4. MA SÁT CỦA VẬT LIỆU KỸ THUẬT
4.2. Ma sát của một số vật liệu trong kỹ thuật
4.2.5. Ma sát của chất bôi trơn ở thể rắn
Chất bôi trơn rắn là vật liệu cho hệ số ma sát rất thấp, mòn tương đối thấp trong các đôi ma sát trượt mà không cần nguồn bổ sung chất bôi trơn ngoài. Vật liệu sử dụng làm chất bôi trơn rắn phổ biến nhất là Graphite và Molybdenum disulfite MoS2 ngoài ra FTFE, C6O CaF2 và
lớp phủ CaF2-BaF2 cũng được dùng làm chất bôi trơn rắn.
Hình 2-18: Câu trúc tinh thể lục giác của MoS2.
Graphite và MoS2 có cấu trúc tinh thể lục giác (Hình 2-18). Trong tinh thể của MoS2 bao gồm các lớp nguyên tử Mo xen kẽ các lớp nguyên tử S. Các nguyên tử trong mỗi lớp có mật độ cao và liên kết bằng liên kết cộng hoá trị bền vững. Khoảng cách giữa các lớp nguyên tử tương đối lớn và liên kết với nhau thông qua liên kết Van der Waals yếu. Năng lượng liên kết giữa các lớp chỉ bằng từ 1/10 đến 1/100 so với liên kết giữa các nguyên tử trong mỗi lớp. Do đó dưới tác dụng của lực tương đối nhỏ, sự dịch chuyển giữa các lớp phân tử có mật độ phân tử cao sẽ xảy xa. Khả năng bôi trơn của chất bôi trơn rắn graphite nằm ở cấu trúc mạng lớp của tinh thể và khả năng tạo nên liên kết hoá học bền vững với các khí cũng như hơi nước. Khả năng hấp thụ một số loại phân tử là nguyên nhân để tạo nên hệ số ma sát thấp. Ma sát giữa các lớp graphite trượt song song với mặt phẳng (1ớp) nguyên tử của chúng thường thấp do bề
mặt của chúng có năng lượng thấp và khả năng dính vào bề mặt đối tiếp kém. Tuy nhiên, ở cạnh của các lớp này là những vùng năng lượng cao, trong quá trình trượt một số vùng này sẽ lộ ra và là nguyên nhân tăng ma sát trong chân không. Tác dụng của hơi nước làm giảm ma sát vì hơi nước bị hấp thụ vào các vùng năng lượng cao, bão hoà các xu hướng liên kết bền vững, giảm dính với bề mặt đối tiếp. Trong không khí hệ số ma sát của graphite thường từ 0,05- 0,15 nếu các mặt phẳng nguyên tử song song hoặc nghiêng với phương trượt một góc nhỏ hơn hoặc bằng so. Nếu các mặt phẳng này vuông góc với phương trượt hệ số ma sát có thể tăng đến 3 lần hoặc hơn so với trường hợp song song.
Hình 2-19: (a) Ảnh hưởng của thành phần môi trường và áp suất khí của nó đến hệ số ma sát của grapllite khi trượt đối với thép.
(b) Hệ số ma sát grapllite và MOS là hàm số của áp suất riêng của khí.
Hệ số ma sát của graphite thay đổi phụ thuộc vào thành phần khí trong môi trường. Hình 2-19(a) chỉ ra sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào áp suất của một số loại khí. Hiện tượng hấp thụ lên bề mặt một loại khí có hoạt tính hoá học cao đều có tác dụng giảm ma sát. Tuy nhiên, lượng hơi nước hoặc khí yêu cầu đủ để giảm hệ số ma sát là rất nhỏ. Hình 2- 19(b) minh hoạ vai trò của áp suất không khí (nồng độ của ôxy) đến ma sát. Trong chân không hay trong môi trường khí Nitơ khô, hệ số ma sát tăng khoảng 10 lần so với trong không khí và mòn Graphite xảy ra mạnh.
Tốc độ mòn tăng đến 1000 lần khi Graphite trượt trên kim loại trong chân không dưới áp suất (10-7 tor). Ứng dụng của Graphite làm chất bôi trơn rắn trong môi trường không khí bị giới hạn bởi nhiệt độ bắt đầu xảy ra hiện tượng ôxy hoá (430oC).
Hình 2-20: Biến thiên của hệ số ma sát theo nhiệt độ của đĩa MoS2
Và đầu trượt trong khí Argon và không khí.
Hệ số ma sát thấp của MoS2 không phụ thuộc vào sự hấp thụ hơi nước và vì thế nó là một loại vật liệu bôi trơn rắn tự nhiên. Giống như Graphite, MoS2 hình thành lớp màng có hướng và song song với bề mặt trượt với hệ số ma sát nằm trong khoảng 0,05 - 0,15. Trong trường hợp cạnh các tinh thể trượt hệ số ma sát lớn hơn khoảng 3 lần. Hệ số ma sát của MoS2 trong chân không thấp hơn trong không khí. Hệ số ma sát của MoS2 tăng theo độ ẩm tương đối đến 60% và sau đó giảm mạnh. Hệ số ma sát của MoS2 trong không khí khô nhỏ hơn trong không khí ẩm và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Kết quả thí nghiệm của Peterson và Johnson cho thấy khi độ ẩm tăng từ 15% - 70%, mòn trong chu kỳ 6 giờ tăng 200% và hệ số ma sát tăng từ 0,1 - 0,38.
Khi sử dụng trong không khí MoS2 không những là chất bôi trơn kém mà còn là chất ăn mòn đối với bề mặt kim loại đối tiếp trong môi trường tồn tại một hàm lượng hơi nước nhất định. Trong môi trường hơi nước MoS2 có thể tạo thành một lớp bề mặt oxitsulfide và axit sulfuric theo các phản ứng sau đây:
MoS2 + H2O ⇒ MoOS2 + H2
2 MoS2 + 9O2 + 4H2O ⇒ 2MoO3 + 4H2SO4
MoS2 có thể sử dụng làm chất bôi trơn ở nhiệt độ tới 315oC trong
không khí và 500oC trong môi trường N2 hoặc chân không. Nhiệt độ giới hạn trong không khí bị giới hạn bởi sự ôxy hoá MoS2 thành MOS3'
2 MoS2 + 7O2 ~ 2MOO3 + 4SO2
Hình 2-20 chỉ ra MoS2 có khả năng bôi trơn trong môi trường khí Ai tới 500oC. Khả năng bôi trơn từ nhiệt độ tới 300oC - 400oC trong không khí và tới nhiệt độ cao hơn trong môi trường khí trơ làm cho MoS2 hấp dẫn đối với ngành hàng không và vũ trụ. Graphite là chất bôi trơn kém trong môi trường chân không hoặc khí trơ. Tuy nhiên, trong không khí, graphite có thể sử dụng ở nhiệt độ cao hơn MoS2.
Hình 2-21: Ảnh hưởng của nhiệt độ và môi trường tới hệ số ma sát của màng giàu C6O
MoS2 giống như graphite có thể sử dụng dưới dạng bột, nhúng bề mặt hoặc phủ trong chân không hay làm chất phụ gia cho vào chất bôi trơn, mỡ hoặc chất rắn.
MoS2 được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, phủ lên bề mặt ổ và trong các cặp đôi ma sát trong môi trường phi ôxy hoá như vệ tinh, tên lửa vũ trụ và các ứng dụng khác ngành hàng không.
Ma sát thấp của cả graphite và MoS2 liên quan đến cấu trúc lớp và liên kết yếu giữa các lớp. Nhiều hợp chất khác có cấu trúc lớp cho hệ số ma sát thấp nhưng một số hợp chất như Mê ca cho hệ số ma sát cao. Vì thế hệ số ma sát thấp không phải chỉ có quan hệ đến các yếu tố về cấu trúc lớp.
Phân tử các bon C60 (fullerence) cho khả năng đối xứng cao nhất và có dạng trái bóng đá. Ở nhiệt độ bình thường, các phân tử này sắp xếp
trong mạng lập phương diện tâm thông qua liên kết Van Der Waals yếu giữa các phân tử.
Vì các phân tử C60 rất ổn định và không có nhu cầu nhận thêm các nguyên tử để thoả mãn các yêu cầu về liên kết hoá học, chúng cho khả năng dính kém với bề mặt đối tiếp và năng lượng bề mặt thấp.
Do các phân tử C60 có dạng đối xứng cầu hoàn hảo và liên kết yếu với các phân tử khác, trong quá trình trượt các đám C60 bị tách ra và giống như trong các cấu trúc lớp khác, dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tồn tại độc lập như những hạt mòn có thể lăn như những ổ bi nhỏ trong tiếp xúc trượt có tác dụng giảm ma sát và mòn.
Hệ số ma sát của màng Fullerence C60 có thể so sánh được với màng MoS2 sử dụng phương pháp Sputtering và tráng graphite. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hệ số ma sát chỉ ra trên Hình 2-21.
Khi nhiệt độ tăng từ 20oC - 100oC, hệ số ma sát giảm từ 0,2 đến 0,08.
Khi nhiệt độ tăng trên 200oC ma sát và mòn tăng mạnh.
Ma sát thấp ở nhiệt độ dưới 100oC có thể do hiện tượng dính của C60
sang bề mặt đối tiếp xảy ra mạnh ở nhiệt độ này. Ma sát tăng ở nhiệt độ trên 220oC có thể do hiện tượng ôxy hoá lớp màng C60 và sự biến mất của lớp màng có dính sang bề mặt đối tiếp. Từ Hình 2-21 có thể thấy ma sát vẫn thấp ở độ ẩm tới 80% nhưng tuổi thọ của lớp màng C60 rất thấp.
Trong môi trường khí Nitơ cả ma sát và mòn đều thấp có thể do hiện tượng ôxy hoá bị loại trừ và sự hình thành của lớp màng có độ dính cao với bề mặt đối tiếp. Như vậy lớp màng giàu C60 có tác dụng bôi trơn tốt trong môi trường Nitơ khô tới nhiệt độ khoảng 100oC như MoS2.
Các chất bôi trơn rắn thông thường như graphite, MoS2 graphite fluoride bị ôxy hoá hoặc phân tích ở nhiệt độ khoảng 500oC.
Một số loại muối vô cơ có sức bền cắt thấp và khả năng hình thành lớp màng bôi trơn cũng được sử dụng làm chất bôi trơn rắn như CaF2 và CaF2-BaF2 là các hợp chất vô cơ không có cấu trúc lớp trong tinh thể.
Chúng có sức bền cắt thấp và khả năng hình thành lớp màng bề mặt
có sức bền cắt thấp ở nhiệt độ môi trường cao.
Một số lớp phủ CaF2 có thể sử dụng ở nhiệt độ tới 900oC.
Chương 3
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MÒN
1. KHÁI NIỆM CHUNG 1.1. Khái niệm
Mòn là hiện tượng phá huỷ bề mặt hay quá trình tách vật liệu từ một hoặc cả hai bề mặt trong chuyển động trượt, lăn hoặc va chạm tương đối với nhau.
Nói chung, mòn xảy ra do sự tương tác của các nhấp nhô bề mặt.
Trong quá trình chuyển động tương đối, đầu tiên vật liệu trên bề mặt tiếp xúc bị biến dạng do ứng suất ở đỉnh các nhấp nhô vượt quá giới hạn chảy, nhưng chỉ một phần rất nhỏ hoặc không một chút vật liệu nào bị tách ra. Sau đó vật liệu bị tách ra từ một bề mặt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc hoặc tách ra thành những hạt mòn rời. Trong trường hợp vật liệu chỉ dính từ bề mặt này sang bề mặt khác, thể tích hay khối lượng mòn ở vùng tiếp xúc chung bằng không mặc dù một bề mặt vẫn bị mòn. Định nghĩa mòn nói chung dựa trên sự mất mát của vật liệu, tuy nhiên sự phá huỷ của vật liệu do biến dạng mà không kèm theo sự thay đổi về khối lượng hoặc thể tích của vật thể cũng được coi là mòn.
Giống như ma sát, mòn không phải là tính chất của một vật liệu mà là sự phản ứng của một hệ thống. Các điều kiện vận hành sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới mòn ở bề mặt tiếp xúc chung. Mòn có quan hệ với ma sát tuy nhiên không phải cứ ma sát lớn là gây ra mòn với tốc độ cao. Ví dụ các cặp bề mặt tiếp xúc sử dụng chất bôi trơn rắn và chất dẻo cho ma sát tương đối thấp nhưng mòn lại tương đối cao, trái lại ceramics cho ma sát trung bình nhưng mòn lại rất thấp. Thường hệ số ma sát trượt của đa số cặp vật liệu thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến 1, nhưng tốc độ mòn có thể thay đổi trong phạm vi rất lớn. Điều này được giải thích là do mòn liên quan đến nhiều hiện tượng đa dạng kết hợp với nhau theo cơ chế không thể dự đoán trước được và thay đổi trong phạm vi rất rộng.
Mòn có thể có hại hoặc có ích. Mòn của đầu bút chì, khi mài, đánh bóng, và nạo là các ví dụ về mòn có lợi. Mòn là điều không mong muốn
trong các bộ phận và chi tiết như ổ, phớt, bánh răng và cam. Chi tiết có thể phải thay thế khi bị mòn một lượng rất nhỏ hoặc nếu như bề mặt bị quá ráp. Trong các hệ được thiết kế tốt về ma sát, mòn và bôi trơn, quá trình mòn xảy ra rất chậm nhưng ổn định và liên tục. Tuy nhiên sự sinh ra và tuần hoàn của các hạt mòn có thể gây ra phá huỷ bề mặt trên các bề mặt tiếp xúc chung. Khi các mòn hạt có kích thước lớn hơn khe hở tiếp xúc có thể gây ra phá hỏng bề mặt gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng làm việc của đôi ma sát hơn là lượng mòn thực tế.
1.2. Phân loại mòn
Mòn xảy ra do các tương tác cơ, điện, hoá và nói chung chịu xúc tác của nhiệt ma sát. Do tương tác cơ học các vết nứt có thể xuất hiện do hiện tượng bẻ gãy các liên kết phân tử trong chất dẻo, sự trượt trong kim loại, sự phá vỡ biên giới hạt trong ceramics hoặc sự phá huỷ bề mặt của composite hoặc vật liệu nhiều pha. Các vết nứt này sẽ phát triển và tạo ra các hạt mòn.
Mòn bao gồm sáu hiện tượng chính tương đối khác nhau và có chung một kết quả là sự tách vật liệu từ các bề mặt trượt đó là: dính (adhesive), cào xước (abrasive), mỏi bề mặt (fatigue), va chạm, hoá, ăn mòn và điện.
Các dạng mòn khác thường gặp như fretting hay ăn mòn fretting là sự kết hợp của các dạng mòn dính, hạt cứng và va chạm. Theo thống kê, khoảng hai phần ba mòn xảy ra trong công nghiệp là do cơ chế dính vật và cào xước. Trừ mòn do mỏi, mòn do các cơ chế khác là một hiện tượng xảy ra liên tục.
Trước khi lựa chọn vật liệu hoặc các phương pháp xử lý vật liệu để tăng khả năng chống mòn của chi tiết máy, cần phải hiểu được các quá trình mòn đang hoặc có thể xảy ra bằng cách phân tích bề mặt các chi tiết mòn kết hợp với kiến thức về chế độ tương tác bề mặt hoặc các tính chất bề mặt. Trong thực tế mòn xảy ra do một hoặc nhiều cơ chế. Trong nhiều trường hợp mòn sinh ra do một cơ chế nhưng có thể phát triển do sự kết hợp với các cơ chế khác làm phức tạp hoá sự phân tích hỏng do mòn.
Phân tích bề mặt các chi tiết bị hỏng do mòn chỉ xác định được các cơ chế mòn xảy ra ở giai đoạn cuối mà thôi. Kính hiển vi và rất nhiều kỹ thuật phân tích bề mặt được sử dụng để thực hiện các nghiên cứu về phân