Cơ tính của lớp mạ composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong quá trình mạ điện. Tuy nhiên, các thông số về mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch điện phân và độ pH nói chung ít ảnh hƣởng đến sự tham gia của các hạt trung tính vào lớp mạ nên đƣợc giữ cố định trong quá trình nghiên cứu đầu tiên này.
Mật độ dòng điện có thể là một thông số đƣợc khảo sát rộng nhất. Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ có thể khác nhau. Thứ nhất, mật độ dòng điện có ảnh hƣởng rất ít hoặc gần nhƣ không có ảnh hƣởng đến số hạt bám vào lớp mạ. Thứ hai, sự phụ thuộc của mật độ dòng điện và số lƣợng các hạt bám dính vào lớp mạ có thể theo quy luật có vài điểm cực trị [2].
Ảnh hƣởng của nhiệt độ dƣờng nhƣ khác nhau đối với các hệ mạ composite. Với hệ Ni-Al2O3, ảnh hƣởng của nhiệt độ tới phần trăm các hạt tham gia vào lớp mạ là không đáng kể. Tuy nhiên, khi mạ graphite, thành phần graphite trong lớp mạ Cr
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
64
tăng lên cùng nhiệt độ tới 50C [2].
Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hƣởng của độ pH cho các kết quả thống nhất, khi độ pH > 2 ảnh hƣởng của pH đến mật độ hạt cứng tham gia vào lớp mạ là không đáng kể, còn ở dƣới giá trị này số hạt cứng tham gia vào lớp mạ giảm đối với hệ Ni-Al2O3. Mới đây, ngƣời ta đã tìm thấy rằng hiệu suất của dòng điện đối với phản ứng khử Ni giảm đáng kể khi độ pH < 2 khi sử dụng các hạt SiC làm hạt trung tính [4].
Tốc độ khuấy là thông số đƣợc đặc biệt quan tâm bởi vì đây là thông số có ảnh hƣởng trực tiếp đến mức độ tham gia của các hạt vào lớp mạ. Các hạt trung tính cần đến bề mặt của cathode để tham gia vào lớp mạ composite nên phải đƣợc dịch chuyển từ nguồn hạt tới cathode. Khuấy thúc đẩy sự dịch chuyển các hạt và tăng khuấy sẽ làm cho nhiều hạt cứng tham gia vào lớp mạ. Tuy nhiên, khuấy quá nhiều sẽ giảm các hạt tham gia vào lớp mạ bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặt cathode trƣớc khi chúng đƣợc giữ lại [3]. Đối với hệ Ni-TiO2 ở tốc độ khuấy cao thì điểm cực đại của thành phần các hạt bám vào lớp mạ sẽ dịch chuyển về phía mật độ dòng điện cao [2,3].
Khi khuấy với tốc độ cao, các hạt TiO2 phân tán vào lớp mạ đồng đều hơn nhƣng mật độ thấp là nguyên nhân làm giảm độ cứng tế vi của lớp mạ. Ngƣợc lại, khi giảm tốc độ khuấy các hạt TiO2 quá một giới hạn nào đó các hạt kết lại với nhau tạo thành những mảng tƣơng đối lớn làm giảm độ cứng và cơ tính của lớp mạ. Điều này giải thích cho thực tế số lƣợng hạt tham gia vào lớp mạ lớn nhất ở tốc độ khuấy 140 v/p, lƣợng hạt tham gia vào lớp mạ giảm dần khi tăng tốc độ khuấy và đạt giá trị thấp nhất tại tốc độ khuấy cao nhất trong nghiên cứu (245 v/p).
Độ cứng tế vi của lớp mạ hiển nhiên phụ thuộc vào mật độ hạt tham gia và mức độ phân bố đều trong lớp mạ. Ở tốc độ khuấy thấp mức độ các hạt tham gia vào lớp mạ nhiều hơn so với ở tốc độ khuấy cao. Tuy nhiên, ở tốc độ khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ chỉ đạt 232 HV10 so với 243 ở tốc độ khuấy 175 v/p điều này đƣợc giải thích là do hiện tƣợng vón cục của các hạt TiO2 ở tốc độ khuấy thấp làm giảm độ cứng tế vi của lớp mạ [2].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
65
Từ các phân tích trên có thể thấy tốc độ khuấy 175 v/p vừa cho mật độ các hạt trung tính trong lớp mạ cao vừa cho độ cứng tế vi của lớp mạ cao nhất.
3.3. Mạ composite hạt AL203 trên nền Niken (Al2O3-Ni )
Mạ composite Al2O3 trên nền Ni là một biện pháp công nghệ bề mặt để nâng cao khả năng chịu mài mòn của lớp mạ Ni khi làm việc trong môi trƣờng mòn và ăn mòn cao. Kết quả nghiên cứu mạ composite Al2O3 trên nền Ni chỉ ra rằng mật độ hạt Al2O3 tham gia vào lớp mạ phụ thuộc đáng kể vào phƣơng pháp khuấy và tốc độ khuấy dung dịch huyền phù. Độ cứng tế vi của lớp mạ composite tăng khoảng 2 lần so với lớp mạ Ni thông thƣờng. Mật độ dòng điện trong quá trình mạ là một thông số quan trọng ảnh hƣởng đáng kể đến chất lƣợng của lớp mạ.
. Quá trình mạ composite hoặc Al2O3 trên nền Ni đƣợc thực hiện trong bể mạ điện Ni thông thƣờng. Dung dịch mạ đƣợc điều chế từ hóa chất và nƣớc cất. Các hạt trung tính đƣợc giữ lơ lửng trong dung dịch nhờ thiết bị khuấy. Cỡ các hạt trung tính thƣờng dƣới 20 µm cho đến kích thƣớc ở thang nano. Chiều dày lớp mạ có thể đạt từ vài µm đến vài trăm µm [3.5].
Các thông số quá trình cơ bản ảnh hƣởng đến tính chất của lớp mạ composite trên nền kim loại bao gồm mật độ dòng điện, bản chất của dung dịch điện phân, nhiệt độ dung dịch, độ pH, chất phụ gia, tính chất của hạt trung tính và cỡ hạt, tốc độ khuấy v.v. [1, 2].
3.3.1. THÍ NGHIỆM
3.3.1.1. Thiết bị thí nghiệm
Thiết bị mạ composite hạt Al2O3 trên nền Ni (giống nhƣ Thiết bị mạ composite hạt TiO2 trên nền Ni) bao gồm bể chứa dung dịch điện phân dung tích 60 lít, hệ thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện có thể nâng và ổn định nhiệt độ của dung dịch tới 80C, hệ thống điều khiển tự động cung cấp dòng một chiều xung hoặc liên tục cho bể mạ, hệ thống khuấy cơ học có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ khuấy từ 10 v/p đến 350 v/p.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
66
3.3.1.2. Hóa chất
Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni liệt kê trong bảng 3.3. Bảng 3.3: Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Al2O3 -Ni
Hóa chất NiSO4.6H2O (g/l) NiCl2.6H2O (g/l) H3BO3 (g/l) Sodium dodecyl sulfate (g/l) Hàm lƣợng 300 50 40 0,1
Sodium dodecyl sulfate đƣợc sử dụng là chất phụ gia để tăng hoạt tính bề mặt của các hạt trung tính. Hạt trung tính sử dụng trong thí nghiệm là Al2O3 với cỡ hạt 1 m và hàm lƣợng Al2O3 là 50g/l. Các hạt có kích thƣớc không đồng đều do tự vón kết với nhau thành hạt lớn thể hiện trên ảnh SEM (Hình 3.10).
Các đỉnh Au trên phân tích EDX là kết quả của mạ màng Au trên mẫu hạt Al2O3.
Hình 3.10: Ảnh SEM hạt trung tính Al2O3 sử dụng trong thí nghiệm và thành phần hóa học qua phân tích EDX.
3.3.1.3. Chế độ và quá trình chuẩn bị
Quá trình mạ đƣợc thực hiện với mật độ dòng điện 5A/dm2; độ pH trong khoảng từ 4 4,5 (độ pH đƣợc điều chỉnh bằng cách cho thêm NH3 hoặc axit HCl loãng); nhiệt độ 40C; tần số xung 200 Hz; tỷ lệ xung thuận/ nghịch là 80%.
Trƣớc khi mạ dung dịch huyền phù đƣợc khuấy bằng máy khuấy siêu âm SW3H của Thụy sỹ trong 30 phút, sau đó khuấy cơ học trong bể mạ trong 6 giờ.
Mẫu mạ composite là thép 09CrSi, tôi đạt độ cứng 58-60 HRC, dạng hình trụ kích thƣớc d = 22 mm, l = 115 mm đƣợc đánh bóng, sau đó làm sạch, rửa trong bể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
67
hỗn hợp axít loãng ở nhiệt độ môi trƣờng trƣớc khi mạ. Trong quá trình mạ, dung dịch huyền phù đƣợc khuấy cơ học trong dải tốc độ 140, 175, 210, 245 v/p trong thời gian 1,5 giờ. Sau khi mạ, mẫu đƣợc rửa trong nƣớc chảy, sau đó đƣợc rửa siêu âm trong nƣớc cất khoảng 10 phút.
3.3.2. Kết quả thí nghiệm
Chiều dày lớp mạ trên chi tiết đo trên kính hiển vi quang học đạt đƣợc từ 50m 70 m. Mẫu đƣợc mài trên giấy nháp cỡ 800, 1000, 1200 sau đó đánh bóng trên máy đánh bóng kim loại học của Đài Loan bằng bột kim cƣơng 1 m sau đó tẩm thực trong dung dịch Nital 2% trong thời gian 1 phút. Độ cứng tế vi của lớp mạ đƣợc đo trên máy đo độ cứng tế vi Future fm 700e của Nhật, tải trọng 10 gram cho kết quả trên bảng 3.4.
Bảng 3.4: Độ cứng tế vi của bề mặt mẫu sau khi mạ composite.
Lần đo Ni Al2O3-Ni 140 v/p Al2O3-Ni 175 v/p Al2O3-Ni 210 v/p Al2O3-Ni 245 v/p 1 154 225 280 280 300 2 184 230 260 270 300 3 170 200 290 270 310 Trung bình 170 218 273 273 303
Từ kết quả đo độ cứng tế vi có thể thấy rằng độ cứng của lớp mạ composite Al2O3-Ni phụ thuộc vào mật độ hạt Al2O3 và mức độ phân bố đồng đều của các hạt này trong lớp mạ tức là phụ thuộc vào tốc độ khuấy. Với tốc độ khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ đạt thấp nhất (218 HV10). Độ cứng tế vi của lớp mạ composite Al2O3-Ni tăng đến 273 HV10 ở tốc độ khuấy 175 v/p và 210 v/p sau đó tăng đến 303 HV10 khi tăng tốc độ khuấy đến 245 v/p gấp 1,78 lần độ cứng lớp mạ Ni thông thƣờng (170 HV10) tại tốc độ khuấy 175 v/p.
Sự tham gia của các hạt trung tính Al2O3 vào lớp mạ Ni đƣợc xác định trên kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy) Jeol 5410 LV tại trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
68
nên đồng đều hơn khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p (hình 3.11). Hiện tƣợng vón cục thƣờng xảy ra rõ nét ở tốc độ khuấy thấp. Đây là hiện tƣợng các hạt
Al2O3 liên kết lại với nhau và tạo thành những mảng cục bộ trong lớp mạ (Hình 3.12a). Tại những nơi xảy ra vón cục của các hạt trung tính độ cứng tế vi
giảm rõ rệt.
Kết quả phân tích EDX bề mặt của các lớp mạ sau khi đƣợc mài, đánh bóng và tẩm thực khẳng định Al2O3 tham gia vào lớp mạ Ni chỉ ra trên Hình 3.12. Thành phần hóa học bề mặt chủ yếu là Ni, Al2O3 và một hàm lƣợng nhỏ Fe.
Hình 3.11: Ảnh SEM thể hiện sự tham gia vào lớp mạ của các hạt Al2O3 khi khuấy với tốc độ (a) 140 v/p; (b) 175 v/p; (c) 210 v/p; (d) 245 v/p
(a) (b)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
69
Hình 3.12: EDS phân tích bề mặt lớp mạ trên hình (b) và (d) cho thấy Ni, Al2O3 và Fe.
3.3.3. Phân tích kết quả
Cơ tính của lớp mạ composite phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố trong quá trình mạ điện. Tuy nhiên, các thông số về mật độ dòng điện, nhiệt độ dung dịch điện phân và độ pH nói chung ít ảnh hƣởng đến sự tham gia của các hạt trung tính vào lớp mạ nên đƣợc giữ cố định trong nghiên cứu này.
Mật độ dòng điện có thể là một thông số đƣợc khảo sát rộng nhất. Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ có thể khác nhau. Mật độ dòng điện có ảnh hƣởng rất ít hoặc gần nhƣ không có ảnh hƣởng đến số hạt bám vào lớp mạ [2]. Ảnh hƣởng của nhiệt độ dƣờng nhƣ khác nhau đối với các hệ mạ composite. Với hệ Al2O3-Ni, ảnh hƣởng của nhiệt độ tới phần trăm các hạt tham gia vào lớp mạ là không đáng kể [2]. Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hƣởng của độ pH cho các kết quả thống nhất, khi độ pH > 2 ảnh hƣởng của pH đến mật độ hạt cứng tham gia vào lớp mạ là không đáng kể, còn ở dƣới giá trị này số hạt cứng tham gia vào lớp mạ giảm đối với hệ Al2O3-Ni [4].
Tốc độ khuấy là thông số đƣợc đặc biệt quan tâm bởi vì đây là thông số có ảnh hƣởng trực tiếp đến mức độ tham gia của các hạt vào lớp mạ. Các hạt trung tính cần đến bề mặt của cathode để tham gia vào lớp mạ composite nên phải đƣợc dịch chuyển từ nguồn hạt tới cathode. Khuấy thúc đẩy sự dịch chuyển các hạt và tăng khuấy sẽ làm cho nhiều hạt cứng tham gia vào lớp mạ. Tuy nhiên, khuấy quá nhiều sẽ giảm các hạt tham gia vào lớp mạ bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặt cathode trƣớc khi chúng đƣợc giữ lại [2, 3]. Đối với hệ TiO2-Ni ở tốc độ khuấy cao
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
70
thì điểm cực đại của thành phần các hạt bám vào lớp mạ sẽ dịch chuyển về phía mật độ dòng điện cao [2,3].
Khi thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p mật độ các hạt Al2O3 tham gia vào lớp mạ tăng lên rõ rệt, hiện tƣợng vón cục giảm đi đáng kể. Từ Hình 3.12a và 3.12b có thể thấy rõ hiện tƣợng vón cục xảy ra phổ biến ở tốc độ khuấy 140 v/p và 175 v/p. Khi tăng tốc độ khuấy đến 175 v/p và 245 v/p hiện tƣợng này vẫn còn nhƣng mức độ giảm đi đáng kể (Hình 3.12c và 3.12d). Khuấy với tốc độ cao là nguyên nhân làm các hạt Al2O3 hạn chế hình thành các mảng lớn trong dung dịch huyền phù.
Kết quả phân tích EDX trên Hình 3.13 cho thấy sự tham gia của các hạt Al2O3 vào trong lớp mạ Ni rất rõ nét. Tuy nhiên, trên đồ thị phân tích cũng xuất hiện nguyên tố Fe nhƣ một tạp chất bám vào lớp mạ. Đây là vấn đề cần khắc phục trong quá trình mạ composite Al2O3-Ni, đó là phải loại triệt để các ion Fe ra khỏi dung dịch điện phân.
Độ cứng tế vi của lớp mạ hiển nhiên phụ thuộc vào mật độ hạt Al2O3 tham gia và mức độ phân bố đồng đều của hạt trong lớp mạ. Ở tốc độ khuấy thấp mức độ các hạt tham gia và phân bố đồng đều vào lớp mạ hạn chế hơn so với khuấy ở tốc độ cao. Tuy nhiên, ở tốc độ khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ chỉ đạt 218 HV10 so với 273 HV10 ở tốc độ khuấy 175 v/p và 210 v/p và 303 HV10 tại tốc độ khuấy 245 v/p điều này đƣợc giải thích là do hiện tƣợng vón cục của các hạt Al2O3 ở tốc độ khuấy thấp làm giảm độ cứng tế vi của lớp mạ [2].
Từ các phân tích trên có thể thấy tốc độ khuấy 245 v/p vừa cho mật độ các hạt trung tính trong lớp mạ cao vừa cho độ cứng tế vi của lớp mạ cao nhất. Đây là tốc độ khuấy nên lựa chọn để tạo thành lớp mạ composite Al2O3-Ni có khả năng chịu ăn mòn và mòn đồng thời.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
71
3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG III
Trong chƣơng này trên cơ sở sản phẩm chày dập thuốc viên đã chế tạo thành công ở Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tác giả đã tìm hiểu và thiết kế, chế tạo và mạ composite thành công trên bộ chày dập thuốc viên theo đúng tiêu chuẩn kích thƣớc và hình dáng phục vụ cho các loại máy dập thuốc viên ở công ty dƣợc.
Thiết lập đƣợc quy trình công nghệ mạ composite TiO2-Ni và tiến hành kiểm tra, đánh giá các kết quả về mật độ hạt và độ cứng tế vi trong lớp mạ composite TiO2-Ni, từ đó tìm đƣợc chế độ tối ƣu nhất khi mạ composite TiO2-Ni.
Thiết lập đƣợc quy trình công nghệ mạ composite Al2O3-Ni và tiến hành kiểm tra, đánh giá các kết quả về mật độ hạt và độ cứng tế vi trong lớp mạ