các hạt, thành phần và điều kiện
điện phân như: khối lượng riêng của hạt, ổn định hỗn hợp huyền phù, và các hạt
luôn ở trạng thái phân tán cao nhất. Kích thước của hạt, nếu lớn quá thì việc che
phủ sẽ khó khăn hơn, hạt dễ bị lắng và dễ bị tách ra khỏi bề mặt catot; nhưng nếu
quá nhỏ thì nó bị ảnh hưởng rất lớn của Acsimet, dẫn đến ảnh hưởng của khối
lượng hạt trong lớp mạ.


17

Cùng với sự phân cực, gradiên thế (cường độ điện trường) tăng mạnh ở
khoảng cách gần catot làm tăng tốc độ điện di của các hạt tích điện đến bề mặt
catot, tạo điều kiện cho sự đồng kết tủa của các hạt vào lớp mạ.
Hình dạng vật mạ, bề mặt tự do (mặt ngoài) dễ phủ hơn bề mặt kín (bên trong,
rãnh, lỗ,...). Bề mặt kim loại mạ háo nước và khả năng khuếch tán nhỏ của chất điện
phân, độ nhớt của dung dịch,... làm cho catot dễ phân cực dẫn đến phủ mạ được tốt hơn.
1.6.2. Các thông số đánh giá chất lượng lớp mạ
Tùy theo chức năng và điều kiện làm việc mà yêu cầu về chất lượng lớp mạ
khác nhau. Lớp mạ có nhiều chức năng và được phân ra như: lớp mạ trang sức - lớp
mạ bảo vệ, lớp mạ phục hồi kích thước cho chi tiết đã mòn, lớp mạ bảo vệ để tạo ra
bề mặt có tính chất cơ, lý, hóa, điện, từ,... mỗi nhóm có những yêu cầu riêng biệt về
mức độ kiểm tra và đánh giá chất lượng. Sau đây là một số thông số chính để đánh
giá chất lượng lớp mạ.

a. Độ dày và độ đồng đều của lớp mạ
Chiều dày của lớp mạ là yếu tố quan trọng nhất để quyết định chất lượng lớp
mạ. Trong quá trình mạ, lớp mạ thường không bằng nhau trên bề mặt vật mạ mặc dù
trong cùng một điều kiện mạ, nhưng tuổi thọ của lớp mạ lại được quyết định bởi vùng
bề mặt có chiều dày lớp mạ mỏng, chiều dày tối thiểu chính là chiều dày quy định của
lớp mạ mà mọi điểm trên bề mặt vật mạ cần đạt được, lớp mạ lý tưởng là lớp mạ có
chiều dày đồng đều trên toàn bộ vật mạ [14,16].
b. Độ ăn mòn của lớp mạ
Để có kết quả chính xác nhất về độ bền ăn mòn thì phải kiểm tra trong điều
kiện làm việc thực sự của nó, nếu vậy cần nhiều thời gian nên chỉ phù hợp cho công
việc nghiên cứu, còn đối với các nhà máy xí nghiệp phù hợp nhất là thử nhanh cho
lớp mạ và kim loại trong tủ phun mù muối, phương pháp này độ chính xác chưa cao
nhưng tiện lợi và là phương pháp rất thông dụng hiện nay. Phương pháp kiểm tra độ
bền ăn mòn trong tủ phun mù muối, thường được tiến hành trên thiết bị thử: Q-Fog
CCT 600 - Mỹ, dung dịch nước muối được phun thành luồng dưới dạng sương mù
với mật độ và liều lượng quy định. Các mẫu thử phải được làm sạch, sấy khô đặt


18

trong buồng. Thử nghiệm có thể được tiến hành phun liên tục hay theo chu kỳ tùy
thuộc vào vật liệu và các yêu cầu cần thử. Đánh giá kết quả mức độ ăn mòn, phồng
rộp hay bong tróc theo tiêu chuẩn quy định [59,61,67].
c. Độ bám của lớp mạ
Độ gắn bám của lớp mạ với nền là một tính chất rất quan trọng, nếu độ gắn
bám không tốt lớp mạ có thể bị bong ra, hoặc bị biến dạng khi có lực tác dụng, cũng
có thể bị phồng rộp do khí sinh ra,…. Những khuyết tật này do nhiều nguyên nhân
sinh ra như, ảnh hưởng của lực co rút kim loại, ảnh hưởng của trạng thái bề mặt
nền, ảnh hưởng của việc chuẩn bị bề mặt (nền), quy trình công nghệ mạ chưa tốt,....
Độ gắn bám tốt nhất là độ liên kết hoàn chỉnh giữa kim loại mạ và kim loại

nền, khi tách lớp mạ không bị bong tại vị trí tiếp giáp giữa lớp mạ với nền. Để đo
độ gắn bám có rất nhiều cách [16,37]:
Phương pháp bẻ gập 90o, dùng mẫu thử là những tấm lá mỏng đã mạ bẻ gập
90o nhiều lần về hai phía đối nhau, cho tới khi lớp mạ bị bong ra hoặc mẫu bị gẫy,
số lần bẻ 90o đặc trưng cho độ gắn bám của lớp mạ với nền.
Phương pháp kéo tách, độ gắn bám được tính định lượng bằng lực kéo khi
chốt tách khỏi lớp mạ (kg), chia cho diện tích lớp mạ đã tách khỏi đầu chốt (mm2)
(tiến hành ít nhất ba chốt lấy giá trị trung bình ); phương pháp này thích hợp với lớp
mạ dày.
Phương pháp nung nóng mẫu thử lên đến 200oC rồi làm lạnh đột ngột; do hệ
số giãn nở nhiệt của kim loại mạ và kim loại nền khác nhau gây ra ứng suất lớn làm
cho lớp mạ bị nứt, bong ra khi gắn bám không tốt. Phương pháp này thích hợp cho
trường hợp là hệ số giãn nở của kim loại mạ và kim loại nền rất khác nhau. Hiện
nay thường dùng thiết bị thử: Lò nung NABERTHERM - CHLB Đức.
1.6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ
a. Ảnh hưởng của dòng điện [52,75]
Khi chưa có điện trường (dòng điện) chất điện phân huyền phù được đặc
trưng bằng nồng độ, nhiệt độ, mật độ,... các thành phần trong dung dịch điện phân
chuyển động vô hướng.


19

Khi có điện trường (dòng điện) trong chất điện phân huyền phù trạng thái cân
bằng bị phá vỡ. Lực điện trường tác dụng làm lưỡng cực phân tử nước và các anion
hình thành xung quanh cation vành hydrat, vành solvat dày đặc.
Khi mật độ dòng điện thấp, tốc độ phản ứng điện hóa chậm dẫn tới tốc độ mạ
chậm, khả năng phân bố của lớp mạ kém, nếu quá thấp có thể không có lớp mạ.
Tăng mật độ dòng điện hợp lý làm cho tốc độ chuyển đổi điện tử trong các
phản ứng điện cực tạo cơ hội cho các nguyên tử mới hình thành, có đủ thời gian

nhập vào mạng lưới tinh thể với một cấu trúc duy trì đều đặn được lớp mạ có chất
lượng tốt. Mật độ dòng điện đạt đến giá trị cực đại (mật độ dòng điện giới hạn) khi
đó bất kỳ ion nào tới bề mặt catot đều phóng điện.
Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện thì các ion phóng điện với tốc độ nhanh
tạo ra nhiều nguyên tử, trong khi đó có nhiều nguyên tử không kịp nhập vào vị trí
cân bằng trong mạng tinh thể, dẫn tới mạng tinh thể không theo một trật tự, kết quả
tạo thành lớp mạ có nhiều lớp, gợn sóng. Nếu mật độ dòng điện tăng quá cao lớp
mạ thu được có dạng bút tháp, nhánh cây,....
Mật độ dòng điện còn ảnh hưởng đến sự phóng điện của các cation cùng
phóng điện trên điện cực, khi mật độ dòng điện nhỏ hơn mật độ dòng điện giới hạn,
ion M1n+ phóng điện, còn ion M2n+ chưa có khả năng phóng điện. Khi tăng mật độ
dòng điện catot đạt đến một dòng điện giới hạn, điện thế điện cực catot chuyển mạnh
về phía âm đạt đến một giá trị điện thế để các ion M2n+ bắt đầu phóng điện.
Tăng mật độ dòng điện hợp lý làm tăng sự phân cực catot, cho lớp mạ có
tinh thể nhỏ mịn, sít và làm tăng tốc độ mạ của kim loại mạ đồng thời cũng làm
tăng sự đồng kết tủa của hạt trong lớp mạ.
Nhưng có những nghiên cứu khi tăng mật độ dòng catot, hàm lượng hạt trong
lớp mạ đi qua cực đại. Như trong trường hợp mạ cađimi, niken trong dung dịch sulfat
có thêm hạt Al2O3, khi Dc = 2 A/dm2 hàm lượng Al2O3 tăng 1,2  2 lần, nếu tiếp tục
tăng dòng điện thì hàm lượng Al2O3 lại giảm xuống.
Đối với một dung dịch nhất định muốn nâng cao tốc độ mạ phải tăng dòng
điện giới hạn, để tăng dòng điện giới hạn thường phải tăng nồng độ ion kim loại


20

nhưng cũng chỉ tăng ở một mức độ nhất định; yếu tố nhiệt độ và khuấy đảo dung
dịch cũng góp phần làm tăng dòng điện giới hạn.
b. Ảnh hưởng của độ pH
Độ axit của dung dịch phụ thuộc vào nồng độ ion H+, ion H+ càng cao thì độ

axit càng lớn (độ pH nhỏ); ngược lại ion H+ càng thấp thì độ axit càng nhỏ (độ pH lớn).
Nếu nồng độ ion H+ bằng nồng độ ion OH- thì dung dịch ở trạng thái trung hoà.
Bản chất của quá trình mạ điện là sự ăn mòn điện hoá; để quá trình này xảy
ra, kim loại mạ cần ở dạng ion, ion H+ có vai trò duy trì các kim loại ở dạng ion.
Nhưng ion H+ chỉ có tác dụng với các kim loại mạ đứng trước ion H+ trong dãy hoạt
động hoá học, như [21,70]:
Khi thiếu ion H+ thì:

Ni2+

OH-



Ni(OH)2



NiO

Ni(OH)2



Ni2+

NiO



+

Ni(OH)2
Nếu có ion H+ :

2H+
2H+ +

+

Ni2+

+

+
+

H2 O
H2 O
H2 O

Trong qúa trình mạ điện trên catot ngoài ion kim loại kết tủa còn có các phản
ứng phụ hay gặp đó là ion hydro phóng điện. Khi đánh giá ảnh hưởng của ion hydro
phải tính đến điện tích của hydro và tốc độ chuyển động của nó, vì ion H+ ảnh
hưởng đến giá trị pH của dung dịch.
Khí hydro thoát ra trên catot trong quá trình mạ gây nhiều tác hại cho lớp
mạ, hydro thoát ra nó có thể đọng lại thành bọt bám trên catot lớn dần rồi tách ra,
bọt đã che chắn không cho quá trình mạ xảy ra, tại vị trí bám của nó gây nên các
vết, lỗ làm xấu lớp mạ và gây ăn mòn mạnh, đó chính là hiện tượng rỗ (pitting) của
lớp mạ, bên cạnh đó cũng làm giảm hiệu suất dòng điện, phải mất điện năng vào

việc giải phóng hydro, do đó làm cho tốc độ mạ giảm đi.
Khi độ pH trong dung dịch tăng quá cao (ion H+) dẫn đến tạo thành hydroxit,
hoặc muối kiềm khó tan như muối borit (chứa ion BO 33 ) hoặc các muối tạp chứa các
ion gốc axitboric H3BO3, các chất này lẫn vào lớp mạ tạo gai, cây, gây ứng suất nội.


21

Mỗi loại dung dịch mạ có độ pH nhất định, một yêu cầu đặt ra trong quá
trình mạ cần duy trì sự ổn định của độ pH. Khi độ pH > 2 không có ảnh hưởng tới
sự tham gia của các hạt cứng vào lớp mạ composite, còn dưới giá trị này thì các hạt
cứng tham gia vào lớp mạ bị giảm [71].
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi nhiệt độ cao sẽ làm cho nhiều tính chất của dung dịch bị thay đổi như độ
dẫn điện của dung dịch, hoạt động của các ion, điện thế phóng điện của các ion.
Tăng nhiệt độ sẽ làm tăng độ hoà tan của các loại muối trong dung dịch, làm giảm
sự thoát của khí hydro, sẽ thu được lớp mạ mềm, vì khí hydro thoát ra nhiều làm
ảnh hưởng xấu đến chất lượng lớp mạ [56].
Tăng nhiệt độ làm tăng hiệu suất dòng điện, có thể nâng cao được mật độ
dòng điện do đó làm tăng tốc độ mạ, vẫn đảm bảo được lớp mạ kết tinh nhỏ mịn.
Nhiệt độ tăng làm tăng hoạt động của các phần tử trong dung dịch mạ như: làm tăng
sự di chuyển của các phần tử, bổ sung nhanh số ion ở sát lớp catot, và khuếch tán
mạnh số ion của anot hoà tan.
Khi tăng nhiệt độ qúa cao gây nhiều tác hại như: độ nhớt của dung dịch chất
điện phân giảm, nồng độ các phần tử trong lớp sát catot giảm do sự lắng nhanh của
các hạt (khi khuấy trộn yếu). Dung dịch bị phân huỷ và hao hụt nhiều do bay hơi,
đồng thời tốn nhiều điện năng và thời gian để đun nóng dung dịch.
Nhưng nếu nhiệt độ thấp dưới ngưỡng quy định sẽ cho lớp mạ giòn, tốc độ mạ
chậm,... chất lượng lớp mạ không đảm bảo. Vì vậy với mỗi một dung dịch kim loại mạ
tương ứng với nhiệt độ quy định, đảm bảo nâng cao năng suất và chất lượng lớp mạ.

d. Ảnh hưởng của thành phần dung dịch
Chất lượng lớp mạ phụ thuộc rất nhiều vào thành phần dung dịch mạ, dung
dịch mạ là một hỗn hợp khá phức tạp, mỗi một thành phần trong dung dịch đều có
ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ [17,26,30,34,60].
* Ion kim loại
Là phần tử mang điện tích được hình thành khi nguyên tử kim loại bị mất điện
tử (kim loại - M)


22

M  Mn+ + ne
Cu  Cu2+ + 2e
Trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion đơn hay ion phức; ion kim loại
mang điện dương nên tham gia vào quá trình khử (quá trình nhận điện tử) tại cực
âm, hình thành lại nguyên tử kim loại bám vào bề mặt catot, như trong quá trình mạ
niken (Ni), niken tồn tại dưới dạng ion Ni2+ trong dung dịch mạ, khi có dòng điện
ion niken phóng điện Ni2+ + 2e  Ni. Nguyên tử niken kết tủa (bám) lên bề mặt
chi tiết mạ (catot).
Trong dung dịch ion kim loại tạo sự cân bằng điện tích (tổng điện tích dương
bằng tổng điện tích âm); và tạo ra môi trường có khả năng dẫn điện (cho dòng điện
đi qua).
Khi nồng độ ion trong dung dịch lớn sẽ làm tăng dòng điện giới hạn, làm nâng
cao giải mật độ dòng điện thích hợp cho lớp mạ, góp phần nâng cao chất lượng lớp
mạ. Dung dịch đơn thường dùng để mạ với tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn
giản. Dung dịch phức thường dùng trong trường hợp cần có khả năng phân bố cao,
để mạ cho vật có hình dạng phức tạp [26].
* Chất điện ly [34]
Là những chất khi tan trong nước có khả năng phân ly thành các ion như:
NiSO4  Ni2+ + SO42CH3COOH

↔

CH3COO-

(1)
+ H+

(2)

Chất điện ly thường có 2 loại: chất điện ly yếu (2) khi tan trong nước chỉ một
phần các phân tử phân ly thành ion, phần còn lại vẫn ở dạng phân tử (CH3COO-).
Chất điện ly mạnh (1) khi tan trong nước tất cả các phân tử đều phân ly thành
các ion; như vậy chất điện ly mạnh khi đưa vào dung dịch làm tăng nồng độ các ion,
do đó làm tăng khả năng dẫn điện của dung dịch, chúng có thể kiêm thêm vai trò
chất đệm, khống chế độ pH ổn định cho dù hydro và oxy thoát ra làm thay đổi tính
axít của dung dịch ở sát điện cực.
Đối với dung dịch có chứa H+, khi đưa một số chất điện ly vào dung dịch sẽ
làm thay đổi nồng độ pH, như khi thêm axit clohydric vào dung dịch thì:


23

HCl  H+ + Cl-

dư H+  [H+]  tức pH giảm.

Nếu thêm NaOH vào dung dịch thì:
NaOH  Na+ + OHOH- + H+  H2O
Như vậy mất H+, [H+]  tức pH tăng.

Khi pH quá lớn, hydroxit kim loại kết tủa lẫn vào lớp mạ, gây khó khăn cho
quá trình mạ; các kim loại có tính xúc tác thoát hydro và dễ bị thuỷ phân (như trong
mạ điện niken) chính vì lẽ đó mà trong mạ điện niken phải có axít boric (H3BO3).
Khi thêm các chất điện ly không làm ảnh hưởng đến [H+] thì chúng lại ảnh
hưởng đến quá trình khử H+ ở điện cực (quá trình thoát hydro). Như khi thêm niken
clorua vào dung dịch NiCl2  Ni2+ + Cl-.
Như vậy trong dung dịch chứa hai ion dương (Ni2+ và H+), theo thứ tự thế điện
cực thì H+ được ưu tiên khử trước, vì ion H+ dương hơn (H+ = 0 ; Ni2+ = - 0.25) do
đó H2 được giải phóng.
Khi thêm đồng clorua vào dung dịch: CuCl2  Cu2+ + 2ClTrong dung dịch chứa Cu2+ và H+; theo thứ tự thì điện cực (Cu2+ = + 0,399)
được ưu tiên khử trước, H2 không được giải phóng sẽ lẫn vào lớp mạ gây hiện
tượng giòn hydro, hoặc tạo bọt, xốp,....
* Chất hoạt tính bề mặt
Các chất hoạt tính bề mặt thúc đẩy sự ổn định của các hạt lơ lửng nhờ tăng
tính thấm ướt của các hạt lơ lửng bằng cách hấp thụ trên bề mặt của chúng, nhờ tính
thấm ướt nên bọt khí hydro dễ thoát (thoát nhanh) khỏi bề mặt điện cực. Tính thấm
ướt của các hạt vô cơ không phải là vấn đề chính trong mạ điện composite nhưng nó
tạo nên những ưu điểm phụ nếu như các chất hoạt tính tích điện dương được sử
dụng. Những chất hoạt tính tích điện dương tạo lên một lưới điện tích điện dương
ngăn cản hiện tượng vón cục và hấp dẫn nó về phía catot [60].
* Chất phụ gia
Nhằm làm thay đổi hình thái, tính chất,... của kết tủa lên bề mặt catot; các chất
phụ gia thường dùng có khả năng hấp thụ lên bề mặt catot, có khả năng giữ các
phần tử khác trên bề mặt nhờ các tương tác yếu mà không phải là liên kết hoá học
(tương tác hấp dẫn), nhiều chất phụ gia cũng làm tăng quá thế điện kết tủa.


24

Trong mạ một số chất có khả năng hấp thụ lại là tạp chất trên bề mặt vật mạ ngăn

cản sự liên kết giữa lớp mạ với bề mặt mạ, làm cho lớp mạ dễ bong. Nhưng lại có một
số chất có tác dụng hấp thụ làm cho lớp mạ có chất lượng như: chất làm bóng, làm cho
lớp mạ nhẵn mịn, và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm. Chất san bằng làm cho lớp
mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng, chúng hấp thụ lên những điểm có tốc độ mạ
lớn và làm giảm tốc độ mạ xuống; chất phụ gia này đã ưu tiên hấp thụ lên các điểm
lệch là chỗ có năng lượng tự do lớn hơn và lên các đỉnh lồi là chỗ có tốc độ khuếch tán
lớn, các chất phụ gia này sẽ có cả tác dụng của chất bóng và chất sau bằng [60].
Ảnh hưởng của các hạt (pha thứ hai): để thu được lớp mạ composite, người ta cho
vào dung dịch hạt cứng với tỷ lệ theo yêu cầu, các hạt có độ cứng và có độ rắn cao, có
tính trơ về mặt hóa học, luôn ở trạng thái huyền phù.
Khi các hạt trong dung dịch mạ được đưa đến và được kết tủa cùng với kim
loại mạ trên chi tiết mạ (catot). Bằng các thiết bị kỹ thuật hiển vi quang học, kính
hiển vi điện tử, phân tích hình ảnh và định lượng,... cho thấy có sự thay đổi về cấu
trúc bề mặt lớp mạ phủ như bề mặt nhẵn, phẳng hơn (so với lớp mạ điện thường), vì
do các hạt làm thay đổi sự hình thành của các dạng kim tự tháp ở lớp mạ điện
thường (các hạt khi kết tủa cùng kim loại mạ đã cản trở sự hình thành và phát triển
của kim tự tháp).
Các nghiên cứu đã chỉ ra các chất phụ gia vô cơ, hữu cơ, các chất hoạt động bề
mặt đều có ảnh hưởng đến quá trình hình thành lớp mạ composite như: làm tăng sự
phân cực catot, làm thuận lợi cho quá trình đồng kết tủa các hạt vào lớp mạ
composite. Có thể thu được lớp mạ Cu-Al2O3 với hàm lượng Al2O3 đạt 7% trong
dung dịch sulfat khi thêm 0,2 g/l thiurê (NH2)2CS [52].
đ. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy
Trong qúa trình mạ điện, những phản ứng điện hoá gây nên sự thay đổi nồng độ
thành phần dung dịch gần điện cực, sự biến đổi này được bù bằng sự dịch chuyển của
các ion đến điện cực từ trong dung dịch; trong quá trình kết tủa tạo mầm trên catot
xảy ra hiện tượng nồng độ ion kim loại sát lớp catot bị nghèo đi, nếu không được bổ
sung đủ và kịp thời sẽ gây ra phân cực nồng độ, xảy ra nhiều bất lợi như [2,75]:

25

Không dùng được dòng điện lớn, tốc độ mạ chậm, lớp mạ dễ bị gai, cây, cháy,
và dung dịch dễ xảy ra hiện tượng phân lớp nồng độ, ở gần catot dung dịch loãng và
nhẹ hơn sẽ chuyển động lên phía trên, ngược lại gần anot dung dịch đặc và nặng
hơn sẽ chuyển động xuống đáy. Các hạt dễ lắng xuống đáy và dễ kết tụ tạo thành
từng khối dẫn tới lớp mạ thu được với số lượng hạt ít và các hạt phân bố không
được đều trong lớp mạ.
Để khắc phục các hiện tượng trên thì dung dịch phải được khuấy đảo liên tục,
việc khuấy đảo dung dịch nhằm các mục đích sau:
San bằng nồng độ và nhiệt độ giữa lớp catot cũng như toàn bộ khối dung dịch,
làm tăng sự khuếch tán đến điện cực. Tăng chuyển động tương đối giữa catot và
dung dịch, cho phép dùng dòng catot cao hơn, làm tăng tốc độ mạ.
San bằng nồng độ pH trong toàn bộ khối dung dịch cũng như tại nơi điện cực,
khi có khuấy thì bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, bọt khí hydro khi bám
lên bề mặt catot gây lên lỗ xốp (hiện tượng châm kim), hoặc khi lẫn vào lớp mạ gây
ra ứng suất dư,....
Làm tăng tốc độ khuếch tán vận chuyển các phần tử vào vùng sát catot, tạo
điều kiện thuận lợi cho các phần tử (ion kim loại mạ) kết tủa và đồng kết tủa của hạt
lên bề mặt điện cực. Đảm bảo cung cấp đầy đủ các phụ gia vi lượng vào catot một
cách thường xuyên nên hiệu quả mạ tăng và chất lượng lớp mạ tốt.
Khuấy đảo duy trì dung dịch mạ luôn luôn ở trạng thái huyền phù, (các hạt ở
trạng thái lơ lửng), chống lại sự lắng xuống của các hạt, đặc biệt các hạt ở sát lớp
điện cực và các hạt có kích thước lớn, đảm bảo độ phân tán cao của các hạt, chống
lại sự kết tụ và tạo keo của các hạt (đối với các hạt có kích thước siêu nhỏ), tạo tác
dụng cơ khí cho các hạt lên quá trình điện cực, chống lại sự thụ động của anot.
Khuấy thúc đẩy sự dịch chuyển các hạt, tăng khuấy sẽ làm cho nhiều hạt tham
gia vào lớp mạ. Tuy nhiên khuấy quá mạnh sẽ làm giảm các hạt tham gia vào lớp mạ
bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặt catot trước khi chúng được giữ lại [57].
e. Ảnh hưởng của việc chuẩn bị chi tiết, phương pháp và thiết bị mạ

Khai thác qui trình công nghệ mạ để nâng cao chất lượng lớp mạ là một vấn
đề quan trọng đặc biệt trong sản xuất. Những chỉ tiêu cơ bản để thiết kế phân xưởng