Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày các kết quả nghiên cứu ban đầu về chế tạo lớp mạ nanocomposite nền Ni có chứa hạt nano Al2O3 bằng công nghệ mạ xoa. Ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ mạ tới độ bền mài mòn đã đươc khảo sát, bao gồm mật độ dòng điện mạ, nhiệt độ dung dịch mạ và hàm lượng hạt nano Al2O3.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu chế tạo lớp mạ composite Ni/ nano-Al2O3 bền mài mòn công nghệ mạ xoa Research on fabrication of wear-resistant Ni/Al2O3 nanocomposite coating by selective electroplating Đỗ Thanh Tùng1,*, Lê Thu Quý1, Lê Đức Thành2, Nguyễn Anh Dũng1 Phòng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ Hàn Xử lý bề mặt Viện Công nghệ, Tổng cục Công nghiệp Quốc phịng *Email: dttung1010@gmail.com Tel: 024.38370354; Mobile: 0988513289 Tóm tắt Từ khóa: Cơng nghệ mạ xoa; Lớp mạ Ni nanocomposite; Nano Al2O3; Độ bền mài mịn Bài báo trình bày kết nghiên cứu ban đầu chế tạo lớp mạ nanocomposite Ni có chứa hạt nano Al2O3 công nghệ mạ xoa Ảnh hưởng thông số cơng nghệ mạ tới độ bền mài mịn đươc khảo sát, bao gồm mật độ dòng điện mạ, nhiệt độ dung dịch mạ hàm lượng hạt nano Al2O3 Kết thí nghiệm thu cho thấy, với có mặt hạt nano Al2O3, độ bền mài mịn lớp mạ nanocomposite nâng cao lần so với độ bền lớp mạ niken thường Abstract Keywords: Selective electroplating; Nickel nanocomposite coating; Al2O3 nanoparticles; Wear resistance The paper presents our research on fabrication of nickel nanocomposite coating with Al2O3 nanoparticles using selective electroplating The influence to the coating wear resistance of technological plating parameters was investigated including current density, solution temperature and content of the Al2O3 nanoparticles The obtained experimental results showed that the presence of Al2O3 nanoparticles would increase the wear resistance of the traditional nickel coating more than twice Ngày nhận bài: 07/07/2018 Ngày nhận sửa: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Mạ xoa phát triển công nghệ mạ điện, sử dụng bút xoa dung dịch mạ cấp trực tiếp lên bề mặt chi tiết [1] Các thiết bị cần thiết bao gồm: nguồn điện điều khiển, cấp điện âm cho chi tiết mạ điện áp dương cho bút xoa; bơm dung dịch số thiết bị phụ trợ khác Phương pháp tăng suất q trình mà cịn nâng cao chất lượng lớp mạ so với phương pháp mạ điện khác Mạ xoa ứng dụng phổ biến ngành phụ trợ công nghiệp nhằm chế tạo lớp bảo vệ chi tiết máy; phục hồi, sửa chữa lớp mạ cũ mà khơng cần chi phí tháo lắp máy di chuyển xưởng mạ [1] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Lớp mạ xoa niken hình thành ion niken dễ kết tủa, lớp mạ niken có độ cứng cao, chịu mài mịn, chống gỉ tốt…, lớp mạ niken áp dụng từ sớm, phổ biến rộng rãi Hiện dung dịch mạ xoa niken hợp kim niken có 20 loại, mạ niken đặc biệt, mạ niken nhanh, mạ hợp kim Ni-W, Ni-P… áp dụng nhiều Trong dung dịch mạ xoa niken, dung dịch mạ tính axit cho lớp mạ mịn [1] Hiện nay, lớp phủ nanocomposite nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu, số công bố lớp phủ Ni-P nanocomposite chất lượng cao, ứng dụng lĩnh vực bảo vệ chống mài mòn ăn mòn cho chi tiết thép Với hạt nano-SiO2, Rabizadeh cộng [3] sử dụng hạt kích thước 20 nm phân tán dung dịch mạ thương mại, với chất khử NaH2PO2 trợ giúp sóng siêu âm Màng phủ có tốc độ tạo màng 10 - 12 µm/giờ hạt nano chiếm khoảng 2% thể tích lớp phủ Dong cộng [4] thu lớp phủ Ni-P/nano-SiO2 composite với hạt kích thước 10 - 20 nm biến tính bề mặt γ-aminopropyltrimethoxysilane Sau mạ, lớp phủ xử lý nhiệt 400oC Lớp phủ thu có chiều dày 17 µm, chặt xít khơng có vết nứt Các nghiên cứu Lingzhong Du cộng Ni/Al2O3 nanocomposite cho biết độ cứng lớp mạ gia tăng mật độ hạt nano Al2O3 gia tăng, Với giá trị hàm lượng hạt nano Al2O3 20g/l độ cứng, độ chịu mài mòn lớp phủ cao 60% so với lớp mạ Ni tinh khiết [5] Với hạt kích thước nm lớp phủ Ni composite, việc đưa hạt nano có độ cứng lớn (SiC, Al2O3, kim cương) vào bên lớp phủ Ni-P độ cứng composite cải thiện nhiều, qua nâng cao độ bền mài mịn [6] Khi đưa hạt nano-SiO2 vào lớp phủ Ni-P (2% thể tích) độ cứng lớp mạ tăng lên từ 785 HV đến 970 HV [3], đạt tới giá trị 1340 HV [4] Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực thí nghiệm nhằm tạo lớp mạ composite có thêm hạt cứng kích thước nano nhằm tăng tính chịu mài mịn, ăn mòn cho lớp mạ Ni, khả bảo vệ chi tiết máy THỰC NGHIỆM 2.1 Dung dịch mạ Quá trình mạ thực theo bước cơng nghệ với dung dịch sử dụng nêu Bảng đây, dung dịch LDC 01, LDC 02 LDC 03 hãng LDC (Mỹ) cung cấp Bảng Các dung dịch dùng thực nghiệm Bước thực Làm điện phân Hoạt hóa lần Hoạt hóa lần Nước rửa làm Mạ lót Mạ Ni/Al2O3 Loại dung dịch LDC 01 LDC 02 LDC 03 Nước RO Niken đặc biệt Niken nhanh 2.2 Thiết bị mạ xoa Các thí nghiệm nghiên cứu sử dụng hệ thống thiết bị mạ xoa LDC - 100A Mỹ với các điện cực phẳng làm graphit có kích thước 65 x 45 x 20 mm Quá trình mạ có sử dụng thiết bị ARE (Ý) với khả gia nhiệt lên đến 3000C tốc độ khuấy 8000 rpm dùng để gia nhiệt dung dịch khuấy phân tán hạt Al2O3 vào dung dịch mạ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.3 Hạt nano Al2O3 Hạt nano sử dụng nghiên cứu có dạng nano α–Al2O3 (độ tinh khiết 99,85%; kích thước hạt ~150 nm) hãng Inframat Advanced Materials - USA Hạt Al2O3 sấy 1000C giờ, sau đem cân lấy khối lượng xác cho vào dung dịch mạ Hỗn hợp xử lý máy khuấy từ 18 trước mạ để đảm bảo hạt phân tán dung dịch 2.4 Mẫu thí nghiệm thiết bị đánh giá độ bền mài mòn Các mẫu dùng để mạ lên có kích thước nêu Hình Mẫu thực nghiệm thép C45, mài phẳng hai mặt đạt độ nhám cấp Quá trình thử nghiệm mài mịn khơ tải trọng khơng đổi tiến hành hệ thống đa UMT - 3MT (Hình 2) Bộ mơn Cơ học máy, Khoa Cơ khí, Đại học Lê Q Đơn Hình Mẫu thực nghiệm mạ Hình Thiết bị đo độ mịn UMT - 3MT Thiết bị thử nghiệm hoàn toàn tự động điều khiển động thu thập liệu máy tính với phần mềm CETR độc quyền, cài đặt môi trường Window 2000/XP Dữ liệu thử nghiệm tự động tính tốn hiển thị thời gian thực lưu lại máy Tiến hành thử nghiệm với mơ hình chốt đĩa theo tiêu chuẩn ASTM G99-17 [10] Mẫu chốt làm thép không gỉ 1X18H9T (0.1% C, 18% Cr, 9% Ni, 1% Ti) Các mẫu đo chế độ Bảng Bảng Chế độ chạy máy đo độ mài mòn lớp phủ STT Chế độ Lực tác dụng Bán kính từ tâm mẫu tới đầu thử Tốc độ quay mẫu Thời gian đo Độ cứng đầu mài Đơn vị N mm vịng/phút s HRC Thơng số 10 7,5 150 180 63 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.5 Kế hoạch thực nghiệm Mục tiêu: Xác định thông số công nghệ để chế tạo lớp mạ composite Ni/Al2O3 bền mài mòn phương pháp mạ xoa Chất lượng lớp mạ composite phụ thuộc nhiều vào dung dịch mạ, vật liệu nano chế độ cơng nghệ mạ Nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm xác định miền khảo sát bước đầu đưa chế độ công nghệ mạ xoa tạo lớp phủ Ni/ nano-Al2O3 Dung dịch mạ vật liệu composite lựa chọn theo kết nghiên cứu khác công bố Ba thơng số cơng nghệ nhóm tác giả lựa chọn nghiên cứu là: + Mật độ dòng điện mạ; + Nhiệt độ dung dịch mạ; + Hàm lượng hạt Al2O3 dung dịch mạ Chất lượng lớp mạ đánh giá thông qua giá trị tốc độ mòn (là yếu tố quan trọng lớp phủ nhằm bảo vệ chống mài mịn) 2.5.1 Các thí nghiệm thăm dò xác định miền khảo sát Thực thí nghiệm thăm xác định miền khảo sát thông số chế độ công nghệ mạ xoa tạo lớp mạ composite Ni/ nano- Al2O3 với giá trị ban đầu lựa chọn dựa sở nghiên cứu công bố [3-9] Các giá trị thăm dị thơng số khảo sát trước sử dụng vào thí nghiệm để thăm dị miền khảo sát cho thơng số khác a Thí nghiệm thăm dị xác định miền khảo sát mật độ dòng điện (Dc) Thực thí nghiệm với giá trị lựa chọn sau [5, 6, 8, 9]: + Hàm lượng Al2O3: M = 10 g/l + Nhiệt độ dung dịch mạ lựa chọn ban đầu theo nhiệt độ phòng: T = 300C + Mật độ dịng điện mạ Dc = 10 ÷ 50 A/dm2, với 05 giá trị bước thay đổi 10 A/dm2 b Thí nghiệm thăm dị xác định miền khảo sát nhiệt độ dung dịch mạ Thực thí nghiệm với cá giá trị lựa chọn sau: mật độ dòng điện mạ sử dụng kết thí nghiệm trên; hàm lượng Al2O3 10 g/l; nhiệt độ dung dịch từ 300C – 600C với 04 giá trị bước thay đổi 100C Với thí nghiệm có chế độ cơng nghệ giống thí nghiệm thực ta sử dụng lại kết để tiết kiệm thời gian nguyên vật liệu c Thí nghiệm thăm dị xác định miền khảo sát hàm lượng hạt Al2O3 dung dịch mạ Thực thí nghiệm với cá giá trị lựa chọn sau: mật độ dòng điện; nhiệt độ dung dịch sử dụng kết thí nghiệm trên; hàm lượng hạt Al2 O3 thay đổi từ 5-25 g/l với giá trị bước thay đổi g/l 2.5.2 Thực nghiệm xác định chế độ công nghệ mạ xoa tạo lớp mạ composite Ni/ nano-Al2O3 Căn vào kết thí nghiệm thăm dị, nhóm nghiên cứu lựa chọn khoảng thông số chế độ để thực nghiệm chế tạo lớp mạ đánh giá ảnh hưởng tương tác chúng Lựa chọn phương án thực nghiệm bậc hai mức thí nghiệm thêm thí nghiệm tâm Ma trận thực nghiệm đưa Bảng [2] Các mức thí nghiệm xác định thí nghiệm thăm dị Nếu thực nghiệm bậc không thỏa mãn tiến hành thực nghiệm bậc HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Bảng phương án thực nghiệm TT 10 11 Ký hiệu mẫu TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 TN6 TN7 TN8 TN9 TN10 TN11 Dc -1 -1 -1 -1 0 M -1 -1 1 -1 -1 1 0 T -1 -1 -1 -1 1 1 0 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các thí nghiệm thăm dò xác định miền khảo sát Tiến hành đo tốc độ mòn theo nguyên lý chốt đĩa ASTM G99-17 theo thời gian thực hệ thống đa UMT - 3MT với phần mềm CETR quyền tự động tính tốn cho kết giá trị tốc độ mịn mm/s Hình Đồ thị mòn mẫu mạ thăm dò số với Dc = 20 A/dm2; M = 10 g/l; T= 30 C Hình thể giá trị mịn phần mềm tính tốn 4,4 x 10-5 (mm/s); Trong thời gian đầu thí nghiệm, tốc độ mịn thay đổi khơng đều, giây thứ 43 tốc độ mòn trở độ nhám bề mặt nên giá trị có thay đổi nên đường cong mịn trở thành đường nhấp nhơ Mỗi lần đo mẫu thí nghiệm mài mòn, thu kết giá trị tốc độ mòn đồ thị mòn tương tự Hình Các kết thu thể ảnh hưởng thơng số mật độ dịng điện, nhiệt độ dung dịch, hàm lượng hạt Al2O3 đến tốc độ mài mòn lớp mạ, biểu diễn qua đồ thị nêu Hình 4, 6, HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Ảnh hưởng mật độ dịng điện đến tốc độ mịn Hình Mẫu mạ Dc = 50 A/dm2 Đồ thị Hình cho thấy, mật độ dịng điện tăng tốc độ mài mịn mẫu có xu hướng giảm dần Tuy nhiên tăng Dc = 50 A/dm2 xuất tình trạng lớp mạ bị mờ, gai xốp tốc độ mài mòn lại tăng cao so với giá trị Dc = 10 - 40 A/dm2 (Hình 5) Hình Ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch mạ đến tốc độ mịn Hình Mẫu mạ nhiệt độ 600C Đồ thị Hình cho thấy, nhiệt độ khoảng 30-50oC ảnh hưởng không đáng kể đến tốc độ mài mịn Khi nhiệt độ dung dịch tăng lên 600C tốc độ mài mòn lớp mạ tăng lên 1,5 lần so với mẫu lại Tuy nhiên, lớp mạ xuất tình trạng bị cháy ngả sang màu vàng khơng cịn mịn mẫu mạ với dung dịch có nhiệt độ từ 300C đến 500C (Hình 7) Đồ thị Hình cho thấy, hàm lượng hạt nano -Al2O3 dung dịch mạ tăng khoảng 520 g/l tốc độ mài mịn mẫu có xu hướng giảm dần hàm lượng tăng lên 25 g/l tốc độ mài mịn lại tăng lên Điều giải thích sau: tăng hàm lượng hạt nano dung dịch ban đầu hàm lượng hạt kết tủa vào lớp mạ tăng nhanh, sau Hình Ảnh hưởng hàm lượng hạt Al2O3 đến tốc độ mòn bắt đầu có xu hướng ổn định (bão hịa hạt rắn lớp mạ) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.2 Nghiên cứu thử nghiệm chế tạo lớp phủ nanocomposite Ni/Al2O3 Các kết thí nghiệm thăm dò cho phép xác định miền khảo sát thơng số chế độ để thử nghiệm chế tạo lớp lớp mạ composite Ni/nano- Al2O3 sau: - Mật độ dòng điện mạ: Dc = 20 - 40 (A/dm2) - Hàm lượng hạt Al2O3: M = 10 - 20 (g/l) - Nhiệt độ dung dịch mạ: T = 30 - 50 (0C) Thực thí nghiệm theo phương án nêu Bảng tiến hành đo tốc độ mòn, thu kết nêu Bảng Bảng Kết đo tốc độ mài mòn mẫu thực nghiệm TT 10 11 Ký hiệu mẫu TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 TN6 TN7 TN8 TN9 TN10 TN11 Dc (A/dm2) 20 40 20 40 20 40 20 40 30 30 30 M (g/l) 10 10 20 20 10 10 20 20 15 15 15 T (0C) 30 30 30 30 50 50 50 50 40 40 40 Tốc độ mài mòn (mm/s) 4,4 x 10-5 4,32 x 10-5 4,15 x 10-5 3,08 x 10-5 4,56 x 10-5 4,3 x 10-5 3,86 x 10-5 3,04 x 10-5 3,17 x 10-5 3,21 x 10-5 3,24 x 10-5 Các kết thí nghiệm xử lý tối ưu phần mềm Modde 5.0 tính tốn xác định chế độ công nghệ mạ xoa cho tốc độ mài mòn thấp (tương ứng với mẫu TN-8) sau: - Mật độ dòng điện mạ Dc = 40 A/dm2 - Hàm lượng hạt Al2O3 dung dịch M = 20 g/l - Nhiệt độ dung dịch mạ T = 500C 3.3 Thực nghiệm mẫu mạ Ni hạt Al2O3 chế độ mạ với chế độ tối ưu Hình Đồ thị thí nghiệm mài mịn mẫu mạ niken không chứa nano-Al2O3 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tiến hành mạ mẫu Ni dùng dung dịch, thiết bị chế độ mẫu mạ tối ưu nêu Kết thí nghiệm mẫu mạ Ni nêu Hình cho thấy tốc độ mài mòn đạt 6,8 x 10-5 mm/s, tức gấp 2,2 lần tốc độ mài mòn mẫu mạ nanocomposite chế độ tốt TN-8 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ mạ xoa composite Ni/nano- Al2O3, rút số kết luận sau: - 14 thí nghiệm thăm dị chế tạo lớp mạ xoa composite Ni/nano- Al2O3 xác định miền khảo sát ảnh hưởng thơng số cơng nghệ mạ xoa tới độ bền mài mịn khơ: mật độ dịng điện Dc = 20 ÷ 40 A/dm2 ; nhiệt độ dung dịch mạ T = 30 ÷ 500C; hàm lượng hạt nano Al2O3 M = 10 ÷ 20 g/l - Đã xác định thông số chế độ mạ xoa tạo lớp mạ xoa composite Ni/nanoAl2O3 có độ bền mài mịn tốt là: Mật độ dòng điện mạ Dc = 40 A/dm2; Hàm lượng hạt Al2O3 dung dịch M = 20 g/l; Nhiệt độ dung dịch mạ T = 500C - Lớp mạ xoa composite Ni/nano- Al2O3 nâng cao độ bền mài mòn gấp lần so với lớp mạ Ni thường LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp Bộ mơn Cơ học máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Lê Quý Đôn Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam hỗ trợ, giúp đỡ trình nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Lộc, (2012), Công nghệ mạ đặc biệt, NXB Bách khoa, Hà Nội [2] Nguyễn Minh Tuyển, (2005), Quy hoạch thực nghiệm, NXB KH & KT Hà Nội [3] U.S Patents 4,547,407 and 4,906,532 [4] D Dong, X.H Chen, W.T Xiao, G.B Yang, P.Y Zhang (2009), “Preparation and properties of electroless Ni-P-SiO2 composite coatings”, Applied Surface Science, 7051–7055 [5] Lingzhong Du, Binshi Xu, Shiyun Dong, Hua Yang, Yixiong Wu, (2005), “Preparation, microstructure and tribological properties of nano-Al2O3/Ni brush plated composite coatings”, (192), 311 - 316 [6] Taher Rabizadeh, Saeed Reza Allahkaram, (2011), “Corrosion resistance enhancement of Ni-P electroless coatings by incorporation of nano-SiO2 particles”, Materials and Design, (32), 133-138 [7] Leon L Shaw, Daniel Goberman, Ruiming Ren,Maurice Gell, Stephen Jiang, You Wang, T Danny Xiao, Peter R Strutt, (2000), “The Dependency of Microstructure and Properties of Nanostructured Coatings on Plasma Spray Conditions”, Surface and Coatings Technology, 1-8 [8] A Sadeghzadeh-Attar, G AyubiKia, M Ehteshamzadeh, (2016), ”Improvement in tribological behavior of novel sol-enhanced electroless Ni-P-SiO2 nanocomposite coatings”, Surface & Coatings Technology, (307), 837–848 [9] Bin Wua, Bin-shi Xu, Bin Zhang, Yao-hui Lü, (2007), ”Preparation and properties of Ni/nano-Al2O3 composite coatings by automatic brush plating”, Surface and Coatings Technology, (201), 6933–6939 [10] ASTM G99-17 “Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus” ... nghiệm xác định chế độ công nghệ mạ xoa tạo lớp mạ composite Ni/ nano-Al2O3 Căn vào kết thí nghiệm thăm dị, nhóm nghiên cứu lựa chọn khoảng thơng số chế độ để thực nghiệm chế tạo lớp mạ đánh giá... nanocomposite chế độ tốt TN-8 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng thông số công nghệ mạ xoa composite Ni/nano- Al2O3, rút số kết luận sau: - 14 thí nghiệm thăm dò chế tạo lớp mạ xoa composite Ni/nano-... HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.5 Kế hoạch thực nghiệm Mục tiêu: Xác định thông số công nghệ để chế tạo lớp mạ composite Ni/Al2O3 bền mài mòn phương pháp mạ xoa Chất