Để tạo lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3 trước khi nhúng vật cần mạ (thép CT3) vào trong dung dịch có thành phần: NiCl2 0,08 M + NaH2PO2 0,23 M + NH2CH2COOH 0,2 M + CH3COONa 1,8 M + pH = 5,5; tốc độ khuấy 1500 vòng/ phút; thêm vào các dung dịch mạ bột Al2O3 với hàm lƣợng khác nhau, nhiệt độ dung dịch đƣợc giữ ở mức 45oC; thời gian mạ: 30 phút.
Để đánh giá mức độ thâm nhập cũng như ảnh hưởng của hàm lượng Al2O3 đến thành phần nguyên tố của lớp mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3, tiến hành mạ trong các dung dịch với hàm lƣợng Al2O3 khác nhau: 20g/L; 40g/L; 60g/L.
Các mẫu sau khi mạ, đem sấy khô và gửi đi đo EDX tại trung tâm đánh giá hƣ hỏng vật liệu COMFA Hà Nội.
Kết quả đo EDX các mẫu Ni-P-Al2O3 từ dung dịch có hàm lƣợng Al2O3 khác nhau đƣợc đƣa ra trên Hình 3.2, Hình 3.3; Hình 3.4.
Thực nghiệm cho thấy sự xuất hiện peak của Al trên phổ đồ EDX của lớp mạ nickel hóa học Ni-P khi thêm bột Al2O3 vào trong dung dịch mạ. So sánh các Hình 3.2, Hình 3.3 và Hình 3.4 với Hình 3.1, cũng nhận thấy peak của O trong trường hợp thêm bột Al2O3 trong dung dịch mạ có cường độ mạnh hơn nhiều so với trường hợp không có Al2O3. Điều này chứng tỏ đã đƣa thành công Al2O3 vào lớp mạ tổ hợp Ni-P.
Cường độ peak của Al và O phụ thuộc vào hàm lượng Al2O3 trong dung dịch mạ. Ở hàm lượng 60 g/L cường độ các peak là lớn nhất.
Hình 3.2. Phổ EDX của lớp mạ Ni-P-Al2O3 từ dung dịch có chứa 20 g/L Al2O3
Hình 3.3. Phổ EDX của lớp mạ Ni-P-Al2O3 từ dung dịch có chứa 40 g/L Al2O3
Hình 3.4. Phổ EDX của lớp mạ Ni-P-Al2O3 từ dung dịch có chứa 60 g/L Al2O3
Kết quả xác định thành phần nguyên tố Al và O tại các vị trí khác nhau trên bề mặt mạ nickel tổ hợp từ dung dịch chứa 40 g/L Al2O3 đƣợc thể hiện trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Phần trăm khối lƣợng các nguyên tố Al, O có trong lớp mạ nickel tổ hợp từ dung dịch chứa 40 g/L Al2O3
Ví trí % khối lƣợng các nguyên tố
Al O
1 8,81 10,32
2 5,97 7,01
3 9,62 8,02
Ở 3 vị trí đƣợc chọn ngẫu nhiên trên bề mặt mạ tổ hợp Ni-P-Al2O3, kết quả phân tích cho thấy hàm lƣợng Al và O ở các vị trí khác nhau có sự chênh lệch đáng kể.
Điều này liên quan đến cơ chế xâm nhập của các hạt bột Al2O3 vào trong lớp mạ [8].
Các hạt Al2O3 hấp phụ các ion và phân tử dung môi, di chuyển đến và hấp phụ trên vật mạ. Tại đây, phản ứng hóa học giữa Ni2+ và NaH2PO2 sinh ra nickel và dần dần chôn lấp các hạt Al2O3 vào lớp mạ tạo nên lớp mạ tổ hợp. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ xác định thành phần nguyên tố bằng cách lấy trung bình kết quả của 3 lần đo tại các vị trí ngẫu nhiên trên bề mặt.
Thành phần hóa học các nguyên tố trên bề mặt mạ Ni-P-Al2O3 với hàm lƣợng Al2O3 khác nhau đƣợc thể hiện trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Phần trăm khối lƣợng các nguyên tố cơ bản trong lớp mạ Ni-P-Al2O3 với hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch mạ khác nhau
% khối lƣợng các nguyên tố
Ni P Al O
20 g/L Al2O3 33,77 0,85 3,32 8,48
40 g/L Al2O3 54,1 0,71 10,01 8,02
60 g/L Al2O3 38,7 0,63 12,92 10,83
Dựa vào Bảng 3.3 thấy rằng, tăng hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch lƣợng nhôm oxit đƣợc đƣa vào trong lớp mạ tăng lên. Tuy nhiên hàm lƣợng Ni và P về cơ bản nhỏ hơn trường hợp không có Al2O3. Điều này có thể liên quan đến tổng phần trăm của các nguyên tố bằng 100%, khi có mặt Al và O thì phầm trăm khối lƣợng của Ni và P giảm xuống mặc dù khối lƣợng có thể không đổi. Ngoài ra do phản ứng tạo lớp mạ tổ hợp là phản ứng tự xúc tác bởi Ni nên khi trên bề mặt bị che phủ bởi các hạt Al2O3 (không có khả năng xúc tác) tốc độ phản ứng sẽ giảm, đó cũng có thể là nguyên nhân dẫn đến hàm lƣợng Ni-P giảm. Tuy nhiên khi Al2O3 đã đƣợc che phủ bởi nickel sẽ trở thành những tâm xúc tác mới, và diện tích bề mặt tăng làm cho tốc độ của phản ứng dị thể tăng, tạo ra nhiều sản phẩm hơn. Nhƣ vậy sự có mặt của các hạt Al2O3 trên bề mặt vật cần mạ có thể gây ra 2 tác động trái ngƣợc nhau đến phản ứng oxi hóa khử giữa Ni2+ và NaH2PO2. Điều này phản ánh trên kết quả thực nghiệm, khi hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch là 40 g/L lƣợng Ni đƣợc tạo ra nhiều nhất.
Từ các dữ kiện EDX về thành phần nguyên tố xác định lại phần trăm khối lƣợng Al2O3 theo công thức:
% =
Kết quả ảnh hưởng của hàm lượng Al2O3 trong dung dịch mạ đến phần trăm khối lƣợng của Al2O3 trong lớp mạ đƣợc thể hiện trong Bảng 3.4 và trên Hình 3.5.
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng Al2O3 trong dung dịch mạ đến phần trăm khối lƣợng Al2O3 trong các lớp mạ
% khối lƣợng Al % khối lƣợng của Al2O3
20 g/L Al2O3 3,32 6,27
40 g/L Al2O3 10,01 18,91
60 g/L Al2O3 12,92 24,4
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của phần trăm khối lƣợng Al2O3 trong lớp mạ và hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch mạ
Từ đồ thị Hình 3.5 thấy rằng, tăng hàm lƣợng Al2O3 trong dung dịch mạ từ 20 g/L đến 40 g/L lƣợng Al2O3 trong lớp mạ tăng nhanh, gấp 3 lần. Tuy nhiên khi tăng nồng độ Al2O3 trong dung dịch mạ từ 40 g/L đến 60 g/L phần trăm khối lƣợng Al2O3 trong lớp mạ tăng không nhiều, chỉ khoảng 1,3 lần, trong khi đó hàm lƣợng Ni lại giảm ( Bảng 3.3)
Nhƣ vậy qua khảo sát sơ bộ có thể thấy, hàm lƣợng Al2O3 thích hợp cho lớp mạ composite Ni-P-Al2O3, mạ từ dung dịch nickel clorua nồng độ thấp (0,08 M), chứa đệm glyxin ở pH = 5,5 là 40 g Al2O3 / 1 L dung dịch mạ.