Tẩy gỉ H2SO4 100 g/1 Nhiệt độ phòng Thời gian: đến hết gỉ
Tẩy dầu mỡ hoá học NaOH 10-20 g/1
Na2CƠ3 20 - 30 g/1 Na3P04.12H20 25 - 30 g/1 Thuỷ tinh lỏng 5 - 10 g/ĩ Nhiệt độ 70 - 90°c Thời gian: 5 - 1 0 phút Tẩy nhẹ H2S04 15% Nhiệt độ phòng Thời gian: 2 0 - 3 0 giây.
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
pH 4-6
Nhiệt độ 35 đến 40°c
pH của dung dịch được điều chỉnh bằng NaOH và H2SO4. Do hàm lượng ion chì trong dung dịch quá ít nên có thể bỏ qua.
Thời gian mạ hoá học tuỳ thuộc vào mục đích nghiên CÚ01, 10 phút với chụp ảnh SEM và các phép đo điện hoá, 20 phút đế đo độ cứng.
Pha chế dung dịch mạ: Hoà tan riêng nickel sulphat với axit lactic và axit
propionic với nhau. Sau đó cho vào cốc mạ rồi gia nhiệt lên khoảng 40°c thì cho vào natri hypophotphit đã pha riêng vào. Định mức chuẩn bằng nước cất rồi điều chỉnh pH dung dịch, kiểm tra pH bằng giấy đo pH. Cốc chứa dung dịch mạ được đặt trên bếp khuấy từ, dung dịch luôn được khuấy và có gia nhiệt.
Khi mạ Nickel composit hoá học dùng hạt nhôm oxit thì pha chế dung dịch mạ cũng như trên nhưng trước khi mạ mới đố bột nhôm oxit vào. Hàm lượng nhôm oxit trong dung dịch mạ EN composit hoá học được nghiên cúư là 10 g/ĩ, 20 g/ĩ và 50 g/ĩ.
Xuất xứ của các hoá chất đều có nguồn gốc từ Trung Quốc.
2.1.2 Chuẩn bị mẫu
Các mẫu thép được sử dụng để đo điện hoá, đo độ cứng và đo XRD
Mầu mạ là thép CT3, mạ kích thước 2x2 (cm). Mầu được cắt dưới dạng tấm và được xử lý bề mặt trước khi mạ.
ĐÒ ẢN TÓT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOẢ HỌC 62
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
2.1.3 Dung dịch nhạy hoá và hoạt hóa
Sau khi mẫu đã được chuẩn bị bề mặt xong thì trước khi mạ hoá học phải nhạy hoá và hoạt hoá.
Tiến hành nhạy hóa trong dung dịch gồm 20 g/1 SnCỈ2.2H20 + 50ml/l HC1 37% ở nhiệt độ phòng, thời gian nhạy hoá là 1 phút. Sau đó rửa nhẹ bằng cách nhúng 2 lần trong nước cất.
Tiếp tục nhúng mẫu trong dung dịch hoạt hoá gồm 1 g/1 PdCỈ2 và 200 ml HC1 37%. Thời gian hoạt hoá là 10 giây ở nhiệt độ phòng. Sau đó nhúng mẫu hai lần trong nước cất trước khi đưa sang dung dịch mạ hóa học.
Các mẫu sau khi được mạ thì rủa lại qua hai lần nước cất rồi sấy khô.
Điều kiện tiến hành chung: Các mẫu đều có hình thái bề mặt nền giống
Vật mạ Cốc chứa Máy khuấy tù’ Nhiệt kế Viên khuấy tù’ 9 9 H Núm chỉnh Núm chỉnh Công tăc 2.2 Các phép đo
2.2.1 Đo co’ tính (đo độ cứng)
Các nghiên cứu đo độ cúng HV và HRC được tiến hành trên máy Stuers Duramin của Đan Mạch tại phòng thí nghiệm bộ môn kim loại học trường ĐHBKHN. Các mẫu được đo độ cứng với cùng tải trọng p = 25g. Giá trị độ cứng mỗi mẫu là số đo trung bình của 3 lần đo với mỗi mẫu.
2.2.2 Xem hình thái bề mặt lóp mạ
Phân tích bề mặt được nghiên cúu bằng phương pháp kính hiến vi điện tử quét (SEM) và được tiến hành trên máy JMS - 5410 của hãng Jeol (Nhật Bản) tại phòng thí nghiệm của bộ môn vật lý chất rắn trường ĐHKHTN. Các quan sát được tiến hành với chum điện tử quét vuông góc với bề mặt mẫu. Mỗi mẫu được chụp với 3 độ phóng đại: 5, 10, 50 pm.
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
Nguyên tắc đo ảnh SEM: Đây là phương pháp khảo sát hình thái bề mặt và cấu
trúc lớp mỏng dưới bề mặt trong điều kiện chân không hay khảo sát bề mặt điện cực hoặc bề mặt bị ăn mòn, cũng như để phân tích thành phần hoá học của bề mặt. Đối với phương pháp này thì yêu cầu bề mặt của vật đo là phải dẫn, nếu bề mặt không dẫn thì phải phủ trước cho mẫu một lớp màng mỏng kim loại cờ lOnm ( ví dụ vàng phun chang hạn ) đế tránh hiện tượng điện tích tập trung trên bề mặt mẫu.
Nguyên tắc hoạt động: Tia điện tử phát ra từ súng 1 được hệ thấu kính 2 ; 3 hội
tụ rồi quét lên mẫu đo 4. Một hay nhiều detector 5 thu nhận điện tử thứ cấp phản xạ từ mẫu đo 4, sau khi khuyếch đại ở 6 được đưa đến bộ phận thu tín hiệu 7, khi đó ở 7 sẽ thu được hình ảnh của mẫu đo.
1- súng điện tử (bắn nguồn e)
2- thấu kính 1.
3- thấu kính 2.
4- vật đo.
Hình 2.2: Sơ đồ hoạt động của phương pháp SEM
Trong phương pháp này, mẫu nghiên cứu được bắn phá bằng các chùm tia đơn sắc có độ hội tụ cao. Neu mẫu mỏng (mỏng hơn 200nm), các tia xuyên qua mẫu sẽ được thu nhận và chuyến đối thành các thông tin cần thiết, đó là kỹ thuật TEM (transfer electron microscopy). Còn với kỹ thuật SEM (scanning electron
Khi đó, các sản phẩm tương tác (tia thứ cấp) sẽ đi theo hướng khác ra khỏi bề mặt mẫu và được thu nhận đế chuyển thành các dạng thông tin cần thiết.
2.2.3 Các phép đo điện hoá
Đo ăn mòn E -1; đo galvanostatic E -1; đo phố tống trở -Đo E - I với tốc độ quét là 10 mV/s.
-Đo E -1 với 1 = 8 mA (I = constant).
-Đo phổ tổng trở với tần số từ 10 mHz đến 10 kHz, đo tại điện thế cân bằng. Đế đo các phép đo điện hoá trên thì ta chuẩn bị hệ 3 điện cực:
• Điện cực nghiên cứu: các mẫu mạ.
• Điện cực so sánh : điện cực calomen bão hoà.
• Điện cực đối : điện cực lưới Pt.
Chuẩn bị cốc đo và dung dịch muối ăn NaCl 3.5%.
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
Hình 2.2: Đồ thi Tafel đo dòng ăn mòn
Sau khi xây dựng xong đường cong E-lgD, ta dùng phương pháp ngoại suy đồ thị đế xác định tốc độ ăn mòn. Trên đường cong phân cực nhánh catot, nhánh anot ở khoảng mật độ dòng trung bình có một phần là đoạn thắng thì ta ngoại suy từ phần thẳng này đến điện thế ăn mòn Ec để xác định dòng ăn mòn Dc. Đe ngoại suy được chính xác thì trên các nhánh của đường cong phân cực phải có một đoạn thăng trên miền điện thế đủ lớn (50-100 mV). Tốc độ ăn mòn được ngoại suy từ hai nhánh, và từ hai nhánh cần phải cho cùng một giá trị Dc.
Nguyên lý đo phổ tổng trở
Khi ta cho một dao động biên độ nhỏ xoay chiều hình sin Uo, tần số góc (0 = 27tf đi qua một hệ điều hoà (hình 2.5), trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện đáp ứng hình sin có biên độ I0 cùng tần số góc w nhưng lệch pha một góc cp so với điện thế đưa vào.
Bình điện hoá i
u = U0 sincot i = I0 sin (cot + (p)
Theo định luật ohm có thể định nghĩa tổng trở z như sau: z = ũ / i = f (co) Tính chất của z (co) là:
z (co) là một vectơ có modun |z| và góc lệch pha (p
z (co) là một hàm phức :Z(0>) Zrc + jZi m
zre là phần thực của tổng trở
Zjm là phần ảo của tống trở
Khảo sát đặc tính tần số z = f (co) cho phép xác định các đại lượng |z|, zr, Zj và góc lệch pha cp = arctg (Zj/Zr).
Tổng trở z của bình điện hoá bao gồm các thành phần như: tổng trở của quá trình Faraday Zf, điện dung của lóp kép coi như một tụ điện C(1 và điện trở RQ - là điện trở dung dịch giữa điện cực nghiên cún và điện cực so sánh. Kỹ thuật xử lý toán học cho ta tính được các giá trị Cd, RQ, Zf... và cho đến các thông số động học cuối cùng của hệ điện hoá (i0, k0, D...). Kết quả nhận được thường được biểu diễn dưới
s
Z- = Z. =|z|sincp1 im 1 1 Y >-
Phần thiro 7.
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
Hình 2.4: Phổ Nyquits
Hình 2.5: So' đồ đo điện hóa
Phép đo galvanostatic
Đo galvanostatic là phép đo đường cong phân cực theo phưong pháp dòng tĩnh. Trong phương pháp này ta cho một dòng điện một chiều có cường độ I không đổi
(mật độ dòng điện i không đổi) đi qua điện cực nghiên cứu và đo điện thế điện cực E tương ứng.
2.2.4 Xem cấu trúc lớp mạ
Cấu trúc lớp mạ được chụp trên máy XPERT Pro của hãng Panalytical tại trường ĐHBKHN, dùng tia Ka của Cu với bước sóng X = 1.54064 Ấ, góc tới là 1°.
Phổ nhiễu xạ tia Roìighen (tia X) XRD.
Nguyên lý: Khi có chùm tia X truyền qua một chất (ở dạng rắn, lỏng hoặc khí),
chùm tia sẽ tương tác với các điện tử (trong các nguyên tử của chất nghiên cứu) hoặc ngay cả với nhân nguyên tử nếu chùm tia có năng lượng đủ lớn.
Một phần năng lượng tia X sẽ bị mất đi do hiệu ứng tán xạ, trong đó phương truyền của chùm tia sẽ bị thay đổi khi tương tác. Khi đó tán xạ có thể làm thay đối bước sóng hoặc không thay đổi bước sóng của bức xạ tới.
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể cấu tạo từ những nguyên tử hay ion phân bố trong không gian theo một quy luật xác định. Khoảng cách giữa các nguyên tử (hay ion) trong mạng tinh thê khoảng vài A° trong khoảng bước sóng tia X. Do đó khi chùm tia X tới đập vào mặt tinh thể và đi vào bên trong nó, thì mạng tinh
Trong đó:
d: khoảng cách hai mặt phang nguyên tử thuộc mạng lưới của tinh thể phân tích.
: là góc giữa chùm tia X với mặt phang phản xạ.
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
chất thì tinh thể của nó có một bộ vạch phổ ứng với các giá trị d và cường độ I đặc trung. Việc tìm ra trên giản đồ sẽ giống nhau cả về vị trí lẫn tỷ lệ cường độ của một chất nghiên cứu và chất chuẩn đã biết là cơ sở của phép phân tích pha định tính.
Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy XRD
1: Nguồn tia Rơnghen 2: Mầu nghiên cún
3,5: Bộ chuẩn trực 4: Tinh thế phân tích 6: Detecter
Trên hình 13 trình bày sơ đồ nguyên lý của một máy phân tích Rơnghen.
Chùm tia Rơnghen phát ra từ anot của ống phát 1 đến chiếu vào mẫu nghiên cún 2. Các nguyên tử của nguyên tố có trong thành phần mẫu sẽ bị kích thích và phát ra các tia tia đặc trưng. Các tia Rơnghen với các độ dài bước sóng khác nhau phản xạ trên mặt bên trong của ống. Các tia xuất phát từ mẫu 2 sẽ tách thành phả, nghĩa là phân bố theo độ dài sóng như tinh thể phân tích 4. Tia phản xạ từ tinh thế phân tích
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
Khi chiếu chùm tia Rơnghen lên mẫu với các góc khác nhau ta thu đuợc giản đồ nhiễu xạ Rơnghen mà mỗi chất tinh thế có một bộ đồ vạch phố ứng với các giá trị d và cuờng độ I đặc trung. Việc tìm ra trên giản đồ sự giống nhau cả về giá trị lẫn tỷ lệ cuờng độ của một chất nghiên cứu và chất đã biết là cơ sở của phép phân tích pha định tính.
Phương pháp phố quang điện tử tia X cho phép phân tích được:
+ Định lượng tìm chiều dày lớp oxit, lớp hấp phụ, thành phần pha của kim loại và của oxit.
+ Phân tích được cả các nguyên tố nặng cũng như các nguyên tố nhẹ trên bề mặt nghiên cúu.
+ Dùng được mẫu chuẩn là tinh thế hoặc vô đinh hình. + Thí nghiệm không phá huỷ mẫu.
ĐÒ ẢN TÓT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOẢ HỌC 72
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
Phần 3
KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả đo độ cứng
Nhận xét: Độ cúng tăng dần theo hàm lượng nhôm oxit có trong dung dịch, như vậy cơ tính của lớp phủ tăng lên theo hàm lượng nhôm oxit. Với độ cứng tương đối cao như vậy cho thấy các lớp phủ hợp kim của Nickel có khả năng chống mài mòn tương đối tốt, đặc biệt là đổi với dạng mài mòn do cọ sát.
3.2 Chụp ảnh SEM
Quan sát màu sắc lớp mạ EN Ni-P và lớp mạ EN Ni-P composit với hạt nhôm oxit trên nền thép thấy có màu sáng bạc, hơi ửng vàng.
Hình 3.1 biêu diễn kêt quả SEM các lớp phủ Nickel hoá học composit với các
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
nhân các lồ xốp là do bọt khí hydro bám trên bề mặt). Điều này cho thấy các lớp phủ là khá kín. Trên bề mặt Mầu 1 thấy rất nhẵn, không ghồ ghề. Sang các mẫu có nhôm oxit thấy bề mặt ghồ ghề hơn, thô hơn do trên bề mặt lúc này thấy xuất hiện các hạt nhôm oxit dạng tinh thế nối lên trên bề mặt. Be mặt càng thô và ghồ ghề khi hàm lượng nhôm tăng lên và do cả tác dụng của khuấy. Ngoài ra còn quan sát được trên bề mặt có các hạt tinh thể Nickel rất nhỏ, được thế hiện ở những chấm tròn sáng.
50 (LI m
10 fim
ụ 111
không composit
Mầu 1; lóp phủ EN Mầu 2: lóp phủ EN chửa Mầu 3: lóp phủ EN chứa 10 g/1 nhôm oxit trong dd 20 g/1 nhôm oxit trong dd
Hình 3.1
Mầu 4: lóp phủ EN chứa 50 g/1 nhôm oxit trong dd
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
3.3 Các phép đo điện hoá3.3.1 Phép đo E -1 3.3.1 Phép đo E -1
Điện thế (V) ĐỒ thị E - t (I = const)
Hình 3.2: Đồ thị E -1 của các lớp phủ khác nhau
Hình 3.2 là đường cong E - t các mẫu mạ với hàm lượng nhôm oxit khác nhau, kết quả cho thấy:
Với Mầu 1 và Mầu 3 đường cong chia làm 2 giai đoạn: (i) giai đoạn không ổn định, đường đồ thị đi xuống rồi vồng lên rất rõ, (ii) điện thế giảm liên tục và dần đạt tới Ecb. Tuy nhiên ở giai đoạn (ii) thì điện thế của mẫu 3 giảm rất nhanh (đồ thị gần như giảm xuống thắng đứng) trong khi của mẫu 1 giảm rất chậm (đồ thị giảm dần thoai thoải) khi xét tại cùng một điểm toạ độ thời gian.
Các mẫu còn lại thì điện thế giảm dần xuống và đạt tới Ecb.
Mặt khác khi so sánh đường E - t của các mẫu thì sự chênh lệch ECb của các
Mầu 0 -0.42 -3.4
Mầu 1 -0.23 -4.6
Mầu 2 -0.25 -4.4
Mầu 3 -0.31 -4.0
Mầu 4 -0.28 -4.21
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
Trên bề mặt của lớp mạ không có nhôm rất phang và nhẵn nên rất khó ăn mòn. Do vậy để ăn mòn thì nó cần phải vượt qua một xung ban đầu rồi mới ăn mòn được. Các lớp mạ có nhôm thì chính những hạt nhôm nối trên bề mặt là những tâm hay điểm và quá trình ăn mòn sẽ nhanh chóng xảy ra trên những tâm này.
Ecb của các mẫu không chênh lệch rõ rệt chứng tỏ các màng phủ khá đồng đều, độ lỗ khác nhau không nhiều.
Tuy mẫu 3 lúc đầu cũng khó ăn mòn nhưng sau đó điện thế lại giảm rất nhanh và đường đồ thị còn dưới các mẫu mạ khác, chứng tỏ sau đó nó bị ăn mòn mạnh nhất.
— Mầu 0 Thép trần
— Mầu 1 (0 g/1 nhôm oxit) Mầu 2 (10 g/1 nhôm oxit)
Mầu 3 (20 g/1 nhôm oxit)
Hình 3.2: Đồ thị đo ăn mòn
Trên đồ thị ta thấy rằng iam (Mầu 1) < iam (Mầu 2) < iam (Mầu 4) < iam (Mầu 3)
< iam (Mầu 0).
ĐÒ ẢN TÓT NGHIỆP- MẠ COMPOSIT HOẢ HỌC 77
Bùi Thu Hà - Điện Hoá & BVKL K48
Bảng 3.1: số liệu Eam, Iam của các lớp phủ
Nhận xét:
Các lóp phủ đều có tính năng bảo vệ, chống lại sự ăn mòn tuơng đối tốt trong dung dịch muối ăn. Trong đó lớp phủ không có nhôm có khả năng chống ăn mòn tốt nhất so với các lớp phủ có hạt nhôm (do có dòng ăn mòn nhỏ nhất và thế ăn mòn lớn nhất).
Đối với các lớp phủ có hạt nhôm thì tính chống ăn mòn giảm dần theo khi hàm lượng nhôm tăng lên trong đó mẫu 3 có tính chống ăn mòn thấp hơn so với mẫu 2 và 4. Nhung có sự nghịch lý là lớp phủ Mầu 4 có hàm luợng nhôm oxit trong dung dịch