1.2.1. Khái niệm hao mòn
Hao mòn là sự hao tổn vật liệu lớp bề mặt của cặp ma sát, làm thay đổi hình dáng kích thước (giảm) và tính chất bề mặt của cặp ma sát. Hậu quả của nó làm giảm chức năng làm việc của cặp ma sát nói riêng và toàn hệ thống máy móc nói chung.
Chúng ta có thể đưa ra một vài định nghĩa sau:
- Hao mòn là sự tăng dần sự hao tổn của vật chất từ bề mặt hoạt động của một vật thể xảy ra như kết quả của chuyển động tương đối tại bề mặt [tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (OECD), tập đoàn nghiên cứu về sự hao mòn của vật liệu kỹ thuật, từ điển kỹ thuật, Pari, năm 1969].
- Hao mòn là sự gây hại cho bề mặt chất rắn, là sự hao phí tăng dần của vật liệu do chuyển động tương đối giữa các bề mặt và chất tiếp xúc hoặc các chất tiếp xúc (tiêu chuẩn ASTM, G48-83, thuật ngữ chuyên ngành liên quan tới sự ăn mòn và sự hao mòn, Philadephia, hàng năm).
Khi nghiên cứu về mòn, người ta thường quan tâm đến cường độ hao mòn và hao mòn tích luỹ (hao mòn tổng) các nguyên nhân gây ra nó đối với cặp ma sát. Và cùng
với hệ số ma sát, cường độ hao mòn thể hiện chất lượng thiết kế cũng như công nghệ tạo vật liệu, công nghệ chế tạo máy và sự điều khiển quá trình làm việc của cặp ma sát. Cường độ hao mòn của cặp ma sát có thể hiểu như lượng vật chất bề mặt bị mất đi trên đơn vị thời gian sử dụng hay trên đơn vị độ dài quãng đường trượt ma sát.
Tốc độ mòn của cặp ma sát thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có thể kể đến các tính chất cơ, lý, hóa và hình học của vật liệu, đặc biệt là lớp vật liệu bề mặt, chế độ làm việc (vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt, áp lực pháp tuyến, nhiệt độ tại diện tích tiếp xúc và điều kiện môi trường làm việc).
1.2.2. Phân loại hao mòn
Có ba cách có thể phân loại các dạng hao mòn:
- Cách thứ nhất, dựa trên cơ sở hình dáng và kích thước vết mòn trên bề mặt. - Cách thứ hai, dựa trên cơ chế dẫn đến hao mòn.
- Cách thứ ba, dựa trên nguyên nhân làm hao mòn.
Ví dụ cho dạng phân loại thứ nhất là hao mòn rỗ (pitting wear), nứt vỡ (spalling) cày xước (Scratched), sự mài bóng (polishing), nứt rạn (crazed), gậm nhấm (pretting), đục khoét (gouge), bào mòn (scufing).
Về cơ chế dẫn đến hao mòn có thể mòn do mài mòn (abrasive wear), mòn do mỏi (surface fatigue wear), mòn do dính bám (adhesive wear) mòn do sói mòn (cavitation wear)…
Ví dụ cho cách phân loại thứ ba từ nguyên nhân của hao mòn như:
- Hao mòn cơ học
- Hao mòn hoá học do tác động của môi trường hoạt động
- Hao mòn do các tác nhân vật lý khác
Bảng 1.1: Phân loại mòn dựa trên các thông số đặc trưng
Phân loại Các đặc trưng
Dạng ma sát Lăn Lăn - trượt Trượt Tróc Va đập
Dạng tiếp xúc Cầu/cầu Con lăn/ con lăn Mặt phẳng/ mặt phẳng Mặt cầu/ măt phẳng Con lăn/ mặt phẳng Đầu nhọn/ mặt phẳng
Dạng biến dạng Đàn hồi Đàn hồi dẻo Dẻo
Vận tốc trượt hay áp
lực pháp tuyến Nhỏ Trung bình Cao
Nhiệt độ trên bề mặt
Thấp Trung bình Cao
Kết hợp vật liệu tiếp
xúc Cùng loại Cứng hơn Mềm hơn Tương thích Không tương thích
Môi trường tiếp xúc Chân không Khí Chất lỏng Huyền phù
Chu kỳ tiếp xúc Thấp Trung bình Cao
Chiều dài tiếp xúc Ngắn Trung bình Dài
Pha mòn Rắn Lỏng Khí Nguyên tử Ion
Cấu trúc hạt mòn Nguyên thuỷ Hỗn hợp cơ học Hình thành do hoá ma sát
Sự tự do của hạt mài Tự do Gom giữ Găm vào Kết tụ
Kích cỡ của hạt mòn Thang mm Thang µm Thang nm
Các thuộc tính lý hoá cơ bản của mòn
Hấp phụ vật lý, hấp phụ hoá, hoạt tính hoá ma sát và hình thành màng tribofilm, ô xít hoá và bóc tách lớp ô xít, nứt và phát triển thành các dạng hạt trong cấu trúc, dính và bóc lớp dính Động lực học của hệ thống có liên quan đến mòn Dao động theo phương thẳng đứng Dao động theo phương ngang Dao động kích hoạt Dao động điều hoà Di chuyển có chu kỳ Mòn do các quá trình có ưu thế Nứt (mềm hoặc dòn) Chảy do biến dạng dẻo Chảy do nung chảy nhiệt Mòn do phân rã
(hoà tan) Mòn do bay hơi
Kiểu mòn
Mài
mòn Mòn dính Mòn chảy Mỏi Ăn mòn Nung chảy
Mòn khuyếch
tán
Nguyên nhân mòn Cơ học Hoá học Nhiệt
1.2.3. Các dạng hao mòn 1.2.3.1. Mài mòn 1.2.3.1. Mài mòn
Mài mòn (abrasive wear): xảy ra khi một bề mặt vật liệu thô, cứng hoặc bề mặt vật liệu mềm chứa các hạt cứng trượt trên bề mặt vật liệu mềm dẫn đến hình thành các vết xước (grooves) trên bề mặt, tiếp theo vật liệu được tạo ra từ các vết xước này di chuyển trên bề mặt tiếp xúc và cuối cùng làm mòn dần vật liệu.
1.2.3.2. Mòn dính
Mòn dính (adhesive wear) là dạng mòn thường xảy ra ở các tiểu vùng tiếp xúc trực tiếp giữa các mấp mô của bề mặt (khô). Tại các tiếp điểm này, áp lực riêng tác dụng giữa các mấp mô thường rất lớn làm chảy dính các mấp mô với nhau sau đó mấp mô của một chi tiết bị bong tách ra khỏi bề mặt. Hoặc giữa hai bề mặt nhẵn (smooth surfaces) vì lực dính lớn được tạo ra khi các nguyên tử tiến tới gần sát với nhau.
Cơ chế chính của dạng hao mòn này là do sự dính bám, là thành phần quan trọng của ma sát đã được nêu ở trên. Quá trình hao mòn này diễn ra giống hệt như thành phần ma sát dính bám tạo ra: các dính bám, độ lớn và nứt gãy. Đặc tính quan trọng của hao mòn này là việc chuyển dịch vật liệu từ bề mặt này sang bề mặt khác xảy ra bởi các lực liên kết giữa các bề mặt rắn tiếp xúc. Dạng giới hạn về sự hao mòn dính bám là những vết trầy xước. Vết trầy có thể là do việc hàn pha rắn cục bộ thường làm dịch chuyển vật liệu và tạo ra lực ma sát.
1.2.3.3. Ăn mòn và mòn oxy hóa
Mòn ăn mòn (corrosive wear): là hiện tượng mòn xảy ra trong môi trường ăn mòn. Thông thường ăn mòn (hay ôxy hóa) có xu hướng hạn chế hay ngăn cản quá trình tiếp xúc trực tiếp vật liệu gốc của các bề mặt trượt do lớp sản phẩm ăn mòn được tạo ra. Nhưng do tương tác cơ học mà lớp mỏng này bị bong đi dẫn tới bề mặt bị trơ ra tạo điều kiện thuận lợi cho ăn mòn tiếp tục xảy ra. Nhiều quan điểm cho rằng ăn mòn là dạng mòn tĩnh. Sự ăn mòn được xem như là sự hư hỏng của vật thể rắn do các tác động qua lại của hoá học và điện hoá với môi trường. Khi tương tác xảy ra trên các bề mặt ma sát và các sản phẩm của các phản ứng này có ảnh hưởng đáng kể tới đặc tính hao mòn, tiếp đến là sự hao mòn do ăn mòn xảy ra.
Sự hao mòn do ôxy hoá xảy ra trong trường hợp ô xít được tạo thành màng trên bề mặt ma sát (tribofilm). Màng này có thể được tạo ra do phản ứng của bề mặt kim loại và ôxy của không khí hoặc dầu bôi trơn, với sự tác động cơ nhiệt của quá trình ma sát. Màng này ảnh hưởng đáng kể đến sự ma sát và mài mòn và việc ma sát sẽ làm tăng tỷ lệ ô xy hoá qua sự biến dạng quá mức của kim loại và nhiệt độ khi tiếp xúc cao. Vai trò của màng ô xít có hai công dụng. Một mặt, màng này bảo vệ bề mặt ma sát khỏi bị mài mòn và đặc biệt ngăn cản dính kết giữa hai bề mặt. Mặt thứ hai, các tribofilm đóng vai trò thay đổi dạng mòn từ dính và mài mòn với cường độ cao hạt mài có kích thước lớn và sắc sang dạng mòn điều hoà với dạng hạt mài nhỏ mịn ít gây tổn thương cho bề mặt
ma sát. Trong kỹ thuật mòn ô xy hoá là dạng mòn phải chấp nhận, giải pháp kỹ thuật để giảm thiểu mòn là điều khiển các dạng mòn khác về mòn ô xy hoá.
Lớp vỏ bọc trên bề mặt do tác động của xâm thực thường xốp và dễ bị bong tách khỏi bề mặt. Còn các màng tribofilm thường có kết cấu mịn và vững chắc hơn, khó bị phá huỷ nên tạo ra sự bảo vệ khá chắc chắn cho bề mặt. Ma sát là nguyên nhân của mòn nhưng chính ma sát cũng tạo ra lá chắn để ngăn cản mòn, đây là biện chứng của tự nhiên.
Tuy nhiên, rất khó phân biệt giữa ăn mòn và mòn ô xy hoá vì sự hình thành, phát triển và tương tác giữa các yếu tố để tạo ra hai dạng mòn này là khó phân biệt.
Có thể coi mòn ô xy hoá là sự mài mòn và mòn mỏi diễn ra trên lớp bề mặt bị ô xy hóa do tự thân nó tạo nên hoặc được điều chỉnh để trên bề mặt, trong điều kiện làm việc bình thường luôn tồn tại một lớp ô xy hóa hay các hợp chất khác với vật liệu gốc.
1.2.3.4. Mòn do mỏi
Mòn do mỏi bề mặt (surface fatigue wear: xảy ra do quá trình cán lăn hay trượt tuần hoàn. Thường thấy đối với các chi tiết có bề mặt tiếp xúc được gia công hoàn thiện rất tốt cho nên dưới tác dụng của tải quá trình biến dạng thường là biến dạng đàn hồi hơn là biến dạng dẻo. Hiện tượng mòn do mỏi bề mặt xảy ra như sau:
- Sự tập trung ứng suất xảy ra có tính chu kỳ ở dưới bề mặt tiếp xúc. - Tạo ra các vết nứt tế vi ở trung tâm của vòng tròn mỏi.
- Lan truyền các vết nứt ở dưới bề mặt.
- Các vết nứt kế nối lại tạo ra các mảnh vật liệu không còn liên kết chặt với bề mặt.
- Tách lớp vật liệu khỏi bề mặt hạt mòn.
Hình 1.11: Tiếp xúc tập trung và phân bố ứng suất tại vùng tiếp xúc, nguyên nhân tạo hao mòn do mỏi.
1.2.3.5. Xói mòn và mòn hốc
Xói mòn là dạng mòn do các hạt rắn hoặc hạt chất lỏng va đập vào bề mặt vật rắn. Xói mòn xuất hiện ở nhiều dạng trong các máy móc cơ khí. Ví dụ như trong các cánh của turbin máy bay khi bay vào sương mù hay mây, mưa hoặc trong các cánh bơm, thành ống của máy bơm hút đẩy bê tông, bùn cát…
Hình 1.12: Cách thức hình thành các dạng xói mòn
1.2.3.6. Mòn fretting
Mòn fretting là dạng mòn mỏi xuất hiện ở các mối tiếp xúc trượt với biên độ nhỏ và tần số lớn. Kết quả của quá trình tác động trên gây ra hai dạng phá hủy: bề mặt bị mòn và làm giảm thời gian làm việc do mỏi. Phạm vi của thiệt hại do mòn và sự phá hủy bề mặt là trầm trọng hơn nhiều so với các cặp trượt với khoảng cách lớn. Chuyển động qua lại với biên độ nhỏ cỡ 0,1 µm có thể làm xuất hiện các hư hỏng cục bộ tại vùng tiếp xúc khi số chu kỳ dao động lên đến hàng triệu hoặc lớn hơn. Những tiếp xúc
như có vẻ không có sự trượt tương đối với nhau, nhưng thật ra chúng vẫn có những dịch chuyển vô cùng bé cỡ 0,1 µm khi chịu lực tải cũng biến động có chu kỳ.
Rất khó có thể loại trừ những chuyển động như vậy và kết quả tất yếu là dạng mòn mỏi fretting sẽ xuất hiện. Mòn fretting và mỏi fretting có mặt gần như ở tất các các máy móc và là nguyên nhân của toàn bộ sự hư hỏng của một số chi tiết chịu lực lớn của máy móc. Hàng loạt các nghiên cứu đã cho thấy, không giống các dạng mòn khác, sự tác động của vấn đề fretting trong máy móc không hề giảm trong vòng thập niên qua. Mỏi fretting còn là nhân tố quan trọng, nhưng không được biết rõ trong các sự cố gây gãy của các chi tiết bệ đỡ khi chúng chịu ứng suất rất nhỏ.
1.3. Bôi trơn ma sát trong điều kiện bôi trơn ướt khác nhau [6] 1.3.1. Khái niệm và phân loại
Ma sát ướt tồn tại giữa hai bề mặt tiếp xúc khi hai bề mặt của vật rắn (các chi tiết máy) được phân cách bởi một lớp bôi trơn, ma sát giữa hai bề mặt từ ma sát ngoài chuyển thành ma sát nội tại của chất lỏng bôi trơn. Nội ma sát của chất lỏng làm giảm cản trở ma sát và cường độ hao mòn cũng như tăng cường hấp thụ các dao động trong may móc. Chất bôi trơn khi chảy qua bề mặt bôi trơn còn tải đi một phần nhiệt lượng làm giảm nhiệt độ của vùng tiếp xúc.
Độ dày và đặc tính của lớp bôi trơn xác định loại hình bôi trơn. Để phân loại các bôi trơn người ta đưa ra đại lượng gọi là độ dày tương đối R của lớp bôi trơn và được định nghĩa qua công thức :
Loại hình bôi trơn các chi tiết máy được phân loại theo giá trị của R: 1 R 10 - thuỷ động lực đàn hồi
5 R 100 - bôi trơn ướt: (thuỷ tĩnh, thuỷ động, khí tĩnh, khí động) R 5 - ma sát và bôi trơn hỗn hợp
R 1 - giới hạn
Bề dày lớp dầu bôi trơn h
R = --- = --- (1.37)
Tổng độ lệch trung bình Ra1 + Ra2
1.3.2. Bôi trơn trong điều kiện ma sát giới hạn R 1
Trạng thái ma sát và bôi trơn giới hạn thường tồn tại trong điều kiện khó hình thành được lớp bôi trơn thủy động, nếu có màng dầu bôi trơn tại vùng tiếp xúc thì màng dầu này rất mỏng (cỡ một vài lớp phân tử - hình 1.13). Nguyên nhân và những yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái bôi trơn này là do: áp lực giữa hai bề mặt quá lớn, nhiệt độ cao do môi trường làm việc hoặc do nhiệt ma sát, hoặc do tốc độ tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc quá nhỏ không duy trì được lớp bôi trơn thụ động cũng như các yếu tố về hình học của hai bề mặt tiếp xúc không cho phép hình thành được lớp dầu bôi trơn có đủ độ dày và tính ổn định. Trạng thái bôi trơn giới hạn là trạng thái bôi trơn phức tạp và khó kiểm soát vì ngoài các yếu tố vừa nêu trên nó còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất vật liệu của cặp ma sát và tính chất hóa học của chất bôi trơn.
Cản trở ma sát cũng như cường độ hao mòn các bề mặt ma sát trong điều kiện ma sát giới hạn phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của bề mặt và hoạt tính bề mặt của chất bôi trơn. Độ nhớt của chất bôi trơn trong trường hợp này có ảnh hưởng rất nhỏ đến điều kiện ma sát giới hạn.
1.3.3. Bôi trơn ướt hoàn toàn 5 R 100
Có thể loại bỏ được hao mòn do ma sát khi ta sử dụng được bôi trơn ướt hoàn toàn. Lớp chất lỏng hoặc khí được hình thành giữa 2 bề mặt có khả năng phân cách hoàn toàn hai bề mặt và loại trừ tác dụng giữa các mấp mô. Áp suất trong lớp chất lỏng được hình thành do hiệu quả của sự chuyển động tương đối của hai bề mặt hoặc là nguồn năng lượng cung cấp bên ngoài. Bề dày của lớp bôi trơn nhiều lần dày hơn lớp giới hạn và tổng mấp mô của hai bề mặt. Độ nhớt của chất bôi trơn là đặc trưng quan trọng nhất cho ma sát ướt. Tất nhiên ảnh hưởng đến đặc điểm bôi trơn ướt phải kể đến mật độ của chất bôi trơn đặc biệt khi chất bôi trơn là khí trong bôi trơn khí động hay khí tĩnh.
Hình 1.13: Mô hình lớp bôi trơn giới hạn
1.3.4. Bôi trơn trong trường hợp ma sát thuỷ động đàn hồi 1 R 10
