Tạo mạ đa lớp có độ bền chống ăn mòn cao cho các chi tiết cơ khí

Ngoài tác dụng làm chậm tốc độ ăn mòn, các loại màng phủ CCCs được tạo ra có màu sắc tương đối đa dạng, đáp ứng nhu cầu của từng loại chi tiết vật liệu trong mỗi ứng dụng khác nhau.

Hiện tượng ăn mòn kim loại là vấn đề thường thấy khi kim loại tiếp xúc trực tiếp với môi trường, đặc biệt là môi trường ăn mòn. Một trong các biện pháp khắc phục ăn mòn hiệu quả nhất đó là tạo ra các lớp phủ có khả năng bảo vệ chống ăn mòn cao và có độ chịu mài mòn lớn, điển hình là lớp phủ hợp kim Zn-Ni (đơn lớp) được ứng dụng bảo vệ chống ăn mòn trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Hiện nay, các lớp phủ đa lớp điều chỉnh thành phần (composition modulated multilayer - CMM) đang trở nên hấp dẫn hơn do cải thiện nhiều lần về bảo vệ chống ăn mòn. Bản chất chống ăn mòn được tăng cường của lớp phủ đa lớp so với các lớp phủ đơn lớp được quy cho là sự hình thành các bề mặt mới, cho phép sự lan rộng của chất ăn mòn sang bên cạnh thay vì xâm nhập trực tiếp vào nền. Sự lan rộng môi trường ăn mòn sang bên cạnh dẫn đến làm chậm tốc độ ăn mòn trong lớp phủ đa lớp, trong khi nó có thể xâm nhập trực tiếp tới nền trong lớp phủ đơn lớp. Theo đó, thời gian cần thiết để môi trường ăn mòn chạm tới nền bằng cách xuyên qua các lớp phủ đơn lớp (ít thời gian hơn) và đa lớp (nhiều thời gian hơn yêu cầu đối với đơn lớp) là khác nhau, và do đó hiệu quả chống ăn mòn cũng vậy.

Sơ đồ cơ chế ăn mòn trong các lớp phủ hợp kim đa lớp và đơn lớp

Để nâng cao hơn nữa độ bền ăn mòn của lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn cho kim loại, việc nghiên cứu kết hợp các lớp mạ đơn lớp xen kẽ nhau tăng độ bền ăn mòn cho hệ phủ đa lớp là rất cần thiết. Vì vậy, các nhà khoa học tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã triển khai thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Nghiên cứu công nghệ mạ đa lớp (3 lớp) nền kẽm và hợp kim có độ bền chống ăn mòn cao ứng dụng cho các chi tiết cơ khí”.

Báo cáo trước Hội đồng tư vấn nghiệm thu do Sở KH&CN TP.HCM tổ chức, TS. Nguyễn Thị Thanh Hương (chủ nhiệm nhiệm vụ) cho biết nhóm thực hiện đã chế tạo thành công màng phủ màu đen (CCCs black/ZnNiSi/ZnNi), màng phủ màu trắng xanh (CCCs blue/Zn/ZnNiSi/ZnNi), màng phủ màu cầu vồng (CCCs ingride/Zn/ZnNi/SiZnNi). Đây là 3 loại màng phủ CCCs bảo vệ chống ăn mòn cho hệ bảo vệ đa lớp phủ kẽm niken nanosilica (ZnNiSi)/hợp kim kẽm niken (ZnNi), kích thước mỗi mẫu là 100x50x1 mm. Trong hệ mạ đa lớp, thép được bao phủ bởi lớp mạ 1 là ZnNi, tiếp theo lớp mạ thứ 2 là ZnNiSi, sau đó đến lớp mạ thứ 3 là lớp mạ Zn, tạo màu sắc cho hệ mạ Zn/ZnNiSi/ZnNi bằng màng phủ CCCs, vừa tăng tính thẩm mỹ vừa tăng độ bền ăn mòn cho hệ phủ đa lớp.

Hệ phủ 3 lớp ZnNi/ZnNiSi/CCCs có độ bám dính tốt và độ bền màu đạt theo tiêu chuẩn HES D6001. Thêm vào đó, các loại màng phủ CCCs được tạo ra có màu sắc tương đối đa dạng, đáp ứng nhu cầu của từng loại chi tiết vật liệu trong mỗi ứng dụng khác nhau.

Nhóm thực hiện đã tiến hành kiểm tra độ bền ăn mòn của các hệ phủ đa lớp bằng phương pháp thử nghiệm gia tốc phun muối trung tính. Kết quả cho thấy sau 48 giờ phun muối các mẫu chưa xuất hiện gỉ trắng hoặc tỷ lệ gỉ trắng thấp hơn 5%, sau 360 giờ phun muối - các mẫu có gỉ trắng, sau 1.000 giờ mẫu xuất hiện gỉ đỏ - thậm chí không xuất hiện gỉ đỏ trên bề mặt mẫu màng phủ màu cầu vồng. Độ bền ăn mòn theo thứ tự mẫu màng phủ màu đen < màng phủ màu trắng xanh < màng phủ màu cầu vồng.

TS. Nguyễn Thị Thanh Hương cho biết thêm, hình ảnh SEM bề mặt của các mẫu sau thử nghiệm gia tốc phun muối cho thấy sản phẩm ăn mòn bám nhiều trên bề mặt các mẫu màng phủ màu đen và màng phủ màu trắng xanh. Trong khi đó, ở mẫu màng phủ màu cầu vồng thì sản phẩm ăn mòn là ít nhất.

Gỉ đỏ xuất hiện trên mẫu màng phủ màu đen sau 1.000 giờ thử nghiệm gia tốc phun muối

Khi tiến hành xác định tốc độ ăn mòn của các hệ phủ đa lớp ngâm trong dung dịch NaCl 3% bằng phương pháp xác định tổn hao khối lượng, nhóm thực hiện nhận thấy, sau thời gian ngâm mẫu, khối lượng các mẫu màng phủ màu đen tăng trung bình 0,13g; các mẫu màng phủ màu trắng xanh tăng trung bình 0,2g; các mẫu màng phủ màu cầu vồng tăng trung bình 0,218g. Nhìn chung, khối lượng các mẫu đều tăng do có sản phẩm ăn mòn.

Trước thử nghiệm độ bám dính và độ bền màu, bề mặt mẫu đồng đều, không nếp gấp, không bong tróc, không phồng rộp, không rỗ, không bị châm kim, không vết nứt. Sau 3 chu kỳ sốc nhiệt bề mặt mẫu đồng đều, không bong tróc, không phồng rộp, không vết nứt. Độ bền màu được kiểm tra và đánh giá theo tiêu chuẩn HES D6001 mục 4.5, mẫu được để trong tủ sấy ở nhiệt 80 độ C trong 30 phút. Kết quả không thấy sự biến đổi màu của mẫu sau thời gian thử nghiệm.

Nhóm thực hiện đã xác lập 3 sơ đồ công nghệ. Sơ đồ công nghệ thứ nhất quy mô phòng thí nghiệm 10 dm2/mẻ chế tạo màng phủ CCCs có màu đen cho hệ bảo vệ đa lớp phủ ZnNiSi/ZnNi đạt các chỉ tiêu kỹ thuật: chiều dày 10 ÷ 18 µm, 10-15% Ni, đạt chuẩn RoHS, độ bền phun muối trung tính 48 giờ (≤ 5 % gỉ trắng) và 1.000 giờ xuất hiện gỉ đỏ. Sơ đồ công nghệ thứ hai quy mô phòng thí nghiệm 10 dm2/mẻ chế tạo màng phủ CCCs có màu trắng xanh cho hệ bảo vệ đa lớp phủ Zn/ZnNiSi/ZnNi đạt các chỉ tiêu kỹ thuật: chiều dày 10 ÷ 18 µm, 5-15% Ni; đạt chuẩn RoHS, độ bền phun muối trung tính 48 giờ (≤ 5 % gỉ trắng) và 1.000 giờ xuất hiện gỉ đỏ. Sơ đồ công nghệ thứ ba quy mô phòng thí nghiệm 10 dm2/mẻ chế tạo màng phủ CCCs có màu cầu vồng cho hệ bảo vệ đa lớp phủ Zn/ZnNiSi/ZnNi đạt các chỉ tiêu kỹ thuật: chiều dày 15 µm; 5-15% Ni, đạt chuẩn RoHS, độ bền phun muối trung tính 72 giờ (gỉ trắng 0%) và 1.000 giờ (gỉ trắng 30%) không xuất hiện gỉ đỏ.

Các bể mạ trong phòng thí nghiệm

Ngoài ra, nhóm thực hiện còn xây dựng quy trình phân tích các dung dịch tạo hệ đa lớp và bổ sung tổn hao dung dịch. Quy trình này được áp dụng để phân tích và bổ sung cho các bể mạ Zn và hợp kim kẽm niken và bể thụ động của các quá trình tạo chế tạo màng phủ CCCs có màu đen, màu trắng xanh và màu cầu vồng.

Thao tác trong phòng thí nghiệm

Hiện nay, nhiều doanh nghiệp chuyên gia công cơ khí và mạ tại TP.HCM nói riêng và cả nước nói chung đang có nhiều đơn đặt hàng yêu cầu mạ sản phẩm chất lượng cao. Đặc biệt, có doanh nghiệp (phối hợp triển khai nhiệm vụ) chủ yếu phục vụ xuất khẩu (90-95%) với mức sản lượng trung bình 1.000-3.000 kg/tháng (sản phẩm trung bình 1.000-10.000 chi tiết/tháng), còn sản phẩm sử dụng trong nước chỉ chiếm 5-10% với mức sản lượng trung bình hàng tháng 500 kg/tháng (sản phẩm trung bình 200-1.000 chi tiết/tháng). Vì thế, việc nghiên cứu triển khai ứng dụng kết quả của nhiệm vụ vào thực tiễn sản xuất quy mô công nghiệp là rất cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất các sản phẩm cơ khí và linh kiện được mạ từ công nghệ mạ thân thiện môi trường cả trong và ngoài nước, hỗ trợ doanh nghiệp tăng cường xuất khẩu hàng phụ trợ.