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

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGHUYÊN
-------***-------

TRƢƠNG ĐỨC THIỆP

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠ COMPOSITE VÀ
ỨNG DỤNG MẠ THỬ NGHIỆM CÁC CHI TIẾT
NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT

Chuyên ngành: Cơng nghệ chế tạo máy
Mã số: 62.52.04.01

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2012

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




Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái
Nguyên; Trƣờng Cao đẳng Nghề Cơ khí nơng nghiệp.

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Phan Quang Thế
2. TS. Trần Minh Đức

Phản biện 1: GS.TSKH. Phạm Văn Lang
Phản biện 2: PGS.TS. Trần Thế Lục
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Quế

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Thái Nguyên.
Họp tại:
Vào hồi

giờ,

ngày

tháng năm 2012

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia;
- Thư viện Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên;
- Thư viện Trường Cao đẳng Nghề Cơ khí nơng nghiệp.

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




CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ
1. Nguyễn Đăng Bình - Phan Quang Thế - Trương Đức Thiệp (2008), Kỹ thuật bề mặt và ứng
dụng, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Số 4(48) Tập 2, Hội thảo Khoa học Cơng nghệ Tồn
quốc, Cơng nghệ Vật liệu và bề mặt, Bộ giáo dục và đào tạo - Đại học Thái Nguyên.
2. Nguyễn Đăng Bình - Phan Quang Thế - Trương Đức Thiệp (2010), Mạ composite TiO2
một giải pháp kỹ thuật nâng cao khả năng làm việc của lớp mạ Ni, Tạp chí Khoa học và

Cơng nghệ Số 72, Bộ giáo dục và đào tao - Đại học Thái Nguyên.
3. Nguyễn Duy Cương - Nguyễn Đăng Bình - Bùi Chính Minh - Trương Đức Thiệp (2010),
Nguồn xung cung cấp cho cơng nghệ mạ, Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ Số 72, Bộ
giáo dục và đào tao - Đại học Thái Nguyên.
4. Phan Quang Thế - Trương Đức Thiệp (2009), Nghiên cứu mối quan hệ giữa chế độ cắt và
tuổi bền của dao Nitrit Bo phủ dùng tiện tinh thép hợp kim qua tôi; Đề tài cấp Bộ mã số
B-2007 TN 06-05.
5. Nguyễn Đăng Bình - Phan Quang Thế - Trần Minh Đức - Trương Đức Thiệp - và một số
cộng sự (2008) “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạ tổ hợp kim loại composite coating,
nhằm nâng cao chất lượng chi tiết làm việc trong điều kiện ăn mòn và ma sát cao”; Đề
tài cấp Quốc gia mã số KC.02.18/06-10.

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




1

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Khái niệm chất lƣợng bề mặt chi tiết
Các chi tiết bị hỏng khi các thơng số của nó sai khác so với yêu cầu kỹ thuật.
Dƣới 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 thơng số bề mặt: hình dáng (hình trụ, hình cơn, hình răng, hình then,
hình ren, hình prơphil, hình cầu, hình phẳng, hình rãnh, dạng mặt phẳng nhẵn); kích
thƣớc (đƣờng kính, chiều dài, chiều rộng, chiều dày, chiều sâu, diện tích); tính chất
cơ - lý (độ cứng, tính chống mịn, độ bám của lớp phủ với nền, tính chịu mỏi, tính

đàn hồi); độ chính xác (cấp chính xác); độ nhám; tính hồn 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 thơng 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 thơng số bề mặt của chi tiết đã trình bày ở trên có thể đƣợc xem nhƣ là
đặc trƣng cho chất lƣợng bề mặt chi tiết.
Trên thực tế, tùy vào lĩnh vực nghiên cứu, các thơng số đƣợc quan tâm nhiều
hơn (thơng số chính) hay ít hơn (thông số phụ).
Trong gia công cơ khí, chất lƣợng bề mặt gia công đƣợc đánh giá bằng hai
yếu tố đặc trƣng: tính chất cơ - lý của lớp kim loại bề mặt và độ nhám bề mặt.
Khi nghiên cứu về ma sát, chất lƣợng bề mặt bao gồm: các thơng 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 thơng số trên có quan hệ lẫn nhau.

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




2

1.2. Hƣ hỏng và phƣơng pháp phục hồi chi tiết máy
1.2.1. Nguyên nhân dẫn đến hư hỏng của chi tiết máy
Có rất nhiều ngun nhân (yếu tố) làm các thơng số đối tƣợng (chi tiết, máy)
thay đổi. Chúng có thể phân chia theo một số cách. Dƣới đây trình bày một trong
các cách phân loại [1,39,76]:
Các nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi trạng thái của đối tƣợng (dẫn đến hƣ
hỏng của đối tƣợng) đƣợc chia thành hai nhóm: nguyên nhân nhân tạo (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 đƣợc chia thành hai nhóm: yếu tố bên ngồi và
yếu tố bên trong.
a. Các yếu tố bên ngoài
Các yếu tố bên ngồi có thể chia thành ba nhóm:
* Các yếu tố vật lý: lực, nhiệt,… các yếu tố này tác dụng lên đối tƣợng (chi
tiết) với cƣờng độ (độ lớn) khác nhau.
* Các yếu tố hóa học: các chất khí, khơng 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 trƣờng hợp chi tiết hay cặp lắp gép chịu tác dụng cùng một lúc
một số yếu tố nhƣng về nguyên tắc chủ đạo sẽ là một trong các yếu tố: các yếu tố
hay gặp nhất là lực (lực ma sát) và mơi trƣờng ăn mịn. Các yếu tố này là nguyên
nhân dẫn đến giảm chất lƣợng bề mặt chi tiết máy. Khi chất lƣợng bề mặt giảm quá
giới hạn cho phép, chi tiết xem nhƣ bị hỏng.
b. Các yếu tố bên trong
Các yếu tố bên trong có thể đƣợc chia thành hai nhóm: các thơng số (yếu tố)
bề mặt; các thơng số bên trong.

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




3

1.2.2. Ma sát và mài mòn chi tiết máy
Ma sát là hiện tƣợng xuất hiện những lực và ngẫu lực có tác dụng cản trở các

chuyển động, hoặc các xu hƣớng chuyển động tƣơng đối của hai vật trên bề mặt của
nhau (khi xét hai vật rắn có liên kết với nhau). Ma sát cịn có thể đƣợc hiểu là sự
mất mát năng lƣợng cơ học trong các quá trình: khởi động, chuyển động, dừng. Ma
sát có thể đƣợc phân loại dựa vào đối tƣợng, quá trình, chuyển động và trạng thái
nhƣ hình 1.1; ngồi ra cịn có thể dựa vào tác dụng của ma sát: ma sát có lợi và ma
sát có hại [4,39].
Đối
tƣợng

Hình 1.1: Tổng quan về phân loại ma sát

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




4

Một số đặc trưng cơ bản của ma sát
* Lực ma sát
Cho đến thế kỷ XX, lực ma sát đƣợc tính gần đúng theo cơng thức
Fms  FN

(1.1)

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

(1.2)

* Mômen ma sát
Mômen ma sát đƣợc viết nhƣ sau
Mms = Fms.R

(1.3)

* Công ma sát (năng lượng ma sát)
Năng lƣợng ma sát (Wms, Ems) đƣợc viết nhƣ sau
- Đối với ma sát trƣợt:
Wms T  EmsT 

F

dS ms

(1.4)

Wms L  EmsL   M ms d L

(1.5)

ms

S ms

- Đối với ma sát lăn:
L

- Đối với ma sát xoay:

Wms X  Ems X 

M

ms

d X

(1.6)

X

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

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




5

Một số cơng thức tính mịn cổ điển theo kinh nghiệm
Trong một thời gian dài, cƣờng độ mòn (Ih) đƣợc tính theo một số cơng thức

kinh nghiệm sau:
Ih

p 
 dn

m

(1.7)

H

Cơng thức trên thƣờng đƣợc 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, cƣờng độ mịn đƣợc tính theo cơng thức sau:
I h  209E 1,31

(1.8)

Đối với một số vật liệu phi kim loại, cƣờng độ mịn đƣợc tính nhƣ sau:
I h  8, 4.103.HV 0,27

(1.9)

1,72
I h  ebh

Đối với polyme:
I h  1, 42.103.HV 0,27

(1.10)

0,5
I h  8, 6.104.ebh

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- môđun đàn hồi của vật liệu;
HV- độ cứng Vicke; ebh- năng lƣợng bốc hơi của vật liệu.
1.2.3. Ảnh hưởng của mơi trường ăn mịn
Do tác động của môi trƣờng, 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 tƣợng tự
phá hủy của các vật liệu kim loại do tác dụng hóa học hoặc tác dụng điện hóa giữa kim
loại với mơi trƣờng bên ngồi. Tùy theo cách quan sát hiện tƣợng, các quá trình ăn
mịn kim loại có thể phân loại nhƣ hình 1.2 [39,78].

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




6

Ăn mịn hóa
học
Phân
loại

Ăn mịn điện
hóa

theo
q
trình

Ăn mịn trong
khí
Ăn mịn trong
khơng khí

PHÂN
LOẠI
CÁC
Q
TRÌNH
ĂN
MỊN
KIM
LOẠI

Phân
loại
theo
mơi
trƣờng

Ăn mòn trong
đất
Ăn mòn trong
chất lỏng
Ăn mòn lựa

chọn
Ăn mòn ngầm
(dƣới bề mặt)

Phân
loại
theo
đặc
tính
phá
hủy

Ăn mịn giữa
các tinh thể
Ăn mịn cục
bộ
Ăn mịn nứt
nẻ
Ăn mịn rạn
nứt

Ăn mịn trong k.khí ƣớt
Ăn mịn trong k.khí ẩm
Ăn mịn trong k.khí khơ

Ăn mịn trong axit
Ăn mịn trong kiềm
Ăn mịn trong d.dịch muối
Ăn mịn trong nƣớc sơng
Ăn mịn trong nƣớc biển

Ăn mòn dạng vết đốm
Ăn mòn dạng vết loét
Ăn mòn điểm
Ăn mịn xun tinh thể

Hình 1.2: Phân loại các q trình ăn mịn

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




7

1.2.4. Các phương pháp phục hồi chi tiết máy
Nhƣ đã trình bày ở trên, có nhiều ngun nhân dẫn đến hƣ hỏng của chi tiết
máy, do đó có nhiều dạng hƣ hỏng của chi tiết máy. Hiện nay có rất nhiều phƣơng
pháp phục hồi cho phép phục hồi đƣợc nhiều loại hƣ hỏng, thậm chí một dạng hƣ
hỏng có thể đƣợc phục hồi bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau [1,28,76].
Để phân loại các phƣơng pháp phục hồi có thể dựa vào phƣơng pháp phân
loại hƣ hỏng. Ở cách này hƣ hỏng đƣợc chia thành ba nhóm: mịn; hƣ hỏng cơ học
và hƣ hỏng hố nhiệt.
Mịn là dạng hƣ hỏng hay gặp nhất. Dựa vào mức độ mịn, mịn lại có thể chia
thành ba nhóm: mịn đều, mịn khơng đều sinh ra ôvan, côn (đây là loại thƣờng gặp
nhất ở các bề mặt làm việc và bề mặt chính của chi tiết), các vết xƣớc và sây sát nhỏ.
Hƣ hỏng cơ học (cơ khí) gồm: các vết nứt, thủng, gãy, vỡ, uốn, xoắn, các vết
xƣớc và sây sát lớn.
Hƣ hỏng hoá - nhiệt gồm: gỉ, rỗ do bị ăn mịn (hố học và điện hoá), cháy,
tạo cặn dầu, cặn nƣớc, cong vênh (do giãn nở vì nhiệt).

Trên cơ sở phân loại hƣ hỏng nhƣ trên, các phƣơng pháp phục hồi (loại bỏ
hƣ hỏng) đƣợc chia thành ba nhóm: loại bỏ mịn (phục hồi cặp lắp ghép); loại bỏ hƣ
hỏng hoá - nhiệt và loại bỏ hƣ hỏng cơ học nhƣ hình 1.3.
Từ hình 1.3 cho thấy một hƣ hỏng có thể đƣợc loại bỏ bằng nhiều phƣơng
pháp khác nhau. Để phục hồi hồn tồn một chi tiết (chi tiết có nhiều loại hƣ hỏng)
thƣờng phải sử dụng tổ hợp nhiều phƣơng pháp phục hồi khác nhau. Hiệu quả phục
hồi chi tiết phụ thuộc đáng kể vào phƣơng pháp gia công chúng và lựa chọn phƣơng
pháp hay tổ hợp phƣơng pháp phục hồi hợp lý [36].
Việc chọn phƣơng pháp phục hồi hợp lý trong một số trƣờng hợp còn làm
tăng chất lƣợng (tuổi thọ) của chi tiết phục hồi so với chi tiết mới.

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




8

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

Loại bỏ hƣ hỏng

Loại bỏ hƣ hỏng

(phục hồi cặp lắp ghép)

hóa - nhiệt

cơ học (cơ khí)

Khơng khơi
phục kích
thƣớc ban
đầu

Kích thƣớc
sửa chữa

Khơi phục
kích thƣớc
ban đầu

Ghép thêm
chi tiết phụ

GC

G.C

G.C

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
đƣợc

Sử dụng
mối liên kết
tháo đƣợc

- Hàn đắp kim loại
Biến

- Phun kim loại

dạng

- Mạ điện và mạ hố

dẻo

- Sử dụng polyme

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
đƣợc những chi tiết hỏng do mịn (ngun nhân chính là do lực ma sát) vừa phục
hồi đƣợc những chi tiết hỏng bị gỉ, rỗ do bị ăn mòn (nguyên nhân chủ yếu là do tác
động của môi trƣờng). Lớp mạ bảo vệ tốt cho kim loại khỏi bị ăn mịn 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, ngƣời
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].
Mạ điện composite là một hƣớng phát triển của mạ điện, ngoài những ƣu
điểm của mạ điện thƣờng vừa trình bày ở trên, cơng nghệ này cịn tạo ra đƣợc một
loại vật liệu (vật liệu composite) đang rất đƣợc quan tâm trong lĩnh vực cơ khí nói

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




9

chung và trong lĩnh vực vật liệu nói riêng, là loại vật liệu đa pha kết hợp với nhau
theo sơ đồ thiết kế trƣớc, nhằm tận dụng và phối hợp các tính chất ƣu việt của từng
pha. Các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này ln có tính cấp bách không những đối
với các nƣớc đang phát triển nhƣ nƣớc ta mà ngay cả với các nƣớc phát triển trên
thế giới [8]. Tuy vậy, ở nƣớc ta vẫn chƣa có nghiên cứu nhiều về lĩnh vực này;
chính vì vậy, tác giả đã lựa chọn mạ điện compsite là đối tƣợng nghiên cứu của đề
tài và đƣợc 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 thƣờng, nhƣng trong mạ composite
có các hạt cứng, sự có mặt của các hạt đã cải thiện đƣợc tính chất của lớp mạ nhƣ
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 vƣợt trội so với lớp mạ điện
thông thƣờng. Lớp mạ composite cho phép các chi tiết máy có thể làm việc tốt ở cả
nhiệt độ bình thƣờng và nhiệt độ cao, tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn cho chi
tiết máy và giảm ma sát với bề mặt đối tiếp [31]:
-

Tăng khả năng chống mịn cho các cặp đơi 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 trƣờng đặc biệt nhƣ trong công
nghiệp hạt nhân.

Pha nền sử dụng trong mạ điện composite bao gồm các kim loại và hợp kim
của chúng nhƣ: 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

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




10

nitrit của B và Si, các hợp chất borides của Ti, Zr, Ni, các chất sulfides của Mo, W,
grafit, mica, kim cƣơng.
Các hạt dẫn điện tham gia vào lớp mạ tốt hơn các hạt khơng dẫn điện, hạt có kích
thƣớc lớn dễ bị lắng, cịn hạt có kích thƣớc nhỏ mịn dễ tạo keo, kết tụ thành từng khối
trong dung dịch, các hạt mềm có khả năng chống dính hoặc bơi trơn khơ.
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 thơng số quan trọng của quá trình mạ điện composite

là: dung dịch điện phân, các chất phụ gia, thể tích và các kích thƣớc của hạt cứng trong
dung dịch, mật độ dòng điện, độ pH, tốc độ khuấy, nhiệt độ,....
Ngoài composite chế tạo bằng phƣơng pháp mạ một lớp, các lớp mạ
composite chế tạo bằng mạ nhiều lớp cũng đƣợc thực hiện mà khơng 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 hƣởng 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 khơng bị ăn
mịn, lớp mạ ngồi cùng vẫn giữ đƣợc độ bóng [75].
1.3.2. Mạ điện compsite trên nền niken (Ni)
Mạ composite trên nền Ni đƣợc 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 cƣơng [42,57],....
Lớp mạ composite Ni-TiO2 có những tính chất nhƣ: độ cứng, giới hạn bền và
giới hạn chảy đều tăng do sự tham gia của 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
đƣợc cơ tính ở nhiệt độ cao tốt hơn so với lớp mạ kim loại thƣờng. Độ cứng của lớp
mạ composite khơng phải hồn tồn là do các hạt cứng phân bố trong 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].

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




11

Các tính chất của lớp mạ composite Al2O3 (có kích thƣớc Micromet và nhỏ

hơn) trên nền niken nhƣ: độ cứng tế vi, giới hạn bền kéo và khả năng chống mòn
đều đƣợc nâng cao do sự tồn tại của hạt Al2O3 trong matrix Ni. Khi tăng mật độ hạt
Al2O3 trong lớp mạ thì khả năng chống mịn của lớp mạ đƣợc 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 nhƣ không thay đổi đến nhiệt độ 8000F. Kết
quả tƣơng tự đối với giới hạn bền [43,49,67].
1.4. Tình hình nghiên cứu mạ điện composite trong và ngoài nƣớc
Lớp mạ tổ hợp điện hóa Combination electro-plating viết tắt (CEP), đó là lớp
mạ điện thƣờng, nhƣng trong cấu tạo có các hạt với kích thƣớc 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 đƣợc nghiên cứu và tạo ra từ lâu, C.G. Fink và J.D. Prin thu đƣợc lớp mạ từ năm
1929, hai tác giả đã mô tả sự tạo thành lớp mạ đồng từ dung dịch axit có chứa các hạt
grafit. Bằng cách tƣơng tự, năm 1939 Bajmakov (Nga) đã thu đƣợc 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 q giá của nó từ những năm 60 của thế kỷ 20. Trong những năm đầu thập
niên 60 phƣơng pháp mạ composite nikel-cacbid silic đƣợc thử nghiệm tại Hoa Kỳ.
Phƣơng pháp mạ composite có nhiều ƣu điểm, cho lớp mạ có khả năng chịu ăn mịn
, mài mịn rất tốt và duy trì đƣợc độ cứng ở nhiệt độ cao. Hơn nữa phƣơng pháp mới
còn thân thiện đối với môi trƣờng [23,51].
Lớp phủ hợp kim Ni-Cr đã đƣợc tạo ra trên nền đồng và thép có sử dụng q
trình mạ điện, có thể điều khiển đƣợc 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 đƣợc khảo
sát. Khả năng tạo ra lớp mạ composite của hợp kim Ni-Cr có khả năng chống mịn có
chứa grafit hay các hạt MoS2 cũng đã đƣợc nghiên cứu; việc đƣa các hạt bôi trơn
dạng rắn vào lớp mạ đã cải thiện khả năng tribology của lớp mạ. Sự kết hợp các vật
liệu cứng nhƣ hợp kim Ni-Cr có cấu trúc tinh thể nano với hạt bơi trơn dạng rắn có

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

12

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

độ từ 5g/l đến 15g/l. Phƣơng pháp thứ nhất là mạ với mức độ khuấy nhẹ. Phƣơng
pháp thứ hai là hình thành dịng chảy cƣỡng bức của dung dịch mạ trên nền bằng
bơm. Các kết quả cho thấy cả hai phƣơng pháp đều nhận sự liên kết, nhƣng phƣơng
pháp tạo dòng chảy cƣỡng bức cho mức độ liên kết cao hơn. Mức độ liên kết tăng khi

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




13

mật độ hạt trong dung dịch mạ tăng đến giới hạn trong khoảng giữa 10g/l và 15g/l.
Tại điểm này, mức độ liên kết bị giảm do số lƣợng hạt quá lớn trong dung dịch và
phƣơng pháp dòng chảy cƣỡng bức làm giảm mức độ rỗ cao hơn phƣơng pháp thông
thƣờng. Một sự thay đổi trong mức độ tồn tại hạt W giữa phía nền và phía bề mặt của
lớp mạ đƣợc 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 cơng 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 chƣa đƣợc quan tâm, đầu tƣ và
nghiên cứu nhiều, chủ yếu các cơ sở sản xuất trong nƣớc hiện nay là mạ điện thông
thƣờng (lớp mạ Ni, Cr, Cu,…), tồn tại này có thể do nhiều nguyên nhân nhƣ: do nền
kinh tế của Việt Nam cịn nghèo nàn, trình độ kỹ thuật và cơng nghệ cịn thấp so với
các nƣớc có nền cơng nghiệp phát triển, sự khuyến khích, động viên cho các nhà
khoa học, các nhà kỹ thuật, các trung tâm, viện nghiên cứu,… chƣa đúng mức, chƣa
hiệu quả; đây là một tồn tại chủ quan và khách quan, tồn tại này nếu không đƣợc
nhận thức đúng và khắc phục kịp thời thì việc đƣa Việt Nam trở thành một nƣớc
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 mịn
Những sản phẩm cơ khí, mạ khn, 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 mịn rất tốt so với lớp mạ đơn nhằm nâng cao tuổi thọ sử dụng cho các
linh kiện điện tử. Hợp chất Cu-SnC có đặc điểm chống mài mịn trong chân khơng
tốt, nâng cao tính ổn định của các cơ cấu chuyển mạch, đặc biệt là khi làm việc
trong chân khơng (vũ trụ) [40].

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




14

Hợp kim Cu-Grafit làm việc tốt trong môi trƣờng không khí có ăn mịn 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 mịn tốt (trong khơng khí
hệ số ma sát giảm 2,5 lần), điện trở chuyển tiếp khơng 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,…
nhƣ 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 mịn bề mặt; khi
mạ phủ 2 lớp Ni-Cr có chiều dày lớp mạ dƣới 40 m (Ni), và trên 5 m là (Cr), các

hạt ZnO2, TiO2, Al2O3 đƣợc 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 mịn tăng 2

10 lần. Khi mạ niken với các phần tử pha phân tán

ZrO2, WC, NbC tính chống ăn mịn tăng 1,3

2,5 lần so với lớp mạ chỉ có niken.

Ngồi hai loại lớp mạ composite nói trên cịn có lớp mạ composte chống
dính, lớp mạ composite tự bơi 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 quá trình mạ điện composite các hạt phải đƣợc 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 đƣợc 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.
Sự chuyển động này chủ yếu dựa vào sự đối lƣu, sự lắng đọng, sự khuếch tán,
các chế độ chảy tầng, chảy lớp, chảy rối của chất lỏng đều ảnh hƣởng đến các phần
tử của pha thứ hai trong dung dịch đến bề mặt catot.

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




15

Khi hạt chuyển động đến bề mặt điện cực để cùng kết tủa lên kim loại mạ bị
các lực tác dụng nhƣ hình 1.4.
F6
d
F2
F1

F3

Gradp

F4
F7

F5

Hình 1.4: Sơ đồ các lực tác dụng lên hạt ở giai đoạn 1
Các kí 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- đƣờng kính của hạt.
Sự dời chuyển của các phần tử pha thứ 2 đến catot chủ yếu đƣợc 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 hƣởng của giai đoạn này: độ nhớt của chất lỏng, vận tốc
chuyển động của các hạt và ion, kích thƣớc 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
tƣơng đối giữa catot và anot.
Giai đoạn 2: Sự bám dính của các phần tử pha thứ hai (các hạt) lên bề mặt catot.

Vẫn tiếp tục giai đoạn 1, 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 thƣớc của các phần tử, nồng độ chất điện phân, hình dáng catot, tốc độ
hƣớng và tính chất của dịng chảy.

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




16

Sự dính kết diễn ra và thực hiện đƣợc nhờ lực hút tĩnh điện, đó là sự tƣơng tác
giữa các điện tích và đƣợc tn theo định luật cu lơng (Coulomb). Lực dính kết của
các hạt lên bề mặt catot thƣờng tỷ lệ với sức căng bề mặt (còn gọi là năng lƣợng bề
mặt) và đƣợc xác định bằng thực nghiệm.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến giai đoạn này: bề mặt catot, khí hydro thốt ra ở bề
mặt catot sẽ đẩy hoặc ngăn cản các phần tử vào catot, kích thƣớc các hạt, bề mặt mạ
kỵ nƣớc (làm giảm độ bám phủ). Điện trƣờng và độ từ thẩm đều có ảnh hƣởng 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 dịng mạ phủ vng 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 xác định số lƣợng 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 đƣợc che phủ và chôn lấp cùng với kim
loại kết tủa, kết thúc quá trình mạ ta đƣợc lớp mạ composite với nền là kim loại mạ
cùng các hạt.
Các yếu tố ảnh hƣởng 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 nhƣ: khối lƣợng riêng của hạt, ổn định hỗn hợp huyền phù, các hạt luôn ở
trạng thái phân tán cao nhất. Kích thƣớc của hạt, nếu lớn q thì việc che phủ sẽ
khó khăn hơn, hạt dễ bị lắng và dễ bị tách ra khỏi bề mặt catot; nhƣng nếu q nhỏ
thì nó bị ảnh hƣởng rất lớn của Acsimet, dẫn đến ảnh hƣởng của khối lƣợng hạt
trong lớp mạ.
Cùng với sự phân cực, gradiên thế (cƣờng độ điện trƣờng) 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.

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




17

Hình dạng vật mạ, bề mặt tự do (mặt ngồi) dễ phủ hơn bề mặt kín (bên trong,
rãnh, lỗ,...). Bề mặt kim loại mạ háo nƣớc 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 đƣợc 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 lƣợng lớp mạ
khác nhau. Lớp mạ có nhiều chức năng và đƣợc phân ra nhƣ: lớp mạ trang sức - lớp
mạ bảo vệ, lớp mạ phục hồi kích thƣớc cho chi tiết đã mịn, 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 lƣợng. Sau đây là một số thơng số chính để đánh
giá chất lƣợng 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 lƣợng lớp
mạ. Trong q trình mạ, lớp mạ thƣờng khơng bằng nhau trên bề mặt vật mạ, mặc dù

trong cùng một điều kiện mạ, nhƣng tuổi thọ của lớp mạ lại đƣợc 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 đƣợc, lớp mạ lý tƣởng là lớp mạ có
chiều dày đồng đều trên tồn bộ vật mạ [14,16].
b. Độ ăn mịn của lớp mạ
Để có kết quả chính xác nhất về độ bền ăn mịn thì phải kiểm tra trong điều
kiện làm việc thực sự của nó, nếu vậy cần nhiều thời gian nên chỉ phù hợp cho cơng
việc nghiên cứu, cịn đối với các nhà máy xí nghiệp phù hợp nhất là thử nhanh cho
lớp mạ và kim loại trong tủ phun mù muối, phƣơng pháp này độ chính xác chƣa cao
nhƣng tiện lợi và là phƣơng pháp rất thông dụng hiện nay. Phƣơng pháp kiểm tra độ
bền ăn mòn trong tủ phun mù muối, thƣờng đƣợc tiến hành trên thiết bị thử: Q-Fog
CCT 600 (Mỹ), dung dịch nƣớc muối đƣợc phun thành luồng dƣới dạng sƣơng mù
với mật độ và liều lƣợng quy định. Các mẫu thử phải đƣợc làm sạch, sấy khô đặt
trong buồng. Thử nghiệm có thể đƣợc 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 mịn, phồng
rộp hay bong tróc theo tiêu chuẩn quy định [59,61,67].

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




18

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 khơng 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 nhƣ, ảnh hƣởng của lực co rút kim loại, ảnh hƣởng của trạng thái bề mặt
nền, ảnh hƣởng của việc chuẩn bị bề mặt (nền), quy trình cơng nghệ mạ chƣa tốt,....

Độ gắn bám tốt nhất là độ liên kết hoàn chỉnh giữa kim loại mạ và kim loại
nền, khi tách lớp mạ khơng bị bong tại vị trí tiếp giáp giữa lớp mạ với nền. Để đo
độ gắn bám có nhiều cách nhƣ sau [16,37]
Phƣơng 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 trƣng cho độ gắn bám của lớp mạ với nền.
Phƣơng pháp kéo tách, độ gắn bám đƣợc tính định lƣợng 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 rồi lấy giá trị trung bình ); phƣơng pháp này thích hợp với
lớp mạ dày.
Phƣơng 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. Phƣơng pháp này thích hợp cho
trƣờng hợp là hệ số giãn nở của kim loại mạ và kim loại nền rất khác nhau. Hiện
nay thƣờng 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 chƣa có điện trƣờng (dịng điện) chất điện phân huyền phù đƣợc đặc
trƣng bằng nồng độ, nhiệt độ, mật độ,... các thành phần trong dung dịch điện phân
chuyển động vơ hƣớng.
Khi có điện trƣờng (dịng điện) trong chất điện phân huyền phù trạng thái cân
bằng bị phá vỡ. Lực điện trƣờng tác dụng làm lƣỡng cực phân tử nƣớc và các anion
hình thành xung quanh cation vành hydrat, vành solvat dày đặc.

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




19

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 khơng có lớp mạ.
Tăng mật độ dịng 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 lƣới tinh thể với một cấu trúc duy trì đều đặn đƣợc lớp mạ có chất
lƣợng tốt. Mật độ dịng 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 dịng điện thì các ion phóng điện với tốc độ nhanh
tạo ra nhiều nguyên tử, trong khi đó có nhiều ngun tử khơng 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 dịng điện tăng q cao lớp
mạ thu đƣợc có dạng bút tháp, nhánh cây,....
Mật độ dịng điện cịn ảnh hƣởng 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, cịn ion M2n+ chƣa có khả năng phóng điện. Khi tăng mật độ
dịng 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.
Nhƣng có những nghiên cứu khi tăng mật độ dòng catot, hàm lƣợng hạt trong
lớp mạ đi qua cực đại. Nhƣ trong trƣờng hợp mạ cađimi, niken trong dung dịch sulfat
có thêm hạt Al2O3, khi Dc = 2A/dm2 hàm lƣợng Al2O3 tăng 1,2  2 lần, nếu tiếp tục
tăng dịng điện thì hàm lƣợng 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 thƣờng phải tăng nồng độ ion kim loại
nhƣng 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

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




20

Độ axit của dung dịch phụ thuộc vào nồng độ ion H+, ion H+ càng cao thì độ
axit càng lớn (độ pH nhỏ); ngƣợc 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 hồ.
Bản chất của q trình mạ điện là sự ăn mịn điện hố; để q trình này xảy
ra, kim loại mạ cần ở dạng ion, ion H+ có vai trị duy trì các kim loại ở dạng ion.
Nhƣng ion H+ chỉ có tác dụng với các kim loại mạ đứng trƣớc ion H+ trong dãy hoạt
động hoá học, nhƣ [21,70]:
Khi thiếu ion H+ thì:

Ni2+

+

OH-

Ni(OH)2
Nếu có ion H+ :



Ni(OH)2



NiO

+

H2 O

2H+

+

Ni(OH)2 

Ni2+

+

H2 O

2H+

+

NiO



Ni2+

+

H2 O

Trong quá trình mạ điện trên catot ngồi ion kim loại kết tủa cịn có các phản
ứng phụ hay gặp đó là ion hydro phóng điện. Khi đánh giá ảnh hƣởng của ion hydro
phải tính đến điện tích của hydro và tốc độ chuyển động của nó, vì ion H+ ảnh
hƣởng đến giá trị pH của dung dịch.
Khí hydro thốt ra trên catot trong q 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 q trình mạ xảy ra, tại vị trí bám của nó gây nên các
vết, lỗ làm xấu lớp mạ và gây ăn mịn mạnh, đó chính là hiện tƣợng rỗ (pitting) của
lớp mạ, bên cạnh đó cũng làm giảm hiệu suất dịng 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 nhƣ 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.
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 khơng có ảnh hƣởng tới

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




21

sự tham gia của các hạt cứng vào lớp mạ composite, cịn dƣới 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 nhƣ 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 thốt của khí hydro, sẽ thu đƣợc lớp mạ mềm, vì khí hydro thốt ra nhiều làm
ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng lớp mạ [56].
Tăng nhiệt độ làm tăng hiệu suất dịng điện, có thể nâng cao đƣợc mật độ
dịng điện do đó làm tăng tốc độ mạ, vẫn đảm bảo đƣợc lớp mạ kết tinh nhỏ mịn.
Nhiệt độ tăng làm tăng hoạt động của các phần tử trong dung dịch mạ nhƣ: 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.
Nếu nhiệt độ quá cao gây nhiều tác hại nhƣ: 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 hủy và hao hụt nhiều do bay hơi, đồng
thời tốn nhiều điện năng và thời gian để đun nóng dung dịch.
Nhƣng nếu nhiệt độ thấp dƣới ngƣỡng quy định sẽ cho lớp mạ giòn, tốc độ mạ
chậm,... chất lƣợng lớp mạ khơng đảm bảo. Vì vậy, với mỗi một dung dịch kim loại mạ
tƣơng ứng với nhiệt độ quy định, đảm bảo nâng cao năng suất và chất lƣợng lớp mạ.
d. Ảnh hưởng của thành phần dung dịch
Chất lƣợng 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 hƣởng đến chất lƣợng lớp mạ [17,26,30,34,60].
* Ion kim loại
Là phần tử mang điện tích đƣợc hình thành khi nguyên tử kim loại bị mất điện
tử (kim loại - M)
M

 Mn+ + ne

Cu  Cu2+ + 2e

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




22

Trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion đơn hay ion phức; ion kim loại
mang điện dƣơng 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, nhƣ trong quá trình mạ
niken (Ni), niken tồn tại dƣới dạng ion Ni2+ trong dung dịch mạ, khi có dịng 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 ra sự cân bằng điện tích (tổng điện tích
dƣơng bằng tổng điện tích âm) và tạo ra mơi trƣờng có khả năng dẫn điện (cho dịng
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 lƣợng lớp
mạ. Dung dịch đơn thƣờng dùng để mạ với tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn
giản. Dung dịch phức thƣờng dùng trong trƣờng 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 nƣớc có khả năng phân ly thành các ion nhƣ:
NiSO4  Ni2+ + SO42CH3COOH

↔

CH3COO-

(1)

+ H+

(2)

Chất điện ly thƣờng có 2 loại: chất điện ly yếu (2) khi tan trong nƣớc 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 nƣớc tất cả các phân tử đều phân ly thành
các ion; nhƣ vậy chất điện ly mạnh khi đƣa 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 đƣa một số chất điện ly vào dung dịch sẽ
làm thay đổi nồng độ pH, nhƣ khi thêm axit clohydric vào dung dịch thì
HCl  H+ + Cl-

dƣ H+  [H+]  tức pH giảm.

Nếu thêm NaOH vào dung dịch thì

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