Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mạ niken hóa học trên kim loại nhôm

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<b>ĐẠI HỌC SÀI GÒN </b> <b>OF SAIGON UNIVERSITY </b>

Số 71 (05/2020) No. 71 (05/2020)

<i>Email: ; Website: />

<b>CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN Q TRÌNH MẠ NIKEN </b>
<b>HĨA HỌC TRÊN KIM LOẠI NHÔM </b>

<i><b>Factors influencing the processing of electroless nickel plating </b></i>
<i><b>on aluminum metal </b></i>

TS. Trần Tấn Nhật

Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm TP.HCM
<b>TĨM TẮT </b>

Quy trình mạ niken hóa học trực tiếp trên hợp kim nhơm ở nhiệt độ trung bình đã được chúng tơi thực
hiện và công bố trước đây. Trong nghiên cứu này, với cùng quy trình mạ niken hóa học nhưng được
thực hiện trên đối tượng nền khác là kim loại nhôm ở nhiệt độ 68ºC và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
đến q trình mạ. Nồng độ thích hợp của chất hoạt hóa làm tăng tốc độ mạ niken, cải thiện tính năng
của lớp mạ như độ bám dính, độ bóng sáng hay độ bền màu. Khi chọn axit aminoaxetic làm chất tạo
phức chính đã cải thiện rõ rệt khả năng chống ăn mòn của lớp mạ, nâng cao thế ăn mòn, giảm mật độ
dòng ăn mòn. Khi nồng độ của chất hoạt hóa là 1,5g/L và nồng độ của axit aminoaxetic là 8g/L, lớp mạ
niken trên nền kim loại nhơm thu được có những tính năng tốt nhất.

<i><b>Từ khóa: kim loại nhơm, mạ niken hóa học, chất hoạt hóa, chất tạo phức chính </b></i>
<b>Abstract </b>

The processing of direct electroless nickel plating on aluminum alloys at medium temperature was
reported in our previous work. In this study, the same nickel plating technique has been effectuated on
aluminum metal at the low temperature of 68o_{C in a plating medium containing an activator of F}-_and

the main complexing agent of amino acetic. The appropriate concentration of the activator increases the
speed of nickel plating, improves the properties of plating such as adhesion, bright shine, and
colorfastness. When amino acetic acid was used as the main complexing agent, the corrosion resistance
of the coating was enhanced, the corrosion potential increased, and the corrosion current decreased. The
suitable conditions selected for the good property of Ni-P coating are the activator concentration of
1,5g/L KF and the amino acetic concentration of 8g/L.

<i><b>Keywords: aluminum metal, electroless nickel plating, activator, main complexing agent </b></i>

<b>1. Giới thiệu </b>

Mạ hóa học kim loại niken có những
đặc tính tốt như chịu mài mịn (bề mặt có
khả năng bơi trơn giúp làm giảm mài mịn
các chi tiết) và chống ăn mòn, khơng
nhiễm từ khi có nhiều phot pho, có thể mạ
ngay cả trên những chi tiết có cấu trúc

phức tạp nhất (như phanh thắng, hệ thống
bơm xăng, cần số hay van hơi trong xe
hơi), được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp hàng không, vũ trụ, hóa dầu (hệ
thống phân phối dầu và khí ga), linh kiện
điện tử [2].

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

kim loại nhôm là một công nghệ cải tiến bề
mặt lí tưởng, nó khơng những chống được
sự ăn mịn, chịu mài mịn, có thể hàn, tăng
khả năng dẫn điện mà cịn thơng qua mạ
hợp kim niken khác nhau làm cho hợp kim

nhôm và nhôm kim loại có những tính
năng mới như tính bơi trơn, từ tính [2], [3],
[4]. Tuy nhiên, nhôm là kim loại nền rất
khó mạ. Do nhơm có ái lực rất mạnh với
oxi, trên bề mặt nhôm dễ tạo thành lớp
màng oxit, nên phải dùng phương pháp hóa
học để loại bỏ lớp màng oxit này trước khi
mạ. Lớp màng oxit và lớp mạ có độ bám
dính rất kém [5]. Vì vậy, cơng nghệ xử lí
bề mặt kim loại nền trước khi mạ được
quan tâm và nghiên cứu trong những năm
gần đây. Hiện tại, trong nước cũng như
trên thế giới, việc xử lí bề mặt vật liệu
trước khi mạ niken hóa học trên hợp kim
nhôm và kim loại nhôm chủ yếu bằng các
kĩ thuật sau: (1) nhúng kẽm trước khi mạ
[6], [7], [8]; (2) mạ lót niken [2], [8], [9];
(3) mạ trực tiếp niken hóa học.

Hiện nay, việc sử dụng phương pháp
nhúng kẽm trước khi mạ tương đối nhiều.
Phương pháp nhúng kẽm thường thực hiện
hai lần, hạn chế của phương pháp này là
thực hiện quá nhiều công đoạn, thao tác
rườm rà; lớp mạ niken sẽ bị ăn mịn trong
mơi trường ẩm ướt, bởi vì so với lớp mạ
niken thì kẽm là cực dương, kẽm sẽ bị ăn
mòn, cuối cùng dẫn đến lớp mạ bị bong ra.
Phương pháp mạ lót niken so với phương
pháp nhúng kẽm, đơn giản hóa cơng đoạn,

giảm thiểu ơ nhiễm, có giá trị thực tiễn
nhất định, tuy nhiên số cơng đoạn vẫn cịn
nhiều, đồng thời còn tồn tại các vấn đề như
độ bám dính và khả năng kháng ăn mịn.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ
mạ niken hóa học trực tiếp có ý nghĩa rất
lớn như có thể giảm đáng kể số cơng đoạn,
làm tăng độ bám dính cũng như khả năng

chống ăn mòn của lớp mạ. Phần lớn mạ
niken hóa học thực hiện trong mơi trường
axit với nhiệt độ thường là 80ºC – 95ºC
[6]. Việc lựa chọn nhiệt độ mạ niken hóa
học ở 80ºC – 95ºC cho tốc độ rất cao, tuy
nhiên chất nền bị ăn mòn nhiều, dung dịch
mạ bay hơi nhanh làm phát sinh quá trình
tự phân giải. Nhưng nếu quá trình mạ thực
hiện ở nhiệt độ thấp (< 60ºC) thì tốc độ rất
chậm, rất khó đạt tới 10µm/h [11]. Vậy nên
các nghiên cứu tập trung tới quy trình mạ
niken hóa học ở nhiệt độ trung bình từ
68ºC – 72ºC nhằm đem lại những cơng
nghệ mạ có giá trị về mặt khoa học và thực
tiễn cao.

Trong nghiên cứu trước đây, mạ niken
hóa học đã được thực hiện trên nền hợp
kim nhôm [1], các yếu tố liên quan đến
thành phần dung dịch và quy trình mạ như
tác nhân hoạt hóa, chất tạo phức đã được

khảo sát và đánh giá. Kết quả cho thấy, khi
nồng độ chất hoạt hóa F-_{là 2g/L và nồng}

độ chất tạo phức aminoaxetic là 8g/L cho
lớp mạ niken trên nền hợp kim nhôm với
chất lượng tốt nhất.

Trong nghiên cứu này, với cùng quy
trình cơng nghệ mạ niken hóa học nhưng
được khảo sát trên nền kim loại nhôm
nguyên chất, các thông số về chất hoạt hóa,
chất tạo phức, các nồng độ là tương tự như
ở nghiên cứu trước nhằm đánh giá độ lặp
của quy trình cơng nghệ khi thực hiện trên
đối tượng mạ khác là kim loại nhơm. Đặc
biệt, tính chất quan trọng của lớp mạ là mật
độ dòng ăn mòn được đánh giá và phân tích
qua phép đo thế ăn mịn và mật độ dịng ăn
mịn, qua đó đánh giá được mức độ bền của
lớp mạ trong môi trường ăn mòn.

<b>2. Thực nghiệm </b>

<i><b>2.1. Xử lí vật liệu trước khi mạ và </b></i>
<i><b>cơng nghệ mạ niken hóa học </b></i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

kích thước 30 × 20 × 2mm được lựa chọn
trong nghiên cứu này.

<i>2.1.1. Quy trình cơng nghệ </i>

Dùng axeton rửa sạch vật liệu bằng
sóng siêu âm (5 – 10 phút)  rửa nước cất

 rửa kiềm (NaOH, 10g/L, 1 phút)  rửa
nước cất  rửa axít (HNO3 50%, 1 phút)
 rửa nước cất  mạ niken hóa học (1
giờ, 68ºC)  rửa nước nóng  hong khô

 thử nghiệm.

<i>2.1.2. Hóa chất và thành phần dung dịch mạ được miêu tả theo bảng sau đây </i>

<b>Thành phần </b> <b>Hàm lượng và điều </b>

<b>kiện tiến hành </b> <b>Độ tinh khiết </b> <b>Nhà cung cấp </b>

NiSO4.6H2O 25g/L

≥ 98,0% Merck

NaH2PO2.H2O 25g/L

Chất tạo phức chính 0 – 10g/L
CH3COOH, CH3COONa 10g/L

(CH2COOH)2 0 – 10g/L

Chất hoạt hóa lượng thích hợp

(NH2)2CS 1,0mg/L

C12H25SO4Na 5mg/L

pH 4,5 ± 0,2 - -

Nhiệt độ (68 ± 2)ºC - -

Lượng tải 1dm2/L - -

<i><b>2.2. Kiểm tra tính năng của lớp mạ </b></i>

<i>2.2.1. Tính tốc độ mạ </i>

Tốc độ mạ (v: µm/h) được tính theo
cơng thức sau [12]: v = 10 (wt - w0)

Ast

Trong đó: w0 và wt là khối lượng của

vật trước và sau khi mạ (mg);  là trọng
lượng riêng của lớp mạ,  = 7,9 (g/cm3); As

là diện tích bề mặt của vật mạ (cm2_{); t là}

thời gian mạ (h).

<i>2.2.2. Kiểm tra độ ổn định của dung </i>
<i>dịch mạ </i>

Phương pháp dùng dung dịch BaCl2 để

tăng tốc độ phản ứng: lấy 25mL dung dịch
mạ cho vào ống nghiệm 50mL rồi nhúng
vào nước nóng (60ºC ± 1 ºC), bơm vào ống
nghiệm này 1mL dung dịch BaCl2; ghi lại

thời gian từ khi bắt đầu thêm dung dịch
BaCl2 cho tới khi dung dịch bắt đầu đục

[13].

<i>2.2.3. Kiểm tra khả năng chống ăn mòn </i>
Dùng phương pháp dán giấy lọc. Dùng
dung dịch chứa 10g/L K3Fe(CN)6 và dung

dịch NaCl 20g/L thấm ướt giấy lọc, dán lên
bề mặt lớp mạ đã được rửa sạch khoảng 5
phút, lấy vật liệu rửa sạch, sấy khô sau đó
tính tốn độ xốp [14].

Độ xốp = n

s (số vết rỗ bị ăn mịn/cm

2_),

trong đó n là tổng số vết rỗ bị ăn mòn; s là
diện tích của lớp mạ thực nghiệm.

<i>2.2.4. Kiểm tra độ bền màu </i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

nhiệt độ phòng, nếu trong khoảng thời gian
20 giây mà lớp mạ chuyển thành màu đen
thì màu sắc lớp mạ được cho rằng khơng
bền [15].

<i>2.2.5. Độ bám dính </i>

Dùng phương pháp uốn thử nghiệm và
dũa để kiểm tra độ bám dính của lớp mạ
[14]. Thí nghiệm uốn cong: kẹp vật liệu cố
định vào kìm, dùng lực để uốn cong, quan
sát bề mặt lớp mạ nếu lớp mạ khơng có
hiện tượng bong, tróc chứng tỏ độ bám
dính của lớp mạ rất tốt. Thực nghiệm dũa:
để vật liệu mạ và cái dũa ở góc 45º, tiến
hành dũa lớp mạ. Quan sát mặt cắt của lớp
mạ, nếu lớp mạ không bị bong rộp chứng
tỏ độ bám dính tốt.

<i>2.2.6. Phương pháp đo đường cong </i>
<i>phân cực </i>

Sử dụng hệ điện hóa 3 điện cực trong
đó điện cực calomel bão hòa (E = 0,21V)
làm điện cực so sánh và điện cực làm việc
là điện cực nhôm, điện cực đối là platin, hệ
điện hóa được đo trong dung dịch mạ niken

hóa học với tốc độ quét thế là 10 mV/s.
Hệ điện hóa này được nối với một máy đo
điện thế PGS-HH10 (hệ máy potentio
galvanostat do Viện Hóa học – Viện hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chế
tạo). Thiết bị này được ghép nối với máy
tính cá nhân (PC) qua cổng USB.

<b>3. Kết quả và thảo luận </b>

Để thực hiện việc mạ trực tiếp niken
hóa học trên kim loại nhơm, bắt buộc phải
thêm chất hoạt hóa, loại bỏ kịp thời lớp
màng oxit trên bề mặt kim loại, làm cho bề
mặt kim loại nhôm luôn ở trạng thái hoạt
hóa. Điều chỉnh tỉ lệ chất tạo phức nhằm
cải thiện chất lượng lớp mạ, làm cho các
tính năng của lớp mạ tốt hơn.

<i><b>3.1. Ảnh hưởng chất hoạt hóa tới q </b></i>
<i><b>trình mạ niken hóa học và cơ chế tác dụng </b></i>

Trong dung dịch mạ, vẫn dùng axít
xitric với nồng độ là 15 g/L. Chất hoạt hóa
(KF) được thêm vào dung dịch mạ với các
nồng độ khác nhau, kết quả được thể hiện
ở Hình 1.<b> </b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

Hình 1 cho thấy: khi khơng có chất

hoạt hóa thì tốc độ q trình mạ thấp, chỉ
đạt khoảng 5,70µm/h; khi có chất hoạt hóa
với nồng độ 1,5g/L thì tốc độ mạ đạt cực
đại ở giá trị 10µm/h. Tiếp tục tăng nồng
độ chất hoạt hóa thì tốc độ mạ lại giảm
xuống.

Hình 2 biểu diễn sự phụ thuộc điện thế
mạch hở của điện cực kim loại nhôm theo
thời gian trong quá trình mạ với nồng độ
chất hoạt hóa khác nhau. Khi thêm ion F
vào dung dịch mạ thì lớp màng oxit nhơm
bị loại bỏ hoàn toàn, điện thế của chất nền
thay đổi và làm cho bề mặt kim loại nhôm
ở trạng thái hoạt hóa. Ion F_{có tác dụng}
làm tăng tốc độ mạ niken hóa học.

Q trình mạ niken hóa học ở 68C,
cũng được chia thành ba giai đoạn như mạ
trên hợp kim nhôm [1]: giai đoạn thứ nhất
là giai đoạn hòa tan màng oxit trên bề mặt
kim loại nhơm, q trình này xảy ra trong
thời gian rất ngắn, từ vài giây cho tới vài
chục giây; giai đoạn hai là q trình tích tụ
niken trên bề mặt vật liệu [16]. Giai đoạn
một và hai diễn ra gần như đồng thời, khi
màng oxit bị hòa tan, điện thế của chất nền
chuyển dịch rất nhanh về phía âm, một
phần bề mặt chất nền kim loại nhôm được
thay thế bởi niken (Hình 3A), tạo thành các

trung tâm xúc tác; giai đoạn ba, là giai
đoạn tăng trưởng của các hạt tinh thể Ni –
P (Hình 3B, C).

<i><b>Hình 2. Sự phụ thuộc điện thế mạch hở của kim loại nhôm theo </b></i>

<i>thời gian ứng với nồng độ ion F</i><i>_{khác nhau trong dung dịch mạ}</i>
Như vậy, bề mặt kim loại nhơm hình

thành các nguyên tử niken cũng đồng thời là

các trung tâm xúc tác, sự phát triển của các hạt
bắt đầu xung quanh các trung tâm xúc tác đó.

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

Khi dung dịch mạ khơng có chất hoạt
hóa, giai đoạn màng oxit bị hịa tan kéo dài
khoảng 30 giây, điện thế của chất nền
nhôm thấp nhất: E1 = – 0,415V. (Cách xác

định E1: từ đoạn thẳng có điện thế ổn định

trên đường 0 g.dm-3_{ta chiếu thẳng tới trục}

tung (biểu thị điện thế của hệ điện hóa) và
cắt trục tung tại điểm – 0,625V; theo lý
thuyết điện hóa, ta có: – 0,625V = điện thế
nền nhôm + điện thế điện cực calomen.
Điện thế calomen là 0,21V, do đó điện thế
nền nhơm là – 0,415V). Nếu dung dịch mạ
có thêm chất hoạt hóa thì giai đoạn một

xảy ra chỉ vài giây, khi tăng nồng độ chất
hoạt hóa lên 1g, 1,5g, 4g và 6g thì điện thế
của chất nền nhôm tương ứng bị dịch
chuyển về phía âm, với các giá trị: E2 = –

0,53V; E3 = – 0,62V; E4 = – 0,64V; E5 = –

0,67V (Hình 2). Khi nồng độ chất hoạt hóa
tăng lên, tốc độ thay thế màng oxit bằng
các trung tâm xúc tác niken càng nhanh.
Nếu khơng có chất hoạt hóa thì hoạt tính
của chất nền khơng đủ mạnh, giai đoạn hai
của q trình mạ tiến hành chậm, phản ứng

sau 15 phút vẫn chưa kết thúc. Khi thêm
một lượng nhất định chất hoạt hóa thì sau
1 phút phần lớn nguyên tử Ni và một
lượng nhỏ các hạt Ni – P được hình thành
và phủ kín tồn bộ chất nền, sau đó là bắt
đầu của quá trình hình thành nhiều hơn các
hạt Ni – P. Điều này cho thấy, khi thêm
chất hoạt hóa sẽ làm tăng tốc độ q trình
mạ niken.

Kết quả đạt được so với mạ hóa học
niken trên hợp kim nhôm: nhiệt độ thực
hiện quá trình mạ thấp hơn từ 2- 3 độ; hàm
lượng chất hoạt hóa dùng ít hơn (1,5g); các
thông số khác gần như không thay đổi.

<i><b>3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất </b></i>
<i><b>hoạt hóa tới tính năng của lớp mạ </b></i>

<i>3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất </i>
<i>hoạt hóa tới tính năng của lớp mạ </i>

Vật liệu mạ niken thu được trong q
trình mạ niken hóa học ở các nồng độ khác
nhau của chất hoạt hóa, được tiến hành
kiểm tra các tính năng của lớp mạ như độ
bám dính, độ xốp, độ bền màu. Kết quả
được thống kê ở Bảng 1.

<b>Bảng 1.</b> Sự ảnh hưởng của chất hoạt hóa tới các tính năng của lớp mạ

<b>Chất hoạt hóa </b>
<b>KF (g/L) </b>

<b>Độ bám </b>

<b>dính </b> <b>Độ bóng, sáng </b> <b>Độ xốp (lỗ/cm</b>

<b>2</b>_） <b>Độ bền màu </b>

<b>(giây) </b>

0 Thường Xám tối 0,30 12

1 Thường Trắng xám 0,15 15

1,5 Tốt Bóng, sáng 0 32

4 Tốt Khơng hồn tồn 0 22

6 Kém Khơng hồn tồn 0,13 13

Khi dung dịch mạ khơng có chất hoạt
hóa thì tính năng của lớp mạ khơng tốt, bởi
vì tốc độ mạ quá nhỏ, hoạt tính của chất
nền khơng đủ mạnh nên vật liệu được mạ
không đều (do chảy trơi) [1]. Vì vậy tính
năng của lớp mạ khơng ổn định, bề mặt lớp

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

bộ bề mặt chất nền, lớp mạ trở nên bóng
sáng, độ bền màu được cải thện, độ xốp
giảm xuống. Khi nồng độ của ion F-_là

6g/L, lớp mạ thu được không tốt.

So sánh với mạ trên hợp kim nhơm
thấy rằng: ở 1,5g chất hoạt hóa lớp mạ thu
được có tính năng vượt trội, cịn ở các hàm
lượng khác của chất hoạt hóa thì tính năng
lớp mạ không thay đổi nhiều so với nghiên

cứu trước đây [1].

<i>3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chất </i>
<i>hoạt hóa tới cấu trúc hình thái học của bề </i>
<i>mặt lớp mạ </i>

Hình 4 là ảnh SEM của các lớp mạ niken
ở các nồng độ ion F- _{khác nhau. Khi khơng có}

chất hoạt hóa, tương tự như mạ trên hợp kim
nhôm [1], lớp mạ không đều, khả năng chống
ăn mịn và độ bám dính thấp.

<i><b>Hình 4. Ảnh SEM của các lớp mạ ứng với nồng độ khác nhau của ion F</b></i>

-Kết quả phân tích EDX ở Bảng 2 cho thấy
rằng, lượng oxi ở bề mặt lớp mạ rất nhỏ, kết

hợp với thí nghiệm về độ bền màu chứng tỏ
lớp mạ bị oxi hóa một phần trong khơng khí.

<b>Bảng 2.</b> Phân tích EDX bề mặt lớp mạ Ni

<b>Chất hoạt hóa KF (g/L) </b> <b>Ni (wt%) </b> <b>P (wt%) </b> <b>O (wt%) </b>

0 87,97 8,11 3,92

1 88,95 7,17 3,88

1,5 92,45 7,55 0

4 92,60 7,40 0

Từ Hình 4 và Bảng 2, nhận thấy: khi
nồng độ chất hoạt hóa là 1,5g/L, hoạt tính

của chất nền vừa phải, tốc độ mạ rất cao,
bề mặt lớp mạ rất đều đặn, bóng sáng, cấu
trúc tinh thể đồng đều; ở các hàm lượng
khác của chất hoạt hóa, lớp mạ thu được có
thành hình dạng và thành phần tương tự
như nghiên cứu trước đây [1].

Như vậy, so với nghiên cứu đã công
bố [1], khi hàm lượng chất hoạt hóa là
1,5g, lớp mạ thu được có cấu trúc tinh thể

đồng đều và bóng sáng hơn.

<i><b>3.3. Ảnh hưởng của chất tạo phức </b></i>
<i><b>axít amino axetic tới tốc độ và tính năng </b></i>
<i><b>của lớp mạ </b></i>

</div>

<!--links-->