Nghiên cứu ứng dụng vật liệu carbon giống kim cương để chống mòn và giảm ma sát cho các chi tiết trong hệ động lực tàu thủy (chuyên ngành khai thác và bào trì tàu thủy)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

PHAN VĂN TỨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU CARBON
GIỐNG KIM CƯƠNG ĐỂ CHỐNG MÒN VÀ GIẢM
MA SÁT CHO CÁC CHI TIẾT TRONG HỆ ĐỘNG
LỰC TÀU THỦY
CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC BẢO TRÌ TÀU THỦY
MÃ SỐ: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS BÙI XUÂN LÂM

TP. HCM 11- 2014


LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Xuân Lâm

Cán bộ chấm nhận xét 1 : T.S Nguyễn Sơn Trà

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Phan Văn Quân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM ngày 19
tháng 12 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.

T.S Lê Văn Vang

Chủ tịch Hội đồng;

2.

T.S Nguyễn Sơn Trà

Ủy viên, phản biện;

3.

PGS.TS Phan Văn Quân

Ủy viên, phản biện;

4.

T.S Ngô Duy Nam

Ủy viên, thư ký;

5.

T.S Trương Thanh Dũng

Ủy viên.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA MÁY TÀU THỦY

TS. Lê Văn Vang

TS. Lê Văn Vang


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là: Phan Văn Tứ
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình khoa học của tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy PGS.TS Bùi Xuân Lâm. Ngoài các nội dung
tham khảo của các tác giả mà tôi đã liệt kê trong phần “Tài liệu tham khảo”, luận
văn của tôi không hề sao chép bất kì một nội dung nào khác của các công trình khoa
học tương tự. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này chưa được công bố trong
bất kì một tài liệu hoặc bài báo khoa học nào khác.
Tôi xin chịu hoàn toàn mọi trách nhiệm trước pháp luật về lời cam đoan trên
đây của mình.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 11 năm 2014
Tác giả

Phan Văn Tứ


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ này, cùng với sự nỗ lực cá nhân
thì tác giả cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ rất nhiệt tình và quý báu. Tác giả
rất trân trọng và tri ân các sự giúp đỡ đó.
Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy PGS.TS Bùi Xuân
Lâm – hiệu phó Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM. Thầy đã hướng dẫn và cung
cấp cho tôi rất nhiều kiến thức chuyên môn, những tài liệu chuyên ngành hết sức
quý báu trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài. Thầy là người hướng dẫn tận tình
và tâm huyết trong quá trình thực hiên công trình nghiên cứu và đưa ra các ý kiến
góp ý giúp tôi hoàn tất luận văn này.
Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy, cô và bạn
bè trong khoa Máy tàu thủy nói riêng và các thầy cô trong trường Đại học Giao
thông vận tải TPHCM nói chung đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn
bổ ích trong quá trình tôi học và làm việc tại trường.
Cám ơn sự quan tâm, hỗ trợ và động viên của gia đình và bạn bè giúp tôi có
động lực hoàn thành công việc nghiên cứu trong luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 11 năm 2014
Tác giả

Phan Văn Tứ


1

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………….9
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MA SÁT, MÒN VÀ VẬT LIỆU CARBON

GIỐNG KIM CƯƠNG..............................................................................................10
1.1

Tổng quan về ma sát ....................................................................................10

1.2

Một số vấn đề về ma sát và mài mòn ..........................................................11

1.2.1

Lý thuyết về ma sát ...............................................................................11

1.2.1.1

Khái niệm về ma sát .......................................................................11

1.2.1.2

Phân loại ma sát .............................................................................11

1.2.1.3

Ma sát của một số loại vật liệu trong kỹ thuật ...............................12

1.2.2

Khái niệm về mòn .................................................................................17

1.2.3

Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn ..............................................................18

1.3

1.2.3.1

Ảnh hưởng của lớp màng bề mặt ...................................................18

1.2.3.2

Tác dụng của nhiệt độ ....................................................................19

1.2.3.3

Tác dụng của tải trọng ....................................................................19

1.2.3.4

Ảnh hưởng của tính tương thích vật liệu .......................................19

1.2.3.5

Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi .........................................................20

1.2.3.6

Ảnh hưởng của biên giới hạt ..........................................................20

Phương pháp chống mòn và giảm ma sát ....................................................20

1.3.1

Biện pháp kết cấu (thiết kế) ..................................................................20

1.3.2

Các biện pháp khi sử dụng ....................................................................20

1.3.3

Các biện pháp công nghệ ......................................................................21

1.3.3.1

Mạ kim loại ....................................................................................21

1.3.3.2

Phủ màng bằng phương pháp hóa học (Chemical Vapor Depositon-


2

CVD)….. .......................................................................................................21
1.3.3.3

Phủ màng bằng phương pháp vật lý (Physical Vapor Deposition –

PVD)…..........................................................................................................24
1.4

Vật liệu Carbon giống kim cương ...............................................................28

1.5

Kết luận........................................................................................................30

CHƯƠNG 2

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA

MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG...............................................................31
2.1

Thiết bị phủ màng ........................................................................................31

2.2

Chẩn đoán ....................................................................................................33

2.2.1

Chẩn đoán hình ảnh ..............................................................................33

2.2.2

Chẩn đoán cấu trúc của màng ...............................................................33

2.2.3

Các tính chất cơ học và ma sát của màng .............................................33

2.3

2.2.3.1

Ứng suất bên trong của màng ........................................................33

2.2.3.2

Độ cứng và mô đun đàn hồi ...........................................................34

2.2.3.3

Độ bám dính của màng ..................................................................35

2.2.3.4

Các đặc tính ma sát ........................................................................35

Màng DLC phủ bằng phương pháp phún xạ magnetron .............................36

2.3.1

Ảnh hưởng của việc dùng plasma để làm sạch bề mặt lên tính bám dính

của màng DLC ..................................................................................................36
2.3.2

Thế điện của vật cần phủ trong quá trình phủ ......................................40

2.3.3

Chẩn đoán cấu trúc của màng DLC ......................................................41

2.3.3.1

Bề mặt của màng ............................................................................41

2.3.3.2

Cấu trúc tế vi của màng DLC.........................................................44

2.3.3.3

Độ cứng và ứng suất của màng DLC .............................................47


3

2.3.3.4

Tính bám dính của màng ................................................................53

2.3.3.5

Tính chất ma sát .............................................................................54

2.4 Kết luận về màng DLC ...................................................................................59
CHƯƠNG 3

MÔ PHỎNG BIẾN DẠNG VÀ ỨNG SUẤT CỦA MÀNG DLC

KHI CHỊU TẢI.. .......................................................................................................60
3.1

Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Ansys ..................................................60

3.2

Mô phỏng ứng suất và biến dạng của màng chịu tải ...................................61

3.2.1

3.2.1.1

Phương pháp xấp xỉ phần tử hữu hạn ............................................61

3.2.1.2

Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn .....................................62

3.2.1.3

Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất...........................................62

3.2.2

Mô tả phần tử hữu hạn trong trạng thái ứng suất phẳng .......................63

3.2.2.1

Ma trận D đối với ứng suất phẳng .................................................64

3.2.2.2

Bài toán ứng suất phẳng .................................................................64

3.2.2.3

Xây dựng mô hình trong phần mềm Ansys ...................................66

3.2.3
3.3

Cơ sở lý thuyết ......................................................................................61

Chương trình mô phỏng trong phần mềm Ansys .................................67

Kết quả mô phỏng........................................................................................72

CHƯƠNG 4

ỨNG DỤNG CỦA MÀNG CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG

CHO CHI TIẾT CHỊU MA SÁT VÀ MÀI MÒN ....................................................77

4.1

Mài mòn một số chi tiết điển hình trong hệ động lực tàu thủy ...................77

4.1.1

Mài mòn trục khuỷu..............................................................................77

4.1.2

Mài mòn séc măng ................................................................................78

4.1.3

Mài mòn sơ mi xy lanh .........................................................................79

4.1.3.1

Điều kiện làm việc .........................................................................79


4

4.1.3.2

Mài mòn sơ mi xy lanh theo phương dọc trục ...............................81

4.1.3.3

Mài mòn theo phương hướng kính ................................................81

4.1.3.4

Mài mòn không theo quy luật ........................................................81

4.1.4
4.2

Mài mòn trong bơm bánh răng .............................................................83

Ứng dụng phủ màng DLC cho các chi tiết chịu mài mòn trong hệ động lực

tàu thủy ..................................................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................87
1. Kết luận ............................................................................................................87
2. Kiến nghị ..........................................................................................................87
3. Hướng phát triển của đề tài...............................................................................87


5

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1 Các dạng ma sát .........................................................................................12
Hình 1.2 Ảnh hưởng của áp suất đến hệ số ma sát ...................................................13
Hình 1.3 Ảnh hưởng của phương pháp làm sạch đến hệ số ma sát tĩnh của một số
kim loại ......................................................................................................................14
Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của ma sát theo độ dai va đập ...................15
Hình 1.5 Đồ thị miêu tả sự biến thiên của hệ số ma sát theo tải trọng của đầu kim
cương hình côn trên tinh thể Carbide Silic trong môi trường không khí .................16
Hình 1.6 Đặc tính bề mặt khi mài mòn .....................................................................17

Hình 1.7 Ảnh hưởng của tải trọng tới tính mài mòn: (a)Các vùng biến dạng dẻo độc
lập dưới các tiếp xúc của nhấp nhô bề mặt của một mặt phẳng dưới tác dụng của
tải trọng thấp; (b)Tương tác của các vùng biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải
trọng lớn. ...................................................................................................................19
Hình 1.8 Hệ thống CVD dây tóc nóng ......................................................................22
Hình 1.9 Hệ thống PECVD – vi sóng........................................................................23
Hình 1.10 Hệ thống PECVD plasma ........................................................................23
Hình 1.11 Kỹ thuật phủ bay hơi (năng lượng bay hơi cho chùm electron) ..............25
Hình 1.12 Kỹ thuật plasma hai cực ...........................................................................26
Hình 1.13 Plasma với tần số radio (RF – 13,6MHz) ................................................27
Hình 1.14 Vùng xói mòn của âm cực ........................................................................27
Hình 1.15 Lai hóa sp3 ( kim cương ) .........................................................................28
Hình 1.16 Lai hóa sp2 (graphite) ..............................................................................29
Hình 2.1 Hệ thống E303A magnetron sputtering .....................................................32
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống E303A ...............................................................32
Hình 2.3 Đường cong tăng tải và giảm tải của thiết bị đo độ cứng .........................34
Hình 2.4 Hướng di chuyển và biên độ của mũi kim cương .......................................35
Hình 2.5 Thiết bị thử ma sát tribometer-CSEM ........................................................36
Hình 2.6 Sự gia tăng độ nhám bề mặt của đĩa thép 440C khi gia tăng điện thế RF


6

của plasma.................................................................................................................37
Hình 2.7 Hình ảnh SEM của bề mặt đĩa thép chưa được làm sạch bằng plasma ....37
Hình 2.8 Hình ảnh SEM của bề mặt đĩa thép được làm sạch bằng plasma .............38
Hình 2.9 Mối quan hệ giữa thế RF khi làm sạch và tải gây tróc đối với màng DLC
phủ lên thép ở chế độ mật độ năng lượng 10,5 W/cm2 (a) Điện thế trên vật cần phủ
là -60 V, (b) Điện thế trên vật cần phủ là -140 V .....................................................39
Hình 2.10 Màng DLC bị tróc do tích điện khi phủ ở mật độ Plasma 4,5 W/cm2 và

thế điện DC -20 V ......................................................................................................40
Hình 2.11 Ảnh hưởng của năng lượng ion đến độ nhám bề mặt ion có năng lượng
cao sẽ làm cho bề mặt DLC nhẵn hơn ......................................................................42
Hình 2.12 Ảnh hưởng của thế điện trên vật cần phủ đến độ nhám bề mặt...............43
Hình 2.13 Bề mặt của màng DLC được phủ ở mật độ năng lượng 10,5 W/cm2, thế
điện trên vật cần phủ -100 V, ở các áp suất phủ khác nhau: (a) 0,6 Pa, (b) 1,2 Pa.
...................................................................................................................................44
Hình 2.14 Phổ Raman của DLC được phủ ở mật độ năng lượng 10,5 W/cm2 và thế
điện trên vật cần phủ -150 V .....................................................................................45
Hình 2.15 Mối quan hệ giữ tỉ số ID/IG (có được từ phổ Raman) với thế điện đặt trên
vật cần phủ ................................................................................................................45
Hình 2.16 Quan hệ giữa tỉ lệ sp3 và năng lượng các ion Carbon khi phủ ở nhiệt độ
thường được công bố bởi nhiều tác giả (các số liệu được Lifshitz thu thập và vẽ lại
[17]) ..........................................................................................................................46
Hình 2.17 Mối quan hệ giữa độ cứng và mô đun đàn hồi của màng DLC với thế
điện trên vật cần phủ .................................................................................................47
Hình 2.18 Mối quan hệ giữa áp suất phủ và độ cứng của màng DLC .....................48
Hình 2.19 Màng DLC dày 1,5 µ m bị tróc sau 15 phút khi đưa ra khỏi buồng phủ ..50
Hình 2.20 Màng DLC dày 1,2 µ m vẫn bám dính tốt trên bề mặt Si 14 ngày sau khi
phủ .............................................................................................................................50
Hình 2.21 Mối quan hệ giữa ứng suất nội và thế điện trên vật cần phủ ..................52
Hình 2.22 Mối quan hệ giữa thế điện trên vật cần phủ với tải gây tróc ...................53


7

Hình 2.23 Vết xước trên màng DLC quan sát được từ kính hiển vi..........................54
Hình 2.24 Hệ số ma sát của màng DLC phủ ở các thế điện khác nhau khi trượt
tương đối với bi Al2O3 ...............................................................................................55
Hình 2.25 Hệ số ma sát của màng DLC phủ ở thế điện -140 V trượt tương đối với bi

Al2O3 (bán kính quay 16 mm và 8 mm) .....................................................................56
Hình 2.26 Vết mòn trên bi và đường trượt trên màng nhìn qua kính hiển vi ...........58
Hình 2.27 Phổ Raman của màng DLC ban đầu, trên đường trượt thí nghiệm ma sát
và của tổ hợp vật liệu tách ra từ bề mặt ma sát ........................................................58
Hình 3.1 a)Mô hình hóa tấm silic phủ màng DLC; b) Chia lưới trên phần tử tấm
Silic phủ màng DLC ..................................................................................................67
Hình 3.2 Biến dạng theo phương X ...........................................................................72
Hình 3.3 Biến dạng theo phương Y ...........................................................................72
Hình 3.4 Biến dạng theo phương Z ...........................................................................73
Hình 3.5 Chuyển vị UX .............................................................................................73
Hình 3.6 Chuyển vị UY..............................................................................................74
Hình 3.7 Chuyển vị UZ..............................................................................................74
Hình 3.8 Ứng suất theo phương X ............................................................................75
Hình 3.9 Ứng suất theo phương Y.............................................................................75
Hình 3.10 Ứng suất theo phương Z ...........................................................................76
Hình 4.1 Mài mòn trục khuỷu ...................................................................................77
Hình 4.2 Hình quy luật phân bố áp suất khí thể lên xy lanh .....................................79
Hình 4.3 Áp lực séc măng tác dụng lên xy lanh và phương của lực ngang tác dụng
lên xy lanh .................................................................................................................80
Hình 4.4 Áp suất (do N) tác dụng lên xy lanh theo các kỳ của động cơ ...................80
Hình 4.5 Dạng mòn hướng trục của xy lanh .............................................................81
Hình 4.6 Dạng hao mòn hướng kính của xy lanh .....................................................81
Hình 4.7 Mài mòn trong sơ mi xy lanh .....................................................................82
Hình 4.8 Mài mòn trong bơm bánh răng ..................................................................84
Hình 4.9 Buồng đặt chi tiết cần phủ trong hệ thống phún xạ ...................................85


8

Hình 4.10 Hình chụp qua kính hiển vi điện tử bề mặt cao su HNBR được phủ một

lớp màng DLC ...........................................................................................................86
Hình 4.11 Mặt cắt ngang của màng DLC phủ lên cao su .........................................86
Bảng 1-1 Hệ số ma sát của DLC với các môi trường thử và vật liệu thử khác nhau
………………………………………………………………………………………………...30


9

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Trong các vấn đề chung liên quan đến độ tin cậy, tuổi thọ của máy móc, thiết
bị thì vấn đề ma sát và mòn có vai trò hết sức quan trọng. Đối với các máy móc và
thiết bị sử dụng trên tàu thủy, chúng thường xuyên làm việc trong điều kiện khắc
nghiệt như: thời tiết liên tục thay đổi, sóng gió, tải trọng nặng, ăn mòn,... Có rất
nhiều phương pháp được lựa chọn để giảm ma sát và chống mòn, trong đó phủ
màng chống mòn là một trong những phương pháp hiệu quả. Các loại màng chống
mòn hiện nay như TiN, CrxNy, WC,…cho thấy nhiều lợi điểm tuy nhiên hệ số ma
sát vẫn còn cao đối với những cặp ma sát làm việc ở chế độ bôi trơn kém hoặc
không bôi trơn (từ 0,3 - 0,7) [21]. Carbon giống kim cương (chế tạo bằng phương
pháp phủ vật lý hoặc hóa học) cho phép giảm hệ số ma sát về ngưỡng 0,2 và có
tính chống mài mòn rất tốt nên có thể ứng dụng để phủ màng giảm ma sát và chống
mòn cho các chi tiết trong hệ động lực tàu thủy.
2. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Màng Carbon giống kim cương có tính chống mài mòn cao và ma sát thấp 0,2
[7]. Thực tiễn ứng dụng cho thấy màng Carbon giống kim cương được phủ lên các
chi tiết như: dụng cụ dao cắt kim loại, các bánh răng truyền động,...[23] đã làm cho
khả năng chịu mài mòn của chúng tăng lên đáng kể.
3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu về tổng quan ma sát, mòn và vật liệu Carbon giống kim cương.
Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của màng Carbon giống kim cương.

Mô phỏng biến dạng và ứng suất của màng Carbon giống kim cương.
Nghiên cứu ứng dụng phủ màng Carbon giống kim cương cho các chi tiết chịu
ma sát và mòn trong hệ động lực tàu thủy.
4. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phương pháp lý thuyết.
Phương pháp mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm.
Phương pháp phân tích.


10

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MA SÁT, MÒN VÀ VẬT LIỆU
CARBON GIỐNG KIM CƯƠNG
1.1 Tổng quan về ma sát
Ma sát là hiện tượng tự nhiên và luôn gắn liền với chuyển động. Ma sát có thể
có lợi hoặc có hại. Máy móc có thể xem là tổ hợp của nhiều chi tiết tiếp xúc với
nhau. Khi vận hành giữa các bề mặt tiếp xúc xuất hiện ma sát. Nếu dùng kính hiển
vi điện tử quan sát tổ chức tế vi lớp bề mặt chi tiết, thì thấy rằng nó không phải
phẳng nhẵn như chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường, mà là một bề mặt gồ ghề gồm
những vi đỉnh lồi và những chỗ vi lõm. Trong kỹ thuật, độ gồ ghề này được đặc
trưng bằng thông số Ra (Roughness) gọi là độ nhám (hoặc độ bóng) [4].
Độ nhám càng lớn thì ma sát càng cao. Khi máy móc vận hành, các bề mặt tiếp xúc
trượt lên nhau. Các vi đỉnh lồi va đập vào nhau, một số bị gãy vỡ bong tróc văng ra
khỏi bề mặt. Các vi đỉnh lồi khác lại sinh ra, lại gãy liên tục như vậy dẫn đến sự hao
mòn và phá hủy dần lớp bề mặt. Ta gọi đây là quá trình mài mòn do ma sát.
Kết quả làm cho khe hở lắp ghép giữa hai bề mặt tiếp xúc rộng dần ra từ giá trị
chuẩn đạt được sau giai đoạn chạy rốt đa đến giá trị giới hạn. Từ thời điểm này cặp
chi tiết bắt đầu làm việc không bình thường, có tải trọng va đập gây nên tiếng kêu
gõ và tốc độ mòn tăng lên nhanh. Máy móc không vận hành tiếp được lâu dài, dễ

dẫn đến hư hỏng gẫy vỡ chi tiết và các bộ phận, tổn hao nhiều năng lượng - nhiên
liệu. Đến lúc phải tháo rã sửa chữa đại tu máy, thay thế các chi tiết mòn đến giới
hạn.
Tuổi thọ của chi tiết, nói rộng hơn là của máy móc thiết bị là khoảng thời gian
từ lúc bắt đầu vận hành đến trạng thái giới hạn. Tuổi thọ của máy móc phụ thuộc
vào nhiều yếu tố như quy luật mài mòn tự nhiên, lão hóa, ăn mòn, sai sót do vận
hành, sửa chữa, vv.... Kết quả thống kê cho thấy nguyên nhân máy móc hư hỏng vì
bị hao mòn do ma sát là chính, chiếm tới 70% - 80%. Chi phí sửa chữa đảm bảo kỹ


11

thuật máy móc cơ khí ở tầm quốc gia tính trung bình chiếm đến 1% - 3% thu nhập
quốc dân/năm. Nếu chúng ta có những công nghệ tiên tiến làm giảm hẳn được tác
dụng mài mòn của ma sát, tăng được tuổi thọ của máy móc lên vài lần thì sẽ mang
lại hiệu quả hết sức lớn lao cho nhân loại.
Vì vậy vấn đề chống mài mòn và giảm ma sát trong lĩnh vực cơ khí là nội
dung có tính chất toàn cầu và luôn là nội dung gay cấn hàng đầu. Cần phải tìm ra
những phương pháp mới đạt hiệu quả chống mài mòn tốt hơn, giá thành thấp và dễ
ứng dụng. Đặc biệt rất cần đối với đại đa số máy móc cơ khí hiện hữu vốn được chế
tạo từ vật liệu cơ khí thông dụng.
1.2 Một số vấn đề về ma sát và mài mòn
1.2.1 Lý thuyết về ma sát
1.2.1.1 Khái niệm về ma sát
Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, khi có sự tiếp
xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịch chuyển giữa hai vật thể, trong đó diễn ra
các quá trình cơ, lý, hóa, điện,…chúng có mối quan hệ rất phức tạp phụ thuộc vào
đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi trường.
uuur
uur

Fms = µ.N

(1-1)

Trong đó, µ là hệ số ma sát µ = (p,v,C), N là tải trọng pháp tuyến, C là điều
kiện ma sát (vật liệu, độ cứng, độ bóng, chế độ gia công, môi trường)
1.2.1.2 Phân loại ma sát
Dựa vào động học: ma sát trượt, ma sát lăn, ma sát xoay.
Dựa vào chất bôi trơn: ma sát ướt, ma sát khô, ma sát tới hạn.
Dựa vào động lực học: ma sát tĩnh, ma sát động.
Dựa vào đặc tính của quá trình ma sát:
+ Ma sát bình thường là quá trình ma sát trong đó chỉ xảy ra hao mòn tất yếu
và cho phép (xảy ra từ từ, chỉ trên lớp cấu trúc thứ cấp, không xảy ra sự phá hoại
kim loại gốc) trong phạm vi giới hạn của tải trọng, vận tốc trượt và điều kiện ma sát
bình thường.


12

+ Ma sát không bình thường là quá trình ma sát trong đó p,v, C vượt ra ngoài
phạm vi giới hạn, xảy ra hư hỏng: tróc loại 1, tróc loại 2, mài mòn,…
Người ta tìm các biện pháp thiết kế, công nghệ, sử dụng để mở rộng phạm vi
cho phép của p, v, C theo hướng tăng hoặc giảm µ .

Hình 1.1 Các dạng ma sát
1.2.1.3 Ma sát của một số loại vật liệu trong kỹ thuật
1.2.1.3.1 Ma sát của gỗ, da và đá
Hệ số ma sát biến đổi từ 0,2 – 0,6. [5]
Ma sát giữa gỗ với gỗ có thể phụ thuộc vào hướng trượt so với thớ gỗ.
Ma sát giữa đá với đá ít phụ thuộc vào cấu tạo cũng như độ cứng mà phụ

thuộc vào độ nhẵn bề mặt.
Bề mặt nhẵn với Ra = (4 – 5 µ m ) thì µ = 0,4 – 0,6. [5]
1.2.1.3.2 Ma sát của kim loại và hợp kim
Trong một hệ trượt xác định, ma sát của kim loại chịu tác động của vận tốc
trượt, áp suất tiếp xúc, độ sạch của bề mặt tiếp xúc, nhiệt độ, áp suất môi trường và
độ ẩm tương đối. Vì vậy, hệ số ma sát của các cặp kim loại và hợp kim thay đổi
trong phạm vi rộng.
Các yếu tố ảnh hưởng tới ma sát của kim loại hoặc hợp kim với nhau:
+ Bề mặt sạch, không bôi trơn hệ số ma sát thường 0,4 – 0,8 hoặc có thể lớn
hơn 1 trong một số trường hợp khi bề mặt tiếp xúc được làm sạch bằng phương
pháp đặc biệt.
+ Áp suất tiếp xúc thấp đến mức lớp oxy hóa bề mặt quyết định tính chất ma
sát.
+ Áp suất tiếp xúc rất cao có tác dụng làm giảm hệ số ma sát của các cặp kim


13

loại hoặc hợp kim.
+ Vận tốc trượt. Tác dụng của vận tốc trượt đến hệ số ma sát phải dựa vào kết
quả thực nghiệm.
+ Hệ số ma sát trong môi trường chân không hoặc khí kém tăng đáng kể do
lớp màng bảo vệ oxy không có điều kiện hình thành, hệ số ma sát thường lớn hơn 1
và có thể đến 10.

Tác dụng cào xước và
lớp oxy hóa bị phá hủy

µ

Áp

suất

lớn

với

trường ứng suất thủy

Chiều tăng

tĩnh làm tăng tính
dẻo

Không ảnh hưởng
lớp oxy hóa bề mặt Chiều tăng áp suất (tải trọng)

Hình 1.2 Ảnh hưởng của áp suất đến hệ số ma sát
Vùng 1: vùng hệ số ma sát thấp, áp suất tiếp xúc không đủ để phá hủy lớp
màng oxy hóa bề mặt.
Vùng 2: vùng hệ số ma sát cao, áp suất tiếp xúc đủ để phá hủy lớp màng oxy
hóa bề mặt, tác dụng cào xước bề mặt làm tăng hệ số ma sát.
Vùng 3: vùng hệ số ma sát thấp, áp suất tiếp xúc quá lớn và trường ứng suất
thủy tĩnh làm tăng tính dẻo của bề mặt dẫn đến hệ số ma sát giảm.
Hệ số ma sát của các cặp kim loại trong không khí thấp hơn nhiều so với trong
môi trường chân không. Hình 1.3 biểu diễn sự thay đổi hệ số ma sát tĩnh thí nghiệm
trong điều kiện độ ẩm 50% so với cùng cặp vật liệu được làm sạch kỹ lưỡng trong
chân không trước khi thí nghiệm trong không khí. Sự khác nhau lớn nhất xảy ra với

14

Ni, Au, và nhỏ nhất đối với Mo.
Các kim loại mềm và dẻo như In, Pb và Sn có sức bền cắt thấp nên diện tích
tiếp xúc giữa các bề mặt lớn thậm chí dưới tác dụng của tải trọng nhỏ. Hệ số ma sát
nói chung lớn bởi vì diện tích tiếp xúc lớn và khả năng khôi phục biến dạng đàn hồi
thấp. Các kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt như Co và Mg cũng như các kim
loại có cấu trúc khác như Mo và Cr cho hệ số ma sát thấp. Lớp Oxy hóa trên bề mặt
Cr có tác dụng làm giảm ma sát. Co, Mo và Cr là các nguyên tố hợp kim thông
thường trong thép đều có tác dụng giảm ma sát.

Hình 1.3 Ảnh hưởng của phương pháp làm sạch đến hệ số ma sát tĩnh của một số
kim loại
Ma sát giữa hai vật liệu cùng loại có khuynh hướng cao hơn khác loại. Nói
chung hệ số ma sát của hợp kim thấp hơn hệ số ma sát của kim loại nguyên chất.
Ma sát giữa hai kim loại phụ thuộc vào kiểu của các lớp bề mặt được tạo nên sau
quá trình mòn. Sự xuất hiện các hạt mài trên bề mặt tiếp xúc chung quyết định
“behavior” [4] của ma sát. Độ lớn và sự dao động của lực ma sát phụ thuộc vào thời
gian trượt.


15

1.2.1.3.3 Ma sát của Ceramics
Ceramics là loại vật liệu có sức bền vật liệu cao và ít bị ảnh hưởng của nhiệt
độ. Ceramics có khả năng làm việc tốt trong các môi trường ăn mòn. Vì thế
Ceramics được sử dụng làm các cặp đôi ma sát trong môi trường khắc nghiệt như
tải trọng, vận tốc, nhiệt độ cao và các môi trường ăn mòn. Các tính chất cơ, lý của
Ceramics khác với kim loại và hợp kim do sự khác nhau về bản chất liên kết của

nguyên tử với các liên kết ion và cộng hóa trị. Ở nhiệt độ bình thường Ceramics
biến dạng dẻo kém hơn so với kim loại. Mặc dù tồn tại các lực ion và cộng hóa trị ở
chỗ tiếp xúc của các đôi Ceramics, tuy nhiên do diện tích tiếp xúc thực nhỏ làm cho
hệ số ma sát trượt thấp hơn so với cặp đôi kim loại trong không khí.

Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của ma sát theo độ dai va đập
Độ dai và va đập là tính chất đặc biệt ảnh hưởng đến ma sát của Ceramics.
Hình 1.4 là đồ thị biểu diễn sự biến thiên của hệ số ma sát theo độ dai và va đập của
một đầu kim cương nhọn trượt trên đĩa Ceramics, có thể thấy hệ số ma sát tăng rất
nhanh theo chiều tăng của độ dai và va đập.


16

Ma sát của Ceramics trượt trên những Ceramics khác nhạy cảm với độ ẩm và
tính chất hóa học của môi trường xung quanh. Ma sát giữa Ceramics với các vật liệu
khác thì vật liệu đối tiếp ảnh hưởng quyết định đến ma sát.

Hình 1.5 Đồ thị miêu tả sự biến thiên của hệ số ma sát theo tải trọng của đầu kim
cương hình côn trên tinh thể Carbide Silic trong môi trường không khí
1.2.1.3.4 Ma sát của vật liệu Carbon
Vật liệu trên cơ sở Carbon có hệ số ma sát thấp nhất trong các loại vật liệu
dùng trong kỹ thuật. Khác với kim cương vật liệu Graphite có tính bền và độ cứng
tương đối thấp.
Cấu trúc mạng của Graphite tạo nên đặc tính ma sát tốt nhưng phụ thuộc nhiều
vào độ ẩm không khí để tăng khả năng bôi trơn. Có 3 loại Carbon – Graphite được
sử dụng: Carbon với Graphite thấp, Carbon với Graphite cao và Carbon không
Graphite. Ma sát của Carbon – Graphite với thép Carbon thấp, thép thấm Nitơ và
Carbide Volfram phụ thuộc vào độ nhẵn của bề mặt đối tiếp có thể giảm từ 0,4
xuống còn 0,1 khi bề mặt được mài.

Kim cương có nhiều tính chất đặc biệt: độ dẫn nhiệt, mô đun đàn hồi, độ cứng
cao và hệ số ma sát thấp nếu nó trượt trong môi trường ẩm. Trong những năm 1980
và 1990, các lớp kim cương mỏng được phủ lên các vật liệu nền khác nhau bằng


17

phương pháp nhiệt hóa làm giảm chi phí trên bề mặt các ổ và mở rộng ứng dụng của
kim cương. Trên bề mặt kim cương thường có một lớp màng mỏng Graphite tạo nên
đặc tính ma sát thấp.
Màng Carbon giống kim cương phát triển nhẵn và phẳng hơn màng kim cương
có dạng tinh thể nhiều mặt hình tháp, vuông hoặc hoa súp lơ mịn. Các lớp màng
nhiều mặt khi mài mòn với bề mặt phi kim cương có hệ số ma sát cao µ > 0, 5 so
với các bề mặt kim cương phẳng µ > 0, 03 − 0,15 [5]. Các màng hạt thô có hệ số ma
sát trượt so với nhôm tới 0,42 và khi đánh bóng thì hệ số ma sát chỉ còn 0,09 khi
cùng điều kiện tiếp xúc. Vật liệu trên cơ sở Carbon và kim cương chịu ảnh hưởng
lớn của độ ẩm và Oxy trong môi trường, trong chân không hệ số ma sát có thể
µ > 0, 8 [4].

1.2.2 Khái niệm về mòn
Mòn là một quá trình thay đổi hình dáng, khối lượng kích thước của bề mặt
vật thể, làm mất mát hoặc thay đổi vị trí tương đối trên bề mặt do biến dạng, mất
liên kết, bong tách, chảy dẻo, ion hóa tạo ra vùng vật liệu mới. Mòn còn là một quá
trình thay đổi bản chất vật liệu trên bề mặt tiếp xúc do hiện tượng khuếch tán hấp
thụ, hợp kim hóa, ăn mòn, xâm thực.
Có hai dạng mòn: mài mòn cơ học hoặc mài mòn cơ hoá.
Nếu bề mặt chi tiết tiếp xúc với khối lượng lớn hạt mài thì xảy ra mài mòn cơ
hóa vì khi đó các hạt mài trượt lên nhau mà không có lực cắt.

Hình 1.6 Đặc tính bề mặt khi mài mòn

18

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn
1.2.3.1 Ảnh hưởng của lớp màng bề mặt
Cả ma sát và mòn đều là những hiện tượng chủ yếu xảy ra trên bề mặt trượt.
Sự tồn tại của các lớp màng có ảnh hưởng quyết định đến tính mòn và ma sát.
1.2.3.1.1 Mòn trong chân không
Trong chân không với độ chân không tới 10-8 mmHg, dưới tác dụng của tải
trọng tiếp tuyến và pháp tuyến, tiếp xúc ở đỉnh nhấp nhô phát triển không bị hạn chế
vì không bị ngăn cản bởi các lớp màng bề mặt (vì chúng không thể hình thành trong
chân không). Các tiếp xúc này bị 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 tại các liên kết nhấp nhô
này bị phá vỡ gây mòn vật liệu.
1.2.3.1.2 Lớp màng Oxy hóa
Sau khi gia công cơ trên bề mặt kim loại tồn tại một lớp màng Oxy hóa dày
khoảng 5 – 50 lớp phân tử [4]. Khi 2 bề mặt trượt với nhau trong không khí, nếu các
lớp màng này bị phá vỡ bề mặt kim loại ngay lập tức được bao phủ bởi một lớp
phân tử đơn. Lớp màng Oxy hóa có tác dụng ngăn cản sự phát triển của diện tích
tiếp xúc nhấp nhô bề mặt dẫn đến giảm ma sát và mài mòn.
1.2.3.1.3 Bôi trơn ướt
Bôi trơn ướt là tình trạng mà lớp màng dầu giữa hai bề mặt trượt không đủ để
ngăn sự tiếp xúc trực tiếp giữa các đỉnh nhấp nhô bề mặt. Giống như lớp màng Oxy
hóa, lớp màng dầu có tác dụng giảm nhưng không thể ngăn hoàn toàn tiếp xúc giữa
hai bề mặt ở các đỉnh nhấp nhô. Lớp màng này có tác dụng cản trở sự phát triển
diện tích tiếp xúc ở các đỉnh nhấp nhô. Hơn nữa tác dụng giảm mòn của chất bôi
trơn còn thể hiện ở chỗ hạn chế sự thâm nhập của các chất lỏng hoặc khí hoạt tính
khi vật liệu làm việc trong môi trường ăn mòn.
1.2.3.1.4 Chất bôi trơn rắn

Chất bôi trơn rắn được đưa vào bề mặt tiếp xúc của ổ thông qua chất kết dính
như rensin [10] hoặc dưới dạng bột khi tải trọng nhỏ. Bột sẽ dính vào bề mặt tạo
nên lớp màng bôi trơn.


19

1.2.3.2 Tác dụng của nhiệt độ
Nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc chung có thể ảnh hưởng tới mòn theo 3 hướng:
+ Thay đổi tính chất của cặp vật liệu ở chỗ tiếp xúc.
+ Thay đổi dạng của lớp màng trên 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 tính mòn.
Ngoài ra còn là nguyên nhân làm thay đổi pha làm cho tính chất của vật liệu thay
đổi đáng kể. Nhiệt độ cao còn có tác dụng Oxy hóa màng dầu bôi trơn và sau đó tác
dụng của màng dầu bị phá hủy do phản ứng phân tích ở nhiệt độ cao.
1.2.3.3 Tác dụng của tải trọng

Hình 1.7 Ảnh hưởng của tải trọng tới tính mài mòn: (a)Các vùng biến dạng dẻo độc
lập dưới các tiếp xúc của nhấp nhô bề mặt của một mặt phẳng dưới tác dụng của
tải trọng thấp; (b)Tương tác của các vùng biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải
trọng lớn.
Tải trọng có ảnh hưởng lớn đến tốc độ mài mòn. Tăng tải trọng dẫn đến lực
ma sát tăng và do đó làm tăng nhiệt độ làm cho quá trình mòn xảy ra nhanh hơn.
1.2.3.4 Ảnh hưởng của tính tương thích vật liệu
Theo Rabinowicz [5] khuynh hướng kim loại trượt dính vào nhau mạnh được
được quyết định bởi tính tương thích vật liệu của chúng, đó là mức độ hòa tan rắn
khi hai kim loại nóng chảy cùng nhau. Giảm tính tương thích đi liền với giảm mòn.

20

1.2.3.5 Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi
Kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt thể hiện ma sát nhỏ và ít mòn hơn 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 biểu hiện như nhau về ma sát và mòn. Các vật liệu có cấu
trúc lục giác xếp chặt có số mặt phẳng trượt bị hạn chế là nguyên nhân ma sát và
mòn nhỏ.
1.2.3.6 Ảnh hưởng của biên giới hạt
Vùng biên giới hạt là vùng năng lượng cao đặc biệt tại bề mặt. Đối với vật liệu
đa tinh thể, sự tồn tại của biên giới hạt trong vật liệu ảnh hưởng tới tính dính, ma
sát, nứt bề mặt và mòn. Vật liệu đa tinh thể với mật độ biên giới hạt cao có tốc độ
mài mòn cao hơn những vật liệu với mật độ biên giới hạt thấp hơn hoặc vật liệu đơn
tinh thể.
1.3 Phương pháp chống mòn và giảm ma sát
1.3.1 Biện pháp kết cấu (thiết kế)
Xác định kích thước và hình dạng bề mặt làm việc.
Chọn loại ma sát trong các ổ đỡ.
Lựa chọn hợp lý các vật liệu của các cặp ma sát (các bề mặt tiếp xúc).
Hoàn thiện biện pháp điều chỉnh nhiệt độ, đảm bảo bôi trơn và làm mát tốt.
Chọn hệ thống bôi trơn hợp lý.
Bố trí các phương tiện hay các thiết bị lọc không khí và dầu bôi trơn cũng như
các thiết bị làm kín: phải có thiết bị ngăn chặn hạt mài và các tạp chất rơi vào vùng
làm việc.
1.3.2 Các biện pháp khi sử dụng
Tận dụng tối đa khả năng chạy rà các cặp chi tiết đã qua tiếp xúc để đảm bảo
độ ăn khớp tốt. Kiểm tra độ đồng tâm, tổ hợp các chi tiết. Cần phải chạy rà trước
khi vận hành rồi sau đó tăng dần tải trọng.
Theo dõi tỷ mỷ các hoạt động của các cơ cấu của máy móc, thiết bị. Đảm bảo
vệ sinh máy móc khi vận hành.

21

Kiểm tra khe hở các chi tiết hoạt động tiếp xúc nhau. Kiểm tra độ ăn khớp cần
thiết giữa các chi tiết.
Đảm bảo đủ điều kiện chất bôi trơn: Dầu mỡ phải sạch, phải lọc sạch dầu khi
sử dụng, phải thay dầu đúng kỳ hạn,…Phải dùng đúng loại dầu mỡ.
Bảo vệ bề mặt làm việc bằng bôi trơn, sơn phủ, che đậy bụi,…
Không sử dụng khí quá nhiệt, phải sử dụng khí sạch,…
Kiểm tra nghiêm ngặt chất làm mát: nước, dầu, mỡ,..
Kiểm tra máy thường xuyên, phát hiện và sửa chữa kịp thời các hư hỏng và sai
lệch.
1.3.3 Các biện pháp công nghệ
Có nhiều phương pháp có thể áp dụng để tăng tính chống mòn và giảm ma sát
cho bề mặt các cặp chi tiết tiếp xúc động khi làm việc như: tôi bề mặt, hóa – nhiệt
luyện, thấm C, thấm N, thấm C – N, thấm Bo, thấm Cr và phủ màng chống mòn,
trong đó phương pháp phủ màng chống mòn là biện pháp công nghệ mới đạt hiệu
quả và tốc độ phủ cao đồng thời chống ô nhiễm môi trường.
1.3.3.1 Mạ kim loại
Mạ kim loại (mạ điện hóa) được tiến hành nhờ nguyên lý của sự điện phân.
Quá trình mạ được thực hiện bởi sự tạo dung dịch điện ly, và quá trình tạo thành lớp
mạ [2]. Tuy nhiên mạ điện không thể tạo ra các màng phủ có độ cứng cao vì nó
không thể tạo ra các màng có cấu trúc đặc biệt mà chỉ là các loại màng kim loại
nguyên chất. Dung dịch điện ly sử dụng trong quá trình mạ điện khi thải ra ngoài
môi trường sẽ gây ô nhiễm lớn.
1.3.3.2 Phủ màng bằng phương pháp hóa học (Chemical Vapor Depositon-CVD)
Phủ hóa học sử dụng khí như là một nguồn của vật liệu cần phủ lên chi tiết. Ví
dụ: muốn phủ một lớp Carbon giống kim cương (Diamon - like carbon – DLC) lên
bề mặt một chi tiết người ta sử dụng nguồn Carbon là khí Hydro – Carbon (như

CH4, C2H2,…). Có nhiều kỹ thuật phủ bằng phương pháp CVD như: CVD nhiệt,
CVD plasma (PECVD). Kỹ thuật CVD nhiệt lại được phân ra thành các kỹ thuật
sau: sự phân tách nhiệt, nhiệt halogen, dây tóc nóng, ngọn lửa O2 và C2H2. PECVD