L ời cảm tạ
2.1.1.Bôi trơn hấp phụ và phân loại
Như đã trình bày ở trên, bôi trơn hấp phụ là một đặc thù của bôi trơn giới hạn và nó được hình thành trong trường hợp không thể hình thành các dạng bôi trơn thủy động hoặc thủy động đàn hồi và thậm chí cũng khó để tiến h ành bôi trơn thủy tĩnh. Trên hình 2.1 giải thích về điều kiện hình thành dạng bôi trơn này và ảnh hưởng của các yếu tố như áp lực, vận tốc, v.v đến sự hình thành cơ chế bôi trơn.
Hình 2.1.Ảnh hưởng giữa các thông số p, v, η đến độ dày lớp dầu bôi trơn, chế độ bôi trơn,
hệ số ma sát.
Trên giản đồ trạng thái bôi tr ơn (hình 2-1), bôi trơn giới hạn tồn tại giữa trạng thái bôi trơn nửa ướt (hỗn hợp) và trạng thái ma sát khô, khi đó
P v He
có
giá trị rất nhỏ có thể do hình dáng bề mặt hoặc do biến dạng mà hai bề mặt tiếp xúc song song với nhau không thể tạo ta m àng bôi trơn thủy động, thủy động đàn hồi hoặc vi thủy động đàn hồi và có thể xảy ra một trong bốn tr ường hợp sau đây:
a) Tốc độ trượt quá thấp không hình thànhđược áp suất thủy động, nh ưng áp lực không lớn, nhiệt độ vùng tiếp xúc tăng không nhiều nên có thể duy trì được màng dầu mỏng giữa hai bề mặt tiếp xúc. Độ nhớt của dầu th ường được nâng lên, có thể bao phủ được bề mặt bôi trơn, không yêu cầu dầu có tính chất đặc biệt như
a) quan hệ giữa chế độ ma sát, giá trị hệ số ma sát với trị số;
b) quan hệ độ dày lớp dầuvới
P v He
tính chất chịu nhiệt, khả năng bám dính đặc biệt, phản ứng hóa học tạo lớp màng hấp phụ đối với bề mặt vật liệu ma sát.
b) Tốc độ thấp hoặc vừa phải, áp lực lớn nhưng nhiệt độ vẫn thấp, cần phải có tính chất đặc biệt mới duy trìđược màng dầu bôi trơn mỏng hai bề mặt tiếp xúc. Ma sát được giảm thiểu nhờ bề mặt tiếp đ ược bao phủ bởi lớp phân tử hấp phụ của dầu bôi trơn.
c) Tốc độ lớn áp lực vừa phải, nh ưng nhiệt độ vùng tiếp xúc cao là do năng lượng ma sát hoặc làm việc ở môi trường nhiệt độ cao. Có sự t ương tác hóa học giữa dầu bôi trơn và bề mặt tiếp xúc, nên phải chủ động hướng các tương tác này có lợi cho ma sát và hao mòn qua các phụ gia có trong dầu bôi tr ơn. Cơ chế tương tác này thường đưa về các dạng:
+ Hình thành các lớp xà phòng không thuận nghịch và các vật liệu nhớt khác trên bề mặt ma sát bởi các phản ứng hoá học giữa các phụ gia của d ầu bôi trơn với kim loại bề mặt,
+ Nhờ các tính chất của phụ gia pha trong dầu, độ nhớt của dầu đ ược nâng lênởgần bề mặt tiếp xúc làm giảm mức độ bôi trơn giới hạn, làm tăng mức độ bôi trơn thủy động, nhờ đó mà làm giảm tổn thất ma sát. Một số tính chất của phụ gia có trong dầu làm tăng độ bền của màng dầu do khả năng hấp phụ của dầu trên bề mặt,
+ Hình thành các lớp cấu trúc vô định hình, có cấu trúc mịn do phản ứng giữa phụ gia của dầu bôi tr ơn và vật liệu bề mặt vật rắn.
d, Áp lực tiếp xúc lớn, do những nguyên nhân khác nhau nhiệt độ tại vùng tiếp xúc tăng cao, có khi đến v ài trăm độ. Tính hấp phụ và các phản ứng kiểu xà phòng không tồn tại, phải có cơ chế tác động khác giữa dầu bôi tr ơn và bề mặt tiếp xúc. Phụ gia trong dầu đóng vai trò hết sức quan trọng trong điều kiện tiếp xúc này, nó phải chủ động tạo ra được:
+ Hình thành màng vật liệu vô cơ có khả năng chịu mòn trên bề mặt ma sát ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa kim loại v à ngăn cản dạng mòn mãnh liệt (severe).
Giảm ma sát và hao mòn trong bôi trơn giới hạn là nhờ sự hình thành lên lớp đơn phân tửhấp phụ lên về mặt ma sát và được tạo bởi một trong hai cơ chế đó là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ là quá trình diễn ra ở ranh giới của các pha, màở đó các thành phần của một pha có số lượng ở lớp bề mặt lớn h ơn so với trong lòng của pha đó. Sự hấp phụ có thể là một chất khí hay chất lỏng trên bề mặt vật rắn là một, trên các bề mặt của vật rắn tồn tại các tr ường lực phụ thuộc vào cấu trúc hoá học của nó. Do sự tác động tương hỗ giữa các phần tử của chất lỏng hay chất khí lên bềmặt vật rắn tạo lên sự hút dính vào bề mặt vật rắn. Sự không dịch chuyển các phân tử các phân tử trên mặt do lực hút phân tử (Van – Der – Waals) được gọi là hấp phụ vật lý, còn có sự liên kết hoá học của các phân tử với bề mặt vật rắn gọi là hấp phụ hoá học.
Việc lựa chọn chủng loại vật liệu để bôi tr ơn phù hợp chochế độ làm việc của từng mục đính sử dụng, từ đó vật liệu bôi tr ơn cũng cần có những tính chất theo yêu cầu dẫn đến việc lựa chọn ph ương án hay cách thức, chất liệu để tổng hợp nên vật liệu bôi trơn.
Đối vớicác loại trục chịu tải nặng làm việc ở tốc độ chậm như cặp ma sát trục thép bạc đồng được bôi trơn bằng mỡ dẻo thì việc bôi trơn không thể hình thành các dạng bôi trơn như bôi trơn thủy động hoặc thủy động đàn hồi và thậm chí cũng khó đểtiến hành bôi trơn thủy tĩnh. Trong trường hợp này thì cơ chế bôi trơn chỉ có thể là bôi trơn giới hạn dựa trên cơ sở hình thành lớp màng mỏng không ổn định phân cách giữa hai bề mặt ma sát. Do tính chất hấp phụ của vật liệu bôi tr ơn lên bề mặt của cặp ma sát. Cơ chế bôi trơn dạng này có hiệu quả khá tốt đối vớp áp lực riêng trên bề mặt có giá trị tới 1[GPa], ứng với nhiệt độ từ 100 đến 150oC [2].
2.1.1.1. Hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý được hình thành khi chất bị hấp phụ được giữ lại trên bề mặt hấp phụ bằng lực Van–Der –Waals (lực liên kết phân tử). Hấp phụ vật lý, chủ yếu là các phân tử nước bay hơi, oxy, hydrocarbons đư ợc giữ trên bề mặt hấp phụ dưới dạng đơn hoặc đa phân tử với chiều dày khoảng 0,3N.
Những phân tử của chất bị hấp phụ có thể dính vào hoặc tách khỏi bề mặt mà không tạo ra bất kỳ một sự thay đổi n ào đối với bề mặt hấp phụ và các phân tử chất hấp phụ. Đa số chất lỏng và chất khí có tính hấp phụ trên bề mặt vật rắn nhưng chỉ diễn ra ở trên nhiệt độ giới hạn nào đó. Do vậy, hấp phụ vật lý có tác d ụng làm giảm ma sát miễn là nhiệt độ không tăng cao h ơn quá lớn so với nhiệt độ môi tr ường. Sự ảnh hưởngtổng hợpcủa nhiệt độvà bề mặt bôi trơn đến khả năng tạo màng hấp phụ vật lý được thể hiện ở hình 2.2 khi so sánh hệ số ma sát của một số bề mặt vật liệu khác nhau. Đối với bề mặt bạch kim được phủ bởi lớp parffin thể rắn (docosane) (đồ thị A) hay trên nền bạch kim được bôi trơn bằng axit stearic (đồ thị B) thì hệsố ma sát tăng đột biến khi nhiệt độ chỉ vào khoảng dưới 50oC trong khi đó đồng laurate, hay bề mặt đồng được phủ bởi hỗn hợp 1% axit lauric pha trong parafin thì nhiệt độ làm việc tăng lên đáng kể tới 100oC. Từ đó có thể khẳng định rằng đặc tính bôi trơn giới hạn phụ thuộc vào bề mặt kim loại màchúng được bôi trơn.
A- trên nền bạch kim bôi trơn parafin; B- trên nền bạch kim bôi trơn axit stearic
C- trên nền bạch kim bôi trơn đồng laurate; D - trên nền đồng bôi trơn 1% axit lauric
trong parafin
2.1.1.2. Hấp phụ hoá học
Hấp thụ hoá học là một dạng bất thuận nghịch hay thuận nghịch từng phần của chất bị hấp phụ do lực hút liên kết hoá học hút về bề mặt của vật hấp phụ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự hấp phụ hóa học xảy ra khi hợp chất đã hấp phụ, phản ứng với bề mặt kim loại mà không kéo theo nguyên tử kim loại ra khỏi cấu trúc mạng lưới.
Hấp phụ hóa học được coi là cầu nối giữa các chức năng chống ma sát và chống mài mòn của các axit béo và phụ gia, các axit béo có cấu trúc mạnh thẳng, đủ dài hấp phụ hóa học và phản ứng với kim loại tạo ra hợp chất bề mặt làm giảm sự mài mòn dính, chống ma sát và chống mài mòn của cặp ma sát. Màng hấp phụ hóa học có sức chống lại lực cắt lớn h ơn nhiều so với màng hấp phụ vật lý.
Nhìn chung với đa số kim loại có tính hoạt động mạnh, dạng hấp thụ này rất có ý nghĩa trong thực tế kỹ thu ật. Lực liên kết hoá học giữa chất bị hấp phụ và bề mặt vật rắn có ảnh hưởng đến nhiệt độ biến đổi trạng thái ma sát v à thường phụ thuộc vào hoạt tính của chất tạo bề mặt vật rắn, trong bảng 2.1 là số liệu về hệ số ma sát của một số vật liệu khi được bôi trơn bằng axit lauric.
Bảng 2.1. Hệ số ma sátcủa một số vật liệu khi được bôi trơn bằng axit lauric [2]
Vật liệu Hệ số ma sátở 20oC Nhiệt độ chuyển tiếp % axit* Dạng trượt đọc được ở 20oC
Thiếc (zinc) 0,04 94 10,0 Đều đặn
Cadimi (cadmium) 0,05 103 9,3 Đều đặn
Đồng 0,08 97 4,6 Đều đặn
Magiê 0,08 80 Có vết Đều đặn
Bạch kim 0,25 20 0,0 Ngắt đoạn
Niken 0,20 20 0,0 Ngắt đoạn
Crôm 0,34 20 Có vết Ngắt đoạn Thuỷ tinh 0,3-0,4 20 0,0 Ngắt đoạn (không đều)
Bạc 0,55 20 0,0 Ngắt đoạn (rõ rệt)
Trên bảng 2.1, thiếc, cadimi, đồng và magiê có hệ số ma sát thấp khi đ ược bôi trơn bởi axit lauric và nhiệt độ chuyển tiếp cao h ơn đáng kể. Đặc trưng chung của tất cả kim loại là nếu lượng axit lauric quá ít khó l àm thay đổi được tính hấp phụ trên bề mặt kim loại (trừ magiê có hoạt tính di thường). Mặt khác các kim loại hoạt động yếu như bạch kim và bạc có hệ số ma sát lớn và nhiệt độ chuyển tiếp thấp. Sự duy trì của axit lauric trên bạch kim, bạc và thuỷ tinh không lâu dài. Những kim loại khác như niken, nhôm và crôm cũng có hệ số ma sát lớn và vết của axit lauric còn lại trên bề mặt cũng rất ít.
Sự khác nhau giữa hấp phụ hoá học và hấp phụ vật lý là những lớp màng của chất hấp phụ hoá học trong danh giới giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn. Thậm chí khi rửa bằng các chất dung môi cũng chỉ có thể tẩy rửa đ ược các lớp chất hấp phụ vật lý mà không tẩy rửa được lớp hấp phụ hoá học. Hiện t ượng trên đã được xác định qua thí nghiệm, đối với axit stearic khi rửa bằng dung môi vẫn còn lại tối thiểu tới 38% lớp các phân tử hấp phụ hoá học xếp khít trên bề mặt kim loại. Tuy nhiên không phải là các chất hấp phụ có phản ứng hoá học đầy đủ để hình thành hấp phụ hoá học. Loại rượu cồn có phân tử cấu trúc mạch dài không duy trì được bất kỳ lớp phân tử hấp phụ nào thậm chí trên kim loại thường, trong khi đó axit stearic lại duy trì được lâu dài các lớp phân tử hấp phụ trên kim loại thường như Kẽm và Cadimi nhưng đối với kim loại kém hoạt động như Bạch kim và Vàng các lớp phân từ hấp phụ này lại bị ngắt đoạn không đều đặn.
Mặc dù hấp phụ hóa học có những đặc tr ưng của phản ứng không thuận nghịch, nhưng nói chung nó không phát tri ển đến giai đoạn phân tử nguyên bản bị phá huỷ. Tuy nhiên trong vài môi trường như chân không sự phá huỷ hoàn toàn các phân tử nguyên bản có thể xảy ra.