Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200 đến giảm ma sát và tự phục hồi mòn của nano TiO2 trong dầu bôi trơn CF4-15W40

Ma sát và mài mòn dẫn đến giảm hiệu suất của chi tiết máy. Chất phụ gia nano trong dầu bôi trơn có khả năng làm giảm ma sát và tự hồi phục bề mặt mài mòn. Sử dụng thiết bị ma sát 4 bi (MRS-10A) thí nghiệm với phụ gia nano TiO2 hàm lượng 0,5% và các hàm lượng chất phân tán (PEG-200) bổ sung vào dầu bôi trơn để đánh giá mức độ giảm ma sát.

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG PEG-200 ĐẾN GIẢM MA SÁT VÀ TỰ PHỤC HỒI MỊN CỦA NANO TiO2 TRONG DẦU BƠI TRƠN CF4-15W40 RESEARCH ON THE INFLUENCE OF PEG-200 TO FRICTION REDUCTION AND ABRASION SELF-RECOVERING OF NANO TiO2 IN LUBRICANT CF4-15W40 Nguyễn Đình Cương, Trần Quang Thắng Email: nguyencuong1111980@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 9/5/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 11/9/2017 Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017 Tóm tắt Ma sát mài mòn dẫn đến giảm hiệu suất chi tiết máy Chất phụ gia nano dầu bôi trơn có khả làm giảm ma sát tự hồi phục bề mặt mài mòn Sử dụng thiết bị ma sát bi (MRS-10A) thí nghiệm với phụ gia nano TiO2 hàm lượng 0,5% hàm lượng chất phân tán (PEG-200) bổ sung vào dầu bôi trơn để đánh giá mức độ giảm ma sát Dùng thiết bị đo đường kính vết mòn bi, kính hiển vi điện tử quét (SEM) máy phổ tán sắc lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học bề mặt vết mòn, từ phân tích khả tự hồi phục mài mòn phụ gia nano TiO2 Kết thí nghiệm thấy rằng, bổ sung hàm lượng phụ gia 0,5% nano TiO2 1,0% PEG-200 vào dầu bôi đạt hiệu giảm ma sát hồi phục bề mặt mài mòn tốt điều kiện vật lý tiến hành thực nghiệm Từ khóa: Ma sát mài mòn; tự hồi phục; chất phụ gia nano TiO2; polyethylene glycol (PEG) Abstract Friction and abrasion are the reasons leading to the efficiency reduction of machine part The nano additives in lubricant are capable of reducing friction and self-recovering abrasive surfaces The article utilized four-ball friction device (MRS-10A) experimented with 0.5% of TiO2 nano additive and dispersant content (PEG-200) added to the lubricant to assess the level of friction reduction Ball wear diametermeasurement device, Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDX) are used to analyze the chemical elements of wear surface and the ability of abrasive selfrecovering of TiO2 nano additive The experiment results showed that the addition of 0.5% nano TiO2 and 1.0% PEG-200 additive to the lubricant had the best effect on friction reduction and surface abrasion under physical condition to conduct experiments Keywords: Friction brasion; self-recovering; TiO2 nano additive; polyethylene glycol (PEG) ĐẶT VẤN ĐỀ Trên giới, quốc gia phát triển đặc biệt quan tâm hướng nghiên cứu chất phụ gia nano dầu bôi trơn Ở Mỹ, Christopher DellaCorte [1] nghiên cứu hỗn hợp phụ gia nano Ag/BaF2-CaF2 tự hồi phục mòn bề mặt ma sát Nghiên cứu phát rằng, chất phụ gia nano tự hồi phục mài mòn cặp chi tiết ma sát mà hình thành lớp kim loại bảo vệ bề mặt ma sát nên chống mài mòn Nhóm tác giả Nga, G.V Vinogradov [2] nghiên cứu chất phụ gia nano lưu huỳnh dầu bôi trơn, thí nghiệm máy bi, kết thí nghiệm thấy rằng, vết mòn bề mặt bi nhỏ Tác giả A Neville [3] (Vương quốc Anh) nghiên cứu, bổ sung hàm lượng chất phụ gia tối ưu dầu bôi trơn làm giảm hệ số ma sát, mài mòn cặp chi tiết ma sát Thơng qua kết nghiên cứu, phân tán 52 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ổn định thời gian dài của phụ gia nano dầu bôi trơn yếu tố định đến giảm ma sát mài mòn chi tiết [4] 2.3 Thiết bị thí nghiệm TiO2 hợp chất có tính chất: độ nóng chảy cao, chịu bị ăn mòn hóa học, dễ khuếch tán vào bề mặt kim loại, chịu mài mòn, độ cứng lớn giữ độ dẻo [5] PEG-200 chất phân tán, thể lỏng không màu suốt chất hoạt động bề mặt Trong điều kiện mơi trường chất lỏng thích hợp, PEG-200 bao quanh hạt nano, ngăn cản hạt nano tự liên kết với [6-7] Bài viết trình bày kết nghiên cứu hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma sát tự hồi phục mài mòn nano TiO2 dầu bôi trơn CF4-15W/40 VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1 Vật liệu thí nghiệm Lựa chọn nano TiO2 10 nm (Công ty TNHH Vật liệu nano kim loại Thượng Hải, Trung Quốc); chất phân tán polyethylene glycol, trọng lượng phân tử PEG-200 (Công ty TNHH Hóa chất Quảng Đơng, Trung Quốc); Dầu bơi trơn CF4-15W/40 Viên bi tiêu chuẩn, vật liệu GCr l5, đường kính 12,7 mm, độ cứng HRC 64-66 2.2 Pha chế phụ gia Chất phụ gia pha chế cách: Trộn phụ gia nano TiO2 với PEG-200, sau đổ vào cốc dầu bôi trơn CF4-15W/40, trước tiên dùng đũa thủy tinh khuấy đều, sau đặt cốc dầu bơi có phụ gia vào máy phát sóng siêu âm KH3200E (hình 1), thời gian 30 phút [8] Hình Nguyên lý ma sát viên bi 1-Viên bi đỉnh; 2-Ba viên bi phía dưới; 3-Mối ghép kẹp viên bi; 4-Kẹp bi; 5-Đai ốc ren Sử dụng thiết bị ma sát bi MRS-10A để thí nghiệm với dầu bơi trơn có phụ gia nano Khi thí nghiệm, nhập thông số đầu vào: Tải trọng (N), tốc độ (vg/ph), nhiệt độ (oC), thời gian thí nghiệm (phút) khoảng cách thời gian ‘‘ghi nhớ’’ thông số Kết thúc thí nghiệm xuất bảng thơng số đầu ra: Thời gian, mômen xoắn, tải trọng, tốc độ, hệ số ma sát, nhiệt độ, tốc độ Nguyên lý làm việc máy bốn bi theo hình Viên bi phía kẹp chặt kẹp bi (4) có chuyển động quay Ba viên bi cố định mối ghép đai ốc ren (5) Khi viên bi (1) quay tiếp xúc ma sát với ba viên bi cố định phía Khi chuyển động, viên bi phía bị mài mòn biên dạng (vết mòn) hình tròn 2.4 Thơng số thí nghiệm phương pháp phân tích Hình Phân tán chất phụ gia nano dầu bôi trơn Dựa theo tiêu chuẩn SH-T0762-2005 (tiêu chuẩn bi-Trung Quốc) [9], thử nghiệm thiết bị ma sát bi MRS-10A Trung Quốc sản xuất Thí nghiệm với phụ gia nano dầu bôi trơn pha chế mục 2.2 Điều kiện thí nghiệm liệt kê theo bảng Dùng máy đo biên dạng mài mòn viên bi cố định phía dưới, sau tính trung bình đường kính vết mài mòn để đánh giá độ mòn q trình ma sát Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) máy phổ tán sắc lượng Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 53 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (EDX) quan sát vết mòn phân tích thành phần hóa học vết mài mòn viên bi Kết quan sát vết cầy xước bề mặt ma sát phân tích thành phần hóa học bề mặt viên bi bị mài mòn đánh giá khả tự hồi phục mòn phụ gia nano TiO2 Bảng Bảng thơng số thí nghiệm với hàm lượng PEG-200 Lần TN Hàm lượng nano TiO2 (%) PEG200 (%) Tải trọng (N) Tốc độ (vg/ ph) Nhiệt độ (OC) Thời gian TN (phút) 0,5 0,00 392 600 75 60 0,5 0,25 392 600 75 60 0,5 0,50 392 600 75 60 0,5 1,00 392 600 75 60 0,5 1,50 392 600 75 60 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Bảng Mẫu thí nghiệm hàm lượng chất phân tán Mẫu TN O0 O1 O2 O3 O4 Hàm lượng/% 0,25 0,5 1,0 1,5 Từ hình quan sát thấy hàm lượng chất phân tán ảnh hưởng đến lắng đọng phụ gia nano TiO2, hàm lượng chất phân tán 0% (O0) hàm lượng chất phân tán 1,5% (O4) dễ dàng quan sát thấy đáy ống nghiệm thành ống có lớp chất phụ gia nano TiO2 màu trắng đục lắng đóng đáy phần bám vào thành ống nghiệm Với hàm lượng PEG tăng từ 0,25 đến 1,0% (mẫu O1, O2, O3), lắng đọng chất phụ gia dần Khi hàm lượng PEG-200 1,0% quan sát (mẫu O3), đáy thành ống nghiệm khơng có lắng đọng Có thể khẳng định rằng, phân tán nano TiO2 dầu bôi trơn tốt 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng PEG-200 đến lắng đọng nano TiO2 Hạt nano kim loại thường có độ hạt vài đến vài chục nanomét, hạt nano mơi trường dầu bơi trơn có tính tự liên kết với tạo thành hạt lớn Nếu đơn cho hạt nano vào dầu bôi trơn, chất phụ gia nano giảm ma sát mòn mà sinh kết không mong muốn Giả sử hạt nano tự liên kết cục dầu bôi trơn biến thành tạp chất ảnh hưởng đến tính chất bơi trơn Do vậy, thành phần phụ gia dầu bôi trơn thiết phải gồm vật liệu nano chất phân tán [10] Có nhiều yếu tố để nano phân tán dầu bôi như: chủng loại, phân tử lượng, hàm lượng chất phân tán; lựa chọn thông số máy phân tán [11] Chất phân tán phải đảm bảo hai điều kiện là: chất phụ gia nano phân tán dầu bôi trơn mà trì thời gian dài khơng bị lắng đọng Sau pha chế chế phụ gia (mục 2.2), hàm lượng 0,5% nano TiO2 pha với hàm lượng chất phân tán PEG-200 (bảng 2) Sau rót dầu bơi trơn có pha phụ gia vào ống nghiệm Trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khơng khí tiêu chuẩn, sau 30 ngày quan sát lắng đọng chất phụ gia (hình 3) Hình Sự lắng đọng phụ gia với hàm lượng chất phân tán khác (sau 30 ngày) 3.2 Hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma sát mài mòn Thí nghiệm với mẫu thí nghiệm (bảng 2) để đánh giá mức độ giảm ma sát, mài mòn Từ hình thấy rằng, hệ số ma sát vết mòn chi tiết ma sát bị ảnh hưởng hàm lượng PEG-200 Khi dầu bơi trơn có phụ gia nano TiO2 (0% hàm lượng PEG-200), hệ số ma sát trung bình 0,0886 đường kính vết mòn trung bình 0,91 mm Nhưng hàm lượng chất phân tán 0,25%; 0,50%; 1,0% 1,5% hệ số ma sát giảm là: 11,2%; 13,6%; 20,6% 7,3%, vết mòn chi tiết ma sát giảm là: 8,7%; 10,9%; 24,1% 5,4% 54 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - NG LC Hệ số ma sát Đng kính vết mòn 0.095 HƯ sè ma s¸t (f ) 0.95 0.90 0.85 0.085 0.80 0.080 0.75 0.075 0.70 0.070 0.65 0.065 0.60 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 §ưêng kÝnh vÕt mßn (mm) 0.090 0.060 TiO2 lượng vừa đủ để chất phụ gia phân tán treo lơ lửng dầu bơi trơn 1.00 0.100 0.55 Hµm lượng PEG(%) Hình Ảnh hưởng hàm lượng PEG-200 đến hệ số ma sát đường kính vết mòn 3.3 Tự hồi phục mài mòn 3.3.1 Chất phụ gia có hàm lượng 0,0% PEG-200 Từ hình quan sát thấy, sử dụng dầu bơi trơn có phụ gia hàm lượng 0,5% nano TiO2 dầu bôi trơn, vết mòn có nhiều nhấp nhơ cao, độ sâu cầy xước rõ nét bề mặt ma sát, có nhiều vết cầy xước rõ nét toàn bề mặt mòn (hình 6a) Dùng máy phổ tán sắc lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học bề mặt ma sát (hình 6b), thấy tồn chủ yếu thành phần nguyên tố hóa học viên bi Fe, Cr, Mn Trên bề mặt vết mòn khơng tồn chất phụ gia nano TiO2 Hình Dùng SEM quan sát vết mài mòn a) Hàm lượng 0,0% PEG; b) Hàm lượng 0,25% PEG; c) Hàm lượng 0,5% PEG; d) Hàm lượng 1,0% PEG; e) Hàm lượng 1,5% PEG Khi bổ sung chất phụ gia nano kim loại chất phân tán PEG-200 (chất hoạt động bề mặt) hợp lý vào dầu bơi trơn phần tử PEG-200 bám xung quanh hạt nano (trạng thái no) làm cho giảm lực Van der Waals (lực phân tử), lực tĩnh điện [12-13] Nếu hàm lượng PEG-200 khơng đủ để bám xung quanh hạt nano dẫn đến hạt nano TiO2 liên kết với thành hạt lớn lực hút phân tử tĩnh điện Nhưng hàm lượng PEG-200 nhiều các hạt nano TiO2 lại sinh tượng dính vào phân bố cục khu vực định Với hàm lượng 1,0% chất phân tán PEG 0,5% nano Hình Phân tích thành phần hóa học (EDX) vết mòn với hàm lượng 0% PEG 3.3.2 Chất phụ gia có hàm lượng 1,0% PEG-200 Với hàm lượng 1,0% chất phân tán PEG hàm lượng 0,5% nano TiO2 dầu bôi trơn, quan sát bề mặt vết mòn (SEM) phân tích thành phần hóa học (EDX) vết mòn (hình 7) Từ hình quan sát thấy, bề mặt vết mòn hàm lượng 0,5% chất phụ gia nano TiO2 1,0% PEG200 (hình 7a) dầu bơi trơn so với chất phụ gia khơng hàm lượng phân tán PEG-200 có Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 55 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC vết cầy xước, vết cầy xước không rõ nét, bề mặt tương đối nhẵn bóng Dùng EDX phân tích thành phần hóa học bề mặt vết mòn có tồn nguyên tố hóa học Ti, C, Cr Fe (hình 7b) Trong đó, ngun tố Cr, C Fe thành phần hóa học chi tiết ma sát (viên bi), nguyên tố Ti từ chất phụ gia nano TiO2 dầu bôi trơn Nguyên tố Ti tồn bề mặt vết mòn có trị số 1,35% Do kết luận rằng, chất phụ gia nano TiO2 dầu bôi trơn bổ sung, khuếch tán vào vết mòn nên bề mặt chi tiết ma sát nhẵn bóng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Christopher DellaCorte (1996) The effect of counterface on the tribological erformance of a high temperature solid lubricant composite from 25 to 65oC Surface and Coatings Technology, Vol pp 486-492 [2] G.V Vinogradov, O.E Morozova (1960) A study of the wear of steel under heavy loads with lubricants containing sulphur-based additives Wear, Vol.3, pp 297-308 [3] A Neville, A Morina, T Haque, etc (2007) CoMPatibility between tribological urfaces and lubricant additives-How friction and wear reduction can be controlled by surface/lube synergies Tribology International, Vol 40, pp 1680-1695 [4] Eui Jung Kim, Sung Hong Hahn (2001) Mierostrueture and photoaetiviy of titania nanopartieles prepared in nonionic W/O mieroemulsions Materials and Engineering, Part A, Vol 303, pp 24-29 [5] Yin Hong-xi, Zhang Wan-zhong, Gao En-jun (2007) The Study on the Absorption of Cadmium Ion by Nano-titanium Dioxide Contemporary Chemical Industry, Vol 36, No.5, pp 842-845 [6] Effects of polyethylene G lycol on stability of nano Silica in aqueous suspension Journal of Academy of Armored Force Engineering, Vol 21, No.3, pp 73-77, 2007 [7] Zhang Juan Juan, Chen Xiaofeng (2010) Preraration of Nanoscale Bioactive glasses by Addition of PEG as surface Disersion Agent Bulletin of the Chinese Ceramic Society, Vol.29, No 2, pp 257-261 Hình Phân tích thành phần hóa học (EDX) vết mòn với hàm lượng 1,0% PEG KẾT LUẬN Thơng qua thí nghiệm phụ gia với hàm lượng 0,5% nano TiO2 1,0% hàm lượng chất phân tán (PEG-200), quan thấy lắng đọng phụ gia Kết thí nghiệm rằng, có mặt chất phụ gia PEG-200 dầu bôi trơn dẫn đến hệ số ma sát giảm 20,6% mài mòn giảm 24,1% so với dầu bôi trơn không chứa phụ gia Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) máy phổ tán sắc lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học vết mài mòn viên bi, hàm lượng 0,5% chất phụ gia nano TiO2 1,0% PEG200 dầu bơi trơn có khả tự hồi phục mài mòn chi tiết [8] Zhuo Hong, WangWenjian, Liu Qiyue (2007) An Investigation on Self-repairing Properties of GCr15/45 Steel under Different Nano-particle Additives Lubricatton Engineering Vol.32, No 8, pp 46-51 [9] SH/T 0762-2005-The test method for determination of the coeffcient of friction of lubricants using the four - ball wear test machine [10] Zhuo Hong（2007) Research on the selfrepairing technology of metal wear Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis [11] Ou zhongwen (2002) In-situ synthesis and tribological characteristic of nanoparticles possessing the particularity of ultradispersion and stabilization College of Material Science and Engineering, Chongqing University, pp 56-60 [12] Liu jingfu, Chen Hailong, Xia Zhenbin (2010) Advance on the Nano - particles, Dispersion mechanism, Methods and Application Synthetic Meterials Aging and Application, Vol.39, pp 36-40 [13] Li Chao, Du Jianhua, Han Wenzheng (2007) Effects of polyethylene glycol on stability of nano Silica in aqueous suspension [J] Journal of Academy of Armored Force Engineering, Vol 21, No 3, pp 74-77 56 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 ... tán nano TiO2 dầu bôi trơn tốt 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng PEG-200 đến lắng đọng nano TiO2 Hạt nano kim loại thường có độ hạt vài đến vài chục nanomét, hạt nano mơi trường dầu bơi trơn có tính tự. .. ngăn cản hạt nano tự liên kết với [6-7] Bài viết trình bày kết nghiên cứu hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma sát tự hồi phục mài mòn nano TiO2 dầu bôi trơn CF4-15W/40 VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM... 3.2 Hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma sát mài mòn Thí nghiệm với mẫu thí nghiệm (bảng 2) để đánh giá mức độ giảm ma sát, mài mòn Từ hình thấy rằng, hệ số ma sát vết mòn chi tiết ma sát bị ảnh hưởng