Ứng dụng mạ composite nhằm nâng cao tuổi thọ của chày dập thuốc viên

67 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 1.1 Sơ đồ mô tả hai khả năng cắt tại tiếp xúc đỉnh nhấp nhô theo bề mặt tiếp xúc chung hoặc lấn vào một trong hai bề mặt 5 1.2 Sơ đồ mô hình lý thuyết

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MẠ COMPOSITE NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA CHÀY DẬP THUỐC VIÊN

23

NGUYỄN QUANG HỢP

THÁI NGUYÊN - 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MẠ COMPOSITE NHẰM NÂNG CAO TUỔI THỌ CỦA CHÀY DẬP THUỐC VIÊN

Người HD Khoa học : PGS.TS PHAN QUANG THẾ

THÁI NGUYÊN - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả , số liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Hợp

Bằng tất cả sự kính trọng và chân thành tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

đến thầy PGS TS Phan Quang Thế người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá

trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Đồng thời tôi cũng xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu trường Đại Học Kỹ

thuật Công nghiệp, Ban chủ nhiệm Khoa Đào Tạo Sau Đại Học, Ban giám hiệu

trường Trung Cấp Nghề Quảng Bình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong

quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình , người thân và đồng nghiệp đã

động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn!

Tác giả

MỤC LỤC

Chương 1: Các nghiên cứu về mòn, mòn hoá học và mạ Composite trên

1.1 Lý thuyết cơ bản về mòn……… 3

1.2 Phân loại về mòn ……… 4

1.3 Các cơ chế mòn……… 4

1.3.1 Mòn do dính……… 4

1.3.2 Mòn do cào xước……… 8

1.3.3 Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo……… 9

1.3.4 Mòn do cào xước bằng nút tách……… 14

1.3.5 Mòn do va chạm của hạt cứng (erosion)……… 16

1.3.6 Mòn do va chạm của các vật rắn (percussion)……… 18

1.3.7 Mòn do mỏi……… 20

1.4 Mòn hoá học……… 24

1.5 Mạ composite niken……… 25

1.5.1 Đặc điểm của mạ Niken……… 26

1.5.2 Các dung dịch mạ Niken………

1.5.3.1 Mạ niken mờ……… 29

1.5.3.2 Mạ niken bóng……… 30

1.5.3.3 Mạ niken đen……… 30

1.5.3.4 Mạ niken xốp……… 31

1.5.3.5 Mạ niken nhiều lớp……… 32

1.5.4 Lớp mạ niken composite ……… 32

1.6 Mạ composite Crom ……… 34

1.6.1 Các lớp mạ crom 35

1.6.2 Đặc điểm quá trình mạ crom 36

1.6.3 Cấu tạo và tính chất lớp mạ crom……… 37

1.6.4 Các dung dịch mạ crom 39

1.6.4.1 Mạ crom từ dung dịch có anion SO42……… 39

1.6.4.2 Mạ crom từ dung dịch có anion F-……… 42

1.6.4.3 Mạ crom từ dung dịch có các anion SO42- và SiF62-……… 43

1.6.5 Lớp mạ crom composite 43

1.6.5.1 Quá trình tạo thành lớp mạ tổ hợp……… 44

1.6.5.2 Sơ đồ mạ tổ hợp Crôm……… 45

1.6.5.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mạ tổ hợp Crom 47

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1……… 48

Chương II: Nghiên cứu thực nghiệm về mòn và cơ chế mòn của chày cối dập thuốc viên 49 2.1 Mòn của chày cối dập thuốc viên……… 49

2.2 Cơ chế mòn của chày cối dập thuốc thuốc viên……… 50

2.2.1 Cơ chế mòn của chày dập thuốc viên loại viên C 50

2.2.2 Cơ chế mòn của chày dập thuốc viên Fe 51

2.2.3 Cơ chế mòn của cối dập thuốc viên C 53

2.2.4 Cơ chế mòn của cối dập thuốc viên Fe 54

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG II 55

Chương III: Chế tạo chày và mạ Composite hạt AL2O3 trên nền Niken 56 3.1 Chế tạo chày dập thuốc viên……… 56

3.2 Mạ composite hạt TiO2 trên nền Niken (TiO2-Ni ) 57

3.2.1 Thí nghiệm……… 59

3.2.1.1 Thiết bị thí nghiệm ……… 59

3.2.1.2 Hóa chất ……… 60

3.2.1.3 Chế độ và quá trình chuẩn bị ……… 61

3.2.2 Kết quả thí nghiệm……… 61

3.2.3 Phân tích kết quả ……… 63

3.3 Mạ composite hạt AL203 trên nền Niken (Al2O3-Ni )……… 64

3.3.1 Thí nghiệm……… 65

3.3.1.1 Thiết bị thí nghiệm ……… 65

3.3.1.2 Hóa chất ……… 66

3.3.1.3 Chế độ và quá trình chuẩn bị ……… 66

3.3.2 Kết quả thí nghiệm……… 67

3.3.3 Phân tích kết quả……… 69

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG III……… 71

4.2 Kiến nghị

Tài liệu tham khảo

74

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ

CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu:

T0 Nhiệt độ trong quá trình mạ

NiSO4 Niken sunfat

NiCL2 Niken clorua

1.1 Tỷ trọng của crom điện giải phụ thuộc vào chế độ mạ 36

1.3 Các dung dịch mạ crom chứa anion SO42-

40

1.4 Chế độ điện phân để tạo các kiểu lớp mạ crom khác nhau 41 1.5 Chế độ mạ crom từ dung dịch tự điều chỉnh như sau 42 3.1 Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite TiO2-Ni 60 3.2 Độ cứng tế vi của bề mặt mẫu sau khi mạ composite 62 3.3 Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Al2O3 -Ni 66

3.4 Độ cứng tế vi của bề mặt mẫu sau khi mạ composite 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Sơ đồ mô tả hai khả năng cắt tại tiếp xúc đỉnh nhấp nhô theo bề

mặt tiếp xúc chung hoặc lấn vào một trong hai bề mặt

5

1.2 Sơ đồ mô hình lý thuyết tạo ra một hạt mòn bán cầu trong tiếp xúc

1.3

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 ………

9

1.4 Sơ đồ vùng đường trượt của ba dạng biến dạng của vật liệu rắn,

tuyệt đối dẻo gây ra bởi sự ướt của hình chêm phẳng cứng từ phải

11

qua trái (a) cày (b) sự hình thành vật liệu dồn ép (c) cắt

1.5

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

11

1.6

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

12

1.7

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 bề mặt nhấp nhô hình nón ………

12

1.8 Sự hình thành và phát triển của vết nứt trong các chu kỳ chịu và

nhấc tải của kính đá vôi sử dụng mũi hình tháp nhọn ………

14

1.9 Sơ đồ cơ chế mòn gây ra bởi hạt cứng sắc khi trượt trên mặt

phẳng của vật liệu dòn thớ ngang ………

Sự 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

23

1.17 Sơ đồ bể mạ khuấy bằng cánh quạt ………

2.1 Máy dập viên ZP 33……… 49

2.2.a Mòn vùng giữa bề mặt làm việc của Chày dập thuốc viên C …… 50

2.2.b Điểm mòn vùng giữa bề mặt đƣợc phóng to ……… 50

2.2.c Mòn vùng biên bề mặt làm việc của Chày dập thuốc viên C 51

2.3.a Mòn vùng giữa bề mặt làm việc của Chày dập thuốc viên ……… 51

2.3.b Điểm mòn vùng giữa bề mặt làm việc của Chày dập thuốc viên Fe 51 2.3.c Mòn cận giữa bề mặt làm việc của Chày dập thuốc viên Fe …… 52

2.3.d Điểm mòn đƣợc phóng to ……… 52

2.3.e Mòn vùng cận biên bề mặt làm việc của Chày dập thuốc viên Fe 52 2.3.f Mòn vùng biên bề mặt làm việc của Chày dập thuốc viên Fe …… 52

2.4.a Mòn vùng giữa bề mặt làm việc của cối dập thuốc viên C ……… 53

2.4.b Mmòn vùng giữa bề mặt làm việc của cối dập thuốc viên C…… 53

2.4.c Mòn vùng biên bề mặt làm việc của cối dập thuốc viên C 53

2.5.a Mòn vùng giữa bề mặt làm việc của cối dập thuốc viên Fe ……… 54

2.5.b Hình phóng to điểm mòn vùng giữa bề mặt ……… 54

2.5.c Mòn vùng biên bề mặt làm việc của cối dập thuốc viên Fe 54

3.1 Chày dập thuốc viên ……… 56

3.2 Chày dập thuốc viên ……… 57

3.3 Chày, cối dập thuốc viên ……… 57

3.4 Các loại sản phẩm chày cối ……… 57

3.5 Sơ đồ nguyên lý mạ composite (a) khuấy nhờ bơm tưới (b) khuấy

cơ học

58

3.6 Hình 3.6 Bể mạ chi tiết Composite ……… 59 3.7 Thiết bị điều khiển các thông số trong quá trình mạ composite 60 3.8 Hạt trung tính TiO2 sử dụng trong thí nghiệm 61 3.9 Ảnh SEM thể hiện sự tham gia vào lớp mạ của các hạt TiO2 62

3.10 Ảnh SEM hạt trung tính Al2O3 sử dụng trong thí nghiệm và thành

3.11 Ảnh SEM thể hiện sự tham gia vào lớp mạ của các hạt Al 68

3.12 EDS phân tích bề mặt lớp mạ trên hình (b) và (d) cho thấy Ni,

Al2O3 và Fe

69

Hiện nay ở nước ta việc sử dụng thuốc viên phục vụ cho nhu cầu khám chữa bệnh là rất lớn, ngoài một cơ số thuốc chúng ta phải nhập ngoại thì ở Việt Nam có rất nhiều công ty dược phẩm hàng năm phải sản xuất ra một lượng lớn thuốc chữa bệnh ở dạng viên Phát triển công nghiệp Dược là một trong những lĩnh vực ưu tiên của Nhà nước ta

Trong quá trình sản xuất thuốc viên, bên cạnh những yêu cầu về máy móc, thiết

bị thì nhu cầu về chày, cối phục vụ cho việc dập thuốc là rất lớn bởi vì đây là những chi tiết phải thay thế thuờng xuyên Sau một thời gian sử dụng vùng làm việc của chày cối sẽ bị mòn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt và làm thay đổi hình dạng yêu cầu của viên thuốc

Trước đây, sản phẩm chày, cối phải nhập ngoại nên có giá thành tương đối cao Trong những năm vừa qua Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đã nghiên cứu và chế tạo thành công sản phẩm chày cối phục vụ cho ngành dược khắp cả nước

Mặc dù, sản phẩm chày cối của Nhà truờng đã đáp ứng được những yêu cầu của thực tiễn Việc nghiên cứu nhằm nâng cao tuổi thọ của chày cối là một vấn đề vẫn cần quan tâm đặc biệt là việc áp dụng những biện pháp công nghệ bề mặt mới nhằm nâng cao chất lượng bề mặt, hình dáng và hạ giá thành của thuốc viên

Những biện pháp công nghệ bề mặt có thể nâng cao tuổi thọ của bộ chày cối dập thuốc viên bao gồm phủ bay hơi PVD, CVD, thấm ion, mạ composite v.v trong

đó là mạ composite là biện pháp công nghệ khả thi tại trường Đại học Kỹ thuật

Công nghiệp vì thế đề tài : ‘Ứng dụng mạ composite nhằm nâng cao tuổi thọ của chày dập thuốc viên’ là cần thiết và cấp bách

2 Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu ứng dụng của mạ composite nhằm nâng cao khả năng chống mòn trong điều kiện mòn và ăn mòn hoá học cao sẽ đóng góp cho lĩnh vực nghiên cứu về ứng dụng của mạ composite trong công nghiệp Dược

3 Ý nghĩa thực tiễn

- Thành công của đề tài sẽ được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm thuốc và tuổi thọ của chày, cối

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

5 Nội dung nghiên cứu:

- Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về mòn, mòn hoá học và mạ Composite trên nền Cr và Ni

- Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm về mòn và cơ chế mòn của chày cối dập thuốc viên

- Chương 3: Chế tạo chày, mạ Composite hạt Al203 trên nền Ni và thử nghiệm

- Chương 4: Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp theo

COMPOSITE TRÊN NỀN CROM VÀ NI KEN

1.1 Lý thuyết cơ bản về mòn

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 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 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 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 ở đầu bút chì, khi mài, đánh bóng, và nạo là các ví dụ về mòn có lợi Mòn là điều không mong muốn trong các bộ phận và chi tiết như ổ, phớt, bánh răng và cam Chi tiết có thể phải thay thế khi bị mòn một

lượng rất nhỏ hoặc nếu như bề mặt bị quá ráp Trong các hệ được thiết kế tốt về ma sát, mòn và bôi trơn, quá trình mòn xảy ra rất chậm nhưng ổn định và liên tục Tuy nhiên sự sinh ra và tuần hoàn của các hạt mòn có thể gây ra sự phá huỷ bề mặt trên các bề mặt tiếp xúc chung Khi các hạt mòn 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 lớn 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, cào xước, mỏi bề mặt, va chạm, hoá, an mòn và điện Các dạng mòn khác thường gặp như fretting hay an 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

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 màn 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 tích bề mặt

1.3 Các cơ chế mòn

1.3.1 Mòn do dính

Mòn do dính xảy ra khi hai bề mặt rắn, phẳng trượt so với nhau Dính xảy ra tại chổ tiếp xúc ở các đỉnh nhấp nhô dưới tác dụng của tải trọng pháp tuyến, khi sự trượt xảy ra vật liệu ở vùng này bị trượt dính sang bề mặt đối tiếp hoặc tạo thành

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 chổ tiếp xúc nhỏ hơn sức bền cắt ở vùng lân cận và cắt xảy ra trên bề mặt tiếp xúc chung, mòn bằng không Trong một phần nhỏ của các tiếp xúc, sự cắt xảy ra vào vùng lân cận của một trong hai vật thể và dính sang

bề mặt tiếp đối tiếp 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 phẳng trượt của các tinh thể trong vùng biến dạng dẻo Những dải trượt này tạo thành các mảnh mòn dạng lá mỏng Nếu biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng ở vùng tiếp xúc đôi khi mảnh mò sinh ra có dạng hình chêm và dính sang bề mặt đối tiếp Quá trình trượt giữa hai bề mặt tạo thành nhiều mãnh 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

Hình1.1- Sơ đồ mô tả hai khả năng cắt tại tiếp xúc đỉnh

nhấp nhô theo bề mặt tiếp xúc chung hoặc lấn vào một trong hai bề

mặt

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 này cũng có thể tạo nên do mỏi sau một số chu kỳ chịu tải và bỏ tải

Một số dạng mòn do dính còn đƣợc gọi là galling, scuffing, welding hay smearing

a Q

33

12

3

2

2 2

Hình1.2- Sơ đồ mô hình lý thuyết tạo ra một hạt mòn bán

cầu trong tiếp xúc ma sát trượt

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 lớp màng bề mặt (surface films)

A k k

0

3pW

Thể tích của mòn dính liên quan đến diện tích tiếp xúc trực tiếp kim loại - kim loại Am

m

mA k

km là một hằng số cho kim loại trượt và độc lập với các tính chất của chất bôi

trơn hay của lớp màng bề mặt Đặt β = Am/A là tỷ số giữa diện tích tiếp xúc trực

tiếp kim loại - kim loại và thực khi có lớp bôi trơn

0

p

W k A k

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 0 2

2

p s

Do s  fp (f là hệ số ma sát trượt)

) 1

p p

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

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 1.3a) 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 1.3b) 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 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

1.3.3 Mòn do cào xước bằng biến dạng dẻo

* 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

Hình1 3- 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

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 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 1.4a chỉ ra chế độ cày trong đó vật liệu bị dồn sang hai bên của rãnh tạo nên bởi hạt cứng Hình 1.4c 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 1.4b 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 1.5

Hình1.4- Sơ đồ vùng đường trượt của ba dạng biến dạng của vật liệu 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

Hình1.5- 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

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 cứng và sức bền cắt của bề mặt tiếp xúc chung chỉ ra trên Hình 1.6 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

* Phương trình định lượng

Hình1.6- 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

Hình1.7- 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 bề mặt nhấp nhô hình nón

Hình 1.7 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

2

1

Trong đó H là độ cứng của bề mặt vật liệu mềm hơn Thể tích vật liệu bị dịch

chuyển trên khoảng trượt x sẻ là:

Từ đó ta có:

H

tg W 2

xtg a d

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

1.3.4 Mòn do cào xước bằng nút tách

Khảo sát một hạt cứng sắc trượt trên mặt phẳng của một vật rắn dòn, 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

Tải trọng giới hạn tỷ lệ với

Kc trong đó H/Kc gọi là chỉ số độ dòn

của vật liệu, H là độ cứng và Kc là độ dai va đập Từ hình 1.8 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

Hình1.8- Sự hình thành và phát triển của vết nứt trong các chu kỳ chịu và nhấc tải của kính đá vôi sử dụng mũi hình tháp nhọn

nhƣ sau:

5/8 8

/ 1 2 / 1

5 / 3

H E

/ 2 2

 

8 / 5 1/2 c

9/8 3

K

W/v

H

H E N





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 K1/2, H5/8

Hình1.9- Sơ đồ cơ chế mòn gây ra bởi hạt cứng sắc khi trượt

trên mặt phẳng của vật liệu dòn thớ ngang

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

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 300 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

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 và diện tích mặt cắt ngang tương ứng là A(x) phụ thuộc vào hình dạng của hạt cứng chỉ ra trên Hình 1.10 Phương trình vi phân chuyển động của hạt có thể viết như sau:

2

2HA(x)

-dt

x d dm

(x dx dmv HA

2

2



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

H

mv k v

2

2



Hình1.10- Sơ đồ mòn va chạm của một hạt cứng va chạm thẳng góc vào một bề mặt mềm hơn

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

H

v k E

2

2





trong đó: p là tỷ trọng của vật liệu bị mòn

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

1.3.6 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

Hình1.11- Sơ đồ va chạm của một đầu va chạm với tấm phẳng chuyển động ngang

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 thúc Sự biến đổi của lực va chạm Hec sau một chu kỳ của quá trình va chạm chỉ ra trên Hình 1.12 có dạng quả chuông Để đơn giản ta giả thiết lực va chạm Hec F(t) biến thiên theo quy luật hình sin

t

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:

5 / 2 2 / 1 2

5 / 3 2 0

)1

(3

45

m

0

)(



trong đó: f là hệ số ma sát Sử dụng 2 phương trình đầu tính thời gian trượt ts

) 1 (

nu s

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 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 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:

H

t kF t

dx

t

dv ( ))

(

)( 

Trong đó k là hệ số mòn, H là độ cứng của đầu in Tổng thể tích mòn sau mỗi chu kỳ va chạm:

H

S t k t

dx t F H

()

F kut H

kmv

12

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

* 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 mòn lớn sau một số chu kỳ chịu tải giới hạn nào đó

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:

- 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 1.13) 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 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

Hình 1.13- Sự 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

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:

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

1.4 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 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

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

Hiện 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

= -0,23V

Kim loại Niken trong khí quyển luôn bị phủ một lớp oxy trong suốt làm thụ động bề mặt của nó, nếu khí quyển có chứa lưu huỳnh thì bề mặt Niken sẽ nhanh chóng mờ đị

Niken không tan trong kiềm và phần lớn các axit, dễ tan trong HNO3, khi đun nóng dễ dàng tác dụng với các halogen và lưu huỳnh

Đặc biệt niken được tạo ở khí CO và hợp chất nikencacbonyl Ni(CO)4 đó là hợp chất lỏng dễ bay hơi như ête

Điện thế tiêu chuẩn của niken dương hơn sắt nên lớp mạ niken trên thường là lớp mạ catôt, lớp mạ niken bảo vệ có hiệu quả kim loại nền sắt, gang, thép, nếu như lớp mạ có độ dày hợp lý (20-30m)

Niken có khả năng hấp thụ khí khá lớn, vì thế cơ tính lớp mạ niken kém đi, niken có thể mạ lên Fe, Cu, Ti, Al, các hợp kim của chúng, cũng có thể mạ lên vật liệu phi kim loại như gốm, sứ, thuỷ tinh, chất dẻo

Lớp mạ niken được dùng như lớp mạ trang trí và lớp mạ trang trí bảo vệ, để nâng cao hiệu quả người ta thường mạ 2 lớp như: Niken- Crôm, 3 lớp như: đồng- niken- crôm Ngoài ra lớp mạ điện niken còn được dùng trong kỹ thuật mạ đúc điện chế tạo khuôn mẫu

1.5.1 Đặc điểm của mạ Niken

Mạ niken từ dung dịch muối đơn có rất nhiều điểm khác biệt so với các kim loại khác, khi mạ luôn gặp hiện tượng Ni2+ và H+ cùng phóng điện đồng thời:

Ni2+.mH2O + 2e Ni + mH2O

2H+ + 2e H2

Trong dung dịch ion Ni2+

bị bao quanh bởi các phân tử H2O lưỡng cực Khi phóng điện trên catôt, trước tiên ion niken phải thoát khỏi vỏ hydrat Việc khử hydrat cần phải tiêu tốn năng lượng khá lớn, đó là nguyên nhân khó khăn khi ion niken phóng điện

Nếu nồng độ ion H+

lớn thì niken hầu như không kết tủa được và trên catôt chỉ có khí hydro thoát ra Hiệu suất dòng catôt quá thấp, thậm chí bằng không Tăng dần pH lên thì phản ứng phóng điện của hydro trở lên khó khăn dần, tạo điều kiện cho hydro cùng niken phóng điện đồng thời, pH càng cao, hydro thoát ra càng khó, hiệu suất dòng thoát niken càng lớn Nhưng không nên dùng pH quá cao vì khi đó ion niken bị thuỷ phân thành các hạt rắn niken hydroxyt hay niken oxyt lẫn vào lớp

mạ, tạo thành các điểm gắn bám của bọt hydro lên bề mặt catôt, gây lên các lỗ xốp, điểm nhám, chấm đen, vệt sọc trên lớp mạ niken Khi pH quá cao sẽ thấy trên mặt vật mạ có bám kết tủa màu lục của các muối niken khó tan Vì vậy trong dung dịch

mạ niken phải có chất đệm để ổn định pH ở giá trị quy định

Mạ niken có hiện tượng rỗ (pitting) Bọt khí hydro bám lâu trên mặt catôt sẽ

sức căng bề mặt như các hydroxyt, các chất hữu cơ và các sản phẩm phân hủy của chúng, các hạt bụi cặn đều làm cho bọt hydro và bọt khí khác gắn bám lâu lên catôt gây pitting Vì vậy trong dung dịch mạ niken phải dùng chất chống rỗ, đó là các chất làm giảm sức căng bề mặt, giúp cho catôt luôn thấm ướt tốt và đều khắp, làm cho bọt khí không bám được lên bề mặt nữa

Chế độ mạ có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất dòng điện catôt và tính chất cơ

lý của lớp mạ niken

Tăng mật độ dòng điện mạ sẽ nhanh hơn, nhưng vượt quá ngưỡng cho phép

sẽ làm giảm hiệu suất dòng điện, lớp mạ giòn, thậm chí bị cháy

Tăng nhiệt độ sẽ làm tăng hiệu suất dòng điện Bởi vì nhiệt độ tăng làm cho ion niken khuếch tán đến catôt nhanh hơn, làm cho ion niken dễ phóng điện hơn đồng thời lớp mạ cũng dẻo hơn

Khuấy dung dịch cũng làm tăng khuếch tán nên cũng làm tăng hiệu suất dòng điện, chống được pitting, nhưng lại dễ làm vẩn đục dung dịch, gây nhám, gai

Vì vậy muốn có công nghệ mạ tốt phải thực hiện mạ ở nhiệt độ cao, lọc sạch dung dịch liên tục, đối lưu và khuấy mạnh dung dịch, nồng độ niken phải lớn, giá trị

pH phải thích hợp, được phép dùng mật độ dòng điện cao hơn, phạm vi biến động mật độ dòng điẹn rộng hơn, vì vậy mạ được các vật có hình dạng phức tạp hơn, lớp

mạ mềm và dẻo hơn, mạ tiếp crôm lên dễ hơn

Mạ niken thường gặp hiện tượng anôt bị thụ động do nguyên nhân: anôt niken bình thường tan thành ion niken: Ni Ni2+ + 2e

Nồng độ ion Ni2+ trong lớp dung dịch sát nôt thường tích tụ khá lớn, nhất là khi dùng mật độ dòng điện cao nên dễ lắng kết lên bề mặt anôt thành màng xốp Màn này che khuất một phần bề mặt anôt, phần hoạt động còn lại bị thu hẹp, nên mật độ dòng điện cục bộ tại đó tăng lên, điện thế anôt cũng tăng lên và đạt đến điện thế đủ cho ion OH- phóng điện và giải phóng ra oxy; oxy vừa giải phóng sẽ oxy hoá anôt niken tạo thành màng Oxyt kín chắc, làm đình chỉ quá trình hoà tan của anôt