2.3.1. Phân tích nguyên nhân mài mòn các chi tiết
Mài mòn là dạng h hỏng chủ yếu của các chi tiết giá chuyển hớng. Trong sửa chữa hàng ngày cũng nh trong sửa chữa định kỳ toa xe đối tợng sửa chữa chủ yếu là những chi tiết bị mài mòn. Mài mòn là kết quả của hiện tợng ma sát. Muốn hiểu đợc thực chất của quá trình mài mòn ta phải tìm hiểu về ma sát.
2.3.1.1. Khái niệm mài mòn và ma sát
Mài mòn là sự thay đổi kích thớc do ma sát gây ra trong quá trình làm việc của hai vật tiếp xúc với vận động tơng đối với nhau.
Ma sát là lực cản sinh ra giữa hai bề mặt tiếp xúc, khi có tải trọng tác dụng và có sự dịch chuyển tơng đối giữa hai bề mặt.
Mài mòn và ma sát là hai quá trình gắn liền với nhau. Ma sát là nguyên nhân, mài mòn là kết quả.
Có rất nhiều giả thiết nêu lên bản chất của ma sát. Ta lần lợt xét nội dung của các giả thiết đó.
1. Giả thiết cơ giới
Thuyết này coi tất cả các bề mặt ma sát dù bóng bao nhiêu cũng không thể tránh khỏi những phần lồi lõm. Nh vậy, trong quá trình làm việc phần lồi tiếp xúc với phần lõm. Khi có tải trọng tác dụng và có sự dịch chuyển tơng đối sẽ gây hiện tợng bào mòn bề mặt.
2. Giả thiết phân tử
Nội dung của thuyết này là lực cản sinh ra giữa hai bề mặt tiếp xúc với nhau bao gồm hai loại lực là lực cản cơ giới và lực cản do sự tác dụng lẫn nhau giữa các phân tử.
Diện tích tiếp xúc thực tế của hai bề mặt ma sát chiếm một phần rất nhỏ trong tổng diện tích các bề mặt (1/10000-1/50000). Trên phần tiếp xúc thực tế của hai bề mặt trong quá trình làm việc xuất hiện nhiều các hiện tợng nh biến dạng chất dẻo, khuyết tán bám dính, oxi hóa , … Quá trình mài mòn sinh ra là do tác dụng tổng hợp của các quá trình đó.
2.3.1.2. Phân loại ma sát
1. Dựa vào dịch chuyển của các bề mặt tiếp xúc phân ra
- Ma sát trợt: gây ra hiện tợng mài mòn. - Ma sát lăn : gây ra hiện tợng bong tróc.
2. Dựa vào sự bôi trơn
- Ma sát đơn thuần: giữa hai bề mặt ma sát không có bôi trơn thể lỏng hay thể khí (môi trờng chân không). Trong thực tế rất khó xẩy ra trờng hợp ma sát đơn thuần
- Ma sát khô: giữa hai bề mặt tiếp xúc không có bôi trơn thể lỏng. Trong toa xe ma sát ở mặt lăn bánh xe , má hãm , ở các ắc chốt ,.. đều thuộc loại ma sát này.
- Ma sát cực hạn: giữa hai bề mặt ma sát có thể tồn tại một lớp bôi trơn thể lỏng nhng rất mỏng, khoảng 0.1 àm.Tuy lớp bôi trơn rất mỏng nhng có thể chịu đ- ợc một lớp áp lực rất lớn
- Ma sát ớt: là loại ma sát xảy ra khi hai mặt ma sát có một lớp bôi trơn ngăn cách hoàn toàn làm cho chúng không trực tiếp tiếp xúc nhau .
- Ma sát nửa ớt: là loại ma sát xảy ra khi đại bộ phận trọng tải truyền từ mặt ma sát này sang mặt ma sát kia thì phải truyền qua lớp bôi trơn , chỉ một bộ phận nhỏ trọng tải đó truyền qua những phần trực tiếp giữa hai mặt ma sát .
- Ma sát nửa khô : là loại ma sát khi tải trọng truyền từ mặt ma sát này sang mặt ma sát kia thì đại bộ phận trọng tải đó truyền qua những phần trực tiếp tiếp
xúc giữa hai mặt ma sát , chỉ có một phần nhỏ của tải trọng là truyển qua lớp bôi trơn.
2.3.1.3. Các loại mài mòn 1. Mài mòn nứt gãy
-Điều kiện phát sinh: loại mài mòn này phát sinh khi ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc là ma sát khô, áp lực giữa hai bề mặt tiếp xúc lớn, tốc độ dịch chuyển tơng đối giữa hai bề mặt tiếp xúc nhỏ ( v < 1m/s).
-Quá trình mài mòn: dới áp lực lớn những hạt kim loại sẽ bị biến dạng dẻo và dính lại với nhau. Khi có sự dịch chuyển tơng đối sẽ sinh ra nứt gãy làm kim loại bị bong ra tạo thành sản phẩm mài mòn.
- Đặc điểm của quá trình mài mòn nứt gãy : là lực cản rất lớn, hệ số ma sát f = 0.1 - 0.4, cờng độ mài mòn từ 10 - 15 àm/h. Khi vận tốc tơng đối tăng đến một trị số nhất định thì mài mòn chuyển sang dạng khác.
2. Mài mòn oxy hóa
- Điều kiện phát sinh: mài mòn này sinh ra trong điều kiện tải trọng và vận tốc tơng đối trung bình. Ma sát giữa hai bề mặt là ma sát khô hoặc ma sát cực hạn.
-Quá trình mài mòn: chia làm hai giai đoạn.
+ Giai đoạn 1: Lớp trên cùng của mặt tiếp xúc do bị biến dạng dẻo nên làm cho khả năng hoạt động hóa học tăng lên dẫn đến bị oxy hóa (do tác dụng của không khí) tạo thành lớp oxít cứng.
+Giai đoạn 2: Khi có dịch chuyển tơng đối giữa hai bề mặt của lớp oxít bị vỡ tạo thành sản phẩm mài mòn.
-Đặc điểm: hệ số ma sát nhỏ, cờng độ mài mòn nhỏ (0.1 - 0.5 àm/h)
+ Nếu đảm bảo điều kiện phát sinh thì quá trình mài mòn nói chung ổn định. + Khi vận tốc tơng đối tăng thì quá trình mài mòn chuyển qua dạng khác.
- Điều kiện phát sinh: mài mòn này phát sinh trong điều kiện ma sát khô hoặc nửa khô, tải trọng lớn, tốc độ tơng đối lớn.
- Quá trình mài mòn: dới tác dụng tổng hợp của các nhân tố, trên bề mặt kim loại sẽ sinh ra nhiệt rất lớn làm cho kim loại bị mềm ra, sức bên giảm (nếu ở nhiệt độ cao thì kim loại thể bị chảy) và phát sinh quá trình mài mòn.
- Đặc điểm:
+ Cờng độ mài mòn từ 0.1 - 0.5 àm/h, quá trình phá huỷ phụ thuộc vào nhiệt độ phát sinh trên các bề mặt ma sát và thờng chia làm 3 giai đoạn :
+ Nhiệt độ <6000C : mài mòn biểu hiện ở chỗ kim loại bị biến dạng dẻo, bám dính và sinh nứt gãy .
+ Nhiệt độ từ 6000C - 15000C: kim loại thay đổi về tổ chức, bị biến dạng lớn, sức bền giảm trầm trọng và kim loại tự tách khỏi bề mặt.
+ Nhiệt độ > 15000C: kim loại bị chảy dẻo.
4. Mài mòn nghiền
- Điều kiện phát sinh: mài mòn này xuất hiện khi giữa hai mặt ma sát tồn tại các hạt mài nghiền.
- Quá trình mài mòn: khi giữa mặt ma sát có những hạt cứng lẫn vào thì những hạt cứng này có tác dụng cắm vào kim loại của mặt ma sát và cắt gọt lớp kim loại đó, quá trình mài mòn xuất hiện.
- Đặc điểm: quá trình mài mòn phụ thuộc vào kích thớc, độ cứng, hình dạng của các hạt mài nghiền.
5. Mài nghiền bóc rời
phát triển song song với mặt ma sát làm cho kim loại bị rời ra từng mảnh tạo thành quá trình mài mòn.
- Đặc điểm: cờng độ mài mòn phụ thuộc vào ứng suất tiếp xúc giữa hai bề mặt, giới hạn mỏi của kim loại, khả năng chống biến dạng, chu kỳ tác dụng lực …
Nhận xét: Trong 5 loại mài mòn trên, quá trình diễn ra đều bao gồm nhiều hiện tợng nh các giả thiết về ma sát đã nêu, nhng trong đó hiện tợng biến dạng dẻo là phổ biến nhất.
Cờng độ mài mòn o xi hóa là nhỏ và ổn định nhất. Cho nên khi thiết bị làm việc trong điều kiện ma sát cần phải đa về làm việc với chế độ này.
2.3.1.4. Những nhân tố ảnh hởng đến cờng độ mài mòn. 2.3.1.4.1. Điều kiện làm việc của mặt ma sát
1. Loại ma sát: Nếu cùng các điều kiện khác chỉ xét riêng về loại ma sát thì ảnh hởng của các loại ma sát gây mài mòn nh sau :
cờng độ mài mòn do ma sát khô sinh ra lớn hơn do ma sát cực hạn > ma sát nửa khô > ma sát nửa ớt > ma sát ớt, ma sát trợt lớn hơn ma sát lăn
2. Tốc độ vận động tơng đối giữa hai mặt ma sát: Nếu cùng các điều kiện khác thì khi tốc độ dịch chuyển tơng đối tăng, cờng độ mài mòn cũng tăng.
3. Tính chất và trị số của tải trọng bên ngoài:
Tải trọng càng lớn thì cờng độ mài mòn càng lớn. Nếu tải trọng có va đập thì quá trình mài mòn tăng càng nhanh, vì vậy trong khi lắp ghép nếu độ rơ giữa hai mặt ma sát quá lớn sẽ làm cho cờng độ mài mòn tăng rất nhanh.
2.3.1.4.2. Tình hình tồn tại giữa hai mặt ma sát một số chất
1. Dầu bôi trơn: quá trình mài mòn phụ thuộc rất lớn vào dầu bôi trơn, chiều dày của màng dầu, độ nhớt của dầu, phơng pháp cấp dầu.Mặt khác tính chất hoá học của dầu bôi trơn cũng ảnh hởng nhất định đến quá trình mài mòn , thờng các mặt ma sát làm việc trong một thời kỳ dài , do đó nếu tính chất hoá học của dầu bị
thay đổi , tác dụng bôi trơn của dầu dần dần cũng mất đi cũng làm cho cờng độ mài mòn ngày càng lớn lên một cách nhanh chóng .
2. Chất mài nghiền: khi giữa hai bề mặt ma sát có những hạt cứng lẫn vào (ví dụ tạp chất trong dầu, mỡ) thì xảy ra quá trình mài mòn nghiền. Cờng độ mài mòn của mài mòn nghiền nói chung là lớn tùy thuộc vào kích thớc, độ cứng, hình dạng của hạt mài nghiền.
3. Khí thể của môi trờng: Trong quá trình mài mòn nếu mặt ma sát làm việc trong một môi trờng có khả năng ôxy hoá mạnh thì tác dụng ôxy hoá mặt ma sát càng nhanh và do đó làm khả năng mài mòn tăng lên hoặc tác dụng làm cho biến chất dầu bôi trơn làm tác dụng bôi trơn của nó kém đi . Kết quả là độ mài mòn giữa hai mặt ma sát tăng lên .
2.3.1.4.3. Đặc tính của mặt ma sát
Tất cả các hiện tợng trong quá trình mài mòn đều xảy ra trên mặt ngoài ma sát . Vì vậy trạng thái mặt vật lý , hình học của mặt ma sát ảnh hởng rất lớn đến quá trình mài mòn
1. Chất lợng gia công cơ giới của bề mặt nh độ bóng, độ chính xác gia công, lớp cứng nguội mặt ngoài
- Độ bóng càng cao thì độ mài mòn càng nhỏ…
- Độ chính xác càng cao, cờng độ mài mòn càng nhỏ…
- Lớp biến cứng nguội mặt ngoài càng dày thì khả năng chống mài mòn càng tốt…
2. Chất lợng , tổ chức và độ cứng của kim loại
0 % 5 10 15 20 25 30 20 40 60 80 Lượng mài mòn(g)
Hình 2.14_ Hàm lợng Pec tít và tính chịu mài mòn
Trên đồ thị ( hình 2.14 ) biểu thị sự ảnh hởng của lợng pec lit đối với tính chịu mài mòn khi giữa hai mặt ma sát là ma sát trợt . Nhìn đồ thị ta thấy rằng lợng peclit ở dới 20% có ảnh hởng tơng đối rõ rệt đối với tính chịu mài mòn của gang
Ngoài ra thay đổi thành phần hoá học cũng có thể nâng cao tính chịu mài mòn . Đối với thép mà nói thì tính chịu mài mòn của thép cao cácbon lớn hơn tính chịu mài mòn của thép thấp cácbon, trong các tổ chức của thép thì tổ chức máctenxit có tính chịu mài mòn cao nhất
0 Lượng mài mòn(mgx10) 10 20 30 40 50 60 80 10 Tổ chức dưới trạng thái thép cán Péclít Xoóc bít Trúc bít Mác ten xít 1
Hình 2.15_ Hàm lợng cacbon và tính chịu mài mòn.
Hình 2.15 biểu thị sự ảnh hởng của tổ chức thành phần của thép đối với tính chịu mài mòn của thép
Độ cứng mặt ngoài của các chi tiết có tác dụng rất lớn trong việc nầng cao tính chịu mài mòn , độ cứng mặt ngoài tăng lên sẽ làm cho lợng hao mòn giảm xuống , hình 2.16 thể hiện lợng mài mòn và độ cứng mặt ngoài.
0 1 3 5 7 9 11 200 400 600 HB Lượng mài mòn(g)
Hình 2.16_ Quan hệ giữa độ cứng và tính chịu mài mòn của thép cacbon. 3. Tính ổn định nhiệt của kim loại
tính ổn định nhiệt của kim loại càng cao thì khi bi ma sát ,nhiệt tác dụng cũng khó biến dạng dẻo , thành phần tổ chức của kim loại cũng ít bị thay đổi do đó quá trình mài mòn cũng xảy ra chậm lại tức lợng mài mòn giảm xuống .