Mạ composite Ni-Al2O3 giải pháp kỹ thuật nâng cao khả năng chống mòn của lớp mạ Ni

Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 
12 
MẠ COMPOSITE Ni-Al2O3 GIẢI PHÁP KỸ THUẬT 
NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG MÕN CỦA LỚP MẠ Ni 
Nguyễn Đăng Bình, Phan Quang Thế*, Trần Minh Đức 
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
Mạ composite Al2O3 trên nền Ni là một giải 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 1,8 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. 
Từ khóa: Mạ composite; Ni-Al2O3; Ứng dụng mạ composite; Vận tốc khuấy; Độ cứng tế vi 
MỞ ĐẦU 
Mạ điện là một phƣơng pháp để tạo ra lớp mạ 
composite. Các hạt trung tính không tan trong 
dung dịch điện phân đƣợc giữ lơ lửng trong 
dung dịch và tham gia vào quá trình hình 
thành và phát triển lớp mạ kim loại. Việc đƣa 
các hạt trung tính tham gia vào lớp mạ 
composite làm thay đổi đáng kể độ cứng, độ 
bền của lớp mạ cũng nhƣ làm thay đổi đặc 
tính tƣơng tác của lớp mạ với bề mặt đối tiếp 
hoặc môi trƣờng xung quanh [1]. 
Quá trình mạ composite, cụ thể là mạ 
composite Al2O3 trên nền Ni đƣợc thực hiện 
trong bể mạ điện Ni thông thƣờng. Dung dịch 
mạ đƣợc điều chế từ các hóa chất trong bảng 
1 trong dung môi nƣớc cất. Các hạt trung tính 
đƣợc giữ lơ lửng trong dung dịch nhờ thiết bị 
khuấy theo sơ đồ nguyên lý trên Hình 1. Cỡ 
hạt trung tính thƣờng dƣới 20 µm cho đến 
kích thƣớc thang nano. Chiều dày lớp mạ có 
thể đạt từ vài µm đến vài trăm µm [1]. 
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành 
công hệ thống mạ composite trên nền Ni tại 
trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại 
học Thái Nguyên. Các kết quả nghiên cứu về 
quá trình mạ composite Al2O3 trên nền Ni và 
tính chất cơ lý của lớp mạ đƣợc trình bày 
trong bài báo này. 
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạ composite (a) khuấy nhờ bơm tƣới (b) khuấy cơ học 
 Tel: 0912064824; Email: phanqthe@tnut.edu.vn 
Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 
13 
THÍ NGHIỆM 
Thiết bị thí nghiệm 
Thiết bị mạ composite trên nền Ni do nhóm 
nghiên cứu tự thiết kế và chế tạo 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 
80C, 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. 
Hóa chất 
Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ 
composite Ni liệt kê trong bảng 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 2). Các 
đỉnh Au trên phân tích EDX là kết quả của mạ 
màng Au trên mẫu hạt Al2O3. 
Chế độ và quá trình chuẩn bị 
Quá trình mạ đƣợc thực hiện với mật độ dòng 
điện 5A/dm2. Độ pH của dung dịch trong 
khoảng từ 4  4,5 (độ pH đƣợc điều chỉnh 
bằng cách cho thêm NH3 hoặc axit HCl 
loãng); nhiệt độ giữ ổn định ở 40C 2C; 
tần số xung sử dụng trong thí nghiệm là 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 HRC = 58-60, dạng hình trụ kích thƣớc 
d = 26 mm, h = 10 mm đƣợc đánh bóng, sau 
đó làm sạch, rửa trong bể 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. 
Bảng 1. Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni-Al2O3 
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 
Hình 2. Ảnh SEM hạt trung tính Al2O3 sử dụng trong thí nghiệm và thành phần hóa học 
qua phân tích EDX
Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 
14 
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 
Chiều dày lớp mạ trên chi tiết đo trên kính 
hiển vi quang học đạt đƣợc từ 50m  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 2. 
Từ kết quả đo độ cứng tế vi có thể thấy rằng 
độ cứng của lớp mạ composite Ni-Al2O3 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 (HV10=218). Độ cứng tế vi của lớp 
mạ composite Ni-Al2O3 tăng đến 273 HV10 ở 
tốc độ khuấy 175 v/p và 210 v/p sau đó tăng 
đến HV10=303khi tăng tốc độ khuấy đến 245 
v/p gấp 1,78 lần độ cứng lớp mạ Ni thông 
thƣờng (HV10=170) 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. 
Có thể thấy rằng mật độ các hạt trung tính 
Al2O3 tham gia vào lớp mạ Ni trở nên đồng 
đều hơn khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 
245 v/p (hình 3). 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 3a). 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 4. Thành phần hóa học bề mặt chủ 
yếu là Ni, Al2O3 và một hàm lƣợng nhỏ Fe. 
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]. Trong 
nghiên cứu này, mật độ khi tăng mật độ dòng 
điện từ 5 A/dm2 tới 9 A/dm2 bề mặt của lớp 
mạ bị rạn nứt và phá hủy nghiêm trọng do 
hiệu ứng mũi nhọn trong quá trình mạ. 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 [2]. 
Nhiệt độ dung dịch trong thí nghiệm đƣợc giữ 
tƣơng đối ổn định tại 40C. 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 [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, tốc độ khuấy 
quá cao 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]. 
Bảng 2. Độ cứng tế vi của lớp mạ phụ thuộc tốc độ khuấy. 
Lần đo Ni 
Ni-Al2O3 
140 v/p 
Ni-Al2O3 
175 v/p 
Ni-Al2O3 
210 v/p 
Ni-Al2O3 
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 
Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 
15 
Hình 3. Ảnh SEM thể hiện mức độ tham gia của các hạt Al2O3 vào lớp mạ khi khuấy với tốc độ (a) 140 
v/p; (b) 175 v/p; (c) 210 v/p; (d) 245 v/p 
Hình 4. EDS phân tích bề mặt lớp mạ trên hình (b) và (d) cho thấy Ni, Al2O3 và Fe. 
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 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 3a và 3b 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 3c 
và 3d). Khuấy với tốc độ cao là nguyên nhân 
làm các hạt Al2O3 hạn chế hình thành các 
mảng lớn trong dung dịch huyền phù. 
(a) (b) 
(c) (d) 
Nguyễn Đăng Bình và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 78(02): 12 - 16 
16 
Kết quả phân tích EDX trên Hình 4 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 Ni-Al2O3, 
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 HV10=218 so với HV10=273ở tốc độ 
khuấy 175 v/p và 210 v/p và HV10=303 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 Ni-Al2O3 
có khả năng chịu ăn mòn và mòn đồng thời. 
KẾT LUẬN 
Hệ thống mạ do trƣờng Đại học Kỹ thuật 
Công nghiệp tự thiết kế và chế tạo cho phép 
thực hiện thành công mạ composite Al2O3 
trên nền Ni. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho 
thấy mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ tăng 
đáng kể và trở nên đồng đều hơn khi tăng tốc 
độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p. Độ cứng tế 
vi của lớp mạ cao gấp 1,8 lần so với độ cứng 
tế vi của lớp mạ Ni thông thƣờng tại tốc độ 
khuấy 235 v/p. Khi tăng vận tốc khuấy hiện 
tƣợng vón cục giảm đáng kể là nguyên nhân 
chính làm tăng độ cứng tế vi của lớp mạ. Mật 
độ dòng điện sử dụng không nên lớn hơn 5 
A/dm
2
 để giữ cho lớp mạ không bị rạn nứt. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Benea. L, Varsanyi. M. L, Maurin. G., 
“The Electrolytic Co-deposition of Zerconium 
Oxide Particles with Nikel”, the Annal of 
University of Galaty, (2003). 
2. Hovestad. A, Janssen. L.J.J., 
“Electrochemical Co-deposition of Inert 
Particles in a Metallic Matrix”, Journal of 
Applied Electrochemistry, Vol. 25, pp. 519-
527, (1995). 
3. Shi. L, Sun. C, Gao. P., “Mechanical 
Properties and Wear and Corrosion 
Resistance of Electrodeposited Ni-Co/SiC 
Nanocomposite Coatings”, Applied Surface 
Science, Vol. 252, pp.3591-3599, (2006). 
4. Indira Rajagopal., “Composite Coatings”, 
Surface Modification Technologies” Marcel 
Dekker, Inc, New York, 1989. 
ABSTRACT 
Ni-Al2O3 COMPOSITE COATINGS IS A TECHNICAL SOLUTION 
TO ENHANCE THE WEAR RESISTANCE OF THE Ni COATING 
Nguyen Dang Binh, Phan Quang The
, Tran Minh Đuc 
Thai Nguyen University of Technology - TNU 
Al2O3 composite coatings is a surface advanced technology to enhance the wear resistance of Ni 
plating coatings in the environment of high wear and corrosion. The studying result of the Ni-
Al2O3 composite coatings was evident that the density of Al2O3 particles in Ni matrix depends 
considerably on the mixing method and the mixing velocity for the electrolyzing solution. The 
micro-hardness of the coating layer is approximately 1,8 times higher than that of the Ni normal 
electroplating layer. The current density is an important parameter effecting on the quality of the 
coating layer. 
Keyword: Composite Coating; Ni-Al2O3; Composite Application; Mixing velocity; Micro-
hardness 
 Tel: 0912064824; Email: phanqthe@tnut.edu.vn