Tiểu luận môn Ma sát, bôi trơn và mài mòn

Tiểu luận môn Ma sát, bôi trơn và mài mòn CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ GIẢM HAO MÒN MỤC LỤC Phần I: Mòn bề mặt xử lý được ..................................................................................................................2 1.1.Vai trò của bề mặt trong giảm hao mòn...........................................................................................2 1.2. Khả năng chống ăn mòn của các lớp bề mặt ..................................................................................3 Phần II: Các biện phám giảm hao mong....................................................................................................5 2.1. Công nghệ mạ điện composite..........................................................................................................5 2.1.1. Đặc điểm......................................................................................................................................5 2.1.2 Ma điện composite kim loại dạng hạt........................................................................................5 2.1.3. Mạ tạo lớp bôi trơn ....................................................................................................................6 2.2. Phủ bay hơi và ứng dụng..................................................................................................................7 2.2.1. Khái niệm chung.........................................................................................................................7 2.2.2.Nguyên lý......................................................................................................................................8 2.2.3. Đặc trưng của phủ CVD ............................................................................................................9 2.2.4. Ứng dụng của phủ CVD ..........................................................................................................10 2.3.Phủ bay hơi lý học ............................................................................................................................11 2.3.1. Nguyên lý...................................................................................................................................11 2.3.2.Ứng dụng của phủ PVD............................................................................................................12 2.4. Thấm ion ..........................................................................................................................................13 2.4.1 Nguyên tắc..................................................................................................................................13 2.4.2.Thiết bị thấm ion .......................................................................................................................14 2.4.3.Đặc trưng và ứng dụng của vật liệu thấm ion.........................................................................1

CÁC BIỆN PHÁP CÔNG NGHỆ GIẢM HAO MÒN

MỤC LỤC

Phần I: Mòn bề mặt xử lý được 2

1.1.Vai trò của bề mặt trong giảm hao mòn 2

1.2 Khả năng chống ăn mòn của các lớp bề mặt 3

Phần II: Các biện phám giảm hao mong 5

2.1 Công nghệ mạ điện composite 5

2.1.1 Đặc điểm 5

2.1.2 Ma điện composite kim loại dạng hạt 5

2.1.3 Mạ tạo lớp bôi trơn 6

2.2 Phủ bay hơi và ứng dụng 7

2.2.1 Khái niệm chung 7

2.2.2.Nguyên lý 8

2.2.3 Đặc trưng của phủ CVD 9

2.2.4 Ứng dụng của phủ CVD 10

2.3.Phủ bay hơi lý học 11

2.3.1 Nguyên lý 11

2.3.2.Ứng dụng của phủ PVD 12

2.4 Thấm ion 13

2.4.1 Nguyên tắc 13

2.4.2.Thiết bị thấm ion 14

2.4.3.Đặc trưng và ứng dụng của vật liệu thấm ion .14

Phần I: Mòn bề mặt xử lý được 1.1.Vai trò của bề mặt trong giảm hao 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

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 úng 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…

Một điều quan trọng hơn là 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

tính chất tương đối khác nhau khi phủ lên vật liệu nề khác nhau Vì thế xử lý bề mặt phải xem sét như một bộ phận của hệ vật liệu và các thông số của lớp phủ như chiều dày, độ cứng, độ nhám v.v… sẽ tạo nên kết quả tốt

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 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 ferit và peclí 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 cũng 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 cả chút ít khả năng chống ăn

mòn Ứng suất dư kéo và ứng suất ngoại lực giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn

Ăn mòn do làm cho kim loại bị nứt

Phần II: Các biện phám giảm hao mong 2.1 Công nghệ mạ điện composite

2.1.1 Đặc điểm

Vật liệu composite là một hỗn hợp của hai hoặc nhiều pha đông 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 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 năm trong miện 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 mà 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

2.1.2 Ma điện composite kim loại dạng hạt

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 mà

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, A, 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, Zn ,

B, Ni ; Nitrides của B, Si ; Borides của Ti, Zn, Ni; Sulfides của Mo, W; Graphide, Mica, PTFE, kim cương

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 + UO)

2.1.3 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 bội trơn thể rắn cần có các tính chất sau đây :

Có sức bền cắt thấp Tạo nên liên kết tốt với nền khi chịu tải Phủ đồng đều trên nền và bề mặt sạch Không có tạp chất Ôn 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 suất 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

Mạ tăng khả năng chống ăn 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 các hạt cứng sẽ chịu tải ,

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 Co , composite hợp kim thiếc, composite Cr v.v…

2.2 Phủ bay hơi và ứng dụng

2.2.1 Khái niệm chung

Phủ bay hơi và ứng dụng 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

2.2.2.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 1: Sơ đồ nguyên lý phủ CVD và sơ đồ vùng bề mặt sau khi phủ CVD

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

CH SICI ; SIC + 3HCI

- Phản ứng khử

WFG + 3H2W + 6HF

Phản ứng ôxy hoá

SiH4 + 02 SiO2 + 2H2

- Phản ứng thuỷ phân

2AICI : + 3H20 Al2O3 + 6HCI

- Phản ứng ô xy hoá khử

TiCl4 + 2BCiz + SH , TIB2 + 10HCI

2.2.3 Đặc trưng của phủ CVD

Kỹ thuật phủ lớp phủ cứng thông qua phản ứng hoá học ở thế 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 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

2.2.4 Ứng dụng của phủ CVD

Phủ bằng CVD được ứng dụng rộng rãi ở những nơi yêu cầu chống mòn , chống ôxy hoá , chống 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 Tinh 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 khi có độ tinh khiết cao và trong môi trường chân không cao ( 10 -10-6 ion )

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

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 , HN và TiBi cũng được sử dụng rộng rãi

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 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

2.3.Phủ bay hơi lý học

2.3.1 Nguyên lý

Phủ PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10 bar ở nhiệt độ từ 400 ° C - 500 ° C 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 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 tử 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

Phương pháp dùng dòng điện tử có điện thế thấp như Hình 2 ( a ) dùng để phủ TIN và TCN sử dụng dòng điện tử 100 V để bay hơi Ti

Hình 2: Sơ đồ bốn phương pháp phủ PVD cơ bản

Các dụng cụ có kích thước lớn thường được phủ bằng dòng điện tử có điện thế cao như Sơ đồ 2 ( b )

Sơ đồ bay hơi bằng hồ quang được dùng để phủ TiAIN Hình 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 2 ( d ) Vật liệu phủ thông dụng hiện nay cho PVD là TiN , TÍCN , TAIN và CrN Ứng suất dư trong lớp phủ là ứng suất nén 3

Chiều dày lớp phủ thường bị hạn chế dưới 5 um để tránh sự tạo nên ứng suất

dư có cường độ cao trong lớp phủ

2.3.2.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 cân bằng nhiệt mà CVD không thể thực hiện được

Phủ bay Ảnh hưởng của lớp phủ cũng đến tương tác ma sát

1 Ảnh hưởng của lớp phủ đến tương tác ma sát trượt

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 TN là 2200

kg / mm2 2500 kg / mm2 ; của TTCN là 2800 kg / mm2 - 3200 kg / mm2 cao hơn rất

ới độ cứng của thép ở trạng thái ủ