Các dung dịch mạ Niken

Dung dịch Watts hay cßn gọi là dung dịch niken sunfat

Dung dịch Watts có 3 thành phần chủ yếu:

Niken sunfat NiSO4.7H2O; Niken clorua NiCL2.6H2O; axit Boric H3BO3 Các thành phần chủ yếu của điện phân Watts thay đổi trong một giới hạn rộng tùy thuộc vào nhiệt độ điện phân, pH của dung dịch và hiệu suất dòng …nhƣng theo nguyên tắc chung là tăng nồng độ ion Ni2+ trong dung dịch thì có có thể điện phân với mật độ dòng lớn.

Dung dịch niken clorua bao gồm:

Niken clorua NiCl27H2O, Axit clohyđric HCl; Lớp mạ niken thu đƣợc rắn, kết tủa hạt mịn, nhƣng tính dẻo kém

Dung dịch này chủ yếu tạo lớp mạ niken sơ cấp trên thép không gỉ trƣớc khi mạ lớp niken bóng hay lớp đồng, bạc, vàng...

Dung dịch muối Niken của axit flobore HBF4 là Ni(BF4)2

Thành phần bao gồm: Niken floborat Ni(BF4)2 axit boric H3BO3 và niken clorua NiCl2

Lớp mạ thu đƣợc dẻo và có khả năng mạ đƣợc những vật có hình dáng phức tạp. Dung dịch này chủ yếu dùng trong kỹ thuật đúc điện.

Dung dịch muối niken của axit aminosuforic

Thành phần chủ yếu có: Ni(NH2SO3)2. axit boric H3BO3, niken clorua NiCl2..

Lớp mạ thu đƣợc có tính dẫn điện cao, mịn hạt, dẻo, sức c¨ng nội nhỏ và độ cứng cao. Dung dịch này chủ yếu dùng trong kỹ thuật đúc điện chế tạo khuôn mẫu và để mạ những chi tiết máy đặc biệt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

29

Dung dịch để mạ niken đen

Thành phần chủ yếu:

- Niken amonisulfat NiSO4(NH4)2SO4, kẽm sunfat ZnSO4 và một số chất quan trong khác nhƣ KSCN hoặc NaSCN.

Dung dịch này dùng để mạ lớp mạ niken màu đen mỏng, có tính chất trang trí.

1.5.3 Các lớp mạ Niken 1.5.3.1. Mạ niken mờ

Thành phần và tham số dung dịch: Niken sunfat NiSO4.7H2O, niken clorua

NiCl2.6H2O, axit boric H3BO3, natri sunfat Na2SO4

Cách pha chế dung dịch cũng giống nhƣ cách pha chế dung dịch mạ niken bóng sẽ đƣợc tình bày ở phần sau

pH = 4÷5

Nhiệt độ điện phân 50†700 C

Mật độ dòng catôt Ik = 4 ÷5 A/dm2. nếu không khuấy trộn nên dùng Ik = 4A/dm2, nếu khuấy trộn có thể dùng Ik = 5A/dm2

Nếu điện phân liên tục thế rắn phải lọc dung dịch từ 1 † 2 lần/ tuần

Trong công nghiệp, tiến hành khuấy trộn dung dịch bằng không khí nén, và lọc dung dịch liên tục bằng máy lọc có công suất lọc 1 giờ đƣợc khoảng 2 lần thể tích dung dịch.

Nếu mạ nhỏ tại nhà thì không cần khuấy, dùng bông gòn để lọc dung dịch, phải đảm bảo mạ dung dịch luôn trong suốt.

Nồng độ niken sunfat Ni2SO47H2O hay niken clorua NiCl26H2O có thể tăng hay giảm, và để bổ sung vào bề mặt mạ ngoài dung dịch cần nƣớc mƣa hay nƣớc cất.

Trong quá trình mạ nhiệt độ có ảnh hƣởng đến chất lƣợng lớp mạ và điều kiện điện phân. Tăng nhiệt độ có khả năng sử dụng mật độ dòng catôt lớn, làm tăng tốc độ tạo thành lớp mạ, đồng thời làm tăng độ dẫn điện của dung dịch, làm tăng tính dẻo của lớp mạ, làm giảm độ cứng của lớp mạ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

30

§ộ pH<4 thì hyđrô sẽ thoát mạnh, tốc độ mạ sẽ giảm, khả năng „‟giòn hyđro‟‟ sẽ tăng, tốc độ anôt sẽ lớn.

Các tham số của dung dịch mạ hợp lý sẽ cho chất lƣợng lớp mạ sáng bạc, mƣớt, bám tốt, dẻo.

Độ dày lớp mạ niken (m) phụ thuộc vào mật độ dòng catôt và thời gian ở hiệu suất ca tôt 95,5%

1.5.3.2. Mạ niken bóng

Mạ Niken bóng với mục đích tạo bóng lớp mạ bảo vệ trang trí Ni – Cr đƣợc sử dụng rộng rãi; dung dịch để mạ niken bóng ngoài thành phần cơ bản mạ dung dịch mạ niken còn thêm vào dung dịch các chất phụ gia vô cơ và hữu cơ hoặc đồng thời cả hai loại, dung dịch mạ niken bóng chia làm 2 thành phần:

Thành phần cơ bản giống nhƣ thành phần dung dịch Watts để thu lớp mạ niken mờ.

Thành phần chất phụ gia: Chất lƣợng lớp mạ phụ thuộc chủ yếu định tính, định lƣợng các chất phụ gia. Tất cả các dung dịch mạ niken bóng hiện dùng trong công nghiệp có chứa chất phụ gia tạo bóng.

Các cơ sở mạ niken bóng ở nƣớc ta hiện nay dùng chủ yếu 2 nhóm: Nhóm các chất tạo bóng dựa trên cơ sở butydiol -1,4 ở trạng thái rắn

OH – CH2 – C ≡ C - CH2 - OH

Nhóm chất tạo bóng dựa trên cơ sở 2,6 = (2,7) muối natri của axit sunforaphtalen

Chất phụ gia trên cần phải thêm một số thành phần khác mới đạt đƣợc chất lƣợng mong muốn.

1.5.3.3. Mạ niken đen

Lớp mạ Niken đen có thể thu đƣợc từ 2 loại dung dịch:

Dung dịch gồm niken sulfat NiSO4, niken amonisufat NiSO4(NH4)2SO4, kẽm sulfat ZnSO4 và natrisulfxyamua NaSCN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

31

Dung dịch gồm niken sunfat, niken amonisunfat và amonilipdat nhƣng trong thực tế đƣợc dựng phổ biến là dung dịch thứ nhất cú cỏc thành phần :

Niken sunfat NiSO47H2O, niken amonisunfat NiSO4(NH4)2SO46H2O, Kẽm sunfat ZnSO46H2O, natrisulfxyamua NaSCN

Lớp mạ cú màu thay đổi từ xám đến đen tuỳ thuộc vào nồng độ niken và mật độ dũng.

Trong trƣờng hợp cần thiết, để lớp mạ cú tớnh chất bảo vệ, thƣờng mạ lớp niken đen lờn lớp mạ niken, kẽm hoặc lớp mạ cadimi trong trƣờng hợp này, lớp mạ kẽm trung gian có ý nghĩa thực tế nhất.

Thành phần mạ niken đen gồm niken, một lƣợng lớn kẽm, lƣu huỳnh, cácbon và nitơ, tỷ lệ cỏc thành phần phụ thuộc mật độ dũng, nhiệt độ khi điện phân.

Thụng thừơng sau khi mạ niken đen cần phải phủ bờn ngoài một lớp vộcni khụng màu, lớp mạ niken đen dùng trong công nghiệp quang học và đôi khi là lớp mạ trang sức.

1.5.3.4. Mạ niken xốp

Mạ niken xốp có nhiều ứng dụng, chế tạo lá niken mỏng 10 - 40m có nhiều lỗ nhỏ, để làm túi lá cực lamet trong các ac quy kiềm, catôt bằng titan hay thép không gỉ, phun cát bằng hạt có kích cỡ tƣơng ứng với lỗ xốp yêu cầu ở lá niken, tẩm vazelin lên bề mặt catôt rồi lau khô, trong các lỗ nhỏ còn dầu tạo thành các lỗ thủng cho lớp mạ, mạ niken trong các dung dịch bình thƣờng, lá niken sau đó đƣợc ủ 500 - 6000C trong chân không hay trong khí trơ để làm dẻo nó.

Chất xúc tác niken có hoạt tính cao, tức bề mặt rất phát triển. + Mạ niken cho các vật có hình dạng phức tạp

Khi mạ niken ăn sâu vào các khe khuất, lỗ, rãnh…cho các vật mạ đặc biệt mà các dung dịch mạ thông thƣờng không thực hiện đƣợc, dung dịch đặc biệt này: Niken sunfat NiSO4.7H2O, niken clorua NiCL2.6H2O, axit Boric H3BO3 natri sunfat Na2SO4

Nhiệt độ 40-500

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

32

1.5.3.5. Mạ niken nhiều lớp

Mạ niken bóng có nhiều ƣu điểm và cho lớp mạ có độ trang sức cao, nhƣng lớp mạ niken bóng (1 lớp) có nhiều nhƣợc điểm so với lớp mạ niken mờ, nhƣ thấm nhiều hydro hơn, ứng suất nội lớn hơn, lẫn nhiều tạp chất, cơ tính kém hơn và độ lỗ nhiều hơn, do vậy tính chống ăn mòn kém hơn, nên chỉ dùng cho vật làm việc ở môi trƣờng ăn mòn yếu và chiều dày khi đó phải đảm bảo từ 5 đến 12 m. Để khắc phục ngoài việc cải tiến thành phần dung dịch và chế độ mạ còn phải có một công nghệ nữa đó là mạ nhiều lớp, mạ lót đồng trƣớc khi mạ niken, và niken cũng phải mạ nhiều lớp.

Mạ niken hai lớp: Lớp dƣới bán bóng có điện thế dƣơng hơn lớp bóng ở trên từ 0,1 đến 0,2 V, lớp trên bị hoà tan trƣớc và khi bị ăn mòn hết mới bắt đầu ăn mòn nền thép tại các lỗ xốp do các vi pin, chát bóng phân huỷ lẫn vào làm điện thế của nó chuyển về âm hơn và trở thành lớp mạ anôt so với lớp niken ở dƣới.

Mạ niken ba lớp: Giữa hai lớp niken nói trên mạ thêm lớp niken mỏng 1,5 đến 2 m chứa nhiều lƣu huỳnh nhất nên điện thế của nó âm hơn cả lớp niken bóng ở phía trên, do vậy khi bị ăn mòn nó bị hoà tan trƣớc tiên và nan theo chiều ngang, nhƣng do nằm ở dƣới nên không ảnh hƣởng gì đến vẻ đẹp bên ngoài của lớp mạ, và không cần phải rửa khi chuyển vật mạ từ bể niken này sang bể niken khác.

1.5.4. Lớp mạ niken composite

Lớp mạ có nhiều tính chất cơ lý hoá rất đặc biệt, lớp phủ composit điện hoá có thể chế tạo trực tiếp ngay trên bề mặt vật cần phủ mà không cần phải gia công cơ, nhiệt. Hầu hết các lớp phủ composit điện hoá lấy lớp mạ niken làm cơ sở, lớp mạ niken composit đƣợc tạo ra từ dung dịch sil-nickel là một dung dịch mạ niken bình thƣờng có cho thêm các hạt rắn, trơ, rất nhỏ mịn và luôn đƣợc khuấy thật mạnh thành một dung dịch huyền phù; khi có dòng điện qua dung dịch sẽ xảy ra hiện tƣợng kết tủa niken cùng với các hạt rắn thành composit, các hạt trơ này che lấp các khiếm khuyết của lớp mạ niken tạo nên lớp phủ có nhiều ƣu điểm đặc biệt.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

33

Sự tạo thành lớp phủ composit diễn ra theo các bước:

- Các hạt trơ chạm vào bề mặt catôt: Nhờ khuấy mạnh dung dịch và dung dịch đƣợc đun nóng, lớp mạ có tính dễ hút, bám các hạt rắn.

- Các hạt rắn gắn lên bề mặt đang mạ: Nhờ lực hấp phụ tác dụng lên các hạt, lực gắn bám phụ thuộc vào sức căng bề mặt, thành phần dung dịch và nhiều yếu tố khác.

- Chôn lấp các hạt rắn bám trên bề mặt vào lớp mạ: Giai đoạn này phụ thuộc vào tính chất bản thân lớp mạ kim loại và các hạt rắn, do niken ái lực với hầu hết các loại hạt rắn thông dụng nên nó dễ dàng cùng với các hạt rắn tạo thành lớp phủ hỗn hợp.

Các hạt trơ làm từ vật liệu, cacbua, bột mài, nhôm oxyt…các hạt này không hoà tan trong nƣớc, trong dung dịch và không biến màu, nồng độ hạt phụ thuộc vào mật độ dòng điện và thời gian mạ. Dùng các loại hạt khác nhau hay hỗn hợp các loại hạt đó có thể đƣợc các lớp composit có tính bảo vệ cao, chịu mài mòn, chịu nhiệt lớn.

Khi kết thúc mạ sil-nickel trên bề mặt lớp phủ còn rất nhiều hạt trơ chƣa đƣợc chôn lấp hết, khi mạ crom chồng lên crom chỉ kết tủa lên bề mặt niken, không mạ đƣợc lên các hạt trơ, kết quả tạo thành lớp crom vi xốp có mật độ lỗ rất lớn 20000-100000 lỗ/cm2. Lớp mạ nhƣ vậy có tính bảo vệ rất cao, hơn các lớp mạ truyền thống Cu-Ni-Cr cho nên có thể bỏ đƣợc lớp đồng lót.

Khi mạ từ dung dịch sil-nichel không nên lọc liên tục, không nên dùng các chất hoạt động bề mặt sinh nhiều bọt; để hạt rắn phân bố đều trên toàn bộ thể tích dung dịch cần khuấy mạnh bằng không khí nén.

Cách pha chế và làm sạch dung dịch cũng giống nhƣ các dung dịch mạ niken bóng khác.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

34

Khi pH quá cao lớp phủ sẽ nhám, sần sùi, nồng độ hạt rắn cao quá sẽ làm lớp mạ kém bóng. Các hiện tƣợng hƣ hỏng khác cũng giống nhƣ mọi dung dịch niken bóng thông thƣờng.

1.6. Mạ composite crom

Crom (Cr) điện giải là kim loại màu trắng bạc có ánh xanh, độ cứng rất cao và chịu mài mòn rất tốt. Trọng lƣợng nguyên tử 52,01. Nhiệt độ nóng chảy 1750 - 18000C. Theo điện thế tiêu chuẩn (Cr/Cr3+ = - 0,7 V) thì nó thuộc các kim loại hoạt động, nhƣng trong khí quyển bề mặt Crom đƣợc sinh ra lớp màng mỏng oxyt rất kín, chắc, chống ăn mòn tốt, làm cho Crom giữ đƣợc màu sắc và độ bóng rất lâu. Trong không khí ẩm và trong môi trƣờng oxy hóa, Crom có điện thế + 0,2 V, vì vậy crom là lớp mạ catot đối với théo nên phải kín mới có khả năng bảo vệ đƣợc nền thép.

Crom bền trong khí quyển ẩm, trong không khí chứa H2S và SO2, trong các dung dịch axit sunfuric, nitric, photphoric, axit hữu cơ, dung dịch kiềm. Nhƣng trong dung dịch axit HCl và trong H2SO4 đặc nóng crom bị hòa tan do màng oxyt bị phá hủy.

Trong các hợp chất, crom thƣờng có hóa trị (+3) và (+6). Hợp chất crom hóa trị (+6) là chất oxy hóa mạnh. CrO3 hòa tan trong nƣớc tạo thành hỗn hợp các axit cromic. Trong dung dịch loãng tạo thành H2[CrO4], trong dung dịch có nồng độ trung bình tạo thành H2[CrO3(CrO4)], còn trong dung dịch đặc tạo thành H2[CrO3(CrO4)2] và H2[CrO3(CrO4)3]. Tất cả các axit cromic đều là các axit mạnh. Đƣơng lƣợng điện hóa của Cr3+

là 0,648 g/Ah, của Cr6+ là 0,324 g/Ah.

Ứng dụng quan trọng của crom điện giải là: Mạ crom trang sức rất mỏng trong hệ lớp mạ bảo vệ, trang sức, mạ crom bảo vệ chống ăn mòn, là nâng cao độ bền mòn cho các dụng cụ cầm tay, mạ crom cứng phục hồi chi tiết máy đã bị mòn

Trong hệ mạ bảo vệ trang sức nhiều lớp, lớp crom thƣờng chỉ dày 0,3 đến 1 m. Lớp crom điện giải gắn bám rất tốt với thép, niken, đồng và hợp kim đồng (nếu chuẩn bị bề mặt crom và mạ crom đúng quy cách). Ngƣợc lại mạ các kim loại khác nên bề mặt crom rất khó, không gắn bám đƣợc, do lớp crom oxyt trên mặt ngăn trở.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

35

1.6.1. Các lớp mạ crom

Tùy theo chế độ điện phân mà lớp mạ crom sẽ có những tính chất rất khác nhau, dựa theo các tính chất này chia thành ba nhóm lớp mạ crom

- Lớp mạ crom xám, có cơ lý tính kém nên không dùng. - Lớp mạ crom bóng, có độ cứng cao, chịu va đập tốt. - Lớp mạ crom sữa, có độ xốp bé nhất và đàn hồi nhất.

Crom kết tủa điện có tính chất cơ lý khác hẳn với crom hỏa luyện. Tỷ trọng của crom phụ thuộc vào chế độ kết tủa nên mỗi nhóm mạ có một trị số khác nhau.

Nếu phân chia theo chức năng thì các lớp mạ crom có ba loại: crom bảo vệ - trang sức, crom chống ăn mòn, và crom chống mài mòn, va đập.

Lớp mạ crom bảo vệ, trang sức dùng cho các vật mạ làm việc trong môi trƣờng khí quyển. Lớp mạ crom này có thể là bóng, chỗ bóng chỗ mờ, đen hay có màu khác. Để đảm bảo tính bảo vệ cho loại lớp mạ này thƣờng phải mạ lót đồng và Niken, do đó hình thành hệ mạ bảo vệ - trang sức nhiều lớp: Cu-Ni-Cr hay Ni-Cr, trong đó lớp crom thƣờng dày 0,3 - 0,5 m.

Gần đây đã phổ cập lớp mạ crom xốp tế vi và crom nứt tế vi thay thế dần cho lớp crom, thƣờng trong các hệ mạ nhiều lớp nói trên. Lớp crom xốp tế vi đƣợc tạo ra bằng cách mạ crom bóng 0,3 m lên lớp Niken composte, tức lớp silnickel (xem bảng 2.1), các hạt rắn, trơ của lớp Niken này tạo nên vô vàn lỗ xốp tế vi cho lớp mạ crom. Lớp mạ crom nứt tế vi đƣợc tạo ra bằng cách mạ crom dày  0,8 m để chúng sẽ tự nứt thành crom nứt tế vi, hoặc vẫn mạ crom bóng dày 0,3 m nhƣng trƣớc đó phải mạ thêm lớp Niken mỏng có ứng suất lớn để tạo ra mạng nứt tế vi cho lớp crom trên nó.

Trong khí quyển, crom là lớp mạ catot đối với Niken. Khi tạo ra nhiều lỗ xốp tế vi hay nứt tế vi thay cho số ít lỗ xốp to của lớp mạ crom thƣờng tức là đã tăng tổng diện tích anot của các vi pin ăn mòn lên, làm cho mật độ dòng điện ăn mòn