Vật liệu composite là một hỗn hợp của hai hoặc nhiều pha đồng nhất liên kết với nhau có tính chất đặc trưng riêng hơn hẳn từng pha riêng rẽ.
Mạ điện composite có thể thực hiện trên các bề mặt phức tạp bất kỳ mà không cần thiết bị đặc biệt, thậm trí có thể sử dụng các thiết bị mạ điện thông thường. Chi tiết mạ có khả năng làm việc ở nhiệt độ bình thường và cao, chống mòn và ăn mòn tốt hơn.
Vật liệu mạ tăng bền composite bao gồm kim loại hoặc hợp kim có chứa các hạt mịn, cứng, trung tính tạo nên các tính chất cơ học đặc biệt và cấu trúc ổn định ở nhiệt độ cao hơn. Một vật liệu composite chứa ít
nhất hai thành phần và mỗi thành phần sẽ kết hợp tính chất riêng của nó tạo nên tính chất tổng hợp của vật liệu mới. Mạ điện composite có các đặc điểm sau:
Có thể mạ với chiều dày nằm trong miền dung sai kích thước.
Độ bền liên kết của lớp mạ lớn hơn 700 Mpa thậm chí khi mạ trên thép Cr cao.
Quá trình mạ không cần gia nhiệt.
Chiều dày lớp mạ có thể đồng đều trên các chi tiết có hình dạng phức tạp bằng cách thiết kế anốt, đồ gá, các thông số mạ điện thích hợp.
Có thể mạ lớp mạ cứng trên nền kim loại mềm.
Thành phần hạt kim loại cứng có thể thay đổi trong phạm vi rộng nên có thể tạo nên các lớp mạ có đặc tính theo yêu cầu.
Có thể tự động hoá quá trình mạ.
2.2. Mạ điện composite kim loại dạng hạt 2.2.1. Khái niệm
Đây là một phương pháp phủ bề mặt, lớp mạ điện được tạo thành từ kim loại và vật liệu không tan dưới dạng bột mịn được đưa vào bể mạ:
Trong quá trình mạ các hạt vật liệu không tan, cứng lơ lửng trong dung dịch điện phân nhờ khuấy trên nguyên tắc cơ, từ, không khí v.v... Chiều dày lớp mạ phụ thuộc vào kích thước của hạt cứng, tính chất của vật liệu hạt và kim loại mạ.
Các kim loại có thể mạ cùng hạt cứng là: Co, Ag, Cr, Fe, Pb, Ni, Zn, và các hợp kim của chúng.
Các hạt cứng bao gồm các ôxít của Al, Zn, Ti; Carbides Ti, Ta, Si, W, Cr, Zr, B, Ni; Nitrides của B, Si; Borides của Ti, Zr, Ni; Sulfides của Mo, W; Graphide, Mica, PTFE, kim cương.
Các thông số của quá trình mạ có thể điều khiển để tạo nên thể tích xác định của pha cứng. Để tăng thể tích của pha này trong lớp mạ composite có thể:
1. Tăng thể tích của hạt cứng trong dung dịch.
2. Tăng hiệu quả của dòng trong dung dịch.
3. Phủ lên bề mặt mạ các chất có hoạt tính cao với hạt cứng.
4. Thêm các ion âm Ti, Rb hoặc Cs.
Mạ điện composite kim loại dạng hạt có tác dụng:
- Tăng khả năng chống mòn, chống mòn do cào xước, chống chảy (creep) của kim loại hoặc hợp kim (Ni + SiC, Pb + TiO2).
- Tăng khả năng chống ăn mòn (Ni + Al2O3).
- Tạo lớp mạ điện tự bôi trơn (MoS2 với Ni hoặc Cu).
- Tăng độ bền ở nhiệt độ cao (Ni + Al2O3).
- Tạo hợp kim có thể nhiệt luyện (Ni + Bột Cr).
- Tạo lớp mạ sử dụng trong công nghiệp hạt nhân (Ni+Pu, Ni+UO2).
Các hạt dẫn điện tham gia vào lớp mạ tốt hơn hạt không dẫn điện, hạt to có tỷ lệ liên kết trực tiếp với nền cao hơn hạt nhỏ.
Tính chất lý hoá của hạt phối hợp với tính chất của matrix kim loại là quan trọng nhất. Các hạt cứng nhỏ mịn tăng khả năng chống mòn. Các hạt mềm có lợi cho chống dính hoặc bôi trơn khô. Thường trong kỹ thuật, khoảng 30% - 40% thể tích lớp phủ là hạt cứng như alumina hoặc silicon carbide là cần thiết. Mạ điện composite hạt nhằm tạo lớp bôi trơn hoặc chống mòn.
2.2.2. Mạ tạo lớp bôi trơn
Trong lớp mạ bôi trơn, pha thứ hai được chọn để tạo nên các tính chất bôi trơn.
Bôi trơn dạng thể rắn được dùng trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc áp suất thấp khi các biện pháp bôi trơn thông thường không có hiệu quả sử dụng cho cả tiếp xúc lăn và trượt. Để giảm ma sát và mòn, lớp màng bôi trơn thể rắn cần có các tính chất sau đây:
- Có sức bền cắt thấp.
- Tạo nên liên kết tốt với nền khi chịu tải.
- Phủ đồng đều trên nền và bề mặt sạch.
- Không có tạp chất.
- Ổn định khi làm việc.
- Các hạt có kích thước đồng đều.
- Không bị lẫn sản phẩm của mòn.
Matrix kim loại của màng bôi trơn phải có khả năng làm việc tốt ở nhiệt độ cao hoặc áp xuất cao hơn so với các chất bôi trơn thông thường.
Vật liệu của lớp mạ điện bôi trơn là Graphide, Polytetrafluoroethylene (PTFE), MoS2, WS2, Mica-graphide fluoride và matrix kim loại thường là Cu, Ni hoặc Zn.
Lớp mạ bôi trơn 25% MoS2 trên nền Ni có hệ số ma sát rất thấp với vật liệu khác tới (0,05 - 0,18). Tuy nhiên, khả năng chịu tải của lớp màng mạ này trên nền mềm không cao nên chúng chỉ thích hợp sử dụng dưới tải trọng nhỏ.
Màng bôi trơn ở thể rắn tạo lớp bôi trơn tinh khiết còn có tác dụng chống ăn mòn.
Các kết quả thí nghiệm của lớp mạ bôi trơn composite sử dụng matrix Cu và Ni cho thấy:
Thêm 1% CF và 1% Cu hoặc Ni có tác dụng giảm hệ số ma sát và mòn với bề mặt đối tiếp.
Tác dụng giảm mòn được nâng lên khi nồng độ chất bôi trơn rắn vượt quá một giới hạn nhất định trong bể mạ (3% ở trường hợp CU-GF).
Cu dùng làm matrix tốt hơn Ni trong cả khía cạnh tốc độ mòn và khả năng chịu tải trong phạm vi rộng.
2.2.3. Mạ tăng khả năng chống mòn
Mạ composite với các hạt ceramics tăng cả độ cứng và khả năng chống mòn do sự tồn tại của hạt cứng trong lớp mạ. Khi lớp mạ chịu tải các hạt cứng sẽ chịu tải.
Vì thế người ta cố gắng mạ sử đụng Al2O3, TiO2, Carbides Si, W, Cr, Ti, kim cương trên nền matrix của Ni, Cr, Co, Cu và Fe.
Việc lựa chọn kết hợp matrix kim loại và pha rắn có ý nghĩa quan trọng để tăng khả năng chống mòn của bề mặt tiếp xúc. Nhiều composite mạ đang được sử dụng trong thực tế như mạ composite Ni, composite Co, composite hợp kim thiếc, composite chì, composite Cr v.v...