Đồ án Nghiên cứu công nghệ mạ hoá học hợp kim Nickel có cơ tính cao

tiết được hàn với nhau, bề mặt của chúng tiếp xúc nhau chủ yếu ở phần lồi, và do đó có một sự ma sát nhỏ ở những chỗ đó trên tổng cả diện tích bề mặt. Sự ma sát này tạo ra lực ma sát, nó giống như một tải trọng tương đối nhẹ tác dụng lên hai bề mặt này và sinh ra ứng suất lớn trên cả hai vùng bề mặt tiếp xúc. Do đó khi hàn thì giữa hai bề mặt tiếp xúc phải được làm sạch. Làm cứng và bôi trơn bề mặt làm giảm mài mòn gắn bám. Sự lựa chọn vật liệu trong kỹ thuật hàn cũng giúp làm giảm mài mòn gắn bám bằng cách chọn kim loại bề mặt tiếp xúc giống và kim loại bề mặt này hoà tan được trong bề mặt kia của mối hàn. Mài mòn do cọ sát do hai bề mặt cọ sát với nhau, mài mòn do cọ sát có thể được làm nhỏ tối thiểu bằng cách làm bề mặt cứng hơn và nhẵn hơn. Mài mòn do gắn bám và mài mòn do cọ sát liên quan tới nhau nhưng không liên quan trực tiếp đến độ cứng bề mặt. Độ cứng bề mặt càng lớn thì độ biến dạng càng nhỏ và vì thế càng ít ma sát. 1.2.3 Những ứng dụng của lớp mạ Ni hoá học: Mạ hoá học hiện nay thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Đã có nhiều hệ mạ hoá học ra đời trong đó hệ mạ hoá học Ni là quan trọng nhất nhờ những tính chất nổi bật như đã được nêu. Do vậy ứng dụng của lớp mạ Ni hoá học cũng rất phong phú và đa dạng. (Hình 1.5) Hình 1.5: Biểu đồ ứng dụng lớp mạ EN trong các ngành Nhiều nhất là trong lĩnh vực sản xuất linh kiện máy vi tính (22%); điện tử (17%), tiếp đó là trong ngành công nghiệp ôtô (15%), hoá học, dầu khí, cơ khí, hàng không, in…Sau đây là một số ứng dụng cụ thể: Máy vi tính (Computer): Mạ EN được dùng chủ yếu để chế tạo màng phủ (dày 5 μm), trong đó chức năng quan trọng nhất là làm màng phủ chống ăn mòn và đĩa ghi từ nhôm với hàm lượng P cao cho máy vi tính. Những báo cáo hàng năm cho thấy giá trị thương mại của lớp phủ EN tăng trưởng liên tục so với các lớp phủ khác. Theo tài liệu đánh giá về giá trị thương mại của lớp phủ EN dùng cho chức năng tạo đĩa ghi từ nhôm: Năm 1995 – 230 triệu đĩa. Năm 1996 – 288 triệu đĩa. Năm 1997 – 354 triệu đĩa. Năm 1998 – 435 triệu đĩa. Trên kết quả thống kê năm 1993, giá trị thương mại của lớp EN là 200 triệu USD so với lớp mạ đồng hoá học là 80 triệu USD. Đĩa cứng nhôm ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong đời sống do tiếp tục có những cải tiến về công nghệ ghi, tăng chất lượng sản phẩm và hạ giá thành. Đĩa cứng khởi động dùng trong những năm gần đây thì mật độ ghi yêu cầu phải tăng. Hình 1.6: Đĩa cứng Vì vậy công nghệ mạ EN nhằm mục đích cải tiến công nghệ ghi. Để có mật độ ghi cao cần phải tiếp tục cải tiến chất lượng lớp mạ cả về thành phần dung dịch và xử lý sản phẩm. Một hướng khác là cải thiện từ tính của màng mỏng. Màng NiP (hàm lượng P >10%) là kháng từ, nó sẽ dẫn từ khi xử lý ở nhiệt độ trên 300oC. Để có hệ số ghi cao cần phải có mật độ ghi cao, khi đó từ tính trở thành vấn đề quan trọng đặc biệt là khi đĩa ghi từ yêu cầu mỏng hơn và hấp thụ nhiệt ít hơn trong quá trình làm việc. Thay đổi thành phần mạ có thể làm chậm quá trình từ hoá, cải tiến công nghệ mạ góp phần đưa lớp mạ EN trở thành hoàn hảo hơn cho đĩa ghi từ nhôm. Công nghiệp điện tử: Lớp mạ hoá học Ni-P được dùng nhiều trong công nghiệp điện tử để : Tăng tính dễ hàn. Làm đế không từ tính trong các bộ phận mang từ Chế tạo các vật liệu có độ dẫn thích hợp theo yêu cầu Làm lớp chắn ngăn cản vàng khuyếch tán vào nền đồng tại các tiếp điểm Làm các vi mạch, màng bán dẫn trong suốt. Dùng làm trang sức và bảo vệ các linh kiện điện tử, thiết bị viễn thông… Hình 1.7 : các chi tiết trong thiết bị điện tử được mạ Ni Thực phẩm và y dược: Do lớp mạ EN không có độc tính lại không ăn mòn, có tính chất bảo vệ cao nên nó được dùng trong các thiết bị như: khuôn máy dập bao con nhộng (y dược), các mẫu khuôn để dập sôcola hay các chi tiết máy trong quy trình sản xuất thực phẩm: - Cụ thể như là trong thiết bị sản xuất mật ong (Honey Equipment): các chi tiết máy tiếp xúc với mật ong mà không được phủ kim loại hay phủ các kim loại không phù hợp với những quy định về sức khoẻ thì giải pháp cho vấn đề này là tạo lớp phủ EN dày xấp xỉ 15 μm với hàm lượng P cao. Kết quả là lớp phủ này sẽ thay thế được các chi tiết máy làm bằng thép không gỉ hay phải mua những thiết bị tốn kém tới hàng ngàn dollar. Công nghiệp in: Những lô cuốn mực máy in đã mạ Cr thì lớp Cr sẽ bị ăn mòn từ mực in, giải pháp cho vấn đề này là thay thế lớp mạ Cr bằng lớp mạ EN dày 50 μm có hàm lượng P cao và độ đồng đều cao. Như vậy vấn đề ăn mòn được giải quyết, thêm vào đó là việc làm sạch các lô cuốn cũng dễ dàng và tiết kiệm được chi phí do bỏ được khâu gia công cơ khí lại lô cuốn sau khi mạ. Công nghiệp ôtô: Với lớp mạ EN dày khoảng từ 5 – 9 μm hoặc EN với lượng P trung bình trong các bộ phận tiếp liệu, bộ chế hoà khí trong động cơ ôtô … để ngăn cản sự ăn mòn nền trong các môi trường alcohol (ethanol), clo, lưu huỳnh… Các chi tiết trục bánh răng khác nhau đã được mạ Cr cứng thì điều đáng quan tâm là xử lý nhiệt làm cho chúng giòn và do đó cũng làm bề mặt Cr bị mòn đi do ma sát. Do vậy mà việc dùng lớp mạ Ni hoá học dày 25μm với hàm lượng P cao sẽ thực sự làm tăng tính bôi trơn của lớp phủ khi vận hành các chi tiết. Độ cứng bề mặt không nhất thiết cần xử lý nhiệt. Các trục bánh răng, các vòng đệm hay các chốt trục nhỏ được mạ với số lượng lớn để tạo lớp phủ sáng bóng, chống mài mòn và khả năng bôi trơn. (Hình 1.8) Hình 1.8 : Các chốt trục nhỏ được mạ EN Nikel composit có tính bôi trơn cao, độ ma sát thấp, độ bóng cao chống ăn mòn tốt nên được dùng cho mạ xylanh, piston, bộ phận hãm để chống mài mòn. Hình 1.9: mạ hoá học Ni để nâng cao khâu hoàn thiện bề mặt của piston Ngành hàng không: Các chi tiết trên máy bay như cánh quạt phải làm bằng nhôm để giữ cho trọng lượng luôn là nhỏ nhất, để bảo vệ các chi tiết như vậy thì thường không sử dụng được các phương pháp mạ điện do hình dáng phức tạp nên giải pháp là mạ EN dày 20μm với hàm lượng P cao, lớp phủ có khả năng phân bố đồng đều toàn bộ bề mặt chi tiết. Các gương cầu lõm dùng trong hàng không hay không gian thì các vùng lõm bằng nhôm của gương cầu đòi hỏi lớp phủ có thể được đánh bóng để đạt độ bóng cao cho việc đạt được độ phản quang lớn nhất và tốt nhất. Để đạt được lớp phủ đồng nhất và dày đều trong cả những vùng lõm sâu như vậy thì mạ EN dày 15 μm ( hàm lượng P cao ). Cơ khí nói chung: Lớp mạ Ni hoá học được dùng nhiều trong cơ khí vì nó hội tụ được nhiều ưu điểm vào cùng một vật liệu: chống ăn mòn tốt, bền nhiệt, bền mòn, bôi trơn tốt, độ cứng cao (từ 400 – 600 HV đến trên 1000 HV), chiều dày lớp mạ rất đồng đều… Ví dụ: Các chốt, trục nhỏ của các chi tiết máy thường được làm cứng bằng nitrua hoá (nitrided) sau đó crom hoá. Mặc dù lớp phủ này là tốt nhưng vẫn có hiện tượng ăn mòn tại các mối hàn kín hay các vành bịt kín, do vậy nếu những chỗ đó được phủ EN dày 50μm và sau đó làm cứng tới 65 RC thì không ảnh hưởng tới lớp phủ cũ mà ăn mòn cũng không còn là vấn đề. Tuổi thọ của chi tiết được kéo dài. Ngoài ra: (Misc) - Lớp mạ Ni hoá học còn được dùng trong công nghiệp hoá chất, dầu khí, bảo vệ máy thiết bị trong các môi trường ăn mòn mạnh: các thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị phản ứng, bơm, turbin, rotor… - Trong ngành công nghiệp luyện kim và chế tạo các khuôn đúc. - Trong ngành công nghiệp mỏ: đầu khoan phá, các chi tiết đầu máy đặt mìn… - Các thiết bị, vũ khí trong quân đội: các ngòi kíp nổ và pháo; bộ phận dẫn hướng sóng rada… - Công nghiệp dệt: các đầu kim dệt, máy kéo sợi… 1.2.4 Đặc điểm vận hành của mạ Nickel hoá học 1.2.4.1 Vận hành bể mạ Hàm lượng P phụ thuộc rất nhiều vào pH, nhiệt độ và tỷ lệ các ion trong dung dịch. Trong quá trình mạ, nồng độ các cấu tử, pH và nhiệt độ cũng thay đổi mạnh trên bề mặt vật mạ và tại các vị trí khác nhau trong bể. Để khắc phục sự phân bố không đều trong dung dịch, tuần hoàn và bổ sung dung dịch là cần thiết nhằm duy trì nồng độ ion ổn định và đồng đều trong dung dịch. Một số đặc điểm chính trong quá trình vận hành bể mạ Ni hóa học là: hiện tượng tự phân hủy và ảnh hưởng của các thông số công nghệ. 1.2.4.2 Hiện tượng tự phân huỷ Một hiện tượng nguy hiểm cần hạn chế tối đa đối với bể mạ hóa học là quá trình tự phân huỷ. Khi dung dịch đang hoạt động, quá trình thoát khí hydro diễn ra chỉ tại bề mặt vật liệu được mạ. Nếu quá trình thoát khí diễn ra trong toàn dung dịch, quá trình phân huỷ sẽ bắt dầu xảy ra. Phản ứng diễn ra rất nhanh, mãnh liệt và tạo ra lớp bọt xốp trên bề mặt dung dịch. Ngoài ra, kết tủa Ni màu đen cũng bắt đầu hình thành trong lòng dung dịch và nổi lên tạo lớp trên bề mặt dung dịch. Thể tích dung dịch tăng đáng kể bởi lượng hydro thoát ra nhanh chóng. Kết quả là dung dịch mất hoàn toàn khả năng hoạt động trong một thời gian ngắn. 1.2.4.3 Ảnh hưởng của các thông số đến tốc độ mạ Nickel hoá học a. Nhiệt độ Tốc độ kết tủa tăng cùng nhiệt độ theo quy luật hàm mũ, do vậy bể mạ hóa học tốc độ cao nên làm việc ở nhiệt độ cao nhất có thể dưới điểm sôi. Gutzei và Kreig nhận thấy rằng giảm nhiệt độ đi 10oC (từ 100o đến 90o) làm giảm 52,5 % tốc độ kết tủa (xem hình 1.10). Mặt khác, quá trình mạ hóa học diễn ra chậm khi dung dịch (pH=4-5) hoạt động ở nhiệt độ dưới 70oC. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ ion hyđro tạo ra trong quá trình oxy hoá hypophosphite trong dung dịch thành phosphit tăng lên đáng kể, và do đó khả năng tự phân hủy tăng lên đáng kể. Chính vì vậy cần khống chế nhiệt độ bể mạ trong khoảng rất hẹp (thường là ±1oC). Cũng cần lưu ý thay đổi nhiệt độ cũng thường dẫn đến thay đổi hàm lượng P trong lớp mạ, do đó sẽ làm thay đổi tính chất dẫn điện, cơ lý và cấu trúc lớp mạ. Tóm lại có thể tổng kết kết quả ảnh hưởng của tăng nhiệt độ như sau: (a) Tốc độ kết tủa cao hơn. (b) Tăng nồng độ ion phosphite. (c) Tăng khả năng tự phân huỷ (nguyên nhân từ (b)). (d) Giảm khả năng hoà tan của phosphite. (e) Tăng tốc độ thoát hydro. b. pH Các hypophosphite là chất khử có hiệu quả trong môi trường axit hơn là môi trường kiềm. Quá trình khử Ni diễn ra dễ dàng ở giới hạn trên (pH 5,5). Tuy nhiên, vận hành bể ở pH này hoàn toàn không dễ dàng vì pH thay đổi nhanh do ion hydro sinh ra trong quá trình phản ứng (hình 1.11). Hơn nữa, các hợp chất hữu cơ dùng làm chất đệm không có tác dụng ở dải pH này (các chất này chỉ tỏ ra có hiệu quả ở giải pH thấp). Do vậy, kiềm phải được bổ sung liên tục để giữ giải pH tối ưu. Do thay đổi pH nên hàm lượng P trong lớp mạ cũng thay đổi theo. Thêm vào đó, khả năng hoà tan của nickel phosphite giảm khi tăng pH (xem bảng 3) và hợp chất kết tủa không mong muốn này có thể bắt đầu phân huỷ và dẫn đến kết tủa thô. Ngược lại, khi giá trị pH cao phản ứng có thể thay đổi từ mang tính xúc tác sang phản ứng đồng nhất dẫn đến hiện tượng tự phân hủy trong dung dịch. Bảng 3: Độ hoà tan của Nickel phosphite là hàm của pH pH Ni2+ (M) Tỷ lệ mol (H2PO2)-/ H(H2PO3)- 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 0,160 0,141 0,089 0,0206 0,0153 0,329 0,280 0,203 0,0274 0,0163 Với những lý do này, độ axit (pH) trong bể hoạt động không bao giờ trên 5, thực tế, điều kiện tốt nhất là tại pH 4,4 - 4,8. pH <4 : sự kết tủa dừng lại do axit tấn công kết tủa kim loại trong suốt phản ứng. Do đó sự khuấy dung dịch là cần thiết vì dung dịch tại bề mặt nền có pH thấp hơn nhiều so với trong dung dịch. Trong môi trường axit trung bình, có thể tổng kết ảnh hưởng của pH tới quá trình mạ: Tăng pH dẫn đến kết quả: Tăng tốc độ kết tủa. Phản ứng oxy hóa hypophosphite chuyển từ phản ứng xúc tác sang phản ứng đồng nhất, làm quá trình tự phân huỷ xảy ra dễ dàng. Giảm độ hoà tan của nickel phosphite. Giảm hàm lượng P. Giảm pH dẫn đến kết quả : Ngăn cản sự kết tủa các muối bazơ và các hydroxit. Giảm tính khử của hypophosphit. pH < 4 kết quả dẫn tới sự kết tủa dừng lại do kim loại Ni bị hoà tan bởi axit có mặt trong dung dịch. Các chất đệm làm việc hiệu quả hơn. c. Chất tạo phức Mục đích đưa chất tạo phức vào dung dịch mạ hóa học là nhằm ngăn cản sự kết tủa của nickel phosphite (NiHPO3). Khi phản ứng mạ hóa học diễn ra, lượng ion photphite sinh ra tăng dần theo thời gian và tích tụ cho tới một thời điểm nhất định sẽ gây ra hiện tượng kết tủa. Tuy nhiên, hiện tượng này có thể được cản trở bằng cách tạo ra một phức tan của Ni trong dung dịch (xem hình 1.11). Tính ổn định của dung dịch do đó được nâng cao do lượng ion Ni2+ tự do trong dung dịch là rất bé làm sự hình thành các muối bazơ Ni khó xảy ra. Sự lựa chọn chất tạo phức là rất quan trọng vì các phức này có ảnh hưởng rõ rệt tới cơ chế của quá trình. Phức có thể hoạt động trong nhiều vai trò: trong một số trường hợp có thể sử dụng trong vai trò chất đệm, trong một số trường hợp khác nó lại có vai trò của chất exalant (chất tăng tốc). Các axit hydroxy cacboxylic và muối của chúng thường được sử dụng làm chất tạo phức cho dung dịch mạ hóa học Ni (hình 1.12). Ví dụ axit lactic trong dung dịch mạ hóa học thực hiện 3 chức năng: tạo phức, chất đệm và chất tăng tốc, trong khi axit succinic hoạt động chủ yếu như một chất tăng tốc, và axit maleic chỉ là chất tạo phức. Mặt khác, axit tartaric tạo dạng phức rất ổn định nên khiến sự khử khó khăn, dẫn đến kết tủa tốc độ rất chậm. Tuy nhiên ảnh hưởng có thể được khắc phục bằng cách thêm exalant (chất tăng tốc) trong bể. Nhìn chung axit citric và axit glycolic là 2 loại axit hydroxy cacboxylic được dùng phổ biến nhất làm chất tạo phức. Tóm lại, khi có mặt chất tạo phức, tốc độ quá trình kết tủa sẽ chậm lại đáng kể ngoại trừ trường hợp axit lactic (hình 1.13). d. Chất ổn định Một nguyên nhân quan trọng nhất gây ra hiện tượng tự phân hủy là lẫn các tạp rắn như bụi, vẩy kim loại, vẩy từ lót bể... Các hạt rắn (ví dụ như các hạt bụi) hoạt động như những tâm xúc tác cho chuỗi phản ứng phân hủy diễn ra tiếp theo. Một khi quá trình tự phân hủy bắt đầu diễn ra, các hạt Ni tạo thành trong dung dịch, diện tích bề mặt hạt rắn tăng lên đáng kể và cuối cùng kết thúc với sự phân huỷ toàn bộ dung dịch mạ. Ngoài nguyên nhân lẫn tạp rắn trong dung dịch, những yếu tố khác cũng có thể làm dung dịch tự phân huỷ là các kết tủa tạo thành bao gồm: kết tủa các muối bazơ (ví dụ NiHPO3), kết tủa hydroxit (ví dụ Ni(OH)2). Ngoài ra, còn khi muối pha bể mạ không nguyên chất, tạp kim loại nặng trong các muối này có khả năng tạo dạng kết tủa keo cũng dẫn đến hiện tượng tự phân hủy. Để chống lại hiện tượng tự phân hủy, các chất ổn định được bổ sung vào dung dịch mạ với một vi lượng nhằm biến các hạt rắn và các hạt kết tủa thành các hạt huyền phù không có hoạt tính. Về cơ bản, các chất ổn định chính là những chất ngộ độc xúc tác. Cũng cần lưu ý rằng các chất ngộ độc xúc tác khử hyđro thường dễ bay hơi, hay phân huỷ dưới các điều kiện hoạt động của bể. Do đó sử dụng các chất gây ngộ độc xúc tác khử hyđro là những chất ổn định không hiệu quả lắm. Khống chế nồng độ của các chất ổn định hay các chất ức chế cực kỳ quan trọng vì quá trình mạ có thể bị dừng khi nồng độ các chất này quá lớn. Một số chất ổn định khi cho vào bể với nồng độ phù hợp có thể làm tăng tốc độ mạ, và hơn nữa còn có tác dụng làm bóng lớp mạ. Về cơ bản, có 3 loại hợp chất có thể được sử dụng làm chất ổn định. Chúng được xếp loại theo các tiêu chí sau ( bảng 4): 1- Các anion lưỡng cực hữu cơ có khả năng hoà tan trong nuớc, bao gồm: Các hợp chất no chứa có ít nhất 6 nguyên tử cacbon trong chuỗi (ví dụ: Natri và Kali oleate) Hợp chất có nhóm chức axit (VD: axit carboxylic) 2- Các cation kim loại nặng ở dạng các sulphit không có khả năng hoà tan. Các sulphit này ổn định dưới các điều kiện hoạt động của dung dịch mạ Ni hóa học. Các cation kim loại nặng này cũng phải thỏa mãn các điều kiện sau: Không được là những chất ngộ độc xúc tác. Chúng không phải là những chất xúc tác cho quá trình oxy hoá hypophosphite thành phosphite giống như những kim loại nhóm VII của bảng hệ thống tuần hoàn. Các kim loại phù cho tiêu chí này hợp là chì và thiếc. 3- Các hợp chất -thio (chứa lưu huỳnh) hữu cơ và vô cơ. Các hợp chất này có khả năng hoà tan trong nước và thuỷ phân chậm trong dung dịch để cung cấp ion S2- trong bể mạ. Ví dụ cho loại hợp chất này này là thiourea và Natri ethylxanthate. Nồng độ của chất ổn định phụ thuộc vào nồng độ của ion Ni2+ chứ không phụ thuộc vào các thành phần khác có trong dung dịch. Vai trò của các chất ổn định đã nêu ở trên có thể là: (a) Chúng tạo nên lớp vỏ kị nước xung quanh các hạt nhân có hoạt tính xúc tác gây ra sự phân hủy, do đó nó ngăn cản tiếp xúc dung dịch - hạt xúc tác và ngăn phản ứng kết tủa. Hoặc là: (b) Chúng được hấp phụ lên trên bề mặt các hạt nhân và trở thành chất độc xúc tác, ngăn cản quá trình tách hydro của hypophosphite diễn ra trên các hạt. Bảng 4 Ảnh hưởng của vi lượng các ion làm chất ổn định Natri oleate p.p.m Tốc độ kết tủa Sự hình thành của ppt đen (phút) Bề mặt mẫu (60 phút) Không 2,98 10 BB- S 10 - 10 BB-S 25 2,98 15 BB-S 50 2,71 15 BB-S 75 - ổn định BB-S Sn2+ p.p.m Tốc độ kết tủa Sự hình thành của ppt đen (phút) Bề mặt mẫu (60 phút ) Không 4,59 16 B-S 0,1 5,32 40 B-S 0,5 5,36 40 B-S 2,0 5,68 ổn định B-S 10 4,99 ổn định B-S 50 4,56 ổn định B-S Kali ethylxanthete ppm Tốc độ kết tủa Sự hình thành của ppt đen (phút) Bề mặt mẫu (60 phút) Không 4,59 20 B-SR 1,0 4,76 45 B-S 5,0 4,90 ổn định B-S 10 4,92 ổn định B-S 50 4,55 ổn định D-S 250 0,01 ổn định D-R B : bán bóng, BB : sáng, S : nhẵn, S-R : hơi nhám, R : nhám, D : mờ ppt: photphite. * Dung dịch đã dùng cho các thí nghiệm chất ổn định trên có thành phần: Nickel hypophosphit (đã kết tinh ) 0,09 M Ni2+ Sodium hypophosphit (đã kết tinh) 0,045 M (H2PO2)- Sodium succinate (đã kết tinh) 0,06 M Sodium chloride 0,18 M pH (được điều chỉnh bằng HCl nguyên chất ) 4-6 Nhiệt độ 95oC Bảng 5 So sánh tốc độ kết tủa khi có và không có chất tăng tốc Exaltant (ion succinate) M/l pH ban đầu Tốc độ mạ _ 0,03 0,06 0,06 0,09 5,03 5,01 5,00 5,51 5,03 0,06 2,53 4,02 4,86 5,16 e. Chất tăng tốc (exaltants) Là loại phụ gia đặc biệt có tác dụng làm tăng tốc độ mạ và hạn chế hiện tượng làm chậm phản ứng khi có mặt chất tạo phức càng cua. Các chất tăng tốc thường là axit dicacboxylic no mạch ngắn. Chỉ có một hợp chất vô cơ duy nhất được sử dụng làm chất tăng tốc là dung dịch Flo (F). Các hợp chất hữu cơ được dùng làm chất tăng tốc có thể chia thành 3 loại sau: 1- Các axit no monocacboxylic mạch ngắn như propionic, butyric, valeric và các muối kim loại kiềm của chúng, trong đó số nguyên tử C dao động từ 3 tới 6. Các hợp chất này có tác dụng kết nối các hợp chất phức càng cua theo các dạng hợp chất sau: (a) Muối amoni dạng Werner hợp chất cộng. (b) Công thức chung của các hợp chất : Trong đó: R = gốc tự do béo. X = nhóm chức có chứa nguyên tử hydro có khả năng phân tách và được chọn từ các loại gốc sau: -NH2, =NH, và –OH. Y = nhóm chức có chứa nguyên tử hoạt động tích điện âm, nó như tâm của hợp chất và được chọn từ loại các hợp chất có chứa : OH; =O; -NH2; =NH; N. X và Y nên ở các vị trí alpha và beta. Các ví dụ về loại này là: axit maleic, axit lactic, và axit amino acetic (glycine). Cần lưu ý rằng trong một số trường hợp, hai dạng hợp chất trên có thể có cùng chức năng trong dung dịch mạ hóa học. Trong trường hợp khác, một chất lại có thể thực hiện cả hai chức năng. Ví dụ có thể sử dụng cả axit lactic và axit propionic làm chất tăng tốc trong dung dịch mạ hóa học. Trong trường hợp khác, axit lactic vừa là chất tạo phức, vừa là chất tăng tốc. Nhìn chung, axit propionic là chất tăng tốc tốt nhất trong dãy đồng đẳng này. Điểm thuận lợi nữa cho việc ứng dụng là hợp chất này tương đối rẻ và có sẵn. 2- Các axit amino béo, mạch ngắn ,bão hoà cũng là những chất tăng tốc hiệu quả cao. Các hợp chất này tạo phức càng cua rất tốt, tiêu biểu là axit amino acetic. 3- Các anion dicacboxylic béo, mạch ngắn, bão hoà. Dãy đồng đẳng của các hợp chất này gồm axit malonic,succinic, glutaric và axit adipic. Hiệu quả tăng tốc giảm theo chiều tăng mạch cacbon của dãy đồng đẳng. Mặc dù manolic có hiệu quả tăng tốc tốt nhất, nhưng hợp chất này tương đối đắt và khó kiếm. Do vậy, axit succinic lại là chất hay được sử dụng hơn trong dung dịch mạ Ni hóa học thương mại. Nồng độ của chất tăng tốc phụ thuộc vào hàm lượng ion Ni2+ và hypophotphite (H2PO2-) trong dung dịch mạ. Tuy nhiên, nên lưu ý rằng lượng ion dicacboxylic quá nhiều có thể hạn chế hoạt động của các cation do quá trình tạo phức của chất tăng tốc làm cạn kiệt nguồn cation trong dung dịch. Như vậy lượng chất tăng tốc so với với nồng độ Ni2+ và (H2PO2 - ) cần được khống chế chính xác để hạn chế khả năng quá trình mạ bị dừng do dư chất tăng tốc (Hình 1.14). f. Tỷ lệ nồng độ Ni / ion hypophosphit ([Ni2+]/[H2PO2 -]) Trong những giai đoạn ban đầu của dung dịch mạ Ni hóa học, cả nồng độ [Ni2+] và tỷ lệ tỷ lệ nồng độ [Ni2+]/[H2PO2 -] đều quan trọng trong phản ứng tự xúc tác và ngăn cản quá trình tự phân huỷ của bể mạ (hình 1.15). Các điều kiện tối ưu về nồng độ cho bể mạ Ni hóa học được tổng kết như sau 1- Nồng độ của ion hypophosphit ([H2PO2 -]) nên nằm trong khoảng từ 0.15M đến 0,35M, tốt nhất là đảm bảo trong khoảng 0,22M đến 0,23M. 2- Tỷ lệ tối ưu của ion Ni với hypophosphit ([Ni2+]/[H2PO2 -]) trong khoảng từ 0,25 đến 0,6M, tốt nhất là 0.3 đến 0,45M. 3- Nồng độ anion đệm (acetate) nên cân đối theo nguyên tắc: ít nhất 2 nhóm cacboxyl trên một ion Ni. Khi tỷ lệ nồng độ [Ni2+]/[H2PO2 -] thấp dưới 0,25 thu được lớp mạ tối màu, trái lại nếu tỷ lệ này lớn hơn 0,6 thì tốc độ mạ chậm. Tỷ lệ nồng độ [Ni2+]/[H2PO2 -] càng cao thì hàm lượng P càng cao. Nồng độ hypophosphit [H2PO2 -] càng cao khả năng tự phân huỷ càng lớn. Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ [Ni2+]/[H2PO2 -] và các nồng độ tuyệt đối có thể được tóm tắt như sau: Tỷ lệ nồng độ [Ni2+]/[H2PO2 -] càng cao, hàm lượng P trong lớp mạ càng lớn. Nồng độ H2PO2- càng cao, khả năng tự phân huỷ càng lớn. Nồng độ H2PO2- càng thấp, tốc độ mạ Ni càng chậm. Hiệu suất mạ Ni giảm khi tăng lệ nồng độ [Ni2+]/[H2PO2 -]. Tốc độ mạ không phụ thuộc nồng độ Ni2+ trong dung dịch. 1.3 Lớp phủ Nickel composit hoá học 1.3.1 Giới thiệu chung về lớp phủ hoá học composit Khả năng đồng kết tủa các hạt vào trong lớp phủ hoá học có thể tạo ra những tính chất mới cho các lớp phủ hoá học composit. Để đồng kết tủa các hạt vào lớp phủ hoá học đạt kết quả tốt thì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: Tính trơ xúc tác của các hạt. Điện tích các hạt. Thành phần dung dịch mạ hoá học. Độ hoạt động, khả năng phản ứng của dung dịch mạ. Sự tương thích của các hạt vào lớp phủ hoá học. Tốc độ mạ. Sự phân bố các hạt, kích thước hạt, tính chất hạt. Cơ chế mạ hoá học composit khác so với mạ hoá học thông thường. Các hạt dạng rắn được đưa vào và được phân tán trong toàn bộ dung dịch mạ hoá học, mặc dầu dung dịch mạ không ổn định về mặt nhiệt động lực học và có khuynh hướng dung dịch bị phân huỷ toàn bộ. Các hạt này không được lọc ra ngoài. Sự phân tán các hạt dẫn đến tỷ trọng diện tích bề mặt được mạ là 100 000 cm2/ L, lớn hơn 800 lần so với tỷ trọng mạ hoá học thông hường và được chấp nhận trong mạ Nickel hoá học. Mạ hoá học composit bản thân nó là hướng nghiên cứu rất mới, hy vọng trong tương lai nó sẽ thu hút được sự quan tâm của cả người sử dụng và người nghiên cứu. Trong các lớp phủ composit điển hình, các hạt có thể được chọn lựa trong giải kích thước từ 0,1 μm đến 10 μm, với tỷ trọng là 40% thể tích các hạt chiếm trong lớp phủ hoá học. Tỷ lệ các hạt đồng kết tủa vào trong lớp phủ hoá học có thể được điều chỉnh đến một tỷ số cố định và không đổi. Tuy nhiên, phần lớn trong thực tế thương mại, phần trăm thể tích các hạt đồng kết tủa là 18 đến 25%. Có rất nhiều loại hạt khác nhau có thể đồng kết tủa nhưng nhưng lớp mạ composit hoá học thương mại hiện tại bị hạn chế với một số loại hạt như kim cương, silicon carbides, nhôm oxit và PTFE. 1.3.2 Tính chất chống mài mòn của lớp phủ Mục tiêu cơ bản của lớp phủ hoá học composit là nâng cao tính năng của lớp phủ như tính năng chống mài mòn, tính chống ăn mòn hoặc tính năng bôi trơn cho các chi tiết máy. Mặc dù cơ chế cho sự đồng kết tủa các hạt không có tính tan vào trong lớp phủ hoá học chưa được hiểu đầy đủ nhưng những tính chất nổi bật của lớp phủ hoá học composit thì cũng đã được nêu trong các bảng báo cáo khác nhau. Các cách thức tiến hành thí nghiệm khác nhau đã được diễn ra để đánh giá mức độ chống mài mòn của các lớp phủ đạt được thông qua các bảng kiểm tra, đó là: Bảng A: phép thử độ mài mòn the Table Wear Test Bảng B: phép thử độ mài mòn the Alfa Wear Test Bảng C: phép thử độ mài mòn the Accelerated Yarnline Wear Test Bảng A: Đánh giá tính chất bảo vệ của bề mặt bằng cách cọ sát (mài) bề mặt mẫu vào hai bánh mài đang quay. Bảng B: Các mẫu được đưa ra để chống lại sự mài mòn của vòng đai thép cứng dưới các điều kiện các mẫu được làm sạch và bôi trơn. Bảng C: Các mẫu được kiểm tra bằng cách bắt trước các yếu tố mài mòn đặc trưng phổ biến trong chi tiết máy dệt. Tất cả mẫu trong các thí nghiệm trên thì những vết lõm, xước, và thể tích những chỗ hỏng đều được đo đạc. Điều đặc biệt quan trọng là các dữ liệu thí nghiệm dùng để so sánh giữa các mẫu này là tất cả các mẫu kiểm tra đều có hình thái bề mặt giống nhau. Sự