Nghiên cứu ứng dụng vật liệu carbon giống kim cương để chống mòn và giảm ma sát cho các chi tiết trong hệ động lực tàu thủy (chuyên ngành khai thác và bào trì tàu thủy)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo PHAN VĂN TỨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG ĐỂ CHỐNG MÒN VÀ GIẢM MA SÁT CHO CÁC CHI TIẾT TRONG HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC BẢO TRÌ TÀU THỦY MÃ SỐ: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS BÙI XUÂN LÂM TP HCM 11- 2014 LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Xuân Lâm Cán chấm nhận xét : T.S Nguyễn Sơn Trà Cán chấm nhận xét : PGS.TS Phan Văn Quân Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Giao thông vận tải Tp HCM ngày 19 tháng 12 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: T.S Lê Văn Vang Chủ tịch Hội đồng; T.S Nguyễn Sơn Trà Ủy viên, phản biện; PGS.TS Phan Văn Quân Ủy viên, phản biện; T.S Ngô Duy Nam Ủy viên, thư ký; T.S Trương Thanh Dũng Ủy viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA MÁY TÀU THỦY TS Lê Văn Vang TS Lê Văn Vang LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Phan Văn Tứ Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ công trình khoa học thực hướng dẫn khoa học thầy PGS.TS Bùi Xuân Lâm Ngoài nội dung tham khảo tác giả mà liệt kê phần “Tài liệu tham khảo”, luận văn không chép nội dung khác công trình khoa học tương tự Các kết nghiên cứu luận văn chưa công bố tài liệu báo khoa học khác Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước pháp luật lời cam đoan Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 11 năm 2014 Tác giả Phan Văn Tứ LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực luận văn thạc sĩ này, với nỗ lực cá nhân tác giả nhận nhiều giúp đỡ nhiệt tình quý báu Tác giả trân trọng tri ân giúp đỡ Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Bùi Xuân Lâm – hiệu phó Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM Thầy hướng dẫn cung cấp cho nhiều kiến thức chuyên môn, tài liệu chuyên ngành quý báu suốt thời gian thực đề tài Thầy người hướng dẫn tận tình tâm huyết trình thực hiên công trình nghiên cứu đưa ý kiến góp ý giúp hoàn tất luận văn Đồng thời, tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy, cô bạn bè khoa Máy tàu thủy nói riêng thầy cô trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM nói chung truyền đạt cho kiến thức chuyên môn bổ ích trình học làm việc trường Cám ơn quan tâm, hỗ trợ động viên gia đình bạn bè giúp có động lực hoàn thành công việc nghiên cứu luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 11 năm 2014 Tác giả Phan Văn Tứ MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….9 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MA SÁT, MÒN VÀ VẬT LIỆU CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG 10 1.1 Tổng quan ma sát 10 1.2 Một số vấn đề ma sát mài mòn 11 1.2.1 Lý thuyết ma sát .11 1.2.1.1 Khái niệm ma sát .11 1.2.1.2 Phân loại ma sát .11 1.2.1.3 Ma sát số loại vật liệu kỹ thuật .12 1.2.2 Khái niệm mòn 17 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn 18 1.3 1.2.3.1 Ảnh hưởng lớp màng bề mặt 18 1.2.3.2 Tác dụng nhiệt độ 19 1.2.3.3 Tác dụng tải trọng 19 1.2.3.4 Ảnh hưởng tính tương thích vật liệu .19 1.2.3.5 Ảnh hưởng cấu trúc tế vi 20 1.2.3.6 Ảnh hưởng biên giới hạt 20 Phương pháp chống mòn giảm ma sát 20 1.3.1 Biện pháp kết cấu (thiết kế) 20 1.3.2 Các biện pháp sử dụng 20 1.3.3 Các biện pháp công nghệ 21 1.3.3.1 Mạ kim loại 21 1.3.3.2 Phủ màng phương pháp hóa học (Chemical Vapor Depositon- CVD)… 21 1.3.3.3 Phủ màng phương pháp vật lý (Physical Vapor Deposition – PVD)… 24 1.4 Vật liệu Carbon giống kim cương .28 1.5 Kết luận 30 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG .31 2.1 Thiết bị phủ màng 31 2.2 Chẩn đoán 33 2.2.1 Chẩn đoán hình ảnh 33 2.2.2 Chẩn đoán cấu trúc màng .33 2.2.3 Các tính chất học ma sát màng .33 2.3 2.2.3.1 Ứng suất bên màng 33 2.2.3.2 Độ cứng mô đun đàn hồi 34 2.2.3.3 Độ bám dính màng 35 2.2.3.4 Các đặc tính ma sát 35 Màng DLC phủ phương pháp phún xạ magnetron .36 2.3.1 Ảnh hưởng việc dùng plasma để làm bề mặt lên tính bám dính màng DLC 36 2.3.2 Thế điện vật cần phủ trình phủ 40 2.3.3 Chẩn đoán cấu trúc màng DLC 41 2.3.3.1 Bề mặt màng 41 2.3.3.2 Cấu trúc tế vi màng DLC .44 2.3.3.3 Độ cứng ứng suất màng DLC .47 2.3.3.4 Tính bám dính màng 53 2.3.3.5 Tính chất ma sát .54 2.4 Kết luận màng DLC 59 CHƯƠNG MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG VÀ ỨNG SUẤT CỦA MÀNG DLC KHI CHỊU TẢI 60 3.1 Giới thiệu phần mềm mô Ansys 60 3.2 Mô ứng suất biến dạng màng chịu tải 61 3.2.1 3.2.1.1 Phương pháp xấp xỉ phần tử hữu hạn 61 3.2.1.2 Định nghĩa hình học phần tử hữu hạn .62 3.2.1.3 Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất 62 3.2.2 Mô tả phần tử hữu hạn trạng thái ứng suất phẳng .63 3.2.2.1 Ma trận D ứng suất phẳng 64 3.2.2.2 Bài toán ứng suất phẳng 64 3.2.2.3 Xây dựng mô hình phần mềm Ansys 66 3.2.3 3.3 Cơ sở lý thuyết 61 Chương trình mô phần mềm Ansys 67 Kết mô 72 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG CHO CHI TIẾT CHỊU MA SÁT VÀ MÀI MÒN 77 4.1 Mài mòn số chi tiết điển hình hệ động lực tàu thủy 77 4.1.1 Mài mòn trục khuỷu 77 4.1.2 Mài mòn séc măng 78 4.1.3 Mài mòn sơ mi xy lanh 79 4.1.3.1 Điều kiện làm việc 79 4.1.3.2 Mài mòn sơ mi xy lanh theo phương dọc trục .81 4.1.3.3 Mài mòn theo phương hướng kính 81 4.1.3.4 Mài mòn không theo quy luật 81 4.1.4 4.2 Mài mòn bơm bánh .83 Ứng dụng phủ màng DLC cho chi tiết chịu mài mòn hệ động lực tàu thủy 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 Kết luận 87 Kiến nghị 87 Hướng phát triển đề tài .87 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Các dạng ma sát 12 Hình 1.2 Ảnh hưởng áp suất đến hệ số ma sát 13 Hình 1.3 Ảnh hưởng phương pháp làm đến hệ số ma sát tĩnh số kim loại 14 Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn biến thiên ma sát theo độ dai va đập 15 Hình 1.5 Đồ thị miêu tả biến thiên hệ số ma sát theo tải trọng đầu kim cương hình côn tinh thể Carbide Silic môi trường không khí 16 Hình 1.6 Đặc tính bề mặt mài mòn .17 Hình 1.7 Ảnh hưởng tải trọng tới tính mài mòn: (a)Các vùng biến dạng dẻo độc lập tiếp xúc nhấp nhô bề mặt mặt phẳng tác dụng tải trọng thấp; (b)Tương tác vùng biến dạng dẻo tác dụng tải trọng lớn .19 Hình 1.8 Hệ thống CVD dây tóc nóng 22 Hình 1.9 Hệ thống PECVD – vi sóng 23 Hình 1.10 Hệ thống PECVD plasma 23 Hình 1.11 Kỹ thuật phủ bay (năng lượng bay cho chùm electron) 25 Hình 1.12 Kỹ thuật plasma hai cực 26 Hình 1.13 Plasma với tần số radio (RF – 13,6MHz) 27 Hình 1.14 Vùng xói mòn âm cực 27 Hình 1.15 Lai hóa sp3 ( kim cương ) 28 Hình 1.16 Lai hóa sp2 (graphite) 29 Hình 2.1 Hệ thống E303A magnetron sputtering .32 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống E303A .32 Hình 2.3 Đường cong tăng tải giảm tải thiết bị đo độ cứng 34 Hình 2.4 Hướng di chuyển biên độ mũi kim cương .35 Hình 2.5 Thiết bị thử ma sát tribometer-CSEM 36 Hình 2.6 Sự gia tăng độ nhám bề mặt đĩa thép 440C gia tăng điện RF plasma .37 Hình 2.7 Hình ảnh SEM bề mặt đĩa thép chưa làm plasma 37 Hình 2.8 Hình ảnh SEM bề mặt đĩa thép làm plasma .38 Hình 2.9 Mối quan hệ RF làm tải gây tróc màng DLC phủ lên thép chế độ mật độ lượng 10,5 W/cm2 (a) Điện vật cần phủ -60 V, (b) Điện vật cần phủ -140 V .39 Hình 2.10 Màng DLC bị tróc tích điện phủ mật độ Plasma 4,5 W/cm2 điện DC -20 V 40 Hình 2.11 Ảnh hưởng lượng ion đến độ nhám bề mặt ion có lượng cao làm cho bề mặt DLC nhẵn 42 Hình 2.12 Ảnh hưởng điện vật cần phủ đến độ nhám bề mặt .43 Hình 2.13 Bề mặt màng DLC phủ mật độ lượng 10,5 W/cm2, điện vật cần phủ -100 V, áp suất phủ khác nhau: (a) 0,6 Pa, (b) 1,2 Pa .44 Hình 2.14 Phổ Raman DLC phủ mật độ lượng 10,5 W/cm2 điện vật cần phủ -150 V .45 Hình 2.15 Mối quan hệ giữ tỉ số ID/IG (có từ phổ Raman) với điện đặt vật cần phủ 45 Hình 2.16 Quan hệ tỉ lệ sp3 lượng ion Carbon phủ nhiệt độ thường công bố nhiều tác giả (các số liệu Lifshitz thu thập vẽ lại [17]) 46 Hình 2.17 Mối quan hệ độ cứng mô đun đàn hồi màng DLC với điện vật cần phủ 47 Hình 2.18 Mối quan hệ áp suất phủ độ cứng màng DLC .48 Hình 2.19 Màng DLC dày 1,5 µ m bị tróc sau 15 phút đưa khỏi buồng phủ 50 Hình 2.20 Màng DLC dày 1,2 µ m bám dính tốt bề mặt Si 14 ngày sau phủ .50 Hình 2.21 Mối quan hệ ứng suất nội điện vật cần phủ 52 Hình 2.22 Mối quan hệ điện vật cần phủ với tải gây tróc 53 75 Hình 3.8 Ứng suất theo phương X Hình 3.9 Ứng suất theo phương Y 76 Hình 3.10 Ứng suất theo phương Z 77 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG CHO CHI TIẾT CHỊU MA SÁT VÀ MÀI MÒN 4.1 Mài mòn số chi tiết điển hình hệ động lực tàu thủy Động Diesel sử dụng tàu thủy làm việc với điều kiện tải nặng luôn thay đổi, chi tiết làm việc điều kiện khắc nghiệt sơ mi xy lanh, séc măng, trục khuỷu, đỉnh piston, nắp xy lanh,… dễ bị mài mòn tác dụng áp lực khí thể ma sát chi tiết chuyển động Mặc dù, chi tiết làm việc chịu ma sát mài mòn lớn sơ mi xy lanh, trục khuỷu,… có hệ thống bôi trơn riêng hạn chế phần mài mòn 4.1.1 Mài mòn trục khuỷu Trục khuỷu làm việc điều kiện bôi trơn ma sát ướt, có ma sát khô tới hạn (lúc khởi động tắt máy, tăng giảm đột ngột vận tốc góc, khe hở trục bạc lớn) Hình 4.1 Mài mòn trục khuỷu 78 - Chịu nhiệt độ từ 150÷250 0C, nhiệt truyền từ buồng cháy qua piston truyền thân ma sát trục bạc - Chịu ma sát lớn - Tải trọng biến thiên, có tính chất va đập phân bố không - Vận tốc trượt lớn: ÷10 m/s - Chịu mài mòn: lọc dầu không hạt mài 4.1.2 Mài mòn séc măng Trong trình làm việc, séc măng trực tiếp tiếp xúc với khí cháy, piston truyền nhiệt cho xy lanh qua séc măng ma sát với vách xy lanh nên séc măng có nhiệt độ cao, séc măng thứ Khi séc măng khí bị hở, không khít với xy lanh, khí cháy thổi qua chỗ bị hở làm cho nhiệt độ cục vùng tăng lên cao, làm cháy séc măng piston Nhiệt độ séc măng khí thứ 623÷673 0K, séc măng khí khác 473÷523 0K, séc măng dầu 373÷423 0K Do nhiệt độ cao, sức bền học bị giảm sút, séc măng dễ bị đàn hồi, dầu nhờn dễ bị cháy thành keo bám séc măng xy lanh, làm xấu thêm điều kiện làm việc, chí làm bó séc măng - Chịu lực va đập lớn: làm việc, lực khí thể lực quán tính tác dụng lên séc măng, lực có giá trị lớn, thay đổi trị số chiều tác dụng nên gây va đập mạnh séc măng rãnh séc măng - Chịu mài mòn: làm việc, séc măng ma sát với vách xy lanh lớn Công ma sát séc măng chiếm đến 50÷60% toàn công tổn thất giới động đốt Séc măng ma sát lớn mài mòn nhiều (nhất séc măng khí thứ nhất) áp suất tiếp xúc séc măng tác dụng lên vách xy lanh lớn, tốc độ trượt lớn mà bôi trơn lại kém, bị ăn mòn hoá học mài mòn tạp chất sinh trình cháy có lẫn khí nạp dầu nhờn 79 4.1.3 Mài mòn sơ mi xy lanh 4.1.3.1 Điều kiện làm việc Chịu nhiệt độ cao biến thiên không Vùng chịu nhiệt độ cao vùng thay đổi chu kỳ Chịu ma sát lớn, đặc biệt với động cao tốc Ở khu vực sát buồng cháy phải chịu ma sát cao tới hạn, vùng chịu ma sát tới hạn ma sát ướt Môi trường: sản phẩm cháy chứa chất ăn mòn SO2, CO2, NOx Chịu tải trọng lớn thay đổi theo chu kỳ Ma sát séc măng sơ mi xy lanh phụ thuộc vào lực ép séc măng lên sơ mi xy lanh: Pxi = Px + ki.Pkt Pxi lực séc măng thứ i tác dụng lên xy lanh Px lực bung hướng kính séc măng Pkt lực khí thể Piston ép lên sơ mi xy lanh theo phương vuông góc bệ chốt hai phía lực ngang N Sự biến thiên lực ngang N theo chiều cao sơ mi xy lanh theo góc quay trục khuỷu biểu diễn hình 4.3 Vận tốc trượt tiếp xúc séc măng thân piston thay đổi lớn Mài mòn sơ mi xy lanh tỉ lệ thuận với lực, vận tốc trượt nhiệt độ Hình 4.2 Hình quy luật phân bố áp suất khí thể lên xy lanh 80 Hình 4.3 Áp lực séc măng tác dụng lên xy lanh phương lực ngang tác dụng lên xy lanh Hình 4.4 Áp suất (do N) tác dụng lên xy lanh theo kỳ động Vận tốc trượt tiếp xúc séc măng thân piston thay đổi lớn Hao mòn xy lanh tỷ lệ thuận với lực, vận tốc trượt, nhiệt độ Đó hao mòn có quy luật 81 4.1.3.2 Mài mòn sơ mi xy lanh theo phương dọc trục Hình 4.5 Dạng mòn hướng trục xy lanh 4.1.3.3 Mài mòn theo phương hướng kính Theo phương lực ngang N xy lanh bị mòn nhiều dọc theo chiều trục Hình 4.6 Dạng hao mòn hướng kính xy lanh 4.1.3.4 Mài mòn không theo quy luật Trong vùng nhiều bụi, khoảng xy lanh mòn nhiều bụi (hạt mài tỷ lệ với vận tốc trượt) Bụi nhiều quy luật mòn tăng phía - Mòn nhiều theo phương vuông góc lực ngang N lý piston bị nghiêng 82 - Vùng đối diện xupáp nạp thường mòn nhiều, lý khí nạp rửa màng dầu bôi trơn ngưng tụ sản phẩm gây mòn Như sơ mi xy lanh bị mài mòn chủ yếu lực ma sát nhóm piston chuyển động lực khí thể tác động lên thành sơ mi xy lanh Mức độ mài mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: tốc độ chuyển động piston, chất lượng bôi trơn làm mát, vật liệu chế tạo, chất lượng chế tạo, lắp ráp, khai thác sữa chữa Sơ mi xy lanh thường bị mòn nhiều vùng buồng đốt Qua kết tính toán thực tế sử dụng chứng minh giá trị mài mòn lớn sơ mi xy lanh nằm khu vực vị trí séc măng piston nằm vị trí điểm chết nhỏ vị trí séc măng dầu cuối piston điểm chết Việc mài mòn không toàn mặt gương sơ mi xy lanh mà thường nằm mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng lắc tay biên làm cho sơ mi xy lanh bị côn ô van Ngoài tượng mòn ma sát, mặt gương sơ mi xy lanh bị ăn mòn hóa học tác động khí SO2 Các khí hình thành thành phần nhiên liệu có lưu huỳnh Hình 4.7 Mài mòn sơ mi xy lanh 83 Bề mặt làm việc bị mòn theo chiều ngang không tạo nên độ ô van thành phần lực ngang tác dụng đẩy séc măng piston ép vào thành sơ mi xy lanh gây nên tượng mòn méo Bề mặt làm việc theo chiều dọc mài mòn không tạo nên độ côn vùng séc măng khí có nhiệt độ áp suất cao, độ nhớt dầu bị phá hủy sinh ma sát khô nửa ướt sơ mi xy lanh séc măng, piston vùng bị mòn nhiều tạo độ côn 4.1.4 Mài mòn bơm bánh Hư hỏng chủ yếu bơm bánh mài mòn Nguyên nhân dẫn đến là: - Chạy khô (tức bơm hoạt động trạng thái thiếu công chất bơm nên xảy tiếp xúc trực tiếp mặt với gây nóng dẫn tới mài mòn ma sát - Dầu bẩn, có mạt kim loại dầu - Áp suất cao dẫn tới bơm làm việc chế độ nặng nhọc - Nhiệt độ chất lỏng bơm cao Mài mòn dầu bẩn Dầu bẩn nguyên nhân thường gặp gây hư hỏng bơm bánh mà biểu công suất tốc độ làm việc hệ thống thủy lực bị yếu chậm lại Dầu bẩn gây hư hỏng toàn chi tiết bơm bánh răng, đặc biệt bạc số 8, buồng bơm, ổ bi-bạc, bề mặt cổ trục Các hạt bẩn sẵn thùng dầu vào hệ thống làm việc qua phớt đầu trục (bị mòn, hỏng) bơm hoạt động môi trường bụi bẩn Mài mòn hạt kim loại Các hạt kim loại có dầu thường từ chi tiết bị hư hỏng có hệ thống mà không súc rửa hết Hư hỏng hạt kim loại gây thường làm cho bơm nhanh chóng bị hư hỏng tùy thuộc vào số lượng kích cỡ hạt kim loại có sẵn hệ thống thủy lực Hư hỏng nguyên nhân thường nhận biết nhiều vết cày xước sâu xoáy tròn bề mặt bạc số Nếu bơm hoạt động nhiều không phát hư hỏng để dừng lại bề mặt bạc số bị cày xước hoàn toàn, ráp sắc Đối với bạc cổ trục bề mặt làm việc trục Thường có nhiều vết xước 84 bề mặt làm việc, phụ thuộc vào: - Mức độ nhiễm bẩn hệ thống thủy lực - Áp suất làm việc - Tải trọng làm việc trục bơm, thường thấy ảnh hưởng bơm nhiều tầng, có tầng bị hư hỏng nhiều tải trọng trục tầng khác nhau, phụ thuộc vào chiều dày Đối với bề mặt cạnh cặp bánh ăn khớp, bị cày xước thành vành nhấp nhô, không phẳng hạt bẩn kim loại mài mòn (có sẵn hệ thống gây đĩa bạc số bị mài mòn trước) Hình 4.8 Mài mòn bơm bánh 4.2 Ứng dụng phủ màng DLC cho chi tiết chịu mài mòn hệ động lực tàu thủy Carbon giống kim cương có độ cứng cao, tính chống mòn tốt hệ số ma sát thấp nên màng mỏng Carbon giống kim cương ứng dụng rộng rãi hệ động lực tàu thủy để chống mòn giảm ma sát, tăng hiệu suất tính tin cậy hệ thống 85 Trung bình khoảng 20% lượng động sinh để khắc phục tổn thất ma sát mà hoàn toàn không sinh công có ích Việc giảm tổn thất ma sát thông qua việc giảm hệ số ma sát chi tiết chuyển động mang lại lợi ích lớn mặt lượng Hệ số ma sát chế độ không bôi trơn màng Carbon giống kim cương khoảng 0,15 – 0,2 hệ số ma sát thép với thép màng phủ chống mòn áp dụng (Cr, TiN, TiCrN, v.v.) cho chi tiết máy lớn 0,4 [7,8] 1- Các chi tiết kim loại chuyển động có ma sát điều kiện không bôi trơn bôi trơn kém: Các chi tiết động tàu thủy cặp séc măng - xylanh động cơ, cụm bơm cao áp, bánh bơm dầu nhờn, bi vòng bi ổ đỡ thiết bị phụ Đối với séc măng chi tiết có hình trụ phủ màng Carbon giống kim cương phương pháp vật lý với hệ thống phún xạ có magnetron đặt theo hướng bên hông hình 4.9 Hình 4.9 Buồng đặt chi tiết cần phủ hệ thống phún xạ 2- Vòng làm kín cao su phủ Carbon giống kim cương: Các nghiên cứu gần cho thấy phủ DLC lên cao su để giảm ma sát Cao su có hệ số ma sát cao trượt vật liệu kỹ thuật (>1) đồng thời dễ bị mài mòn 86 Khi phủ màng DLC hệ số ma sát giảm xuống khoảng 0,1 - 0,2 tính chống mòn gia tăng nhiều lần màng DLC chống mòn tốt Vì vậy, việc phủ DLC lên thiết bị làm kín đầu trục hộp số, bơm làm tăng hiệu suất tuổi thọ thiết bị cách đáng kể Hình 4.10 Hình chụp qua kính hiển vi điện tử bề mặt cao su HNBR phủ lớp màng DLC Hình 4.11 Mặt cắt ngang màng DLC phủ lên cao su 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn giới thiệu phương pháp tăng tính chống mòn giảm ma sát ứng dụng cho chi tiết chịu ma sát mài mòn cao hệ động lực tàu thủy Trong đó, sâu vào nghiên cứu chế tạo màng mỏng DLC, màng DLC nghiên cứu từ lâu, nhiên gần màng DLC ứng dụng thực tế Từ kết thí nghiệm mô nghiên cứu cho thấy màng DLC có đặc tính phù hợp để tăng khả chống mòn giảm ma sát cho chi tiết hệ động lực tàu thủy Trong nghiên cứu màng DLC, thiết bị chẩn đoán cao cấp SEM, TEM, XRD, XPS, AFM, Raman, thiết bị tạo vết xước, thiết bị đo hệ số ma sát, thiết bị đo ứng suất sử dụng cho phép kiểm chứng xác cách tế vi, tính chất học ma sát thiết kế màng Ngoài ra, với phần mềm mô Ansys sử dụng phương pháp phân tích PTHH, chia lưới cho phép kiểm tra cách xác biến dạng màng chịu tải Kiến nghị Đối với chi tiết có hình dạng phức tạp bánh phủ màng Carbon giống kim cương phương pháp hóa học, màng Carbon giống kim cương có hydro với độ cứng vừa phải khoảng 10-15 GPa Hướng phát triển đề tài Đề tài phát triển theo hướng sau đây: Phủ màng DLC lên chi tiết không sử dụng dầu bôi trơn riêng vòi phun, bơm cao áp Dùng phần mềm Ansys để mô trình phủ màng DLC Mô trình hình thành phát triển vết nứt phương pháp phần tử hữu hạn Nghiên cứu tính chất màng DLC đưa hai hay nhiều kim loại vào 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TS Trần Ích Thịnh, TS Ngô Như Khoa, Phương pháp phần tử hữu hạn, Hà Nội 2007 Hoàng Tùng – Lê Văn Trọng, Công nghệ kim loại Xuất Trường Đại học Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh TS Đỗ Thành Trung, Giáo trình Ansys – Phân tích ứng suất biến dạng, NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh 2013 PGS.TS Nguyễn Doãn Ý, Ma sát – Mòn – Bôi trơn Xuất Đại học Xây Dựng Hà Nội 2005.1 E Rabinowicz, "Friction and Wear of Materials", A Wiley Inter-science Publication, New York, 1995 (305 trang) Y Catherine, Preparation Techniques for Diamond – like Carbon, in “ Diamond and Diamond – like films and coating ”, Plenum Press, New York 1991 J.C Angus, Diamond – like Hydrocarbon and Carbon films, in “ Diamond and Diamond – like films and coating ”, t173, Plenum Press, New York 1991 P.J Fallon, V.S.Koskinnen,Venrasamy, C.A Davis, J Robertson, G Amanatunga, W.I Milne, Journal of Physics Review B48 (1993) 4777-4782 A.A Voevodin, M.S Donley, J.S Zabinski, Surface and Coatings Technology 76-77 (1995) 534-539 10 D Sheeja, B.K Tay, S.P Lau, X Shi, Wear 249 (2001) 433-439 11 S Zhang, X T Zeng H Xie, P Hing, Surface and Coatings Technology 123 (2000) 256-260 12 J Frank, K.Enke, A Richard, Metals and Materials (1990) 695-700 13 A Grill, Surface and Coating Technology 94-95 (1997) 507-513 14 A A Voevodin, M.S Donley, J.S Zabinski, J E Bultman, Surface and Coating Technology 76-77 (1995) 534-539 15 A Brenner, S Senderof, Journal of Research of the National Bureau of Standards 42 (1949) 89 89 16 W A Brantley, Journal of Applied Physics 44 (1973) 534-535 17 S Zhang, X L Bui, Y Q Fu, Surface and Coatings Technology 167 (2003) 137-142 18 Y Lifshitz, G D Lempert, E Grossman, I Aviggal, C Uzan-Saguy, R Kalish, J Kulik, D Marton, J W Rabalas, Diamond and Related Materials (1995) 318323 19 Y Lifshitz, Diamond and Related Matrials (1999) 1659-1676 20 Y Pauleau, Vacuum 61 (2001) 175-181 21 H Windischmann, Journal of Applied Physics 62 (1987) 1800-1807 22 A A Voevodin, M.S Donley, J.S Zabinsky, J E Bultman, Surface and Coating Technology 76-77 (1995) 534-539 23 K Holmberg, A Matthews, Coatings Tribology: Properties, Techniques and Applications in Surface Engineering, Elsevier 1994 [...]... pháp phủ vật lý hoặc hóa học) cho phép giảm hệ số ma sát về ngưỡng 0,2 và có tính chống mài mòn rất tốt nên có thể ứng dụng để phủ màng giảm ma sát và chống mòn cho các chi tiết trong hệ động lực tàu thủy 2 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Màng Carbon giống kim cương có tính chống mài mòn cao và ma sát thấp 0,2 [7] Thực tiễn ứng dụng cho thấy màng Carbon giống kim cương được phủ lên các chi tiết. .. như: dụng cụ dao cắt kim loại, các bánh răng truyền động, [23] đã làm cho khả năng chịu mài mòn của chúng tăng lên đáng kể 3 Nội dung nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu về tổng quan ma sát, mòn và vật liệu Carbon giống kim cương Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của màng Carbon giống kim cương Mô phỏng biến dạng và ứng suất của màng Carbon giống kim cương Nghiên cứu ứng dụng phủ màng Carbon giống kim cương. .. µ.N (1-1) Trong đó, µ là hệ số ma sát µ = (p,v,C), N là tải trọng pháp tuyến, C là điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường) 1.2.1.2 Phân loại ma sát Dựa vào động học: ma sát trượt, ma sát lăn, ma sát xoay Dựa vào chất bôi trơn: ma sát ướt, ma sát khô, ma sát tới hạn Dựa vào động lực học: ma sát tĩnh, ma sát động Dựa vào đặc tính của quá trình ma sát: + Ma sát bình thường... Carbon giống kim cương cho các chi tiết chịu ma sát và mòn trong hệ động lực tàu thủy 4 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài Phương pháp lý thuyết Phương pháp mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm Phương pháp phân tích 10 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MA SÁT, MÒN VÀ VẬT LIỆU CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG 1.1 Tổng quan về ma sát Ma sát là hiện tượng tự nhiên và luôn gắn liền với chuyển động Ma sát có thể có lợi hoặc... lớn để ứng dụng phủ màng chống mòn và giảm ma sát cho các chi tiết chịu ma sát và mài mòn trong kỹ thuật 31 CHƯƠNG 2 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG 2.1 Thiết bị phủ màng Trong nghiên cứu này, chúng tôi phủ các màng DLC trên hệ thống E303A magnetron sputtering Penta Vacuum (hình 2.1) Hệ thống được lắp đặt với hai loại nguồn cung cấp năng lượng RF 1200 W và. .. và hệ số ma sát thấp nếu nó trượt trong môi trường ẩm Trong những năm 1980 và 1990, các lớp kim cương mỏng được phủ lên các vật liệu nền khác nhau bằng 17 phương pháp nhiệt hóa làm giảm chi phí trên bề mặt các ổ và mở rộng ứng dụng của kim cương Trên bề mặt kim cương thường có một lớp màng mỏng Graphite tạo nên đặc tính ma sát thấp Màng Carbon giống kim cương phát triển nhẵn và phẳng hơn màng kim cương. .. của hệ số ma sát theo tải trọng của đầu kim cương hình côn trên tinh thể Carbide Silic trong môi trường không khí 1.2.1.3.4 Ma sát của vật liệu Carbon Vật liệu trên cơ sở Carbon có hệ số ma sát thấp nhất trong các loại vật liệu dùng trong kỹ thuật Khác với kim cương vật liệu Graphite có tính bền và độ cứng tương đối thấp Cấu trúc mạng của Graphite tạo nên đặc tính ma sát tốt nhưng phụ thuộc nhiều vào... mịn Các lớp màng nhiều mặt khi mài mòn với bề mặt phi kim cương có hệ số ma sát cao µ > 0, 5 so với các bề mặt kim cương phẳng µ > 0, 03 − 0,15 [5] Các màng hạt thô có hệ số ma sát trượt so với nhôm tới 0,42 và khi đánh bóng thì hệ số ma sát chỉ còn 0,09 khi cùng điều kiện tiếp xúc Vật liệu trên cơ sở Carbon và kim cương chịu ảnh hưởng lớn của độ ẩm và Oxy trong môi trường, trong chân không hệ số ma sát. .. chung hệ số ma sát của hợp kim thấp hơn hệ số ma sát của kim loại nguyên chất Ma sát giữa hai kim loại phụ thuộc vào kiểu của các lớp bề mặt được tạo nên sau quá trình mòn Sự xuất hiện các hạt mài trên bề mặt tiếp xúc chung quyết định “behavior” [4] của ma sát Độ lớn và sự dao động của lực ma sát phụ thuộc vào thời gian trượt 15 1.2.1.3.3 Ma sát của Ceramics Ceramics là loại vật liệu có sức bền vật liệu. .. hồi thấp Các kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt như Co và Mg cũng như các kim loại có cấu trúc khác như Mo và Cr cho hệ số ma sát thấp Lớp Oxy hóa trên bề mặt Cr có tác dụng làm giảm ma sát Co, Mo và Cr là các nguyên tố hợp kim thông thường trong thép đều có tác dụng giảm ma sát Hình 1.3 Ảnh hưởng của phương pháp làm sạch đến hệ số ma sát tĩnh của một số kim loại Ma sát giữa hai vật liệu cùng loại ... cương Chế tạo nghiên cứu tính chất màng Carbon giống kim cương Mô biến dạng ứng suất màng Carbon giống kim cương Nghiên cứu ứng dụng phủ màng Carbon giống kim cương cho chi tiết chịu ma sát mòn. .. [21] Carbon giống kim cương (chế tạo phương pháp phủ vật lý hóa học) cho phép giảm hệ số ma sát ngưỡng 0,2 có tính chống mài mòn tốt nên ứng dụng để phủ màng giảm ma sát chống mòn cho chi tiết hệ. .. nhiễm môi trường Carbon giống kim cương có độ cứng cao đồng thời có hệ số ma sát thấp cho thấy tiềm lớn để ứng dụng phủ màng chống mòn giảm ma sát cho chi tiết chịu ma sát mài mòn kỹ thuật 31