Phương Kỳ Công, Pavel Fellner¹

Trường ĐHKT Bratislava - Slovakia

Summary

Composite layer of Nn-B and Ni-Si were prepared by co-deposition of boron and silicon powders respectively with electrolytically deposited nickel. The boroll and silicon powders were by electroless nickel prior to codeposition. The composite layers were thermally treated at 700^oC and 900^oC respetively. The microhardness and oxidation resistance at high temperature of the prepared layer are remarkably higher than those of pure nickel layers.

Lớp mạ composit gồm lớp nền là nikel với các hạt siêu nhỏ phân tán đã được nghiên cứu, thực nghiệm và ứng dụng cho một số mục đích đã được mô tả trong [ 1-4] . u điểm của chúng là đã tạo ra được loại vật liệu mới - vật liệu composit với sự kết hợp các ưu thế của vật liệu riêng biệt như là bền bào mòn, chống ăn mòn, chống oxi hoá ở nhiệt độ cao ...Khi xử lý nhiệt lớp mạ composit, các hạt phân tán ( Ni, B) sẽ tác dụng với vật liệu nền (Ni) hoặc kim loại gốc từ đó sẽ hình thành các pha rắn hoặc dung dịch rắn giữa chúng với các tính chất khác biệt mới, góp phần cải thiện tính chất của vật liệu.

Trong bài này chúng tôi sẽ lần lượt mô tả phần thực nghiệm và một số kết quả nghiên cứu lớp mạ composit Ni-B, Ni-Si. Các hạt rắn B và Si được bao một lớp vỏ nikel mỏng sẽ được đồng kết tủa trong bể mạ nikel. Các lớp mạ composit sau đó được xử lý nhiệt và nghiên cứu các tính chất hoá, cơ, lý bằng các phương pháp thích hợp.

1. Phần thực nghiệm:

Lớp mạ nền Nikel được mạ từ dung dịch sunfatclorit có thành phần:

NiSO₄.7 H₂O 300 ÷ 350 g/l, NiCl₂.6H₂0 50 ÷ 60g/l, H₃BO₃ 40g/l. Mật độ dòng từ 1 7a/dm 2 .Thời gian mạ một giờ. Mật độ dòng khống chế bởi vì có liên quan đến chất lượng lớp mạ hình thành. Hàm lượng của các hạt B trong điện dịch là 100g/l, còn hàm lượng các hạt silic tăng dần từ 20, 30, 50, 70 và 100g/l. Các hạt B có đường kính 1 -2 µm, các hạt silic có kích thước 1 - 10µm (việc chuẩn bị các bột B, Si được thực hiện tại Viện nghiên cứu mỏ của Viện khoa học Slovakia). Các hạt B, Ni lơ lửng trong dung dịch bằng cách khuấy. Bột B, Si trước khi sử dụng được rửa bằng dung dịch axit nóng HNO₃(1:3), sau đó được rửa bằng nước đến khi trung tính nhằm loại từ tất cả các tạp chất ảnh hưởng đến thí nghiệm. Hàm lượng của Si trong lớp composit được xác định bằng hai phương pháp: phân tích tế vi bằng tia X (X-ray microanalysis by JEOL JXA 840 analyser) và bằng phân tích hoá học. Hàm lượng B trong lớp composit được xác định bằng phân tích hoá học. Nguyên lý của phương pháp phân tích hoá học là hoà tan composit trong dung dịch axit HNO₃ nóng (1: 3). Hàm lượng Si hoặc B được xác định bằng phép cân khối lượng của các hạt rắn không tan hoặc dùng phương pháp chuẩn Chelaton III xác định hàm lượng Ni sau đó nội suy xác định B hoặc Si trong cân bằng khối lượng. Cả hai phương pháp đều cho kết quả trùng hợp. Các giá trị này khi so sánh với các giá trị xác định bằng tia X đều nhỏ hơn một ít. Điều đó có thể lý giải là do phương pháp tia X chỉ xác định hàm lượng các hạt phân tán trên bề của composit, còn phương pháp hoá học lại xác định hàm lượng của chúng trong toàn khối. Hiển nhiên là các hạt của pha phân tán tập trung nhiều hơn trên bề mặt của chúng.

Các mẫu sau khi đã phủ composit được xử lý nhiệt trong khí quyển khí trơ (Ar) ở nhiệt độ 700^oC và 900^oC trong 2 hoặc 4 giờ. Độ cứng tế vi của chúng đo trên máy đo độ cứng D32 (Carl Zeiss Jena), còn độ bám dính được xác định bằng phương pháp bẻ gập.

2. Kết quả và thảo luận :

Chúng tôi nhận thấy hàm lượng của B và Si trong lớp composit xác định bằng phương pháp hoá học và phương pháp trọng lượng có thể biểu diễn như là hàm số của mật độ dòng. Các số liệu thực nghiệm về hàm lượng của Si trong lớp composit được thể hiện trong bảng 1 . .

Bảng 1. Hàm lượng silic (% khối lượng) trong lớp mạ

Mối liên quan giữa các số liệu này có thể biểu diễn bằng phương trình

W = ( a+bj)( p+qj )c / [ 1 + (p +qj) c ] (1 )

Ở đây w (% khối lượng) là hàm lượng của các hạt Si trong lớp mạ, j(A/dm² ) là mật độ dòng catôt, c (g/l)là hàm lượng của các hạt Si lơ lưng trong điện dịch. Các thông số a, b, p, q được xác định bằng phép hồi quy không tuyến tính (sử dụng chương trình Statgrafics) với a = 13,592 + 0,539 ; b = 0,287 ± 0,101 ;

p = 0,029 ± 0,006; q =0.012+ 0,002.

Phương trình (1) được chọn để mô tả quan hệ (w,j) bởi vì các đường biểu diễn này cho thấy một cách rõ ràng mối quan hệ hấp phụ đẳng nhiệt phù hợp với cơ chế hai bước tạo ra lớp phủ composit được đề xuất bởi Guglielmi [5].

Khi các hạt B hoặc Si không được bao bởi lớp Ni bằng phương pháp mạ hoá, hàm lượng của chúng trong lớp mạ không vượt quá 1% khối lượng [8 ] . Lớp mạ composit cũng đã được nghiên cứu bằng tia X nhiễu xạ trên mặt cắt của mẫu. Sau khi mẫu được gia nhiệt ở 900^oC sau 1 giờ đã quan sát thấy sự biến mất của đường ranh giới giữa các hạt Si với nền Ni. Điều này chứng tỏ đã có phản thùng nhiệt giữa chúng. Khi ờ nhiệt độ thấp hơn (700^oC) sự tương tác nhiệt giữa pha phân tán và pha nền chỉ xảy ra ở phần vỏ ngoài của hạt phân tán. Song trong cả hai trường hợp xử lý nhiệt, độ bám dính với nền của lớp mạ đều tăng lên. Trên mẫu thép dày lmm với lớp mạ composit lmm được thử bằng cách gập vuông góc cho tới khi gầy mẫu mà lớp mạ vẫn bám tốt với nền . Độ cứng tế vi và độ bền oxi hoá của lớp composit trên nền thép được dẫn ra ở bảng N^o2.

Bảng 2. Độ cứng tế vi (HV) và độ bền oxi hoá (độ tăng khối lượng ∆ m) của Ni-Si và Ni- B ở nhiệt độ cao.

Độ cứng tế vi của lớp mạ Ni-si đều cao hơn nhiều so với lớp mạ Ni. Độ bền chống oxi hoá của lớp mạ Ni - Si , Ni - B ở nhiệt độ 700^oC, 800^oC và 900^oC tiến hành trong lò nung bằng cách xác định độ tăng khối lượng của mẫu trước và sau khi thí nghiệm. Kết quả chỉ ra rằng lớp mạ Ni-B, Ni-Si có độ bền chống oxi hoá tốt ở nhiệt độ cao.

KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng lớp mạ composit Ni-B, Ni- Si làm tăng độ cứng và bền oxi hoá ở nhiệt độ cao. ở đây đã mô tả phương pháp chế tạo lớp phủ composit và rút ra kết luận là việc xử lý hoá học trước các bột phân tán tạo ra lớp vỏ dẫn điện cho chúng đã có ảnh hưởng đáng kể đến việc đồng kết tủa của chúng vào lớp mạ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] V P. Greco Plating Surface Finish, 62 (-1989).

[2] L.P. Antropov and Yu. N. Lebedinski, Kompozisionye Elektrokhimicheskie Pokrytya Materialy, Publishing House Technika,

Kiev, 1983.

[3] R.S. Sajfuling, Neorganicheskie Kompozisionye Materialy, Publishing House Khimia Moscow, 1983.

[4] R.S. Sajfuling, Physical chemistry of inogranic polYmeric and composite materials, Horwood, Chichester, 1992.

[5] N. Guglielmi, J. Electro. Chem. Soc. 119 (1972) 1009.

[6] J.P. Celis and J.R. Rood, J. Electro. Chem. Soc. 124 (1977) 1977.

[7] H. Hayashi, S.Y. Izumi and I. Tari, J. Electro. Chem. Soc. 140 (1993)

[8] P.K. Cong and P. Fellner, Chem. papers, 48 (l994) 326.