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 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Đà Nẵng – Năm 2020 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 Chuyên ngành : HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Mã số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS VŨ THỊ DUYÊN Đà Nẵng – Năm 2020 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu .1 Đối tƣợng nghiên cứu .1 Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết 4.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn .2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MẠ HÓA HỌC 1.1.1 Khái niệm chung .3 1.1.2 Đặc điểm mạ hóa học tự xúc tác 1.1.3 Cơ chế phản ứng mạ hóa học 1.1.4 Vai trị nhạy hóa hoạt hóa 1.1.5 Ƣu, nhƣợc điểm lớp mạ hóa học 1.2 LỚP MẠ NICKEL HÓA HỌC 10 1.2.1 Cơ chế mạ nickel hóa học .10 1.2.2 Tính chất lớp mạ nickel hóa học 11 1.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tính lớp phủ nickel hóa học 14 1.2.4 Những ứng dụng lớp mạ nickel hóa học 15 1.2.5 Thành phần dung dịch mạ nickel hóa học 18 1.2.6 Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ mạ nickel hóa học 20 1.3 LỚP PHỦ COMPOSITE NICKEL MẠ HÓA HỌC 23 1.3.1 Giới thiệu chung lớp phủ composite nickel mạ hóa học 23 1.3.2 Tính chất chống mài mịn lớp phủ hóa học composite 24 1.3.3 Hệ số ma sát (Friction Coefficient) 24 1.3.4 Độ nhám 24 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ 26 2.1.1 Hóa chất 26 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 26 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 27 2.2.1 Chuẩn bị mẫu dung dịch mạ hóa học 27 2.2.2 Sơ đồ quy trình mạ hóa học 28 2.3 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ CỦA BỀ MẶT MẠ 29 2.3.1 Chế tạo lớp mạ nickel hóa học Ni-P .29 2.3.2 Chế tạo lớp mạ tổ hợp nickel hóa học Ni-P- Al2O3 30 2.3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến hàm lƣợng nhôm lớp mạ 30 2.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT BỀ MẶT CỦA LỚP MẠ 31 2.4.1 Phƣơng pháp phân tích EDX (Energy dispersive X-ray analysis) .31 2.4.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét SEM (scanning electron microscopy) 31 2.4.3 Xác định độ bền hóa chất 33 2.4.4 Đo mật độ dòng ăn mòn 33 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 MẠ HÓA HỌC NICKEL 35 3.2 MẠ TỔ HỢP Ni-P-Al2O3 37 3.2.1 Sự hình thành lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 .37 3.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hàm lƣợng nhôm lớp mạ tổ hợp .41 3.3 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA LỚP MẠ Ni-P- AL2O3 48 3.3.1 Ảnh chụp SEM .48 3.3.2 Độ bền hóa chất 52 3.3.3 Độ bền ăn mịn điện hóa .54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .56 KẾT LUẬN 56 KIẾN NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT EDX: Phổ tán sắc lƣợng tia X SEM: Scaning electron microscopy - Kính hiển vi điện tử quét PTFE: Polytetrafloetylen ABS: Acrylonitrile butadiene styrene PPO: Polyphenylen oxit PAE: Polyacryl ete Δm: Độ giảm khối lƣợng (g) Eam: ăn mòn (V) Pkl: tốc độ ăn mòn khối lƣợng (g.cm-2.ngày-1) DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng 2.1 Tên bảng Các thiết bị sử dụng Trang 28 Phần trăm khối lƣợng nguyên tố Ni, P có 3.1 lớp mạ nickel hóa học 37 Phần trăm khối lƣợng nguyên tố Al, O có lớp 3.2 mạ nickel tổ hợp từ dung dịch chứa 40 g/L Al2O3 40 Phần trăm khối lƣợng nguyên tố lớp mạ 3.3 Ni-P-Al2O3 với hàm lƣợng Al2O3 dung dịch mạ 41 khác Ảnh hƣởng hàm lƣợng Al2O3 dung dịch mạ đến 3.4 phần trăm khối lƣợng Al2O3 lớp mạ 42 Phần trăm khối lƣợng nguyên tố lớp mạ Ni-P3.5 Al2O3 mạ nhiệt độ khác 44 Hàm lƣợng nguyên tố có lớp mạ tổ hợp Ni-P3.6 Al2O3 với tốc độ khuấy khác 48 3.7 Tốc độ ăn mòn khối lƣợng mẫu mạ 53 Giá trị mật độ dòng ăn mòn (iam) mẫu với hàm 3.8 lƣợng Al2O3 khác dung dịch NaCl 3,5% 56 52 3.3.2 Độ bền hóa chất Để đánh giá độ bền hóa chất, 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 khơng có Al2O3, nhiệt độ dung dịch giữ 45oC, thời gian mạ 30 phút, tốc độ khuấy 1500 vòng/phút Các mẫu sau mạ đƣợc đem ngâm dung dịch HCl 1M dung dịch NaCl 3,5% thời gian 24h; 48h 72h Tốc độ ăn mòn khối lƣợng mẫu mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 đƣợc thể Bảng 3.7 Bảng 3.7 Tốc độ ăn mòn khối lƣợng mẫu mạ Dung Thời gian Pkl 10-5 dịch (h) (g.cm-2.ngày-1) Mẫu Ni-P Mẫu Ni-P- Mẫu Ni-P- Mẫu Ni-P- Al2O3 20g/L Al2O3 40g/L Al2O3 60g/L NaCl 24h 3,65 3,125 2,6 2,08 3,5% 48h 3,39 1,83 1,56 0,521 72h 1,91 1,21 1,04 0,347 24h 4,69 4,17 3,125 2,6 48h 3,65 2,6 2,34 1,82 72h 2,95 1,91 1,91 1,38 HCl 1M Sự phụ thuộc tốc độ ăn mòn khối lƣợng bề mặt mạ Ni-P-Al2O3 dung dịch NaCl 3,5% HCl M vào thời gian đƣợc thể Hình 3.17 Hình 3.18 53 Hình 3.17 Tốc độ ăn mịn khối lƣợng mẫu dung dịch NaCl 3,5% thời gian 24h, 48h, 72h Hình 3.18 Tốc độ ăn mòn khối lƣợng mẫu dung dịch HCl 1M thời gian 24h, 48h, 72h Dựa vào số liệu bảng 3.7 đồ thị hình 3.17 3.18 nhận thấy mẫu khơng có Al2O3 bị ăn mịn dung dịch nhiều so với mẫu có chứa Al2O3 , tăng hàm lƣợng Al2O3 dung dịch mạ tốc độ ăn mịn dung dịch NaCl 3,5% HCl 1M giảm Điều giải thích dựa sở tính trơ hạt Al2O3 mơi trƣờng ăn mịn Các hạt Al2O3 bề mặt có vai trị nhƣ 54 chắn, ngăn không cho nickel tiếp xúc với hóa chất mơi trƣờng ăn mịn, tốc độ ăn mòn nhỏ Theo thời gian trình ăn mịn dần ổn định, tốc độ ăn mịn giảm dần 3.3.3 Độ bền ăn mịn điện hóa Để đo dòng ăn mòn lớp mạ NiP- Al2O3, tiến hành mạ dung dịch chứa hàm lƣợng Al2O3 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 nhiệt độ 45oC Tiến hành đo dòng ăn mòn mẫu dung dịch NaCl 3,5% máy đo điện hóa Auto Lab khoa Hóa- trƣờng Đại học Sƣ phạm Đà Nẵng Kết đo dòng ăn mịn đƣợc thể Hình 3.19 E (V) -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -1 Mẫu 0g/L Al2O3 -2 Mẫu 20g/L Al2O3 -3 Mẫu 40g/L Al2O3 -4 Mẫu 60g/L Al2O3 -5 -7 Log I -6 -8 Hình 3.19 Đồ thị dịng ăn mịn Tafel Kết thực nghiệm cho thấy có mặt Al2O3 lớp mạ tổ hợp khơng làm thay đổi nhiều hình dạng nhƣ độ cao đƣờng phụ thuộc logi-E Ni-PAl2O3 dung dịch NaCl 3,5% Tăng hàm lƣợng Al2O3 đƣờng cong phân cực bị đẩy vùng dƣơng Bằng phép ngoại suy Tafel ta thu đƣợc giá trị mật độ dòng ăn mòn ăn mòn mẫu Ni-P-Al2O3 nhƣ Bảng 3.8 55 Bảng 3.8 Giá trị mật độ dòng ăn mòn (iam) mẫu với hàm lƣợng Al2O3 khác dung dịch NaCl 3,5% Tên mẫu g/L Al2O3 20 g/L Al2O3 40 g/L Al2O3 60 g/L Al2O3 E am (V) -0,76 -0,66 -0,63 -0,70 Iam (A/cm2) 6,3.10-5 3,16.10-5 2,5.10-5 5,0.10-5 Dựa vào kết đo dòng ăn mòn Bảng 3.8, nhận thấy thêm Al2O3 ăn mòn dịch chuyển vùng dƣơng hơn, mật độ dòng ăn mòn nhỏ Tuy ảnh hƣởng hạt Al2O3 đến mật độ dòng ăn mòn không nhiều Điều chứng tỏ mẫu có thêm Al2O3 khó bị ăn mịn điện hóa so với mẫu khơng có Al2O3 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Đã chế tạo thành cơng lớp mạ hóa học Ni-P thép CT3 phƣơng pháp mạ hóa học từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp chứa đệm glyxin Tuy nhiên lớp mạ cịn mỏng, phổ đồ EDX cịn tín hiệu nền: Fe, Si Đã chế tạo thành công lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến hàm lƣợng nhôm bề mặt mạ: hàm lƣợng Al2O3, tốc độ khuấy, nhiệt độ Tìm điều kiện tốt để mạ tổ hợp là: hàm lƣợng Al2O3 40 g/L, nhiệt độ 45oC, tốc độ khuấy 1500 vịng/phút Đã khảo sát số tính chất lớp mạ tổ hợp: hình thái bề mặt, độ bền hóa chất, độ bền ăn mịn điện hóa Chứng minh đƣợc Al2O3 làm tăng tính chống ăn mịn lớp mạ Ni-P môi trƣờng NaCl 3,5% HCl 1M KIẾN NGHỊ Tiếp tục nghiên cứu tính chất yếu tố ảnh hƣởng tới bề mặt lớp mạ Mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 có nhiều ứng dụng sống, giúp bảo vệ bề mặt vật liệu, độ bền cao, khả chịu mài mòn tốt Do tơi đề nghị tiếp tục nghiên cứu phát triển lớp mạ tổ hợp phƣơng pháp mạ hóa học 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Chiến, Nguyễn Văn Tú (2017), Nghiên cứu mạ Niken composit định hướng thay lớp mạ crom cứng, Khoa Cơng nghệ hóa học, Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Hà Nội Vũ Thị Duyên (2013), Nghiên cứu điều chế dung dịch mạ điện nickel với tác nhân đệm axit hữu cơ, Đại học Đà Nẵng Bùi Thu Hà (2008), Nghiên cứu cơng nghệ mạ hóa học hợp kim nickel có tính cao, Ăn mịn bảo vệ kim loại Lê Tự Hải (2009), Giáo trình điện hóa, Trƣờng Đại học Đà Nẵng Trần Minh Hồng (1998), Giáo trình Cơng nghệ mạ điện, NXB Khoa học kỹ thuật Trƣơng Ngọc Liên (2000), Điện hóa lý thuyết, NXB Khoa học kĩ thuật Nguyễn Thanh Tú (2017), Mạ hóa học cơng nghệ mạ điện, Khoa Hóa lý kĩ thuật, học viện kĩ thuật quân Hà Nội Mai Thanh Tùng (2005), Mạ hóa học Ni-P dung dịch hypophotphit : Ảnh hưởng thông số đến tốc độ mạ, Tạp chí khóa học ứng dụng, Số 4, tr 32 Học viện quân Hà Nội, Tài liệu mạ hóa học khoa Hóa lí kỹ thuật 10 A Yli-Pentti (2014), Electroplating and Electroless Plating, Comprehensive Materials Processing, pages 277-306 11 Glenn O Mallory, Juan B Hajdu (1990), Electroless plating, American electroplaters and surface finishers society, pages 7,8,10,19,20 12 Gllen Mallory (2005), Electroless deposition technology, Surface Finishing Publisher, New York 13 Gugau (2006), Funktionerelle Oberflaechen durch chemische Nickel, Eugen G Leuzer Verlag, Wurtt 14 Hung BL (2013), Synergy between corrosion and wear of electrodeposited Ni–Wl coating, Tribo Lett 15 Oldasteh H, Rastegari S (2014), The influence of pulse plating parameters on structure and properties of Ni–W–TiO2 nanocomposite coating, Surf Coat Technol 58 16 Tetsuya Osaka, Nao Takano, Tetsuya Kurokawa, Tomomi Kaneko, Kazuyoshi Ueno (2002), Electroless Nickel Ternary Alloy Deposition on SiO2 for Application to Diffusion Barrier Layer in Copper Interconnect Technology, ECS – The Electrochemical Society ... đến nickel, nhôm oxit, phƣơng ph? ?p mạ hóa học, mạ tổ h? ?p 2 4.2 Phương ph? ?p nghiên cứu thực nghiệm - Sử dụng phƣơng ph? ?p mạ hóa học để tạo l? ?p mạ tổ h? ?p Ni- P- Al2O3 - Sử dụng phƣơng ph? ?p phân... Đối tƣợng nghiên cứu L? ?p mạ tổ h? ?p Ni- P- Al2O3 đƣợc tạo thành phƣơng ph? ?p mạ hóa học từ dung dịch nickel clorua nồng độ th? ?p chứa đệm glyxin Phƣơng ph? ?p nghiên cứu 4.1 Phương ph? ?p nghiên cứu lý thuyết... Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo l? ?p mạ tổ h? ?p Ni- P- Al2O3 phƣơng ph? ?p mạ hóa học từ dung dịch nickel clorua nồng độ th? ?p chứa đệm glyxin - Xác định chế độ mạ để tạo l? ?p mạ tổ h? ?p Ni- P- Al2O3 có khả