Tài liệu Nghiên cứu tạo lớp mạ tổ hợp ni p al2o3 trên nền thép ct3 bằng phương pháp mạ hóa học

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LÊ NGỌC DUNG NGHIÊN CỨU TẠO LỚP MẠ TỔ HỢP Ni-P-Al2O3 TRÊN NỀN THÉP CT3 BẰNG PHƢƠNG PHÁP MẠ HÓA HỌC C H M ết và hóa lý 60 44 01 19 TÓM TẮT LU N V N THẠC S HÓA HỌC Đ Nẵng - Năm 2020 Công trình đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Sƣ Phạm – Đại học Đà Nẵng N ƣờ ƣớ ọ TS. VŨ THỊ DUYÊN Phản biện 1:……………………………… Phản biện 2:……………………………… Luận văn sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Hóa lý thuyết và hóa lý họp tại Đại học Sƣ Phạm – ĐHĐN vào ngày…..tháng….. năm 2019. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin- Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thƣ viện trƣờng Đại học Sƣ phạm, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1.Lý do chọ đề tài Mạ nickel hóa học là công nghệ đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng nhƣ trong đời sống. Do tính ổn định cao, độ xốp nhỏ mạ nickel hóa học đƣợc dùng để chống gỉ trong công nghiệp…Ngoài ra, mạ nickel hóa học có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt, có thể mạ đƣợc những chi tiết nhƣ trục khuỷu, bơm, máy nén không khí…để kéo dài thời gian sử dụng. Lớp mạ hóa học NiP đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực chống mài mòn và chống ăn mòn nhƣ dùng bảo vệ các chi tiết trục máy in, nòng súng, thiết bị gia nhiệt, lò nƣớng, khuôn đúc… Một số nghiên cứu đã nhận thấy để nâng cao tính chất của lớp mạ đó là phân tán thêm một số hạt nhƣ hạt Al2O3, SiO2, TiO2… giúp cải thiện một số đặc tính của lớp mạ nhƣ độ cứng cao, chịu mài mòn tốt và các tính chất khác. Một đặc điểm quan trọng của dung dịch mạ nickel là rất nhạy cảm với sự thay đổi pH của môi trƣờng, do vậy ngƣời ta phải thêm vào dung dịch này các chất đệm nhằm giữ cố định pH của dung dịch. Chất đệm thƣờng đƣợc sử dụng là H3BO3, thời gian gần đây đã có nhiều nghiên cứu thay thế H3BO3 bằng các chất đệm khác có khả năng đệm tốt hơn, đồng thời có khả năng tạo phức với ion Ni2+ do vậy làm tăng chất lƣợng bề mặt mạ, nhƣ axit hữu cơ, các amino axit… Trên cơ sở đó, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tạo lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 trên nền thép CT3 bằng phương pháp mạ hóa học” 2. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 bằng phƣơng pháp mạ hóa học từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp chứa đệm glyxin. 2 - Xác định chế độ mạ để tạo lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 có khả năng chống ăn mòn tốt. 3. Đ ƣợng nghiên cứu Lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 đƣợc tạo thành bằng phƣơng pháp mạ hóa học từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp chứa đệm glyxin. 4. P ƣơ p áp ứu 4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Tìm kiếm tài liệu liên quan đến nickel, nhôm oxit, các phƣơng pháp mạ hóa học, mạ tổ hợp. 4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Sử dụng phƣơng pháp mạ hóa học để tạo lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3. - Sử dụng phƣơng pháp phân tích phổ tán xạ năng lƣợng (EDX) để xác định thành phần nguyên tố trong lớp mạ tổ hợp Ni- P-Al2O3, phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM để xác định hình thái bề mặt.; - Sử dụng phƣơng pháp điện hóa nhƣ đo đƣờng cong phân cực, đo dòng ăn mòn,… 5. Nội dung nghiên cứu - Chế tạo lớp mạ Ni-P từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp chứa đệm glyxin; - Chế tạo và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm lƣợng nhôm trong lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3: nhiệt độ, tốc độ khuấy, hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch mạ; - Khảo sát một số tính chất của lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3: hình thái bề mặt, độ bền ăn mòn hóa chất, độ bền ăn mòn điện hóa. 6. Ý ĩ ọc và thực tiễn củ đề tài - Cung cấp thêm tƣ liệu về việc tạo lớp mạ tổ hợp Ni-PAl2O3 bằng phƣơng pháp mạ hóa học; 3 - Việc chế tạo thành công lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 có khả năng chống ăn mòn tốt từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp chứa đệm glyxin có thể mở ra hƣớng đi mới cho ngành công nghiệp mạ kim loại đó là mạ từ dung dịch nồng độ thấp, điều này sẽ góp phần làm giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. 7. Cấu trúc luậ vă Chƣơng 1: TỔNG QUAN Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MẠ HÓA HỌC 1.1.1. Khái niệm chung 1.1.2. Đặ đ ểm của mạ hóa học tự xúc tác 1.1.3. Cơ ế phản ứng mạ hóa học 1.1.4. Vai trò của nhạy hóa và hoạt hóa 1.1.5. Ƣ , ƣợ đ ểm của lớp mạ hóa học 1.2. LỚP MẠ NICKEL HÓA HỌC 1.2.1. Cơ ế mạ nickel hóa học 1.2.2. Tính chất của lớp mạ nickel hóa học 1.2.3. Các yếu t ả ƣở đế ơ í ủa lớp phủ nickel hóa học 1.2.4. Những ứng dụng của lớp mạ nickel hóa học 1.2.5. Thành phần dung dịch mạ nickel hóa học 1.2.6. Các yếu t ả ƣở đến t độ mạ nickel hóa học 1.3. LỚP PHỦ COMPOSITE NICKEL MẠ HÓA HỌC 1.3.1. Giới thiệu chung về lớp phủ composite nickel mạ hóa học 1.3.2. Tính chất ch ng mài mòn của lớp phủ hóa học composite 1.3.3. Hệ s ma sát (Friction Coefficient) 4 1.3.4. Độ nhám CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ 2.1.1. Hóa chất 2.1.2. Dụng cụ - thiết bị 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.2.1. Chuẩn bị các m u và dung dịch mạ hóa học 2.2.2. Sơ đồ quy trình mạ hóa học 2.3. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ CỦA BỀ MẶT MẠ 2.3.1. C ế ạ ớp mạ e ọ N -P 2.3.2. C ế ạ ớp mạ ổ ợp e ọ N -PAl2O3 2.3.3. K ả á á ế ả ƣở đế m ƣợ ôm r ớp mạ 2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỀ MẶT CỦA LỚP MẠ 2.4.1. P ƣơ p áp p â í EDX 2.4.2. P ƣơ p áp ể v đ ện tử quét SEM 2.4.3. Xá đị độ bền hóa chất 2.4.4. Đ mậ độ ò ă mò CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LU N 3.1. MẠ HÓA HỌC NICKEL Mạ nickel tự xúc tác đƣợc thực hiện trực tiếp trên nền thép CT3, các chi tiết bằng thép sau khi đƣợc xử lí cơ học bề mặt, nhúng 2 lần nƣớc cất, đƣợc nhạy hóa trong dung dịch SnCl2 + HCl, nhúng thêm 2 lần nƣớc cất và tiếp tục hoạt hóa trong dung dịch PdCl2+ HCl, sau đó nhúng lại 2 lần nƣớc cất rồi cho vào dung dịch mạ có thành phần: NiCl2 0,08 M + NaH2PO2 5 0,23 M + NH2CH2COOH 0,2 M + CH3COONa 1,8 M + pH = 5,5; tốc độ khuấy 1500 vòng/ phút; nhiệt độ dung dịch phản ứng là 45oC; thời gian mạ: 30 phút. Các mẫu sau khi mạ, đem sấy khô và gửi đi đo EDX tại trung tâm đánh giá hƣ hỏng vật liệu COMFA Hà Nội. Kết quả đo EDX xác định thành phần nguyên tố trên bề mặt lớp mạ ở các pH =5,5 đƣợc đƣa ra trên Hình 3.1 Kết quả đo EDX cho thấy đã chế tạo thành công lớp mạ hóa học Ni-P trên nền thép CT3 từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp với chất đệm là Hình 3.1. Phổ EDX phân tích bề glyxin. Trên phổ đồ mặt lớp mạ hóa học Ni-P ở pH=5,5 EDX thấy xuất hiện các peak của cả Ni và P (Hình 3.1). Ngoài ra còn xuất hiện peak của Fe và Si do lớp mạ chƣa đủ dày để phủ kín nền thép CT3 do dung dịch sử dụng có nồng độ quá thấp và thời gian mạ chƣa đủ lâu. Các vết của Sn, O có thể do hóa chất chƣa đƣợc tinh khiết. Ở 3 vị trí đƣợc chọn Bảng 3.1. Phần trăm khối lượng ngẫu nhiên trên bề mặt mạ các nguyên tố Ni, P có trong lớp nickel hóa học, kết quả mạ nickel hóa học Vị % khối lƣợng các nguyên phân tích cho thấy hàm trí tố lƣợng Ni chênh lệch Ni P khoảng 5%, dao động từ 1 47,16 1,03 45,26% đến 50,20 %, 2 45,26 0,93 3 50,20 0,85 trong khi đó hàm lƣợng P trong bề mặt khá nhỏ và 6 thay đổi ít. Nhƣ đã biết quá trình mạ hóa học nickel từ dung dịch chứa NaH2PO2 là quá trình tự xúc tác. Ở đây nickel vừa là sản phẩm phản ứng, vừa là tác nhân xúc tác, do vậy vị trí nào có Ni bám vào nơi đó phản ứng tạo nickel diễn ra nhanh hơn. Các tinh thể nickel mới đƣợc tạo thành lại tiếp tục vai trò xúc tác khiến cho lƣợng nickel tại các vị trí đó tăng lên nhanh chóng. Muốn thu đƣợc bề mặt mạ hóa học đồng đều cần chú ý đến giai đoạn nhạy hóa và hoạt hóa để các tác nhân xúc tác ban đầu đƣợc phân bố đều trên toàn bộ bề mặt, đồng thời dung dịch cần đƣợc khuấy cẩn thận để tác nhân phản ứng có thể dễ dàng tiếp cận bề mặt vật cần mạ. 3.2. MẠ TỔ HỢP Ni-P-AL2O3 3.2.1. Sự hình thành lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 Để tạo lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 trƣớc khi nhúng vật cần mạ (thép CT3) vào trong dung dịch có thành phần: NiCl2 0,08 M + NaH2PO2 0,23 M + NH2CH2COOH 0,2 M + CH3COONa 1,8 M + pH = 5,5; tốc độ khuấy 1500 vòng/ phút; thêm vào các dung dịch mạ bột Al2O3 với hàm lƣợng khác nhau, nhiệt độ dung dịch đƣợc giữ ở mức 45oC; thời gian mạ: 30 phút. Để đánh giá mức độ thâm nhập cũng nhƣ ảnh hƣởng của hàm lƣợng Al2O3 đến thành phần nguyên tố của lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3, tiến hành mạ trong các dung dịch với hàm lƣợng Al2O3 khác nhau: 20g/L; 40g/L; 60g/L. Các mẫu sau khi mạ, đem sấy khô và gửi đi đo EDX tại trung tâm đánh giá hƣ hỏng vật liệu COMFA Hà Nội. Kết quả đo EDX các mẫu Ni-P-Al2O3 từ dung dịch có hàm lƣợng Al2O3 khác nhau đƣợc đƣa ra trên Hình 3.2, Hình 3.3; Hình 3.4. Hình 3.4. Phổ EDX của lớp mạ Ni-PAl2O3 từ dung dịch có chứa 60 g/L Al2O3 7 Thực nghiệm cho thấy sự xuất hiện peak của Al trên phổ đồ EDX của lớp mạ nickel hóa học Ni-P khi thêm bột Al2O3 vào trong dung dịch mạ. So sánh các Hình 3.2, Hình Hình 3.2. Phổ EDX của lớp mạ Ni-P3.3 và Hình 3.4 với Hình Al2O3 từ dung dịch có chứa 20 g/L Al2O3 3.1, cũng nhận thấy peak của O trong trƣờng hợp thêm bột Al2O3 trong dung dịch mạ có cƣờng độ mạnh hơn nhiều so với trƣờng hợp không có Hình 3.3. Phổ EDX của lớp mạ Ni-PAl2O3. Điều này chứng tỏ Al2O3 từ dung dịch có chứa 40 g/L Al2O3 đã đƣa thành công Al2O3 vào lớp mạ tổ hợp Ni-P. Cƣờng độ peak của Al và O phụ thuộc vào hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch mạ. Ở hàm lƣợng 60 g/L cƣờng độ các peak là lớn nhất. Kết quả xác định thành phần nguyên tố Al và O tại các vị trí khác nhau trên bề mặt mạ nickel tổ hợp từ dung Bảng 3.2. Phần trăm khối lượng các tố Al, O có trong lớp mạ nickel tổ dịch chứa 40 g/L Al2O3 nguyên hợp từ dung dịch chứa 40 g/L Al2O3 đƣợc thể hiện trong Bảng 3.2. Ở 3 vị trí đƣợc chọn ngẫu nhiên trên bề mặt mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3, kết quả phân tích cho thấy hàm lƣợng Al và O ở các vị trí khác nhau có sự chênh lệch đáng kể. Điều này liên quan đến cơ chế 8 xâm nhập của các hạt bột Al2O3 vào trong lớp mạ. Các hạt Al2O3 hấp phụ các ion và phân tử dung môi, di chuyển đến và hấp phụ trên vật mạ. Tại đây, phản ứng hóa học giữa Ni2+ và NaH2PO2 sinh ra nickel và dần dần chôn lấp các hạt Al2O3 vào lớp mạ tạo nên lớp mạ tổ hợp. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ xác định thành phần nguyên tố bằng cách lấy trung bình kết quả của 3 lần đo tại các vị trí ngẫu nhiên trên bề mặt. Thành phần hóa học các nguyên tố trên bề mặt mạ NiP-Al2O3 với hàm lƣợng Al2O3 khác nhau đƣợc thể hiện trong Bảng 3.3. Dựa vào Bảng 3.3 thấy rằng, tăng hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch lƣợng nhôm oxit đƣợc đƣa vào trong lớp mạ tăng lên. Tuy nhiên hàm lƣợng Ni và P về cơ bản nhỏ hơn trƣờng hợp không có Al2O3. Điều này có thể liên quan đến tổng phần trăm của các nguyên tố bằng 100%, khi có mặt Al và O thì phầm trăm khối lƣợng của Ni và P giảm xuống mặc dù khối lƣợng có thể không đổi. Ngoài ra do phản ứng tạo lớp mạ tổ hợp là phản ứng tự xúc tác bởi Ni nên khi trên bề mặt bị che phủ bởi các hạt Al2O3 (không có khả năng xúc tác) tốc độ phản ứng sẽ giảm, đó cũng có thể là nguyên nhân dẫn đến hàm lƣợng Ni-P giảm. Tuy nhiên khi Al2O3 đã đƣợc che phủ bởi nickel sẽ trở thành những tâm xúc tác mới, và diện tích bề mặt tăng làm cho tốc độ của phản ứng dị thể tăng, tạo ra nhiều sản phẩm hơn. Nhƣ vậy sự có mặt của các hạt Al2O3 trên bề mặt vật cần mạ có thể gây ra 2 tác động trái ngƣợc nhau đến phản ứng oxi hóa khử giữa Ni2+ và NaH2PO2. Điều này phản ánh trên kết quả thực nghiệm, khi hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch là 40 g/L lƣợng Ni đƣợc tạo ra nhiều nhất. 9 Từ các dữ kiện EDX về thành phần nguyên tố xác định lại phần trăm khối lƣợng Al2O3 theo công thức: % = Kết quả ảnh hƣởng của hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch mạ đến phần trăm khối lƣợng của Al2O3 trong lớp mạ đƣợc thể hiện trong Bảng 3.4 và trên Hình 3.5 Từ đồ thị Hình 3.5 thấy rằng, tăng hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch mạ từ 20 g/L đến 40 g/L lƣợng Al2O3 trong lớp mạ tăng nhanh, gấp 3 lần. Tuy nhiên khi tăng nồng độ Al2O3 trong dung dịch mạ từ 40 g/L đến 60 g/L phần trăm khối lƣợng Al2O3 trong lớp mạ tăng không nhiều, chỉ khoảng 1,3 lần, trong khi đó hàm lƣợng Ni lại giảm Nhƣ vậy qua khảo sát sơ bộ có thể thấy, hàm lƣợng Al2O3 thích hợp cho lớp mạ composite NiP-Al2O3, mạ từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp (0,08 M), chứa đệm glyxin ở pH = 5,5 là 40 g Al2O3 / 1 L dung dịch mạ. 3.2.2. Các yếu t ả ƣở đế m ƣợng nhôm trong lớp mạ tổ hợp Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thâm nhập của Al2O3 vào trong lớp mạ hóa học Ni-P đƣợc khảo sát bao gồm nhiệt độ phản ứng và tốc độ khuấy. 10 a. Ảnh hưởng của nhiệt độ Lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 đƣợc tạo thành bằng cách nhúng vật cần mạ (thép CT3) vào trong dung dịch có thành phần: NiCl2 0,08 M + NaH2PO2 0,23 M + NH2CH2COOH 0,2 M + CH3COONa 1,8 M + pH = 5,5; Al2O3 40 g/L, thời gian mạ: 30 phút, tốc độ khuấy 1500 vòng/ phút. Nhiệt độ dung dịch mạ đƣợc điều chỉnh ở mức 30oC, 45oC và 60oC. Kết quả đo EDX của các mẫu mạ tổ hợp NiP-Al2O3 đƣợc mạ ở các nhiệt độ khác nhau đƣợc đƣa ra trên Hình 3.6; Hình 3.7; Hình 3.8. Kết quả đo EDX cho Hình 3.6. Phổ EDX của lớp mạ Ni-PAl2O3 mạ ở nhiệt độ 30oC thấy, ở 30oC peak của cả nickel và nhôm đều rất Hình 3.8. Phổ EDX của lớp mạ Ni-Pyếu. Tăng nhiệt độ dung o Al2O3 mạ ở nhiệt độ 60oC dịch phản ứng từ 30 C đến 45oC các peak của sản phẩm mạnh dần. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ đến mức 60oC peak của nhôm có xu hƣớng giảm cƣờng độ. Hình 3.7. Phổ EDX của lớp mạ Ni-P-Al2O3 mạ ở nhiệt độ 45oC Kết quả xác định thành phần nguyên tố cho thấy, ở 30oC phần trăm khối lƣợng Ni và Al2O3 trên bề mặt rất nhỏ, lớp mạ tạo thành mỏng không che đƣợc bề mặt thép (Bảng 3.5). Tăng nhiệt độ lên 45oC hàm lƣợng Ni và Al2O3 tăng đột ngột. Điều này có thể đƣợc giải thích là do khi tăng nhiệt độ tốc độ phản ứng tăng, quá trình 11 vùi lấp Al2O3 cũng diễn ra nhanh hơn. Tuy nhiên khi nhiệt độ quá cao, chuyển động nhiệt của các phân tử lớn, các hạt Al2O3 đƣợc phủ một phần bởi Ni có thể sẽ bị rơi ra khỏi bề mặt khiến cho hàm lƣợng Al2O3 và cả Ni đều giảm. Dựa vào bảng 3.5 thấy rằng, tăng nhiệt độ phản ứng từ 30oC đến 60oC phần trăm khối lƣợng Al2O3 trong lớp mạ thay đổi rõ rệt. Ở 45oC hàm lƣợng Al2O3 trong lớp mạ là lớn nhất. Do vậy nhiệt độ dung dịch thích hợp cho quá trình mạ tổ hợp Ni-PAl2O3 đƣợc chọn là 45oC. b. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy Hình 3.10. Phổ EDX của lớp mạ Ni-PTốc độ khuấy là một Al2O3 với tốc độ khuấy 500 vòng/ phút trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến quá trình mạ tổ hợp. Để nghiên cứu ảnh hƣởng tốc độ khuấy đến hàm lƣợng nhôm trong lớp mạ tổ hợp NiP- Al2O3, tiến hành mạ trong dung dịch có thành phần NiCl2 Hình 3.11. Phổ EDX của lớp mạ Ni-P0,08 M + NaH2PO2 0,23 M Al2O3 với tốc độ khuấy 1500 vòng/ phút + NH2CH2COOH 0,2 M + CH3COONa 1,8 M trong điều kiện pH = 5,5, nhiệt độ dung dịch mạ là 45oC, hàm lƣợng Al2O3 40 g/L, thời gian 30 phút, tốc độ khuấy lần lƣợt là 500 vòng/phút, 1500 vòng/phút, 2400 vòng/phút. Các mẫu sau khi mạ đƣợc gửi đo EDX tại Trung tâm đánh giá hƣ hỏng vật liệu COMFA Hà Nội để xác định thành phần nguyên tố. 12 Kết quả đo EDX các bề mặt mạ tổ hợp Ni-PAl2O3 với tốc độ khuấy khác nhau đƣợc thể hiện trên Hình 3.10, Hình 3.11, Hình 3.12. Kết quả thực nghiệm cho thấy tốc độ khuấy ảnh hƣởng rất Hình 3.12. Phổ EDX của lớp mạ Ni-Plớn đến thành phần Al2O3 với tốc độ khuấy 2400 vòng/ phút nguyên tố của bề mặt lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3. Tăng tốc độ khuấy từ 500 vòng /phút đến 1500 vòng/phút cƣờng độ các peak của Al tăng rõ rệt, trong khi các peak của Ni thay đổi không nhiểu. Kết quả phân tích hàm lƣợng các nguyên tố trên bề mặt lớp mạ cho thấy, phần trăm khối lƣợng của tăng 46% đến 54%, hàm lƣợng Al2O3 cũng tăng từ 4,98% đến 18,91%. (Bảng 3.6). Điều này liên quan đến việc tăng tốc độ khuếch tán các tác nhân phản ứng lên bề mặt khi khuấy. Tăng tốc độ khuấy sẽ làm giảm sự chênh lệch nồng độ của các chất phản ứng trong dung dịch và trên lớp gần bề mặt, từ đó làm tăng tốc độ phản ứng cũng nhƣ làm quá trình chôn lấp Al2O3 hiệu quả hơn. Ngoài ra tốc độ khuấy tăng còn khiến Al2O3 tiếp cận bề mặt tôt hơn, dễ dàng khuếch tán vào lớp bề mặt. Do vậy hàm lƣợng Al2O3 trong lớp mạ tăng mạnh khi tăng tốc độ khuấy từ 500 vòng /phút đến 1500 vòng /phút. Tiếp tục tăng tốc độ khuấy các peak của cả Ni và Al đều giảm mạnh cƣờng độ. Hàm lƣợng Ni giảm xuống từ 54% khi tốc độ khuấy 1500 vòng/phút còn khoảng 20% khi tốc đạt 2400 vòng/phút, hàm lƣợng Al2O3 13 cũng giảm mạnh từ 18,91% đến 8,27%. Kết quả thực nghiệm có thể đƣợc giải thích là do khi tốc độ khuấy quá cao các hạt Al2O3 mới đƣợc gắn lên trên bề mặt sẽ bị rơi ra do áp lực của nƣớc kéo theo cả nickel mới hình thành cũng rơi vào trong dung dịch mà không bám đƣợc vào bề mặt. Dựa vào đồ thị trên thấy rằng, tăng tốc độ khuấy từ 500 vòng/ phút đến 1500 vòng/ phút phần trăm khối lƣợng Al2O3 trong lớp mạ thay đổi rõ nét. Khi tốc độ khuấy là 1500 vòng/ phút hàm lƣợng Al2O3 trong lớp mạ là lớn nhất. Do vậy tốc độ khuấy thích hợp cho quá trình mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 đƣợc chọn là 1500 vòng/ phút. 3.3. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA LỚP MẠ Ni-P- AL2O3 3.3.1. Ảnh chụp SEM Các quan sát trực quan cho thấy sự có mặt của Al2O3 trong lớp mạ hóa học Ni-P làm cho các tính chất của bề mặt của chúng thay đổi một cách đáng kể. Lớp mạ chứa Al2O3 có màu xám, sáng và bóng hơn nhiều so với lớp mạ thuần. Bề mặt mạ cũng nhẵn hơn, không còn xuất hiện các vết châm kim nhƣ lớp mạ Ni-P, thay vào đó là các hạt nhỏ màu trắng nằm rải đều khắp bề mặt, khả năng là các hạt Al2O3 mới đƣợc che lấp một phần. Kết quả chụp ảnh SEM ở độ phóng đại khác nhau của hai lớp mạ Ni-P và NiP-Al2O3 đƣợc mạ từ dung dịch có thành phần: NiCl2 0,08 M + NaH2PO2 0,23 M + NH2CH2COOH 0,2 M + Hình 3.15. Ảnh chụp SEM của lớp mạ Ni-P và Ni-P-Al2O3 ở các độ phóng đại khác nhau 14 CH3COONa 1,8 M + pH = 5,5, Al2O3 40 g/L và không có Al2O3, thời gian mạ 30 phút, nhiệt độ dung dịch mạ 45oC; tốc độ khuấy 1500 vòng/phút, đƣợc thể hiện trong Hình 3.15. Kết quả chụp ảnh SEM cho thấy, ở độ phóng đại 200 (100 μm) lớp mạ thuần Ni-P có nhiều lỗ châm kim, trong khi lớp mạ Ni-P-Al2O3 ngoài những tinh thể lớn (khả năng là các hạt trồi lên trên bề mặt Al2O3) thì phần còn lại khá nhẵn. Tăng độ phóng đại lên 2000 (10 μm) tại vị trí các lỗ châm kim của lớp mạ thuần là rất nhiều các khe rãnh nhỏ, trong khi lớp mạ tổ hợp NiP-Al2O3 bề mặt đƣợc phủ lấp kín hơn. pH môi trƣờng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến hình thái bề mặt của lớp mạ nickel. Ảnh chụp SEM của các lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 đƣợc mạ từ các dung dịch với pH = 2,5; pH = 5,5 và pH = 7,5 đƣợc thể hiện trên Hình 3.16. Kết quả thực nghiệm cho thấy, ở các pH khác nhau, với cùng hàm lƣợng Al2O3 hình thái bề mặt của các lớp mạ khác nhau rất nhiều. Trong môi trƣờng axit (pH = 2,5) bề mặt mạ nhẵn, các hạt tinh thể khá mịn, quan sát trực quan lại thấy lớp mạ không có độ bóng giống nhƣ ở pH = 5,5. Điều này có Hình 3.16. Ảnh chụp SEM của lớp mạ tổ hợp thể liên quan đến khả Ni-P-Al2O3 được mạ từ các dung dịch với pH khác nhau 15 năng phản ứng của NaH2PO2 đƣợc chứng minh là tăng mạnh trong môi trƣờng axit, tốc độ tạo mầm nickel lớn hơn tốc độ lớn lên của mầm nên kích thƣớc hạt nhỏ. Tuy nhiên trong môi trƣờng axit một phần nickel bị axit hòa tan, do vậy ở độ phóng đại lớn quan sát thấy nhiều vệt dọc, ngang trên bề mặt. Trong môi trƣờng kiềm khả năng phản ứng của NaH2PO2 giảm, đồng thời Ni2+ có thể bị thủy phân tạo ra lớp hiđroxit bám lên trên bề mặt nên bề mặt bị tơi xốp, phần rìa bị sạm đen. Ở độ phóng đại lớn còn quan sát thấy các rãnh sâu, dọc ngang trên bề mặt lớp mạ ở pH = 7,5. Nhƣ vậy có thể thấy pH phù hợp để mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 là môi trƣờng axit yếu pH = 5,5. 3.3.2. Độ bền hóa chất Để đánh giá độ bền hóa chất, các mẫu đƣợc mạ từ dung dịch chứa NiCl2 0,08 M + NaH2PO2 0,23 M + NH2CH2COOH 0,2 M + CH3COONa 1,8 M + pH = 5,5, Al2O3 40 g/L và không có Al2O3, nhiệt độ dung dịch giữ ở 45oC, thời gian mạ 30 phút, tốc độ khuấy 1500 vòng/phút. Các mẫu sau khi mạ đƣợc đem ngâm trong dung dịch HCl 1M và dung dịch NaCl 3,5% trong thời gian 24h; 48h và 72h. Tốc độ ăn mòn khối lƣợng của các mẫu mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 đƣợc thể hiện trong Bảng 3.7. Sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn khối lƣợng bề mặt mạ Ni-P-Al2O3 trong Hình 3.17. Tốc độ ăn mòn khối lượng của các mẫu trong dung dịch NaCl 3,5% ở thời gian 24h, 48h, 72h 16 các dung dịch NaCl 3,5% và HCl 1 M vào thời gian đƣợc thể hiện trên Hình 3.17 và Hình 3.18. Dựa vào số liệu bảng 3.7 và đồ thị hình 3.17 và 3.18 nhận thấy rằng mẫu không có Al2O3 bị ăn mòn Hình 3.18. Tốc độ ăn mòn khối lượng trong dung dịch nhiều hơn của các mẫu trong dung dịch HCl so với mẫu có chứa Al2O3 , 1M ở thời gian 24h, 48h, 72h khi tăng hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch mạ thì tốc độ ăn mòn trong dung dịch NaCl 3,5% và HCl 1M đều giảm. Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở tính trơ của các hạt Al2O3 trong môi trƣờng ăn mòn. Các hạt Al2O3 ở trên bề mặt có thể có vai trò nhƣ những tấm chắn, ngăn không cho nickel tiếp xúc với hóa chất của môi trƣờng ăn mòn, do vậy tốc độ ăn mòn nhỏ. Theo thời gian quá trình ăn mòn dần ổn định, tốc độ ăn mòn giảm dần. 3.3.3. Độ bề ă mò đ ện hóa Để đo dòng ăn mòn của lớp mạ NiP- Al2O3, tiến hành mạ trong dung dịch chứa hàm lƣợng Al2O3 0 g/L; 20g/L; 40g/L; 60g/L với thành phần nhƣ sau: NiCl2 0,08 M + glyxin 0,2 M + CH3COONa 1,8 M, pH = 5,5; thời gian mạ 30 phút, tốc độ khuấy 1500 vòng/phút và nhiệt độ 45oC. Tiến hành đo dòng ăn mòn các mẫu trong dung dịch NaCl 3,5% trên máy đo điện hóa Auto Lab khoa Hóa- trƣờng Đại học Sƣ phạm Đà Nẵng. Kết quả đo dòng ăn mòn đƣợc thể hiện trên Hình 3.19. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự có mặt của Al2O3 trong lớp mạ tổ hợp không làm thay đổi nhiều hình dạng cũng nhƣ độ cao của đƣờng phụ thuộc logi-E của Ni-P-Al2O3 trong dung dịch NaCl 3,5%. Tăng hàm lƣợng Al2O3 đƣờng cong phân cực bị đẩy về vùng thế dƣơng hơn. 17 Bằng phép ngoại suy Tafel ta thu đƣợc giá trị mật độ dòng ăn mòn và thế ăn mòn của các mẫu Ni-PAl2O3 nhƣ trong Bảng 3.8. Hình 3.19. Đồ thị dòng ăn mòn Tafel Dựa vào kết quả đo dòng ăn mòn ở Bảng 3.8, nhận thấy rằng khi thêm Al2O3 thì thế ăn mòn dịch chuyển về vùng dƣơng hơn, mật độ dòng ăn mòn cũng nhỏ hơn. Tuy rằng ảnh hƣởng của hạt Al2O3 đến mật độ dòng ăn mòn là không nhiều. Điều này chứng tỏ rằng khi mẫu có thêm Al2O3 thì khó bị ăn mòn điện hóa hơn so với mẫu không có Al2O3. KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN Đã chế tạo thành công lớp mạ hóa học Ni-P trên nền thép CT3 bằng phƣơng pháp mạ hóa học từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp chứa đệm glyxin. Tuy nhiên lớp mạ còn mỏng, trên phổ đồ EDX còn ít tín hiệu của nền: Fe, Si. Đã chế tạo thành công lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm lƣợng nhôm trên bề mặt mạ: hàm lƣợng Al2O3, tốc độ khuấy, nhiệt độ. Tìm ra điều kiện tốt 18 nhất để mạ tổ hợp là: hàm lƣợng Al2O3 40 g/L, nhiệt độ 45oC, tốc độ khuấy 1500 vòng/phút. Đã khảo sát một số tính chất của lớp mạ tổ hợp: hình thái bề mặt, độ bền hóa chất, độ bền ăn mòn điện hóa. Chứng minh đƣợc Al2O3 làm tăng tính chống ăn mòn của lớp mạ Ni-P trong môi trƣờng NaCl 3,5% và HCl 1M. 2. KIẾN NGHỊ Tiếp tục nghiên cứu các tính chất và các yếu tố ảnh hƣởng tới bề mặt lớp mạ. Mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, giúp bảo vệ bề mặt vật liệu, độ bền cao, khả năng chịu mài mòn tốt. Do đó tôi đề nghị tiếp tục nghiên cứu phát triển lớp mạ tổ hợp bằng phƣơng pháp mạ hóa học.