công nghệ xử lý bề mặt

Công nghệ bề mặt là tổ hợp các phương pháp gia công xử lý bề mặt vật liệu đã được sử dụng trong sản xuất cơ khí nhiều năm qua. Công dụng chủ yếu của phương pháp là tạo nên trên bề mặt chi tiết những lớp có tính chất cơ lý đặc biệt khác với bên trong lõi như: độ cứng, tính chống ăn mòn, mài mòn, dẫn điện cách điện, phản quang…hay tính mỹ thuật cao. Ngoài ra công nghệ bề mặt cũng bao gồm cả phương pháp khôi phục hình dạng, kích thước cho sản phẩm. Để đạt được mục đích trên có nhiều giải pháp kỹ thuật. Những phương pháp phổ biến nhất hiện nay là : Các phương pháp xử lý nhiệt bề mặt như tôi bề mặt, hóa nhiệt luyện Các phương pháp điện hóa và hóa học tạo lớp phủ như mạ điện, mạ hóa học, oxy hóa bề mặt, sơn, tẩm phủ. Các phương pháp phun phủ tạo lớp phủ dày (hơn lớp phủ mạ) và phun phục hồi.

MỤC LỤC

Chương 1 KHÁI NIỆM

CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BỀ MẶT 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT 5

1.2 KHÁI NIỆM BỀ MẶT 5

1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG BỀ MẶT 6

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ BỀ MẶT 10

Chương 2 CÁC DẠNG HỎNG BỀ MẶT 18

2.1 CÁC DẠNG HỎNG CHI TIẾT MÁY 18

2.2 HỎNG BỀ MẶT DO MÒN 18

2.3 HỎNG DO ĂN MÒN 27

Chương 3 CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT BỀ MẶT 37

3.1 NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT 37

3.2 HÓA NHIỆT LUYỆN 42

Chương 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG ĐIỆN HÓA VÀ HÓA HỌC 64

4.1 MẠ ĐIỆN 64

4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BỀ MẶT TRƯỚC MẠ 69

4.3 CÔNG NGHỆ MẠ KẼM 72

4.4 CÔNG NGHỆ MẠ CRÔM 75

4.5 MẠ ĐỒNG 77

4.6 MẠ NIKEN 78

4.7 MẠ HỢP KIM 80

4.8 MẠ HÓA HỌC 81

4.9 MẠ KIM LOẠI LÊN CHẤT DẺO 84

4.10 OXY HÓA 89

4.11 CÔNG NGHỆ SƠN 96

Chương 5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ THÔNG DỤNG 103

5.1 TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ 103

5.2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT PHUN PHỦ 107

5.3 VẬT LIỆU PHỦ 112

5.4 THIẾT BỊ PHUN 113

5.5 CÔNG NGHỆ PHUN 116

Chương 6 XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA NĂNG LƯỢNG CAO 131

6.1 KHÁI NIỆM CHUNG 131

6.2 XỬ LÍ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA LASER 132

6.3 XỬ LÍ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA ĐIỆN TỬ 142

Hình 6.7 Mô hình dùng chùm tia điện tử hóa bền bề mặt dao căt gọt 143

Chương 7 CÁC CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT TIÊN TIẾN 144

7.1 CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 144

7.2 CÁC CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT BẰNG VẬT LÝ (PVD) 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO 165

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ bề mặt là tổ hợp các phương pháp gia công xử lý bề mặt vật liệu đã được sử dụng trong sản xuất cơ khí nhiều năm qua Công dụng chủ yếu của phương pháp là tạo nên trên bề mặt chi tiết những lớp có tính chất cơ lý đặc biệt khác với bên trong lõi như: độ cứng, tính chống ăn mòn, mài mòn, dẫn điện cách điện, phản quang…hay tính mỹ thuật cao Ngoài ra công nghệ bề mặt cũng bao gồm cả phương pháp khôi phục hình dạng, kích thước cho sản phẩm

Để đạt được mục đích trên có nhiều giải pháp kỹ thuật Những phương pháp phổ biến nhất hiện nay là :

Các phương pháp xử lý nhiệt bề mặt như tôi bề mặt, hóa nhiệt luyện

Các phương pháp điện hóa và hóa học tạo lớp phủ như mạ điện, mạ hóa học, oxy hóa bề mặt, sơn, tẩm phủ

Các phương pháp phun phủ tạo lớp phủ dày (hơn lớp phủ mạ) và phun phục hồi

Với sự phát triển nhanh chóng về thiết bị, vật liệu mới, kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật

tự động hóa… các công nghệ bề mặt đã phát triển khá đa dạng và đang trở thành những lĩnh vực khoa học có đặc thù riêng điển hình tiên tiến đáp ứng nhu cầu của các công nghệ trình độ cao như công nghệ linh kiện điện tử, chế tạo màng mỏng

Căn cứ vào nhu cầu đào tạo, nhằm tăng cường kiến thức tổng hợp cho sinh viên và học viên cao học kỹ thuật thuộc gốc ngành cơ khí trong giai đoạn hội

nhập để xây dựng đất nước Tài liệu công nghệ bề mặt tiên tiến được biên soạn

Nội dung chủ yếu dựa trên “Đề cương môn học công nghệ xử lý bề mặt” của Bộ

Giáo dục & Đào tạo năm 2003, bao gồm cơ sở của các công nghệ bề mặt truyền thống kết hợp giới thiệu các công nghệ mới tiên tiến trong mỗi lĩnh vực này Đối tượng phục vụ của tài liệu là học viên cao học, sinh viên các trường kỹ thuật trong và ngoài quân đội

Tác giả bày tỏ sự cảm ơn trân thành các đồng nghiệp trong bộ môn Vật liệu

& Công nghệ vật liệu đã tích cực đóng góp ý kiến và tham gia chỉnh sửa bản tháo

để cuốn sách được hoàn thành

Đây là tài liệu biên soạn lần đầu không tránh khỏi nhiều thiếu xót, mong bạn đọc và các đồng nghiệp góp ý để tác giả tiếp tục hoàn thiện nội dung

NGUYỄN HOÀNH SƠN

Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BỀ MẶT

1.1 TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT

Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với

các chế độ công tác rất khác nhau Các yêu cầu kỹ thuật đề ra với chúng cũng rất

đa dạng Ví dụ các chi tiết như bánh răng, các loại trục thì yêu cầu bề mặt cứng,

tính chống mài mòn tốt Các chi tiết đạn dược như ngòi đạn, vỏ liều cần bề mặt

có tính chống ăn mòn tốt, các chi tiết bộ đôi cần bề mặt ma sát có độ bóng, tính

chống mài mòn cao, trong kỹ thuật vi điện tử cần có những lớp bề mặt rất

mỏng… Tất cả các nhu cầu trên đều có những giải pháp chuyên dụng để đáp

ứng

Công nghệ bề mặt là tập hợp các phương pháp công nghệ nhằm tạo cho bề

mặt các chi tiết và kết cấu những tính năng nhất định Các chức năng yêu cầu

thường gặp là: bền hóa học, bền ăn mòn, bền cơ học (chống mài mòn, xước, biến

dạng ), dẫn điện, dẫn từ, cứng, dẻo, tính trang trí, mỹ thuật

Các công nghệ bề mặt điển hình như: xử lý nhiệt bề mặt, mạ, nhúng, phun,

phủ (bằng các phương pháp hóa học CVD và vật lý PVD), gia công đánh bóng,

sơn phủ để tạo ra các tính năng cần thiết cho bề mặt

1.2 KHÁI NIỆM BỀ MẶT

Bề mặt là một khái niệm rộng Thông thường bề mặt được hiểu là phần bên

ngoài của chi tiết, sản phẩm - nơi tiếp giáp giữa phần vật chất của vật liệu với môi

trường Với nghĩa rộng hơn bề mặt là mặt phân cách giữa pha vật chất này với pha

kia Bề mặt phân cách có ý nghĩa quan trọng, quyết định nhiều tính chất của vật

liệu Nhiều kết quả thực nghiệm đã chứng minh các tính chất (cơ, lý hoá, cấu trúc,

năng lượng ) của lớp bề mặt và bên trong vật chất rất khác nhau

Trong khuôn khổ tài liệu này chủ yếu đề cập đến bề mặt của chi tiết cụ thể

Trong trường hợp như vậy có những khái niệm về bề mặt như sau:

Bề mặt hình học: là bề mặt được biểu diễn bằng bản vẽ chi tiết Bề mặt này

là bề mặt danh nghĩa mang nhiều tính chất lý tưởng

Bề mặt thực tế hay còn gọi là bề mặt kỹ thuật Khái niệm này bao gồm

không chỉ các đặc trưng hình học của bề mặt chi tiết mà còn quan tâm cả đến các

đặc trưng khác của bề mặt và lớp vật chất sát dưới bề mặt

Trong thực tế sản xuất cơ khí còn phân biệt hai loại bề mặt: bề mặt làm việc

và bề mặt không làm việc Bề mặt làm việc cũng được phân thành hai loại bề

mặt chịu tải và bề mặt không chịu tải Khái niệm tải có thể hiểu là tải cơ học

hoặc các đặc trưng tác dụng khác như tác dụng hóa học, tác dụng nhiệt

Trong hầu hết mọi trường hợp, đặc tính cấu trúc và tính chất của lớp bề mặt chi tiết có ảnh hưởng quyết định đến khả năng gây phá hủy Thực tế cho thấy phá hủy đều thường xuất phát từ bề mặt Vai trò của bề mặt càng thể hiện rõ khi phải khai thác các tính chất của vật liệu có liên quan đến bề mặt như: ăn mòn, mài mòn, mỏi, quang học, điện và điện tử, mẫu mã hàng hóa và trang trí, bảo vệ bề mặt tức là dùng những biện pháp nhất định để tạo cho bề mặt những tính chất định trước thỏa mãn nhu cầu nhất định Tài liệu này chỉ đề cập đến các công nghệ nhằm tạo cho bề mặt những lớp phủ có khả năng chống lại sự phá huỷ của

môi trường làm việc như ăn mòn, mài mòn, mỏi mòn

Khoa học bề mặt là lĩnh vực rất rộng, rất phức tạp bởi vì liên quan đến nhiều ngành khoa học khác nhau nhưng đều nhằm giải quyết các nhóm vấn đề sau:

- Điều kiện nhiệt động để xảy ra quá trình bề mặt

- Xây dựng các mô hình cấu trúc vĩ mô và vi mô lớp bề mặt và sát bề mặt (bề mặt lý tưởng và bề mặt kỹ thuật)

- Tính chất cơ, lý, hóa của bề mặt

Trên cơ sở đó xây dựng nên những đặc trưng sau của bề mặt:

- Trạng thái hình học (độ nhấp nhô bề mặt, hình dạng bề mặt)

- Tính chất cơ học lớp bề mặt (độ cứng, hệ số ma sát, sự biến cứng)

- Cấu trúc vi mô lớp bề mặt và sát bề mặt

- Tính chất hóa lý: thành phần hóa học, phần tử hấp thụ, phân giải, sức căng

bề mặt, hiện tượng thấm ướt

1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG BỀ MẶT

1.3.1 Năng lượng bề mặt

Công cần tiêu tốn để tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt gọi là năng lượng

bề mặt [N.m-2] Lực tác dụng giữa các phần tử giảm rất nhanh theo khoảng cách (tỷ lệ nghịch với r6) Điều đó có nghĩa là các phân tử chỉ tác dụng với nhau trong một phạm vi bán kính r rất nhỏ Các phân tử nằm trong lớp bề mặt có bề dày nhỏ hơn r chịu tác dụng của các lực không đều, lực kéo ra ngoài bề mặt pha rắn nhỏ hơn lực hút vào trong lòng Lực tác dụng tổng hợp lên các phân tử nằm ở lớp bề mặt có bề dày nhỏ hơn khoảng cách r sẽ có hướng vuông góc với bề mặt của

pha rắn Lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài bề mặt được gọi là sức căng bề

mặt [N.m-1] Vì giá trị sức căng bề mặt bằng năng lượng bề mặt, do đó hai đại lượng này thường dùng chung một ký hiệu là 

Nếu gọi Gbm là sự biến thiên entanpi tự do trong quá trình hình thành bề mặt S một cách thuận nghịch và đẳng nhiệt thì:

Gbm =  S Hiện tượng bề mặt (hay nói khác đi là sự tạo thành bề mặt S) chỉ xảy ra khi:

Gbm < 0 Muốn vậy hoặc  hoặc S phải giảm Điều đó có nghĩa là hiện tượng bề mặt

tự xảy ra theo chiều làm giảm sức căng bề mặt hoặc diện tích bề mặt

1.3.2 Sự hấp phụ và hấp thụ

Do bề mặt vật chất luôn tồn tại năng lượng lớn hơn bên trong nên nó có khả năng

hút nguyên tử (phân tử) của những pha tiếp xúc với nó Hiện tượng đó được gọi là hấp thu Tuỳ thuộc vào cơ chế hấp thu, người ta phân biệt hai khái niệm hấp phụ và hấp thụ

Nếu các phân tử của chất bị hấp thu chỉ tập trung ở trên bề mặt của chất hấp

thu thì sự hấp thu đó gọi là hấp phụ (adsorb)

Trường hợp các phân tử của chất bị hấp thu đi sâu vào trong lòng chất hấp

thu thì sự hấp thu được gọi là hấp thụ (absorb)

Quá trình hấp thu dẫn đến hình thành và phát triển một lớp nguyên tử định

cư trên bề mặt vật liệu Các nguyên tử này có thể đến từ pha khí hoặc từ phía trong vật liệu, do quá trình vận chuyển sàng lọc lên bề mặt

Hấp phụ và hấp thụ có ý nghĩa lớn trong các quá trình oxy hóa, ăn mòn kim loại, tạo lớp bề mặt, trong xúc tác hoạt tính, quá trình phân tách

Nghiên cứu sự phát triển lớp hấp phụ sẽ đề cập đến:

- Sự tạo mầm và phát triển mầm pha mới

- Bản chất lực tương tác giữa cấu tử bị hấp phụ và vật liệu nền

Tuỳ thuộc vào bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ

người ta chia ra hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học và hấp phụ đẳng nhiệt

1.3.2.1 Hấp phụ vật lý

Trong hấp phụ vật lý không có sự trao đổi vận

chuyển, góp chung electron, liên kết ở đây chỉ

đơn thuần là lực Vander Waals Sự hấp phụ vật

lý ít có tính chất chọn lọc và là thuận nghịch

Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp phụ vật lý

nhỏ Hình 1.1 là sơ đồ mô hình hấp phụ một

khí đơn nguyên tử, dưới áp suất thấp lên đơn

tinh thể ion cách điện Năng lượng tương tác

của từng cặp nguyên tử cũng như tổng hợp của

Hình 1.1 Thế năng tương tác khi

hấp phụ vật lý

chúng có một điểm cực tiểu ứng với khoảng cách ro Ngoài yếu tố khoảng cách, lực tương tác cũng phụ thuộc vào bản chất của khí, vào tương tác giữa các phần

tử khí với nhau và với nền

Các tính toán lực liên kết trong trường hợp khí đa nguyên tử phức tạp hơn nhiều

so với khí đơn nguyên tử, và sự định hướng của các nguyên tử trở nên phức tạp hơn Sự hấp phụ khí lên bề mặt kim loại càng phức tạp hơn và lực tương tác liên quan đến các electron tự do, chúng không cố định, mà luôn luôn di chuyển trên bề mặt Các nghiên cứu đó khẳng định rằng, ngay khi hấp phụ đơn thuần vật lý, thì các electron vẫn có ảnh hưởng ở một mức độ nhất định đến liên kết, do đó vấn đề càng trở nên phức tạp

1.3.2.2 Hấp phụ hóa học

Nếu lực hấp phụ có bản chất hoá học thì sự hấp phụ được gọi là hấp phụ hoá học Sự hấp phụhoá học có tính chất chọn lọc và không thuận nghịch

Khác với hấp phụ vật lý, trong hấp phụ

hóa học xảy ra quá trình góp chung hoặc trao

nhận các electron, thực chất đó là giai đoạn

đầu tạo nên các hợp chất hóa học So với hấp

phụ vật lý, hấp phụ hóa học phức tạp hơn,

thế năng tương tác phụ thuộc vào khoảng

cách r (hình 1.2) Hình 1.2 Thế năng tương tác trong

hấp phụ hoá học

Đường cong quan hệ U- r gồm 2 cực tiểu:

- Một cực tiểu ứng với hấp phụ vật lý UC

- Một cực tiểu ứng với hấp phụ hóa học UP

Trong đó, cực tiểu ứng với hấp phụ hóa học thấp hơn nhiều so với hấp phụ vật

lý Điều này cho thấy rằng, năng lượng liên kết (lực hút - phía âm) khi hấp phụ hóa học lớn hơn nhiều so với hấp phụ vật lý: năng lượng liên kết khi hấp phụ hóa học có thể tới 800KJ/mol trong khi hấp phụ vật lý thì năng lượng chỉ khoảng 8KJ/mol

Trên hình 1.2 cho thấy, có một điểm cực đại US là do tác dụng nhiệt của quá trình hấp phụ (hấp phụ tỏa nhiệt tạo ra lực đẩy) Hấp phụ hóa học là giai đoạn đầu của quá trình liên kết hóa học do đó các điện tử của nguyên tử hấp phụ,

ở một mức độ nhất định, cố định trên cấu tử hấp phụ khác hoặc là trên bề mặt nền

Khi khảo sát các mô hình thực, tính phức tạp còn cao hơn rất nhiều, vì trong quá tình hấp phụ còn phải tính đến ảnh hưởng của các quá trình trung gian khác như: giả ổn định, phân ly chất hấp phụ khi hấp phụ ở nhiệt độ cao và khí hấp phụ có

áp suất thấp quá trình hấp phụ mang tính thuận nghịch

Khả năng hấp phụ của một số khí lên kim loại được giới thiệu trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Khả năng hấp phụ của một số khí lên kim loại

Ti, Zr,Cd, Ta,Cr, Mo, W N2, H2, CO

Fe, Co, Cu,Ni, Rh, Pd, Pt H2, CO

Trong quá trình bề mặt chỉ một phần diện tích bề mặt xảy ra hấp phụ Gọi 

là tỷ lệ diện tích bề mặt vật rắn được hấp phụ Khi hấp phụ đẳng nhiệt, tỷ lệ t

phụ thuộc vào áp suất, ta có t = f (P) Khi hấp phụ đẳng áp, p phụ thuộc vào nhiệt độ, ta có quan hệ p = f(T)

Hấp phụ đẳng nhiệt là mô hình có nhiều ý nghĩa thực tiễn và thông dụng hơn

cả

Khái niệm và phân loại chất bị hấp phụ: tuỳ theo khả năng bị hấp phụ trên ranh giới phân chia bề mặt hai pha mà người ta phân chất bị hấp phụ thành hai loại: chất hoạt động bề mặt (HĐBM) và chất không hoạt động bề mặt (KHĐBM)

 Chất HĐBM là chất có khả năng bị hấp phụ trên bề mặt hai pha, do vậy

nó là chất làm giảm sức căng bề mặt của dung môi Từ đây có thể thấy rằng các chất HĐBM phải có sức căng bề mặt nhỏ hơn so với dung môi và ít hoà tan trong nước

Các chất HĐBM được ứng dụng rộng rãi để làm bền các hệ nhũ tương, huyền phù đồng thời dùng làm chất tẩy rửa, chất làm chậm ăn mòn

 Chất KHĐBM là chất có sức căng bề mặt lớn hơn so với dung môi, có khả năng tan nhiều và đi sâu vào trong lòng dung môi và làm tăng sức căng bề mặt của nó Đối với dung môi nước thì đó là các axit, bazơ và muối vô cơ tan

1.3.3 Sự thấm ướt

Hiện tượng khi một chất lỏng tiếp xúc với một chất rắn nó bị chảy loang trên bề mặt chất rắn gọi là sự thấm ướt Mức độ thấm ướt được đánh giá bằng góc thấm ướt  (hình 1.3)

Nếu  < 90o bề mặt được gọi là ưa lỏng,

Hiện tương thấm ướt đóng vai trò

quan trọng trong kỹ thuật và đời sống

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ BỀ MẶT

1.4.1 Đặc điểm của các phương pháp phân tích

Mục đích và nội dung của phân tích bề mặt là:

+ Xác định bản chất hóa học lớp bề mặt (định tính và định lượng)

+ Cấu trúc lớp bề mặt (cấu tạo pha)

+ Trạng thái hình học lớp bề mặt (độ nhấp nhô, độ nhám bề mặt)

< 900  > 900

+ Tính chất lớp bề mặt (cơ, lý, hóa tính)

Việc định lượng các nguyên tố trên bề mặt cho đến nay vẫn là việc khó bởi

vì các phương pháp quang phổ luôn luôn vấp phải khó khăn về mẫu chuẩn Mặt khác để xác định sự thay đổi nồng độ theo chiều sâu, các kỹ thuật phân tích hiện nay thường dùng là phân tích liên tục các sản phẩm bốc ra từ bề mặt mẫu do bắn phá bằng các chùm ion (hoặc điện tử), mà vận tốc bào mòn bề mặt mẫu lại phụ thuộc vào bản chất của mẫu, vận tốc này còn chưa biết đang cần phải xác định Với sự trợ giúp của máy tính, quá trình phân tích ngày càng thuận lợi và chính xác hơn

Trong số các nguyên tố hóa học thường có mặt ngoài mong muốn và làm nhiễu kết quả phân tích, phải kể đến ôxy và cacbon Ôxy có mặt là do trên bề mặt kim loại tinh khiết luôn tồn tại một lớp oxit tự nhiên Cacbon thường đi vào từ dầu

mỡ bôi trơn và bảo vệ bề mặt, hoặc từ hệ thống bơm chân không

Các phương pháp tinh thể học đều dựa trên các khái niệm cơ bản là mạng tinh thể, các mặt và phương mạng Các mặt tinh thể gồm:

- Các mặt có mật độ nguyên tử cao

- Các mặt có trật tự thấp (so với mặt có mật độ nguyên tử cao)

Các mặt này có thể được mô tả bằng mô hình TBG (thềm - bậc - góc, trong đó: thềm là một phần mặt phẳng nằm ngang, bậc là một phần mặt phẳng vuông góc với thềm, góc là vùng lân cận giao tuyến của các bậc)

Các mặt phức tạp không thể áp dụng mô hình TBG để mô tả được, vì chúng có

độ nhấp nhô ở mức độ nhỏ cỡ nguyên tử

Toàn bộ sự quan sát hình thể và xác định các đặc điểm của bề mặt là đối tượng của các phương pháp đánh giá và sự phân tích bề mặt Điểm hạn chế của phương pháp là bề mặt mẫu không hoàn toàn nhẵn, hơn nữa đối với nguyên tử ta chấp nhận mô hình TBG

Hiện nay đã đạt được nhiều tiến bộ trong phân tích bề mặt vật rắn tiếp xúc với pha khí Các phương pháp này dựa trên kết quả phân tích các tia hoặc các chùm hạt phát ra từ bề mặt vật rắn được kích thích hợp lý Đối với hệ bề mặt rắn

- lỏng việc phân tích gặp khó khăn hơn do mẫu quan sát phải lấy ra khỏi môi trường tiếp xúc để khảo sát, điều đó làm đảo lộn cấu trúc bề mặt Ngày nay các phương pháp điện hóa có thể thực hiện tại chỗ do đó tránh được khó khăn trên Các nguyên tử ở bề mặt rất nhạy cảm với các tác động bên ngoài như nhiệt

độ Khi nung nóng các nguyên tử bề mặt sẽ khuếch tán, cấu trúc lại bề mặt để tạo thành các mặt nhỏ và các đường rạch, do đó kết quả phân tích ban đầu không còn

phù hợp nữa Mặt khác, các thông số cấu trúc của vật rắn còn phụ thuộc vào điều kiện gia công như: cắt gọt, đánh bóng Cho dù dùng các hạt mài rất mịn, bề mặt mẫu sau khi đánh bóng vẫn hình thành một lớp biến cứng dày vài chục m Sau khi gia công cơ, trạng thái ban đầu của kim loại bị mất đi vì khi cắt gọt hoặc khi mài dù được thực hiện trong chế độ tối ưu, kim loại vẫn bị biến dạng dẻo dẫn đến hình thành các vết nứt tế vi trên bề mặt Sự thay đổi lớp bề mặt sau khi gia công

cơ phụ thuộc vào tác động cơ học, tác động nhiệt, tác động của vật liệu dụng cụ cắt, của môi trường: nước, dung dịch trơn nguội, dầu Tuy vậy, các biến đổi bề mặt khi gia công cơ cũng có mặt lợi và từ lâu đã được nghiên cứu khai thác: chống mài mòn tạo ứng suất nén dư để tăng giới hạn mỏi, tăng bền ăn mòn ứng suất

1.4.2 Các phương pháp xác định thành phần hoá học, bản chất pha

Cơ sở của phân tích thành phần hóa học và bản chất pha là dựa vào phổ, các hạt hoặc tia phát ra từ bề mặt được kích thích bằng năng lượng bên ngoài Tuỳ thuộc vào năng lượng kích thích, vào mục đích phân tích định tính hay định lượng, vào phổ phát ra mà người ta có thể xác định được các nguyên tố (thường

cả đồng vị của nó), bản chất của các liên kết hóa học ở trên bề mặt

1.4.2.1 Phân tích bằng chùm photon

Các phương pháp phân tích dựa trên sự kích thích bằng photon phổ biến nhất hiện nay là: quang phổ ESCA, microsonde dùng laser, Fluorescence X và quang phổ hấp phụ nguyên tử

a/Quang phổ ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis)

Với biến thể của nó là XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) và UPS (Ultraviolet photoelectron spectroscopy) là phương pháp dựa trên hiện tượng quang điện Mẫu thử được chiếu bằng bức xạ đơn sắc (X hoặc UV) phát ra các photon electron Người ta phân tích năng lượng dòng photon electron phát ra, từ đó xác định được các liên kết bên trong Ưu điểm cơ bản của phương pháp là cho biết các mối liên kết hóa học, nếu biết thành phần ta có thể xác định được liên kết của các nguyên tử

b/Phương pháp microsonde dùng laser

Phổ phát ra từ mẫu thử được kích thích bằng chùm tia laser, được phân tích giống như quang phổ ESCA So với ESCA phương pháp này ít thông dụng hơn, ngày nay chủ yếu được dùng cho phân tích định tính và kiểm tra bổ xung kết quả

Tuy nhiên do có độ nhạy cao [1ppm/(1÷ 2)m2], dễ sử dụng nên được ứng dụng nhiều trong công nghiệp luyện kim, hóa học vô cơ, hữu cơ, sinh học

c/Phương pháp huỳnh quang tia X ( fluorescence X )

Là phương pháp dựa trên nguyên tắc kích thích nguyên tử bằng một năng lượng cao hơn các mức năng lượng (K, L, M ) các electron sẽ nhảy lên các mức năng lượng cao hơn, khi đó gây nên sự ion hóa các nguyên tử Khi bỏ năng lượng kích thích, các electron sẽ trở về vị trí ban đầu và phát ra các mức năng lượng tương ứng với sự chênh lệch năng lượng cuả các mức chuyển tiếp gọi là quang phổ fluorescence của nguyên tử Quá trình này xảy ra ở quy mô nguyên tử không phụ thuộc vào liên kết giữa các nguyên tử Dựa vào cường độ của các vạch phát ra người ta xác định được sự có mặt của các nguyên tố và nồng độ của nó

d/ Phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử

Là phương pháp dựa trên tính chất của mẫu sau khi được hấp phụ các nguyên tử của một nguyên tố ở thể khí có thể hấp phụ các tia đặc trưng giống với các tia mà nó phát ra khi bị kích thích Các nguyên tử hấp phụ cũng thu nhận một bức xạ đơn sắc có tần số thích hợp Hiệu số năng lượng đưa tới và phát ra phụ thuộc vào nồng độ của các nguyên tử trên bề mặt Bức xạ được phát ra từ một nguồn có catot là mẫu thử cần phân tích, so với mẫu chuẩn ta có thể biết sự có mặt của các nguyên tố với hàm lượng bao nhiêu

1.4.2.2 Phân tích bằng chùm electron

Phương pháp microsonde điện tử sử dụng năng lượng kích thích là chùm electron khi ngừng kích thích, các nguyên tử trở về trạng thái ban đầu và phát ra tia X Người ta phân tích quang phổ phát ra của một tinh thể đã biết, có nhiễu xạ tuân theo định luật nhiễu xạ Bragg Dùng các thiết bị đặc biệt có thể đếm số lượng hạt phát ra ứng với mỗi vạch của mẫu phân tích và của mẫu chuẩn để xác định hàm lượng của nguyên tố Khả năng phân tích nguyên tố phát hiện được phụ thuộc vào dạng hình học của dụng cụ, đặc điểm của tinh thể

Nếu thiết bị phân tích được lắp trên kính hiển vi điện tử quét, được gọi là phân tích tia X theo mức năng lượng Quang phổ X phát ra từ mẫu thử được truyền đến bộ phận phân tích đa kênh Ở đây các vạch quang phổ được tách ra theo mức năng lượng, mỗi mức năng lượng ứng với một nguyên tố Kết quả phân tích có thể là hình ảnh tia X của một nguyên tố (định tính), cũng có thể định lượng và xác định sự phân bố nguyên tố trên bề mặt quan sát Tiếc rằng phương pháp này không xác định được các nguyên tố nhẹ: N, B, C, O

1.4.2.3 Phân tích bằng dòng ion

Phương pháp cổ điển hơn cả là quang phổ ion thứ cấp SIMS (Secondary ion mass spectrometry), dựa trên kết quả phân tích thành phần pha khí tạo thành do vật liệu bị bắn phá bằng chùm ion ta có thể xác định được sự có mặt của các nguyên tố và hàm lượng của chúng Nhờ bắn phá ion, ta có thể làm mài mòn dần dần bề mặt và do đó cho phép xác định đường cong phân bố nồng độ theo chiều sâu kể từ bề mặt

Quang phổ phát xạ SDL là phương pháp quang học lợi dụng hiện tượng phóng điện phát quang của pha khí dưới tác dụng của từ trường (1kV) Khi sử dụng Argon trong plasma sẽ bắn phá lên bề mặt catot (mẫu thử) làm hóa hơi một phần bề mặt mẫu thử Tương tự như trường hợp SIMS, ta có thể xác định được thành phần và đường cong phân bố nồng độ Các tia phát ra từ plasma tạo thành quang phổ, các vạch đặc trưng cho sự có mặt của các nguyên tố trong mẫu, cường độ của vạch tỷ lệ với nồng độ của các nguyên tố

1.4.3 Các phương pháp phân tích cấu trúc

Các phương pháp phân tích cấu trúc dùng phổ biến trong ngành luyện kim và công nghệ vật liệu gồm: hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử xuyên thấu, phương pháp nhiễu xạ tia X

Trạng thái nhấp nhô bề mặt chủ yếu đối với vật liệu kim loại, sự thay đổi của

nó mang tính thống kê Mục đích của phương pháp là xác định độ nhấp nhô có ảnh hưởng đến các tính chất của bề mặt như: ma sát mài mòn, tính chất quang

Để đặc trưng cho độ nhấp nhô người ta dùng khái niệm độ nhám

Theo tiêu chuẩn cũ của Việt Nam (tương đương ГОСТ của Liên xô cũ) độ chính xác bề mặt được đánh giá bằng độ bóng bề mặt và được chia thành 14 cấp,

cấp 1 là thô nhất, cấp 14 là bóng nhất (tinh nhất) trên bản vẽ được ký hiệu là

1÷14

Theo quy định mới của Việt Nam

TCVN 2511-2007 độ chính xác bề mặt

được đánh giá bằng độ nhám bề mặt và

biểu thị bằng một trong hai thông số Ra

hoặc Rz và ghi trên bản vẽ như hình 1.5

Độ nhám có ảnh hưởng đến các quá trình: hấp phụ, xúc tác Bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu kim loại và môi trường phải được xem xét ở không gian ba chiều, nhưng với vật liệu xốp cần phải được xem xét trong phạm vi vĩ mô được tập hợp từ nhiều mặt

1.4.5 Các phương pháp phân tích lớp phủ

Lớp phủ có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ chi tiết Ví dụ: lớp bảo vệ chống ăn mòn, chống mài mòn Nói chung lớp phủ có tác dụng bảo vệ các tính chất của vật liệu ở phía trong

Các phương pháp phân tích bề mặt kim loại cũng được áp dụng cho phân tích lớp phủ

Theo tính chất của vật liệu lớp phủ chia thành ba nhóm:

 Lớp kim loại, lớp oxit, cacbit, nitrit được chế tạo bằng phương pháp hoá nhiệt luyện, phun phủ, CVD hoặc PVD

 Lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn mài )

 Lớp phủ ceramic được tạo bằng công nghệ phun khác nhau sử dụng trong nhiều lĩnh vực: ôtô, điện tử hạt nhân, cơ khí

Các đặc tính cần xác định của lớp phủ là:

- Chiều dày lớp phủ (giá trị tuyệt đối, sự nhấp nhô )

- Độ xốp

- Bản chất của lớp phủ: thành phần hoá học, pha tạo thành, tổ chức, cấu tạo tinh thể, textua, độ lớn hạt, khuyết tật mạng tinh thể, đặc biệt là các tính chất ở bề mặt phân cách giữa lớp phủ và nền

- Tính chất cơ học: bám dính, độ cứng, ứng suất

- Các tính chất khác: quang, điện từ, nhiệt

Tùy mức độ quan trọng, độ chính xác của lớp phủ sẽ chọn các phương pháp phân tích lớp phủ thích hợp Nên đi từ thấp lên cao, từ đơn giản đến phức tạp Ví

dụ, sau khi chế tạo lớp phủ, nên quan sát bằng mắt, dùng dao hoặc kẹp gạt thử lớp phủ xem chiều dày, độ bám dính, tiến tới dùng các kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử, các phương pháp hoá lý và phân tích cấu trúc khác

Chương 2 CÁC DẠNG HỎNG BỀ MẶT

2.1 CÁC DẠNG HỎNG CHI TIẾT MÁY

Khi chế tạo, lắp ráp, vận hành sửa chữa, có thể xảy ra các hư hỏng từng phần

hay toàn bộ chi tiết Thông thường hư hỏng xảy ra trên các bề mặt làm việc, bề mặt

tiếp xúc và phát triển vào bên trong Nguyên nhân hư hỏng rất phong phú và đa

dạng, một cách tổng quát có thể chia thành ba loại chính:

Hư hỏng do chế tạo

Hư hỏng do vận hành, sử dụng

Hư hỏng do chất lượng vật liệu không đảm bảo

Theo các số liệu thống kê, hư hỏng do vận hành trong quá trình sử dụng là

nguyên nhân chủ yếu gây nên các hư hỏng máy Dạng hư hỏng này có thể coi như

gồm 3 nhóm chính:

• Hư hỏng do mòn (mòn đều, mòn không đều sinh ra ô van và độ côn, các vết

xước nhỏ và các vết xây xát Dạng hư hỏng này có liên quan với ma sát)

• Hư hỏng cơ học (nứt, thủng, xước thành rãnh, tróc, gẫy, biến dạng do tác

dụng cơ học gây nên cong, vênh, xoắn,

• Hư hỏng hoá nhiệt: ăn mòn, bị rỗ, bị biến dạng do nhiệt độ

Hai loại hỏng đầu có liên quan nhiều đến sự mòn, loại thứ ba có liên quan

nhiều đến các quá trình hóa học, điện hóa

2.2 HỎNG BỀ MẶT DO MÒN

2.2.1 Khái niệm chung về mài mòn

Trong quá trình làm việc bề mặt các chi tiết có tham gia tạo cặp ma sát, sẽ bị

mài mòn Quá trình này thể hiện bằng sự thay đổi dần kích thước và hình dáng cụ

thể Mài mòn xảy ra đến mức độ nào đó sẽ làm mất khả năng làm việc của chi tiết

Người ta gọi đó là sự hư hỏng do mài mòn hay nói ngắn gọn là mòn

Như vậy mòn là quá trình phá huỷ và tách vật liệu ra khỏi bề mặt vật rắn,

gây ra bởi tương tác cơ học, hóa học (ăn mòn), dẫn đến hao mòn (obsolescence)

làm tổn thất vật liệu lớn nhất

Quá trình này biểu hiện bằng sự thay đổi dần kích thước và hình dáng vật

thể

Mài mòn gây ra sự hao mòn máy móc thiết bị Có tới 80 90% máy móc không tiếp tục làm việc do hiện tượng mòn Chi phí cho việc sửa chữa máy hỏng

do mòn rất lớn Vì vậy nghiên cứu chống mài mòn, nâng cao tuổi thọ chi tiết có ý nghĩa toàn cầu Ngành kỹ thuật ma sát (còn gọi là kỹ thuật Tribo) là một trong những khoa học nghiên cứu làm giảm khả năng mài mòn cho chi tiết máy

Để hiểu về mài mòn cần nhắc tới khái niệm ma sát, vì rằng thực chất ma sát và mài mòn là hai mặt của một vấn đề Bằng kinh nghiệm cuộc sống chúng ta cũng cảm nhận thấy rằng ma sát tăng thì mài mòn tăng và ngược lại

2.2.2 Ma sát

Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, khi có

sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịch chuyển giữa hai vật thể, trong đó diễn ra các quá trình cơ, lý, hoá, điện quan hệ của các quá trình

đó rất phức tạp phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi

vật lý học người ta coi ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật

chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt

Lực ma sát làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa các bề mặt thành năng lượng ở dạng khác Việc chuyển hóa năng lượng thường

là do va chạm giữa phân tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế năng dự trữ trong biến dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron, được tích lũy một phần thành điện năng hay quang năng Trong đa số trường hợp trong thực tế, động năng của các bề mặt được chuyển hóa chủ yếu thành nhiệt năng

Về bản chất vật lý, lực ma sát xuất hiện giữa các vật thể trong cuộc sống là lực điện từ, một trong các lực cơ bản của tự nhiên, giữa các phân tử, nguyên tử

Có thể coi gần đúng lực ma sát tỷ lệ với lực ép hai bề mặt Trong quá trình ma sát có thể xảy ra đồng thời các hiện tượng cơ học, điện, nhiệt, hoá Ma sát có thể làm tăng hoặc giảm độ bền, dẫn đến phá huỷ bề mặt hoặc ngược lại tạo ra một hệ giảm độ mòn và ma sát

Vì vậy có thể thấy rằng ma sát vừa có lợi vừa có hại Có lợi vì nhờ ma sát một số cơ cấu máy hoạt động được (hình 2.1) Có hại vì làm giảm hiệu suất máy, làm nóng máy, gây mòn dẫn đến mất tính năng làm việc

Hình 2.1 Ma sát là cơ sở cho các cơ cấu máy làm việc Phân loại ma sát

Có nhiều cách phân loại ma sát:

- Phân loại theo tính chất tiếp xúc, theo cách này có ma sát ướt, ma sát khô,

ma sát nửa khô nửa ướt (hình 2.2)

a/ b/ c/

Hình 2.2 Phân loại theo tính chất tiếp xúc

a/ ma sát ướt; b/ ma sát khô; c/ma sát nửa khô

- Phân loại theo tính chất chuyển động: theo cách này có ma sát trượt, ma sát lăn (hình 2.3)

a/ b/

Hình 2.3 Phân loại theo tính chất chuyển động a/ ma sát trượt; b/ ma sát

lăn

- Theo trạng thái chuyển động có ma sát tĩnh và ma sát động

Từ góc độ mài mòn, yếu tố đáng quan tâm nhất trong hiện tượng ma sát là hệ

số ma sát  Trong kỹ thuật người ta sử dụng vật liệu có hệ số ma sát rất khác nhau Trong các hệ thống hãm chuyển động (cơ cấu phanh) cần vật liệu có  lớn Ngược lại trong các cặp ma sát như ổ trục, vòng bi, cơ cấu bộ đôi… lại dùng các

vật liệu có không đổi và càng nhỏ càng tốt.

2.2.3 Chỉ tiêu đánh giá sự mòn

Để đánh giá sự hao mòn người ta dùng hai chỉ tiêu chính là cường độ mòn I

và tốc độ mòn V

Cường độ mòn I là tỉ số giữa lượng hao mòn tuyệt đối với chiều dài quãng đường ma sát L:

;2 1

L

V V

I  Trong đó V1, V2 là thể tích chi tiết trước và sau khi đo

G1, G2 là khối lượng chi tiết trước và sau khi đo

Tốc độ mòn V là lượng hao mòn tuyệt đối trong một đơn vị thời gian:

 2

1 V V

; hoặc 1 2

G G

Trong đó  là thời gian ma sát [giờ]

2.2.4 Bản chất hiện tượng mài mòn bề mặt

Có thể coi mài mòn như tổ hợp của ba quá trình:

- Quá trình tương tác của bề mặt ma sát

- Quá trình thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt ma sát

- Quá trình phá huỷ bề mặt ma sát

2.2.4.1 Quá trình tương tác của cặp bề mặt ma sát

Tương tác của các bề mặt thể hiện ở hai khía cạnh: tương tác cơ học và tương tác phân tử

Tương tác cơ học biểu hiện bằng sự biến dạng và móc nối của các phần tử nhấp nhô

Tương tác phân tử biểu hiện bởi sự bám dính và xâm thực

Tính phức tạp của quá trình xảy ra trong vùng tiếp xúc đã làm xuất hiện nhiều lý thuyết khác nhau về sự ma sát Trong đó lý thuyết cơ học phân tử đã kết hợp được khá đầy đủ cả hai yếu tố tương tác biến dạng và bám dính khi ma sát

Cơ sở xuất phát của lý thuyết này là tính gián đoạn của chỗ tiếp xúc các bề mặt

ma sát Do có độ nhấp nhô nên bề mặt sẽ tiếp xúc tại từng điểm riêng biệt, xen kẽ nhau,

chúng bị ép vào nhau Kết quả là tương tác ở vùng này xuất hiện lực gọi là ma sát có

bản chất hai mặt: biến dạng và dính kết, ứng với lực gây biến dạng và lực gây dính kết Lực chống lại quá trình biến dạng đó (lặp lại nhiều lần của các vùng thể tích

vi mô) là thành phần biến dạng của lực ma sát (FBD)

Tương tác dính kết có liên quan đến sự hình thành các cầu nối hàn dính tại các chỗ tiếp xúc Lực chống lại sự dứt đứt các cầu nối đó và sự hình thành các cầu mới chính là thành phần dính kết của lực ma sát (FDK)

Như vậy lực ma sát Fms được xác định như tổng của các lực thành phần

Fms= FBD+ FDK Trong đó thành phần biến dạng của lực ma sát FBD= f(h/R); h - chiều sâu xen kẽ, R- bán kính chỗ nhấp nhô xen kẽ nhau

Tương tác cơ học giữa hai bề mặt ma sát thể hiện ở 3 mức độ: 1) Tiếp xúc đàn hồi; 2) Biến dạng dẻo; 3) Cắt vi mô (hình 2.5 a,b,c)

Hình 2.5 Các dạng tương tác của bề mặt ma sát:

a) Tiếp xúc đàn hồi, b) Biến dạng dẻo, c) Cắt vi mô

Cường độ mài mòn sẽ là ít nhất khi tiếp xúc đàn hồi Khi biến dạng dẻo cường độ hao mòn sẽ lớn gấp hàng chục lần Tương tác dẫn đến cắt vi mô là không cho phép vì nó sẽ nhanh chóng làm hỏng chi tiết

Tương tác dính kết thể hiện ở hai dạng:

1/ Hạt mài bám vào và phá huỷ lớp màng oxit hoặc màng hấp phụ có sẵn trên bề mặt ma sát (hình 2.6 a) Sự phá huỷ bề mặt bằng cách cắt các màng oxit gọi là sự mài mòn ôxy hoá

2/ Hạt mài bám vào các bề mặt kim loại kèm theo ăn sâu vào bên trong (hình 2.6 b) Trên bề mặt ma sát sẽ hình thành các chỗ lõm sâu, trên bề mặt kia là các hạt vừa bị bóc lên rồi chúng sẽ lại bị bám tiếp và lan khắp bề mặt ma sát, phá huỷ mạnh vật liệu, và đôi khi do toả nhiệt nhiều còn gây ra hiện tượng hàn dính

Hình 2.6 a/ hạt mài bám vào và phá huỷ lớp màng oxit ,

b/ hạt mài bám vào các bề mặt kim loại kèm theo ăn sâu vào bên trong

2.2.4.2 Quá trình thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt ma sát

Đối với các bề mặt ma sát là kim loại, trong khi làm việc do biến dạng, sự tăng nhiệt độ hoặc tác dụng hoá học của môi trường thường dẫn đến các thay đổi

về trạng thái tổ chức hoặc tính chất lớp bề mặt

a/ Sự thay đổi do tổ chức lớp bề mặt không đồng nhất

Do tổ chức lớp bề mặt không đồng nhất, có pha mềm (thường là dung dịch rắn) và pha cứng (các pha cacbit, nitrit ) Biến dạng lớp bề mặt (có thể là biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng dẻo) ít nhiều đều dẫn đến hiện tượng biến cứng nguội lớp bề mặt với mức độ khác nhau Dưới tác dụng lặp lại nhiều lần của tải trọng, trước hết pha mềm sẽ bị mài mòn Áp suất trên các thành phần cứng tăng, ép chúng lên nền mềm Dưới tác dụng của của lực ma sát một số phần cứng bị phá vỡ

và dịch chuyển, do đó làm tăng các thành phần cấu trúc cứng trên bề mặt Kết quả

bề mặt tiếp xúc càng bị cứng hơn (hoá bền)

b/ Sự thay đổi do sự tăng nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, ở lớp bề mặt ma sát có thể xảy ra các trường hợp sau: Nếu nhiệt độ làm việc cao hơn nhiệt độ kết tinh lại quá trình ma sát xảy ra đồng thời có sự làm phẳng nhẵn bề mặt do có quá trình kết tinh lại thải bền

- Nếu nhiệt độ biến đổi không đồng đều, cục bộ có khu vực nung nhanh hoặc nguội nhanh có thể dẫn đến bề mặt có tổ chức như khi tôi, hoặc cũng có thể dẫn đến gây nên nội ứng suất làm giảm chất lượng bề mặt

- Ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tải trọng va đập, trên các bề mặt vi mô của cặp ma sát có thể còn xuất hiện tổ chức Macmaplasma (tương tự tổ chức xuất hiện khi núi lửa phun nhám thạch), kèm theo sự phát ra các điện tử (hình 2.7) Cấu trúc này rất cứng sẽ gây ra sự mòn cục bộ bề mặt ma sát

c/ Sự thay đổi xảy ra do tác dụng hoá học của môi trường xung quanh

- Môi trường không khí sẽ tạo nên trên bề mặt kim loại đã làm sạch trong quá trình mài mòn những lớp oxit Lớp oxit này thường có tác dụng làm giảm cường

Hình 2.7 1-Tổ chức ban đầu; 2 - Tổ chức nỏng chảy; 3 - Tổ chức plasma;

4 - Điện tử phát ra 2.2.4.3 Sự phá huỷ các bề mặt ma sát

Các bề mặt ma sát thường có các dạng hỏng điển hình sau:

Sự tróc - dạng hư hỏng phổ biến nhất của các bề mặt ma sát Các phần tử bị

tróc khỏi bề mặt ma sát có thể là các thành phần cấu trúc cứng của hợp kim sau khi mòn hết nền mềm, các phần tử của lớp kim loại lót chống ma sát khi bị mỏi

Tạo vết xước gây ra do các phần tử cứng xâm nhập bị ép sẽ gây biến dạng bề

mặt, các vết xước xuất hiện gần như song song với quãng đường trượt

Sự bong tách, trong quá trình ma sát phần vật liệu bị biến dạng dẻo và đẩy về

một phía bề mặt ma sát, tràn lên các màng oxit, phần vật liệu này sẽ mất liên kết với

kim loại nền sinh ra bong tách

Cắt vi mô gây ra do những phần tử cứng của hạt mài hoặc sản phẩm mài

mòn xâm nhập vào độ sâu nhất định Trường hợp này ít xảy ra

Sự bứt sâu đó là dạng phá huỷ xảy ra khi hai bề mặt dịch chuyển tương đối có

tạo nên các phần tử tương tác bền vững hơn một hoặc cả hai vật liệu Lúc đó phá huỷ

sẽ xảy ra ở sâu trong một trong hai bề mặt Sản phẩm của sự mài mòn này ở dạng hạt

có thể đạt tới vài mm, sẽ lại bị đập vỡ tiếp và là nguyên nhân của quá trình mài mòn tiếp theo

Cơ chế mòn của polyme và cao su về cơ bản cũng tương tự như kim loại Tuy nhiên quy luật có khác đôi chút, chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm cơ lý tính của polyme nói riêng và phi kim nói chung Quy luật biến đổi của chúng trong quá trình ma sát cần được xem xét cụ thể

2.2.5 Các giai đoạn mòn của cặp ma sát

Hình 2.8 giới thiệu đường cong mài mòn điển hình của một số vật liệu Trong trường hợp chung có thể phân đường cong mài mòn thành 3 phần tương đương với 3 giai đoạn mòn

I- Sự mài mòn ban đầu khi chạy rà chi tiết

II- Sự mài mòn ổn định

III- Quá trình tăng vọt tốc độ mòn, tương ứng với giai đoạn mòn khốc liệt Trong giai đoạn đầu diện tích tiếp xúc thực tế nhỏ, khi tăng tải sẽ có áp lực lớn dẫn đến biến dạng dẻo Một phần độ nhấp nhô bề mặt bị nén ép, một phần bị phá huỷ, nói chung mức độ nhấp nhô giảm đi

Quá trình làm phẳng độ nhấp nhô vĩ mô sẽ làm tăng bề mặt tiếp xúc, cường độ mài mòn chậm dần

Hình 2.8 Đường cong mài mòn 1- tốc độ mòn, 2- lượng mòn

Trong điều kiện làm việc không đổi, sau một thời gian xác định, sẽ tạo nên độ nhám ổn định của các bề mặt ma sát

Quá trình mài mòn ổn định thể hiện bằng sự biến dạng, phá huỷ và tái tạo không ngừng các khu vực riêng của lớp bề mặt

Quá trình mài mòn khốc liệt tương ứngkhi khe hở các cặp ma sát tăng, điều kiện ma sát xấu đi, sự thay đổi kích thước bề mặt (sự tạo độ côn, độ ăn khớp ở bánh răng kém đi ) dẫn đến quá trình mài mòn tăng đột ngột và kết quả là phá huỷ bề mặt làm việc

Đường cong mài mòn thực tế không thể là đường đều đặn Chỉ sau khi sự thay đổi đạt tới một giới hạn nhất định, sự phá huỷ mới bao trùm phần lớn bề mặt Nếu tốc độ mài mòn ổn định, quá trình này sẽ lặp lại theo chu kỳ Do đó, đường cong mài mòn phải là tập hợp liên tục các đoạn cong với tung độ không giảm

2.2.6 Phân loại mòn

Mài mòn là một quá trình phức tạp, gây ra bởi nhiều nguyên nhân, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố Dạng mài mòn có thể xác định gần đúng bằng các dấu hiệu bên ngoài của các bề mặt ma sát Có nhiều cách phân loại mài mòn, một trong những phương pháp đó là dựa vào bản chất của những yếu tố chính dẫn đến mài mòn để phân loại: mài mòn cơ hoá và mài mòn cơ học

2.2.6.1 Mài mòn cơ học

Nếu gọi KT là tỷ số giữa độ cứng của kim loại (HK) và độ cứng của hạt mài (Hm), mài mòn cơ học sẽ xảy ra khi KT< 0,6 Mài mòn cơ học là dạng hư hỏng cần hết sức hạn chế (là loại mòn không cho phép) vì nó nhanh chóng làm mất khả năng làm việc của chi tiết Các biểu hiện của dạng mài mòn này gồm:

Tróc là hiện tượng xảy ra giữa các bề mặt ma sát trong quá trình làm việc

có hình thành liên kết kim loại cục bộ, sự biến dạng và sự phá huỷ liên kết ấy kèm theo việc bong tách các hạt kim loại hay bám dính các hạt ấy lên bề mặt tiếp xúc

Tróc nhiệt xảy ra trong quá trình chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao, bề mặt

tiếp xúc bị biến dạng và hoá mềm (do kết tinh lại) Tróc nhiệt phụ thuộc vào tính

ổn định nhiệt, độ cứng nóng, tính dẫn nhiệt của bản chất vật liệu ma sát

Mỏi mòn là hiện tượng hư hỏng xảy ra ở chi tiết máy làm việc với ma sát lăn

chịu tải chu kỳ lớn Phá huỷ xuất hiện kèm theo sự xuất hiện các vết rạn nứt bề mặt

Quá trình Fretting đó là sự chuyển vị nhỏ của bề mặt lắp ghép Hiện tượng

này dẫn đến giảm độ chính xác lắp ghép Hiện tượng chỉ xảy ra khi vận tốc trượt cặp ma sát lớn hơn một giá trị tối thiểu nào đó

Sự ép lún xảy ra khi cặp ma sát chịu tải quá lớn, biến dạng dẻo vĩ mô xảy ra

dẫn đến làm thay đổi kích thước của cặp ma sát

Sự bào mòn kim loại: xảy ra khi bề mặt chi tiết chịu tác dụng va đập

thường xuyên hoặc chu kỳ của môi trường như dòng khí, nước, đất cát

2.2.6.2 Mài mòn cơ hoá

Mài mòn cơ hoá xảy ra khi KT > 0,6 Dạng mòn cơ hoá điển hình là sự hao mòn do oxy hoá bề mặt làm việc của chi tiết Trong quá trình làm việc các lớp oxit, màng hấp thụ hoá học, màng của các dung dịch rắn bị bong tách khỏi bề mặt ma sát Sự hao mòn oxy hoá là quá trình ổn định tĩnh tại vì nó có sự tái lập lại các lớp oxyt mới tạo nên cân bằng động về kích thước của bề mặt ma sát Vì

lý do trên người ta xếp loại mài mòn này vào loại hao mòn cho phép

Mài mòn do ăn mòn xảy ra do tác dụng hoá học hoặc điện hoá của môi trường sẽ được trình bày kỹ trong phần tiếp theo của chương này

Cần thấy rằng trong những điều kiện làm việc cụ thể, một chi tiết của cặp

ma sát có thể chịu dạng mài mòn này, chi tiết kia chịu dạng mài mòn khác và cũng có thể một chi tiết chịu mài mòn đồng thời của nhiều dạng mài mòn khác nhau

2.2.7 Những biện pháp nâng cao tính chống mài mòn

Hai phương thức cơ bản để nâng cao tính chống mài mòn của vật liệu là:

- Tăng độ cứng các bề mặt ma sát: tăng độ cứng nhằm làm cho biến dạng dẻo khó khăn và loại trừ sự cắt vi mô các bề mặt ma sát, làm tăng khả năng đàn hồi ở các vùng tiếp xúc Thường thực hiện bằng cách thấm cacbon, thấm nitơ

- Giảm độ bền liên kết bàm dính nhằm phòng ngừa sự bám dính các bề mặt

ma sát dẫn đến phá huỷ chúng Thường thực hiện bằng nhiều giải pháp, trong đó biện pháp dùng chất bôi trơn lỏng hoặc rắn là có hiệu quả hơn cả

Điều kiện ma sát mà chủ yếu là vận tốc trượt và áp suất ảnh hưởng đến độ mòn

2.2.8 Các phương pháp kiểm tra và đánh giá độ mài mòn

Để kiểm tra và đánh giá mức độ mài mòn bề mặt có thể có ba nhóm phương pháp:

- Đánh giá độ mòn theo sự thay đổi các thông số hình học của chi tiết: sử dụng các máy đo quang học, máy đo điện tử hiện đại độ chính xác tới (4÷5) 10-6

mm

- Đánh giá theo sự thay đổi thông số trọng lượng bằng cách cân chính xác…

- Đánh giá các chỉ tiêu cụ thể bằng các thiết bị chuyên dùng như: máy đo hệ

số ma sát, máy đo độ mòn

2.3 HỎNG DO ĂN MÒN

2.3.1 Khái niệm và phân loại ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại là sự tự phá huỷ kim loại do tác dụng của môi trường (không khí, nước sông, nước biển, các dung dịch axit, kiềm, muối ) Khái niệm

gỉ thực chất là thuật ngữ dân gian dùng để chỉ sự ăn mòn sắt và các hợp kim của sắt, với sự tạo thành các sản phẩm ăn mòn chủ yếu gồm hyđroxit bị hyđrat hoá Người ta phân biệt hai loại ăn mòn sau:

 Ăn mòn khô, hay thường gọi là ăn mòn hoá học là do phản ứng hoá học của kim loại với môi trường xung quanh chứa các chất oxy hoá như O2, Cl2

 Ăn mòn điện hoá là sự phá huỷ kim loại trong môi trường chất điện ly, quá trình ăn mòn có kèm theo sự xuất hiện dòng điện

2.3.2 Ăn mòn điện hóa

2.3.2.1 Thế điện cực

Khi ta nhúng một thanh kim loại Me vào dung dịch điện ly là muối của chính nó tan trong nước, thì ở bề mặt phân cách kim loại - dung dịch điện ly sẽ xảy ra 2 quá trình:

1 Các ion kim loại ở bề mặt tiếp xúc với dung dịch điện ly bị hyđrat hoá,

rời khỏi mạng lưới tinh thể và chuyển vào dung dịch - đó là quá trình oxy hoá

Me + mH2O = Me+n mH2O + ne Lượng điện tích do các cation kim loại từ bề mặt kim loại chuyển vào dung dịch trong một đơn vị thời gian chính là tốc độ của quá trình thuận I1

2 Các cation kim loại muối của nó tan trong nước sẽ từ dung dịch chuyển đến bề mặt kim loại Ở đó nó nhận điện tử để trở thành nguyên tử kim loại nằm

trong hệ thống mạng tinh thể Đó là quá trình khử

Me+n mH2O + ne  Me + nH2O Quá trình này ngược với quá trình trên, ta gọi đó là quá trình nghịch I2

Ở điều kiện cân bằng I1 = I2, giữa bề mặt kim loại và dung dịch hình thành một lớp điện tích kép cân bằng, dẫn đến tạo nên một bước nhảy điện thế, độ lớn

của độ chênh điện thế này được gọi là thế điện cực của kim loại cb

Me

 Trong thực tế ta không thể đo được trực tiếp giá trị tuyệt đối của điện thế điện cực cân bằng cb

Me

 (thuận nghịch) giữa kim loại và dung dịch chứa muối của chúng Người ta thường chỉ đo gián tiếp điện thế điện cực tiêu chuẩn 0 bằng pin điện hoá gồm hai nửa pin: một nửa pin là điện cực kim loại nghiên cứu, còn nửa kia là điện cực so sánh Hình 2.9 trình bày sơ đồ pin điện hoá gồm điện cực kim loại Me nhúng trong dung dịch có a Men = 1 và điện cực so sánh là điện cực hydro tiêu chuẩn có điện thế được quy ước bằng không

Sức điện động Eo của pin trên hình 2.9 là:

Eo = o(Me+

/Me) - o(2H+/H2)

Eo = o(Me+

/Me) - 0 = o(Me+/Me)

Hình 2.9 Sơ đồ đo thế điện cực của kim loại

Đó chính là điện thế điện cực tiêu chuẩn của điện cực nghiên cứu

Dưới đây là điện thế điện cực tiêu chuẩn của một số kim loại thông dụng

Số liệu trong bảng này cho phép đánh giá chiều làm việc của pin điện hoá

Ví dụ có một pin điện hoá gồm hai nửa: nửa pin thứ nhất gồm điện cực Fe nhúng trong dung dịch Fe2+

có hoạt độ a µe2 =1, còn nửa pin thứ hai là điện cực Cu nhúng trong dung dịch chưa ion Cu2+

có hoạt độ a Cu2 =1 Sức điện động của pin

đó sẽ là:

/ 0

Cu  

 = 0,34 - (-0,44) = 0,78V

Bảng 2.1 Điện thế cực của một số kim loại điển hình

Kim loại Điện thế 0, V Kim loại Điện thế 0, V

0 -0,126 -0,136 -0,25

Fe sang điện cực Cu, nghĩa là đi từ nơi sinh ra electron đến nơi tiêu thụ chúng Trong trường hợp này, trên điện cực Fe sẽ có phản ứng anôt:

Các nghiên cứu đã chỉ ra:

Kim loại có điện thế cực càng âm thì trong một dung dịch điện ly cation của

nó càng dễ bị chuyển vào dung dịch

Những kim loại có điện thế cực âm hơn với điện thế cực hyđro, dễ hoà tan trong dung dịch điện ly axit và giải phóng hyđro

Kim loại có điện thế càng dương thì càng dễ bị ion hoá trong dung dịch điện ly và kết tủa trên kim loại có điện thế âm hơn

CuSO4+ Fe = FeSO + Cu 

Tuy nhiên cần lưu ý rằng hoạt độ của các ion trong dung dịch thường khác

1, nên muốn biết kim loại có bị ăn mòn hay không ta phải tính điện thế cân bằng của nó theo phương trình Nernst:

Ze Ze

C là nồng độ ion kim loại trong dung dịch

Sau đó so sánh với điện thế cân bằng của phản ứng khử phân cực catot ở điều kiện thực tế - gọi tắt là điện thế cực cân bằng của môi trường cb

MT

2.3.2.2 Các quá trình cơ bản khi ăn mòn điện hoá

Trong vật liệu thực, tổ chức không đồng nhất, khi đó quá trình trên sẽ xảy

ra như thế nào? Giả thiết xét một thanh kim loại không đồng nhất Các quan sát diễn biến ở hai vùng lân cận có tổ chức tế vi khác nhau như biểu diễn trên hình 2.11 khi nhúng trong môi trường điện ly cho thấy xảy ra ba quá trình:

a/- Quá trình anôt (hoà tan) xảy ra ở khu vực ion kim loại bị hyđrat hoá và

chuyển vào dung dịch (vùng A trên hình 2.10 - nơi có điện thế cực âm hơn) Do vậy bề mặt kim loại sẽ dư một lượng điện tử tương ứng:

n e Me  Me+n m H2O ; (2.1)

Trong quá trình này kim loại bị mất điện tử, nó bị oxy hoá

b/ Quá trình catot - quá trình này xảy ra ở khu vực B của thanh kim loại

được biểu diễn trên hình 2.10 (có điện thế cực dương hơn) tại đó các ion, nguyên, phân tử của chất điện ly nhận điện tử trên bề mặt kim loại theo phản ứng tổng quát sau:

D + ne  Dne (2.2)

Trong đó: Dne là dạng chất khử, D là

chất oxy hoá nhận điện tử do của kim

loại bị ăn mòn giải phóng ra Chất oxy

hóa thường là ôxy, hydro hòa tan trong

nước Ăn mòn với sự khử phân cực catot

bởi ôxy chính là quá trình ion hoá ôxy

Quá trình này có thể xảy ra trong môi

trường trung tính, kiềm, axit hữu cơ yếu Hình 2.10 Sơ đồ nguyên tắc các quá

trình ăn mòn điện hoá c/ Quá trình dịch chuyển điện tử, các ion âm và dương: khi hai quá trình điện

cực xảy ra đồng thời sẽ có sự chuyển dịch các điện tử từ khu vực anôt đến vùng catot

Trong dung dịch điện ly có sự chuyển dịch của các cation và anion tương ứng

Từ những trình bày trên có thể rút ra 2 kết luận sau:

- Quá trình hoà tan (ăn mòn) kim loại theo phản ứng (2.1) chỉ có thể tiếp diễn khi có mặt các tác nhân khử phân cực D, để thực hiện phản ứng (2.2) và ngoài ra cũng cần có quá trình dịch chuyển các điện tử (trong kim loại) và ion (trong dung dịch)

- Muốn khống chế quá trình ăn mòn để bảo vệ kim loại, chỉ cần khống chế một trong ba quá trình Không có quá trình “nhận điện tử” thì cũng không thể tiếp tục quá trình “cho điện tử” Hoặc giả ngăn chặn quá trình dịch chuyển điện

tử thì hai quá trình “cho” hoặc “nhận điện tử” cũng không thể tiếp tục Đây chính

là nguyên lý cơ bản để lựa chọn các giải pháp kỹ thuật điện hoá chống ăn mòn kim loại, như thụ động hoá kim loại, bảo vệ catot, sơn phủ

Kim loại vùng anôt (còn gọi là dương cực), khi tan sẽ tạo ra dòng điện Như vậy quá trình ăn mòn kim loại xảy ra đồng thời với sự xuất hiện dòng điện giữa hai vùng khác nhau (catot và anôt) của thanh kim loại gọi là dòng điện ăn mòn Cường độ dòng điện ăn mòn đặc trưng cho tốc độ ăn mòn Người ta đã tính được đại lượng có ý nghĩa sau với hệ hợp kim Fe-C, điển hình là các loại thép cacbon:

Với mật độ dòng ăn mòn 0,86mA/cm 2 , tương đương tốc độ ăn mòn 0,001mm/năm

Nếu là ăn mòn đều, thì tốc độ 0,001mm/năm tương đương sự tiêu hao 21g/m2 ngày

Sự tiêu hao vi lượng này tưởng như không đáng kể, song lại vô cùng nguy hiểm theo thời gian, đặc biệt là nếu sự ăn mòn chỉ khu chú cục bộ vào từng vùng

nhất định như ăn mòn điểm, ăn mòn mớn nước sẽ dẫn đến làm hỏng thiết bị nhanh chóng

Vùng kim loại bị hoà tan đóng vai trò cực dương (anôt), còn vùng kia đóng vai trò cực âm (catot) không bị tan Một hệ thống như vậy tương đương như một cặp pin hay nguyên tố ăn mòn ganvanic

Sự ăn mòn kim loại trong tự nhiên (ví dụ trong nước sông, nước biển, trong dung dịch kiềm, axit ) chủ yếu xảy ra theo cơ chế ăn mòn điện hoá

Nguyên nhân cơ bản của sự ăn mòn điện hoá trong điều kiện thực tế là do tính không đồng nhất của vật liệu Vật liệu có hai pha, vật liệu không tinh khiết, có lẫn tạp chất Trong trường hợp tổng quát bề mặt kim loại bị ăn mòn bao gồm vô

số cặp pin tế vi (hình 2.12).

-+Trong mỗi cặp như vậy đều gồm những vùng anôt và catot phân biệt, giữa chúng tồn tại một dòng điện ăn mòn tế vi Trong thế ổn định, dòng điện tổng trên các catot bằng tổng các dòng điện tế vi

Hình 2.12 Bề mặt kim loại hình thành các cặp pin tế vi

2.3.2.3 Sự phân cực

Nhúng hai thanh kim loại khác nhau (một thanh đồng và một thanh kẽm) vào cùng một bình đựng dung dịch điện ly (giả sử là dung dịch muối ăn) Ban đầu khi để hở mạch, đo điện thế cực của kẽm và đồng ta được các giá trị tuơng đương trong bảng 2.1 (Zn = - 0,76V ; Cu = + 0,34V), kẽm có giá trị điện thế âm hơn nên là anôt và đồng là catot

Hiệu điện thế giữa hai cực chính là sức điện động của hệ thống:

U0 = 0 0

A

  =+0,34- (- 0,76) = +1,1V Khi mới nối mạch sẽ có dòng điện I0 chạy từ anôt sang catot, giá trị của nó xác định bằng biểu thức:

I0 =

R R

U0 K0 A0

Trong đó R là điện trở của hệ thống

Sau khi đóng mạch nhận thấy I0 giảm dần xuống I (I0 >> I) Rõ ràng là điện trở mạch không đổi, dòng điện giảm chỉ có thể do U0 giảm (sơ đồ hình 3.4) Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm

Điện thế của Zn (anôt) tăng lên một lượng là A:

A = A - 0

A Điện thế của Cu (catot) giảm đi một lượng là K:

k = - 0

K- K

Hiện tượng trên gọi là phân cực, do vậy có thể định nghĩa: sự dịch chuyển

của điện thế điện cực khỏi giá trị cân bằng khi có dòng điện đi qua gọi là phân cực

và mức độ của sự dịch chuyển đó gọi là quá thế 

Từ giác độ chống ăn mòn, hiện tượng phân cực là có lợi vì nó làm giảm quá trình ăn mòn

2.3.2.4 Sự thụ động hoá

Thụ động hoá là hiện tượng bề mặt ăn mòn đột nhiên mất khả năng hoạt động hoá học, nó bị hoá trơ Hiện tượng như vậy chỉ xảy ra trong những điều kiện môi trường nhất định Ví dụ sắt trong môi trường axit HNO3 35% hầu như không bị ăn mòn, ta nói nó bị thụ động Các kim loại khác như Crom, Niken cũng rất dễ bị thụ động hoá

Nguyên nhân gây ra thụ động hoá là do sự tạo thành trên bề mặt kim loại lớp màng oxit MexOy hoặc lớp hấp phụ ngăn cản quá trình hoà tan kim loại

xMe + y H2O  MexOy + 2y H+ +2e Đặc điểm nổi bật của quá trình thụ động hoá là:

- Tốc độ ăn mòn giảm đột ngột,

- Điện thế điện cực của kim loại chuyển về phía dương hơn

Hiện tượng thụ động hoá hay còn gọi là khả năng tự bảo vệ của kim loại có

ý nghĩa rất lớn trong thực tiễn Trạng thái thụ động của bề mặt kim loại được biểu diễn bằng sự chuyển dịch điện thế của kim loại về chiều dương Ví dụ sắt ở trạng thái hoạt động có điện thế khoảng 0,4 0,5V, còn ở trạng thái thụ động thì điện thế của nó chuyển đến giá trị +1,5V Để tạo ra trạng thái thụ động, cần phải thay đổi các yếu tố của môi trường hoặc bản chất kim loại Mức độ tự bảo vệ của các kim loại rất khác nhau Ví dụ niken tự bảo vệ tốt hơn sắt, nó có khả năng tự bảo vệ trong axit axêtic, axit oxalyc, axit boric, axit photphoric và nhiều dung

dịch muối trung tính Crôm dễ chuyển sang trạng thái thụ động trong axit nitric loãng Bằng cách hợp kim hoá, đưa thêm vào sắt một lượng nhỏ các nguyên tố

có khả năng tự bảo vệ tốt như Cr, Ni có thể thu được những hợp kim có khả năng chống ăn mòn cao Sự mất tính thụ động của kim loại có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân như: do quá trình khử, do phá huỷ cơ học lớp bảo vệ, do tăng nhiệt

độ, hoặc do sự xuất hiện của các ion mạnh như Cl-, SO-2, OH-,v.v

Hiện tượng thụ động hoá của kim loại có ý nghĩa rất lớn trong thực tiễn, bởi

vì dựa trên cơ sở hiểu biết này người ta có thể tạo ra nhiều hợp kim có tính chống

ăn mòn tốt Tuỳ thuộc vào đặc tính của chất thụ động và chất hoạt động trong dung dịch và tỷ lệ nồng độ của chúng có thể thay đổi bề mặt kim loại từ trạng thái thụ động sang trạng thái hoạt động và ngược lại

2.3.3 Ăn mòn hoá học

Là sự tự phá huỷ kim loại do tác dụng đơn thuần của phản ứng hoá học giữa vật liệu kim loại và môi trường, chủ yếu là các phản ứng oxy hoá ở nhiệt độ cao Như vậy ăn mòn hoá học chỉ xảy ra trong môi truờng khí, hoặc trong các chất lỏng không điện ly Ăn mòn hoá học khác với ăn mòn điện hoá là ở chỗ trong quá trình không xuất hiện dòng điện, sản phẩm ăn mòn nằm lại ngay trên bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và môi truờng

2.3.3.1 Bản chất của hiện tượng ăn mòn khí

Thực chất của sự ăn mòn khí là quá trình kim loại bị oxy hoá, có thể biểu diễn bằng phản ứng tổng quát sau:

m Me + m n.

4 O2  Mem Om.n/2Trong đó: Me - kim loại

m - hệ số cân bằng phương trình hoá học

n - hoá trị của kim loại

Ví dụ: sự oxy hoá nhôm nguyên chất xảy ra theo phản ứng:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

2.3.3.2 Nhân tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn hoá học

a/ Bản chất của lớp màng oxit - sản phẩm của sự ăn mòn

Sản phẩm của sự oxy hoá là các loại oxit MemOm.n/2 (trong trường hợp cụ thể vừa xét là Al2O3), bao giờ cũng nằm lại thành lớp dày mỏng khác nhau trên

bề mặt tiếp giáp giữa kim loại - môi truờng khí Thông thường trong chừng mực nhất định chúng có tác dụng cản trở quá trình xâm nhập của môi truờng vào phần kim loại phía trong Do đó nó có tính chất bảo vệ nhất định Tuy nhiên không

phải mọi lớp oxit đều có tác dụng bảo vệ Điều kiện để lớp oxit có tác dụng bảo

vệ là:

- Màng oxit sít đặc, không có rỗ xốp, bao kín toàn bộ bề mặt kim loại Điều kiện để màng oxit luôn có thể bao phủ bề mặt kim loại là:

V V

oxxyt Me

>1

Trong đó: Voxit - thể tích riêng của oxit, VMe - thể tích riêng của kim loại Tuy nhiên cũng cần lưu ý, khi tỉ số này quá lớn sẽ gây nên ứng suất phá huỷ màng Ví dụ WO3 có Voxit/ VMe = 5,35 tính bảo vệ của nó rất kém

- Màng oxit phải bền trong môi truờng sử dụng Thực tế cho thấy các oxit

Cr2O3, Al2O3, SiO2 rất bền vững và thường bám khá chắc vào bề mặt kim loại, nên các kim loại Cr, Al, Si thường được cho thêm vào thép để tăng tính chống ăn mòn hoá học

- Màng oxit bám dính tốt với nền kim loại và có hệ số giãn nở nhiệt xấp xỉ

hệ số giãn nở nhiệt của kim loại

b/ Các nhân tố ảnh hưởng khác

- Ảnh hưởng của nhiệt độ - nhiệt độ càng cao tốc độ oxy hoá càng cao

- Ảnh hưởng của thành phần khí - môi trường càng chứa nhiều khí thải

công nghiệp có tính oxy hoá cao (CO, SO2, H2 O) càng dễ bị ăn mòn mạnh

- Ảnh hưởng của thành phần vật liệu Thép chứa Cr, Al, Si có tính chống ăn

mòn hoá học cao Các nguyên tố Ti, Cu, Co, Be cũng làm chậm sự oxy hoá nhưng

ít hơn

Chương 3 CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT BỀ MẶT

3.1 NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT

Nhiệt luyện bề mặt là một trong những biện pháp hoá bền bề mặt thông

dụng Phương pháp này hiện nay vẫn được áp dụng phổ biến trong sản xuất cơ

khí, dùng để tăng độ cứng, tính chống mài mòn các bề mặt khi làm việc chịu ma

sát như bề mặt răng, cổ trục khuỷu, trục cam Nội dung chủ yếu của phương pháp

là nung nóng nhanh bề mặt cần tôi cứng, sau đó làm nguội nhanh ngay phần

được nung, kết quả là phần được nung tôi có tổ chức mactenxit, còn những lớp

bên trong có tổ chức xoocbit - peclit

Mấu chốt của biện pháp công nghệ là phương pháp nung nóng nhanh bề mặt

được áp dụng để tôi cứng Với sự phát triển của các ngành khoa học công nghệ

cao, ngày nay có thể thực hiện việc nung nóng nhanh bề mặt bằng các giải pháp

sau:

- Nung nóng bằng ngọn lửa có nhiệt độ cao tới 3000oC

- Nung nóng bằng chất điện phân

- Nung nóng bằng nguồn nhiệt tạo thành ngay trong bản thân kim loại được

nung Phương pháp này có thể thực hiện bằng cách dùng:

 Dòng điện tần số cao: các lò tần số có giải tần từ 25  800KHz

 Dòng điện chạy qua giữa hai phần kim loại tiếp xúc nhau

 Dùng các chùm tia năng lượng cao: chùm tia laser, chùm tia điện tử

3.1.1 Tôi bề mặt bằng dòng điện tần số cao

Tôi bề mặt bằng dòng điện tần số cao (thường gọi tắt là tôi tần số cao TSC)

là một trong những phương pháp nhiệt luyện cục bộ, nhằm hoá bền lớp bề mặt

trong khi phần lõi của chi tiết vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu Để thực hiện

được mục tiêu này người ta áp dụng các biện pháp nung nóng thật nhanh bề mặt

chi tiết thép Phương pháp nung nóng nhanh bề mặt bằng dòng điện cảm ứng nhờ

hiệu ứng Jun-Lenxơ được ứng dụng phổ biến hơn cả Khi đặt chi tiết thép trong từ

trường của dòng xoay chiều (gọi là dòng sơ cấp) trên bề mặt chi tiết sẽ hình thành

dòng cảm ứng cùng tần số với dòng sơ cấp Do điện trở của chi tiết lớn (thép) dòng

cảm ứng tạo thành sẽ nung nóng nhanh bề mặt chi tiết Hình 3.1 sơ đồ nguyên lý

phương pháp nung nóng bề mặt bằng dòng cảm ứng tần số cao Hình ảnh thực

của phương pháp nung nóng bằng dòng cảm ứng được giới thiệu trên hình 3.2

Hình 3.1 Nguyên lý nung nóng bằng

dòng cảm ứng

Hình 3.2 Hình ảnh nung nóng nhanh

bằng dòng điện tần số cao

Sơ đồ phân bố nhiệt độ từ bề mặt

vào lõi chi tiết khi nung nhanh bằng

dòng cảm ứng được giới thiệu trên hình

3.3 Khi nung nhanh chênh lệch về sự

phân bố nhiệt độ từ bề mặt vào lõi là

khá lớn Đường 1 là sự phân bố nhiệt độ

từ bề mặt vào lõi ứng với khi nung

nhanh, Nếu làm nguội ngay sau khi tôi

lớp bề mặt a sẽ được tôi hoàn toàn, lớp

b tôi không hoàn toàn và lớp c không

được tôi Nếu không làm nguội nhanh

ngay sau khi cắt nguồn nhiệt sẽ có sự

phân bố lại nhiệt độ do truyền nhiệt

ứng với đường 2, chiều sâu

Hình 3.3 Sơ đồ phân bố nhiệt từ bề

mặt vào lõi khi nung nhanh

lớp tôi sẽ tăng đến a’ như hình 3.3 Mật độ dòng cảm ứng tập trung chủ yếu ở lớp bề mặt còn trong lõi hầu như không có Tần số xoay chiều càng cao thì chiều dày  lớp

có dòng điện cảm ứng càng nhỏ, có thể tính  theo công thức:

Khi chi tiết thép được nung vượt quá điểm Curi (770oC), thép chuyển từ sắt từ thành thuận từ nên độ thâm nhập của dòng điện sâu hơn, chiều dày được tôi cứng sẽ

tăng

3.1.2 Thiết bị tôi bề mặt bằng dòng điện tấn số cao

Thiết bị tôi bề mặt bằng dòng điện tần số cao bao gồm: nguồn điện tần số cao, các loại vòng cảm ứng, hệ thống cung cấp nước làm nguội vòng cảm ứng và cung cấp dung dịch làm nguội sản phẩm tôi, hệ thống điều khiển tự động vận chuyển sản phẩm tôi

3.1.2.1 Nguồn phát dòng điện tần số cao

Có thể có hai loại thiết bị:

Thiết bị phát dòng điện tần số cao và máy biến tần để biến dòng điện tần số công nghiệp thành tần số cao

-Thiết bị phát dòng điện tần số cao dạng đèn điện tử cho tần số làm việc trong khoảng 2580 kHz, công suất máy 50÷100KW, có thể tạo lớp tôi mỏng

12 mm, thường dùng để tôi bề mặt bánh răng mô đun nhỏ và các trục nhỏ

- Thiết bị phát dòng điện tần số trung bình, đó là loại máy phát trung tần dạng

cơ hoặc máy biến tần bán dẫn với tần số 2,58 KHz, công suất máy 100KW có thể tôi lớp bề mặt 35mm Thiết bị này thường dùng tôi bề mặt các bánh răng mô đun lớn, các trục máy có kích thước tương đối lớn, tôi bề mặt hoặc đầu mút đường ray

3.1.2.2 Vòng cảm ứng

Là bộ phận trực tiếp tạo nên dòng điện cảm ứng trên bề mặt chi tiết tôi, thường chế tạo bằng ống đồng đỏ có tiết diện khác nhau Trong quá trình làm việc, vòng cảm ứng được làm mát bằng nước Thông thường mỗi nhà máy tự chế tạo vòng cảm ứng tùy theo loại hình sản phẩm của mình Vòng cảm ứng phải có hình dạng giống

bề mặt cần nung Hình 3.4 giới thiệu một số loại vòng cảm ứng thông dụng khi tôi TSC

3.1.2.3 Hệ thống cung cấp nước làm mát và dung dịch làm nguội nhanh

- Nước làm mát chủ yếu dùng làm nguội vòng cảm ứng

- Dung dịch tôi chủ yếu là nước sạch, trong trường hợp cần thiết dùng các dung dịch tôi nước hòa tan polyme để làm nguội chi tiết

Không dùng dầu để tôi phun, vì sẽ gây hỏa hoạn và tạo khói ô nhiễm môi trường

k Nung từng răng bánh răng lớn

3.1.3 Công nghệ tôi tần số cao (TSC)

Các phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện tần số cao rất đa dạng, chủ yếu dựa vào hình dạng kích thước chi tiết để quyết định phương pháp cụ thể Dựa vào kích thước bề mặt cần tôi có thể có các phương pháp:

- Các bề mặt cần tôi nhỏ, áp dụng nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt

- Với các chi tiết như bánh răng lớn, trục khuỷu, phần cần tôi tách biệt, áp dụng nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt

- Với các chi tiết dài thường áp dụng cách nung nóng và làm nguội liên tục liên tiếp

Dựa vào vị trí bề mặt cần nung tôi có thể áp dụng các phương pháp sau: + Khi cần tôi mặt ngoài: vòng cảm ứng được chế tạo dạng ống hoặc lò xo bao lấy mặt ngoài chi tiết (trục, bánh răng nhỏ…) Chi tiết nhỏ thì tôi toàn bộ chi tiết, chi tiết lớn thì nung tôi liên tiếp

+Khi cần tôi bề mặt trong: vòng cảm ứng được thiết kế sao cho có thể đặt bên trong

+ Khi tôi mặt phẳng: vòng cảm ứng được chế tạo phù hợp với bề mặt cần tôi như hình 3.5