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

ết 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 mòn của bi, kính hiển vi đồng tiêu (LCSM) và máy phổ tán sắc nĕng lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học bề mặt bị mòn của bi nhằm đánh giá khả nĕng 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 bôi thì phụ gia không những giảm ma sát, mòn mà còn có khả nĕng tự hồi phục bề mặt chi tiết mòn. 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. Người phản biện: 1. GS.TS. Trần Vĕn Địch 2. TS. Vũ Hoa Kỳ 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 quá trình mài mòn không 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, 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, ZrO 2 và ZnO3 trong dầu bôi trơn, thông qua thí nghiệm thấy rằng, phụ gia nano CuO có khả nĕng hồi phục bề mặt bị mài mòn tốt nhất. Nhóm tác giả của Trung Quốc đã nghiên cứu, phụ gia nano AgS 2 , nano Mg 2 B 2 O5, Mg6[Si4O10](OH)8 với hàm lượng nhất định trong dầu bôi trơn cũng có khả nĕng 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, không phản ứng với một số axit và kiềm. Điều chế TiC từ TiO 2 trong điều kiện nhiệt độ cao. TiC nhẹ, độ nóng chảy cao, độ cứng cao, chống mòn tốt [7]. Từ những tính chất đặc biệt của TiC, do vậy bài viết này nghiên NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 40 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 cứu, thí nghiệm với nĕm 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 nĕng tự hồi phục hao mòn chi tiết là tốt nhất. 2. PHA CHẾ PHỤ GIA VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1. Pha chế phụ gia Cho chất phụ gia vào cốc thủy tinh có dầu bôi 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 PEG- 200 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 bôi 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 phía dưới. Khi có chuyển động ma sát, 3 viên bi phía dưới có vết mòn hình dạng là hình tròn. 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 P 1 . AB = DB = BC = DC = AD = AC = P1; BM = BC∙sin60o = 0,866P1; 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 mòn để đánh giá độ mòn trong quá trình ma sát. Đồng thời sử dụng thiết bị kính hiển vi đồng tiêu (LCSM) và máy phổ tán sắc nĕng lượng (EDX) phân tích thành phần hóa học trên vết mài mòn của viên bi. Kết quả phân tích thành phần hóa học của bề mặt viên bi bị mài mòn sẽ đánh giá được khả nĕng tự hồi phục hao mòn của phụ gia nano TiC. PPP 408.08165.031 == 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. Thông 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 (N) Tốc độ quay (vg/ph) Nhiệt độ (oC) Thời gian thí 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 a, Kết cấu mối ghép 4 bi b, Sơ đồ lực tác dụng 4 bi LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 41Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 3. THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng đến giảm ma sát mài mòn 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 mòn so với dầu bôi trơn nguyên chất (hàm lượng 0,0%). Hình 2. Ảnh hưởng của hàm lượng nano TiC đến hệ số ma sát và đường kính vết mòn Từ hình 2 thấy rằng, hệ số ma sát giảm thì mòn cũng giảm theo và ngược lại. Khi dùng dầu bôi trơn nguyên chất, hệ số ma sát là: 0,0832; đường kính vết mòn 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 mòn là: 0,378 mm). Thông qua thí nghiệm cho thấy, khi bổ sung hàm lượng nhỏ chất phụ gia nano TiC đã cải thiện tính chất của dầu bôi 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, môi trường bôi trơn có chất dính này làm tĕng tính nĕng dầu bôi 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 ngoài là chất dính (PEG- 200 và thành phần dầu bôi 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 lĕn, chính vì vậy, hệ số ma sát và mòn giảm [8]. Nhưng tiếp tục bổ sung hàm lượng tĕng lên 0,75%, hệ số ma sát và vết mòn lại có xu hướng tĕng. Đặc biệt với hàm lượng phụ gia 1,00%, ma sát và mòn không những không giảm mà còn 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 bôi trơn, có thể do quá trình phân tán không 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 mòn nhỏ nhất khi 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 mòn 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 tĕng 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 không 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 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 nĕng tự hồi phục mài mòn của chất phụ gia nano TiC. Thông qua kính hiển vi đồng tiêu (LCSM) và máy phổ tán sắc nĕng 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 mòn khi dùng dầu bôi trơn nguyên chất. 3.2.1. Khi sử dụng dầu bôi trơn nguyên chất Từ hình 4 có thể quan sát thấy, khi sử dụng dầu bôi trơn nguyên chất, đường kính vết mòn có nhiều nhấp nhô 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 toàn bộ bề mặt vết mài mòn (hình 4a, 4b). Độ lệch trung bình của profin hình học bề mặt Ra = 1887 nm (hình 4c). Dùng máy phổ tán sắc nĕng 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. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 42 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 a, Toàn bộ đường kính vết mòn b, Vết mòn tại trung tâm c, Trung tâm vết mòn (hình 3D) d, EDX phân tích thành phần hóa học Hình 4. Dùng thiết bị LCSM và EDX quan sát và phân tích vết mòn khi dùng dầu bôi trơn nguyên 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 mòn (LCSM) và phân tích thành phần hóa học (EDX) trên vết mòn 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 bôi trơn nguyên chất có rất ít nhấp nhô, 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 mòn (hình 5a; 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 mòn có tồn tại các nguyên 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 mòn 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 mô bề mặt chi tiết. a, Toàn bộ đường kính vết mòn b, Vết mòn tại trung tâm c, Trung tâm vết mòn (hình 3D) d, EDX phân tích thành phần hóa học Hình 5. Dùng LCSM và EDX quan sát, phân tích vết mòn khi dùng hàm lượng 0,5% phụ gia nano TiC LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 43Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 5. KẾT LUẬN - Nghiên cứu thực nghiệm về phụ gia nano TiC trong dầu bôi trơn có ảnh hưởng đến ma sát, mòn 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 nĕng lượng (EDX) có khả nĕng phân tích thành phần hóa học trên vết mài mòn. - 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 tĕng lên 0,75%, ma sát và đường kính vết mòn giảm không đáng kể so với dầu nguyên chất. - Với hàm lượng phụ gia 1,00% trong dầu bôi trơn, ma sát và mòn không những không giảm mà còn diễn ra mãnh liệt hơn. [1] VS. GS.TSKH. Nguyễn Anh Tuấn, PGS.TS. Phạm Vĕn 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. TÀI LIỆU THAM KHẢO THÔNG TIN TÁC GIẢ Nguyễn Đình Cương - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Nĕm 2004: Tốt nghiệp Đại học, chuyên ngành Ô tô - máy kéo, Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội + Nĕm 2009: Tốt nghiệp Thạc sĩ, chuyên ngành Cơ khí chế tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội + Nĕm 2015: Tốt nghiệp Tiến sĩ, chuyên ngành Kỹ thuật xe, Trường Đại học Giao thông Tây Nam, Tứ Xuyên, Trung Quốc - Tóm tắt công việc hiện tại: Phó Trưởng khoa, Giảng viên, Khoa Ô tô, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Kết cấu ô tô, nhiên liệu, chẩn đoán ô tô, ma sát học, cơ khí ô tô - Email: nguyencuong1111980@gmail.com