Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nano TiC trong dầu bôi trơn đến khả năng phục hồi mòn

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng nano TiC trong dầu
bôi trơn đến khả năng phục hồi mòn
Research affecting of TiC nano content in lubricant oil
to self-repairing possibility
Nguyễn Đình Cương
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 22/11/2019
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 31/12/2019
Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2019
Tóm tắt
Sử dụng thiết bị ma sát 4 bi MRS-10A để thí nghiệm hàm lượng phụ gia nano TiC trong dầu bôi trơn
ảnh hưởng đến ma sát học. Dùng máy đo đường kính mài mịn của bi, kính hiển vi đồng tiêu (LCSM)
và máy phổ tán sắc năng lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học bề mặt bị mòn của bi nhằm đánh
giá khả năng tự hồi phục mài mòn của phụ gia nano TiC. Kết quả thí nghiệm thấy rằng, khi bổ sung hàm
lượng phụ gia 0,5% nano TiC vào dầu bơi thì phụ gia khơng những giảm ma sát, mịn mà cịn có khả
năng tự hồi phục bề mặt chi tiết mịn.
Từ khóa: Vật liệu nano; tự hồi phục; mài mòn; chất phụ gia nano TiC.
Abstract
Using MRS-10A 4-ball friction device to test TiC nano additive content in lubricating oil affecting friction.
Using the abrasive diameter gauge of the ball, the confocal microscope (LCSM) and the energy
dispersion spectrometer (EDX) to analyze the chemical composition of the abrasive surface of the ball
to evaluate the self-repairing ability of TiC nano additive. Experimental results indicate that when adding
the content of 0.5% TiC nano additive in the lubricant, the additive not only reduces friction, abrasion,
but also has better self-repair and surface polishing effect.
Keywords: Nano materials; self-repairing; abrasion; TiC nano additive.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Mài mòn là sự phá hoại dần dần bề mặt ma sát,
sẽ thay đổi kích thước theo thời gian. Trong q

trình mài mịn khơng xảy ra sự phá hoại kim loại
gốc mà chỉ xảy ra sự phá hoại trên lớp bề mặt chi
tiết. Trong các máy móc bị hỏng, phần lớn không
phải do bị gãy mà do mòn và do hư hỏng bề mặt
ma sát trong các mối liên kết động [1]. Các báo
cáo và thống kê đã kết luận được rằng, khi ứng
dụng những nghiên cứu chống ma sát mài mòn sẽ
làm giảm thiệt hại GNP từ 1,0% đến 5,6% [2]. Tác
dụng của chất bôi trơn sẽ làm giảm hệ số ma sát,
mòn, làm mát, bao kín, bảo vệ và làm sạch bề mặt.
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu về phụ gia nano
trong dầu bôi trơn không những giảm ma sát,
Người phản biện: 1. GS.TS. Trần Văn Địch
2. TS. Vũ Hoa Kỳ

chống mài mòn mà còn tự hồi phục mài mòn của
cặp chi tiết tiếp xúc. Nghiên cứu của nhóm tác
giả Hernández Battez A [3] với chất phụ gia nano
CuO, ZrO2 và ZnO3 trong dầu bôi trơn, thơng qua
thí nghiệm thấy rằng, phụ gia nano CuO có khả
năng hồi phục bề mặt bị mài mịn tốt nhất. Nhóm
tác giả của Trung Quốc đã nghiên cứu, phụ gia
nano AgS2, nano Mg2B2O5, Mg6[Si4O10](OH)8 với
hàm lượng nhất định trong dầu bơi trơn cũng có
khả năng nâng cao tính chất của dầu bôi trơn dẫn
đến giảm được hệ số ma sát và tự hồi phục mài
mòn của chi tiết ma sát [4÷6].
TiC có màu xám, mạng tinh thể dạng khối lập
phương, ổn định hóa học, khơng phản ứng với
một số axit và kiềm. Điều chế TiC từ TiO2 trong

điều kiện nhiệt độ cao. TiC nhẹ, độ nóng chảy cao,
độ cứng cao, chống mịn tốt [7]. Từ những tính
chất đặc biệt của TiC, do vậy bài viết này nghiên

Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 39


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
cứu, thí nghiệm với năm hàm lượng chất phụ gia
nano TiC trong dầu bôi trơn động cơ diesel (CF-4
15W/40, từ đó đưa ra được hàm lượng phụ gia
của TiC hợp lý để hệ số ma sát và mài mòn là nhỏ
nhất và khả năng tự hồi phục hao mịn chi tiết là
tốt nhất.

phía dưới. Khi có chuyển động ma sát, 3 viên bi
phía dưới có vết mịn hình dạng là hình trịn. Về trị
lực tác dụng và trị số như hình 1b, dưới tác dụng
ngoại lực P tác dụng lên viên bi đỉnh (1), mỗi viên
bi phía dưới sẽ nhận lực tương hỗ P1.

2. PHA CHẾ PHỤ GIA VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

BM = BC∙sin60o = 0,866P1;

2.1. Pha chế phụ gia
Cho chất phụ gia vào cốc thủy tinh có dầu bơi
trơn CF-4 15W/40. Trong đó, phụ gia là nano TiC
có độ hạt trung bình là 25 nm và chất phân tán
(polyethylene glycol) trọng lượng phân tử PEG200 với tỷ lệ nhất định (tỷ lệ khối lượng 1:2). Trước

tiên dùng đũa thủy tinh khuấy đều, sau đó đặt cốc
dầu hỗn hợp đã pha chế vào máy phát sóng siêu
âm trong thời gian 30 phút, chất phụ gia phân tán
ổn định trong dầu bơi trơn.
2.2. Thiết bị thí nghiệm
Dùng máy thí nghiệm ma sát 4 bi MRS-10A, viên
bi thí nghiệm có trị số đường kính là 12,7 mm, độ
cứng HRC: 64-66. Nguyên lý làm việc của máy
bốn bi theo hình 1. Viên bi phía trên được kẹp chặt
bởi kẹp bi (4), và có chuyển động quay. Ba viên bi
ở dưới được cố định bởi mối ghép (3). Khi viên bi
(1) quay sẽ tiếp xúc ma sát với ba viên bi cố định

AB = DB = BC = DC = AD = AC = P1;

P1 =

P
0.8165 = 0.408P
3

2.3. Thông số và phương pháp phân tích
Dựa theo tiêu chuẩn SH-T0762-2005 (Tiêu chuẩn
4 bi - Trung Quốc), thí nghiệm với hàm lượng chất
phụ gia nano TiC (%) thay đổi, thông số liệt kê theo
bảng 1. Dùng máy đo mài mòn của 3 viên bi cố
định phía dưới, sau đó tính trung bình đường kính
vết mài mịn để đánh giá độ mịn trong q trình
ma sát. Đồng thời sử dụng thiết bị kính hiển vi
đồng tiêu (LCSM) và máy phổ tán sắc năng lượng

(EDX) phân tích thành phần hóa học trên vết mài
mịn của viên bi. Kết quả phân tích thành phần
hóa học của bề mặt viên bi bị mài mòn sẽ đánh
giá được khả năng tự hồi phục hao mòn của phụ
gia nano TiC.

a, Kết cấu mối ghép 4 bi
b, Sơ đồ lực tác dụng 4 bi
Hình 1. Nguyên lý và cấu tạo của ma sát 4 viên bi
1, Viên bi đỉnh; 2, Ba viên bi phía dưới; 3, Mối ghép kẹp 3 viên bi; 4, Kẹp bi.
Bảng 1. Thơng số thí nghiệm với hàm lượng chất phụ gia nano TiC (%) thay đổi
Lần thí
nghiệm

Hàm lượng chất phụ
gia nano TiC (%)

Chất phân tán
PEG-200 (%)

Tải trọng Tốc độ quay Nhiệt độ Thời gian thí
(N)
(vg/ph)
(oC)
nghiệm (phút)

1

0,0

0,0

392

600

75

60

2

0,25

0,50

392

600

75

60

3

0,50

1,0

392

600

75

60

4

0,75

1,5

392

600

75

60

5

1,0

2,0

392

600

75

60

40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
3. THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng đến giảm ma
sát mài mịn
Với các hàm lượng từ 0,25%÷1,0% của phụ gia
nano TiC (hình 2) thấy rằng: chất phụ gia đã cải
thiện chất lượng dầu bôi trơn dẫn đến giảm ma
sát mài mịn so với dầu bơi trơn ngun chất (hàm
lượng 0,0%).

hàm lượng chất phụ gia là 0,5%. So sánh với dầu
bôi trơn nguyên chất, khi dùng chất phụ gia nano
TiC hàm lượng 0,5%, hệ số ma sát giảm 6,9% và
đường kính vết mịn nhỏ hơn 10,4%.
Phân tích hệ số ma sát thay đổi theo thời gian
được thể hiện qua hình 3. Từ hình 3 quan sát thấy,
hệ số ma sát của dầu bôi trơn nguyên chất biến đổi
đều trong suốt quá trình thí nghiệm. Nhưng có phụ
gia nano 0,25% và 0,5% trong dầu bôi trơn, hệ số
ma sát trong giai đoạn đầu tăng đến một giá trị giới
hạn sau đó có xu hướng giảm dần và ổn định. Tiếp

tục với hàm lượng phụ gia nano 0,75% thì hệ số
ma sát khơng ổn định, không theo quy luật. Chất
phụ gia nano trong dầu bôi trơn phản tác dụng khi
hàm lượng 1,0%, hệ số ma sát lớn nhất. Hình 3, có
thể quan sát dễ dàng, hàm lượng phụ gia nano TiC
là 0,5%, trị số ma sát nhỏ và ổn định, tác dụng của
chất phụ gia giảm ma sát là tốt nhất.

Hình 2. Ảnh hưởng của hàm lượng nano TiC
đến hệ số ma sát và đường kính vết mịn
Từ hình 2 thấy rằng, hệ số ma sát giảm thì mịn
cũng giảm theo và ngược lại. Khi dùng dầu bôi trơn
nguyên chất, hệ số ma sát là: 0,0832; đường kính
vết mịn là: 0,402 mm. Nhưng thêm một lượng nhỏ
hàm lượng 0,25% phụ gia nano TiC, trị số hệ số
ma sát và vết mòn giảm rõ rệt (hệ số ma sát là:
0,0811; đường kính vết mịn là: 0,378 mm). Thơng
qua thí nghiệm cho thấy, khi bổ sung hàm lượng
nhỏ chất phụ gia nano TiC đã cải thiện tính chất
của dầu bơi trơn. Do điều kiện của tải trọng và các
điều kiện nhiệt khác, chất phụ gia nano phản ứng
phân giải dầu bôi trơn tạo ra chất dính, mơi trường
bơi trơn có chất dính này làm tăng tính năng dầu
bơi trơn. Mặt khác, trên bề mặt chi tiết ma sát hình
thành các siêu bi, tâm các siêu bi là các nano và
“mạt sắt” tế vi, bao bên ngồi là chất dính (PEG200 và thành phần dầu bơi trơn). Trong quá trình
ma sát, một phần các siêu bi này sẽ chuyển động
và khuếch tán, bảo vệ bề mặt chi tiết, phần còn lại
nằm giữa khe hở cặp ma sát dẫn đến chuyển đổi
dạng ma sát trượt sang dạng ma sát lăn, chính

vì vậy, hệ số ma sát và mòn giảm [8]. Nhưng tiếp
tục bổ sung hàm lượng tăng lên 0,75%, hệ số ma
sát và vết mịn lại có xu hướng tăng. Đặc biệt với
hàm lượng phụ gia 1,00%, ma sát và mịn khơng
những khơng giảm mà cịn diễn ra mãnh liệt. Trong
trường hợp này có thể giải thích rằng, khi phụ gia
nano với hàm lượng nhiều thì phụ gia lại như tạp
chất trong đầu bơi trơn, có thể do q trình phân
tán khơng tốt, sẽ phát sinh hiện tượng nano tự liên
kết cục bộ thành hạt nano lớn từ đó làm cản trở sự
chuyển động tương đối của chi tiết ma sát [9]. Với
trị số của hệ số ma sát và vết mịn nhỏ nhất khi

Hình 3. Hệ số ma sát của các hàm lượng phụ gia
nano TiC thay đổi theo thời gian
3.2. Tự hồi phục
Đánh giá khả năng tự hồi phục mài mòn của chất
phụ gia nano TiC. Thơng qua kính hiển vi đồng tiêu
(LCSM) và máy phổ tán sắc năng lượng (EDX)
phân tích thành phần hóa học trên bề mặt mài
mòn của viên bi khi dùng hàm lượng 0,5% phụ gia
nano TiC và so sánh vết mài mịn khi dùng dầu bơi
trơn ngun chất.
3.2.1. Khi sử dụng dầu bơi trơn ngun chất
Từ hình 4 có thể quan sát thấy, khi sử dụng dầu bôi
trơn nguyên chất, đường kính vết mịn có nhiều
nhấp nhơ cao, độ sâu cày xước rất rõ nét trên bề
mặt ma sát, toàn bề mặt tương đối xù xì. Vết cào
xước rõ nét và trên tồn bộ bề mặt vết mài mịn
(hình 4a, 4b). Độ lệch trung bình của profin hình

học bề mặt Ra = 1887 nm (hình 4c). Dùng máy
phổ tán sắc năng lượng (EDX) phân tích thành
phần hóa học trên bề mặt ma sát (hình 4d), thấy
tồn tại chủ yếu các thành phần các nguyên tố hóa
học của viên bi là Fe, Cr, S.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 41


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

a, Tồn bộ đường kính vết mịn

c, Trung tâm vết mịn (hình 3D)

b, Vết mịn tại trung tâm

d, EDX phân tích thành phần hóa học

Hình 4. Dùng thiết bị LCSM và EDX quan sát và phân tích vết mịn khi dùng dầu bơi trơn ngun chất
3.2.2. Sử dụng phụ gia nano TiC hàm lượng 0,5%
Với hàm lượng 0,5% của chất phụ gia nano TiC
trong dầu bôi trơn, quan sát bề mặt vết mịn
(LCSM) và phân tích thành phần hóa học (EDX)
trên vết mịn được thể hiện trên hình 5. Từ hình vẽ
có thể quan sát thấy, bề mặt vết mòn khi dùng hàm
lượng 0,5% của chất phụ gia nano TiC trong dầu
bôi trơn so với dùng dầu bơi trơn ngun chất có
rất ít nhấp nhơ, bề mặt tương đối bằng phẳng, vết
cày xước không sâu, không rõ nét. Vết xước chỉ

tập trung chủ yếu ở vùng biên vết mịn (hình 5a;

a, Tồn bộ đường kính vết mịn

c, Trung tâm vết mịn (hình 3D)

5b). Độ lệch trung bình của profin hình học bề mặt
Ra = 1467 nm (5c). Hình 5d dùng EDX phân tích
thành phần hóa học trên bề mặt vết mịn có tồn
tại các ngun tố hóa học Fe, Ti, Cr và Si. Trong
đó, nguyên tố Fe, Cr và Si là thành phần hóa học
của chi tiết ma sát (viên bi), nguyên tố Ti là từ chất
phụ gia nano TiC trong dầu bôi trơn. Nguyên tố Ti
tồn tại trên bề mặt vết mịn có trị số là 0,56%. Do
vậy có thể kết luận rằng, chất phụ gia nano TiC
trong dầu bôi trơn đã bổ sung, khuếch tán vào vết
mòn nên bề mặt ma sát giảm độ mấp mơ bề mặt
chi tiết.

b, Vết mịn tại trung tâm

d, EDX phân tích thành phần hóa học

Hình 5. Dùng LCSM và EDX quan sát, phân tích vết mịn khi dùng hàm lượng 0,5% phụ gia nano TiC

42 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
5. KẾT LUẬN

- Nghiên cứu thực nghiệm về phụ gia nano TiC
trong dầu bôi trơn có ảnh hưởng đến ma sát, mịn
và tự hồi phục chi tiết.
- Dùng thiết bị ma sát 4 bi MRS-10A để đánh giá
được hệ số ma sát, đồng thời với kính hiển vi
đồng tiêu (LCSM) và máy phổ tán sắc năng lượng
(EDX) có khả năng phân tích thành phần hóa học
trên vết mài mịn.

- Kết quả thí nghiệm thấy rằng, hàm lượng phụ gia
nano TiC là 0,5% giảm ma sát, mòn và phục hồi bề
mặt chi tiết bị mòn. Đồng thời thí nghiệm cũng cho
thấy, nếu hàm lượng phụ gia nano TiC tăng lên
0,75%, ma sát và đường kính vết mịn giảm khơng
đáng kể so với dầu ngun chất.
- Với hàm lượng phụ gia 1,00% trong dầu bôi trơn,
ma sát và mịn khơng những khơng giảm mà cịn
diễn ra mãnh liệt hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] VS. GS.TSKH. Nguyễn Anh Tuấn, PGS.TS. Phạm
Văn Hùng (2007), Ma sát học, NXB Khoa học và
Kỹ thuật, tr. 3-11.
[2] Jost H P. Tribology Micro & Macro Economics: A
Road to Economic Savings (2005), Tribology and
Lubrication Technology, Vo.ls 61 No. 10: 18-23.
[3] Hernández Battez A , González R, Viesca J L, et
al (2008), CuO, ZrO2 and ZnO nanoparticles as
antiwear additive in oil lubricants. Wear, Vo.ls 26
No.5: 422-428.

[4] Bahadur S, Zhao Q (1998), A study of the
modification of the friction and wear behavior of
polyphenylene sulfide by particulate Ag2S and
PbTe fillers, Wear, Vo.ls 217 No.1: 62-72.
[5] Hu Z S, Lai R, Lou F, et al (2012). Preparation and
tribological properties of nanometer magnesium
borate as lubricating oil additive. Wear, Vols. 252:
370-374.

[6] Xiao Zhou, Su Xunjia, Hou Genliang (2012), et al.
Synthesis and tribological properties of serpentine
powders by hydrothermal method[J]. Lubrication
engineering, Vols. 37 No.10: 45-49.
[7] Weijie Lu, Di Zhang, Xiaonong Zhang (2011),
Microstructural characterization of TiB in situ
synthesized titanium matrix composites prepared
by common casgtintechnique, Journal of Alloys
and Compounds, Vols. 327: 240-247.
[8] Zhao Yanbao, Zhang Zhijun, Dang Hongxin
(2004), Fabrication and tribolobical properties
of Pb nanoparticles. Journal of Nanoparticle
Research, Vols, No.6: 47-51.
[9]

Effects of Polyethylene G lycol on Stability of Nano
Silica in Aqueous Suspension (2007), Journal of
Academy of Armored Force Engineering, Jun,
Vo.ls 21 No. 3: 74-77.

THÔNG TIN TÁC GIẢ

Nguyễn Đình Cương
- Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 2004: Tốt nghiệp Đại học, chuyên ngành Ô tô - máy kéo, Trường Đại học Nông
nghiệp I Hà Nội
+ Năm 2009: Tốt nghiệp Thạc sĩ, chuyên ngành Cơ khí chế tạo, Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội
+ Năm 2015: Tốt nghiệp Tiến sĩ, chuyên ngành Kỹ thuật xe, Trường Đại học Giao thông
Tây Nam, Tứ Xuyên, Trung Quốc
- Tóm tắt cơng việc hiện tại: Phó Trưởng khoa, Giảng viên, Khoa Ơ tơ, Trường Đại học
Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Kết cấu ô tô, nhiên liệu, chẩn đốn ơ tơ, ma sát học, cơ khí ơ tơ
- Email:

Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 43