c. Sơ đồ tải trọng ngang phân bố lên trục vít do Pn gây ra
2.3. Phân tích quá trình mòn cánh vít tải 67-
2.3.1. Mòn cánh vít do hoá học
2.3.1.1. Sự ăn mòn kim loại
a. Định nghĩa
Ăn mòn kim loại là hiện tượng tự ăn mòn và phá huỷ bề mặt dần dần của các vật liệu kim loại do tác dụng hoá học hoặc tác dụng điện hoá giữa kim loại với môi trường bên ngoài mà kim loại tiếp xúc. Khả năng phát sinh ăn mòn phụ thuộc nhiều yếu tố của vật liệu kim loại, tính chất môi trường, nhiệt độ, thời gian, áp lực….
b. Phân loại ăn mòn
* Dựa theo quá trình ăn mòn ăn mòn được chia ra: 1. ăn mòn hoá học
2. ăn mòn điện hoá.
* Dựa theo môi trường Tuỳ theo môi trường người ta chia ra: 1. Ăn mòn trong khí : ôxy, khí sunfuarơ, khí H2S,…
2. Ăn mòn trong không khí : Ăn mòn trong không khí ướt, ăn mòn trong không khí ẩm, ăn mòn trong không khí khô.
3. Ăn mòn trong đất.
4. Ăn mòn trong chất lỏng (kiềm, axit, muối,…
Như vậy : Dạng ăn mòn xâm thực là do sự chuyển động tiếp xúc giữa các bề mặt vật rắn và dòng chuyển động của các chất lỏng, chất khí. (ăn mòn hoá học); Dạng ăn mòn do tiếp xúc với các môi chất như axit, bazơ, muối và có tác nhân điện gọi là ăn mòn điện hoá. Kim loại đen: như thép, gang bị ăn mòn mạnh nhất. Thang ăn mòn được xếp theo bảng sau:
Bảng 2.9. Thang ăn mòn của kim loại
Nhóm chịu ăn mòn Chỉ số ăn mòn sâu
Mm/năm Thang
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 68 - Ngành Công nghệ chế tạo máy Rất bền 0,001 – 0,005 0,005 – 0,01 2 3 Bền 0,01 – 0,05 0,05 – 0,1 4 5 Khá bền 0,1 – 0,5 0,5 – 1 6 7 Kém bền 1 – 5 5 – 10 8 9 Không bền Lớn hơn 10 10 Hình 2.16. Trình bày một số dạng ăn mòn bề mặt
a. ăn mòn đều; b. ăn mòn không đều;
c. ăn mòn lựa chọn; d. ăn mòn giữa các tinh thể.
Hình 2.16. Các dạng ăn mòn bề mặt
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 69 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
Các nhóm kim loại khác nhau thì khả năng bị ăn mòn hoá học cũng khác nhau. Hình 2.17. trình bày quá trình ăn mòn của các kim loại khác nhau trong cùng một thời gian.
(1) Tốc độ ăn mòn hoá học không đổi; chiều dầy lớp gỉ tăng tuyến tính theo thời gian.
(2) Quá trình ăn mòn xảy ra chậm hơn.
(3) (4) Quá trình ôxy hoá xảy ra rất nhanh nhưng tạo nên lớp ôxyt rất bền vững; tốc độ ôxy hoá hầu như không tăng theo thời gian.
Ví dụ: Hiện tượng ôxy hoá của thép và gang
O2 + Fe => FeO + O2 => Fe3O4 + O2 => Fe2O3 Hiện tượng mất các bon của thép và gang :
Fe3C + 1/2 O2 = 3Fe + CO Fe3C + CO2 = 3 Fe + 2 CO Fe3C + H2O = 3 Fe + CO + H2
Quá trình mất các bon sẽ làm giảm độ cứng, độ chịu mài mòn và giảm giới hạn đàn hồi.
Nhôm (Al) là nguyên tố hợp kim tốt nhất dùng để tăng độ bền của gang và thép nhằm chống lại sự mất các bon. Sau đó là Cr, W, Mn có khả năng yếu hơn. Al và Cr có lớp ôxyd chặt, có khả năng ngăn cản quá trình xâm nhập của môi trường khí, còn các nguyên tố W, Mn chỉ có tác dụng ngăn cản quá trình khuyếch tán của các bon ra ngoài bề mặt.
c. Ăn mòn hoá học
Ăn mòn hóa học là quá trình oxi hóa – khử, trong đó kim loại phản ứng trực tiếp với các chất oxi hóa trong môi trường (các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường) và không có xuất hiện dòng điện.
Ăn mòn hóa học thường xảy ra ở những bộ phận của thiết bị lò đốt hoặc những thiết bị thường xuyên tiếp xúc với hơi nước và khí oxi,…(hình 2.18)
Ví dụ: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 70 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
3Fe + 2O2 Fe3O4
Hình 2.18. Ăn mòn hoá học
d. Ăn mòn điện hoá
Ăn mòn điện hoá là quá trình xảy ra khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện phân tức là môi trường dẫn điện (chú ý người ta gọi: dung dịch chất điện ly còn gọi là chất điện giải). Ăn mòn điện hoá là sự ăn mòn do phản ứng điện hoá xảy ra ở 2 vùng khác nhau trên bề mặt kim loại. Quá trình ăn mòn điện hoá có phát sinh dòng điện tử chuyển động trong kim loại và dòng các ion chuyển động trong dung dịch điện ly theo một hướng nhất định từ vùng điện cực này đến vùng điện cực khác của kim loại).
Chất điện ly mạnh : HCl, HNO3, H2SO4 loảng, các bazơ: NaOH,… (trừ NH4OH), các muối NaCl.
Chất điện ly yếu : H2SO4 đặc, axit hữu cơ, các muôi bazơ, nước nguyên chất H2O.
Bản chất gây ăn mòn điện hoá là do các vi pin xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc, cường độ và tốc độ ăn mòn điện hoá xảy ra mảnh liệt hơn nhiều so với ăn mòn hoá học. Để hiểu rỏ bản chất ăn mòn điện hoá ta cần
tìm hiểu hiện tượng hidrat hoá.
Hiện tượng hydrat hoá:
Ta biết rằng trong phân tử nước nguyên chất chỉ có một lượng rất nhỏ các phân tử nước phân ly thành H+ và OH-. Trong phân tử nước không phân ly, các nguyên tử hydro liên kết với
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 71 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
ôxy không theo đường thẳng mà tạo thành một góc 105° (Hình 2.19).
Do có liên kết như vậy nên các phân tử nước không điện ly có một trung tâm điện tích âm và một trung tâm tích điện dương và người ta gọi phân tử nước là phân tử lưỡng cực.
Các ion của chất điện ly trong dung dịch nước đều bị lực hút tĩnh điện của các phân tử nước lưỡng cực sắp xếp có hướng trong không gian gọi là sự hidrat hoá. Quá trình ăn mòn điện hoá là do khả năng của ion kim loại tách khỏi bề mặt của nó và chuyển vào dung dịch. Sự di chuyển đó đòi hỏi phải có một năng lượng để kéo ion kim loại ra khỏi mạng lưới của nó ở bề mặt tiết xúc và chuyển vào dung dịch điện ly. Đối với các kim loại khác nhau thì khả năng này cũng khác nhau.
Ăn mòn điện hoá bao gồm 3 quá trình cơ bản:
- Quá trình anốt - Quá trình catốt - Quá trình dẫn điện.
1. Quá trình anôt (xảy ra trên dương cực) là quá trình oxy hoá. Ion kim loại chuyển vào dung dịch và giải phóng điện tử.
2. Quá trình catốt (quá trình xảy ra trên cực âm) là quá trình khử điện hoá. Các chất ôxy hoá nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn.
3. Quá trình dẫn điện : các điện tử kim loại bị ăn mòn giải phóng sẽ di chuyển từ anốt tới ca tốt, còn các ion dịch chuyển trong dung dịch.
Như vậy trong quá trình ăn mòn điện hoá, kim loại hoạt động như 1 pin ta gọi là pin ăn mòn cục bộ (hay vi pin).
Cánh vít trong dây chuyền trộn muối Iôt được chế tạo từ thép thường, thép là hợp kim Fe – C gồm những tinh thể Fe tiếp xúc trực tiếp với tinh thể C (graphit).
- Không khí ẩm có chứa H2O, CO2, O2…tạo ra lớp dung dịch chất điện li phủ lên bề mặt gang, thép làm xuất hiện vô số pin điện hóa mà Fe là cực âm, C là cực dương
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 72 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
- Ở cực âm xảy ra sự oxi hóa: Fe → Fe2+ + 2e
- Ở cực dương xảy ra sự khử: 2H+ + 2e → H2 và O2 + 2H2O + 4e → 4OH- - Tiếp theo: Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + O2(kk) + 2H2O → 4Fe(OH)3
- Theo thời gian Fe(OH)3 sẽ bị mất nước tạo ra gỉ sắt có thành phần chủ yếu là Fe2O3.xH2O.
Như vậy: Ăn mòn điện hoá là dạng ăn mòn tương đối phổ biến và đa dạng đối với các thiết bị công trình vật dụng có sử dụng
kim loại, nó không những xuất hiện khi kim loại tiếp xúc với dung dịch điện ly, tiếp xúc giữa các kim loại với nhau mà còn xảy ra khi tiếp xúc với môi trường, khí quyển, đất, nước, nước muối, dòng điện rò, thậm chí ngay giữa các cấu trúc kim loại không đồng nhất (tinh giới hạt, thiên tích lệch…) hoặc dưới tác dụng các ứng lực về cơ học. Hình 2.21 là hình ảnh cánh thép tấm bị ăn mòn điện hoá.
Kết luận: Trong dây chuyền trộn muối iốt. Vít tải vận chuyển muối NaCl
trong môi trường có lẫn hơi nước ẩm, do vậy vật liệu chế tạo vít tải chủ yếu bị ăn mòn điện hoá
2.3.1.2. Cách chống ăn mòn kim loại
Hình 2.20. Quá trình ăn mòn gang thép
Hình 2.21. Kim loại bị ăn mòn điện hoá
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 73 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
Trong kỹ thuật, ăn mòn nói chung là hiện tượng có hại, cần phải có nhiều biện pháp khắc phục từ sự hiểu biết về nguyên nhân và bản chất gây gỉ như đã nói trên. Sự tổn thất kim loại do ăn mòn hàng ngày, hàng giờ trong kỹ thuật và đời sống là vô cùng to lớn. Người ta đã ước tính rằng: Cứ 1A dòng điện 1 chiều bị rò hàng năm gây tổn thất 90 kg Fe , 11 kg Cu, 37 kg Pb… Lượng kim loại tổn thất do ăn mòn chiếm 10% đến 30% lượng kim loại sản xuất hiện nay..
a. Phƣơng pháp bảo vệ bề mặt
Phương pháp bảo vệ bề mặt là phủ lên bề mặt kim loại một lớp sơn, dầu mỡ, chất dẻo hoặc tráng, mạ bằng một kim loại khác. Những chất phủ ngoài thường dùng là: Các loại sơn chống gỉ, vecni, dầu mỡ, men, hợp chất polime... Một số kim loại như Crom, niken, đồng, kẽm, thiếc....(phương pháp tráng hoặc mạ điện). Một số hợp chất hóa học bền vững như oxit kim loại, photphat kim loại (phương pháp tạo màng). Nếu lớp bảo vệ bị hư, kim loại sẽ bị ăn mòn.
Ví dụ: Sắt tây là sắt tráng thiếc dùng làm hộp đựng thực phẩm vì thiếc là kim
loại khó bị oxi hóa ở nhiệt độ thường, màng oxit thiếc mỏng và mịn cũng có tác dụng bảo vệ thiếc và thiếc oxit không độc lại
có màu trắng bạc khá đẹp. Thiếc là kim loại mềm, dễ bị sây sát. Nếu vết sây sát sâu tới lớp sắt bên trong thì sẽ xảy ra ăn mòn điện hóa học, kết quả là sắt bị ăn mòn nhanh (hình 2.22).
b. Phƣơng pháp điện hóa
Phương pháp bảo vệ điện hóa là dùng một kim loại có tính khử mạnh hơn làm vật hi sinh để bảo vệ vật liệu kim loại. Vật hi sinh và kim loại cần bảo vệ hình thành một pin điện, trong đó vật hi sinh đóng vai trò cực âm và bị ăn mòn.
Ví dụ: Thép mạ kẽm, thì thép đóng vai trò là cực dương, các lá Zn là cực âm
và bị ăn mòn theo cơ chế:
- Ở anot (cực âm): Zn → Zn2+ + 2e
- Ở catot (cực dương): 2H2O + O2 + 4e → 4OH-
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 74 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
Kết quả là vỏ tàu được bảo vệ, Zn là vật hi sinh, nó bị ăn mòn.
Ngoài ra ta còn có dùng hợp kim chống gỉ (hợp kim inôc). Chế tạo những hợp kim không gỉ như Fe - Cr - Ni trong môi trường không khí, môi trường hóa chất. Tuy nhiên nếu sử dụng những loại hợp kim này thì giá thành sẽ rất cao.
2.3.2. Mòn cánh vít do ma sát
2.3.2.1. 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 trường.
Fms N Trong đó:
μ- hệ số ma sát, μ = f(p,v,C) N- tải trọng pháp tuyến
C-điều kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường)
Công ma sát A chuyển hoá thành nhiệt năng Q và năng lượng hấp phụ giữa 2 bề mặt ΔE
A = Q + ΔE.
2.3.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số ma sát
a. Ảnh hƣởng của tải trọng (Hình 2.23)
Khi thay đổi p thì μ thay đổi theo. Nhưng tồn tại một khoảng pth1< p <pth2 mà trong đó μ ổn định và nhỏ nhất. Khi μ vượt ra ngoài khoảng đó thì xảy ra hư hỏng và μ tăng cao. Như vậy: Khi thay đổi điều kiện ma sát C thì dạng
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 75 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
thay đổi các giá trị μ, p, p.
b. Ảnh hƣởng của vận tốc (Hình 2.24)
Đường cong μ = f(v,C) cũng có qui luật tương tự đường cong μ = f(p,C). Hình 2.24.
c. Ảnh hƣởng của điều kiện ma sát ( Hình 2.25)
Giả sử cho cặp ma sát giữa sắt (Fe) với hạt cứng sắc cạnh làm việc với tải trọng p = const, vận tốc v = const, có cho và không cho bột mài vào giữa hai bề mặt ma sát.
OA: không có bột mài.
AB: μ giảm do tác dụng rà trơn của bột mài
BC: μ tăng cao và không ổn định do sự phá hoại của bột mài.
CD: không có bột mài --> μ ổn định và giảm.
Kết luận: hệ số ma sát phụ thuộc vào nhiều yếu tố. μ = f(p,v,C) - μ ≠ const.
- Tồn tại khoảng có μ = const và nhỏ nhất.
- Cho ta phương hướng chỉ đạo thực tiễn thay đổi điều kiện ma sát C sao cho mở rộng được phạm vi sử dụng mà μ = const và nhỏ nhất.
2.3.2.3. Mòn do ma sát Hình 2.24. Ảnh hưởng của
vận tốc đến μ
Hình 2.25. Ảnh hưởng của điều kiện ma sát đến μ
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 76 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
a. Khái niệm
Mòn là sự phá hoại dần dần bề mặt ma sát, thể hiện ở sự thay đổi kích thước dần dần theo thời gian. Trong quá trình hao mòn không xảy ra sự phá hoại kim loại gốc mà chỉ xảy ra sự phá hoại trên lớp bề mặt chi tiết (gọi là lớp cấu trúc thứ cấp – hình 2.26).
Chỉ tiêu đánh giá mòn:
* Cƣờng độ mòn I: là tỉ số giữa lượng hao
mòn tuyệt đối với chiều dài của quãng đường mà chi tiết đi được.
1 2 l l I ( m / km) L hoặc V1 V2 3 I (m / km) L hoặc G1 G2 I (g / km) L Trong đó: l 1, l
2-kích thước chi tiết đo theo phương pháp tuyến với bề mặt ma sát trước ma sát và khi đo, (μm).
V 1, V
2-thể tích chi tiết trước và sau khi đo. G
1, G
2-khối lượng chi tiết trước và sau khi đo. L-chiều dài quãng đường chi tiết đi được, (km).
* Tốc độ mòn v: 1 2 l l v ( m / h) t hoặc V1 V2 3 v (m / h) t hoặc G1 G2 v (g / h) t t: Thời gian ma sát b. Các yếu tố ảnh hƣởng đến mòn
Bất kỳ cặp chi tiết nào hoặc giữa chi tiết với vật liệu làm việc với nhau đều sinh ra ma sát trong điều kiện có trượt tương đối, chịu lực, điều kiện môi trường làm việc, chất bôi trơn, chất lượng chi tiết (thành phần vật liệu, tính chất cơ lý hoá bề mặt ...) là dẫn đến hao mòn.
* Ảnh hƣởng của tải trọng p
Hình 2.26. Hao mòn lớp cấu trúc thứ cấp
Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật - 77 - Ngành Công nghệ chế tạo máy
Giả sử cho cặp ma sát thép cácbon có nhiệt luyện làm việc với vật liệu sắc cạnh khi tăng dần P, đo I, hình 2.27:
Đường 1: ứng với v = 3,11 m/s Đường 2: ứng với v = 2,59 m/s Đường 3: ứng với v= 1,78 m/s Kết luận: Ở vận tốc trong giới hạn