Đang tải... (xem toàn văn)
... Khoa học Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội CÁC TÁC GIẢ MỞ ĐẦU LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN (TRIBOLOGY) Tribology theo nghĩa tiếng Anh thông thường ma sát mòn hay khoa học bôi trơn Trong. .. 136 4.7 Quan hệ ma sát mòn 137 Chương 138 BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT 138 BÔI TRƠN MÀNG CHẤT LỎNG 138 1.1 Mở dầu 138 1.2 Vùng bôi trơn màng chất lỏng... nghiệp Ma sát, mòn bôi trơn (Tribology) có lẽ thuật ngữ không xa lạ với kỹ sư, cán giảng dạy nghiên cứu Tuy nhiên để ứng dụng có hiệu kiến thức tribology vào việc thiết kế cặp đôi ma sát, nhà
NGUYỄN ĐĂNG BÌNH -- PHAN QUANG THẾ MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2006 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................... 7 MỞ ĐẦU .................................................................................................. 9 1. LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MÒN VÀ Bôi TRƠN (TRIBOLOGY) .. 9 2. SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRO/NANO TRIBOLOGY...... 10 3. VAI TRÒ CỦA TRIBOLOGY TRONG CÔNG NGHIỆP ............ 12 Chương 1................................................................................................. 14 ĐẶC TÍNH VÀ TƯƠNG TÁC BỀ MẶT VẬT RẮN ............................ 14 1. BẢN CHẤT CỦA BỀ MẶT........................................................... 14 2. TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA LỚP BỀ MẶT ................................. 14 2.1. Lớp biến dạng .......................................................................... 14 2.2 Lớp BEILBY............................................................................. 15 2.3. Lớp tương tác hoá học ............................................................. 15 2.4. Lớp hấp thụ hoá học................................................................. 16 2.5. Lớp hấp thụ vật lý .................................................................... 16 2.6. Sức căng và năng lượng bề mặt ............................................... 16 2.7. Các phương pháp xác định đặc tính của các lớp bề mặt .......... 17 3. PHÂN TÍCH ĐỘ NHÁM BỀ MẶT ............................................... 18 3.1. Các thông số đánh giá độ nhám tế vi trung bình...................... 19 3.1.1. Các thông số biên độ......................................................... 19 3.1.2. Các thông số không gian................................................... 21 3.2. Các phân tích thống kê............................................................. 22 3.2.1. Phân bố xác suất biên độ và hàm mật độ .......................... 22 3.2.2. Mô men của hàm xác suất biên độ.................................... 24 3.2.3. Các hàm số phân bố chiều cao hề mặt .............................. 26 3.2.4. Đường cong diện tích tiếp xúc thực (BAC) ...................... 27 3.2.5. Các hàm số không gian ..................................................... 28 3.2.5.1. Các hàm số Aurocovariance & Autocorrelation ........ 28 3.2.5.2. Hàm cấu trúc .............................................................. 30 3.2.5.3. Hàm số mật độ phổ năng lượng (PSDF).................... 30 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT......................... 30 5. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TIẾP XÚC.................................... 31 5.1. Mở đầu ..................................................................................... 31 5.2. Phân bố ứng suất do tải trọng................................................... 32 5.2.1. Tải trọng tập trung dơn ..................................................... 32 5.2.2. Tải trọng phân bố .............................................................. 35 5.3. Chuyển vị dưới tác dụng của tải trọng ..................................... 37 5.4. Tiếp xúc Hec ............................................................................ 39 5.4.1. Tiếp xúc trụ ....................................................................... 39 5.4.1.1. Phân hố ứng suất trên mặt tiếp xúc ............................ 39 U U 2 5.4.1.2. Phân bố ứng suất trong vùng tiếp xúc........................ 41 5.4.1.3. Sự trượt dưới tác dụng của tải trọng tiếp tuyến ......... 44 5.4.2. Tiếp xúc 3D tổng quát....................................................... 47 5.4.3. Tiêu chuẩn cho các chế độ biến dạng ............................... 52 Chương 2................................................................................................. 54 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MA SÁT .................................................... 54 1. KHÁI NIỆM CHUNG .................................................................... 54 1.1 Các định luật ma sát trượt cơ bản ............................................. 54 1.2. Hệ số ma sát ............................................................................. 54 1.3. Độ nhám bề mặt và diện tích tiếp xúc thực.............................. 55 2. NGUYÊN NHÂN CỦA MA SÁT TRƯỢT ................................... 55 2.1. Tương tác bề mặt ..................................................................... 56 2.2. Các dạng năng lượng mất mát ................................................. 57 2.3. Thuyết ma sát do dính.............................................................. 57 2.3.1. Thuyết ma sát do dính đơn giản........................................ 57 2.3.2. Thuyết ma sát do dính modified ....................................... 59 2.3.3. Thuyết ma sát dính áp dụng cho kim loại lớp màng tạp chất ..................................................................................................... 61 2.4. Biến dạng dẻo ở đỉnh các nhấp nhô bề mặt ............................. 63 2.5. Hiệu ứng cày ............................................................................ 66 2.6. Sự mất mát do tính đàn hồi trễ................................................. 68 2.7 Năng lượng tiêu thụ do ma sát .................................................. 69 2.8. Ảnh hưởng của vật liệu đến ma sát trượt ................................. 70 2.8.1. Ảnh hưởng của hoạt tính hoá học của vật liệu.................. 70 2.8.2. Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi ............................................ 70 2.8.3. Ảnh hưởng của biên giới hạt............................................. 71 3. MA SÁT LĂN ................................................................................ 71 3.1. Khái niệm................................................................................. 71 3.2. Nguyên nhân của ma sát lăn .................................................... 73 4. MA SÁT CỦA VẬT LIỆU KỸ THUẬT........................................ 75 4.1. Các tính chất ma sát, mòn và bôi trơn của vật liệu ở thể rắn ... 75 4.1.1. Các bề mặt kim loại sạch trong chân không ..................... 75 4.1.2. Các bề mặt kim loại trong không khí................................ 76 4.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ cứng, tính hoà tan và cấu trúc tinh thể ................................................................................. 76 4.2. Ma sát của một số vật liệu trong kỹ thuật ................................ 77 4.2.1. Ma sát của gỗ, da và đá ..................................................... 78 4.2.2. Ma sát của kim loại và hợp kim ........................................ 78 4.2.3. Ma sát của kính và ceramics ............................................. 81 4.2.4. Ma sát của vật liệu các bon bao gồm kim cương .............. 83 4.2.5. Ma sát của chất bôi trơn ở thể rắn..................................... 84 3 Chương 3................................................................................................. 91 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ MÒN.......................................................... 91 1. KHÁI NIỆM CHUNG .................................................................... 91 2. CÁC CƠ CHẾ MÒN CƠ BẢN ...................................................... 93 2.1. Mòn do dính ............................................................................. 93 2.1.1. Khái niệm.......................................................................... 93 2.1.2. Các phương trình định lượng ............................................ 95 2.2. Mòn do cào xước ..................................................................... 97 2.2.1. Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo .............................. 99 2.2.1.1. Cơ chế mòn ................................................................ 99 2.2.1.2. Phương trình định lượng .......................................... 102 2.2.2. Mòn do cào xước bằng nút tách...................................... 103 2.3. Mòn do mỏi............................................................................ 105 2.3.1. Mỏi tiếp xúc lăn và trượt................................................. 106 2.4. Mòn do va chạm..................................................................... 109 2.4.1. Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion)......................... 109 2.4.2. Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion) ................ 112 2.5. Mòn hoá học .......................................................................... 114 2.6. Mòn Tribochemical................................................................ 115 2.7. Mòn fretting ........................................................................... 116 3. MÒN VẬT LIỆU KỸ THUẬT..................................................... 117 3.1. Mở dầu ................................................................................... 117 3.2. Mòn kim loại và hợp kim....................................................... 118 3.2.1. Khái niệm chung ............................................................. 118 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mòn ôxy hoá ..................... 120 3.2.3. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành................................. 121 3.3. Mòn ceramics......................................................................... 124 3.4. Ma sát và mòn chất dẻo.......................................................... 127 3.4.1. Ma sát của chất dẻo......................................................... 128 3.4.2. Mòn chất dẻo................................................................... 128 3.4.2.1. Yếu tố P-V ............................................................... 128 3.4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn của ổ chất dẻo ......... 131 4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MÒN.................................... 132 4.1. Ảnh hưởng của các lớp màng bề mặt..................................... 132 4.1.1. Mòn trong chân không .................................................... 132 4.1.2. Lớp màng ôxy hoá .......................................................... 132 4.1.3. Bôi trơn nửa ướt (boundary) ........................................... 133 4.1.4. Chất bôi trơn rắn ............................................................. 134 4.2. Tác dụng của nhiệt độ ............................................................ 134 4.3. Tác dụng của tải trọng............................................................ 135 4.4. Ảnh hưởng của tính tương thích vật liệu ............................... 136 4 4.5. Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi ................................................. 136 4.6. Ảnh hưởng của biên giới hạt.................................................. 136 4.7. Quan hệ giữa ma sát và mòn .................................................. 137 Chương 4............................................................................................... 138 BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT........................................................ 138 1. BÔI TRƠN MÀNG CHẤT LỎNG............................................... 138 1.1. Mở dầu ................................................................................... 138 1.2. Vùng bôi trơn màng chất lỏng ............................................... 138 1.3. Dòng chảy nhớt và phương trình Raynolds ........................... 141 1.3.1. Độ nhớt và chất lỏng Niu-tơn ......................................... 141 1 3.1.1. Định nghĩa................................................................ 141 1.3.1.2. Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất và tốc độ trượt đến độ nhớt ....................................................................................... 142 1.3.2. Các phương trình............................................................. 143 1.3.2.1. Dòng chảy tầng và rối .............................................. 143 1.3.2.2. Phương trình Petroff ................................................ 144 1.3.2.3. Phương trình Navier - Stokes................................... 145 1 3.2.4. Dòng chảy một chiều giữa hai tấm phẳng song song ............................................................................................... 147 1.3.2.5. Phương trình Reynolds ............................................ 149 2. MỘT SỐ KIỂU BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT ..................... 152 2.1. Bôi trơn thuỷ tĩnh................................................................... 152 2.2. Bôi trơn thuỷ động ................................................................. 155 2.2.1. Ô chặn ............................................................................. 156 2.2.1.1. Ổ chặn tấm nghiêng cố định .................................... 156 2.2.1.2. Ổ chặn tuỳ động (tấm quay)..................................... 158 2.2.1.3. Ổ chặn bậc Reyleigh ................................................ 159 2.2.2. Ổ đỡ................................................................................. 160 2.3. Bôi trơn thuỷ động đàn hồi .................................................... 164 2.3.1. Các dạng tiếp xúc............................................................ 164 2.3.2. Tiếp xúc đường ............................................................... 165 2.3.2.1. Tiếp xúc trụ tuyệt dối cứng ...................................... 165 2.3.2.2. Tiếp xúc trụ đàn hồi (hình chữ nhật) và độ nhớt thay đổi ......................................................................................... 167 2.3.2.3. Tiếp xúc điểm........................................................... 169 Chương 5............................................................................................... 170 MỘT VÀI BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ BỀ MẶT NHẰM GIẢM MA SÁT VÀ MÒN ...................................................................................... 170 1. MA SÁT VÀ MÒN CỦA CÁC BỀ MẶT ĐƯỢC XỬ LÝ .......... 170 1.1 Vai trò của bề mặt trong giảm ma sát và mòn ........................ 170 1.2. Khả năng chống ăn mòn của các lớp bề mặt.......................... 172 5 2. CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN COMPOSITE ..................................... 173 2.1. Đặc điểm ................................................................................ 173 2.2. Mạ điện composite kim loại dạng hạt .................................... 174 2.2.1. Khái niệm........................................................................ 174 2.2.2. Mạ tạo lớp bôi trơn ......................................................... 175 2.2.3. Mạ tăng khả năng chống mòn ......................................... 176 3. PHỦ BAY HƠI VÀ ỨNG DỤNG................................................ 177 3.1. Khái niệm chung .................................................................... 177 3.2. Phủ bay hơi hoá học và ứng dụng.......................................... 177 3.2.1. Nguyên lý........................................................................ 177 3.2.2. Các phản ứng hoá học trong CVD .................................. 182 3.2.3. Đặc trưng của phủ CVD.................................................. 183 3.2.4. Ứng dụng của phủ CVD.................................................. 183 3.2.4.1. Phủ CVD để chống mòn .......................................... 184 3.2.4.2. Ứng dụng phủ CVD trong tribology ........................ 186 3.3. Phủ bay hơi lý học ................................................................. 187 3.3.1. Nguyên lý........................................................................ 187 3.3.2. Ứng dụng của phủ PVD .................................................. 189 3.4. Ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tương tác ma sát............... 189 3.4.1. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt........ 189 3.4.2. Ảnh hưởng lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại ................................................................................................... 191 3.4.3. Ảnh hưởng lớp phủ đến mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt ................................................................................................... 192 4. THẤM ION (ION IMPLANTATION)......................................... 194 4.1. Nguyên tắc ............................................................................. 194 4.2. Thiết bị thấm ion .................................................................... 197 4.3. Đặc trưng và ứng dụng của vật liệu thấm ion ........................ 198 4.4. Ion trợ giúp quá trình phủ ...................................................... 200 5. THẤM NITƠ VÀ CÁC BON....................................................... 201 5.1. Khái niệm chung .................................................................... 201 5.2. Nguyên tắc của glow discharge ............................................. 202 5.3. Áp suất riêng của khí ............................................................. 203 5.4. Thấm plasma nhơ................................................................... 204 5.4.1. Khái niệm........................................................................ 204 5.4.2. Cấu trúc tế vi ................................................................... 205 5.4.3. Ưu điểm chính của thấm Nitơ plasma................................. 206 5.5. Thấm các mòn........................................................................ 206 5.5.1. Khái niệm........................................................................ 206 5.5.2. Các ưu điểm của thấm các bon plasma ........................... 207 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 208 6 LỜI NÓI ĐẦU Sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá nước nhà đang đòi hỏi những nghiên cứu ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng các sản phẩm công nghiệp. Ma sát, mòn và bôi trơn (Tribology) có lẽ là những thuật ngữ không xa lạ với các kỹ sư, cán bộ giảng dạy và nghiên cứu. Tuy nhiên để ứng dụng có hiệu quả kiến thức về tribology vào việc thiết kế các cặp đôi ma sát, các nhà thiết kế phải có những hiểu biết sâu và rộng trong lĩnh vực này. Trước yêu cầu đó của xã hội, các tác giả đã viết cuốn sách này làm tài liệu chuyên khảo phục vụ đào tạo Sau đại học cho các chuyên ngành thuộc ngành Kỹ thuật Cơ khí. Được sự góp ý của các đồng nghiệp, chúng tôi định hướng nội dung chủ yếu của cuốn sách này vào các vấn đề cơ bản về lý thuyết tiếp xúc và ứng suất, lý thuyết ma sát, mòn và bôi trơn cũng như một số biện pháp công nghệ tiên tiến nhằm giảm ma sát và mòn. Cuốn sách được chia làm 5 phần chính theo 5 chương. Chương 1: Đặc tính và tương tác bề mặt vật rắn Chương 2: Lý thuyết cơ bản về ma sát Chương 3 : Lý thuyết cơ bản về mòn Chương 4: Bôi trơn trong kỹ thuật Chương 5: Một vài biện pháp công nghệ bề mặt nhằm giảm ma sát và mòn. Với mục đích cung cấp cho học viên cao học những kiến thức rất cơ bản về ma sát mòn, bôi trơn và phục vụ cho quá trình giảng dạy môn học "Ma sát và Mòn" tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, các tác giả đã đi từ phân tích lý thuyết cơ bản, kết quả nghiên cứu thực nghiệm đến các ứng dụng cụ thể của tribology trong kỹ thuật. Ngoài việc sử dụng cuốn sách làm tài liệu chuyên khảo cho học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, các tác giả hy vọng các nghiên cứu sinh trong lĩnh vực này cũng có thể tìm thấy nhiều điều bổ ích cho nghiên cứu của mình. 7 Chúng tôi muốn bày tỏ tình cảm, lời cám ơn sâu sắc nhất đến các đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ chúng tôi trong quá trình hoàn thành bản thảo. Chúng tôi cũng không thể không nhắc đến những cảm thông và tạo điều kiện đặc biệt về thời gian của vợ và các con gái trong những ngày bận rộn viết cuốn sách này. Mặc dù cuốn sách đã được chính tác giả và các đồng nghiệp sử dụng làm tài liệu đào tạo Sau đại học, được kiểm tra cẩn thận trước khi xuất bản, nhưng chắc chắn trong tài liệu vẫn còn nhiều thiếu sót. Chúng tôi mong muốn nhận được và chân thành cám ơn ý kiến đóng góp của bạn đọc. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội. CÁC TÁC GIẢ 8 MỞ ĐẦU 1. LỊCH SỬ CỦA MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN (TRIBOLOGY) Tribology theo nghĩa tiếng Anh thông thường là ma sát và mòn hay khoa học về bôi trơn. Trong từ điển kỹ thuật Anh - Anh, tribology được định nghĩa là khoa học và công nghệ của các bề mặt tương tác và chuyển động tương đối với nhau, các lĩnh vực liên quan và ứng dụng. Đây là một lĩnh vực khoa học rộng bởi vì tương tác giữa các bề mặt thông qua một giao diện tribology rất phức tạp, yêu cầu kiến thức sâu của nhiều lĩnh vực khác nhau như vật lý, hoá học, toán ứng dụng, cơ học vật rắn, cơ học chất lỏng, nhiệt động lực học, truyền nhiệt, khoa học vật liệu, thiết kế máy, khả năng làm việc và độ tin cậy của chi tiết máy và máy. Thực ra, con người đã ứng dụng các kiến thức của tribology vào cuộc sống từ rất lâu. Con tầu và bánh xe đã được sử dụng khoảng 3500 năm trước công nguyên nhằm giảm ma sát trong vận chuyển. Người cổ Ai Cập đã biết sử dụng nước để bôi trơn các xe trượt dùng vận chuyển các bức tượng nặng vào năm 1880 trước công nguyên. Trong một ngôi mộ cổ ở Ai Cập xây dựng vài nghìn năm trước công nguyên còn để lại các dấu tích, con người đã biết dùng mỡ động vật làm chất bôi trơn trong các ổ bánh xe. Trong thời đại đế chế La Mã, các kỹ sư quân đội thiết kế và chế tạo các máy móc phục vụ chiến tranh và các phương pháp phòng thủ đều quan tâm đến việc ứng dụng các kiến thức tribology. Leonardo Da Vanci (1452-1519) là nhà khoa học đầu tiên đã rút ra một giả thiết khoa học quan trọng về ma sát đó là hệ số ma sát là tỷ số giữa lực ma sát và tải trọng pháp tuyến. Do phát minh của ông chưa có tác động đến lịch sử nên cuốn sách viết về phát minh này của ông đã không được xuất bản trong vài trăm năm. Đến năm 1669, nhà vật lý người Pháp Guillaume Amontons đã công bố định luật ma sát sau khi nghiên cứu hiện tượng trượt khô giữa hai bề mặt phẳng. Thứ nhất, lực ma sát cản trở sự trượt trên bề mặt tiếp xúc chung tỷ lệ với tải trọng pháp tuyến. Thứ hai, độ lớn của lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa. Các 9 quan sát này đã được nhà vật lý người Pháp Charles Augustin Coulomb (1785) kiểm nghiệm và bổ sung thêm định luật thứ ba, đó là lực ma sát động không phụ thuộc vào vận tốc và phân biệt rõ ma sát tĩnh và động. Sự phát triển của tribology xảy ra mạnh mẽ vào những năm 1500, đặc biệt là các phát minh vật liệu chế tạo ổ. Năm 1684, Robert Hooke đã khám phá ra sự kết hợp giữa trục thép và vòng kim loại tốt hơn trục gờ và vòng gang trong ổ bánh xe. Sự phát triển tiếp theo của tribology gắn liền với sự phát triển của công nghiệp vào cuối thế kỷ 18 và sự lớn mạnh của công nghiệp khai thác dầu ở các nước Anh, Mỹ, Canada. Vào năm 1668, Isaac Newton đã phát hiện ra các định luật về dòng chất lỏng nhớt, nhưng mãi đến cuối thế kỷ 19 người ta mới hiểu rõ bản chất khoa học của vấn đề bôi trơn ổ lăn. Nguyên tắc bôi trơn thuỷ động được Beauchamp Tower nghiên cứu thực nghiệm vào năm 1884 và được Osborne Raynolds chứng minh về mặt lý thuyết vào năm 1886 đáp ứng yêu cầu về thiết kế ổ có độ tin cậy cao trong máy móc hiện đại. Mòn bắt đầu được nghiên cứu vào giữa thế kỷ 19. Người đã có những đóng góp đầu tiên vào lĩnh vực này là Ragnar Hoan (1946). Bước vào thế kỷ 20, những kiến thức mới trong lĩnh vực tribology được nhiều nhà khoa học khám phá đặc biệt là Bowden và Tabor (1950, 1964) và sau đó là Bhushan và Gupta (1997). Tribology đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của công nghiệp. Có thể thấy vào những năm 1950, tuổi thọ của một động cơ ô tô chỉ bằng 1/3 tuổi thọ của động cơ ô tô sản suất vào những năm 1975. Một điều rất thú vị là trong các ô tô hiện đại có đến trên 2000 các tiếp xúc tribology. 2. SO SÁNH TRIBOLOGY VÀ MICRO/NANO TRIBOLOGY Tiếp xúc giữa phần lớn các bề mặt đều xảy ra tại đỉnh nhấp nhô bề mặt. Do đó tầm quan trọng của việc nghiên cứu tiếp xúc tại đỉnh nhấp nhô trong các nghiên cứu về tính chất cơ lý của bề mặt tiếp xúc, tribology đã được nhận thức từ lâu. 10 TRIBOLOGY THÔNG THƯỜNG MICRO/NANOTRIBOLOGY Khối lượng nhỏ (μg) Khối lượng lớn Tải nặng Tải nặng (μg tới mg) Mòn Không tránh khỏi Không mòn (vài lớp phân tử) Vật liệu khối Bề mặt (vài lớp phân tử) Hình 1-1: So sánh giữa nanotribology thông thường và Micro/ nanotribology Với sự ra đời của các loại kính hiển vi điện tử mới (Scanning Tunneling Microscope và Atomic Force Microscope) và các công cụ tính toán để có thể mô phỏng các tương tác ở đỉnh các nhấp nhô và các tính chất ở vùng tiếp xúc chung cho phép khảo sát một cách có hệ thống các bài toán ở vùng tiếp xúc với độ phân giải cao cũng như phương pháp và phương tiện để biến đổi và điều khiển các cấu trúc ở thang nano. Lĩnh vực này liên quan đến những nghiên cứu các quá trình bằng lý thuyết và thực nghiệm từ thang phân tử, nguyên tử tới thang micro xảy ra trong quá trình dính, ma sát, mòn và bôi trơn màng mỏng tại vùng tiếp xúc chung của các bề mặt trượt. Sự khác nhau giữa tribology thông thường và micro/nanotribology được mô tả trên Hình 1-1. Sự khác nhau về khối lượng và tải trọng dẫn đến sự khác nhau về tính chất tribology ở chỗ tiếp xúc. Trong tribology thông thường các tính chất khối của vật liệu quyết định còn trong micro/nanotribology tính chất của lớp bề mặt quyết định. Mặc dù, micro/nanotribology nhằm mục đích nghiên cứu các cấu trúc tế vi ở thang micro và nano nhưng chúng có ý nghĩa to lớn trong việc hiểu rõ bản chất các hiện tượng tiếp xúc tế vi tạo nên một cầu nối giữa khoa học và kỹ thuật. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu micro/nanotribology bao gồm 11 Scanning tunneling microscope (STM) và máy hiển vi đo lực ma sát và lực tương tác nguyên tử (AFM & FFM) cũng như các thiết bị đo lực tương tác bề mặt (SFA). STM có thể cho hình ảnh 3 chiều bề mặt vật rắn với độ phân giải ở mức độ nguyên tử thậm trí với cả vật liệu dẫn điện kém. AFM có thể đo được các lực rất nhỏ (nhỏ hơn 1 μN) tác dụng ở đỉnh nhấp nhô bề mặt cho cả vật rắn dẫn điện và cách điện. Ngoài ra, AFM còn là máy đo profile để xác định topography bề mặt từ thang micro đến thang nano. AFM được biến đổi để đo cả lực pháp tuyến và ma sát gọi là máy hiển vi đo lực ma sát (FFM). AFM còn được sử dụng nghiên cứu các hiện tượng dính, cào xước mòn, bôi trơn, nhiệt độ bề mặt và các tính chất cơ học về đàn hồi, dẻo. Thiết bị đo lực bề mặt (SFA) được sử dụng để nghiên cứu các tính chất tĩnh và động lực của các màng bôi trơn mỏng ở mức độ phân tử giữa hai bề mặt nhẵn ở mức độ phân tử. - Các nghiên cứu micro/nanotribology về bản chất liên kết và tương tác của vật liệu không thể tách rời mô hình hoá và mô phỏng với sự trợ giúp của máy tính để giải quyết các bài toán lý thuyết phức tạp về các hiện tượng tiếp xúc phức tạp với độ phân giải cao trong không gian và thời gian. Các mô phỏng trên máy tính cung cấp các thông tin về năng lượng nguyên tử, cấu trúc, động lực học, nhiệt động lực trên các khía cạnh của các quá trình tribology. Hơn nữa, phương pháp tiếp cận lý thuyết còn giúp cho việc thiết kế, giải thích các kết quả thí nghiệm và dự đoán các hiện tượng mới trên cơ sở của các lý thuyết micro/nano. 3. VAI TRÒ CỦA TRIBOLOGY TRONG CÔNG NGHIỆP Các nghiên cứu về tribology đóng vai trò rất quan trọng đối với các máy móc hiện đại sử dụng các bề mặt tiếp xúc lăn và trượt với nhau. Phanh, ly hợp, bánh chủ động của tàu hoả, ô tô là những ví dụ về ma sát có lợi. Mòn của bút chì khi viết, gia công cơ, đánh bóng v.v... thuộc về mòn có lợi. Ma sát và mòn có hại có thể thấy trong động cơ đốt trong, động cơ máy bay, bánh răng, cam, ổ và phớt. Theo thống kê, những thiệt hại do không quan tâm đến các vấn đề về tribology chiếm đến 6% tổng thu nhập cửa nước Mỹ (200 USD tỷ trong năm 1966). Khoảng 1/3 nguồn năng lượng của thế giới hiện tại tiêu phí cho ma sát dưới dạng này hoặc khác. Vì thế tầm quan trọng của giảm ma 12 sát và kiểm soát mòn được nhấn mạnh còn do các lý do kinh tế và độ tin cậy trong thời gian dài. Theo thống kê nước Anh có thể tiết kiệm được 500 triệu bảng và nước Mỹ 16 tỷ USD hàng năm do những cải thiện về tribology trong công nghiệp. Mục đích của những nghiên cứu về tribology là hạn chế tới mức thấp nhất tiến tới loại trừ những mất mát do ma sát và mòn ở tất cả các cấp độ của công nghệ mà ở đó tồn tại các bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối. Các nghiên cứu về tribology sẽ làm cho các nhà máy hoạt động có hiệu quả hơn, khả năng làm việc của máy móc tốt hơn, giảm thời gian sửa chữa, tiết kiệm đáng kể chi phí về thay thế, bảo dưỡng và vận hành. Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, vấn đề nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đã và đang được quan tâm đặc biệt, nhiều chương trình đề tài cấp Bộ trọng điểm, cấp Nhà nước trong lĩnh vực kỹ thuật bề mặt đặc biệt phun phủ cho dụng cụ cắt đang được triển khai và ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Trong tương lai, kỹ thuật bề mặt sẽ không chỉ là một ngành khoa học công nghệ phát triển trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam mà còn trở thành một lĩnh vực quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm công nghiệp của nước nhà. 13 Chương 1 ĐẶC TÍNH VÀ TƯƠNG TÁC BỀ MẶT VẬT RẮN 1. BẢN CHẤT CỦA BỀ MẶT Bề mặt vật rắn hay chính xác là mặt phân cách rắn - khí hay rắn lỏng có cấu trúc và tính chất rất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương pháp hình thành bề mặt đó và tương tác giữa bề mặt đó với môi trường xung quanh. Các tính chất của bề mặt vật rắn rất quan trọng đối với tương tác bề mặt bởi vì các tính chất bề mặt ảnh hưởng trực tiếp tới diện tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn và bôi trơn. Hơn nữa, các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng khác như quang học, điện, nhiệt, sơn và trang trí. Bề mặt vật rắn bản thân nó bao gồm vài vùng có các tính chất cơ lý khác với vật liệu khối bên trong đó là lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beilby, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là vật liệu nền (Hình 1-1). Hình 1.1: Chi tiết bề mặt vật rắn (a) Profile bề mặt trong mặt phẳng thẳng đứng (b) Các lớp bề mặt điển hình. 2. TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA LỚP BỀ MẶT 2.1. Lớp biến dạng Dưới tác động của quá trình tạo hình và vận hành, các tính chất của 14 lớp bề mặt kim loại, hợp kim hay ceramics có thể thay đổi đáng kể so với vật liệu khối bên trong. Ví dụ sau khi gia công cơ hay trong quá trình tương tác ma sát giữa hai bề mặt, dưới tác động của lực và nhiệt độ các lớp bề mặt sẽ bị biến dạng dẻo. Lớp biến dạng này gọi là lớp biến cứng và nó là một bộ phận quan trọng của vùng bề mặt. Ứng suất dư tồn tại trong lớp biến dạng dẻo có thể ảnh hưởng tới sự làm việc ổn định cũng như kích thước chi tiết. Chiều dày của lớp biến dạng dẻo phụ thuộc vào hai yếu tố, công hoặc năng lượng của quá trình biến dạng và bản chất của vật liệu. Chiều dày của lớp này thường từ 1 đến 100 cm tuỳ theo mức độ biến dạng cũng như tốc độ biến dạng. Kích thước hạt trong các lớp biến dạng dẻo này thường rất nhỏ do vật liệu bị biến dạng với tốc độ cao kèm theo quá trình kết tinh lại. Hơn nữa, các tinh thể và hạt tại bề mặt tiếp xúc chung tự định hướng lại trong quá trình trượt giữa hai bề mặt. 2.2 Lớp BEILBY Lớp beilby được tạo nên trên bề mặt kim loại và hợp kim do sự chảy và biến dạng dẻo bề mặt với cường độ biến dạng lớn và tốc độ biến dạng cao của các lớp phân tử bề mặt trong quá trình gia công cơ, sau đó cũng lên nhờ quá trình tôi do nhiệt độ vật liệu khối nền thấp. Lớp Beilby có cấu trúc vô định hình hoặc đa tinh thể với chiều dày từ 1 đến 100 cm. Các nguyên công gia công tinh như mài nghiền, đánh bóng có thể giảm chiều dày của lớp này. 2.3. Lớp tương tác hoá học Trừ một số các kim loại hiếm như vàng và bạch kim, tất cả các kim loại đều phản ứng với ôxy tạo nên ôxít trong không khí. Trong các môi trường khác có thể tạo nên các lớp nitrides, sulfides hay chlorides. Lớp ôxy hoá có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát. Nhiệt sinh ra trong các quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hoá và tạo ra nhiều loại ôxít khác nhau. Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong không khí, phản ứng ôxy hoá có thể còn xảy ra giữa các lớp ôxít của hai bề mặt. Ngoài ra, chất bôi trơn và phụ gia có thể tạo nên các lớp ôxít bảo vệ bề mặt quan trọng. Lớp ôxy hoá có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần. Fe có thể tạo thành ôxít sắt với hỗn hợp các ôxít Fe2O3 và Fe2O4 bên ngoài và lớp FeO 15 trong cùng. Với hợp kim, lớp ôxít bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài ôxít. Ví dụ, trên thép không rỉ tồn tại hỗn hợp ôxít sắt và ôxít crôm Cr2O3. Một số ôxít có tác dụng bảo vệ không cho quá trình ôxy hoá tiếp tục xảy ra như lớp ôxít trên bề mặt của nhôm và than. 2.4. Lớp hấp thụ hoá học Bên ngoài lớp tương tác hoá học, các lớp hấp thụ có thể hình thành trên cả bề mặt kim loại và á kim. Lớp hấp thụ hoá học được hình thành trên cơ sở sử dụng chung điện tử hoặc trao đổi điện tử giữa các chất hấp thụ và bề mặt vật rắn. Trong lớp này tồn tại một liên kết rất mạnh giữa bề mặt chất rắn và chất hấp thụ thông qua liên kết cộng hoá trị, vì thế để làm sạch lớp này cần có một năng lượng tương ứng với năng lượng tạo nên liên kết hoá học (10kcal/mol ÷ 100 kcal/mol). Năng lượng này phụ thuộc vào cả tính chất hoá học của bề mặt vật rắn và các chất hấp thụ. 2.5. Lớp hấp thụ vật lý Bên ngoài lớp hấp thụ hoá học là lớp hấp thụ vật lý, chủ yếu là các phân tử hơi nước, ôxy, hydrocarbons trong không khí tồn tại dưới dạng đơn hoặc đa phân tử với chiều dày khoảng 0,3 Nm. Các lớp màng dầu mỡ trên bề mặt cũng thuộc loại lớp hấp thụ vật lý. Ở đây không tồn tại hiện tượng dùng chung hoặc trao đổi electrons giữa các phân tử vật rắn và chất hấp thụ. Quá trình hấp thụ vật lý liên quan đến các lực Van Der Waals, các lực này rất yếu so với các lực tương tác trong khí trơ ở trạng thái lỏng. Để làm sạch lớp hấp thụ này cần rất ít năng lượng (1-2 kcal/mol), hơn nữa trong môi trường có độ chân không cao (khoảng 10-8 Pa) lớp này không tồn tại trên các bề mặt tất cả các chất rắn. Có 4 tiêu chuẩn để phân biệt lớp hấp thụ hoá học và vật lý: lượng nhiệt cần cho hấp thụ, khoảng nhiệt độ cần thiết cho hấp thụ, năng lượng hoạt tính, tính chất và chiều dày của lớp hấp thụ. 2.6. Sức căng và năng lượng bề mặt Ngoài hoạt tính hoá học và sự hấp dẫn của các phân tử hấp thụ trên bề mặt, một thuộc tính quan trọng phải được xem xét là sức căng bề mặt hay năng lượng tự do bề mặt. Năng lượng bề mặt y là công cần thiết hình thành một đơn vị diện tích trên bề mặt A, với thể tích, nhiệt độ, thế hoá học là hằng số. 16 γ gọi là sức căng bề mặt đối với chất lỏng và năng lượng tự do bề mặt đối với chất rắn. Tiêu chuẩn năng lượng để hình thành một bề mặt mới không phải chỉ công cơ học mà cả lượng nhiệt tiêu thụ, nếu quá trình xảy ra đẳng nhiệt. Tổng năng lượng cần thiết để mở rộng bề mặt chất lỏng trên một đơn vị diện tích gọi là tổng năng lượng bề mặt Es. T là nhiệt độ tuyệt đối. Giá trị của năng lượng bề mặt của một vật liệu phụ thuộc vào bản chất của môi trường đối tiếp bề mặt. Năng lượng bề mặt khi chất rắn tiếp xúc với chất lỏng khác hẳn khi tiếp xúc với không khí. Sức căng bề mặt đặc biệt quan trọng đối với hiện tượng dính. Khi một vật rắn S tiếp xúc với một chất lỏng L, các phân tử hút dọc theo bề mặt sẽ giảm năng lượng của hệ thống xuống thấp hơn khi hai bề mặt bị phân tách. WST - γSA +γLA -γSL (1-3) trong đó: WST là năng lượng dính trên một đơn vị diện tích tiếp xúc hai bề mặt, γSA, γ ST là sức căng bề mặt của chất rắn với không khí, chất lỏng, γLA là sức căng bề mặt của chất lỏng đối với chất rắn (Hình 1-2). Năng lượng liên kết của chất rắn Wc là năng lượng cần thiết để tách vật liệu thành hai phần trên một đơn vị diện tích và Wc = 2 γSA. KHÔNG KHÍ CHẤT RẮN Hình 1-2: Lực tác dụng trên bề mặt một giọt chất lỏng trên bề mặt chất rắn. 2.7. Các phương pháp xác định đặc tính của các lớp bề mặt Có nhiều phương pháp để xác định đặc tính của các lớp bề mặt. Lớp 17 biến dạng dẻo có thể xác định bằng phương pháp kim loại học - cắt mẫu, mài, đánh bóng, tẩm thực và quan sát trên kính hiển vi quang học (Optical Microscope) hoặc điện tử (Scanning Electron Microscope). Cấu trúc tinh thể và mật độ xô lệch mạng (dislocation) có thể nghiên cứu sử dụng các mẫu siêu mỏng (chiều dày khoảng vài trăm nanomét) trên kính hiển vi điện tử (Transmission Electron Microscope). Cấu trúc tinh thể của mỗi lớp bề mặt có thể nghiên cứu sử dụng tia X (X-ray), các công nghệ khúc xạ năng lượng cao hoặc thấp. Phân tích nguyên tố hoá học có thể sử dụng X-ray Energy Dispersive Analyser (X-REDA) trên các kính hiển vi điện tủ (SEM), hoặc (AES), (EPMA), (ISS), (RBS), (XRF) v.v... Chiều dày các lớp bề mặt có thể đo thông qua máy đo chiều sâu profile của bề mặt. Chiều dày và mức độ biến dạng của lớp biến dạng có thể xác định thông qua ứng suất dư trên bề mặt. Phân tích hoá học các lớp hấp thụ hữu cơ có thể sử dụng các công cụ phân tích bề mặt như Mass Spectrometry, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman Scatter, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) và XPS. 3. PHÂN TÍCH ĐỘ NHÁM BỀ MẶT Texture của bề mặt là sự sai khác có hoặc không có quy luật bề mặt thực so với bề mặt danh nghĩa tạo nên topography 3 chiều của bề mặt. Texture của bề mặt bao gồm: (1) độ nhám tế vi (độ nhấp nhô nặng hoặc micro), (2) độ sóng, (3) vết gia công (lay) và (4) flaws. Hình 1-3 minh hoạ texture của bề mặt theo một hướng. Độ sóng bề mặt là những nhấp nhô bề mặt dược đánh giá trên bước sóng lớn, thường hiểu là độ nhám thô đại. Độ sóng có thể do các yếu tố như biến dạng của máy và phôi, gằn khi gia công, nhiệt luyện hoặc biến dạng bề mặt. Độ nhám tế vi được tạo thành bởi sự nhấp nhô của bề mặt thực với bước sóng ngắn đặc trưng bởi đỉnh và chân các nhấp nhô với biên độ và khoảng cách luôn thay đổi và lớn đáng kể so với kích thước phân tử. Khái niệm đỉnh nhấp nhô được sử dụng trong không gian 2 chiều và 3 chiều. Độ nhám tế vi bề mặt bao gồm các đặc điểm thuộc về bản chất của quá trình gia công. Vết gia công (lay) là hướng chính của topography bề mặt đặc trưng 18 bởi phương pháp công. Khuyết tật (Flaws) là sự ngắt quãng không dự đoán trước, không mong muốn của texture bề mặt. Ngoài ra, trên bề mặt còn tồn tại các sai lệch khối so với hình dáng danh nghĩa (sai lệch hình dáng). Hình 1-3: Sơ đồ mô tả texture của một bề mặt 3.1. Các thông số đánh giá độ nhám tế vi trung bình 3.1.1. Các thông số biên độ Độ nhám tế vi được đánh giá thông qua sự thay đổi chiều cao của bề mặt so với một mặt phẳng chuẩn. Nó được đo dọc theo một profile hoặc dọc theo một tập hợp các profile. Độ nhám tế vi được đánh giá theo một hoặc hai tiêu chuẩn dùng mô tả chiều cao thống kê của American National Standard Institute (ANSI) và International Stadardization Organization (ISO) đó: - Ra giá trị trung bình so với đường chuẩn. - Độ sai lệch chuẩn (σ). - Rq căn bậc hai trung bình Hai mô tả chiều cao thống kê khác là Sk (skewness) và K (kurtosis) ít khi được sử dụng. Các thông số đánh giá độ nhám tế vi khác sử dụng mô tả giá trị chiều cao cực trị, Rt hay Ry hoặc Rmax. Ngoài ra 4 thông số khác ít khi được sử dụng là Rp, Rv, Rz, Rpm. 19 Từ Hình 1-4 có thể xác định được Ra, σ, Rq, Sk và K. L là khoảng chiều dài lựa chọn trên profile. Sai lệch tiêu chuẩn được tính như sau: trong đó: σ là sai lệch tiêu chuẩn, Rq là căn bậc hai trung bình của sai lệch thẳng đứng so với đường trung bình. Khi m = 0 ⇒ Rq = σ. Trong nhiều trường hợp Ra và σ có thể đổi chỗ cho nhau và đối với các bề mặt tuân theo phân bố Gauss. Các giá trị Sk và K ở dạng tiêu chuẩn được xác định như sau: 20 Năm mô tả giá trị độ cao cực trị được định nghĩa như sau: Rt là khoảng cách giữa đỉnh nhấp nhô cao nhất và chỗ lõm thấp nhất. Rp là khoảng cách giữa đỉnh nhấp nhô cao nhất và đường trung bình. Ry là khoảng cách giữa đường trung bình và chỗ lõm thấp nhất. Rz là khoảng cách trung bình giữa 5 đỉnh nhấp nhô cao nhất và 5 chỗ lõm thấp nhất. Rpm là khoảng cách trung bình từ 5 đỉnh nhấp nhô cao nhất đến đường trung bình. Các giá trị Rz và Rpm thường tương đối ổn định và được tiêu chuẩn theo ISO. Trong nhiều ứng dụng tribology, chiều cao của các đỉnh nhấp nhô cao nhất so với đường trung bình là thông số quan trọng vì sự phá huỷ tại mặt tiếp xúc chung có thể xảy ra ở một số ít đỉnh cao trên một trong hai bề mặt. Ngược lại độ sâu của các chỗ lõm với đường trung bình có thể ảnh hưởng trực tiếp việc duy trì chất bôi trơn và dòng bôi trơn. Các thông số độ cao Ra hoặc σ trong một số trường hợp và Rt hay Rp được sử dụng rộng rãi để đánh giá độ nhám của các chi tiết sau gia công cơ. Tuy nhiên, các thông số nói trên nói chung không đủ để đánh giá một bề mặt vì chúng chỉ khảo sát theo phương thẳng đứng. Chúng không cung cấp được các thông tin về độ dốc, hình dáng và kích thước các nhấp nhô cũng như tần xuất và tính quy luật tồn tại của chúng. Các bề mặt với profile rất khác nhau với tần xuất khác nhau và hình dáng khác nhau vẫn có thể có cùng giá trị Ra hoặc σ. Các thông số định lượng đơn này chỉ có giá trị phân loại các bề mặt cũng hiểu nghĩa là được tạo thành bởi cùng một phương pháp gia công. 3.1.2. Các thông số không gian Một cách để bổ sung cho các thông tin về biên độ (chiều cao nhấp nhô) là đưa ra một số chỉ số về khoảng không giữa nhấp nhô hay bước sóng (tương ứng với phân bố không gian) trên bề mặt. Hai thông số thường được sử dụng là mật độ đỉnh nhấp nhô Np (η) và mật độ ngang 0 (N0). Trong đó, Np là mật độ các đỉnh (cực đại địa phương) của profile trên một đơn vị chiều dài và η là mật độ các đỉnh nhấp nhô bề mặt trên một đơn vị diện tích. N0 là số lần profile cắt đường trung bình trên một đơn vị chiều dài. 21 Một thông số thứ ba là khoảng cách đỉnh nhấp nhô trung bình AR là khoảng cách trung bình giữa các đỉnh được đo. Thông số này tương đương với đáp các thông số không gian khác ít khi được sử dụng là độ dốc trung bình và độ cong trung bình tương ứng là đạo hàm bậc nhất và bậc hai của profile. 3.2. Các phân tích thống kê 3.2.1. Phân bố xác suất biên độ và hàm mật độ Hàm phân bố xác suất thống kê P(h) theo biến số ngẫu nhiên z(x) có giá trị trong khoảng (- ∞ , + ∞ ) hay Zmin và Zmax là xác suất của các sự kiện với z(x) ≤ h được viết như sau: P(h) = xác suất (z ≤ h) (1-9) với P (- ∞ ) = 0 và P( ∞ ) = 1. Thông thường cấu trúc xác suất của các dữ liệu ngẫu nhiên được mô tả dưới dạng độ dốc của hàm số phân bố: Hàm số p(z) được gọi là hàm mật độ xác suất và hiển nhiên: Các dữ liệu mô tả tập hợp các hiện tượng vật lý đa dạng trong thực tế có khuynh hướng tuân theo hàm mật độ xác suất hay hàm Gauss. trong đó: σ là sai lệch chuẩn, m là giá trị trung bình. 22 Hình 1.5: (a) Hàm ngẫu nhiên z*(x) tuân theo hàm xác suất Gauss. (b) Hàm mật độ xác suất Gauss p(z*). (c) Hàm phân bố xác suất thống kê Gauss P(z*). Để thuận lợi tính toán, hàm Gauss vẽ theo biến chuẩn z* = (z-m)/σ. Phương trình (1- 14) gọi là hàm mật độ xác suất chuẩn hay phân bố tiêu chuẩn Gauss. Để tìm P(h) từ p(z*), việc tích phân không thể biểu diễn dưới dạng hàm tường nên tích phân này thường được viết dưới dạng hàm sai lệch định nghĩa như sau: Ví dụ về biến ngẫu nhiên z*(x) với hàm mật độ xác suất Gauss và hàm phân bố tương ứng mô tả trên Hình 1-4. Để đơn giản hoá trong một 23 số phân tích, đôi khi phân bố dưới dạng hàm mũ được sử dụng thay thế cho phân bố Gauss dưới dạng sau: 3.2.2. Mô men của hàm xác suất biên độ Hình dạng của hàm mật độ xác suất cung cấp thông tin quan trọng về kiểu phân bố (behavior) của quá trình. Hình dạng này có thể biểu diễn dưới dạng mô men của hàm số. Mà gọi là mô men cấp n. Các mô men quanh giá trị trung bình gọi là các mô men trung tâm. Mô men cấp 0 bằng 1, mô men cấp 1 bằng m (giá trị trung bình của hàm z(x),trái lại mô men trung tâm cấp 1 bằng 0. Chú ý rằng: Mô men cấp 2 sẽ là 24 Hình 1.6: (a) Hàm mật độ xác suất cho các phân bố ngẫu nhiên với các skewness khác nhau (b) Phân bố đối xứng các kurtosis khác nhau. Mô men cấp 3 m 3c là skewness (Sk) một thông số quan trọng trong việc định nghĩa các biến số với sự phân bố bất đối xứng và thể hiện mức độ đối xứng của hàm phân bố (Hình 1-6(a)). Thường mô men trung tâm cấp 3 được chuẩn hoá thành: Mô men cấp 4 m c4 là kurtosis (K) thể hiện dạng đỉnh của đường cong phân bố (nhọn hay tù) (Hình 1-6(b)). Thường mô men trung tâm cấp 4 được chuẩn hoá: Trong thực tiễn, nhiều bề mặt kỹ thuật có phân bố chiều cao Gauss đối xứng. 25 Thực tiễn đối với phần lớn các bề mặt kỹ thuật chỉ ra rằng phân bố chiều cao nhấp nhô tuân theo phân bố Gauss với đỉnh nhấp nhô cao nhưng với đỉnh thấp, phần dưới 1% ÷ 5% của phân bố không tuân theo phân bố Gauss. Nhiều quá trình cắt kim loại tạo ra các bề mặt không tuân theo phân bố Gauss như tiện, bà0, và gia công tia lửa điện mà tạo nên các bề mặt có skewness dương. Mài, mài nghiền, phay và gia công bằng hạt mài tạo nên các bề mặt với skewness âm nhưng giá trị kurtosis cao. Đánh bóng sử dụng tia laser tạo nên các bề mặt với giá trị kurtosis cao. 3.2.3. Các hàm số phân bố chiều cao hề mặt Nếu bề mặt và chiều cao profile được xem xét là các đại lượng ngẫu nhiên, mô tả thống kê của chúng được thể hiện dưới dạng hàm mật độ xác suất (phân bố chiều cao hay đồ thị cột) hoặc hàm phân bố thống kê P(z). Đối với một profile số, đồ thị được xây dựng bằng cách thống kê số nhấp nhô hoặc phần chiều cao nhấp nhô bề mặt nằm trong từng khoảng dz và vẽ trên Hình 1-7. Số khoảng chia dz có thể từ 15÷ 50 đối với các dữ liệu thông thường, nhưng mỗi lựa chọn phải đảm bảo sự hài hoà giữa độ chính xác và độ phân giải. Đồ thị hàm số phân bố thống kê độ cao nhấp nhô bề mặt được vẽ trên Hình 1-7. Hình 1.7: Phương pháp xây dựng đồ thị cột và hàm phân bố thống kê từ đồ thị phân bố chiều cao nhấp nhô bề mặt. Nếu các đường cong phân bố thống kê và mật độ tuân theo phân bố Gauss thì các hàm phân bố độ dốc và bán kính cong cũng tuân theo phân bố Gauss bởi vì chúng là đạo hàm bậc nhất và bậc 2 của các hàm số phân bố thống kê và mật độ. 26 Đối với một profile số có chiều dài L và chiều cao nhấp nhô bề mặt L là zi, i = 1 ÷ n, tại một khoảng mẫu Δx = trong đó N là số khoảng N −1 xác định chiều cao nhấp nhô bề mặt, các thông có chiều cao trung bình xác định như sau: Các thông số không gian trung bình được xác định như sau: Độ dốc trung bình Độ cong trung bình 3.2.4. Đường cong diện tích tiếp xúc thực (BAC) Diện tích tiếp xúc thực giữa hai bề mặt có thể xác định từ profile của bề mặt toạc bản đồ bề mặt. Để xây dựng đường cong này từ profile, vẽ một đường thẳng song song và cách đường trung bình một khoảng nào đó (bearing line) cắt các nhấp thô bề mặt. Đo các đoạn cắt và lấy tổng của chúng sau đó tính tỷ số giữa tổng này và chiều dài chuẩn ký hiệu là τp (bearing ratio). Cứ làm như thế với các đường thẳng (bearing line) từ đỉnh nhấp nhô cao nhất đến chân nhấp nhô thấp nhất sẽ vẽ được tường cong mô tả quan hệ giữa áp theo khoảng cách từ đường (bearing line) tới đường đỉnh các nhấp nhô profile (Hình 1-8). Với bề mặt Gauss, đường cong này có rạng chữ S. Trong trường hợp bản đồ bề mặt thay đường 27 thẳng bằng mặt phẳng và đoạn cắt bằng diện tích mặt cắt qua các nhấp nhô. Với một bề mặt ngẫu nhiên, các tỷ số tính theo chiều dài và diện tích là như nhau. BAC có quan hệ với hàm phân bố thống kê. Phần chiều cao nhấp nhô nằm thía trên một chiều cao z, τp ứng với chiều cao h xác định như sau: Xác suất và Hình 1-8: Đồ thị của đường cong diện tích tiếp xúc thực Chú ý rằng trong các tính toán trên đã bỏ qua ảnh hưởng do biến dạng của vật liệu. 3.2.5. Các hàm số không gian Khảo sát hai bề mặt cùng phân bố hình sin, cùng biên độ nhưng khác nhau về tần số, cùng Ra và σ nhưng khác nhau về sự phân bố không gian các nhấp nhô bề mặt, nên phân bố độ dốc và độ cong cũng không đủ để thể hiện bề mặt bởi vì chúng chỉ nói lên được một kích thước không gian cụ thể. Các hàm số không gian Autocovariance (ACVF), hàm cấu trúc (SF), Power Spectral Density Function (PSDF) cho phép thể hiện tính chất của tất cả bước sóng, đặc điểm kích thước không gian. 3.2.5.1. Các hàm số Aurocovariance & Autocorrelation 28 ACVF là hàm số thông dụng nhất thể hiện sự thay đổi trong không gian. Đây là một hàm ngẫu nhiên dùng để đánh giá mức độ chính xác của các giá trị có thể dự đoán cửa một hàm số dựa trên các quan sát của SF. Cho một hàm số z(x), ACVF của một phân tách không gian τ là một giá trị trung bình của tích hai phép đo trên profile cách nhau một khoảng τz(x) và z(x + τ) Điều này đạt được bằng cách so sánh hàm z(x) với copy của nó khi dịch chuyển copy này đi một khoảng τ (Hình 1-9). Các giá trị của ACVF tại τ = 0 và τ = ∞ sẽ: Dạng tiêu chuẩn của ACVF gọi là hàm Autocorrelation (ACF) xác định như sau: Hình 1-9: Xây dụng hàm Alttocovariance. Đối với một hàm ngẫu nhiên C(τ) có thể bằng 1 tại τ = 0. Nếu các tín hiệu tuần hoàn, các đỉnh C(τ) sẽ tại những nơi τ là bội số của bước sóng. Nhiều bề mặt kỹ thuật tuân theo hàm mũ ACF. 29 3.2.5.2. Hàm cấu trúc Hàm cấu trúc (SF) hay (VF) dưới dạng tích phân của 1 profile z(x). Hàm số biểu diễn bình phương trung bình về sai lệch về chiều cao được dự đoán trên khoảng không gian T bất kỳ. Hai ưu điểm chính của SF là việc xây dựng nó không giới hạn ở trường hợp tĩnh và nó không phụ thuộc vào mặt phẳng trung bình. SF liên hệ với ACVF và ACF theo quan hệ sau: 3.2.5.3. Hàm số mật độ phổ năng lượng (PSDF) PSDF là một dạng khác của hàm không gian cung cấp thông tin như hàm ACVF và SF. Thực chất PSDF là biến đổi Fourier của ACVF. trong đó: ω là tần số góc trên chiều dài (2πf hay 2π/λ là tần số (số chu kỳ/chiều dài), λ là bước sóng, δ(ω) là hàm delta, P(ω) được định nghĩa cho tất cả tần số, cả dương và âm và thuộc về dải phổ hai mặt. 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ NHÁM BỀ MẶT Có nhiều dụng cụ khác nhau được sử dụng để đo độ nhám bề mặt dựa trên hai nguyên tắc cơ bản là tiếp xúc và không tiếp xúc. Vào năm 1933, Abbot và Firestone lần đầu tiên phát minh ra dụng cụ đo độ nhám bề mặt bằng đầu dò. Ngày nay, thiết bị này được sử dụng rộng rãi với hệ thống khuếch đại điện tử. Vào năm 1983, máy đo độ nhám quang học không tiếp xúc dựa trên nguyên tắc giao thoa quang học của hai chùm tia đã được chế tạo và ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử và quang học để đo các bề mặt nhẵn. Đến năm 1985, máy hiển vi đo lực nguyên tử ra đời là một thiết bị hiện đại cơ độ phân giải không gian cao dùng để đo độ nhám bề mặt đến thang nano. Chúng ta có thể phân các phương phasp đo độ nhám bề mặt khác 30 nhau thành 6 nhóm dựa trên các nguyên tắc vật lý liên quan, đầu dò cơ học, quang học, Scanning Probe Miroscopy, chất lỏng, điện, và Electron Micrscopy. 5. ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TIẾP XÚC 5.1. Mở đầu Các nghiên cứu về tribology không thể tách rời các nghiên cứu về cơ chế tiếp xúc giữa các vật thể rắn. Điều này liên quan đến những vấn đề thuộc về bản chất của biến dạng và ứng suất sinh ra dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài lên các vật thể có hình dáng hình học khác nhau. Đặc biệt chúng ta không chỉ quan tâm đến biến dạng và ứng suất trên bề mặt vật rắn mà còn cả sự phân bố của chúng theo chiều sâu của các lớp bề mặt. Tải trọng tác dụng lên vật rắn thường phân tích thành hai thành phần vuông góc để khảo sát tác dụng của chúng đến ứng suất và biến dạng một cách độc lập và sau đó tổng hợp lại theo nguyên lý cộng tác dụng. Vật liệu rắn khi chịu tải có thể bị biến dạng đàn hồi hoặc dẻo. Trong trường hợp thứ nhất quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là bậc nhất và biến dạng có khả năng hồi phục sau khi bỏ tải. Còn trong trường hợp thứ hai quan hệ giữa ứng suất và biến dạng phức tạp hơn vì một lượng biến dạng dư vẫn tồn tại thậm trí sau khi bỏ tải. Nói chung khi chịu lực vật liệu chịu cả biến dạng đàn hồi và dẻo, biến dạng đàn hồi xảy ra trong cả khối vật liệu còn biến dạng dẻo xảy ra tại chỗ ở đỉnh các nhấp nhô bề mặt vì ứng suất ở đây thường vượt quá giới hạn chảy. Tỷ số giữa lượng biến dạng dẻo và đàn hồi hiển nhiên là phụ thuộc vào tải trọng tác dụng và kiểu tiếp xúc giữa các nhấp nhô bề mặt. Mức độ biến dạng dẻo sẽ tăng khi tăng tải. Trong phần tiếp theo đặc điểm biến dạng của các tiếp xúc trụ và cầu sẽ được nghiên cứu bởi vì: - Nhiều tiếp xúc trong kỹ thuật có liên quan đến sự tiếp xúc của các vật thể có dạng cung tròn như bánh xe, con lăn, ăn khớp của biến dạng răng v.v... Về mặt hình học có thể coi profile bề mặt của các vật rắn là tập hợp của các nhấp nhô hình bán cầu. Một vấn đề đặt ra là trong các tiếp xúc ma sát trượt là phần lớn công của lực ma sát đều biến thành nhiệt. Nghiên cứu quá trình phát và truyền 31 nhiệt ở vùng tiếp xúc chung không tách rời việc mô hình hoá tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dạng hình tròn (giao tuyến của hai mặt cầu). Tóm lại, nghiên cứu chi tiết các tiếp xúc bề mặt gắn liền với những kiến thức về biến dạng đàn hồi, dẻo, bản chất của quá trình phát và truyền nhiệt do chuyển động tương đối giữa các bề mặt ma sát sinh ra. 5.2. Phân bố ứng suất do tải trọng 5.2.1. Tải trọng tập trung dơn Trong hầu hết các nghiên cứu chúng ta thường quan tâm nhiều đến tính chất của những lớp bề mặt ngoài cùng với độ sâu khoảng một mm, tính chất của vật liệu ở độ sâu khoảng một centimét trở lên từ bề mặt được xếp vào hàng thứ yếu. Lý thuyết về ứng suất và biến dạng tiếp xúc là một trong những vấn đề phức tạp. Cách tiếp cận thông thường bắt đầu từ lực tác dụng lên mặt phẳng là biên của các vật thể nửa vô hạn (semiinfinite). Đó là các vật thể thể rắn có thể mở rộng đến vô cùng từ một mặt phẳng. Điều này giúp chúng ta tập trung nghiên cứu sâu vào bản chất tiếp xúc bề mặt của vật rắn hơn là hình dáng hình học toàn khối của chúng dẫn đến sự đơn giản hoá đáng kể về mặt toán học. Hình 1-10. Phân bố ứng suất do tải trọng phân bố tác dụng lên vật thể semi-infinite. 32 Khảo sát tác dụng của tải trọng pháp tuyến phân bố đều p theo y trong mặt phẳng o'xz (o' là điểm đặt lực) tại điểm có toạ độ (E, O) của một vật thể rắn semi- infinite (Hình 1-10(a)). Vùng biến dạng đàn hồi trong mặt phẳng này giới hạn bởi đường nét đứt. Khảo sát tác dụng của p trên một đơn vị chiều dài theo phương y thì P = 1.p, ứng suất hướng kính σ xác định theo lý thuyết đàn hồi như sau: Các ứng suất tiếp σθ và τrθ đều bằng 0. Đây là trạng thái ứng suất nén đơn phụ thuộc vào cả r và θ. Sử dụng vòng tròn Mohr cho trạng thái ứng suất phẳng (Hình 1-10(b)), ta xác định được các thành phần ứng suất theo các trục toạ độ o'x và o'z như sau. Chuyển toạ độ của các thành phần ứng suất theo hệ toạ độ OXZ (gốc O cách o' một khoảng là E ta có: 33 Hình 1-11: Ứng suất sinh ta do tải trọng tiếp tuyến đơn tác dụng trên vật thể rắn nửa vô hạn (sellzi-infinite). Với cách tiếp cận tương tự ứng suất hướng kính do một tải trọng đường đơn T tác dụng ở o' xác định như sau: Ứng suất ấy cũng phụ thuộc vào cả r và θ'. Tương tự ta cũng xác định được các thành phần ứng suất theo phương các trục toạ độ của hệ trục toạ độ đề các OXZ: Thay T = fP trong đó: f là hệ số ma sát thích hợp, các thành phần ứng suất do cả P và T gây ra tại một điểm có toạ độ (X, Z) sẽ cho quy luật phân bố ứng suất gây ra bởi tiếp xúc ma sát đơn giản. Việc giải bài toán này tuy nhiên còn gặp phải một trở ngại đáng kể bởi vì tại r = 0 (tại O') ứng suất tiến tới vô cùng và điều đó không phù hợp với thực tế. Thực ra trong các tiếp xúc thực luôn tồn tại một diện tích tiếp xúc giới hạn nào đó giữa hai vật thể làm thay đổi điều kiện biên này và giá trị ứng suất tại đây là hữu hạn. 34 5.2.2. Tải trọng phân bố Khảo sát tải trọng phân bố đều gây ra áp suất tiếp xúc trên vùng từ O đến a trên bề mặt vật rắn semi-infinite. Nếu lấy kích thước khảo sát theo phương y bằng 1 đơn vị thì tải trọng tổng hợp P sẽ: Khảo sát một phân tố diện tích chiều dài dε tại toạ độ (ε, O), lực tác dụng lên phân tố này là pdε (Hình 1-12(a)). Ứng suất tại điểm có toạ độ (X, Z) xác định theo công thức (1-42) với tải trọng p được thay bằng pdε. Rõ ràng ứng suất tại điểm có toạ độ (X Z) do dàn lực phân bố đều sẽ là tổng ứng suất do pdε gây ra khi E biến thiên từ 0 đến a. Khảo sát tải trọng tiếp tuyến T = fP phân bố đều trên vùng từ 0 đến a và tại mỗi điểm trong khoảng (0,a) lực ma sát sẽ là tdε = fpdε (Hình 112(b)) nên: Tương tự như tải trọng pháp tuyến, ứng suất do dàn lực tiếp tuyến phân bố đều t được xác định theo công thức (1-42) như sau: 35 Hình 1-12: Sơ đồ tải trọng phân bố pháp tuyển và tiếp tuyến tác dụng trên vật thể rắn semi-infinite. Ứng suất do cả tải trọng pháp tuyến và tiếp tuyến gây ra sẽ là tổng đại số các ứng suất tương ứng trong các phương trình (1-44) và (1-46). Khi tải trọng pháp tuyến và tiếp tuyến trên vùng tiếp xúc phân bố theo một quy luật bất kỳ thì ứng suất tổng hợp tại một điểm (X, Z) vẫn được xác định theo nguyên tắc trên với p = p(ε) và t = t(ε). Hình 1-13: Sơ đồ các đường đẳng áp suất các đại hằng số. 36 Trong tất cả các phương trình trên ta đã giả thiết rằng biến dạng ở chỗ tiếp xúc của các vật thể là đàn hồi, nhưng ngay cả trong những trường hợp này ta vẫn phải quan tâm đến cả ảnh hưởng có thể của biến dạng dẻo. Tiêu chuẩn đơn giản nhất để biến dạng dẻo bắt đầu xảy ra là ứng suất tiếp cực đại đạt tới ứng suất tiếp giới hạn của vật liệu k, k = Y/2, trong đó Y là giới hạn chảy của vật liệu khi kéo đơn. Trong trường hợp biến dạng phẳng nêu trên, ứng suất tiếp cực đại nằm trong mặt phẳng OXZ và có trị số bằng bán kính của vòng tròn Mohr ứng suất. Tất cả các điểm có cùng τmax sẽ nằm trên vòng tròn có đường kính b chỉ ra trên Hình 1 - 13 (a) và Điều đó có nghĩa rằng ứng suất tiếp cực đại bằng hằng số tại mọi điểm trên vòng tròn đường kính b. Từ đây ta có thể vẽ các đường đẳng ứng suất và xác định được vị trí mà tại đó τmax = k là vị trí mà biến dạng dẻo xảy ra đầu tiên. Mô hình này hoàn toàn phù hợp với kết quả thí nghiệm phân tích ứng suất sử dụng photoelastic. Khi tải trọng pháp tuyến tập trung hoặc phân bố đều, các tính toán về τmax cho các kết quả như trên Hình 1-13(b, c). Có thể thấy rằng trong cả hai trường hợp vật liệu sẽ đạt trạng thái giới hạn đầu tiên tại bề mặt khi tăng tải đến mức Tmax = k. 5.3. Chuyển vị dưới tác dụng của tải trọng Sau khi xác định sự phân bố của ứng suất, chúng ta có thể xác định chuyển vị trong một vật rắn sử dụng các phương trình mô tả mối quan hệ giữa biến dạng e và chuyển vị tương ứng. Dưới tác dụng của tải trọng P tại O', các chuyển vị u và w được xác định theo các công thức sau: 37 Để giải các phương trình này, ta phải sử dụng các điều kiện biên. Giả sử rằng các điểm nằm trên trục z (θ = 0) không tồn tại chuyển vị ngang và tại điểm nằm trên trục z cách vị trí gốc ban đầu một khoảng b không tồn tại chuyển vị đứng. Rõ ràng điều mà ta quan tâm ở đây là chuyển vị xảy ra trên biên (z = 0) của vật rắn, vì thế thay θ = ± π/2 vào phương trình trên chuyển vị ngang sẽ được xác định theo công thức: Điều này chứng tỏ tất cả các điểm trên biên của vật rắn đều có chuyển vị như nhau và hướng về gốc. Ta cũng có thể tìm được chuyển vị đứng của một điểm trên biên (z = 0) cách gốc một khoảng x theo phương trình sau: Từ phương trình (1-53) có thể thấy rằng tại điểm đặt của tải trọng (x = 0), chuyển vị thẳng đứng tiến tới vô cùng. Tuy nhiên trong thực tế tải trọng phân bố trong vùng tiếp xúc hữu hạn từ O đến a. Thay các giá trị tương ứng vào phương trình trên ta có giá trị chuyển vị tổng tại điểm (X,0) như sau: Đối với tải trọng pháp tuyến tiếp xúc điểm P tác dụng lên một vật rắn semi- infinite, các chuyển vị ngang và thẳng đứng dọc theo biên z = 0 cách điểm đặt của tải trọng một khoảng x được xác định như sau: 38 Đối với tải trọng phân bố trên một vùng của biên xét áp xuất p tác dụng trên một phân tố diện tích dA cách điểm tính chuyển vị một khoảng là x, chuyển vị thẳng đứng tại điểm đó xác định như sau: 5.4. Tiếp xúc Hec 5.4.1. Tiếp xúc trụ 5.4.1.1. Phân hố ứng suất trên mặt tiếp xúc Trong kỹ thuật các bài toán tiếp xúc giữa các vật thể có dạng cung tròn được đặc biệt quan tâm vì nó là cơ sở cho các tiếp xúc có biến dạng bất kỳ. Khảo sát tiếp xúc của hai hình trụ cùng bán kính R ở trạng thái biến dạng phẳng. Do tính chất đối xứng nên vùng tiếp xúc chung của hai hình trụ là phẳng hình (1-14(a)). Mặc dù, điều giả thiết vùng tiếp xúc chung phẳng không thật chính xác trong trường hợp hình trụ tiếp xúc với mặt phẳng nhưng sai số có thể bỏ qua. Một đặc điểm của các tiếp xúc này khi tăng tải, diện tích vùng tiếp xúc sẽ tăng và biến dạng ở vùng trung tâm sẽ lớn hơn ở vùng biên và như thế ứng suất tiếp xúc sẽ không phải là hằng số trên vùng tiếp xúc. Đây là một bài toán phức tạp nên trước khi khảo sát sự phân bố ứng suất, ta cần xác định quy luật phân bố của ứng suất tiếp xúc và diện tích tiếp xúc thực dưới tác dụng của một tải trọng. 39 Hình 1-14: Sơ đồ phân bố ứng suất trên vùng tiếp xúc hai hình trụ Khi hai hình trụ đàn hồi như nhau tiếp xúc dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến P trên một đơn vị chiều dài hướng trục, vùng tiếp xúc sẽ có chiều rộng tiếp xúc là 2a (Hình 1-14(b)). Do biến dạng pháp tuyến tại tâm của vùng tiếp xúc lớn hơn vùng biên theo lý thuyết đàn hồi ứng xuất p sẽ phân bố dưới dạng: Một điều hiển nhiên về bản chất vật lý, ứng suất trong hệ thống này sẽ tỷ lệ với P/a. Khảo sát biến dạng có thể thấy khi tăng tải a sẽ tăng và biến dạng tăng vì thế ta có thể dự đoán quan hệ biến dạng tỷ đối theo a và R. trong đó: R là bán kính của hình trụ. Từ những quan hệ của ứng suất và biến dạng trên ta có: Theo lý thuyết đàn hồi ta có thể rút ra như sau: 40 Công thức này chứng tỏ lập luận đơn giản trên là đúng. Công thức trên còn đúng khi các hình trụ có bán kính khác nhau tiếp xúc với nhau cũng như trường hợp hình trụ tiếp xúc với mặt phẳng. Tuy nhiên, mô đun đàn hồi và bán kính cong phải là các đại lượng tương đương E' và R'. Do đó: Trong trường hợp tiếp xúc của hình trụ trên mặt phẳng, bán kính của mặt phẳng nhận giá trị vô cùng nên R' = R1. Với hình trụ tiếp xúc trong bán kính lấy giá trị âm (Hình 1-15), một điều đáng chú ý là khi E → ∞ chiều rộng tiếp xúc a → 0 nghĩa là tiếp xúc trở thành tiếc xúc đường. Hình 1-15: Các dạng tiếp xúc giữa hai hình trụ. 5.4.1.2. Phân bố ứng suất trong vùng tiếp xúc Có thể thấy rằng biến dạng dẻo bắt đầu xảy ra khi ứng suất tiếp cực đại đạt tới giá trị của ứng suất tiếp giới hạn k. Để nghiên cứu sự phân bố của ứng suất tiếp cực đại cho vật thể rắn chịu tác dụng của lực phân bố mô tả theo phương trình (1-58) trong vùng có chiều rộng tiếp xúc từ -a đến +a, thay giá trị ứng suất p vào phương trình (1-44) ta được các phương trình mô tả ứng suất tại điểm có toạ độ (X, Z) trong lòng vật thể. 41 Trị số ứng suất tiếp cực đại cho trường hợp biến dạng phẳng được xác định bằng bán kính của vòng tròn Mohr. Hình 1-16: (a) Các đường đẳng áp suất thức khi hình trụ tiếp xúc 42 với mặt phẳng chịu tác dụng của riêng tải trọng pháp tuyến (b) Plastic behavioltr tại bề mặt. Hình 1-17: (a) Các đường đẳng áp suất thực khi hình trụ tiếp xúc với mặt phẳng chịu tác dụng kết hợp của tải trọng pháp tuyến và tiếp tuyến với T = 0,5 fF. Thay giá trị của σx, σy, σz vào biểu thức của τmax ta sẽ xác định được τmax tại mọi điểm. Các giá trị của phương trình này giúp chúng ta vẽ các đường đẳng ứng suất thể hiện trên Hình 1-16(a). Giá trị lớn nhất của τmax sẽ xuất hiện dưới bề mặt một khoảng 0,67a. Hơn nữa khi tăng tải để τmax tại điểm này đạt giá trị k tương ứng với ứng xuất cực đại ở trung tâm vùng tiếp xúc po = 3,1k. Đây là kết quả đáng ngạc nhiên bởi vì ở trạng thái nén dồn chúng ta có thể dự đoán vật liệu bề mặt sẽ chảy khi po = 2k. Tuy nhiên, điều này không đúng với các phân tố bề mặt khi chúng chịu ứng suất nén theo 3 phương vuông gốc. Ở trạng thái này po có thể lớn hơn 2k mà vẫn không xảy ra biến dạng dẻo. Nói cách khác, thành phần ứng suất thuỷ tĩnh tại một điểm bất kỳ không thể gây ra biến dạng dẻo ngay tại điểm đó. Kết luận này rất quan trọng bởi vì mặc dù ứng suất tiếp xúc vượt quá giới hạn chảy của vật liệu, biến dạng dẻo vẫn không xảy ra mà biến dạng ở chỗ tiếp xúc Hec vẫn có thể là đàn hồi. Hơn nữa mặc dù biến dạng dẻo có thể xảy ra bên dưới bề mặt, nhưng trong một phạm vi rất nhỏ vì sự phát triển của vùng biến dạng dẻo bị hạn chế bởi biến dạng đàn hồi của vật liệu theo mọi phương (Hình 1-16(b)). Khi tiếp tục tăng tải kích thước của vùng biến dạng dẻo sẽ tăng lên 43 và phát triển đến bề mặt. Dòng biến dạng dẻo sau đó có thể sẽ xảy ra và hình trụ sẽ lún vào bề mặt. Khi đó áp suất tiếp xúc po bằng 6k lớn hơn 2 lần ứng suất bắt đầu gây ra biến dạng dẻo. Giá trị áp suất trung bình trong điều kiện này xấp xỉ bằng độ cứng H của vật liệu và đó là lý do tại sao với kim loại ta có: H ≈ 6k ≈ 3Y (1-65) trong đó: Y là giới hạn chảy của vật liệu khi kéo đơn. Dưới tác dụng kết hợp của cả tải trọng pháp tuyến và tiếp tuyến các đường đẳng ứng suất τmax được vẽ trên Hình 1-17. Có thể thấy, vị trí giá trị lớn nhất của của ứng suất tiếp cực đại sẽ tiến gần hơn tới bề mặt hơn và biến dạng dẻo dễ xảy ra hơn so với tác dụng riêng của tải trọng pháp tuyến. Nói cách khác biến dạng dẻo cả khối trở nên dễ dàng hơn khi có tác dụng kết hợp của tải trọng tiếp luyến. 5.4.1.3. Sự trượt dưới tác dụng của tải trọng tiếp tuyến Trong thực tế khi hai vật thể tiếp xúc chịu tác dụng của tải trọng tiếp tuyến nhỏ hơn fP sự trượt không xảy ra. Điều này thường gặp khi ma sát là cơ chế ngăn cản sự trượt giữa các bề mặt đối tiếp như bu lông đai ốc, ly hợp ma sát v.v... phần lớn các sách đều giải thích hiện tượng này bằng cách cho hệ số ma sát tăng từ 0 đến một giá trị giới hạn mà tại đó trượt xảy ra. Cách giải thích này không chính xác vì vô tình ta đã biến một hằng số vật lý thành một biến số. Có thể thấy rằng giả thiết trên là không cần thiết nếu ta coi các bề mặt tiếp xúc có khả năng biến dạng chứ không phải là tuyệt đối cứng. Biến dạng không đồng đều trên bề mặt tiếp xúc là cơ sở để giải thích hiện tượng xảy ra ở chỗ tiếp xúc của hình trụ đặt trên một mặt phẳng khi chịu tải trọng tiếp tuyến nhỏ hơn fP. 44 Hình 1-18: (a) Mô hình tiếp xúc ma sát với hai vùn dính và trượt (b. c) Mô hình phân bố tải trọng pháp tuyến p, tiếp tuyến t = fp (lực tiếp tuyến trên đơn vị chiều rộng tiếp xúc) và biến dạng trên mặt tiếp xúc. Chúng ta bắt đầu bằng giả định kết quả và kiểm nghiệm lại tính đúng đắn của nó. Giả sử trong vùng tiếp xúc tồn tại một vùng trung tâm mà ở đó trượt không xảy ra còn ở phần ngoài của vùng này trượt xảy ra với mức độ nhỏ như trên Hình 1-18. Sự tồn tại đồng thời các vùng dính và trượt tế vi hoàn toàn có khả năng bởi vì bản chất biến dạng của vật liệu ở chỗ tiếp xúc và cơ chế biến dạng cho phép sự trượt xảy ra ở vùng biên của tiếp xúc. Khi tải trọng tiếp tuyến tăng, diện tích vùng trượt tăng cho đến khi T = fP thì phát triển tới vùng trung tâm và sự trượt cả khối xảy ra trên toàn vùng tiếp xúc. Với mô hình này f có giá trị là hằng số. Ở những vùng trượt xảy ra t = fp còn ở những vùng không trượt (dính) t < fp. T được xác định bằng cách lấy tích phân t trên toàn diện tích tiếp xúc chỉ ra trên Hình 1 - 18 thoả mãn điều kiện bài toán là hệ số ma sát f = const. 45 Trong trường hợp T = fP, sự phân bố của áp suất pháp và lực tiếp tuyến t = fp chỉ ra trên Hình 1-18(b,c). Tăng tải trọng pháp tuyến gây ra biến dạng nén bằng nhau ex ở cả hai phía làm cho sự trượt không xảy ra. Dưới tác dụng lực tiếp tuyến có thể thấy rằng cơ chế biến dạng xảy ra trái chiều nhau trên hai vật thể (Hình 1-18(c)) và trượt phải xảy ra trên khắp vùng tiếp xúc. Khi T < fP vùng dính trung tâm phải có biến dạng bằng 0 ở cả hai phía quyết định kiểu phân bố của lực tiếp tuyến. Hình 1-19: Sơ đồ trượt tổng hợp. Sự phân bố của lực tiếp tuyến tạo nên biến dạng bằng 0 ở trung tâm của vùng dính mô tả trên Hình 1-19. Khảo sát một tải trọng tiếp tuyến T = fP trên Hình 1-19(a), biến dạng e'x chỉ ra trên Hình 1- 19(b). Chú ý rằng biến dạng này tuân theo quy luật bậc nhất trong vùng tiếp xúc từ - a đến a (e'x = fx/2R). Tiếp tục khảo sát dạng phân bố lực tiếp tuyến tương tự T", tác dụng ngược lại trên vùng từ -α đến + α . Biến dạng e''x do T" gây ra chỉ ra trên Hình 1-19(d). Biến dạng cũng phân bố theo luật bậc nhất ngược dấu và cùng giá trị giống như trường hợp tải trọng T'. Bằng cách cộng các biến dạng e'x và e"x sẽ được biến dạng 0 trên cả vùng từ -α đến + α và phần lực tiếp tuyến trên vùng này nơi mà t < fp. 46 Trên phần tiếp xúc còn lại t = fp và biến dạng khác không là vùng trượt chỉ ra trên Hình 1-19(e, f). Lập luận trên chỉ ra rằng thậm trí tuy không có hiện tượng trượt cả khối, trượt tế vi với một mức độ nào đó vẫn xảy ra khi T < fP và cơ chế của nó tương tự như fretting. Đối với những hình dạng tiếp xúc phức tạp, lập luận này vẫn đúng và sự trượt tế vi vẫn xảy ra ở biên của vùng tiếp xúc. 5.4.2. Tiếp xúc 3D tổng quát Để đơn giản, trong phần trên ta đã nghiên cứu tiếp xúc Hec 2D. Trong nhiều bài toán thực tế chúng ta phải giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến tiếp xúc 3D. Nói chung mô hình biến dạng 3D cũng tương tự như 2D, tuy nhiên một số công thức phải thay đổi cho phù hợp. Khảo sát hai hình cầu như nhau chịu tải trọng pháp tuyến N (Hình 120), diện tích tiếp xúc là một hình tròn bán kính a và áp suất tiếp xúc phân bố dạng cầu theo công thức sau: Giá trị của a xác định như sau: 47 Hình 1-21: Sơ đồ xác định đường tiếp xúc giữa hai vật thể. Mặc dù, tiếp xúc của hai hình cầu khác nhau không phải là một vùng tiếp xúc phẳng như trên Hình 1-21, các phương trình trên vẫn nghiệm đúng sử dụng bán kính cong tương đương R' xác định như sau: 1 1 1 = + : R' R1 R2 khi hình cầu tiếp xúc với một mặt phẳng R' = R. Trong trường hợp hai vật thể tiếp xúc với nhau, các bán kính sử dụng tính toán là các bán kính cong chính của mỗi biến dạng trong hai mặt phẳng pháp tuyến. Khi đó, hình dáng tiếp xúc là ellip và áp suất tiếp xúc phân bố theo quy luật sau: Các bán trục lớn và bé của elip được xác định như sau: 48 trong đó: ka và kb là các hằng số phụ thuộc vào giá trị của các bán kính cong chính của hai vật thể tiếp xúc và góc nghiêng φ giữa các mặt phẳng pháp tuyến chứa các cung cong chính. Nếu ký hiệu các bán kính cong chính của vật thể 1 là R21 và R22 và của vật thể 2 là R21 và R22 các hằng số A và B sẽ là: Trong những phương trình này các bán kính cong lõm lấy giá trị âm. Các hệ số ka và kb là các số phụ thuộc vào tỷ số (B-A)/(A+B) thông qua góc phụ: Sử dụng phương trình (1-73) để tính toán các giá trị của γ. Để xác định các hệ số ka và kb tương ứng với mỗi giá trị của γ yêu cầu các tính toán số phức tạp liên quan đến tích phân ellip. 49 Các kết quả tính toán cho trên Hình 1-22. Khi tính toán tiếp xúc của các vật thể rắn có hình dáng hình học phức tạp giả thiết về diện tích tiếp xúc phẳng sẽ không đúng nữa. Như đã đề cập trong phần trên, khi quy luật phân bố ứng suất và kích thước tiếp xúc vẫn xác định được theo lý thuyết của Hec, đôi khi cần biết cả hình dạng thực của tiếp xúc. Đối với các vật liệu có cùng tính chất đàn hồi, có thể giả thiết bề mặt biến dạng có bán kính chung Rc nằm giữa hai bề mặt lý thuyết (Hình 123) và giá trị của bán kính cong chung: Từ biểu thức (1-74) có thể thấy vùng tiếp xúc chung của hai hình cầu giống nhau là Phẳng. Hình 1-23: Sơ đồ liếp xúc của hai hình cần khác nhau Khảo sát tiếp xúc của một hình cầu và mặt phẳng (Hình 1-24), dễ dàng thấy rằng lượng dịch chuyển u của hai bề mặt cách tâm của vùng tiếp xúc một khoảng r xác định theo công thức sau: Nếu r rất nhỏ so với R ta có: u = R2 . 2R 50 Lượng tiếp cập pháp tuyến là khoảng cách trên đó các điểm trên hai vật thể ở xa vùng biến dạng dịch chuyển lại gần nhau dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến. Điều này sinh ra từ sự dẹt ra và dịch chuyển chung của phần bề mặt trong vùng biến dạng. Nếu a là bán kính của vùng tiếp xúc và w là lượng dịch chuyển của hình cầu tại biên của vùng này thì lượng tiếp cận pháp tuyến δ sẽ xác định như sau: Ở trung tâm vùng tiếp xúc, δ xác định mức độ biến dạng và do đó có a thể giả thiết δ tỷ lệ với mức độ dẹt ra của hình cầu hay δα 2 vì R 1/ 3 ⎛ NR ⎞ aα ⎜ ⎟ ⎝ E' ⎠ Kết hợp các phương trình (1-67) và (1-77), diện tích tiếp xúc A sẽ được xác định: 51 Có thể thấy rằng, bề mặt ở ngoài vùng tiếp xúc dịch chuyển theo một kiểu nào đó làm cho diện tích tiếp xúc thực chỉ bằng nửa diện tích tiếp xúc hình học (πa2 = 2πRδ). 5.4.3. Tiêu chuẩn cho các chế độ biến dạng Thực tế khi các bề mặt tiếp xúc với nhau, các nhấp nhô cao sẽ biến dạng dẻo còn các nhấp nhô thấp sẽ biến dạng đàn hồi. Vì vậy, chúng ta sẽ có một hệ hỗn hợp biến dạng đàn hồi và dẻo trong các tiếp xúc thực. Tải trọng càng lớn số các tiếp xúc biến dạng dẻo càng lớn. Do đó, chúng ta phải đưa ra một tiêu chuẩn, một chỉ số về mức độ biến dạng dẻo. Với một tiếp xúc nhấp nhô đàn hồi, áp suất trung bình pm xác định như sau: trong đó: δ là chiều sâu chìm xuống mặt phẳng của nhấp nhô hình cầu lý thuyết, δ là bán kính đỉnh nhấp nhô. Đối với tiếp xúc cầu, sự chuyển từ biến dạng đàn hồi thuần tuý tới hoàn toàn dẻo xảy ra theo một dải tải trọng. Biến dạng dẻo bắt đầu xuất hiện ở dưới bề mặt khi ứng suất tiếp xúc cực đại là 3,1 k hay ứng xuất tiếp xúc trung bình xấp xỉ Y và biến dạng dẻo khối xảy ra khi áp xuất trung bình bằng khoảng 3Y (giá trị độ cứng của vật liệu). Từ phương trình biến dạng có thể thấy rằng sự chuyển từ biến dạng đàn hồi sang dẻo toàn phần xảy ra trong dải giá trị δ1/2, với sự bắt đầu pm = H/3, trong đó: 52 Hình 1-25: Sư thay đổi chỉ số biến dạng dẻo tại một quá trình mòn. Do sự chuyển từ biến dạng đàn hồi sang hoàn toàn dẻo không tức thời nên ta giả thiết điểm chuyển xảy ra khi: Chia cả hai vế cho σl/2 ta có: Thông số này khi độ nhám bề mặt đặc trưng bởi σ tăng và nó thường dùng để định nghĩa hàm Ω chỉ số biến dạng dẻo, là đại lượng nghịch đảo của δ *1/2 nên: Chỉ số này chỉ ra sự bắt đầu của biến dạng dẻo, trở nên lớn khi biến dạng ở chỗ tiếp xúc chủ yếu là dẻo, nhỏ ( 0,5) trong khi các bề mặt kim cương phẳng μ > 0,03 - 0,15. Các màng hạt thô có hệ số ma sát trượt với nhôm tới 0,42 (do tác dụng cày và cắt) và khi đánh bóng thì hệ số ma sát chỉ còn 0,09 khi cùng điều kiện tiếp xúc. Vật liệu trên cơ sở các bon và kim cương chịu ảnh hưởng lớn của độ ẩm và ôxy trong môi trường, trong chân không hệ số ma sát có thể μ > 0,8. Nhiệt độ cao làm kim cương bị graphít hoá và oxy hoá nhanh vì thế ở kim cương không thể sử dụng ở nhiệt độ cao. 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 84 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 85 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 219(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). 86 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 87 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 88 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 89 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. 90 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 91 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 92 tích bề mặt. Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các cơ chế mòn khác nhau, các dạng hạt mòn cũng như các dữ liệu tiêu biểu về mòn vật liệu. 2. CÁC CƠ CHẾ MÒN CƠ BẢN 2.1. Mòn do dính 2.1.1. Khái niệm Hình 3-1 : Sơ do mô tả hai khả năng cắt tại tiếp xúc đỉnh nhấp nhô theo bề mặt tiếp xúc chung (giữa CT 1&2) hoặc lấn vào một trong hai bề mặt (chi tiết 2). 93 Mòn do dính xảy ra khi hai bề mặt rắn, phẳng trượt so với nhau. Dính xảy ra tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến, khi sự trượt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trượt (biến dạng dẻo) dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành các mảnh mòn rời. Một số mảnh mòn còn được sinh ra theo cơ chế mòn do mỏi ở đỉnh các nhấp nhô. Một số giả thuyết được đưa ra để giải thích cơ chế tách một mảnh vật liệu do dính. Theo giả thuyết đầu tiên về mòn do trượt, sự cắt có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc chung hoặc về phía vùng yếu nhất của hai vật liệu tại chỗ tiếp xúc. Trong phần lớn các trường hợp, sức bền ở chỗ tiếp xúc nhỏ hơn sức bền cắt ở vùng lân cận và cắt xảy ra trên mặt tiếp xúc chung, mòn bằng không (Hình 3-1). Trong một phần nhỏ của các tiếp xúc, sự cắt xảy ra vào và dính sang bề mặt đối tiếp (Hình 3-1). Mảnh vật liệu dính này có dạng hình khối đặc biệt Theo giả thuyết khác, nếu sức bền dính đủ lớn để cản trở chuyển động trượt tương đối, một vùng của vật liệu sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của ứng suất nén và cắt và sự trượt xảy ra mạnh dọc theo các mặt 94 phẳng trượt của các tinh thể trong vùng biến dạng dẻo. Những dải trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng (Hình 3-2(a)). Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mòn sinh ra có dạng hình chêm như trên Hình 3-2(b) và dính sang bề mặt đối tiếp. Quá trình trượt giữa hai bề mặt tạo ra nhiều mảnh mòn dính sang bề mặt đối tiếp, tích tụ và tạo nên các mảnh mòn rời do tác dụng ôxy hoá của ôxy trong môi trường hoặc do năng lượng đàn hồi lớn hơn năng lượng dính. Khi hai vật liệu khác loại kết hợp với nhau, các mảnh mòn của cả hai loại vật liệu đều được tạo thành tuy nhiên các mảnh từ vật liệu mềm hơn thường lớn hơn. Sự tồn tại của các khuyết tật và vết nứt trong vật liệu có độ cứng cao hơn tạo nên các vùng cục bộ có sức bền thấp. Khi những vùng này trùng với các vùng cục bộ có sức bền cao của vật liệu mềm hơn sẽ tạo nên các mảnh mòn của vật liệu cứng hơn. Những mảnh mòn loại này cũng có thể tạo nên do mỏi sau một số chu kỳ chịu tải và bỏ tải. Một số dạng mòn do dính (adhesion) còn được gọi là galling, scuffing, welding hay smearing. 2.1.2. Các phương trình định lượng Định luật mòn dính của archard Giả thiết tiếp xúc được tạo nên bằng một số các tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô có bán kính a như trên Hình 3-3. Hình 3-3: Sơ đồ mô hình 1ý thuyết tạo ra một hạt mòn bán cầu trong tiếp xúc ma sát trượt Có thể thấy diện tích của mỗi tiếp xúc là: πa2. Mỗi tiếp xúc sẽ chịu một tải trọng là: poπa2, trong đó po là giới hạn chảy. Các bề mặt sẽ dịch chuyển một khoảng 2a qua mỗi nhấp nhô và ta giả thiết mảnh mòn sinh 95 2 ra từ mỗi đỉnh nhấp nhô có dạng nửa hình cầu thể tích πa 3 . 3 Tổng thể tích mòn Q trên một đơn vị chiều dài trượt được xác định như sau: trong đó n là tổng số các tiếp xúc và tải trọng pháp tuyến tổng W sẽ là Nếu chỉ có một phần k các tiếp xúc nhấp nhô gặp nhau và tạo nên hạt mài thì: trong đó k là hệ số xác suất một tiếp xúc tạo nên một hạt mài. Từ phương trình này có thể rút ra ba quy luật mòn. - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với quãng đường trượt. - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến. - Thể tích vật liệu mòn tỷ lệ nghịch với với giới hạn chảy hay độ cứng của vật liệu mềm hơn. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số mòn k giữa thép và thép giữ không đổi cho đến ứng suất khoảng H/3 (H là độ cứng của thép). Khi tăng ứng suất trên giá trị này tốc độ mòn tăng đột ngột thúc đẩy hàn và dính (seizure). Điều này vẫn đúng khi vật liệu đối tiếp là kim loại khác. Tuy nhiên, ngoài độ cứng, các tính chất khác của vật liệu cũng đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng tới tốc độ mòn. Thuyết mòn dính của Rowe Rowe đã bổ sung lý thuyết mòn của Archard có kể đến tác dụng của 96 lớp màng bề mặt (surface films). Thể tích của mòn dính liên quan đến diện tích tiếp xúc trực tiếp kim Q = kmAm loại - kim loại Am km là một hằng số cho kim loại trượt và độc lập với các tính chất của A chất bôi trơn hay của lớp màng bề mặt. Đặt β = m là tỷ số giữa diện A tích tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại và thực khi có lớp bôi trơn. Theo Rowe giá trị thích hợp cho giới hạn chảy p (pháp) là giá trị tính đến sự kết hợp giữa ứng suất pháp và tiếp chứ không phải chỉ riêng do tải trọng pháp tuyến tĩnh gây ra po. 2.2. Mòn do cào xước Mòn do cào xước xảy ra khi các nhấp nhô của một bề mặt cứng và ráp hoặc các hạt cứng trượt trên một bề mặt mềm hơn và phá huỷ bề mặt tiếp xúc chung bằng biến dạng dẻo hoặc nứt tách. Trong trường hợp vật đối tiếp là vật liệu dẻo có độ dai va đập cao (kim loại và hợp kim), đỉnh các nhấp nhô cứng hoặc các hạt cứng sẽ gây nên biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn trong cả trường hợp tải nhẹ nhất.Trong trường hợp vật liệu dẫn có độ dai va đập thấp, mòn xảy ra do nứt tách khi đó trên vùng mòn nút tách là biểu hiện chủ yếu. 97 Hình 3-4: Sơ đồ (a) bề mặt cứng và nhám hoặc bề mặt cứng gắn các hạt cứng trượt trên bề mặt mềm hơn (b) các hạt cứng tự do kẹt giữa các bề mặt trong đó ít nhất một bề mặt có độ cứng thấp hơn độ cứng của hạt cứng. Có hai trường hợp mòn do cào xước. Trong trường hợp thứ nhất (cào xước hai vật) bề mặt cứng là bề mặt cứng hơn trong hai bề mặt trượt (Hình 3-4(a)). Mòn sẽ không xảy ra nếu bề mặt cứng hơn tuyệt đối phẳng và nhẵn. Trong trường hợp thứ hai (cào xước ba vật), bề mặt cứng là vật thứ ba, các hạt cứng nằm giữa hai bề mặt khác và đủ cứng để mòn một trong hai bề mặt này (Hình 3-4(b)). Mòn cũng không xảy ra nếu các hạt mài quá bé hoặc có độ cứng nhỏ hơn độ cứng các bề mặt trượt. Trong nhiều trường hợp mòn bắt đầu do dính tạo nên các hạt mòn ở vùng tiếp xúc chung, các hạt mòn này sau đó bị ôxy hoá, biến cứng và tích tụ lại là nguyên nhân tạo nên mòn hạt cứng ba vật. Trong một số trường hợp hạt cứng sinh ra và được đưa vào hệ thống từ môi trường. Các nghiên cứu thực nghiệm về mòn do hạt cứng cho thấy hiện tượng cào xước trên bề mặt mềm hơn thể hiện qua hàng loạt các rãnh song song với hướng trượt. Trên mặt cắt ngang biến dạng dẻo của các lớp dưới bề mặt ít hơn so với mòn do dính. Tuy nhiên, độ cứng tế vi của bề 98 mặt mòn tăng từ 10% - 80%. Mòn do cào xước được ứng dụng rộng rãi trong các nguyên công gia công tinh như mài, đánh bóng v.v... 2.2.1. Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo 2.2.1.1. Cơ chế mòn Vật liệu tách khỏi bề mặt thông qua biến dạng dẻo trong quá trình mòn do cào xước có thể xảy ra theo vài chế độ biến dạng bao gồm cày (plowing), dồn ép vật liệu (wedge formation) và cắt. Cày là hiện tượng tạo rãnh do hạt cứng trượt và gây ra biến dạng dẻo của vật liệu mềm hơn. Trong quá trình cày, vật liệu bị biến dạng bị dồn sang hai bên của rãnh mà không bị tách ra. Tuy nhiên, sau nhiều lần như thế phần vật liệu này có thể bị tách ra bởi cơ chế mỏi với chu kỳ thấp. Quá trình cày cũng gây nên biến dạng dẻo của các lớp dưới bề mặt và có thể góp phần vào sự hình thành mầm các vết nứt tế vi. Quá trình chịu tải và bỏ tải tiếp theo (mỏi chu kỳ thấp và ứng suất cao) làm các vết nứt tế vi song song với bề mặt phát triển, lan truyền, liên kết với nhau tạo thành các mảnh mòn mỏng. Trong trường hợp vật liệu rất mềm như indium và chì, khối lượng mòn sinh ra rất nhỏ và vật liệu bị biến dạng sẽ dịch chuyển sang hai bên của rãnh. Sự hình thành lượng vật liệu dồn ép ở phía trước của hạt cứng là một dạng mòn do cào xước. Một hạt cứng khi chà sát trên bề mặt sẽ tạo nên một rãnh và một lượng vật liệu bị dồn ép ở phía trước của nó. Điều này thường xảy ra khi tỷ số giữa sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung đối với sức bền cắt trong lòng vật liệu cao (0,5 - 1). Khi này chỉ một phần vật liệu bị biến dạng sang hai bên rãnh còn phần lớn sẽ dồn ép về phía trước của hạt cứng tạo nên hiện tượng này. Dạng cắt của mòn do cào xước xảy ra khi hạt cứng với góc tiếp xúc lớn di chuyển tạo nên rãnh và tách vật liệu ra khỏi rãnh dưới dạng mảnh mòn có dạng giống như phoi dây hoặc vụn. Quá trình này xảy ra chủ yếu là do cắt còn lượng vật liệu bị biến 99 dạng sang hai bên rãnh là rất nhỏ. Challen và Oxley đã phân tích ba dạng biến dạng phân biệt trên của mòn do cào xước sử dụng vùng đường trượt gây ra bởi một nhấp nhô bề mặt lý tưởng (chêm 2D). Theo phân tích này vật liệu giả thiết là tuyệt đối dẻo và các đỉnh nhấp nhô chỉ chịu biến dạng phẳng. Hình 3-5(a) chỉ ra chế độ cày trong đó vật liệu bị dồn sang hai bên của rãnh tạo nên bởi hạt cứng. Hình 3-5(c) chỉ ra chế độ cắt, vật liệu phía trước của hạt cứng bị cắt ra do bị biến dạng trong vùng biến dạng thứ nhất tạo thành phoi. Hình 35(b) chỉ ra chế độ hình thành vật liệu bị dồn ép ở phía trước hạt cứng. Dính xảy ra ở phía trước của hạt cứng và vật liệu bị đẩy dồn ra khỏi bề mặt. Một phần vật liệu này bị dồn sang hai bên, phần còn lại dính ở phía trước hạt cứng và cuối cùng bị tách ra giống như trường hợp cắt. Đối với kim loại dẻo, các cơ chế cày, dồn ép và cắt được quan sát trên SEM chỉ ra trên Hình 3-6. Hình 3-5: Sơ đồ vùng đường trượt của ba dạng biến dạng của vật tiện rắn, tuyệt đối dẻo gây ra bởi sự ướt của hình chêm phẳng cứng từ phải qua trái (a) cày (b) sự hình thành vật liệu dồn ép (c) cắt. 100 Hình 3-6 : Sơ đồ ba chế độ của mòn cào xước và profile tương ứng của mặt cắt ngang quan sát trên SEM. (a) Chế độ cắt của đầu thép trượt trên đĩa đồng; (b) Chế độ dồn ép vật liệu của đầu thép trên đĩa thép trắng; (c) Chế độ cày của đầu thép trên đĩa đồng. Hình 3-7: Các chế độ biến dạng quan sát khi trượt mũi cao cứng trên đồng a. thép các bon trung bình (45%) và thép trắng ôcxtenit là hàm số chứa sức bền cắt trên mặt tiếp xúc và độ chìm sâu của mũi cầu. Hokkirigawa và Kato đã nghiên cứu lực liên quan đến từng chế độ này. Các yếu tố quyết định là góc tiếp xúc θ , mức độ chìm sâu của hạt 101 cứng và sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung chỉ ra trên Hình 3-7. Mức độ chìm sâu của hạt cứng là tỷ số giữa chiều sâu rãnh và bán kính tiếp xúc, sức bền cắt bề mặt là tỷ số giữa sức bền bề mặt và sức bền trong lòng vật thể. Trong trường hợp hạt cứng có đầu nhọn sẽ tồn tại một góc tiếp xúc giới hạn chuyển từ cày và dồn ép sang cắt. Góc tiếp xúc giới hạn này phụ thuộc vào tính chất cơ lý vùng bề mặt vật liệu bị mòn. Mức độ chìm sâu giới hạn từ cày và dồn ép sang cắt sẽ tăng khi hệ số ma sát tăng. 2.2.1.2. Phương trình định lượng Hình 3-8: Một hạt cứng hình nón trong tiếp xúc trượt với bề mặt vật liệu mềm hơn của chế độ mòn do cào xước. Gọi dW là áp lực pháp tuyến tác dụng lên mặt nhấp nhô hình nón. Khảo sát mô hình đơn giản trong đó một bề mặt mang một dãy các nhấp nhô hình nón cứng trượt trên bề mặt phẳng và tạo nên các rãnh có chiều sâu đồng đều. Hình 3-8 chỉ ra một nhấp nhô hình nón đơn với góc nhám (góc tiếp xúc) θ tạo nên một rãnh trên bề mặt vật liệu mềm hơn với chiều sâu d và chiều rộng 2a. Giả thiết rằng vật liệu đạt tới giới hạn chảy dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến. Ta có 1 dW = ra 2 H 2 (3-7) trong đó H là độ cứng của bề mặt vật liệu mềm hơn. Thể tích vật liệu bị dịch chuyển trên khoảng trượt x sẽ là dv = a2xtgθ Từ đó ta có: dv = 2dWxtgθ πH Tổng thể tích vật liệu bị dịch chuyển bởi tất cả nhấp nhô là: 102 trong đó (tgθ)th là giá trị trung bình của tất cả các nhấp nhô hình nón gọi là yếu tố độ nhám. Phương trình này được rút ra từ một mô hình rất đơn giản bởi vì sự phân bố về hình dáng, chiều cao nhấp nhô và vật liệu tích tụ ở phía trước của các nhấp nhô đều bỏ qua. Một phương trình có dạng tương tự như phương trình của Archard cho mòn dính thoả mãn một dải rộng của mòn cào xước là v = k abr WW H (3 -9) Kabr là hệ số mòn bao hàm cả tính chất hình học của các nhấp nhô, và xác suất cắt của các nhấp nhô chứ không phải chỉ có xác suất cày. Vì vậy, độ nhám bề mặt có ảnh hưởng đáng kể đến thể tích mòn. Giá trị của kabr thay đổi trong dải từ 10-6 đến 10-1. Tốc độ mòn do cào xước thường rất lớn gấp khoảng 2 - 3 lần so với mòn do dính. Phương trình mòn do cào xước hai vật thể cũng đúng trong trường hợp mòn do cào xước ba vật thể nhưng hệ số kabr thấp hơn bởi vì các hạt cứng có xu hướng lăn nhiều hơn trượt. Trong quá trình mòn, hiện tượng cùn của các nhấp nhô cứng hay các hạt cứng xảy ra làm giảm tốc độ mòn. Tuy nhiên, các hạt cứng dòn có thể vỡ ra tạo thành các hạt mới sắc làm tăng tốc độ mòn. 2.2.2. Mòn do cào xước bằng nút tách Khảo sát một hạt cứng sắc trượt trên mặt phẳng của một vật rắn đòn, khi tải trọng pháp tuyến còn nhỏ, hạt cứng sắc sẽ chỉ gây ra biến dạng dẻo trên mặt vật rắn và mòn xảy ra do biến dạng dẻo. Khi tải trọng pháp tuyến vượt qua một giá trị nào đó mòn do nứt ngang làm tăng đột ngột tốc độ mòn. 103 3 ⎛K ⎞ Tải trọng giới hạn tỷ lệ với ⎜ c ⎟ K c trong đó H/Kc gọi là chỉ số độ ⎝H ⎠ dòn của vật liệu, H là độ cứng và Kc là độ dai va đập. Từ hình 3-9 có thể thấy rằng các vết nứt ngang phát triển từ ứng suất dư gây ra khi vật liệu bị biến dạng. Chiều dài lớn nhất của vết nứt vì thế chỉ được phát hiện khi hạt cứng rút ra khỏi bề mặt. Khi hạt cứng trượt trên bề mặt, các vết nứt ngang sẽ phát triển lên phía trên tới bề mặt từ vùng dưới bề mặt bị biến dạng. Các mảnh mòn được tách ra dưới dạng các mảnh đa diện từ vùng giới hạn bởi các đường nứt ngang tới bề mặt trượt. Chiều dài vết nứt c của hạt cứng trượt trên bề mặt vật liệu dòn trên hình 3-9 được xác định như sau: trong đó: α1 là hằng số phụ thuộc vào hình dáng của hạt cứng không phụ thuộc vật liệu. 104 Hình 3-9 : Sơ đồ cơ chế mòn gây ra bởi hạt cứng sắc khi trượt trên mặt phẳng của vật liệu dòn do thớ ngang (1ateral-fractture). Chiều sâu d của vết nứt ngang trên Hình 3-10 được tính như sau: trong đó: α2 là hằng số không phụ thuộc vật liệu khác. Thể tích lớn nhất của vật liệu bị tách ra do một hạt cứng trên một đơn vị chiều dài trượt là 2dc. Nếu N đỉnh nhấp nhô tiếp xúc với bề mặt mang tải và mỗi nhấp nhô chịu tải là W thì thể tích mòn trên một đơn vị chiều dài trượt sẽ là trong đó: α3 là hệ số không phụ thuộc vào vật liệu. Vì (E/H) không thay đổi nhiều với các vật rắn dòn khác nhau, nên tốc độ mòn tỷ lệ nghịch với Kl/2, H5/8 . Tốc độ mòn tỷ lệ thuận với W9/8 nghĩa là tốc độ mòn do nứt ngang tăng nhanh hơn tuyến tính theo tải trọng pháp tuyến do nứt tách trong biến dạng dẻo. Điều này ngụ ý rằng hệ số mòn trong phương trình mòn không độc lập với tải trọng. 2.3. Mòn do mỏi Mỏi suất hiện dưới và trên bề mặt xảy ra tương ứng với tiếp xúc lăn 105 và trượt theo chu kỳ. Sự đặt và nhấc tải theo chu kỳ có thể là nguyên nhân gây ra các vết nứt dưới hoặc trên bề mặt. Sau một số chu kỳ giới hạn các vết nứt sẽ phát triển tới bề mặt tạo nên các mảnh mòn lớn làm cho bề mặt bị rỗ. Khác với mòn do dính và cào xước khối lượng mòn do mỏi không phải là thông số có ý nghĩa để đánh giá mòn mà là số chu kỳ hay thời gian làm việc của chi tiết trước khi mỏi xảy ra. Sự phát triển của vết nứt trở nên mạnh hơn dưới tác dụng hoá học (thường xảy ra với ceramics) gọi là mỏi tĩnh. Sự tồn tại của ứng suất kéo và hơi nước ở đỉnh của vết nứt trong nhiều loại ceramics làm tăng đáng kể tốc độ phát triển của vết nứt. Tác dụng thúc đẩy biến dạng và nứt tách do tác nhân hoá học làm tăng mòn trong cả điều kiện tĩnh và động lực trong quá trình lăn và trượt. 2.3.1. Mỏi tiếp xúc lăn và trượt ♦ Mỏi tiếp xúc lăn không trượt Mòn do dính hoặc do cào xước xảy ra do sự tiếp xúc lý học trực tiếp giữa hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau. Nếu hai bề mặt bị phân tách bởi một lớp màng bôi trơn (không có hạt cứng rời trong vùng tiếp xúc) mòn không xảy ra. Tuy nhiên, nếu trên mặt tiếp xúc chung với tiếp xúc lồi (nonconfurming), ứng suất tiếp xúc rất lớn, mặc dù không xảy ra sự tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt đối tiếp vẫn chịu tác dụng của ứng suất này truyền qua màng bôi trơn trong chuyển động lăn. Các chi tiết của ổ lăn được thiết kế bôi trơn tốt thường bị hỏng vì mỏi xảy ra dưới bề mặt. Theo phân tích ứng suất đàn hồi của Hec, ứng suất nén cực đại xảy ra trên bề mặt nhưng ứng suất tiếp cực đại lại xuất hiện phía dưới cách bề mặt một khoảng nào đó. Khi sự lăn xảy ra, chiều của ứng suất tiếp bị đổi dấu trên từng bề mặt chi tiết. Thời gian để mòn do mỏi xảy ra phụ thuộc vào cường độ của ứng suất tiếp đổi chiều, điều kiện bôi trơn và tính chất mỏi của vật liệu lăn. Khi một vết nứt về mỏi xuất hiện dưới bề mặt, nó sẽ phát triển và tách vật liệu vùng bề mặt ra thành những mảnh mòn mỏng. Bởi vì vật liệu trong tiếp xúc lăn thường qua tôi nên bề mặt thường cứng do đó các vết nứt xuất hiện ở bề mặt do ứng suất kéo tạo nên hiện tượng mỏi bề mặt. Mỏi bề mặt lăn không trượt đặc trưng bởi sự hình thành các mảnh 106 mòn lớn sau một số chu kỳ chịu tải giới hạn nào đó. Hình 3-11: Sư thay đổi của ứng suất tiếp chính theo chiều sâu dưới điểm tiếp xúc của hai bề mặt cứng khi lăn không trượt (f - 0), trượt thuần tuý (f lớn), vừa lăn vừa trượt (f trung bình). a là bán kính Hec. Tuổi thọ của các thành phần ổ lăn ký hiệu L10 (đơn vị triệu vòng quay) cho 90% số ổ được xác định theo công thức: L10 = (C/W)p (3-13) p = 3 đối với ổ bi; p=10/3 đối với ổ đũa. Tuy nhiên tuổi thọ thực của ổ lăn LA còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên: LA = (D)(E)(F)(G)(H)L10 (3-14) D là yếu tố vật liệu, E yếu tố điều kiện làm việc, G là yếu tố vận tốc, H yếu tố lệch tâm. Các yếu tố này có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1. ♦ Mỏi tiếp xúc vừa lăn vừa trượt Sự kết hợp giữa lăn và trượt làm dịch chuyển điểm có ứng suất tiếp cực đại lên gần bề mặt hơn (Hình 3-11) do đó vị trí hỏng do mỏi tiến gần bề mặt hơn. Sự trượt thúc đẩy sự phá huỷ bề mặt do dính. Bôi trơn thích hợp có thể hạn chế đến tối thiểu ảnh hưởng phá huỷ bề mặt do trượt trong điều kiện tiếp xúc này. ♦ Mỏi tiếp xúc trượt Khi hai bề mặt trượt tương đối mòn xảy ra do dính và cào xước. Tuy 107 nhiên có thể thấy rằng các đỉnh nhấp nhô có thể tiếp xúc và trượt với nhau mà không bị dính hoặc cào xước. Ứng suất tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô làm cho đỉnh các nhấp nhô của một hoặc cả hai bề mặt bị biến dạng dẻo. Sự biến dạng ở bề mặt hoặc dưới bề mặt xảy ra theo chu kỳ là nguyên nhân xuất hiện các vết nứt (từ mầm vết nứt hoặc những chỗ trống hoặc vết nứt tế vi có sẵn) ở trên bề mặt hoặc dưới bề mặt. Các vết nứt này tiếp tục phát triển. Sau một số lần tiếp xúc nhất định, các nhấp nhô này bị phá huỷ và tạo thành hạt mòn. Rất khó có thể chứng minh mỏi là nguyên nhân mòn chính trong một tập hợp các điều kiện xác định. Archard và Hirst cho rằng kim loại dính sang bề mặt (material transfer) cuối cùng tách ra thành những hạt mòn là kết quả của quá trình mỏi. Hệ số k trong phương trình mòn do dính được giải thích là xác suất của một đỉnh nhấp nhô tiếp xúc tạo ra một mảnh mòn mà không được giải thích về bản chất vật lý của việc tạo thành mảnh mòn. Mặc dù lý thuyết mòn do dính giải thích hiện tượng dính vật liệu sang bề mặt đối tiếp nhưng không giải thích hiện tượng hình thành hạt mòn rời, đặc biệt sự hình thành hạt mòn vật liệu cứng hơn khi hai bề mặt trượt trên nhau. Tất cả những điều này có thể giải thích bằng cách giả thiết mòn là một quá trình mỏi. Yếu tố k có thể hiểu rằng một hạt mài được tạo ra khi một nhấp nhô có số lần tiếp xúc và biến dạng đủ để tạo nên sự nứt vì mỏi. Khi điều này xảy ra, một hạt mòn rời được tạo ra và tất nhiên cơ chế này dùng để giải thích cho sản phẩm của các hạt mòn hình thành từ cả bề mặt vật liệu rắn hơn và mềm hơn. Cơ chế mòn do mỏi không loại bỏ khả năng dính của vật liệu sang bề mặt đối tiếp có thể giải thích thích nhờ bằng cơ chế dính nhưng phần lớn các hiện tượng mòn đều có thể giải thích ít nhất về mặt định tính trên khía cạnh mòn do mỏi. Kragelskii cố gắng xây dựng một lý thuyết mỏi định lượng dựa trên các kết quả của Tavernelli và Coffin và đã chỉ ra rằng trong một dải rộng của vật liệu biến dạng dẻo sinh ra trong mỗi chu kỳ mỏi có quan hệ với số chu kỳ phá huỷ N theo công thức sau: 108 trong đó: εp là độ lớn biến dạng dẻo sau mỗi chu kỳ; εfail là biến dẻo khi phá huỷ trong kéo đúng tâm. Tuy nhiên, Kragelskii dường như đã sử dụng tổng biến dạng chứ không phải là chỉ biến dạng dẻo. Hơn nữa ông đánh giá xấp xỉ cường độ biến dạng theo hình dạng hình học của nhấp nhô. Vì thế có thể thấy cho đến nay không có một lý thuyết mòn do mỏi hoàn thiện nào tồn tại, mặc dù đây là cơ chế mòn dường như đáng tin cậy hơn cơ chế của lý thuyết mòn do dính. 2.4. Mòn do va chạm Mòn do va chạm gồm 2 loại chính: erosion gây ra bởi các tia, dòng các hạt rắn, các hạt chất lỏng và sự vỡ ra của bọt hình thành trong chất lỏng và mòn do va chạm theo chu kỳ của các vật rắn. Hình 3-12: Tốc độ mòn va chạm hạt cứng là một hàm số của góc va chạm θ . 2.4.1. Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion) ♦ Khái niệm Erosion là hiện tượng va chạm của các hạt cứng. Đây là một dạng của mòn cào xước do hạt cứng gây ra nhưng có đặc trưng riêng đó là ứng suất tiếp xúc sinh ra do năng lượng động lực học của các hạt khi va chạm 109 vào bề mặt. Tốc độ của hạt, góc va chạm kết hợp với kích thước của các hạt tạo nên năng lượng va chạm của chúng tỷ lệ với bình phương vận tốc. Các hạt mòn do va chạm tách ra khỏi bề mặt sau một số chu kỳ va chạm nhất định. Tương tự như mòn do cào xước nguyên nhân của mòn do va chạm của các hạt cứng là biến dạng dẻo và nứt tách phụ thuộc vào vật liệu bị mòn và các thông số của quá trình. Hình 3-12, chỉ ra sự phụ thuộc của tốc độ mòn vào góc va chạm, có thể thấy tốc độ mòn của vật liệu dẻo và dòn là rất khác nhau bởi chúng xảy ra theo các cơ chế khác nhau (biến dạng dẻo và nứt tách). Hình dạng của các hạt cứng ảnh hưởng đến cơ chế biến dạng dẻo xảy ra quanh vị trí va chạm và có quan hệ với lượng vật liệu bị đẩy ra. Trong trường hợp vật liệu dòn, mức độ và sự khốc liệt của vết nứt phụ thuộc vào độ sắc các hạt, các hạt sắc gây mòn với tốc độ lớn hơn với hạt cùn. Đối với vật liệu dẻo, người ta đã quan sát được hai cơ chế mòn cơ bản do va chạm của hạt cứng đó là cắt (cutting erosion) và cày (ploughing erosion). Tuy nhiên, mức độ mòn gây bởi hai cơ chế này cũng phụ thuộc vào góc va chạm. Ở chế độ cắt mòn xảy ra mạnh nhất theo phương khoảng 30o và chế độ cày theo phương vuông góc. Độ cứng bề mặt và tính dẻo là hai tính chất quan trọng nhất của vật liệu chống lại mòn do va chạm cắt và biến dạng dẻo của hạt cứng. Mòn do va chạm của các hạt cứng là một vấn đề quan tâm trong máy móc như sự va chạm của các hạt cát vào cánh tua bin, cánh máy bay lên thẳng, cánh quạt máy bay, chắn gió máy bay, đầu phun cát, tua bin than, tua bin thuỷ lực, bơm ly tâm sử dụng bơm bùn than. Tuy nhiên, va chạm hạt cứng cũng có nhiều ứng dụng có lợi trong việc làm sạch các bề mặt của chi tiết máy. ♦ Phương trình định lượng Xem xét hiện tượng liên quan đến biến dạng dẻo gây ra bởi một hạt cứng va chạm vào một bề mặt mềm hơn với góc va chạm bằng 90o. Giả thiết hạt cứng không bị biến dạng và biến dạng của bề mặt là tuyệt đối dẻo với độ cứng không đổi. Tại thời điểm t sau tiếp xúc ban đầu, hạt cứng với khối lượng dm và vận tốc v sẽ đi vào bề mặt với chiều sâu là x 110 và diện tích mặt cắt ngang tương ứng là A(x) phụ thuộc vào hình dạng của hạt cứng chỉ ra trên Hình 3-13. Phương trình vi phân chuyển động của hạt có thể viết như sau: Hình 3-13: Sơ đồ mòn va chạm của một hạt cứng va chạm thẳng góc vào một bề mặt mềm hơn. Nếu hạt cứng đạt tới vị trí nghỉ ở độ sâu d sau khoảng thời gian to thì tổng công của lực cản bằng năng lượng động lực ban đầu của hạt trong đó dv là thể tích của vật liệu bị dồn đẩy khỏi vết va chạm. Nếu m là khối lượng hạt va chạm thì: Vì không phải tất cả vật liệu bị dồn đẩy đều tạo thành hạt mòn nên nếu k là hệ số tỷ lệ với lượng vật liệu bị dồn đẩy tạo thành hạt mòn thì. Phương trình mòn do va chạm của hạt cứng thường được viết dưới dạng tỷ số va chạm không thứ nguyên E bằng khối lượng vật liệu bị tách ra chia cho khối lượng các hạt cứng va chạm vào bề mặt. trong đó: p là tỷ trọng của vật liệu bị mòn. 111 So sánh với phương trình mòn do cào xước, thể tích mòn do va chạm của hạt cứng cũng tỷ lệ nghịch với độ cứng H. Tải trọng pháp tuyến được thay thế bằng mv2. Tuy nhiên đây chỉ là mô hình đơn giản vì trong mô hình không đề cập đến góc va chạm, hình dáng và kích thước của hạt cứng. Hệ số k biến thiên từ 10-5-10-1. Mòn do va chạm của hạt cứng do nứt tách vì dòn phụ thuộc vào độ dai va đập của vật liệu bị mòn do va chạm. 2.4.2. Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion) Percussion là va chạm có chu kỳ của vật thể rắn vào vật thể đang chuyển động thường gặp ở đầu búa in trong máy in, các ứng dụng điện cơ cao tốc và trong các nhấp nhô bề mặt nhô cao trong ổ bôi trơn khí nén. Trong phần lớn các ứng dụng va chạm liên quan đến trượt nghĩa là bao gồm cả thành phần pháp và tiếp. Mòn do percussion xảy ra nhờ cơ chế hybrid là sự kết hợp của một loạt cơ chế: dính, hạt cứng, mỏi bề mặt, nứt tách và tribochemical. Hình 3-14: Sơ đồ va chạm của một đầu va chạm với tâm phẳng chuyển động ngang. Mô hình của mòn do va chạm vật rắn chỉ ra trên Hình 3-14 bao gồm đầu va chạm bán kính R hướng vuông góc với chuyển động của một khối có vận tốc u. Đầu va chạm có thể coi như một chất điểm và được đỡ bằng một lò xo có độ cứng k. Tại thời điểm ts đầu va chạm gặp khối chuyển động ngang. Sau đó chúng cùng chuyển động cho tới khi va chạm kết 112 thúc. Sự biến đổi của lực va chạm Hec sau một chu kỳ của quá trình va chạm chỉ ra trên Hình 3-15 có dạng quả chuông. Để đơn giản ta giả thiết lực va chạm Hec F(t) biến thiên theo quy luật hình sin. Giá trị cực đại Fo phụ thuộc vào hình dạng hình học, vật liệu và các thông số va chạm pháp tuyến. Đối với một tiếp xúc đàn hồi của đầu va chạm trên trên một tấm phẳng khối lượng vô hạn có mô đun đàn hồi vô hạn ta có: Viết phương trình động lượng của tấm khối lượng vô cùng chuyển động theo phương ngang. trong đó: f là hệ số ma sát. Sử dụng 2 phương trình đầu tính thời gian trượt ts trong đó: S = πmu . μf o t i S gọi là yếu tố trượt. Nếu S = 0, sự va chạm vuông góc xảy ra. Nếu S lớn sự trượt xảy ra trong thời gian dài hơn trong quá trình va chạm. Nếu S > 2, sự trượt xảy ra trong toàn bộ thời gian tiếp xúc. Mòn do va chạm tỷ lệ thuận với yếu tố trượt bởi vì mòn chủ yếu xảy ra trong phần va chạm của trượt tương đối. Va chạm pháp tuyến trên bề mặt cứng hơn có thể tạo nên cơ chế mòn do mỏi dưới bề mặt. Một va chạm xảy ra cùng sự trượt (va chạm kết hợp) tạo nên mỏi bề mặt và/hoặc dính, mòn do cào xước. Các cơ chế mòn riêng biệt phụ thuộc vào hình học, vật liệu và các thông số của quá trình. Với các vật liệu có độ dai va đập cao, sự tham gia 113 của mỏi bề mặt có thể bỏ qua. Áp dụng phân tích mòn do va chạm cho va chạm của đầu in với giấy bao phủ tấm phẳng. Mòn do cào xước đầu in xảy ra trong quá trình trượt (slipping time). Thể tích mòn v theo khoảng cách trượt x của đầu in với giấy: trong đó k là hệ số mòn, H là độ cứng của đầu in. Tổng thể tích mòn sau mỗi chu kỳ va chạm: Khi thể tích mòn trong một chu kỳ được xác định, mòn tổng sau N chu kỳ có thể xác định bằng cách nhân mòn đơn vị với N. Hình 3-15. Sơ đồ chu kỳ lực va chạm. 2.5. Mòn hoá học Mòn hoá học xảy ra khi các bề mặt đối tiếp hoạt động trong môi trường có hoạt tính hoá học. Trong không khí nguyên tố có hoạt tính hoá 114 học mạnh nhất là ôxy do đó mòn hoá học trong không khí đôi khi gọi là mòn do ôxy hoá. Khi các bề mặt đối tiếp không có chuyển động tương đối, sản phẩm ăn mòn hoá học là lớp màng bề mặt có chiều dày nhỏ hơn 1 cm có xu hướng cản trở hoặc ngăn quá trình ăn mòn tiếp tục phát triển. Nhưng khi trượt xảy ra giữa hai bề mặt, lớp màng do ăn mòn hoá học bị cuốn đi vì thế các phản ứng hoá học lại tiếp tục xảy ra. Mòn hoá học vì vậy cần hai điều kiện để phát triển cả phản ứng hoá học và chuyển động trượt tương đối để làm vỡ lớp màng hoá học. Mòn hoá học là một hiện tượng cần quan tâm, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như mỏ, tuyển khoáng, dây chuyền hoá học, xử lý bùn, nước thải.v.v. Mòn hoá học xảy ra do sự tương tác hoá học hoặc điện hoá của bề mặt chi tiết với môi trường. Mòn hoá học xảy ra trong môi trường ăn mòn, nhiệt độ và độ ẩm cao. Mòn điện hoá xảy ra khi phản ứng hoá học đi kèm theo với tác dụng của dòng điện xảy ra trong quá trình điện phân. Sự tồn tại của chất bôi trơn có tác dụng cô lập các bề mặt tiếp xúc khỏi môi trường ăn mòn hoá học. Tuy nhiên, các chất ăn mòn có thể hoà tan vào chất bôi trơn như nước vào dầu và chất bôi trơn cũng bị phân tích để trở nên có hoạt tính hoá mạnh hơn. Khi ăn mòn hoá học là nguyên nhân chính của mòn, một tương tác phức tạp giữa các cơ chế mòn khác nhau luôn tồn tại. Đầu tiên mòn có thể là do dính hoặc do cào xước sau đó là sự kết hợp của mòn hoá học và mòn do cào xước; ứng suất tiếp xúc cao có thể làm tăng ăn mòn cục bộ dẫn đến sự tạo thành các lỗ châm kim trên bề mặt; ứng suất dư trong lòng kim loại có thể gây ra nứt do kết hợp với sự ăn mòn trong môi trường hoạt tính cao. Hiên tượng này kết hợp với sự trượt bề mặt có thể gây ra mòn mạnh giống như sự ăn mòn của một pha trong hợp kim ổ hai pha. Hiện tượng ăn mòn đôi khi cũng có lợi, lớp màng ôxy hoá và các sản phẩm của sự ăn mòn có thể ngăn cản dính giữa đỉnh các nhấp nhô và giảm mòn kim loại trong chân không. 2.6. Mòn Tribochemical Ma sát làm thay đổi động lực học của các tương tác hoá học giữa các bề mặt trượt với khí hoặc chất lỏng trong môi trường do tác dụng sinh nhiệt trên bề mặt tiếp xúc. Ngành hoá học nghiên cứu tác dụng thay đổi 115 các phản ứng hoá học bằng ma sát hoặc năng lượng cơ học gọi là tribochemistry, mòn bị kiểm soát bởi các phản ứng gọi là mòn hoá học. Nhiệt sinh ra do tương tác ma sát ở đỉnh các nhấp nhô làm tăng tốc độ của phản ứng hoá học là cơ chế đặc trưng nhất của mòn tribochemical. Ngoài nhiệt do ma sát các cơ chế khác bao gồm: sự hình thành các bề mặt sạch do hiện tượng phá huỷ các lớp màng bề mặt, tăng tốc hiện tượng khuyếch tán và kích thích cơ hoá trực tiếp liên kết bề mặt. Các phản ứng tribochemical là nguyên nhân mòn ôxy hoá kim loại, mòn tribochemical của ceramics, và sự hình thành các lớp màng chất dẻo ma sát trên bề mặt trượt khi có sự tồn tại của chất hữu cơ, sự hoà tan của nitric silic trong nước khi trượt mà không bị nứt tách; ứng dụng của tribochemistry bao gồm sự hình thành sự hình thành lớp màng ma sát polymer, mòn và đánh bóng bề mặt không gây nứt tách (chemomechanical polishing). 2.7. Mòn fretting Hiện tượng fretting xảy ra khi chuyển động dao động với tần số thấp (trong khoảng vài chục nanômét đến vài chục micrômét) xảy ra trên bề mặt tiếp xúc chung của các bề mặt (về danh nghĩa là đứng yên). Đây là hiện tượng phổ biến bởi vì phần lớn các máy móc đều bị dao động, cả khi vận chuyển lẫn khi hoạt động. Thực chất fretting là một dạng của mòn do dính và do hạt cứng mà ở đó tải trọng pháp tuyến gây nên hiện tượng dính ở đỉnh các nhấp nhô và dao động gây nên sự cắt đất tạo nên các mảnh mòn. Fretting kết hợp với ăn mòn hoá học là hiện tượng phổ biến nhất gọi là fretting hoá. Ví dụ các hạt mòn thép sạch được tạo ra giữa hai bề mặt sẽ bị ôxy hoá tạo thành ôxít Fe2O3 sẽ là nguồn các hạt cứng trên mặt tiếp xúc chung. Bởi vì các bề mặt được ép sát với nhau và dao động với biên độ rất nhỏ nên các bề mặt không bao giờ tách rời nhau và như thế sẽ không có cơ hội để các mảnh mòn này ra ngoài. Dao động tiếp tục xảy ra tạo ra các mảnh mòn mới và tiếp tục bị ôxy hoá và cứ thế. Do vậy mòn trên một đơn vị chiều dài trượt do fretting có thể lớn hơn so với mòn do dính và do cào xước thông thường. Dao động trong mòn fretting chủ yếu do kích động từ bên ngoài, nhưng trong nhiều trường hợp đó là kết quả của một trong những 116 chi tiết chịu ứng suất thay đổi chu kỳ gây ra. Các vết nứt sẽ được tạo ra và dạng mòn đó gọi là mỏi fretting. Mòn do fretting sẽ tăng đột ngột khi biên độ dao động trượt vượt qua dải biên độ giới hạn. Với một biên độ dao động nhất định, khối lượng mòn trên một đơn vị chiều dài trượt của một đơn vị tải trọng pháp tuyến sẽ tăng tuyến tính theo số chu kỳ dao động tới biên độ dao động đến 100 cm. Khi vượt qua biên độ giới hạn này, tốc độ mòn sẽ đạt tới hằng số giống như tốc độ mòn trong trượt liên tục và trượt khứ hồi. Điều này cho phép đưa ra một giới hạn trên có thể của biên độ trượt cho fretting. Ở biên độ nhỏ, vận tốc trượt tương đối nhỏ hơn rất nhiều so với trượt thông thường, mặc dù tần số dao động có thể cao là tính chất đặc trưng của fretting. Tốc độ mòn do fretting tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến với biên độ trượt cho trước. Trong trượt bộ phận, tần số dao động ít ảnh hưởng tới tốc độ mòn trên một đơn vị chiều dài trượt trong dải tần số thấp. Tăng tốc độ biến dạng ở tần số cao dẫn đến tăng phá huỷ do mỏi và ăn mòn hoá học do nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, trong trượt toàn phần tần số ít có ảnh hưởng. Để giảm đến mức thấp nhất mòn do fretting, máy móc thiết kế phải giảm đến tối thiểu dao động, giảm ứng suất hoặc loại trừ việc thiết kế hai phần ghép vào nhau. 3. MÒN VẬT LIỆU KỸ THUẬT 3.1. Mở dầu Quá trình mòn nói chung được định lượng bằng tốc độ mòn là thể tích hay khối lượng vật liệu bị tách ra khỏi bề mặt trong một đơn vị thời gian hay một đơn vị chiều dài trượt. Các dạng khác có thể không có thứ nguyên như tỷ số chiều sâu vật liệu mòn trên một đơn vị chiều dài trượt hoặc tỷ số thể tích vật liệu tách ra trên một đơn vị diện tích tiếp xúc và một đơn vị chiều dài trượt. Mòn là một hàm số phức tạp theo thời gian. Từ đồ thị tốc độ mòn có thể thấy rằng tốc độ mòn giữ hằng số trong một giai đoạn nào đó, sau đó có thể thay đổi nếu thay đổi về cơ chế mòn. Mòn trong quá trình chạy rà phụ thuộc vào tính chất và cấu trúc vật liệu ban đầu cũng như trạng thái bề mặt như độ nhẵn, sự tồn tại của lớp màng bề mặt. Trong giai đoạn chuyển cơ chế mòn, độ nhám bề mặt bị 117 biến đổi do biến dạng dẻo. Tuy nhiên, các điều kiện đầu có ảnh hưởng tới sự phá huỷ trong giai đoạn chuyển đổi và thời lượng của nó. Giống như ma sát, tốc độ mòn của một vật liệu phụ thuộc vào vật liệu đối tiếp hoặc cặp vật liệu, trạng thái bề mặt và điều kiện làm việc. Ý nghĩa của các hệ số mòn hoặc dữ liệu mòn trong các công trình công bố thường là các giá trị tương đối hơn là các giá trị tuyệt đối. Tốc độ mòn ban đầu có thể thấp sau đó tăng hoặc ngược lại (Hình 316). Sau một khoảng thời gian nhất định tốc độ mòn giữ hằng số trong một giai đoạn sau đó có thể thay đổi nếu có sự thay đổi về cơ chế mòn trong quá trình thí nghiệm về mòn. Quá trình chạy rà phụ thuộc vào cấu trúc, tính chất ban đầu của vật liệu và các trạng thái bề mặt. Trong giai đoạn chuyển tiếp này độ nhám bề mặt bị biến đổi do biến dạng dẻo ở đỉnh các nhấp nhô bề mặt. Điều kiện ban đầu ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ mòn bề mặt trong quá trình chạy rà và khoảng thời gian chạy rà. Một cặp đôi ma sát cùng kim loại cho ma sát và mòn cao hơn các cặp kim loại khác nhau. Khác với thép và kim loại, ceramics trượt so với kim loại hoặc với chính nó hoặc với ceramics khác loại có hệ số ma sát trung bình nhưng mòn lại rất thấp. Polymers và chất bôi trơn rắn trượt với bề mặt cứng có hệ số ma sát rất thấp nhưng mòn. Hình 3-16: Ba trường hợp giả thuyết về thể tích mòn là hàm số của khoảng cách trượt chỉ ra các giai đoạn chạy rà, ổn định và khốc liệt. 3.2. Mòn kim loại và hợp kim 3.2.1. Khái niệm chung 118 Tiếp xúc rắn các bề mặt kim loại và hợp kim sạch làm tăng tính dính do đó ma sát và mòn cao, đặc biệt tiếp xúc cửa các bề mặt sạch trong chân không tạo ra tốc độ mòn rất cao. Các lớp màng hoá học mỏng hình thành trên bề mặt tiếp xúc đều có giảm dính dẫn đến làm ma sát và mòn. Trong trường hợp kim loại mềm In, Pb và Sn tiếp xúc ở đánh các nhấp nhô rất rộng và thậm trí cả khi tải trọng nhỏ là nguyên nhân gây ra tốc độ mòn cao. Các kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt như Co và Mg cũng như các kim loại không có cấu trúc dạng này như M, Cr đều cho ma sát và mòn thấp. Do đó Co, Mo và Cr là các nguyên tố hợp kim thông dụng trong thép để giảm ma sát và mòn đồng thời tăng kỹ năng chống ăn mòn. Nói chung, mòn của hợp kim thấp hơn các nguyên tố nguyên chất. Hệ số mòn k cho một loạt các kim loại giống và khác nhau cho trong Bảng 3-1. Thép là dạng vật liệu thông dụng nhất sử dụng trong kỹ thuật và kết cấu liên quan đến việc giảm ma sát, mòn, bôi trơn (trybology). Trên cơ sở của thành phần hoá học (tỷ lệ % của nguyên tố hợp kim và các bon) và đặc điểm quá trình công, một loạt các tính chất vật lý và cấu trúc tế vi khác nhau hình thành. Tính năng chống mòn của thép có cấu trúc khác nhau chỉ ra trên Hình 3-17. Bảng 3-1: Hệ số mòn k của các cặp kim loại kim loại khác nhau, với tải trọng 20N và vận tốc trượt 1.8 m/s. Các giá trị tiêu chuẩn của độ cứng là của vật liệu mềm hơn ở mỗi cặp vật liệu. Cặp kim loại Độ cứng Vickers (kg/mm2) Cadmium trượt trên Cadmium Kẽm trượt trên kẽm Bạc trượt trên bạc Đồng trượt trên đồng Platin trượt trên Platin Thép các bon thấp trượt trên thép các bon thấp Thép trắng trượt trên thép trắng Cadmium trượt trên theo các bon 119 Đồng trượt trên thép các bon thấp Platin trượt trên thép các bon thấp Thép các bon tháp trượt trên đồng Platin trượt trên bạc Hình 3-17: Khả năng chống mòn tương đối là hàm số của độ cứng theo các cấu trúc tế vi khác nhau. Các dữ liệu về mòn chỉ ra rằng trong số các loại thép thí nghiệm loại từ 201 - 301 và độ cứng đạt 44oC thép loại nitronic cho khả năng chống mòn tốt khi bản thân chúng trượt với nhau trong điều kiện không bôi trơn. Tốc độ mòn của thép hợp kim niken cao nằm trong khoảng giữa thép không rỉ mactensit và ốcstennit. Các hợp kim trên nền Co cũng có tính chống mòn cao. Vì thế ta thường phối hợp vật liệu khác nhau như thép với đồng, Si và hợp kim stellite. Các dữ liệu về mòn cũng chỉ ra rằng có thể cải thiện khả năng chống mòn bằng việc thay đổi tính chất các lớp bề mặt bằng các biện pháp xử lý bề mặt hoặc phủ bề mặt. Các thông số vận hành như tải trọng pháp tuyến, tốc độ trượt tương đối, và môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến chế độ mòn cũng như tốc độ mòn. 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mòn ôxy hoá Sự hình thành lớp màng ôxy hoá trên bề mặt tiếp xúc chung có thể giảm tốc độ mòn tới hai lần so với làm việc trong môi trường khí trơ. Ở nhiệt độ thấp, sản phẩm của quá trình ôxy hoá bề mặt chỉ hình thành ở đỉnh các nhấp nhô tiếp xúc. Ở nhiệt độ cao hơn, ôxy hoá xảy ra trên toàn 120 bề mặt và ảnh hưởng tới mòn. Khi sử dụng thép làm vật liệu của đôi ma sát, sản phẩm ôxy hoá của các hạt mòn phụ thuộc vào điều kiện trượt. Ở tốc độ thấp, các hạt mòn chủ yếu là α-Fe2O3. Còn ở tốc độ trung bình chủ yếu là Fe3O4, ở tốc độ cao là FeO. Ôxy và các phân tử của các nguyên tố khác hấp thụ trên bề mặt của kim loại và ceramics sạch tạo nên liên kết hoá học bền vững với các bề mặt này. Sự khuếch tán của các nguyên tố có hoạt tính qua lớp này bị chậm dần theo thời gian. Tốc độ ôxy hoá của sắt và nhiều kim loại tuân theo quy luật parabôn. trong đó: h là chiều dày của lớp màng ôxy hoá, t là giá trị tăng trung bình của thời gian, C là hằng số của parabôn. Bởi vì, hiện tượng khuyếch tán phụ thuộc vào tác động của nhiệt, tốc độ dày lên của lớp màng ôxy hoá trong quá trình trượt là một hàm số của nhiệt độ tương tự như ôxy hoá ở điều kiện tĩnh. K là hằng số của parabôn mô tả tốc độ dày lên của lớp màng ôxy hoá, A là hằng số Arrhenius (kg2/(m4/s)) của phản ứng ôxy hoá, Q là năng lượng hoạt tính của parabôn liên quan đến ôxít (KJ/mole), là hằng số khí Arrhenius trong trường hợp trượt. Hằng số này gấp khoảng vài lần hằng số trong điều kiện tĩnh. Điều này có nghĩa là tốc độ ôxy hoá trong điều kiện trượt xảy ra nhanh hơn điều kiện tĩnh nhiều do tốc độ khuếch tán của sắt qua lớp màng ôxy hoá tăng. 3.2.3. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành Bản đồ mòn loại trừ ảnh hưởng của môi trường đến các cơ chế mòn. Không có một cơ chế mòn đơn nào xảy ra trong một dải rộng các điều kiện vận hành, thực tế luôn tồn tại một vài cơ chế mòn mà vai trò của chúng đối với mòn thay đổi khi điều kiện vận hành thay đổi. Sự chuyển tiếp của các cơ chế mòn chính gây nên sự thay đổi về tốc độ mòn, điều này thường xảy ra khi tải trọng và tốc độ trượt thay đổi. Trong một vài 121 trường hợp sự thay đổi xảy ra theo hàm số của thời gian. Sự thống trị của một cơ chế mòn nào đó tuỳ thuộc sức bền cơ học và mức độ dính ở chỗ tiếp xúc tăng tải trọng pháp tuyến dẫn đến sự phá huỷ cơ học bề mặt do ứng suất tiếp xúc cao. Tăng tải trọng pháp tuyến và vận tốc trượt dẫn đến tăng nhiệt độ trên các lớp bề mặt là nguyên nhân tạo thành các lớp màng hoá học bề mặt (chủ yếu là màng ôxy hoá) đồng thời giảm sức bền cơ học và đôi khi thay đổi cả cấu trúc tế vi bề mặt. Trong điều kiện tích PV lớn, có thể xảy ra hiện tượng chảy cục bộ vùng gần bề mặt. Hình 3-18: Bản đồ vùng mòn của đầu khô trên đĩa thép (pin on disk) trong không khí ở nhiệt độ trong phòng. Các vùng mòn cơ học (biến dạng dẻo là chủ yếu) và hoá học (ôxy hoá) cho các cặp vật liệu trượt được vẽ trên một bản đồ mòn đơn (chế độ mòn hay cơ chế mòn) theo áp suất và vận tốc trượt đặc trưng, áp suất đặc trưng là tỷ số giữa áp suất danh nghĩa và độ cứng bề mặt (p/H). Vận tốc trượt đặc trưng là tỷ số giữa vận tốc trượt và vận tốc của dòng nhiệt (1à bán kính của diện tích tiếp xúc danh nghĩa tròn chia cho hệ số thẩm nhiệt) . Hình 3- 18 là bản đồ các vùng mòn của thép trượt trên thép trong không khí của thiết bị đầu trượt trên đĩa (pin-on-disk). Bản đồ này chia 122 thành các vùng tương ứng với các chế độ mòn khác nhau với các biên là áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt giới hạn. Bên ngoài các giới hạn này mòn do ôxy hoá sẽ chiếm ưu thế ngang với mòn cơ học ở vận tốc thấp. Từ bản đồ có thể thấy mòn nhẹ và mòn khốc liệt là hai chế độ mòn chính. Mòn nhẹ tạo nên bề mặt mòn nhẵn còn mòn khốc liệt tạo nên bề mặt ráp với các vết xé sâu và tốc độ mòn cao. Các vùng chuyển tiếp giữa mòn nhẹ và khốc liệt nằm trong một khoảng rộng phụ thuộc vào điều kiện vận hành đó là tải trọng, vận tốc, tải trọng - vận tốc và đôi khi khoảng cách trượt. Mòn nhẹ xảy ra do tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại ở đỉnh các nhấp nhô giảm tới tối thiểu bởi sự hình thành lớp màng ôxy hoá do nhiệt ma sát. Mòn nhẹ xảy ra dưới bốn bộ điều kiện phân biệt sau đây. Áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt thấp, một lớp màng ôxy hoá có chiều dày khoảng vài nang mét hình thành ngăn tiếp xúc kim loại trực tiếp và không bị phá vỡ do tải nhẹ. Vận tốc trượt cao hơn, một lớp màng ôxy hoá dày hơn và đòn hơn liên tục tạo ra do nhiệt độ cao. Quá trình ôxy hoá liên tục làm dày lớp màng ôxít. Tải trọng cao hơn, một lớp bề mặt cứng (mactensit) được tạo thành trên bề mặt thép các bon do nhiệt ma sát cục bộ ở đỉnh nhấp nhô và hiện tượng tôi xảy ra khi nhiệt tản vào bề mặt. Nhiệt độ bề mặt càng cao cũng tạo ra một lớp màng ôxy hoá dày hơn được đỡ bởi lớp tôi cứng bề mặt. Tốc độ trượt cao hơn, nhiệt độ bề mặt tiếp xúc tăng lên tạo nên các lớp màng dày. Các lớp màng ôxy hoá có tác dụng giảm dòng nhiệt từ bề mặt vào nền là nguyên nhân làm hiện tượng ôxy hoá trở nên khốc liệt. Mòn khốc liệt xảy ra trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại dưới ba bộ điều kiện phân biệt sau đây: Áp suất tiếp xúc lớn và vận tốc trượt nhỏ, áp suất lớn đủ phá vỡ lớp màng mỏng ôxít dẫn dấn tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại ở đỉnh các nhấp nhô. Áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt trung bình, tải trọng lúc này đủ lớn để phá vỡ các lớp màng ôxy hoá dày hơn nhưng dần được sinh ra. 123 Cả áp suất tiếp xúc và vận tốc trượt đều cao, các điều kiện trượt khốc liệt tới mức mà nhiệt độ cục bộ đạt tới nhiệt độ nóng chảy của thép tạo thành một lớp màng lỏng ở chỗ tiếp xúc dẫn đến mòn khốc hệt. 3.3. Mòn ceramics Ceramics có độ bền cơ học cao, ở nhiệt độ cao (elevated temperature) ceramics không bị suy giảm sức bền hoặc bị ôxy hoá nhiều. Ceramics có khả năng làm việc tốt trong môi trường ăn mòn. Vì thế các cặp ma sát ceramics thường được sử dụng trong những điều kiện hết sức khốc liệt về tải trọng, vận tốc, nhiệt độ và môi trường ăn mòn. Các tính chất cơ học cao là nguyên nhân của ma sát và mòn thấp do diện tích tiếp xúc thực rất nhỏ. Ngay cả trong các môi trường trung tính, hệ số ma sát và tốc độ mòn của ceramics cũng không đạt tới giá trị của kim loại sạch đặc biệt trong môi trường có độ chân không rất cao hoặc không có ôxy. Ở nhiệt độ trong phòng Ceramics có khả năng biến dạng dẻo rất kém và độ dẻo kém hơn kim loại rất nhiều. Vật liệu ceramics phản ứng với chất bôi trơn giống như kim loại. Khác với kim loại, thực tế cặp đôi ma sát ceramics có thể dùng cùng một loại vật liệu vẫn cho ma sát và mòn thấp. Các điều kiện vận hành bao gồm tải trọng pháp tuyến, vận tốc trượt và môi trường có ảnh hưởng quan trọng đến chế độ mòn cũng như tốc độ mòn. Tuy nhiên, ma sát và mòn của ceramics chịu ảnh hưởng nhiều của môi trường làm việc. Tương tác tribochemical của ceramics với môi trường khí hoặc lỏng sẽ điều khiển ma sát và mòn của ceramics. Tuỳ theo phản ứng hoá học giữa ceramics và môi trường, ma sát và mòn có thể tăng hoặc giảm, và thậm trí thay đổi cả cơ chế và tốc độ mòn. Tương tác hoá học này có thể làm thay đổi thành phần bề mặt và làm giảm dạng mòn hoá thuần tuý gây ra bởi sự hoà tan của ceramicss trong môi trường lỏng, nhưng cũng có thể gây ra sự nứt hoá học làm tăng tốc độ mòn. Mòn tribological của ceramics phi ôxít Sự hình thành lớp màng ôxy hoá trên bề mặt của ceramics phi ôxít trong môi trường ôxy hoá và sự hình thành các lớp hydrô ôxít là nguyên 124 nhân làm thay đổi ma sát là hàm số phụ thuộc vào các điều kiện của môi trường. Sự hình thành các lớp màng hoá học trong quá trình trượt do sự tăng nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc chung được quan niệm là tribochemistry. Các ceramics phi ôxít như nitric silic, cácbit silic, nitric than, cácbit than đều hình thành lớp màng ôxít khi trượt trong môi trường ôxy hoá. Ôxy được lấy từ trong không khí hoặc nước. Si3N0 + 3O2 → 3SiO2 + 2N2 Si3N4 + 6H2O → 3SiO2 + 4NH3 Ôxít Ceramics tác dụng với nước dưới dạng hơi hoặc chất lỏng nhờ phản ứng thuỷ phân. SiO2 + 2H2O → Si(OH)4 Tốc độ ôxy hoá được tăng lên nhờ tác dụng của nhiệt ma sát. Lớp hydrô ôxít Si(OH)4 có tác dụng giảm ma sát và mòn nhưng cũng là nguồn tạo hạt mòn. Quá trình mất đi của lớp màng hydrô ôxít Si(OH)4 và sự hình thành lớp mới là một quá trình liên tục khi ceramics trượt trong môi trường ôxy hoá. Hình 3-19 biểu diễn các giá trị của hệ số ma sát và tốc độ mòn theo lượng hơi nước có trong môi trường từ khí nhơ tới không khí với độ ẩm khác nhau và nước. Các hệ số này giảm đột ngột khi tăng lượng nước trong môi trường trượt của ceramics nitric silic trên chính nó. Các phương trình phản ứng với ô trên chỉ ra sự hình thành và thuỷ phân lớp màng ôxít silic tại bề mặt tiếp xúc. Lớp màng thuỷ phân này mềm có sức bề trượt thấp có tác dụng giảm hệ số ma sát và tốc độ mòn. Cả hệ số ma sát và mòn đều giảm khi tăng độ ẩm không khí khi sử dụng các đôi ma sát trượt nitric silic và các bít silic. Hình 3-20 chỉ ra ảnh hưởng của vận tốc đến hệ số ma sát và tốc độ mòn. Sau khi đạt tới vận tốc 200 m/s nhiệt sinh ra trên bề mặt tiếp xúc đủ để giảm lượng hơi nước từ không khí dẫn đến giảm các sản phẩm 125 tribochemical làm tăng ma sát và mòn. Hình 3-19: Ảnh hưởng của môi trường đến hệ số ma sát và tốc độ mòn của ceramics nitrit silic thiêu kết trượt trên nó (pin on disk) tải trọng 10N và vận tốc trượt 150m/s. Hình 3-20: Hệ số ma sát và tốc độ mòn của ceramics nitrit silic thiêu kết trượt trên nó (pin on disk) tải trọng 10N trong không khí. Nứt tách hoá học của ceramics ôxít Hình 3-21: Hệ số ma sát và tốc độ mòn của các bít silic với alumina (bi trên đĩa) là hàm số của độ ẩm tương đối với tải trọng 10 N và vận tốc 126 trượt 0,1 m/s sau khoảng cách trượt 1 km. Trong trường hợp các ceramics ôxít như alumina và zirconia, ma sát và mòn của các ceramics này rất nhạy cảm với nước nhưng hệ số ma sát và mòn tăng khi tăng độ ẩm tương đối (Hình 3-21). Sự tăng tốc độ mòn xảy ra do tốc độ phát triển của nứt tách tăng lên bởi liên kết giữa các ion ôxít và kim loại kề nhau chịu tác dụng của nước tại đỉnh các vết nứt. Đây là hiện tượng nứt do ứng suất kết hợp với hoá học hay gọi là mỏi tĩnh. Hình 3-22: Hệ số ma sát và thể tích lớn là một hàm số của nhiệt độ khi nhôm α trượt trên nó (bi trên đĩa) với tải trọng 59 N và vận tốc trượt là 1,4 mm/s Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số ma sát và mòn chỉ ra trên Hình 322. Ở nhiệt độ dưới 200oC và trên 800oC hệ số ma sát và thể tích mòn nhỏ. Trong dải nhiệt độ 200oC - 800oC, hệ số ma sát và mòn rất lớn. 3.4. Ma sát và mòn chất dẻo Chất dẻo được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và cuộc sống đặc biệt là Nilon. Chất dẻo có các ưu điểm sau đây: - Chất dẻo hấp thụ dao động rất tốt và làm việc êm. - Chất dẻo có khả năng biến dạng để tiếp xúc với bề mặt đối tiếp tốt. - Dễ chế tạo các chi tiết có hình dáng phức tạp bằng đúc hoặc gia công cơ. - Giá thành hạ. 127 3.4.1. Ma sát của chất dẻo Theo Keng và Tabor đối với phần lớn các chất dẻo, lực ma sát giữa chất dẻo và đầu trượt thép có thể dự đoán bằng lý thuyết ma sát đơn giản của Bowden và Tabor. Lực ma sát được tính bằng tích giữa ứng suất trượt của chất dẻo với diện tích tiếp xúc thực. Chất dẻo là loại vật liệu đàn hồi nhớt và vì thế sự biến dạng của nó phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Hệ số ma sát của chất dẻo có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng theo các thông số như tốc độ trượt và độ nhám bề mặt. Hệ số ma sát của phần lớn chất dẻo với kim loại hoặc với chất dẻo nói chung trong phạm vi 0,2 - 0,4. Riêng PTFE trượt trên nó hệ số ma sát có thể thấp đến 0,05. 3.4.2. Mòn chất dẻo Có thể thấy hệ số ma sát của chất dẻo không thấp lắm nhưng chúng mòn với tốc độ thấp và có thể dự đoán được. Điều này giúp cho việc lựa chọn vật liệu ổ với mức độ chính xác nào đó về tuổi thọ trong các điều kiện cho trước về tải trọng và vận tốc. Tốc độ mòn của chất dẻo phụ thuộc chủ yếu vào tải trọng và vận tốc hay yếu tố P-V. 3.4.2.1. Yếu tố P-V Việc tìm ra vai trò của yếu tố P-V dựa trên giả thuyết rằng tốc độ mòn tỷ lệ thuận với tốc độ tiêu thụ năng lượng trên bề mặt trượt. Với tiếp xúc phẳng Xét cặp tiếp xúc phẳng có diện tích tiếp xúc danh nghĩa A (gạch chéo trên Hình 3-23), chịu tải trọng pháp tuyến là W, năng lượng tiêu thụ trên khoảng trượt dx sẽ là: fWdx, trong đó f là hệ số ma sát trượt. Tốc độ tiêu thụ năng lượng sẽ là trong đó: V là tốc độ trượt tại bề mặt tiếp xúc. Giả thiết tốc độ mòn thể tích Q tỷ lệ với tốc độ tiêu thụ năng lượng với f = const. Yếu tố mà ta quan tâm là chiều sâu mòn hoặc tốc độ mòn tuyến tính 128 pháp tuyến với bề mặt trượt. trong đó: P là áp suất. Với tiếp xúc trụ Giả thiết ổ đỡ trụ chịu tác dụng của tải trọng pháp tuyến W và vùng tiếp xúc là một nửa hình trụ (gạch chéo trên Hình 3-24). Giả thiết R là phản lực pháp tuyến trên một đơn vị diện tích trên bề mặt tiếp xúc. Lực tác dụng trên một phân tố diện tích mặt trụ chắn góc dθ sẽ là Rdslcosθ, trong đó: Vì vậy áp lực tổng hợp thẳng đứng sẽ là Hình 3-23: Sơ đồ của hai mặt trượt phẳng rút ra mối quan hệ PV Hình 3-24: Sơ đồ ổ đỡ bôi trơn chất rắn và lực tác dụng 129 Nhưng tốc độ tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị diện tích tại bề mặt tiếp xúc chung là FRV nên tổng tốc độ tiêu thụ năng lượng tại bề mặt tiếp xúc chung sẽ là nên tốc độ mòn thể tích ∝ FWVπ . Do chúng ta thường quan tâm đến lượng mòn hướng kính bằng tốc độ mòn thể tích chia cho πDl. Do đó: Tốc độ mòn hướng kính hay ∝ fPV (3-32) trong đó: P là tải trọng pháp tuyến trên một đơn vị diện tích hình chiếu trên mặt phẳng ngang. Để có một sự xấp xỉ gần đúng có thể xác định một cặp yếu tố P-V không vượt quá một giới hạn nhất định ứng với một tuổi thọ xác định. Trong thực tế có thể vẽ đồ thị của các tốc độ mòn cho phép theo áp suất và vận tốc như trên Hình 3.25. Từ đồ thị có thể thấy yếu tố P-V thoả mãn một giá trị tốc độ mòn xác định là hằng số trừ ở hai vùng cận của áp suất và vận tốc. Giới hạn P-V của ổ là giá trị các yếu tố P-V làm cho ổ bị hỏng nhanh do chảy hay phân tích vì nhiệt. 130 Người ta cũng phát hiện ra rằng tốc độ mòn ổn định Q đối cho ổ chất dẻo tỷ lệ với yếu tố P-V nằm ngoài các dải P-V không được sử dụng trong thực tế. Có thể định nghĩa hệ số mòn K ở phương trình sau: Q = KPV (3-33) Hình 3-25: Đường cong giới hạn P-V của PTFE - vật liệu cơ sở khi tốc độ mòn 25 μm trên 100 giờ. Từ phương trình này có thể thấy nếu từ tốc độ mòn cho một giá trị P-V đã biết, có thể tính K và tốc độ mòn cho các yếu tố PV khác. Tuy nhiên, yếu tố P-V không phải chỉ giới hạn cho ổ chất dẻo, các yếu tố tương tự có thể đưa ra cho các dạng ổ khác và cả cho trường hợp sử dụng các lớp màng bôi trơn rắn. 3.4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn của ổ chất dẻo Bôi trơn có thể cải thiện khả năng làm việc của ổ. Bôi trơn theo chu kỳ có thể làm tăng giới hạn P-V lên vài trăm phần trăm, trong trường hợp bôi trơn liên tục khả năng làm việc của ổ chỉ còn bị giới hạn bởi sức bền của chất dẻo. Giá trị giới hạn P-V của một ổ là giá trị mà bề mặt tiếp xúc bắt đầu chảy hoặc phân tích do nhiệt. Do đó, giá trị giới hạn của P-V bị ảnh hưởng bởi trường nhiệt độ xung quanh, nhiệt độ trên mặt trượt, tốc độ tản nhiệt ra khỏi vùng tiếp xúc chung. Do hệ số dẫn nhiệt của chất dẻo thấp nên phải sử dụng một số biện pháp kỹ thuật để làm mát. Hơn nữa có thể sử dụng ổ làm việc gián đoạn theo các mức tăng của P-V để ổ có thời gian nguội sau chu kỳ làm việc. 131 4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MÒN Thực chất có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ mòn của các bề mặt trượt. Tuy ảnh hưởng của các yếu tố này được phân chia theo nhiều đề mục nhỏ nhưng thực chất chúng có mối quan hệ với nhau và rất khó tách các yếu tố riêng biệt. Ví dụ nhiệt độ cao sinh ra ở bề mặt tiếp xúc do tải trọng và tốc độ trượt lớn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành lớp màng bề mặt và có thể tạo thay đổi về cấu trúc tế vi và độ cứng bề mặt. 4.1. Ảnh hưởng của các lớp màng bề mặt Cả ma sát và mòn đều là những hiện tượng xảy ra chủ yếu trên bề mặt. Sự tồn tại của các lớp màng (films) có ảnh hưởng quyết định đến ma sát và mòn. 4.1.1. Mòn trong chân không Trong môi trường chân không với độ chân không tới 10-8 mm Hg, dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến và tiếp tuyến, tiếp xúc ở đỉnh nhấp nhô phát triển không bị hạn chế vì không bị ngăn cản bởi các lớp màng bề mặt (chúng không thể hình thành trong chân không). Các tiếp xúc này "hàn" lại với nhau trên diện tích tiếp xúc lớn tạo nên hệ số ma sát rất cao. Khi hai bề mặt chuyển động tương đối liên kết tại các tiếp xúc nhấp nhô này phải bị phá vỡ. Theo thuyết mòn do dính, tốc độ mòn phụ thuộc vào vị trí bị cắt ở vùng tiếp xúc và do đó diện tích tiếp xúc càng lớn tốc độ mòn càng lớn. Các thí nghiệm về ma sát và mòn trong chân không có ý nghĩa rất quan trọng khi thiết kế máy bay bay ở độ cao lớn, tên lửa và tàu vũ trụ. Các chất bôi trơn truyền thống như dầu, mỡ tất nhiên không thể sử dụng trong thời gian dài. Giải pháp hiện nay cho vấn đề bôi trơn trong chân không là các màng kim loại có sức bền thấp, chất bôi trơn rắn hoặc dẻo. Gần đây, người ta sử dụng kim loại cấu trúc lục giác xếp chặt làm vật liệu ổ trong môi trường vũ trụ để giảm ma sát và mòn. 4.1.2. Lớp màng ôxy hoá Sau khi gia công cơ trên bề mặt kim loại tồn tại một lớp màng ôxy hoá dày khoảng 5 - 50 lớp phân tử. Khi hai bề mặt trượt với nhau trong không khí, nếu các lớp màng này bị phá vỡ bề mặt kim loại ngay lập tức 132 được bao phủ bởi một lớp phân tử đơn. Trừ khi tải trọng rất nhỏ, lớp màng ôxy hoá không ngăn cản được tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh nhấp nhô giữa hai kim loại điều này đã được chứng minh trong thí nghiệm của Wilson khi đo điện trở tiếp xúc của nhiều cặp vật liệu tiếp xúc trượt với nhau. Lớp màng ôxy hoá có tác dụng ngăn cản sự phát triển diện tích tiếp xúc nhấp nhô bề mặt dẫn đến giảm ma sát và mòn. Nhiều nhà nghiên cứu phát hiện rằng biểu đồ mòn kim loại có thể chia ra thành hai vùng: mòn trung bình và mòn khốc liệt. Vùng mòn trung bình là vùng tương ứng với tải trọng thấp, sự cản trở ở chỗ tiếp xúc lớn tạo nên các hạt mòn mịn và chủ yếu là các ôxít kim loại nên bề mặt mòn nhẵn. Vùng mòn khốc liệt tương ứng với tải trọng lớn, sự cản trở tiếp xúc nhỏ, các mảnh mòn gồm các mảnh kim loại có kích thước đáng kể nên bề mặt mòn ráp. Tính chất của lớp màng ôxy hoá có ảnh hưởng rất quan trọng đến tốc độ mòn. Ví dụ trên bề mặt của nhôm, lớp ôxít đòn và cứng nên khả năng chống mòn khốc liệt kém. Thí nghiệm của Barwell cho thấy khi thép trượt so với thép ở độ chân không 10-4 mm Hg, mòn thấp hơn khi sự trượt xảy ra trong không khí. Có thể giải thích hiện tượng này như sau: ở áp suất 10-4 mm Hg lớp màng ôxy hoá mỏng nhưng dai và liên kết bền còn trong không khí lớp màng này trở nên dày hơn nhưng tác dụng bảo vệ kém. Ngoài ra lớp màng ôxy hoá cũng có ảnh hưởng lớn tới mòn do cào xước bởi vì các bít kim loại đều cứng và khi tồn tại dưới dạng hạt mòn có tác dụng như các hạt cứng gây mòn. 4.1.3. Bôi trơn nửa ướt (boundary) Bôi trơn nửa ướt là tình trạng mà lớp màng dầu giữa hai bề mặt trượt không đủ để ngăn sự tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh các nhấp nhô. Giống như lớp màng ôxy hoá lớp màng dầu có tác dụng giảm nhưng không thể ngăn hoàn toàn tiếp xúc kim loại-kim loại ở đỉnh các nhấp nhô. Lớp màng này có tác dụng cản trở sự phát triển của diện tích tiếp xúc ở đỉnh nhấp nhô. Hơn nữa tác dụng giảm mòn của chất bôi trơn còn biểu hiện ở việc hạn 133 chế sự thâm nhập của các chất lỏng hoặc khí có hoạt tính khi ổ làm việc trong môi trường ăn mòn. Tác dụng của chất bôi trơn nửa ướt ít phụ thuộc vào tính chất reological mà phụ thuộc vào tính chất hoá học nhiều hơn. Dung dịch axit béo là chất bôi trơn có hiệu quả hơn so với cồn mặc dù chiều dài xích phân tử tương đương vì nó có khả năng dễ bị hấp thụ hơn trên bề mặt kim loại. Tuy nhiên những kim loại không có khả năng hấp thụ a xít béo thì a xít này cũng chỉ là chất bôi trơn tốt như cồn. Như vậy tác dụng của bôi trơn nửa ướt sẽ tăng trong trường hợp khi mà lớp màng hấp thụ được hình thành trên bề mặt kim loại. Trong trường hợp áp suất tiếp xúc rất lớn như trong ăn khớp bánh răng hypoid, chất bôi trơn hữu cơ ít có hiệu quả bởi vì chúng bị phân tích do nhiệt độ cục bộ cao ở chỗ tiếp xúc. Trong trường hợp như thế các chất phụ gia như Cl hữu cơ hoặc các hợp chất của lưu huỳnh được đưa vào chất bôi trơn. Hỗn hợp này ổn định ở nhiệt độ bình thường và tác dụng với kim loại tại các điểm có nhiệt độ cao cục bộ tạo thành các lớp màng Chloride kim loại hoặc sulphide có tác dụng loại trừ hiện tượng hàn giữa đỉnh nhấp nhô bề mặt và giảm mòn do dính ở mức độ chấp nhận được. 4.1.4. Chất bôi trơn rắn Các chất bôi trơn rắn được đưa vào bề mặt tiếp xúc của ổ thông qua chất dính kết như resin hoặc dưới dạng bột khi tải trọng nhỏ. Bột sẽ dính vào bề mặt tạo nên một lớp màng bôi trơn. Bột bôi trơn rắn cũng có thể cho vào chất bôi trơn lỏng sau một số chu kỳ trượt sẽ tạo nên một lớp màng bôi trơn ở thể rắn. Lớp này có tác dụng giảm sự tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại, hạn chế sự phát triển của diện tích tiếp xúc, tạo bề mặt tiếp xúc chung có sức bền thấp. Ngoài ra, người ta con phủ lên bề mặt của chi tiết một hoặc nhiều lớp phủ có khả năng chống mòn cao hơn nền để giảm mòn. 4.2. Tác dụng của nhiệt độ Nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc chung có thể ảnh hưởng tới mòn theo 3 134 hướng. - Thay đổi tính chất của cặp vật liệu ở chỗ tiếp xúc. - Thay đổi dạng của lớp màng tạp chất bề mặt. - Thay đổi tính chất của chất bôi trơn. Nhiệt độ cao làm giảm độ cứng của các nhấp nhô bề mặt làm tăng mòn. Vì thế, nên sử dụng dụng vật liệu có độ cứng nóng cao cho các ổ làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao còn là nguyên nhân làm thay đổi pha làm cho tính chất của vật liệu thay đáng kể. Sự hình thành lớp màng ôxy hoá cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Một tác dụng khác của nhiệt ma sát được Welsh quan sát khi cho vật liệu phi sắt trượt với nhau trong môi trường không khí. Khi tải trọng nhỏ mòn xảy ra mạnh nhưng khi tăng tải tốc độ mòn giảm đáng kể do sự hình thành lớp bề mặt cứng mà theo Welsh là kết quả của sự tác dụng giữa Ni trong không khí với bề mặt trượt ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cao còn có tác dụng ôxy hoá dầu bôi trơn và sau đó làm cho tác dụng bôi trơn của dầu bị phá huỷ do phản ứng phân tích ở nhiệt độ cao. Trong những trường hợp như thế phải sử dụng các chất bôi trơn rắn. 4.3. Tác dụng của tải trọng Tăng tải trọng dẫn đến tăng lực ma sát và kèm theo là tăng nhiệt độ. Khi tăng tải trọng quá một giới hạn nào đó mòn sẽ chuyển sang chế độ mòn khốc liệt khi: Sự chuyển từ mòn nhẹ sang khốc liệt có thể giải thích do sự tương tác giữa các vùng biến dạng dẻo dưới các tiếp xúc nhấp nhô. Ở chế độ mòn nhẹ các vùng biến dạng dẻo không tương tác với nhau (Hình 326(a)). Khi tải trọng tăng lên, các vùng biến dạng dẻo tương tác với nhau và toàn bộ vùng dưới các nhấp nhô bị biến dạng dẻo (Hình 3-26(b)). Khi đó các quy luật ma sát của armonton không còn nghiệm đúng, mòn khốc 135 liệt xảy ra. Hình 3-26: (a) Các vùng biến dạng dẻo độc lập dưới tiếp xúc các nhấp nhô bề mặt của một mặt phẳng dưới tác dụng của tải trọng nhỏ. (b) Tương tác của các vùng biến dạng dẻo dưới tác dụng từ tải trọng lớn. 4.4. Ảnh hưởng của tính tương thích vật liệu Theo Rabinowicz khuynh hướng kim loại trượt dính vào nhau mạnh được quyết định bởi tính tương thích vật liệu của chúng, đó là mức độ khuếch tán khi hai kim loại tiếp xúc trong điều kiện của tải trọng và nhiệt. Giảm tính tương thích đi liền với giảm mòn. Cả mức độ tương thích của vật liệu và mức độ bôi trơn đều ảnh hưởng tới mòn. Thực tế không nên sử dụng vật liệu giống nhau trong một đôi ma sát để giảm ma sát và mòn. 4.5. Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi Kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt thể hiện ma sát nhỏ và ít hơn so với vật liệu có cấu trúc thể tâm. Một cặp vật liệu có cấu trúc lục giác xếp chặt hoặc chỉ một vật liệu có cấu trúc này có biểu hiện như nhau về tương tác ma sát và mòn. Cấu trúc lục giác xếp chặt có số mặt phẳng trượt hạn chế là nguyên nhân giảm ma sát và mòn. 4.6. Ảnh hưởng của biên giới hạt Vùng biên giới hạt là vùng năng lượng cao đặc biệt tại bề mặt. Đối với các vật liệu đa tinh thể, sự tồn tại của biên giới hạt trong vật liệu ảnh 136 hưởng tới dính, ma sát, nứt bề mặt và mòn. Thực nghiệm chứng tỏ rằng vật liệu đa tinh thể có mật độ biên giới hạt cao có tốc độ mòn cao hơn so với vật liệu với mật độ biên giới hạt thấp hơn hoặc vật liệu đơn tinh thể. 4.7. Quan hệ giữa ma sát và mòn Một câu hỏi thường đặt ra về mối quan hệ giữa ma sát và mòn. Trong mòn do hạt cứng (abrasive) ma sát thấp tương ứng với mòn cao do các hạt mòn dễ dàng tách khỏi các bề mặt trượt. Trong trường hợp mòn do mỏi bề mặt, ma sát rất nhỏ có xu hướng đi kèm với mòn mạnh bởi vì sự bôi trơn tốt vừa làm mòn chậm lại vừa làm cho các vết nứt vì mỏi phát triển mạnh. Trong mòn do ăn mòn hoá (corrossive), các yếu tố làm tăng ma sát đồng thời cũng làm tăng mòn. Trong mòn do dính, tồn tại một mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa ma sát và mòn bởi vì các yếu tố dính có ảnh hưởng thúc đẩy cả ma sát và mòn trong trường hợp các bề mặt trượt là kim loại hoặc phi kim. 137 Chương 4 BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT 1. BÔI TRƠN MÀNG CHẤT LỎNG 1.1. Mở dầu Sự trượt trực tiếp giữa hai bề mặt chất rắn nói chung đặc trưng bởi hệ số ma sát cao và mòn khốc liệt phụ thuộc vào các tính chất cơ, lý, hoá của hai bề mặt tiếp xúc Sự hấp thụ và hình thành các lớp màng bề mặt trong không khí là nguyên nhân giảm ma sát và mòn. Tuy nhiên, không có gì đảm bảo cho sự tồn tại lâu dài của các lớp màng này trong quá trình vận hành vì thế người ta tìm cách chủ động đưa các chất bôi trơn vào vùng tiếp xúc chung giữa hai bề mặt để giảm ma sát và mòn. Bôi trơn có thể dưới dạng thể rắn và màng lỏng (chất khí hoặc lỏng). Bôi trơn thể rắn sử dụng vật liệu bôi trơn dưới dạng bột hoặc màng mỏng trên bề mặt tiếp xúc để giảm ma sát và mòn bề mặt. Bôi trơn thể rắn được sử dụng cho những tiếp xúc trượt hoặc ổ làm việc với tải trọng lớn và tốc độ thấp hoặc thay cho các ổ bôi trơn thuỷ động yêu cầu dừng và khởi động liên tục. Lớp màng mỏng so với chiều cao nhấp nhô của hai bề mặt đối tiếp có tác dụng giảm ma sát và mòn so với tiếp xúc trực tiếp. Lớp màng dày giữa hai bề mặt trong chuyển động tương đối ngăn tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt có thể tạo ra hệ số ma sát rất thấp đến (0,001 - 0,003) và loại trừ mòn. Trong chương này các vùng bôi trơn màng chất lỏng sẽ được đề cập trong mối liên hệ với các dữ liệu và phân tích toán học cũng như ứng dụng của chúng trong bôi trơn ổ. 1.2. Vùng bôi trơn màng chất lỏng Có 5 dạng bôi trơn cơ bản là thuỷ tĩnh, thuỷ động, thuỷ động đàn hồi, bôi trơn hỗn hợp và bôi trơn biên chỉ ra trên Hình 4-1 . 138 Hình 4-1: Mô hình một số dạng bôi trơn ứng dụng trong kỹ thuật. Vùng bôi trơn trong đó một lớp màng bôi trơn dày hơn chiều cao nhấp nhô giữa hai bề mặt được duy trì nhờ bơm từ bên ngoài mà không cần hoặc chỉ cần một chút chuyển động tương đối giữa chúng gọi là bôi trơn thuỷ tĩnh. Bôi trơn thuỷ tĩnh có thể sử dụng cả chất lỏng nén được và chất lỏng không nén được. Nhược điểm của kiểu bôi trơn này là áp suất chất bôi trơn cao nên cần bơm áp suất cao và các thiết bị làm sạch dẫn đến tăng chi phí. Bôi trơn thuỷ động đôi khi gọi là bôi trơn màng chất lỏng. Bôi trơn thuỷ động thường được thực hiện ở vận tốc cao, sử dụng chất bôi trơn có độ nhớt lớn để tạo nên khả năng chịu tải cao cho ổ. Màng chất lỏng này có thể được tạo nên do chuyển động tịnh tiến khứ hồi hoặc dao động theo hướng vuông góc với nhau với biên độ thay đổi hoặc không đổi. Cơ chế chịu tải này dựa vào hiện tượng chất lỏng nhớt không thể trào ra ngoài ngay tức khắc khi hai bề mặt tiến lại gần nhau. Chất lỏng này cần một khoảng thời gian nhất định để các bề mặt tiếp xúc với nhau, tuy nhiên do sức cản nén của chất lỏng, áp suất tạo nên trong lòng chất lỏng sẽ đủ để đỡ tải trọng. Khi bỏ tải hoặc khi hai bề mặt tách xa nhau, chất lỏng bị hút vào và tạo nên lớp màng chất lỏng cho chu kỳ chịu tải tiếp theo. Hiện tượng màng ép là nguyên nhân hình thành lớp màng nước dưới bánh ô tô và máy bay trên đường hoặc đường băng ướt loại trừ hầu hết chuyển động trượt tương đối. Hiệu ứng màng ép được ứng dụng để giảm ma sát ở chỗ tiếp xúc. 139 Hình 4-2: Thông số lớp màng bôi trơn và hệ số ma sát là hàm số của ηN/P chỉ ra các vùng bôi trơn chất lỏng khác nhau khi không có trợ giúp của bơm ngoài. Bôi trơn thuỷ động là một biện pháp bôi trơn lý tưởng để tạo nên lớp màng bôi trơn dày khoảng (5 μm - 500 μm) cao hơn chiều cao nhấp nhô của bề mặt ổ, loại trừ tiếp xúc trực tiếp tại đỉnh các nhấp nhô. Hệ số ma sát giữa hai bề mặt có thể giảm đến 0,001. Ma sát tăng khi tăng vận tốc trượt do sức cản nhớt tăng. Trong bôi trơn thuỷ động, mòn do dính không xảy ra trong quá trình khởi động và tắt máy. Tuy nhiên mòn hoá học có thể xảy ra do tương tác của bề mặt vật rắn với chất bôi trơn. Để giảm mòn hoá học người ta tạo ra trên bề mặt tiếp xúc một lớp màng trơn. Bôi trơn đàn hồi thuỷ động là một dạng của bôi trơn thuỷ động trong đó biến dạng đàn hồi tại chỗ tiếp xúc của hai bề mặt đóng vai trò quan trọng trong quá trình bôi trơn. Lớp màng bôi trơn có chiều dày mỏng hơn (khoảng 0,5 μm - 5μm) nhưng tải trọng chủ yếu được đỡ bởi lớp màng bôi trơn này. Trên một số vùng biệt lập các nhấp nhô bề mặt có thể chạm vào nhau. 140 Vùng chuyển tiếp giữa bôi trơn thuỷ động hoặc đàn hồi thuỷ động và bôi trơn biên (boundary) gọi là vùng bôi trơn hỗn hợp trong đó cả hai cơ chế bôi trơn có thể cùng xảy ra. Tần xuất của các tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh nhấp nhô có thể nhiều hơn nhưng một phần tải trọng tác dụng lên ổ được đỡ bởi màng bôi trơn thuỷ động. Các tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh các nhấp nhô không được bảo vệ có thể dẫn đến một chu kỳ dính, chuyển vật liệu (material tranfer), sự hình thành hạt mòn và cuối cùng là kẹt. Tuy nhiên sử dụng các màng bôi trơn hoạt tính về hoá, lý có thể ngăn được sự dính xảy ra đối với phần lớn các tiếp xúc nhấp nhô. Khi tăng tải, giảm vận tốc hoặc độ nhớt của chất bôi trơn, hệ số ma sát có thể tăng đáng kể và đạt tới mức cao (khoảng 0,1 hoặc cao hơn). Bôi trơn biên là dạng bôi trơn mà các bề mặt rắn tiếp xúc gần nhau tới mức mà tương tác giữa các lớp màng đơn hoặc đa phân tử của chất bôi trơn và đỉnh các nhấp nhô rắn quyết định tính chất tiếp xúc. Sự phá huỷ bề mặt bôi trơn boundary có thể là dính hoặc hoá học. Chất bôi trơn biên hình thành một lớp màng có sức bền cắt thấp (dễ cắt) trên các bề mặt ổ dẫn đến làm giảm đến tối thiểu mòn do dính và mòn hoá. 1.3. Dòng chảy nhớt và phương trình Raynolds 1.3.1. Độ nhớt và chất lỏng Niu-tơn 1 3.1.1. Định nghĩa Độ nhớt là lực cần thiết để gây ra sự trượt của một lớp màng chất lỏng. Lực này là đại lượng xác định lực ma sát trong lòng chất lỏng hoặc sức cản trượt. Giả sử có hai mặt phân cách nhau bằng một lớp chất lỏng có chiều dày h và có chuyển động tương đối với vận tốc ua. Lực tác dụng trên một đơn vị diện tích trượt hay ứng suất cắt τ tỷ lệ với gradient vận tốc (du/dh) hay tốc độ biến dạng trượt γ& trong lớp chất lỏng. trong đó: η là độ nhớt động lực tuyệt đối. γ& = η là độ nhớt động học. ρ Nếu vận tốc là một hàm số liên tục theo chiều dày lớp chất lỏng và 141 không có sự trượt tại chỗ tiếp xúc giữa chất lỏng và bề mặt rắn thì du/dh = ua/h = γ& nên: 1.3.1.2. Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất và tốc độ trượt đến độ nhớt Độ nhớt của một chất lỏng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng độ nhớt của chất lỏng sẽ giảm. trong đó: β là hệ số độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, η và ηo là độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ T và To. Tuy nhiên với chất khí khi nhiệt độ tăng vận tốc của các phân tử tăng làm tăng mô men transfer dẫn đến tăng độ nhớt. Khi áp suất trong chất lỏng hoặc khí tăng các phân tử bị đẩy gần nhau hơn làm tăng lực tương tác giữa các phân tử dẫn đến tăng độ nhớt. Sự phụ thuộc của độ nhớt vào áp suất được thể hiện theo quan hệ sau: η = ηo eαp (4-4) trong đó η và ηo là độ nhớt tương ứng với áp suất p (trên áp suất môi trường) và po (áp suất môi trường), α là hệ số độ nhớt theo áp suất. Kết hợp phương trình (4-3) và (4-4) ta có: Khoa học nghiên cứu các tính chất của độ nhớt là một hàm số của tốc độ biến dạng gọi là fluid rheology. Chất lỏng thoả mãn phương trình (42) gọi là chất lỏng Niu-tơn nếu không gọi là chất lỏng phi Niu-tơn. Các chất lỏng với cấu trúc phân tử lỏng như nước và các hạt huyền phù rắn với mật độ cao thuộc loại chất lỏng Niu-tơn. Trong các chất lỏng giả chất dẻo (pseudo-plastic fluids), hiện tượng mỏng xảy ra khi tăng tốc độ biến dạng gọi là mỏng trượt. Các chất lỏng này thường có cấu trúc phân tử 142 dài, có hướng ngẫu nhiên và không có cấu trúc liên kết. Tác dụng của ứng suất tiếp có xu hướng làm thẳng mạch các phân tử và giảm độ nhớt danh nghĩa. Trong chất lỏng nở được, hiện tượng mỏng xảy ra khi tăng ứng suất trượt gọi là dày trượt. Đối với một số chất lỏng như chất lỏng dẻo (plastic fluids) và Bingham để chảy được trong lòng chất lỏng phải tồn tại một ứng suất cắt nào đó. Hình 4-3 chỉ ra sự phụ thuộc của ứng suất và độ nhớt của một số chất lỏng vào tốc độ biến dạng. Nhiều chất lỏng thể hiện tính phi Niu-tơn ở tốc độ biến dạng cao, độ nhớt bắt đầu giảm từ một tốc độ biến dạng nhất định. Trong một số trường hợp, ở tốc độ biến dạng cao, chất bôi trơn trở thành dẻo và chỉ có thể chịu được một ứng suất nhất định gọi là sức bền cắt giới hạn ít. Giới hạn này phụ thuộc vào cả nhiệt độ và áp suất. Giới hạn này tăng khi áp suất tăng và nhiệt độ giảm. Hình 4-3: Các đường cong thể hiện sự phụ thuộc của tốc độ biến dạng vào ứng suất trượt và độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng khác nhau. 1.3.2. Các phương trình 1.3.2.1. Dòng chảy tầng và rối Khi dòng chảy chảy theo các lớp song song với nhau, ta có dòng chảy tầng. Dòng chảy này thường xuất hiện trong các ổ và chi tiết máy có vận tốc tương đối thấp. Khi tăng vận tốc đến giới hạn nào đó, chảy rối bắt đầu xảy ra trong màng chất lỏng và được đánh giá thông qua hệ số 143 Reynolds (Re). trong đó: v là vận tốc tầng chảy, d là đường kính ống hay chiều dày màng chất lỏng. Nói chung khi Re > 2000 chảy rối xảy ra. 1.3.2.2. Phương trình Petroff Với ổ bôi trơn chịu tải nhẹ đồng tâm như trên hình 4-4 sử dụng chất lỏng bôi trơn Niu-tơn, lực ma sát tác dụng lên vòng ổ sẽ là: trong đó: A là diện tích bề mặt tiếp xúc với ổ, h là chiều dày lớp bôi trơn, c, uo là vận tốc tương đối, ηo là độ nhớt áp suất khí quyển và đẳng nhiệt. Với ổ có bán kính r, chiều rộng b, vận tốc góc tính bằng rad/s ta có: Lực ma sát: Hệ số ma sát f: w là tải trọng pháp tuyến và mô men ma sát sẽ được tính: Hình 4-4: Sơ đồ một ổ trượt đồng tâm. 144 1.3.2.3. Phương trình Navier - Stokes Phương trình Navier-stokes là hệ phương trình chuyển động của chất lỏng nhớt áp dụng cho dòng chảy với vận lốc thấp trong đó áp suất và độ nhớt là những nhân tố ảnh hưởng chủ yếu. Các giả thiết đơn giản hoá: - Các bề mặt nhẵn, chất lỏng Niu-tơn và chảy tầng, các lực quán tính, lực thể tích có thể bỏ qua so với lực bề mặt của chất lỏng, sức căng bề mặt bỏ qua, chiều dày lớp màng chất lỏng rất nhỏ so với kích thước khác của ổ nên độ cong của màng bôi trơn có thể bỏ qua. Tại bất kỳ vị trí nào áp suất, mật độ và độ nhớt là hằng số, điều kiện biên không trượt được áp dụng tại các vách ngăn, biến thiên vận tốc theo các phương khác đều có thể bỏ qua so với u và v theo z. Với các giải thiết trên hệ phương trình Navier-stokes đơn giản có thể rút ra từ Theo định luật đối ứng ứng suất tiếp τzx = τxz và τzy = τyz, hơn nữa với chất lỏng Niu-tơn, độ lớn của ứng suất tiếp phụ thuộc vào tốc độ mà tại đó chất lỏng bị biến dạng do đó: Do giả thiết ∂w/∂x và ∂w/∂y nhỏ hơn rất nhiều so với ∂u/∂z và ∂v/∂z, nên: đây là hệ phương trình Navier-stokes dạng đơn giản. 145 Hình 4-5 : Sơ đồ dòng chất lỏng giữa hai bề mặt và ứng suất tác dụng lên một phân tố chất lỏng và vận tốc trên mặt phẳng x-y. Trong trạng thái ổn định, áp suất là hàm số của x và y. Bỏ qua sự thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ. Tích phân phương trình (4-13) sử dụng các điều kiện biên tại z = 0, u = ub và v = vb và tại z = h, u = ua và v = va ta có: Ứng suất tiếp cản nhớt trên các bề mặt tấm có thể tính như sau: 146 Dấu âm trong ứng suất tiếp cản nhớt chỉ tác dụng của nó ngược chiều chuyển động của dòng chất lỏng. Tốc độ dòng chảy thể tích trên một đơn vị chiều rộng theo phương x và y có thể tính sử dụng phương trình (4-15) như sau: Từ q có thể tính Q = qb trong đó b là chiều rộng phân tố chất lỏng. 1.3.2.4. Dòng chảy một chiều giữa hai tấm phẳng song song Khảo sát đoạn dòng chảy Hình 4-6, nếu chiều rộng b lớn đáng kể so với chiều dài 1 thì dòng chảy theo phương y có thể bỏ qua và dòng chảy coi như một chiều theo phương trục x. Giả thiết dòng chảy là chất lỏng Niu-tơn, chảy tầng, lực quán tính và bỏ qua khối lượng, độ nhớt chất lỏng ηo bằng hằng số, chiều dày lớp chất lỏng không đáng kể so với các kích thước khác, khi đó theo phương trình Navier - Stokes dạng đơn giản: Tích phân 2 lần theo z và thay điều kiện biên z = 0, u = 0 và z = h, u = ua ta có: 147 Rõ ràng sự biến thiên của áp suất sẽ âm nếu dòng chảy chảy sang phải. Quy luật biến thiên vận tốc các điểm trên dòng chảy phụ thuộc vào uo (theo luật tuyến tính nếu no ≠ 0 và parabôn theo z nếu no = 0). Trong trường hợp thứ hai (Hình 4- 6(c)) umax đạt tại z = h/2 và: Hình 4-6 : Sơ đồ (a) dòng chất lỏng chảy giữa hai tấm song song, do chênh lệch áp suất trong lòng chất lỏng và ứng suất tác dụng trong phân tố chất lỏng (b) phân bố vận tốc tuyến tính (c) phân bố vận tốc parabôn. Tốc độ dòng chảy thể tích trên một đơn vị chiều rộng sẽ là: Vì q không phụ thuộc vào x nên: 148 Vì q không thay đổi theo x nên biến thiên áp suất bằng hằng số 1.3.2.5. Phương trình Reynolds Hệ phương trình Navier-stokes gồm hai phương trình với 3 ẩn số u, v, p. Một phương trình thứ 3 cần bổ sung cho hai phương trình này gọi là phương trình Reynolds. Phương trình Reynolds là cơ sở của lý thuyết bôi trơn màng chất lỏng. Phương trình này thiết lập mối quan hệ giữa hình dáng hình học của các bề mặt, vận tốc trượt tương đối, tính chất của chất lỏng và độ lớn của tải trọng mà ổ phải đỡ. Hình 4-7: Sơ đồ dùng khối lượng chất lỏng chảy qua một phân tố thể tích. Reynolds có thể rút trực tiếp từ phương trình chuyển động của chất lỏng Navier - Stokes và phương trình tính liên tục của chất lỏng hay các định luật về chất lỏng nhớt và nguyên lý bảo toàn khối lượng. Phương trình tính liên tục Phương trình này dựa trên nguyên tắc bảo toàn khối lượng trong một khối chất lỏng phải đảm bảo khối lượng chảy ra trên một đơn vị thời gian phải bằng tốc độ giảm khối lượng trong khối chất lỏng đó (Hình 4-7). ∂ ( pu ) ∂ ( pw) ∂ ( pv) ∂p dxdydz + dxdydz + dxdydz = − dxdydz ∂x ∂y ∂z ∂t 149 Hay: Đây là phương trình tính liên tục. Nguyên tắc hảo toàn khối lượng Áp dụng nguyên tắc bảo toàn khối lượng cho một thể tích chất lỏng xác định trong không gian và mở rộng hết chiều cao lớp màng chất lỏng (Hình 4-8). Khảo sát tốc độ chảy qua một tiết diện chữ nhật cạnh dx và dy và mở rộng theo độ cao khe hở bôi trơn giữa hai bề mặt. Tốc độ thay ∂ ( ρh)dxdy . Ví dụ tốc độ thay đổi đổi khối lượng trong thể tích này là: ∂t ∂ ( ρq x ) dxdy do đó: khối lượng chảy qua thể tích này , phương x sẽ là: − ∂x 150 Hình 4-8 : Sơ đồ dòng khối lượng chất lỏng qua một phân tố thể tích mặt cắt ngang hình chữ nhật trong mặt phẳng x-z. y-z, và x-y. Phương trình Reynolds Trong phần này phương trình Reynolds được rút ra bằng cách kết hợp phương trình Navier-stokes với phương trình tính liên tục. Tích phân phương trình (4-20) theo chiều cao của màng chất lỏng. Theo tính chất của tích phân: Giả thiết p = const theo chiều cao của lớp chất lỏng và u, v là các thành phần trong tích phân phương trình tính liên tục có dạng như sau: Thành phần w có thể lấy tích phân trực tiếp. Phương trình (4-23) được rút gọn như sau: Thay hai tích phân bằng biểu thức (4-17) ta được: 151 Đây là phương trình Reynolds tổng quát mô tả mối quan hệ giữa chiều dày cửa màng chất lỏng với áp suất. Mật độ và độ nhớt của chất lỏng là hàm số của áp suất và nhiệt độ và giá trị của chúng tại những điều kiện cục bộ cần phải tính toán. Thực tế không tồn tại nghiệm gần đúng tổng quát cho phương trình trên. Vì thế phải sử dụng điều kiện biên và các giả thiết để giải gần đúng phương trình (4-33) bằng phương pháp số. Ví dụ ở điều kiện bôi trơn thuỷ động, độ nhớt có thể coi bằng hằng số. 2. MỘT SỐ KIỂU BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT Trong phần này ba dạng bôi trơn: thuỷ tĩnh, thuỷ động và thuỷ động đàn hồi sẽ được đề cập 2.1. Bôi trơn thuỷ tĩnh Bôi trơn thuỷ tĩnh còn gọi là bôi trơn nhờ áp suất bên ngoài. Một lớp màng bôi trơn (chất lỏng hoặc khí) dưới áp suất nào đó được đưa vào bề mặt tiếp xúc chung từ bên ngoài tạo nên độ cứng và giảm chấn cao. Kể cả trong quá trình khởi động và tắt máy lớp màng bôi trơn ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt rắn. Bôi trơn thuỷ tĩnh ứng dụng rộng rãi trong các ổ làm việc với tải lớn và vận tốc thấp như trong kính thiên văn, ra đa v.v... Ổ bôi trơn thuỷ tĩnh có độ cứng và giảm chấn cao tạo nên độ chính xác vị trí tốt ứng dụng cho trường hợp chịu tải nhẹ vận tốc cao như ổ của máy công cụ, khoan răng tốc độ cao, máy li tâm siêu cao tốc. Tuy nhiên, bôi trơn thuỷ tĩnh phức tạp hơn thuỷ động, yêu cầu bơm áp suất cao và lọc chất lỏng cẩn thận. 152 Hình 4-9 : Sơ đồ (a) bôi trơn thuỷ tĩnh ổ trượt chặn khoét lỗ mặt đầu (b) Hệ thống cung cấp chất bôi trơn. Bằng cách cung cấp dung dịch áp suất cao vào vùng khoét lỗ mặt đầu (Hình 4- 9(a)), tiếp xúc giữa hai bề mặt ở mặt đầu có thể bị tách ra và mức độ giảm lực ma sát giữa hai bề mặt phụ thuộc vào độ nhớt. Việc lựa chọn tỷ lệ diện tích vùng khoang áp suất và mặt đầu thích hợp quyết định khả năng tải tương ứng của ổ. Hình 4-9(b) mô tả sơ đồ hệ thống bơm cao áp cung cấp chất bôi trơn cho ổ. Hình 4-9(a) và 4-10(a) chỉ ra đặc điểm chính của một ổ trượt chặn khoét lỗ mặt đầu thiết kế chịu tải theo chiều trục. Chất bôi trơn được bơm vào ổ qua bộ lọc, áp suất chất lỏng ps khi đi qua chi tiết bù hay không chế sẽ giảm xuống giá trị pτ trước khi vào khoang áp suất. Chất lỏng sau đó tràn qua ổ với chiều dày là h nhỏ hơn rất nhiều so với chiều sâu của khoang áp suất. Mục đích của bộ bù là để rút chất lỏng có áp suất cao từ bể về khoang áp suất. Chi tiết bù cho phép áp suất trong khoang áp suất pτ khác với áp suất từ bơm ps. Sự khác nhau này phụ thuộc vào tải trọng pháp tuyến. Có ba kiểu chi tiết bù cho ổ bôi trơn thuỷ tĩnh là ống mạch, lỗ cạnh sắc và van dòng chảy không đổi. Khảo sát ổ trên Hình 4-10. Trên hình vành khăn bán kính r và dr, giả thiết chiều dày lớp bôi trơn h = const và áp suất không phụ thuộc vào góc θ định vị vị trí của phân tố, chất bôi trơn là không nén được. Áp dụng phương trình Raynolds đơn giản dưới dạng toạ độ cực trong vùng ri < r < ro ta có: 153 Hình 4-10: (a) Mô hình ổ trượt chặn (b) Phân bố ứng suất trong ổ trượt chặn bôi trơn thuỷ tĩnh khoét lỗ mặt đầu. Tích phân hai lần ta được: p = C1lnr + C2 (4-35) Thay các giá trị biên: r = ri, p = pτ và r = ro, p = 0 ta có: Tốc độ dòng chảy thể tích hướng kính trên một đơn vị chu vi trong toạ độ cực xác định như sau: Và tốc độ dòng chảy thể tích tổng sẽ là: Q = 2πrQ (4-38) Kết hợp các phương trình (4-36, 37, 38) ta có biểu thức của p theo Q. Hình 4-10(b) mô tả sơ đồ biến thiên áp suất trong ổ, áp suất giả 154 thuyết phân bố đều trong khoang áp suất vì chiều sâu của khoang lớn hơn chiều dày lớp chất bôi trơn mặt đầu hàng trăm lần. Khả năng tải của ổ được xác định như sau: Với một dạng hình học của ổ nhất định, khả năng tải của ổ tăng tuyến tính với áp suất và không phụ thuộc vào độ nhớt. Vì thế, bất kỳ chất bôi trơn nào không gây hại đối với vật liệu ổ đều có thể sử dụng. Độ cứng của lớp màng bôi trơn, mô men ma sát cũng như năng lượng mất mát có thể xác định theo các công thức trong tài liệu tham khảo. Từ phương trình (4-1) có thể tính được lực cắt trên tích da của phân tố chất lỏng với giả thiết vận tốc trong lớp chất lỏng biến đổi tuyến tính và bỏ qua ma sát nhất trong khoang áp suất Pr. Mô men ma sát được xác định bằng cách lấy tích phân trên toàn mặt tiếp xúc ngoài khoang áp suất Pr. Các ổ bôi trơn thuỷ tĩnh có thể sử dụng một hoặc nhiều khoang áp suất hình vành khăn, phần vành khăn hoặc hình chữ nhật. 2.2. Bôi trơn thuỷ động Sự hình thành một lớp màng chất lỏng giữa các chi tiết máy có chuyển động tương đối với nhau giải quyết rất nhiều vấn đề về bôi trơn trong kỹ thuật. Khác với bôi trơn thuỷ tĩnh, độ nhớt của chất lỏng, hình dáng hình học và chuyển động tương đối giữa các bề mặt có thể kết hợp với nhau tạo nên áp suất đủ để ngăn tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh các nhấp nhô mà không cần một thiết bị bơm ngoài nào. Nếu trong ổ có không gian tạo thành khe chêm theo hướng chuyển động, chất lỏng sẽ dính vào phần chuyển động và kéo vào khe chêm này tạo thành một áp suất đủ để đỡ tải. Đây là nguyên tắc của bôi trơn thuỷ động. Ngoài ưu điểm các lớp 155 màng bôi trơn thuỷ động có thể hình thành trong những trường hợp không mong muốn và thậm trí còn nguy hiểm ví dụ như lớp màng nước giữa cần tiếp điện và dây dẫn tàu hoả điện hay giữa bánh xe và mặt đường khi trời mưa. 2.2.1. Ô chặn Ổ chặn được sử dụng đỡ tải trọng chiều trục với các vòng ổ hoặc cố định hoặc quay. Tuy nhiên, trong phần này chúng ta chỉ nghiên cứu ổ chặn đơn chuyển động thẳng. Khả năng tải, độ cứng lớp màng bôi trơn, tốc độ dòng chảy thể tích của ổ đa tấm sẽ bằng của ổ đơn nhân với số tám (vòng ổ). 2.2.1.1. Ổ chặn tấm nghiêng cố định Mô hình đơn giản nhất của ổ chặn đơn gồm hai mặt phẳng không song song tạo nên khe hở hình chêm được phân cách bởi một lớp chất lỏng không nén được (Hình 4-11(A)). Tấm trên cố định còn tấm dưới chuyển động thẳng tạo nên áp suất thuỷ động. Giả thiết tỷ số giữa chiều rộng b trên chiều dài 1 của ổ ít nhất lớn hơn 4 để tạo nên dòng chảy chủ yếu theo phương của u. Hình 4-11: (A) Sơ đồ các dạng vòng ổ (tấm) khác nhau trong ổ chặn (B) Mô hình khe hở của ổ chặn đơn. Hình 4-11 (B) là mô hình khe hở của ổ chặn sử dụng một tấm nghiêng cố định. Khe hở của ổ thay đổi đồng đều từ hi đến ho trên toàn chiều dài ổ 1. Dạng tích phân của phương trình Reynolds ứng dụng cho trường hợp 156 này: trong đó: uo là vận tốc trượt của tấm động, ηo là độ nhớt, hm là chiều dày của lớp màng bôi trơn tại vị trí áp suất cực đại. Chiều dày h của màng bôi trơn tại toạ độ x là Thay (4-44) vào (4-43) và lấy tích phân ta được: Thay các điều kiện biên x = 0, p = 0 và x = 1, p = 0 tìm hm và Cl ta được: trong đó: p hệ số áp suất không thứ nguyên được vẽ trên Hình 4-12. Hình 4-12: Hệ số áp suất p là hàm số của x/l với các giá trị khác nhau của m, của ổ chặn tấm nghiêng cố định đơn. 157 Khả năng tải của ổ trên một đơn vị chiều rộng được xác định như: trong đó: wz gọi là hệ số tải trọng. Khả năng tải của ổ phụ thuộc vào m và đạt cực đại với m =1,1889. Hệ số độ cứng của lớp màng bôi trơn sẽ là Lực cắt trượt dọc lớp chất lỏng trên một đơn vị chiều rộng ổ được tính như sau: Hệ số ma sát có thể tính như sau: Hệ số ma sát đặc biệt thấp (0,002 - 0,01) cho các ổ thuỷ động. 2.2.1.2. Ổ chặn tuỳ động (tấm quay) Trong kỹ thuật chiều dày tối thiểu của lớp màng bôi trơn thường từ 25 ηm đến 1 mm. Việc điều chỉnh khe hở của ổ để đạt được lớp màng bôi trơn mỏng như thế thường rất khó khăn vì thế ổ chặn tuỳ động thường được sử dụng trong kỹ thuật để tự điều chỉnh vị trí của một tấm so với tấm còn lại chỉ ra trên Hình 4-13(a, b). Với một tỷ số chiều dày lớp màng bôi trơn cho trước, trung tâm áp suất phải đi qua tâm khớp bản lề. Vị trí trung tâm áp suất, xc là vị trí hợp lực tác dụng thoả mãn biểu thức sau đây: 158 Thay các biểu thức của p và wz vào và tích phân ta được: Có thể thấy rằng tỷ số xc/l chỉ phụ thuộc vào m và trung tâm áp suất luôn có xu hướng nằm ở nửa sau của chiều dài ổ. Hình 4-13: (a) Sơ đồ ổ chặn thành phần trên tuỳ động (b) thành phần dưới tuỳ động (c) Sơ đồ tính toán áp suất ổ Reyleigh. 2.2.1.3. Ổ chặn bậc Reyleigh Ổ chặn bậc Reyleigh cho khả năng tải cao nhất trong số các loại ổ dùng tấm trượt. Tuy nhiên, nó không được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật do những khó khăn về chế tạo (Hình 4-13(c)). Để đơn giản hoá, giả thiết ổ có chiều rộng vô hạn sử dụng chất lỏng không nén được. Tấm trượt dưới chuyển động tịnh tiến thẳng với vận tốc uo song song với bề mặt của tấm cố định trên. Áp dụng phương trình Reymolds cho hai bậc ta có: Áp suất trong hai đoạn bậc đều bằng hằng số. Do chiều dày lớp màng bôi trơn khác nhau nên độ biến thiên (gradient) áp suất trong hai bậc khác nhau và áp suất cực đại xuất hiện ở chỗ bậc. 159 Sử dụng điều kiện biên p = 0 tại x = 0 và x = 1, p = pm tại x = al cho các đoạn bậc có h = ho và h = hi có: Tốc độ dòng chảy trên một đơn vị chiều rộng phải bằng nhau hay qx,o = qx.r . Từ phương trình (4-17) ta có: trong đó: m = (hi/ho) - 1. Giải hệ (4-54) và (4-55) ta được hai biến thiên (gradient) áp suất Thay vào phương trình (4-54) ta có: Khả năng tải pháp tuyến tỷ lệ thuận với diện tích tam giác áp suất nên khả năng tải trên một đơn vị chiều rộng ổ sẽ là: Tốc độ dòng chảy thể tích trên một đơn vị chiều rộng sẽ là Áp suất lớn nhất tương ứng với m = 0,866 và a = 0,7182, khi này: 2.2.2. Ổ đỡ 160 Ổ đỡ được sử dụng rộng rãi trong máy móc để đỡ tải trọng hướng kính trong cả điều kiện có và không bôi trơn. Hình 4-14(a, b) là sơ đồ của một ổ đỡ hở. Khe hở hướng kính c của ổ được xác định bằng hiệu số giữa bán kính của lót ổ và ngóng trục. Trong thực tế tỷ số c/r = 10-5 đến 10-3 (r là bán kính ngóng trục). Sơ đồ phân tích lực khi ngừng trục quay với vận tốc ω chỉ ra trên Hình 4-14(a). Khi tồn tại chất bôi trơn trong ổ chất bôi trơn sẽ bị kéo vào khe hở phía trên của A. Khi trục quay đủ nhanh để tạo ra áp suất thuỷ động lớn hơn tải trọng ngoài hai bề mặt tiếp xúc sẽ bị tách ra và ngóng trục sẽ chuyển động quanh lót ổ cho đến vị trí cân bằng như trên Hình 4-14(b). Khi này e gọi là độ lệch tâm giữa ngóng trục và lót ổ, e biến thiên từ 0 đến c khi tăng Wr. Tỷ số độ lệch tâm ε = e/c; Vì 0 ≤ ε ≤ 1, nên chiều dày lớp màng bôi trơn cực tiểu hmin sẽ là Hmin = c-e = c(1-ε) (4-61) Do chiều dày của lớp màng bôi trơn rất nhỏ so với bán kính ngóng trục, độ cong của lớp màng bôi trơn có thể bỏ qua. Hình 4-15 là hình khai triển của lớp màng bôi trơn quanh ngóng trục. Do trong thực tế tỷ số có trong khoảng 10-4 đến 10-3 nên chiều dày lớp màng bôi trơn tại một vị trí bất kỳ h có thể tính: H ≈ c(1 + εcosθ) (4-62) Hình 4-14 : (a) Sơ đồ phân tích lực ổ đỡ hở ma sát khô (b) Sơ đồ ổ đỡ hở với ma sát ướt. 161 Hình 4-15: (a) Hình khai triển lớp màng bôi trơn theo ngóng trục (b) Sơ đồ phân bố ứng suất trong ổ đỡ hở. Nếu chiều rộng của ổ lớn hơn rất nhiều so với đường kính (b/d ≥ 2), phần lớn dòng chất lỏng chảy qua khe chêm theo hướng chu vi của ngóng trục. Dòng chất lỏng chảy theo chiều trục có thể bỏ qua và áp suất theo phương này coi là hằng số. Phương trình Reynolds dạng tích phân viết cho tấm chuyển động tịnh tiến thẳng (không có thành phần pháp tuyến) với độ nhớt bằng hằng số trong toạ độ cực có thể áp dụng dưới dạng như sau: trong đó hai là chiều dày lớp màng bôi trơn ứng với dp/dx = 0 là vị trí áp suất cực đại. Thay giá trị của h từ biểu thức (4-62) và lấy tích phân ta có: Sử dụng phép thế Sommerfeld để giải tích phân trong phương trình (4-62). 162 trong đó: γ gọi là biến Sommerfeld. Trong nghiệm tổng quát Sommerfeld, điều kiện biên tuần hoàn với p = po tại θ = 0 và 2π (áp suất tại điểm có chiều dày màng bôi trơn lớn nhất). Áp suất xác định như sau: và Quy luật phân bố áp suất Sommerfeld chỉ ra trên Hình 4-15(b). Với áp suất dương trong khoảng (0 ≤ θ ≤ π) và âm trong khoảng (π ≤ θ ≤ 2π). Vị trí θm ứng với dp/dx = 0 (vị trí áp suất cực đại) được xác định: Trị số áp suất cực đại từ các phương trình (4-65), (4-66) xác định như sau: Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy rằng quy luật áp suất trong chất lỏng tuân theo luật điều kiện biên Reynolds. Sử dụng điều kiện biên Reynolds cho kết quả rất sát với kết quả thực nghiệm. Đó là đường cong áp suất sẽ giảm về gradient 0 tại một vị trí nào đó trong vùng phân kỳ của lớp màng bôi trơn như trên hình 4- 15(b). Khả năng tải tổng hợp trên một đơn vị chiều rộng ổ sẽ được xác định như sau: 163 Góc φ được xác định như sau: Khoảng một nửa lớp màng bôi trơn là vùng có áp suất thấp có ảnh hưởng rất ít đến khả năng tải của ổ nhưng làm tăng lực cản nhớt. Vì thế, vùng này có thể loại trừ, loại ổ này gọi là ổ đỡ hở một phần. 2.3. Bôi trơn thuỷ động đàn hồi Trong bôi trơn thuỷ động đàn hồi, biến dạng đàn hồi của các mặt tiếp xúc là đáng kể và có ảnh hưởng lớn đến bôi trơn thuỷ động. Bôi trơn thuỷ động đàn hồi đóng vai trò rất quan trọng trong các tiếp xúc giữa hai bề mặt lồi, tải trọng nặng như tiếp xúc trong ăn khớp bánh răng và ổ lăn. Áp suất cao tại chỗ tiếp xúc gây ra các thay đổi về độ nhớt của chất bôi trơn cũng như hình dáng hình học tại chỗ tiếp xúc. Ví dụ ứng suất tiếp xúc Hec tại chỗ tiếp xúc của đôi răng ăn khớp và ổ lăn có thể từ 0,5 đến 3GPa. Dưới áp suất này, độ nhớt của phần lớn dầu bôi trơn có thể cao đến 10 lần so với trong điều kiện bình thường và có thể chuyển sang pha rắn. Sự sai lệch về hình dáng hình học của bề mặt tiếp xúc có thể lớn gấp 10 lần chiều dày tối thiểu của lớp màng bôi trơn. Trong bôi trơn thuỷ động đàn hồi, chúng ta phải tìm nghiệm đồng thời của phương trình Reynolds, phương trình biến dạng đàn hồi, phương trình quan hệ giữa độ nhớt và áp suất. Tốc độ trượt giữa các lớp, tác dụng của nhiệt độ trở nên quan trọng và phải đề cập vào trong các công thức tính toán. Trong phần này chúng ta sẽ đề cập đến tiếp xúc của các biến dạng lồi như các thành phần của ổ lăn và ăn khớp bánh răng. 2.3.1. Các dạng tiếp xúc Hai dạng tiếp xúc phổ biến là điểm và đường. Khi hai bề mặt lồi với hình dạng đơn giản tiếp xúc với nhau có thể biến đổi thành tiếp xúc của một bề mặt lồi tương đương với một mặt phẳng. Ví dụ tiếp xúc của hai hình trụ bán kính ra và rb có thể biến đổi thành tiếp xúc của một hình trụ hay cầu với một mặt phẳng (Hình 4-16) có bán 164 kính tương đương xác định theo công thức sau: Trong trường hợp tiếp xúc elip, bán kính tương đương có thể tính theo hai bán kính nằm trong hai mặt phẳng pháp tuyến chính. Hình 4-16 : Tiếp xúc của hai hình trụ tương đương với tiếp xúc của một hình trụ tương đương với một mặt phẳng. Nếu hai hình trụ quay với vận tốc ua, ub thì vận tốc vào khe của chất bôi trơn sẽ là (ua + ub)/2 (vận tốc lăn). Nếu ua ≠ ub thì sẽ tồn tại vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt bằng u a - u b (vận tốc trượt). Lượng trượt và lăn tương đối được thể hiện bằng tỷ số trượt - lăn S. Trong trường hợp lăn không trượt, ua = ub, S = 0. Nếu ua = ub vận tốc lăn bằng 0, áp suất thuỷ động không tồn tại. 2.3.2. Tiếp xúc đường 2.3.2.1. Tiếp xúc trụ tuyệt dối cứng 165 Hình 4-17: Sơ đồ một hình trụ (tuyệt đối cứng, biến dạng đàn hồi) tiếp xúc với một mặt phẳng tuyệt đối cùng trong điều kiện ma sát khô và trong điều kiện ma sát trượt ướt. Khảo sát một hình trụ tuyệt đối cứng, có chiều dài vô hạn chuyển động trên mặt phẳng theo một hướng được bôi trơn bằng chất lỏng không nén được, với độ nhớt không đổi. Phương trình tích phân Reynolds tương ứng sẽ là: Chiều dày của lớp màng bôi trơn (h) được biểu diễn như sau: Áp suất lớn nhất sẽ được xác định theo công thức sau: Khả năng tải trên một đơn vị chiều rộng ổ có thể xác định như sau: Khi độ nhớt (η) thay đổi theo phương trình đơn giản của Barus. η = ηoe(αp) (4-78) 166 trong đó: α là hệ số độ nhớt phụ thuộc vào áp suất, ηo là độ nhớt tuyệt đối tại áp suất môi trường và p quan hệ với pr (áp suất suy giảm) như sau: Thay (4-78), (4-79) vào (4-74) ta được: Phương trình (4-80) có dạng như (4-74). ưu điểm của việc giải phương trình này là áp suất suy giảm chỉ còn là một biến số thay cho hai biến số là áp suất và độ nhớt. Áp suất suy giảm lớn nhất (pr)max được tính như sau: Với giá trị lớn của p, pr tiến tới 1/α, ho tương ứng với áp suất cực đại này sẽ: h o = 1,66(αno u ) 2/3 R1/3 (4-82) 2.3.2.2. Tiếp xúc trụ đàn hồi (hình chữ nhật) và độ nhớt thay đổi Trong các tiếp xúc biến dạng lồi, các vật thể đàn hồi sẽ biến dạng thậm chí dưới tác dụng của tải nhẹ. Biến dạng đàn hồi nhỏ này sẽ ảnh hưởng đến áp suất thuỷ động. Khi hình trụ biến dạng phẳng trên vùng tiếp xúc Hec thì phần biến dạng ngoài vùng này cũng sẽ thay đổi. Khi diện tích biến dạng đàn hồi chỗ tiếp xúc lớn hơn nhiều so với ho (ho có giá trị nhỏ), phân bố áp suất phải gần với Hec (phân bố elip). Hình dạng của màng bôi trơn trong vùng tiếp xúc ma sát ướt sẽ phải gần với dạng tính cho tiếp xúc khô. Phân bố áp suất tương ứng với giá trị bất kỳ của ho có thể tính toán dựa trên hình dáng biến dạng của hình trụ (h-ho) bên ngoài vùng tiếp xúc Grubin quan sát thấy rằng áp suất tăng tới giá trị rất lớn tại đầu vào và giữ với giá trị lớn trong vùng tiếp xúc Hec. Áp suất trên suất chiều dài tiếp xúc lớn đến mức làm cho độ nhớt của chất bôi trơn tăng lên nhiều lần. 167 Vì thế, nếu dp/dx tính theo giá trị thực thì h = hm rất nhỏ và có thể tiến tới 0 thì chiều dầu lớp màng bôi trơn phải đồng đều trong phần lớp vùng tiếp xúc áp suất cao. Điều kiện biên của phương trình Reynolds dạng tích phân sử dụng chất lỏng không nén được bao gồm: tại đầu vào xa vùng áp suất lớn p = 0, tại đầu ra p = ∂p/dx = 0, bỏ qua ảnh hưởng nhiệt. Giả thiết quanh vùng tiếp xúc biến dạng hình trụ có dạng parabôn, độ lớn khe hở h sẽ là: trong đó: w là biến dạng hướng kính kết hợp của cả hai vật rắn. trong đó 1 1 − v12 1 − v22 = + , E* là mô đun đàn hồi tương đương, E1, E2 E* E1 E2 là mô đun đàn hồi của từng hình trụ, v là hệ số Poát xông, p(s) là tải trọng pháp tuyến trên một đơn vị chiều rộng của dải chiều dài tiếp xúc 2a. Grubin tích phân phương trình Reynolds bằng phương pháp số cho một dải các giá trị ho và tìm ra một phương trình thích hợp. Từ (4-77) và (4-86) , tỷ số chiều dày màng bôi trơn ở hai trường hợp: trong đó: ho* là chiều dày lớp màng bôi trơn trường hợp biến dạng đàn 168 hồi, độ nhớt là hàm số của áp suất, ho tương ứng với cứng tuyệt đối và độ nhớt là hằng số. 2.3.2.3. Tiếp xúc điểm Khi hai mặt cầu tiếp xúc (mặt cầu tương đương và mặt phẳng), do biến dạng, vùng tiếp xúc sẽ phát triển từ điểm thành hình tròn hay elip. Trong tiếp xúc bôi trơn, áp suất cao ở vùng tiếp xúc làm tăng độ nhớt của chất bôi trơn và gây biến dạng đàn hồi đáng kể tại chỗ tiếp xúc. Lớp màng bôi trơn có chiều dày nhỏ nhất tại vùng đầu ra. trong đó: k là thông số elíp (k = Rx/Ry) Rx, Ry là bán kính elip theo hai phương vuông góc x, y; ở đây x là phương trượt. Chiều dày trung tâm màng bôi trơn hệ sẽ là Với vật liệu có mô đun đàn hồi nhỏ, các công thức (4-88) và (4-89) có dạng như sau: Trong thực tế nhiệt độ trung bình trên bề mặt tiếp xúc có thể lên tới 100 trong các tiếp xúc thuỷ động đàn hồi ảnh hưởng dấn độ nhớt của chất lỏng và qua đó đến bôi trơn thuỷ động. 0C 169 Chương 5 MỘT VÀI BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ BỀ MẶT NHẰM GIẢM MA SÁT VÀ MÒN 1. MA SÁT VÀ MÒN CỦA CÁC BỀ MẶT ĐƯỢC XỬ LÝ 1.1 Vai trò của bề mặt trong giảm ma sát và mòn Kỹ thuật vật liệu đã và đang phát triển mạnh mẽ và là một trong 3 mũi nhọn của nền kinh tế tri thức, có nhiệm vụ nghiên cứu cấu trúc và thiết kế những vật liệu mới đặc biệt là vật liệu composites. Tuy nhiên kỹ thuật vật liệu không nghiên cứu các vấn đề liên quan đến việc thay đổi và nâng cao tính chất của vật liệu ở vùng bề mặt. Khái niệm Kỹ thuật Bề mặt (KTBM) hay Surface Engineering lần đầu tiên được đưa ra ở nước Anh vào những năm 1970. Đầu tiên KTBM chỉ nghiên cứu các công nghệ về Hàn và Phun nhiệt (Thermal spraying) sau đó mở rộng đến công nghệ phun phủ nhiệt, phủ bay hơi CVD và PVD, nhiệt luyện bề mặt bằng laze hoặc chùm điện tử, thấm ion, hợp kim hoá bề mặt sử dụng plasma v.v... Việc sử dụng các biện pháp công nghệ mới, đặc biệt sẽ tạo nên các lớp bề mặt mới cho chi tiết máy. Tuy nhiên việc nghiên cứu các tính chất cũng như khả năng làm việc của các lớp này phối hợp với vật liệu nền để giảm ma sát và mòn ở vùng bề mặt được quan tâm nhiều nhất. Vai trò kỹ thuật bề mặt trong quá trình sản xuất có thể mô tả như sau: Phôi liệu + Năng lượng (điện, nhiệt) = Sản phẩm Sản phẩm + Kỹ thuật bề mặt = Sản phẩm có chất lượng cao. Ban đầu KTBM được hiểu đơn giản là công nghệ để tạo nên các lớp bề mặt mà không quan tâm đến sự hình thành của các lớp bề mặt trong quá trình vận hành, đến việc nghiên cứu các tính chất hay mô hình của chúng trong các ứng dụng cụ thể. Ngày nay KTBM là lĩnh vực nghiên cứu và hoạt động kỹ thuật tổng hợp bao gồm thiết kế, sản xuất, khảo sát, và sử dụng các lớp bề mặt trên cả khía cạnh kỹ thuật và kinh tế tạo nên các tính chất nổi trội hơn vật liệu nền như chống ăn mòn, chống mỏi, giảm ma sát, chống mòn, và trang trí 170 v.v... kiểm soát mòn, các tính chất nhiệt, điện, từ, chuẩn bị cho các quá trình công nghệ bề mặt tiếp theo. Một điều quan trọng hơn khi nghiên cứu là phải xem xét sự tương thích với bề mặt đối tiếp khi lựa chọn biện pháp xử lý bề mặt. Hai lớp phủ cùng thành phần có thể có các tính chất tương đối khác nhau khi phủ lên vật liệu nền khác nhau. Vì thế xử lý bề mặt phải xem xét như một bộ phận của hệ vật liệu trong điều kiện làm việc cụ thể. Sự lựa chọn thích hợp vật liệu và các thông số của lớp phủ như chiều dày, độ cứng, độ nhám v.v... sẽ tạo nên kết quả tốt. Quá trình ma sát, mòn, tổng thể ở chỗ tiếp xúc khi có chuyển động tương đối là rất phức tạp bởi vì nó liên quan đến nhiều cơ chế tác động đồng thời như ma sát, mòn cơ học xảy ra ở cả thang thô đại và tế vi cũng như ảnh hưởng của hoá học và dính vật liệu sang bề mặt đối tiếp (materials transfer). Lực ma sát phụ thuộc vào tải trọng ép các bề mặt ma sát với nhau, phụ thuộc vào loại ma sát, hệ số ma sát nhưng tất cả đều phụ thuộc vào tính chất thuộc tính của lớp bề mặt trong đôi ma sát cũng như của nền nằm dưới các bề mặt tiếp xúc. Hơn nữa, lực ma sát còn phụ thuộc vào vận tốc, nhiệt độ và thời gian và những biến đổi về tính chất của lớp bề mặt trong quá trình ma sát. Nói chung, trên bề mặt kim loại sau gia công thường được bao phủ bởi các lớp rất mỏng ôxít và các khí hấp thụ ở thang μm nhưng các lớp này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình dính và ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc. Sự tồn tại của các lớp này là nguyên nhân làm giảm đáng kể hệ số ma sát giữa kim loại với kim loại trong không khí so với trong chân không hay sau khi nung nóng. Khi này hệ số ma sát giữa 2 kim loại có thể đạt tới f = 1 - 1,5. Tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại tạo ra liên kết vững chắc ở đỉnh nhấp nhô làm tăng hệ số ma sát, mòn và có thể dẫn tới hiện tượng kẹt (seizure). Hiện tượng tương tự cũng được quan sát ở các vật liệu khác. Kim cương-kim cương có hệ số ma sát tĩnh trong không khí f = 0,05 nhưng trong chân không hệ số này tăng tới 0,5. Hệ số ma sát thấp của graphite với vật liệu khác không chỉ do cấu trúc lớp của graphite mà còn do tác 171 dụng của lớp hấp thụ bề mặt gồm khí và hơi nước. Khi độ ẩm của không khí thay đổi hệ số ma sát của graphite thay đổi từ 0,06 tới 1 hệ số ma sát của vật liệu trên băng chỉ khoảng 0,3 ở áp suất và nhiệt độ chuyển biến pha băng - nước. Nhưng ở nhiệt độ -40oC hệ số ma sát tăng đến 0,7 - 1,2. Thực chất bôi trơn là một phương pháp chủ động tạo ra các lớp bề mặt mới nhằm giảm ma sát. Nói chung ma sát giữa hai bề mặt phụ thuộc nhiều vào sự tồn tại của các lớp bề mặt được sinh ra một cách tự nhiên hay thông qua công nghệ hiện đại. Trong chuyển động tương đối giữa hai bề mặt, nhiệt sinh ra ở vùng bề mặt làm tăng nhiệt độ ở vùng này ngay cả khi tải trọng và vận tốc trượt tương đối thấp. Nhiệt do ma sát phân bố đều trên toàn vùng tiếp xúc nhưng lại tập trung ở các đỉnh nhấp nhô, ở đây nhiệt độ có thể đạt tới nhiệt độ nóng chảy của vật liệu gây ra sự thay đổi cấu trúc cục bộ, ứng suất dư, tại nên các mối hàn cục bộ có thể dẫn đến Seizure. Nhiệt độ bề mặt phụ thuộc vào tải trọng, vận tốc trượt, hệ số dẫn nhiệt, và hệ ma sát là một quá trình tự tăng tốc. Hiện tượng phát nhiệt do ma sát đôi khi có lợi vì nó giúp cho việc tạo ra một bề mặt có độ nhẵn cao như trong quá trình đánh bóng sử dụng hạt mài. Ngoài khả năng giảm ma sát và mòn các lớp bề mặt còn đóng vai trò tăng khả năng chống ăn mòn. 1.2. Khả năng chống ăn mòn của các lớp bề mặt Trong nhiều trường hợp các lớp bề mặt phải có khả năng chống lại ăn mòn, trong các điều kiện cụ thể vì ăn mòn thúc đẩy các cơ chế mòn khác cũng như phá huỷ bề mặt do mỏi. Nói chung các lớp bề mặt phải có khả năng chống lại ăn mòn hoá và điện hoá bao gồm ăn mòn mỏi (kết hợp của môi trường ăn mòn và ứng suất thay đổi) ăn mòn ứng suất (kết hợp của môi trường ăn mòn và ứng suất tĩnh) và ăn mòn biên giới hạt (cộng thêm với tác dụng của ứng suất tĩnh và thay đổi). Thành phần hoá học của lớp bề mặt có ảnh hưởng quyết định tới mức độ ăn mòn của thép. Các thành phần hợp kim như lưu huỳnh và phốt pho làm tăng, trong khi Cr, Ni, Mn, Cu, Mo, Al làm chậm tốc độ ăn mòn ở khí quyển. Độ nhám bề mặt có ảnh hưởng quan trọng đến ăn mòn. Độ nhám bề 172 mặt càng thấp khả năng chống ăn mòn càng cao. Cấu trúc lớp bề mặt cũng ảnh hưởng đến mức độ mòn do ăn mòn. Mactensit có khả năng chống lại ăn mòn trong axit tốt hơn ferít và peclít. Cấu trúc vô định hình có khả năng chống ăn mòn tốt. Biến cứng nguội làm giảm khả năng chống ăn mòn của vật liệu. Với thép 5% - 10% biến cứng là giá trị giới hạn và từ giá trị này khả năng chống ăn mòn giảm đáng kể. Độ cứng không có ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn. Ứng suất trong lớp bề mặt kể cả ứng suất dư có ảnh hưởng tới khả năng chống ăn mòn. Ứng suất dư nén không có hại thậm trí còn cải thiện chút ít khả năng chống ăn mòn. Ứng suất dư kéo và ứng suất kéo do ngoại lực giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn. Ăn mòn do ứng suất làm cho kim loại bị nứt. Tóm lại, lớp bề mặt đóng vai trò kỹ thuật thống trị để tăng tuổi thọ của các chi tiết máy, dụng cụ làm việc trong điều kiện tải trọng ma sát, mỏi, thậm trí trong các môi trường ăn mòn. Sau đây một số biện pháp công nghệ bề mặt tiên tiến thường sử dụng trong công nghiệp nhằm giảm ma sát và mòn trong các cặp đôi ma sát sẽ được đề cập. 2. CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN COMPOSITE 2.1. Đặc điểm Vật liệu composite là một hỗn hợp của hai hoặc nhiều pha đồng nhất liên kết với nhau có tính chất đặc trưng riêng hơn hẳn từng pha riêng rẽ. Mạ điện composite có thể thực hiện trên các bề mặt phức tạp bất kỳ mà không cần thiết bị đặc biệt, thậm trí có thể sử dụng các thiết bị mạ điện thông thường. Chi tiết mạ có khả năng làm việc ở nhiệt độ bình thường và cao, chống mòn và ăn mòn tốt hơn. Vật liệu mạ tăng bền composite bao gồm kim loại hoặc hợp kim có chứa các hạt mịn, cứng, trung tính tạo nên các tính chất cơ học đặc biệt và cấu trúc ổn định ở nhiệt độ cao hơn. Một vật liệu composite chứa ít 173 nhất hai thành phần và mỗi thành phần sẽ kết hợp tính chất riêng của nó tạo nên tính chất tổng hợp của vật liệu mới. Mạ điện composite có các đặc điểm sau: Có thể mạ với chiều dày nằm trong miền dung sai kích thước. Độ bền liên kết của lớp mạ lớn hơn 700 Mpa thậm chí khi mạ trên thép Cr cao. Quá trình mạ không cần gia nhiệt. Chiều dày lớp mạ có thể đồng đều trên các chi tiết có hình dạng phức tạp bằng cách thiết kế anốt, đồ gá, các thông số mạ điện thích hợp. Có thể mạ lớp mạ cứng trên nền kim loại mềm. Thành phần hạt kim loại cứng có thể thay đổi trong phạm vi rộng nên có thể tạo nên các lớp mạ có đặc tính theo yêu cầu. Có thể tự động hoá quá trình mạ. 2.2. Mạ điện composite kim loại dạng hạt 2.2.1. Khái niệm Đây là một phương pháp phủ bề mặt, lớp mạ điện được tạo thành từ kim loại và vật liệu không tan dưới dạng bột mịn được đưa vào bể mạ: Trong quá trình mạ các hạt vật liệu không tan, cứng lơ lửng trong dung dịch điện phân nhờ khuấy trên nguyên tắc cơ, từ, không khí v.v... Chiều dày lớp mạ phụ thuộc vào kích thước của hạt cứng, tính chất của vật liệu hạt và kim loại mạ. Các kim loại có thể mạ cùng hạt cứng là: Co, Ag, Cr, Fe, Pb, Ni, Zn, và các hợp kim của chúng. Các hạt cứng bao gồm các ôxít của Al, Zn, Ti; Carbides Ti, Ta, Si, W, Cr, Zr, B, Ni; Nitrides của B, Si; Borides của Ti, Zr, Ni; Sulfides của Mo, W; Graphide, Mica, PTFE, kim cương. Các thông số của quá trình mạ có thể điều khiển để tạo nên thể tích xác định của pha cứng. Để tăng thể tích của pha này trong lớp mạ composite có thể: 174 1. Tăng thể tích của hạt cứng trong dung dịch. 2. Tăng hiệu quả của dòng trong dung dịch. 3. Phủ lên bề mặt mạ các chất có hoạt tính cao với hạt cứng. 4. Thêm các ion âm Ti, Rb hoặc Cs. Mạ điện composite kim loại dạng hạt có tác dụng: - Tăng khả năng chống mòn, chống mòn do cào xước, chống chảy (creep) của kim loại hoặc hợp kim (Ni + SiC, Pb + TiO2). - Tăng khả năng chống ăn mòn (Ni + Al2O3). - Tạo lớp mạ điện tự bôi trơn (MoS2 với Ni hoặc Cu). - Tăng độ bền ở nhiệt độ cao (Ni + Al2O3). - Tạo hợp kim có thể nhiệt luyện (Ni + Bột Cr). - Tạo lớp mạ sử dụng trong công nghiệp hạt nhân (Ni+Pu, Ni+UO2). Các hạt dẫn điện tham gia vào lớp mạ tốt hơn hạt không dẫn điện, hạt to có tỷ lệ liên kết trực tiếp với nền cao hơn hạt nhỏ. Tính chất lý hoá của hạt phối hợp với tính chất của matrix kim loại là quan trọng nhất. Các hạt cứng nhỏ mịn tăng khả năng chống mòn. Các hạt mềm có lợi cho chống dính hoặc bôi trơn khô. Thường trong kỹ thuật, khoảng 30% - 40% thể tích lớp phủ là hạt cứng như alumina hoặc silicon carbide là cần thiết. Mạ điện composite hạt nhằm tạo lớp bôi trơn hoặc chống mòn. 2.2.2. Mạ tạo lớp bôi trơn Trong lớp mạ bôi trơn, pha thứ hai được chọn để tạo nên các tính chất bôi trơn. Bôi trơn dạng thể rắn được dùng trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc áp suất thấp khi các biện pháp bôi trơn thông thường không có hiệu quả sử dụng cho cả tiếp xúc lăn và trượt. Để giảm ma sát và mòn, lớp màng bôi trơn thể rắn cần có các tính chất sau đây: - Có sức bền cắt thấp. 175 - Tạo nên liên kết tốt với nền khi chịu tải. - Phủ đồng đều trên nền và bề mặt sạch. - Không có tạp chất. - Ổn định khi làm việc. - Các hạt có kích thước đồng đều. - Không bị lẫn sản phẩm của mòn. Matrix kim loại của màng bôi trơn phải có khả năng làm việc tốt ở nhiệt độ cao hoặc áp xuất cao hơn so với các chất bôi trơn thông thường. Vật liệu của lớp mạ điện bôi trơn là Graphide, Polytetrafluoroethylene (PTFE), MoS2, WS2, Mica-graphide fluoride và matrix kim loại thường là Cu, Ni hoặc Zn. Lớp mạ bôi trơn 25% MoS2 trên nền Ni có hệ số ma sát rất thấp với vật liệu khác tới (0,05 - 0,18). Tuy nhiên, khả năng chịu tải của lớp màng mạ này trên nền mềm không cao nên chúng chỉ thích hợp sử dụng dưới tải trọng nhỏ. Màng bôi trơn ở thể rắn tạo lớp bôi trơn tinh khiết còn có tác dụng chống ăn mòn. Các kết quả thí nghiệm của lớp mạ bôi trơn composite sử dụng matrix Cu và Ni cho thấy: Thêm 1% CF và 1% Cu hoặc Ni có tác dụng giảm hệ số ma sát và mòn với bề mặt đối tiếp. Tác dụng giảm mòn được nâng lên khi nồng độ chất bôi trơn rắn vượt quá một giới hạn nhất định trong bể mạ (3% ở trường hợp CU-GF). Cu dùng làm matrix tốt hơn Ni trong cả khía cạnh tốc độ mòn và khả năng chịu tải trong phạm vi rộng. 2.2.3. Mạ tăng khả năng chống mòn Mạ composite với các hạt ceramics tăng cả độ cứng và khả năng chống mòn do sự tồn tại của hạt cứng trong lớp mạ. Khi lớp mạ chịu tải các hạt cứng sẽ chịu tải. 176 Vì thế người ta cố gắng mạ sử đụng Al2O3, TiO2, Carbides Si, W, Cr, Ti, kim cương trên nền matrix của Ni, Cr, Co, Cu và Fe. Việc lựa chọn kết hợp matrix kim loại và pha rắn có ý nghĩa quan trọng để tăng khả năng chống mòn của bề mặt tiếp xúc. Nhiều composite mạ đang được sử dụng trong thực tế như mạ composite Ni, composite Co, composite hợp kim thiếc, composite chì, composite Cr v.v... 3. PHỦ BAY HƠI VÀ ỨNG DỤNG 3.1. Khái niệm chung Phủ bay hơi được chia thành hai nhóm chính là bay hơi hoá học "Chemical Vapour Deposition" - CVD và bay hơi lý học "physical Vapour Deposition" - PVD. Mỗi loại có nhiều phương pháp phủ khác nhau sử dụng nguyên tắc dịch chuyển khối từ một hoặc nhiều nguồn tới bề mặt cần phủ. Sự kết hợp những đặc tính đặc trưng của một vài quá trình khác nhau tạo nên tính vạn năng cao hơn trong cả quá trình phủ và quá trình khai thác sử dụng sản phẩm. 3.2. Phủ bay hơi hoá học và ứng dụng 3.2.1. Nguyên lý CVD là một công nghệ trong đó một hỗn hợp khí tương tác với bề mặt của nền ở nhiệt độ tương đối cao làm cho một vài thành phần trong hỗn hợp khí bị phân tích và phản ứng với nhau tạo thành một lớp màng cứng của một kim loại hay một hợp chất trên bề mặt nền. Chi tiết phủ được đặt và nung nóng trong buồng kín chứa khí H2 (áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn). Các hợp chất bay hơi được đưa vào buồng này để tham ra vào thành phần của lớp phủ thông qua các phản ứng hoá học (Hình 5-1). Nhiệt độ của quá trình từ 900oC - 2000oC phụ thuộc vào chu kỳ nung nóng diễn ra vài giờ tuỳ thuộc vào yêu cầu về tính chất và chiều đày lớp phủ. Hệ thống phủ CVD yêu cầu nguồn khí dẫn, buồng phản ứng nâng nhiệt và hệ thống xử lý khí thải. Các khí dẫn gồm khí trơ như N và Ar, khí khử H và khí có hoạt tính như Methane, CO2, hơi nước, ammonia v.v... Một số khí dẫn ở dưới dạng dung dịch khí áp suất cao như TiCl4, SiCl4, CH3SiCl3. Những chất này được nâng nhiệt tới nhiệt độ trung bình (dưới 60oC) và hơi được chuyển đến buồng phản ứng bằng cách cho bọt 177 khí mang (H hoặc Ar) đi qua dung dịch lỏng. Một số khí dẫn được tạo thành bằng cách biến một kim loại rắn hay hợp chất thành hơi như AlCl3 nhờ phản ứng của Al với Cl hoặc HCl. Các khí phản ứng sau đó được đưa vào các thiết bị xử lý để trung hoà các chất có hoạt tính cao trong khí thải, tách chất rắn, làm nguội khí trước khi thải ra môi trường. Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý phủ CVD và sơ đồ vùng bề mặt sau khi phủ CVD. Tuy nhiên, khi sử dụng chất dẫn kim loại hữu cơ nhiệt độ quá trình CVD có thể hạ đến 500oC - 850oC (MTCVD), do chất dẫn này bị phân tích ở nhiệt độ tương đối thấp. Nhiệt độ phản ứng có thể hạ thấp hơn bằng cách tăng hoạt tính phản ứng của pha hơi. Phản ứng hoá học của pha khí được tăng lên bằng cách tạo ra plasma trong pha khí hoặc chiếu chùm tia laze vào hỗn hợp khí. Năng lượng cần thiết để phân tích chất dẫn khí được thay bằng năng lượng động lực của electron trong plasma để kích thích các phản ứng hoá học trong pha hơi. Plasma là một hỗn hợp của ion, electron, nguyên tử trung hoà và 178 phân tử trong đó chuyển động của các hạt được tạo ra bởi các tương tác điện từ. Một khối lượng lớn năng lượng được dự trữ trong các hạt trong plasma. Có hai loại plasma "Nóng" - thermal và 'lạnh" - com plasma. Plasma nóng tạo bởi sự phóng điện hồ quang ở áp suất khí quyển. Plasma lạnh tạo ra bởi sự phóng điện trong khí kém. Electron, ion, phân tử khí trung tính trong plasma nóng ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực cục bộ, còn trong plasma lạnh bị mất cân bằng. Do vậy các điện tử, sau đó là ion tích trữ nhiều năng lượng hơn phân tử trung tính. Năng lượng cao của plasma kích thích các phản ứng hoá học ở nhiệt độ tương đối thấp 300oC nhưng không nâng nhiệt môi trường trong lò và chi tiết phủ. Vì thế, plasma lạnh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực xử lý bề mặt. Plasma phóng điện trong khí kém là một vùng khí có áp suất và nhiệt độ tương đối thấp bị ion hoá bởi một trường có tần số cao xuyên ngang thể tích khí. Các điện tử nhận năng lượng nhiều hơn và tăng tốc tạo thêm các điện tử và ion do va chạm. Các điện tử và ion này sau đó sẽ kết hợp và tác dụng với các bề mặt phủ. Do một khối lượng lớn các phản ứng xảy ra đồng thời trong plasma nên các cơ chế phản ứng là rất phức tạp. Nhiệt độ của electron trong plasma khoảng trên 10000 K trong khi nhiệt độ của khí thấp hơn 300oC dưới áp suất thấp hơn 10 ion. Chức năng chính của plasma là tạo nên các ion có hoạt tính hoá học và các electron tự do (radicals) để chúng tác dụng với các ion, nguyên tử, và phân tử trong pha khí hoặc nền gây ra khuyết tật mạng tinh thể và tạo phản ứng hoá học. Tốc độ tạo ra các hạt hoạt tính phụ thuộc vào cường độ điện trường, áp suất khí và quãng đường tự do của các hạt va chạm. Trong plasma trợ giúp CVD, tốc độ phản ứng hoá học được nâng cao nhờ sự tác dụng phân tích nhanh của các khí hoạt tính trong plasma do sự va chạm của các electron có năng lượng cao cho phép nhiệt độ của khí phản ứng thấp. Sản phẩm của các phản ứng phân tích có hoạt tính cao hơn các phân tử ban đầu làm tăng hoạt tính hoá học là tác dụng cơ bản của plasma. Sự phân tích các phân tử khí trong plasma là ngẫu nhiên. Do đó sự hình thành lớp phủ không phụ thuộc vào những cản trở về trạng 179 thái cân bằng nhiệt động lực. Lớp phủ thường vô định hình mang các tính chất và liên kết đặc biệt. Tương tác của plasma và bề mặt xảy ra trong PACVD (Plasma trợ giúp CVD) phụ thuộc chủ yếu vào điện áp đặt trên chi tiết phủ (điện áp gia tốc). Có thể thấy rằng năng lượng của các ion trong quá trình phủ tới bề mặt của chi tiết cần cần bằng hoặc lớn hơn đáng kể so với năng lượng của chất rắn (Us) khoảng 3 eV - 10 eV và năng lượng ngưỡng của sputtering khoảng 4Us để thay đổi các tính chất cơ, lý, hoá của lớp phủ. Các hạt bắn phá có năng lượng cao như ion hoặc species có thể xuyên hoặc giữ lại trong nền hoặc lớp phủ hoặc gây nên sự di chuyển lan truyền của các nguyên tử nền và trong lớp phủ, thúc đẩy liên kết thông qua sự hoà trộn ở vùng tiếp giáp với nền. Các hạt này có thể thúc đẩy các phản ứng ở bề mặt nền bằng cách bẻ gãy các liên kết hoá học và tạo nên các vùng hấp thụ. Các hạt bắn phá có năng lượng thấp thường < 100 eV có lợi trong việc điều khiển quá trình dày lên cũng như cải thiện các tính chất của lớp phủ PACVD và PAPVD. Điện áp đặt vào chi tiết phủ có thể điều khiển được cường độ bắn phá ion trong quá trình phát triển của mầm kết tinh, ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ, cỡ hạt, texture và tính chất hoá học của lớp phủ. Ngoài việc làm mịn cấu trúc tế vi quá trình bắn phá bằng các hạt có năng lượng thấp có thể tách các tạp chất ra khỏi lớp phủ và làm thay đổi thành phần lớp phủ. Hơn nữa quá trình bắn phá bằng năng lượng thấp có thể làm tăng ứng suất dư trong lớp phủ, giảm tuổi bền của lớp phủ trong quá trình sử dụng sau này. Kỹ thuật CVD được sử dụng để phủ các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (Refractory). Chất dẫn để phủ kim loại và phần lớn hợp chất là kim loại nhóm halôgen tương ứng. Vì nhiệt độ phân tích của các chất này thường cao nên trong nhiều trường hợp các hợp chất hữu cơ kim loại được sử dụng như metal acetylacetonates, các hợp chất methyl hoặc ethyl hoặc metal carbonyls cũng được sử dụng để phủ Cu, Pb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Ir, Pt và kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như W, Mo. Do nhiệt độ của quá trình CVD cao (khoảng 800o), cần phải lựa chọn 180 vật liệu nền cẩn thận. Phần lớn thép đều xảy ra hiện tượng chuyển biến pha rắn ở nhiệt độ này. Sự chuyển đổi pha làm thay đổi cấu trúc và tính chất của thép. Tương tác của bề mặt thép với các khí trong buồng phản ứng (H và halides như HCl tạo nên trong quá trình phủ) có thể tạo nên các pha ở biên giới và làm đòn thép. Hơn nữa, sự khác nhau về hệ số dãn nở nhiệt của thép và lớp phủ sẽ tạo nên ứng suất tiếp tuyến tại biên giới của lớp phủ và nền ở nhiệt độ môi trường làm giảm liên kết với nền có thể gây ra bong hoặc nứt. Các vật liệu nền thường dùng là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như Mo, graphite, mullite và các ceramics khác. Các vật liệu này không chịu tương tác của các khí có hoạt tính trong điều kiện nhiệt độ cao. Thép có thể dùng làm vật liệu nền, nhưng nhiệt độ của quá trình phải nhỏ hơn 700oC hoặc trên bề mặt phải mạ một lớp bảo vệ như Ni. Phủ CVD được dùng rộng rãi để phủ các hợp chất như oxides, carbides, nitrides, borides và silicides. Các hợp chất khác như phosphides, sulfides, aluminides v.v... cũng có thể phủ bằng CVD. CVD cho phép phủ đa lớp (đến 12 lớp) và phủ xen kẽ Nitride, Carbide và Alumina. Dạng phủ này hiện đang được áp dụng phổ biến nhằm tạo nên lớp phủ có cơ tính cao hơn nhờ kết hợp các tính chất cơ lý của từng lớp. Ví dụ: lớp phủ TiC- TiCN-TiN khác thác được khả năng bám với nền của TiC, độ cứng của TiCN, tính trơ hoá học cao và chống dính tốt của TiN. Một ứng dụng rất quan trọng của CVD là tạo bột và sợi (whiskers) vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao. Đây là tiềm năng đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của composite. Sự bổ xung các sợi có kích thước rất nhỏ (đơn vị micron) vào ceramics làm nâng cao đáng kể độ dai va đập của composite này. Các sợi này có thể tạo ra nhờ phủ CVD ví dụ như SiN4, TiC. Các hợp chất phủ CVD ở dạng sợi như Al2O3, TiC, TiN, Cr3C2, SiC, Si3N4, ZrC, ZrN. Ưu điểm nổi bất của CVD là lớp phủ có độ bám dính rất cao với nền, do quá trình phủ diễn ra ở nhiệt độ cao tạo điều kiện cho quá trình 181 khuyếch tán của vật liệu phủ vào nền. Phủ CVD có thể tạo nên lớp phủ có chiều dày đồng đều hơn sơ với phủ PVD đặc biệt khi phủ các chi tiết máy có hình dạng phức tạp. Tuy nhiên trong quá trình phủ CVD trên nền hợp kim cứng các nguyên tử các bon và cô ban di chuyển khỏi lớp bề mặt để phản ứng với khí và các nguyên tố phủ tạo nên một lớp thiếu các bon gọi là pha Eta (CO6W6C) rất đơn tại biên giới giữa nền và lớp phủ. Hơn nữa hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ thường cao hơn của vật liệu nền nên trong quá trình làm nguội tạo ra ứng suất kéo trong lớp phủ làm giảm độ dai va đập và độ bền mỏi của dụng cụ. Vì nhiệt độ của quá trình lớn hơn 800o cao hơn cả nhiệt độ ram cao của thép gió, nên phủ CVD hầu như chỉ dùng phủ cho dụng cụ hợp kim cứng. Hơn nữa, khí thải của quá trình phủ CVD gây ô nhiễm môi trường. 3.2.2. Các phản ứng hoá học trong CVD Sự tạo thành lớp phủ CVD xảy ra thông qua một hoặc nhiều phản ứng hoá học sau đây: - Phản ứng nhiệt phân CH3SiCl3 ⇒ SiC + 3HCl - Phản ứng khử WF6 + 3H2 ⇒ W + 6HF - Phản ứng ôxy hoá SiH4 + O2 ⇒ SiO2 + 2H2 - Phản ứng thuỷ phân 2AlCl3 + 3H2O ⇒ Al2O3 + 6HCl - Phản ứng ô xy hoá khử TiCl4 + 2BCi3 + 5H0 ⇒ TiB2 + 10HCl. Khi phủ CVD Carbide hoặc Nitride có thể xảy ra sự kết hợp giữa phản ứng nhiệt phân và khử ví dụ: TiCl4 + CH4 ⇒ TiC + 4HCl 182 AlCl3 + NH3 ⇒ AiN + 3HCl Trong các ví dụ này, lớp phủ được tạo thành thông qua phản ứng hoá học giữa các khí dẫn khác nhau. Lớp phủ có thể tạo thành khi một đơn chất của pha hơi tương tác với bề mặt của chi tiết phủ. Ví dụ lớp phủ Nikel Aluminide được tạo thành nhờ phản ứng giữa AlCl3 và H2 trong pha khí với nền Nikel, hoặc MO2C tạo thành trên hạt kim cương do tương tác của Molybdenum với kim cương. Ví dụ điển hình của kiểu tạo thành lớp phủ này là thấm các bon, nhơ, các bon - nhơ ở thể khí cho thép. 3.2.3. Đặc trưng của phủ CVD Kỹ thuật phủ lớp phủ cứng thông qua phản ứng hoá học ở thể khí giữa các hợp chất dẫn ở dạng khí tại nhiệt độ trung bình tới cao. Quá trình được tiến hành ở áp suất khí quyển hoặc áp suất thấp. Sử dụng Plasma hoặc Laze cho phép hạ thấp nhiệt độ phủ do kích thích hoạt tính của các chất phản ứng. Phủ CVD cho phép tạo lớp phủ hỗn hợp (đa lớp). Mật độ và độ tinh khiết của lớp phủ có thể điều khiển được. Phủ CVD có thể tạo lớp phủ trên các chi tiết có hình dáng phức tạp và trên các vật liệu đặc biệt. Chiều dày lớp phủ có thể lớn do dòng khí chuyển động ở dạng lớp. Cấu trúc của lớp phủ dạng hạt trụ. Tuy nhiên, cấu trúc dạng hạt mịn đều cạnh có thể đạt được. Điều khiển các phản ứng ở thể khí đặc biệt quan trọng trong việc tạo nên các tính chất mong muốn cho lớp phủ. Một dải rộng kim loại, hợp kim, hợp chất có thể tạo nên lớp phủ hoặc chi tiết riêng biệt. 3.2.4. Ứng dụng của phủ CVD Phủ bằng CVD được ứng dụng rộng rãi ở những nơi yêu cầu chống 183 mòn, chống ôxy hoá, chóng ăn mòn, yêu cầu cao về điện, quang, và tribology. Các đặc tính của lớp phủ sẽ thay đổi nhờ điều chỉnh các thông số quá trình và thiết bị. Tính tinh khiết của lớp phủ có khả năng đạt được đặc biệt trong các ứng dụng điện và quang. Trong trường hợp này phải sử dụng các khí có độ tinh khiết cao và trong môi trường chân không cao (10-5-10-8 ion). Trái lại, phủ CVD dùng trong các ứng dụng chống mòn hoặc tribology thì vấn đề tinh khiết không cần đặt ra. Các tạp chất điển hình bao gồm O, Cl, H và các halôgen trong khí lò cũng như các tạp chất kim loại như Fe, Cr, Ni, C từ chất dẫn và Al, Si, Ca, Mg v.v... từ vật liệu cách nhiệt. Phủ bay hơi hoá học CVD dùng để phủ lên bề mặt làm việc của dụng cụ các lớp mỏng ceramics như TiC, TiN, TiCN, HfN, Al2O3, và kim cương nhân tạo v.v... với chiều dày 5 μm ÷ 10 μm. 3.2.4.1. Phủ CVD để chống mòn Vật liệu phủ điển hình để chống mòn là borides, carbides, nitrides và oxides refractory. Các hợp chất có thể phân loại theo liên kết như kim loại, cộng hoá trị, ion. Ngoài tính chất của lớp phủ, tính chất của vật liệu nền và bề mặt tiếp xúc chung là rất quan trọng. Các tính chất này bao gồm tính dính kết của lớp phủ với nền, sự khuếch tán, sự khác nhau về các tính chất nhiệt tại bề mặt tiếp xúc chung, độ cứng, độ bền, độ dẻo của nền. Độ dai va đập của lớp phủ và cũng như sự kết hợp của lớp phủ và nền là tính chất quan trọng nhất trong các ứng dụng chống mòn và va đập. Cỡ hạt, cấu trúc stoichiometry, sự đồng đều của lớp phủ cũng rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng tới các đặc tính về mòn. Lớp phủ chống mòn được sử dụng chủ yếu cho dụng cụ cắt kim loại. Các tính chất quan trọng của lớp phủ bao gồm độ cứng, tính trơ hoá học, chống mòn, hệ số ma sát với vật liệu gia công thấp, hệ số dẫn nhiệt hợp lý, và tính ổn định nhiệt. Các vật liệu phủ đáp ứng yêu cầu này gồm: TiC, TiN, Al2O3. Cũng như sự kết hợp giữa chúng, ngoài ra TaC, HfN và TiB2 cũng được sử dụng rộng rãi. 184 Bảng 5-1. Tiêu chuẩn lựa chọn cho dụng cụ cắt phủ Tiêu chuẩn Vật liệu phủ tối ưu Ổn định ở nhiệt độ cao Al2O3 Tính trơ hoá học cao TiN Chống mòn mặt trước TiC Độ cứng - bảo vệ lưỡi cắt TiC TiN Chống cào xước - Mòn mặt sau Al2O3 TiC TiN Hệ số ma sát thấp Độ hạt TiN TiC Al2O3 Khi phủ CVD các vật liệu trên lên nền carbide vonfram, hiện tượng cô ban và các bon di chuyển ra bề mặt tiếp xúc chung và tương tác với môi trường trong lò và các khí dẫn có thể tạo nên một carbide đòn CO6W6C gọi là pha em. Pha này làm giảm liên kết của lớp phủ với nền và dễ gây ra mẻ lưỡi cắt. Vì thế vấn đề điều khiển môi trường của lò phủ là rất quan trọng. Phủ CVD nhiều lớp có thể tăng tuổi bền và khả năng làm việc của dụng cụ khi cắt thép và gang. Phủ CVD còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác liên quan đến cào xước và mài mòn như các đầu phun cát, thiết bị vận chuyển hỗn hợp rắn lỏng, thiết bị khí than, thiết bị trong ngành mỏ. Trong các trường hợp này các hạt cứng chuyển động với vận tốc nào đó, dưới áp suất nào đó sẽ gây cào xước và erosion các bề mặt tiếp xúc. Cấu trúc hạt siêu nhỏ của lớp phủ CVD làm tăng khả năng chống erosion lên nhiều lần. 185 3.2.4.2. Ứng dụng phủ CVD trong tribology Mục đích của phủ CVD còn để thay đổi hệ số ma sát giữa các bề mặt lăn và trượt khi tiếp xúc từ đó giảm mòn do dính, cào xước, và các nguyên nhân khác. Các lớp phủ CVD thường từ các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao và tính chất tribology của chúng chỉ ra trên Bảng 5 - 1 . Các tính chất quan trọng khác của lớp phủ trong các ứng dụng tribology bao gồm độ cứng cao, mô đun đàn hồi, độ dai va đập, độ hạt, và tính ổn định hoá học phụ thuộc vào điều kiện làm việc. Phủ CVD là làm thay đổi bản chất tiếp xúc của hai bề mặt tiếp xúc. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến đặc tính tiếp xúc bao gồm nhiệt độ tiếp xúc, áp suất tiếp xúc và môi trường tiếp xúc v.v... Ứng dụng phủ CVD cho các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao Yêu cầu của lớp phủ khi làm việc ở nhiệt độ cao là tính ổn định nhiệt của chúng. Các hợp chất và kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao (refractory) có áp suất hơi thấp và nhiệt độ phân tích cao rất thích hợp cho các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao và phụ thuộc vào môi trường làm việc. Phủ CVD điển hình cho chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao bao gồm silicon carbide, silicon nitride, aluminum oxide v.v... . Silicon carbide có độ cứng, độ bền, và tính trơ hoá học cao đặc biệt là chống cào xước và trơ hoá học ở nhiệt độ cao. Các tính chất của silicon ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào độ tinh khiết và cấu trúc của lớp phủ. Độ bền cao của CVD SiC có thể do cấu trúc hạt rất mịn. Khả năng của kỹ thuật CVD có thể điều khiển được cấu trúc tế vi 186 bằng cách tạo điều khiển tốc độ phản ứng là một ưu điểm nổi bật của phương pháp này. 3.3. Phủ bay hơi lý học 3.3.1. Nguyên lý Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC - 500oC. Với nhiệt độ của quá trình như thế phủ PVD thích hợp cho các dụng cụ thép gió. Do nhiệt độ thấp các nguyên tử khí và kim loại khi bay hơi phải được ion hoá và kéo về bề mặt cần phủ nhờ một điện thế âm đặt vào đó. Quá trình bắn phá bề mặt phủ bằng các ion của khí trơ được thực hiện trước khi phủ để làm tăng độ dính kết của vật liệu phủ với nền. Theo nguyên tắc bay hơi phủ PVD có 4 dạng cơ bản: sử dụng dòng điện tủ có điện thế thấp, dòng điện tử có điện thế cao, hồ quang và phương pháp phát xạ từ lệch chỉ ra trên Hình 5-2. Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN, TiCN, TiAIN và CrN. Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất nén. Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5 μm để tránh sự tạo nên ứng suất dư có cường độ cao trong lớp phủ. 187 Hình 5-2 : Sơ đồ bốn phương pháp phủ PVD cơ bản (a) dòng điện tử có điện thế thấp (b) dòng điện tử có điện thế cao (c) hồ quang (d) phát xạ từ lệch. Phương pháp dùng dòng điện tử có điện thế thấp như Hình 5-2(a) dùng để phủ TiN và TiCN sử dụng dòng diện tử 100 V để bay hơi Ti. Mức độ ion hoá của kim loại bay hơi và khí phản ứng cao tuy nhiên hệ thống này chỉ dùng phủ các chi tiết có kích thước không lớn. Tốc độ phủ thấp. Các dụng cụ có kích thước lớn thường được phủ bằng dòng điện tử có điện thế cao như Sơ đồ 5-2(b). Tốc độ phủ cao, tuy nhiên điện thế 10000 V làm giảm khả năng Ion 188 hoá của dòng kim loại bay hơi và khí phản ứng vì thế người ta phải sử dụng một hệ ba cực để tăng mức độ lớn hoá cho hệ thống. Hệ thống này chỉ phủ được TiN và TiCN. Sơ đồ bay hơi bằng hồ quang được dùng để phủ TiAIN Hình 5-2(c). Tuy nhiên hợp kim TiAN để bay hơi phải ở thể rắn nguyên khối. Hệ thống này có thể tạo ra lớp phủ mỏng đến 200 A và tạo nên lớp khuyếch tán giữa nền và lớp phủ. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là sự tạo thành các hạt Ti trên bề mặt lớp phủ, tuy nhiên nhược điểm này có thể khắc phục nhờ lưới lọc. Phương pháp phát xạ từ lệch có thể tạo nên bất kỳ lớp phủ nào Hình 5-2(d). Các điện cực âm tạo nên một plasma của các ion khí trơ làm bật các nguyên tử của kim loại bay hơi ra khỏi bề mặt, tạo thành lớp phủ lên bề mặt chi tiết sau khi tác dụng với khí phản ứng. Nam châm vòng ngoài của các điện cực âm phát xạ được chế tạo mạnh hơn (lệch) so với bên trong để tạo nên một plasma mạnh ở vùng chi tiết phủ. 3.3.2. Ứng dụng của phủ PVD Phủ PVD đã mở rộng phạm vi sử dụng của thép gió ví dụ như dao phay lăn răng thép gió phủ PVD trong một số trường hợp tỏ ra tốt hơn dao gắn mảnh các bít. Hơn nữa, PVD còn có thể phủ được ở trạng thái không cân bằng nhiệt mà CVD không thể thực hiện được. Ví dụ như phủ hợp chất kim cương nhân tạo với các hạt các bít siêu nhỏ WC/C. Ưu điểm này của PVD là cơ sở cho việc phủ các lớp bôi trơn với các lớp phủ cứng như MoS2 và WC/C; chẳng hạn các lưỡi cắt của mũi khoan cần được bảo vệ bằng các lớp phủ cứng nhưng các bề mặt rãnh thoát phoi cần được phủ bằng lớp giảm ma sát. Điều này mở ra triển vọng mới về ứng dụng của PVD cho các dụng cụ ép, dập và các chi tiết máy chính xác. 3.4. Ảnh hưởng của lớp phủ cứng đến tương tác ma sát 3.4.1. Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt Cả ma sát và mòn đều phụ thuộc vào kiểu biến dạng tại chỗ tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô tức là phụ thuộc vào chỉ số biến dạng dẻo hoặc độ cứng hoặc mô đun đàn hồi. Lớp phủ có thể làm thay đổi cả kiểu và mức 189 độ biến dạng ở chỗ tiếp xúc vì lớp phủ và nền đã tạo nên một hệ composite. Điều này tạo ra những thay đổi vô cùng quan trọng trong hệ thống ma sát, mòn và bôi trơn. Các thí nghiệm về mòn của đầu phủ TiN và đĩa cho thấy biến dạng tại chỗ tiếp xúc trượt chủ yếu là đàn hồi khi lớp phủ chưa bị vỡ và mòn hầu như bằng không. Holmberg cho rằng tỷ số độ cứng của lớp phủ và nền là một thông số rất quan trọng ảnh hưởng tính chất ma sát của bề mặt phủ với bề mặt đối tiếp. Theo công thức tính lực ma sát trượt theo dính, để giảm Fm thì cả Aτ và τ đều phải nhỏ, nghĩa là nền phải cứng và lớp phủ phải mền. Lớp phủ có độ cứng cao sẽ không có tác dụng giảm ma sát trừ khi một lớp màng mỏng có sức bền cắt thấp hình thành trên bề mặt của lớp phủ, hoặc trên đỉnh các nhấp nhô. Lớp màng mỏng trên bề mặt lớp phủ có thể hình thành do tương tác hoá học với thép trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao và cao. Hệ số ma sát trượt giữa TiN và thép thay đối trong khoảng 0,01 đến 0,6 có thể giải thích bằng sự tạo thành và không tạo thành lớp màng mỏng trên bề mặt tiếp xúc chung. Lớp màng mỏng Fe2O3 và TiO2 đã được phát hiện khi quan sát đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN. Lớp màn mỏng Silica tạo thành trên bề mặt lớp phủ khi dùng đầu thép trượt trên đĩa thép phủ TiN. Lớp phủ cứng có khả năng ngăn cản các nhấp nhô bề mặt đâm sâu vào nhau và cào xước lên nhau dẫn đến giảm ma sát và mòn. Tuy nhiên, lớp phủ chỉ có khả năng giảm thành phần cào xước của lực ma sát nếu như các hạt cứng trong vật liệu đối tiếp nhỏ đáng kể so với chiều dày của lớp phủ. Độ cứng cao của lớp phủ còn có tác dụng giảm thành phần biến dạng của lực ma sát. Ví dụ độ cứng của TiN là 2200 kg/mm2- 2500 kg/mm2; của TiCN là 2800 kg/mm2 - 3200 kg/mm2 cao hơn rất nhiều so với độ cứng của thép ở trạng thái ủ. Vận tốc trượt tương đối giữa hai bề mặt có ảnh hưởng lớn đến tương tác ma sát của hệ phủ. Các thí nghiệm về ma sát giữa thép và một số lớp phủ PVD cho thấy rằng khi tăng vận tốc trượt tương đối hệ số ma sát giảm đối với tất cả các hệ. Nguyên nhân là do nhiệt độ cao sinh ra ở chỗ tiếp xúc khi tăng vận tốc trượt tương đối làm giảm sức bền của thép ở vùng bề mặt này. Ví dụ khi vận tốc trượt nhỏ (khoảng 7 m/s), hệ số ma 190 sát của thép với TiAIN lớn nhất trong ba hệ phủ TiAIN, TiN và TiCN do cấu trúc bề mặt của TiAIN không mịn như TiN và TiCN nên thành phần cào xước của lực ma sát chiếm ưu thế. Nhưng khi tăng vận tốc trượt thì hệ số ma sát của TiAIN với thép trở nên nhỏ nhất. Có thể thấy rằng lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát do độ cứng cao của lớp phủ làm giảm các thành phần cào xước và biến dạng dẻo của lực ma sát. Hơn nữa, tương tác hoá học giữa hai bề mặt đối tiếp tạo nên một lớp màng tiếp xúc có sức bền cắt thấp là nguyên nhân làm giảm ma sát giữa hai bề mặt. 3.4.2. Ảnh hưởng lớp phủ đến tương tác ma sát trong cắt kim loại Hình 5-3: (a) So sánh quá trình tạo phoi khi cắt bằng dao pha TiN và không phụ. (b) Đồ thị biểu diễn thể tích của lẹo dao khi cắt thép 1045. Lớp phủ trên bề mặt dụng cụ có tác dụng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước chủ yếu là giảm dính do độ cứng cao và tính trơ hoá học cao của lớp phủ làm tăng góc tạo phoi (I) dẫn tới giảm kích thước lẹo dao và loại trừ lẹo dao ở tốc độ cắt thấp hơn như trên Hình 5-3. Từ Hình 5-3(a) có thể thấy rằng lớp phủ cứng làm giảm ma sát giữa phoi và mặt trước, chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước, chiều dày của phoi dẫn đến tăng góc tạo phoi Φ và làm cho vùng tiếp xúc trên mặt trước tiến gần lưỡi cắt hơn. Hình 5-3(b) cho thấy TiN có khả năng loại trừ lẹo dao tốt nhất so với TiC và oxide. Ở vận tốc cắt trên 50 m/phút lẹo dao hầu như bị loại trừ. 191 Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tính chất nhiệt của lớp phủ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo phoi. Nhiệt độ cao trên mặt trước và khả năng dẫn nhiệt kém của lớp phủ sẽ làm giảm sức bền cắt của thép các bon. Ở trạng thái như thế biến dạng dẻo xảy ra trước, làm phoi tách ra khỏi phôi dễ hơn dẫn đến tăng góc tạo phoi và giảm chiều dày của phoi. Ngược lại, khi lớp phủ có hệ có dẫn nhiệt cao sẽ làm cho quá trình tạo phoi khó khăn hơn. Ví dụ TiCN có hệ số dẫn nhiệt 36 W-1. K-1 lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của TiN (19 W-1.K-1) sẽ làm giảm góc tạo phoi (I) và tăng chiều dày của phoi. Nguyên nhân là do nhiệt thoát nhanh từ mặt trước vào dụng cụ làm giảm nhiệt độ ở mặt dưới của phoi làm cho quá trình thoát phoi trở nên khó khăn hơn. Trong thí nghiệm của Konig chiều dài tiếp xúc giữa phoi và mặt trước tăng từ dao phủ TiAIN đến TiN đến TiCN tương ứng với sự tăng của lực cắt lên 20% của dao phủ TiN và 33% của dao phủ TiCN so với dao phủ TiAIN. Một số tác giả cho rằng hệ số thẩm nhiệt thấp của lớp phủ xác định theo công thức b2 = c.ρ.λ thẩm nhiệt, c là nhiệt dung riêng, ρ là tỷ trọng, λ là hệ số dẫn nhiệt). Có thể thấy rằng, tính trơ hoá học và tính chất nhiệt đặc biệt của vật liệu phủ có ảnh hưởng rất lớn đến tương tác ma sát trên mặt trước và quá trình tạo phoi. 3.4.3. Ảnh hưởng lớp phủ đến mòn và tuổi bền của dụng cụ cắt Như trên ta đã biết rằng, lớp phủ cứng có tác dụng giảm ma sát trên mặt trước, giảm nhiệt độ cực đại và sự phát triển của trường nhiệt độ trong dụng cụ dẫn đến giảm mòn do nhiệt và tăng tuổi bền cho dụng cụ. Hình 5-4 chỉ ra mối quan hệ giữa tuổi bền của dao tiện và phay mặt đầu thép gió phủ TiN, TiCN và TiAIN dùng để cắt thép các bon SAE 4340 theo vận tốc cắt, cho cả cắt liên tục (Hình 5-4(a)) và cắt không liên tục (Hình 5-4(b)). Từ hai đồ thị có thể thấy rằng trong cắt liên tục (tiện) TiAIN có tác dụng nâng cao tuổi bền của dao thép gió tốt nhất sau đó đến TiN và cuối cùng là TiCN. Trái lại, trong cắt va đập (phay) TiCN lại có tác dụng nâng cao tuổi bền tốt nhất sau đó đến TiN và TiAIN. Như vậy, mỗi loại vật liệu phủ đều có khả năng nâng cao tuổi bền của dụng cụ khác nhau tuỳ thuộc vào các điều kiện cắt, trong đó dụng cụ được sử dụng. 192 Hình 5-4: Quan hệ tuổi bền của dao thép gió phủ PVD theo vận tốc cắt (a) của dao tiện (b) của dao phay mặt đầu dùng cắt thép các bon đã qua tôi cải thiện. Lớp phủ trên dụng cụ thép gió có tác dụng giảm ma sát giữa vật liệu gia công (VLGC) với mặt trước và mặt sau của dụng cụ, tăng khả năng chống mòn do hạt mài, giảm dính mỏi. Nguyên nhân là do lớp phủ có tính trơ hoá học và độ cứng cao. 193 Ngoài ra tính chất nhiệt đặc biệt của lớp phủ còn làm đổi tỷ lệ truyền nhiệt vào phoi và dao là nguyên nhân cơ bản làm tăng tuổi bền của dụng cụ phủ khi cắt ở vận tốc cắt cao. 4. THẤM ION (ION IMPLANTATION) 4.1. Nguyên tắc Thấm ion vào vật liệu rắn có thể ở dạng liên tục hoặc xung. Dòng thấm ion liên tục cho phép cung cấp liên tục các nguyên tử của một nguyên tố ở dạng lớn mang năng lượng cao lên bề mặt của vật rắn. Với dòng ion xung, tác dụng của các ion lên bề mặt vật rắn được thực hiện nhờ các xung lớn đủ ngắn (cỡ ns hoặc μm) với năng lượng rất cao, dòng ion này làm nóng chảy một lớp mỏng bề mặt vật rắn và đưa các ion vào lớp này. Tuy nhiên, thấm theo nguyên tắc xung ion vẫn còn trong giai đoạn thí nghiệm. Các quá trình thấm ion (non implantaion) nói chung được thực hiện trong chân không ở áp suất khoảng 10-6 ion. Nguồn ion được tạo ra từ plasma đặt dưới điện áp từ vài nghìn eV đến 200 KeV cho phép các ion tăng tốc và bắn vào bề mặt chi tiết cần xử lý. Do nhiều ion được tạo ra từ hợp chất nên quá trình lọc ion là rất quan trọng. Người ta sử dụng nguyên tắc cách bẻ cong dòng ion trong một từ trường để loại trừ các ion khí. 194 Hình 5-5: Mô hình thác va chạm và đường đi của ion. Khi một ion đến bề mặt rắn, nó va chạm với các nguyên tử của bề mặt, rẽ lối đi sâu vào bên trong bề mặt của vật rắn (Hình 5-5). Các nguyên tử này lại va chạm với các nguyên tử khác và lan truyền liên tục tạo nên một vùng của vật liệu chứa hàng trăm khe và chỗ trống trong khoảng thời gian cỡ 10-11 s. Điều này xảy ra giống như một thác va chạm. Một ion với 100 KeV sẽ tác động vào hàng trăm đến hàng ngàn lớp nguyên tử (phụ thuộc vào khối lượng và vật liệu bề mặt) trước khi nó hết năng lượng và trở về trạng thái nghỉ. Khi vật liệu bề mặt trở về trạng thái cân bằng, phần lớn các nguyên tử trở về vị trí vốn có trên mạng tinh thể. Quá trình này tạo nên một lớp bề mặt giàu vật liệu thấm nằm dưới bề mặt. Phân bố của lớp bị thay đổi tính chất (modification) và ion thấm gần như tuân theo dạng tiêu chuẩn gaussian dưới dạng phương trình sau: 195 N(x) là mật độ ions cách bề mặt 1 khoảng x [ions/cm3]; No mật độ ions tại x = Rp; Rp là dải thấm ion có hiệu quả phụ thuộc vào dải thực Rc dải thấm thực. ΔRp là sai lệch tiêu chuẩn của giá trị Rp. Đường cong phân bố Gaussian có các đặc trưng: Vị trí mật độ ions cao nhất Rp phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng ions và khối lượng nguyên tử m1; Mức độ phân tán áp và trị số tương đối của nó ΔRp/Rp phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số khối lượng nguyên tử ions thấm m1 và nguyên tử nền m2. Năng lượng lớn bắn phá thường từ 35 keV - 200 keV nên lớp thấm nằm ở độ sâu từ 0,01 μm đến 0,5 μm. Cả quá trình chỉ xảy ra trong 10-11s, và các nguyên tử bị rẽ ra trở về vị trí ban đầu cũng trong thời gian này, vì thế cả quá trình giống như một quá trình nâng nhiệt và tôi rất nhanh trong một hình trụ vật liệu dài 0,1 μm và đường kính 0,02 μm tạo nên cho quá trình những tính chất rất đặc biệt. Độ sâu của lớp thấm phụ thuộc vào năng lượng và khối lượng của ion cũng như khối lượng của nguyên tử nền. Năng lượng lớn càng cao thì ion càng thấm sâu hơn. Ion và nguyên tử bề mặt càng nhẹ càng cho phép ion đi sâu hơn vào bề mặt. Khi các ion đến bề mặt nó sẽ bị trung hoà và là một phần của vật liệu, vì thế lớp thấm không thể bị bong ra như lớp phủ khi độ dính kết kém. Các ion thấm kết hợp với nguyên tử nền, hoặc với nhau hoặc thậm trí với khí dư trong buồng chân không để tạo ra các hợp kim hoặc hợp chất thông thường. Ví dụ dòng ion Ti tác dụng với hydrrocarbon có trong buồng chân không, bẻ gãy chúng và tạo thành các hợp chất TIi trên bề mặt thép được 196 thấm. Dòng ion năng lượng cao cung cấp lực lái sau các phản ứng trong quá trình thấm. Nó cũng có thể tạo nên các hợp chất ở trạng thái không cân bằng trong vật liệu thấm. Điều này không thể thực hiện bằng các quá trình động lực nhiệt thông thường tạo nên các tính chất mới rất đặc biệt cho bề mặt của vật liệu. Ưu điểm của các quá trình dòng ion để biến đổi tính chất lớp bề mặt, sử dụng cho chất bán dẫn có thể thống kê như sau: Các hạt thấm cần không ở trạng thái cân bằng động lực nhiệt, nhiệt độ của quá trình thấp. Có thể sử dụng ion khác nhau tạo ra các tính chất bề mặt mong muốn. Không thay đổi kích thước sau thấm và nâng cao chất lượng bề mặt. Vật liệu thấm nằm dưới bề mặt không có khả năng tách ra. Có thể thấm qua lớp bề mặt, lớp ôxy hoá. Tính chất của nền không bị ảnh hưởng. Tiết kiệm được vật liệu quý hiếm. 4.2. Thiết bị thấm ion Hiện tại có 3 kiểu thiết bị thấm chính: - Thiết bị thấm phân ly khối lượng (Mass analyzed implanter) có thể thấm bất kỳ loại hạt nào. Hình 5-6 mô tả sơ đồ nguyên lý của thiết bị này. - Thiết bị thấm Nitơ (Nitrogen implanter) tạo dòng ion khí chủ yếu N. - Thiết bị thấm ion nguồn Plasma (Plasma sourse ion implanter) đang ở giai đoạn thí nghiệm. 197 Hình 5-6 : Thiết bị thấm ion phân ly khối lượng công nghiệp sử dụng xử lý bề mặt bằng phương pháp thấm. 4.3. Đặc trưng và ứng dụng của vật liệu thấm ion Khi thấm ion vào bề mặt chúng tạo nên các vùng khuyết tật (damage) cục bộ. Đối với vật liệu bán dẫn các vùng này phải loại bỏ, nhưng trong các vật liệu chịu ma sát, mòn đó là tính chất quý báu. Hình 5-7: Sự thay đổi của hệ số ma sát tải trọng 0,5 N sau khi thấm ion (a) Umimplted NiTi (b) 3.1017 N+cm-2 implatation 198 Hình 5-8: Đồ thị chỉ mức độ giảm mòn tương đối theo lượng N+ trong thí nghiệm đầu trựợt trên đĩa thép không rỉ Tăng độ cứng do sự thâm nhập của các ion nguyên tử nhẹ như N, C, B và các khí trơ. Làm cứng vùng bề mặt do tạo thành ứng suất dư, xô lệch mạng, tạo thành các hạt cứng mịn Nitride, Carbide, Borides phân bố đều. Trong vật liệu mềm hơn như Cu thấm ion làm cho vật liệu mềm hơn và sự biến dạng của vật liệu đồng đều hơn. Tác dụng ngược nhau này làm tăng sức bền mỏi của thép thấm N và đồng thấm Al. Khi nhiều ion được thấm ở vùng bề mặt thì ứng suất nén dư sẽ tăng lên. Trong kim loại, điều này sẽ làm tăng các tính chất chống mòn, mỏi. Trong Ceramics, bề mặt trở nên dẻo hơn và giảm khuynh hướng nứt. Tác dụng này sẽ tăng lên khi chọn các ion lớn và lượng lớn thấm vào bề mặt. Khi thấm N cho dụng cụ cần mật độ dòng ion từ 2 ions/cm2 - 8.1017 ions/cm2. Nếu thấm một lượng đủ ion ở nhiệt độ đủ thấp, sự tạo thành tinh thể của bề mặt có thể bị loại trừ và tạo nên dạng vô định hình. Trong kim loại, cấu trúc hạt mịn và vô định hình làm giảm biên giới hạt, giảm sự thay đổi hoạt tính hoá học của bề mặt dẫn đến giảm ăn mòn. Với một số ceramics, sử dụng ion "liều" cao có thể tạo nên bề mặt mềm hơn và bề mặt này sẽ bị biến dạng dẻo khi chịu va đập thay cho nứt. Với một số ceramics khác, "liều" ion cao có thể tạo nên nên ứng suất dư 199 quá cao làm lớp bề mặt dễ bị khác biệt với nền và thậm chí bị tách ra khỏi nền. Sự thay đổi các tính chất bề mặt có thể gây nên do sự kết hợp các ảnh hưởng này. Ti thấm thép vòng bi 52100 hoặc thép dụng cụ sẽ kết hợp với các bon từ dầu bơm bị "cracking" trong thiết bị tạo nên một dạng vô định hình Ti-Fe-C trên bề mặt có tính chống mòn cao. Với vòng ổ và trong nhiều ứng dụng tribology khác, dòng lớn có thể hoàn thiện các tính chất bề mặt nhờ tác dụng làm nhẵn bề mặt (san phẳng đỉnh các nhấp nhô) dẫn đến giảm ma sát, mòn do loại trừ được nguồn các hạt dễ bị ôxy hoá và cào xước bề mặt (Hình 5-7) và (Hình 5-8). 4.4. Ion trợ giúp quá trình phủ Dòng Ion không chỉ dùng trong quá trình phủ mà có thể dùng sau khi kết thúc quá trình phủ để nâng cao tính chất của lớp phủ. Hơn nữa, dòng ion có thể sử dụng để "trộn" vật liệu phủ với nền làm tăng độ liên kết của lớp phủ với nền. Cơ chế tương tác của dòng ion trong trợ giúp quá trình phủ giống như trong quá trình thấm, tuy nhiên năng lượng sử dụng có thể thấp khoảng vài chục hoặc vài trăm electron vôn để "phủ" các ion (khi va vào bề mặt chúng có năng lượng gần với năng lượng bề mặt) và có thể đến vài trăm KV để "trộn" lớp phủ với nền. Vai trò trợ giúp của ion trong phủ bao gồm: Làm sạch bề mặt phủ, tăng độ dính bám của lớp phủ. Quá trình bắn phá của dòng ion trong quá trình phủ làm bắn các nguyên tử ra khỏi lớp phủ, làm đầy các lỗ tế vi làm tăng mật độ vật liệu. Mật độ vật liệu cao hơn và bề mặt nhẵn hơn có thể đạt được nhờ quá trình thấm sau khi phủ (implantation). Các nguyên tử đến bề mặt có thể bị ion hoá hoặc kích thích điện bởi dòng tion làm cho hoạt tính hoá học của chúng tăng lên và liên kết tốt hơn với các nguyên tử khác trong lớp phủ. 200 Thấm ion liên quan chặt chẽ với sự thay đổi bề mặt và vùng gần bề mặt của nền. Đó là một quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp, có khả năng tạo ra các hợp kim và hợp chất ở trạng thái không cân bằng. Độ nhẵn, dung sai kích thước và độ cứng không bị ảnh hưởng. Bởi vì, các ion thấm trở thành một bộ phận của vật liệu nền nên không tạo ra các biên giới rõ ràng và lớp thấm không dễ bị tách ra. Nhược điểm của thấm ion là chi phí cao, không tạo được lớp bảo vệ ngăn cách vật liệu bên dưới với môi trường. Dòng ion không chỉ là phương pháp điều khiển được tạo năng lượng ở độ sâu trên 100 nm để hoàn thiện sự phát triển và bám dính của lớp phủ mà còn có thể biến đổi bề mặt ban đầu của nền, lớp phủ và bề mặt của lớp phủ. Dòng ion cho khả năng sử dụng nhiều dạng điều khiển mà kỹ thuật plasma không thể làm được. Ngoài ra, nó còn có thể giúp cho việc phủ trên những vật liệu khó phủ bằng các phương pháp thông thường. Cả thấm ion và ion trợ giúp phủ đều khai thác các tính chất của dòng điện tử để tạo ra các trạng thái phi cân bằng của các pha bình thường, làm biến đổi tính chất bề mặt theo hướng điều khiển được và có tính lặp lại. 5. THẤM NITƠ VÀ CÁC BON 5.1. Khái niệm chung Thấm tương đối đặc trưng và khác với phủ, hiện đang trở thành một công nghệ quan trọng trong kỹ thuật cho các sản phẩm cứng, chống ăn mòn, chống mòn và chống mỏi bề mặt trên nền vật liệu thiết kế theo các yêu cầu khác chi tiết máy. Thấm được tạo ra trong vùng bề mặt của chi tiết với cường độ chất thấm (species) tập trung ở vùng bề mặt và giảm dần vào lõi. Xử lý bề mặt bằng thấm với sự trợ giúp của plasma là sự phát triển mới của công nghệ thấm. N, C, B có thể được thấm vào bề mặt chi tiết bằng cách đưa các khí hoạt tính N, C hay B vào thẳng bề mặt ở nhiệt độ cao. Xử lý bề mặt sử dụng plasma là một phương pháp mới của một quá trình cũ. Plasma sử dụng hiện tượng phóng điện trong khí kém để tạo hoạt tính cho các species khí thông qua quá trình ion hoá cho phép điều khiển tốt hơn thành phần bề mặt của chi tiết về cả cấu trúc và tính chất, cho tốc 201 độ thấm cao hơn ở nhiệt độ bề mặt thấp hơn, cho phép tạo ra các species có hoạt tính yêu cầu trong hỗn hợp khí áp suất thấp và có thể loại bỏ nguyên công làm sạch sau thấm gây tốn kém và ô nhiễm môi trường. Thấm N, C, B với các ion dương tạo từ plasma của dòng điện trong khí kém là một phương pháp xử lý bề mặt có hiệu quả cho gang, thép hợp kim và trong một số trường hợp kim loại màu tạo ra các bề mặt siêu cứng, chống mòn, mỏi, ăn mòn. Nguyên tắc của plasma dựa trên sự phóng điện trong khí kém. 5.2. Nguyên tắc của glow discharge Một điện thế đặt vào giữa hai cực dặt trong một hỗn hợp khí có áp suất riêng nào đó. Anode là vỏ của bình chân không được nối đất. Cathode là chi tiết cần xử lý bằng plasma. Nguồn điện cung cấp một điện áp có thể điều khiển theo yêu cầu của quá trình. Trong vùng giữa chi tiết và buồng chân không một hỗn hợp khí lựa chọn với một áp suất riêng nào đó được đưa vào. Glow discharge (dòng điện) xảy ra khi các phân tử của khí bị ion hoá do và chạm với các electron giữa cathode và anode. ion hoá hỗn hợp khí có áp suất riêng cho phép một dòng điện tồn tại (dòng electron từ chi tiết về vỏ bình và quan trọng hơn dòng các ion dương từ hỗn hợp khí bị ion hoá về chi tiết) chỉ ra trên Hình 5-9. Hình 5-9: Sơ đồ mạch điện tạo sự rphóng điện trong khí kém. Ba thông số chính của Glow Discharge là điện áp, cường độ dòng điện và áp suất riêng của khí. Sự kết hợp khác nhau của ba thông số này 202 sẽ tạo nên các kiểu Glow Discharge khác nhau. Glow discharge thuộc vào nhóm công nghệ plasma không cân bằng, nhiệt độ thấp, không đẳng nhiệt được tạo thành do thu nhận năng lượng từ trường điện từ. Sau khi khí bị ion hoá, các ion dương sẽ tăng tốc về phía chi tiết và kết hợp với các thành phần phân tử của bề mặt chi tiết. Nếu khí chủ yếu là N thì bề mặt chi tiết sẽ được thấm bởi các ion Nitơ. Nếu hỗn hợp khí là một hydro-carbon thì chi tiết sẽ được thấm than. Khi cần tạo ra một dòng ion của một số species, một điện áp xung sẽ được đặt vào giữa hai cực. Điện áp cung cấp hiện tại cho quá trình này cho phép biên độ điện áp thời gian dừng chính xác, tốc độ lặp lại có thể lựa chọn độc lập và điều khiển được để tạo ra lớp thấm đồng đều trên bề mặt chi tiết với các ion dương tù plasma mà không cần nâng nhiệt chi tiết thấm đáng kể. 5.3. Áp suất riêng của khí Áp suất riêng của hỗn hợp khí đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành plasma, trực tiếp ảnh hưởng đến xác suất mà các phần tử của hỗn hợp khí bị ion hoá do sự và chạm của một điện tử chuyển động từ bề mặt chi tiết đến bề mặt của buồng thấm (Hình 5-10). Độ chân không tốt < 1 Pa 1 Pa < áp suất riêng < 1000 Pa Áp suất khí quyển 105 Pa Hình 5-10: Số lượng phân tử khí và khả năng ion hoá 203 Hình 5-11: Định luật Paschen cho một số loại khí. Khoảng cách mà một electron di chuyển trước khi va chạm với một phân tử gọi là gọi là quãng đường tự do của nó (mean free path). Quãng đường này tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp khí và tỷ lệ nghịch với áp suất của nó. Điều này có thể thấy rõ trên Hình 5-10. Định luật Paschen Sụ phụ thuộc của xác suất ion hoá trên số phân tử khí giữa hai điện cực được nghiên cứu và phát triển dưới dạng định luật Paschen. Đối với những điện cực là hai tấm phẳng song song, điện áp cực tiểu để duy trì sự phóng điện bền vững trong khí kém là một hàm số của áp suất hỗn hợp khí và khoảng cách giữa hai điện cực như trên Hình 5- 11. Tuy nhiên, mật độ của hỗn hợp khí còn phụ thuộc vào cả nhiệt độ bởi vậy áp suất cao đi kèm theo nhiệt độ cao có thể làm cho hệ thống không thể tạo nên mật độ khí yêu cầu cho sự phóng điện bền vững. 5.4. Thấm plasma nitơ 5.4.1. Khái niệm Phương pháp xử lý bề mặt plasma trong áp suất riêng của Nitơ gọi là thấm Nitơ plasma. Có bốn phản ứng hoá học quan trọng xảy ra trên bề mặt chi tiết khi plasma được sử dụng làm nguồn các nguyên tử Nitơ. 204 - Sản phẩm của các nguyên tử Nitơ trung hoà và ion hoá bởi các electron bắn phá. e. + N 2 = N + + N + 2e. - Fe và các tạp chất bị bắn ra từ bề mặt chi tiết do sự va chạm của các nguyên tử Nitơ ion bị hoá. Tạp chất bị rút ra khỏi bình chân không bằng hệ thống bơm. - Hình thành các ion Nitrides do các nguyên tử Fe bắn ra và nguyên tử N trung tính. Mặc dù, cơ chế chính của thấm Nitơ plasma là phản ứng của nguyên tử Fe với nguyên tử N ở thể khí gần bề mặt chi tiết thấm và sau đó đọng trên bề mặt chi tiết dưới dạng hợp chất. Phản ứng này cũng xảy ra thậm trí khi plasma không đủ để tạo nên bắn phá (sputtering). Sputtered Fe + N = FeN. Đọng và FeN bị phân tích trên bề mặt chi tiết. Vì FeN không ổn định nên dưới tác dụng của quá trình bắn phá từ plasma nó bị phân tích thành epsilon pha Fe2-3N và gama prime phase Fe4N tạo nên một vùng hợp chất Fe/N. Tại mỗi giai đoạn phân tích, n nguyên tử phóng vào plasma hoặc bề mặt chi tiết và thấm sâu vào trong cũng như tạo thành một vùng thấm hợp kim nitride. FeN ⇒ Fe2N + N Fe2N ⇒ Fe3N + N Fe3N ⇒ Fe4N + N Fe4N ⇒ Fe + N. Mặc dù, Nitơ là một khí trung tính trong khí quyển, sự phân tích đã tạo cho nó có hoạt tính cao và có khả năng tham gia vào xử lý bề mặt để tạo ra các tính chất như độ cứng cao, chống mòn, ăn mòn. 5.4.2. Cấu trúc tế vi Bất cứ vật liệu nào có thể thấm Nitơ ở thể lỏng và rắn đều có thể thấm Nitơ plasma. Các lớp thấm palssma này về định lượng giống như các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, sự phân bố Nitơ trong lớp thấm rất khác cho phép tạo nên nhiều cấu trúc đặc biệt. Một trong những ưu điểm chính của thấm Nitơ plasma là tạo nên khả năng kết hợp tối ưu 205 của lớp hợp chất và các tính chất của vùng thấm để thoả mãn các yêu cầu ứng dụng đặc biệt. Nói chung thấm Nitơ plasma cho phép sản phẩm của các lớp bề mặt tồn tại theo 3 dạng: hợp chất epsilon và các lớp thấm, hợp chất gamma prime và các lớp thấm, và chỉ có lớp thấm. Vùng hợp chất epsilon Fe2-3N thường dày khoảng 30 μm có tác dụng tăng cường khả năng chống ăn mòn bề mặt. Vùng hợp chất gamma prime có chiều dày nhỏ hơn 10 μm cho khả năng chống mỏi bề mặt cao. Nói chung giữa vùng hợp chất và vùng thấm có biên giới rõ ràng. Cấu trúc và độ hạt của vật liệu nền không thay đổi trong vùng thấm. Độ cứng của vùng này quyết định bởi xô lệch mạng và và sự phân bố của nitride. Trong vùng thấm không xảy ra hiện tượng dòn. Tính ổn định của lớp thấm cao, không có khuynh hướng bong các hợp chất đòn, độ nhám bề mặt không tăng. Chi tiết nên sử dụng ngay sau khi thấm không cần qua mài hoặc đánh bóng. 5.4.3. Ưu điểm chính của thấm Nitơ plasma Thấm Nitơ plasma cho phép điều khiển về kim loại học tốt hơn các phương pháp khác thể hiện trên hình : - Vùng hợp chất có thể là một pha với các tính chất tribology, chống mòn, chống cào xước cao; - Chi tiết có thể Nitơ plasma không tồn tại vùng hợp chất; - Các tính chất sau thấm Nitơ plasma đạt được ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ram nên loại trừ các hiện tượng chuyển biến pha, cong vênh. 5.5. Thấm các bon 5.5.1. Khái niệm Các mô hình tương tự cũng được đưa ra làm cơ chế hoá học để xử lý bề mặt như thấm các bon plasma theo phương trình hoá học sau. e ⇒ CH 4 = C + + 2 H 2 + 2e. . Tốc độ thấm của các bon thấp khi áp suất riêng của khí các bon thấp, tuy nhiên khi dòng điện trong chất khí được thiết lập tốc độ thấm trở tăng nhanh. Các ion các bon tới bề mặt được làm sạch do sự bắn phá của các nguyên tử các bon bị ion hoá sẽ tạo nên sự tập trung các bon với nồng độ cao và làm tăng tốc độ thấm vào nền. 206 5.5.2. Các ưu điểm của thấm các bon plasma - Tạo lớp thấm đồng đều trên bề mặt chi tiết nhờ plasma. - Các bề mặt chi tiết sạch. - Loại trừ được hiện tượng ôxy hoá biên giới hạt. Do các lò thấm các bon lasma có độ chân không tốt hơn với mức độ hơi nước dư thấp. - Ít cong vênh. Nhiệt động đều do đối lưu, chiều dày lớp thấm đồng đều dẫn đến giảm cong "vênh" khi nhiệt luyện. - Trong quá trình thấm các bon plasma các hạt (species) của khí hoạt tính được định hướng về bề mặt của chi tiết thấm. Tốc độ thấm của các bon plasma vượt xa tốc độ thấm các bon trong chân không khoảng 2 lần. Các electron có năng lượng cao, nhiệt độ cao, chuyển động với vận tốc lớn trong plasma tạo nên năng lượng cho các nguyên tử các bon trên bề mặt chi tiết cao hơn hẳn trường hợp nhiệt động học thông thường. Khí H tạo ra do sự phân tích của methane ở ngay bề mặt chi tiết có tác dụng giảm ôxy hoá. Hình 5-12 mô tả mối quan hệ giữa độ cứng tế vi theo chiều sâu của lớp thấm với một số phương pháp thấm các bon khác nhau cho thấy thấm các bon plasma đạt độ cứng cao nhất và mức độ giảm độ cứng theo chiều sâu lớp thấm nhỏ nhất. Hình 5-12: Đồ thị so sánh quan hệ độ cứng tế vi bề mặt theo chiều sâu của tớp bề mặt sử dụng các phương pháp thấm khác nhan . 207 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bharat Bhushan, (1999), "Principles and Applications of Tribology", A Wiley-Inter-Science Publication, New York. 2. J. Halling, (1975), "Principles of Tribology", The Macmillan Press LTD, London. 3. T.A. Stolarski, (1990), "Tribology in Machine Design", Industrial Press Inc, Oxford. 4. E. Rabinowicz, (1995), "Friction and Wear of Materials", A Wiley-Inter-Science the Publication, New York. 5. Bharat Bhushan and B. K. Gupta, (1991), "Hand Book of Tribology, Materials - Coatings and Surface Treatments", Mc Graw Hill Inc., London. 6. Peter J. Blau, (1996), "Friction Science and Technology", Marcel Dekker, Inc, New York. 7. Raymond G. Bayer, (1994), "Mechanical Wear Prediction and Prevention", Marcel Dekker Inc, New York. 8. A.D. Sarkar, (1980), "Friction and Wear", Academic Press Inc, New York. 9. Loladze T. N. (1958), "Wear of Cutting Tools", Mashqiz, Moscow. 10. Bowden E. F. and Tabor O, (1986), "The Friction and Lubrications of Solids", Oxfords at the Clarendon Press, London. 11. D. Dowson, C.M. Taylor, M. Godet and D. Berthe, (1989), "Tribological Design of Machinery Elements", Elsevier Amsterdam Tribology Series 14. 12. D.J.O. Connor, B.A. Sexton, R.St.C. Smart, (1995), "Surface Analysis Methods in Materials Science", Springer-Verlag, Berlin. 208 13. Nam P. Suh, (1986), "Tribophysics", The Prentice hall, Inc, New Jersey, USA. 14. Dudarshan. T.S, (1989), "Surface Modification Technologies", Marcel Dekker, Inc, New York, USA. 15. Holmberg K and Matthews A, (1994), "Coating Tribology Properties, Techniques and Applications in Surface Engineering", Elsevier, Amsterdam-Lon don-New York-Tokyo. 16. Pulker H. K. (1989), "Wear and Corrosion Resistant Coatings by CVD and PVD, Point", Metallurgical Forum 6", Vol. 21, No 1, Principles, Equipment, Technologies, CRC Press, Washington. D. C. 209 MA SÁT, MÒN VÀ BÔI TRƠN TRONG KỸ THUẬT Tác giả: NGUYỄN ĐĂNG BÌNH, PHAN QUANG THẾ Chịu trách nhiệm xuất bản: PGS.TS. TÔ ĐĂNG HẢI Biên tập: LÊ THỊ THIÊN HƯƠNG Trình bày bìa: QUỐC CƯỜNG NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 TRẦN HƯNG ĐẠO, HÀ NỘI 210 [...]... bảo dưỡng và vận hành Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, vấn đề nâng cao chất lượng các sản phẩm cơ khí phục vụ cho sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đã và đang được quan tâm đặc biệt, nhiều chương trình đề tài cấp Bộ trọng điểm, cấp Nhà nước trong lĩnh vực kỹ thuật bề mặt đặc biệt phun phủ cho dụng cụ cắt đang được triển khai và ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Trong tương lai, kỹ thuật bề... giải cao cũng như phương pháp và phương tiện để biến đổi và điều khiển các cấu trúc ở thang nano Lĩnh vực này liên quan đến những nghiên cứu các quá trình bằng lý thuyết và thực nghiệm từ thang phân tử, nguyên tử tới thang micro xảy ra trong quá trình dính, ma sát, mòn và bôi trơn màng mỏng tại vùng tiếp xúc chung của các bề mặt trượt Sự khác nhau giữa tribology thông thường và micro/nanotribology được... tích tiếp xúc thực, ma sát, mòn và bôi trơn Hơn nữa, các tính chất bề mặt còn đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng khác như quang học, điện, nhiệt, sơn và trang trí Bề mặt vật rắn bản thân nó bao gồm vài vùng có các tính chất cơ lý khác với vật liệu khối bên trong đó là lớp hấp thụ vật lý, hoá học, lớp tương tác hoá học, lớp Beilby, lớp biến dạng khốc liệt, lớp biến dạng nhẹ và cuối cùng là vật liệu... Ma sát và mòn có hại có thể thấy trong động cơ đốt trong, động cơ máy bay, bánh răng, cam, ổ và phớt Theo thống kê, những thiệt hại do không quan tâm đến các vấn đề về tribology chiếm đến 6% tổng thu nhập cửa nước Mỹ (200 USD tỷ trong năm 1966) Khoảng 1/3 nguồn năng lượng của thế giới hiện tại tiêu phí cho ma sát dưới dạng này hoặc khác Vì thế tầm quan trọng của giảm ma 12 sát và kiểm soát mòn được... các kim loại đều phản ứng với ôxy tạo nên ôxít trong không khí Trong các môi trường khác có thể tạo nên các lớp nitrides, sulfides hay chlorides Lớp ôxy hoá có thể tạo thành trong quá trình gia công cơ hay ma sát Nhiệt sinh ra trong các quá trình tạo hình hoặc ma sát làm tăng tốc độ ôxy hoá và tạo ra nhiều loại ôxít khác nhau Khi cặp đôi ma sát hoạt động trong không khí, phản ứng ôxy hoá có thể còn xảy... tác dụng ở đỉnh nhấp nhô bề mặt cho cả vật rắn dẫn điện và cách điện Ngoài ra, AFM còn là máy đo profile để xác định topography bề mặt từ thang micro đến thang nano AFM được biến đổi để đo cả lực pháp tuyến và ma sát gọi là máy hiển vi đo lực ma sát (FFM) AFM còn được sử dụng nghiên cứu các hiện tượng dính, cào xước mòn, bôi trơn, nhiệt độ bề mặt và các tính chất cơ học về đàn hồi, dẻo Thiết bị đo lực... triển trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam mà còn trở thành một lĩnh vực quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm công nghiệp của nước nhà 13 Chương 1 ĐẶC TÍNH VÀ TƯƠNG TÁC BỀ MẶT VẬT RẮN 1 BẢN CHẤT CỦA BỀ MẶT Bề mặt vật rắn hay chính xác là mặt phân cách rắn - khí hay rắn lỏng có cấu trúc và tính chất rất phức tạp phụ thuộc vào bản chất của chất rắn, phương pháp hình thành bề mặt đó và. .. nặng Tải nặng (μg tới mg) Mòn Không tránh khỏi Không mòn (vài lớp phân tử) Vật liệu khối Bề mặt (vài lớp phân tử) Hình 1-1: So sánh giữa nanotribology thông thường và Micro/ nanotribology Với sự ra đời của các loại kính hiển vi điện tử mới (Scanning Tunneling Microscope và Atomic Force Microscope) và các công cụ tính toán để có thể mô phỏng các tương tác ở đỉnh các nhấp nhô và các tính chất ở vùng tiếp... các lý do kinh tế và độ tin cậy trong thời gian dài Theo thống kê nước Anh có thể tiết kiệm được 500 triệu bảng và nước Mỹ 16 tỷ USD hàng năm do những cải thiện về tribology trong công nghiệp Mục đích của những nghiên cứu về tribology là hạn chế tới mức thấp nhất tiến tới loại trừ những mất mát do ma sát và mòn ở tất cả các cấp độ của công nghệ mà ở đó tồn tại các bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương... của hai bề mặt Ngoài ra, chất bôi trơn và phụ gia có thể tạo nên các lớp ôxít bảo vệ bề mặt quan trọng Lớp ôxy hoá có thể gồm một hay nhiều lớp thành phần Fe có thể tạo thành ôxít sắt với hỗn hợp các ôxít Fe2O3 và Fe2O4 bên ngoài và lớp FeO 15 trong cùng Với hợp kim, lớp ôxít bề mặt có thể là hỗn hợp của một vài ôxít Ví dụ, trên thép không rỉ tồn tại hỗn hợp ôxít sắt và ôxít crôm Cr2O3 Một số ôxít