4. MA SÁT CỦA VẬT LIỆU KỸ THUẬT
4.2. Ma sát của một số vật liệu trong kỹ thuật
4.2.2. Ma sát của kim loại và hợp kim
Trong một hệ trượt xác định, ma sát của kim loại chịu tác động của vận tốc trượt, áp xuất tiếp xúc, mức độ sạch của bề mặt tiếp xúc, nhiệt độ, áp suất môi trường và độ ẩm tương đối. Vì vậy, hệ số ma sát của các cặp kim loại, hợp kim thay đổi trong một phạm vi rất rộng.
Các nhân tố sau ảnh hưởng tới ma sát của kim loại hoặc hợp kim với nhau: Bề mặt sạch, không bôi trơn hệ số ma sát thường 0,4 - 0,8 hoặc có thể lớn hơn 1 khi bề mặt được làm sạch bằng các phương pháp đặc biệt.
Hình 2-14: Ảnh hưởng của áp suất tiếp xúc đến hệ số ma sát Áp suất tiếp xúc quá thấp làm cho việc hình thành lớp ôxy hoá bề mặt thuận lợi và quyết định đặc tính ma sát giữa hai bề mặt.
Áp xuất tiếp xúc rất cao có tác dụng giảm hệ số ma sát của các cặp kim loại và hợp kim, hệ số ma sát có thể giảm đến 50%.
Vận tốc trượt cao - một loạt yếu tố ảnh hưởng đến ma sát giữa hai bề
mặt bị giảm như độ cứng, tác dụng cày tăng lên, tăng chuyển dính vật liệu sang bề mặt đối tiếp, sự hình thành lớp màng ôxy hoá xảy ra đồng thời nên rất khó dự đoán quy luật thay đổi của ma sát. Tác dụng của vận tốc trượt đến ma sát phải dựa vào các kết quả thực nghiệm cụ thể.
Hệ số ma sát trong môi trường chân không hoặc khí kém tăng đáng kể do lớp màng ôxy bảo vệ không có điều kiện hình thành. Hệ số ma sát thường lớn hơn 1 và có thể đến 10. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa hệ số ma sát phụ thuộc vào sự tăng của áp suất tiếp xúc trên Hình 2-14 chia làm 3 vùng rõ rệt: vùng hệ số ma sát thấp do áp suất tiếp xúc không đủ phá huỷ lớp màng ôxy hoá bề mặt.
Vùng hệ số ma sát cao, áp suất tiếp xúc đủ để phá vỡ lớp màng ôxy hoá bề mặt và tăng tác dụng cào xước bề mặt đối tiếp dẫn đến tăng hệ số ma sát. Vùng hệ số ma sát thấp, áp suất tiếp xúc quá lớn và trường ứng suất thuỷ tĩnh làm tăng tính dẻo của bề mặt dẫn đến giảm hệ số ma sát.
Hình 2-15 : Ảnh hưởng địa phương pháp làm sạch bề mặt trên hệ số ma sát tĩnh f của một số kim loại.
Hệ số ma sát của các cặp kim loại trong không khí nói chung thấp hơn nhiều so với bề mặt được làm sạch kỹ lưỡng và tiến hành thí nghiệm về ma sát ngay. Từ Hình 2-15 có thể thấy sự thay đổi hệ số ma sát tĩnh trong điều kiện độ ẩm không khí có thể đến 50% so với hệ số ma sát của cùng cặp vật liệu được làm sạch kỹ lưỡng trong chân không. Sự khác nhau lớn nhất xảy ra đối với Ni, Au và nhỏ nhất với Mo.
Các kim loại mềm và dẻo như In, Pb và Sn có sức bền cắt thấp nên diện tích tiếp giữa các bề mặt lớn thậm chí dưới tác dụng tải trọng nhỏ.
Hệ số ma sát giữa các vật liệu này nói chung lớn bởi vì diện tích tiếp xúc lớn và khả năng khôi phục biến dạng đàn hồi thấp. Các kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt như Co và Mg cũng như các kim loại có cấu trúc khác như Mo và Cr cũng cho hệ số ma sát thấp. Lớp ôxy hoá trên bề mặt của Cr có tác dụng giảm ma sát. Co, Mo, và Cr là các nguyên tố hợp kim thông thường trong thép đều có tác dụng giảm ma sát và mòn.
Ma sát hai vật liệu cùng loại, có khuynh hướng cao hơn khác loại.
Nói chung hệ số ma sát của các hợp kim có khuynh hướng thấp hơn các kim loại nguyên chất. Các hợp kim đôi của Co và Cr với thành phần Cr lớn hơn 10% cho khả năng chống lại ôxy hoá và ăn mòn rất cao. W và Mo đưa vào hợp kim nhằm nâng cao sức bền của hợp kim và cải thiện các tính chất của ma sát và mòn.
Babít chì, đồng, đồng thanh và gang xám cho hệ số ma sát thấp. Nói chung các loại vật liệu có chứa các pha có khả năng hình thành các lớp màng bề mặt với sức bề cắt thấp đều cho hệ số ma sát nhỏ. Ví dụ trong các hợp kim chì, một lớp màng chì được hình thành trong quá trình trượt, trong gang xám đúc một lớp màng có sức bền cắt thấp được hình thành từ graphít. Vì thế ma sát của các hợp kim này khi trượt trên thép không phụ thuộc vào sự hình thành lớp màng ôxy hoá và hệ số ma sát thấp.
Chúng thường dùng làm vật liệu ổ và phớt.
Hệ số ma sát trượt giữa kim loại và phi kim phụ thuộc mạnh vào môi trường xung quanh.
Ma sát giữa hai kim loại phụ thuộc vào tính chất của các lớp bề mặt được tạo nên sau các quá trình mòn. Sự xuất hiện của các hạt mòn trên bề mặt tiếp xúc chung quyết định "behavior" của ma sát. Độ lớn và mức độ dao động của lực ma sát phụ thuộc vào thời gian trượt.
Hệ số ma sát giữa các kim loại kết hợp nói chung trong các điều kiện thông thường khoảng trên dưới 0,15. Mặt khác các nhà nghiên cứu phải dựa vào kết quả thí nghiệm rút ra từ các hệ nghiên cứu đặc biệt. Thực tế cho thấy không dễ xác định hệ số ma sát của cặp đôi ma sát chuyển động
với tiếp xúc, tải trọng và vận tốc luôn thay đổi.