Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng PEG - 200 đến giảm ma sát và tự phục hồi mòn của nano tio trong dầu bôi trơn CF4 - 15W40

sau phản biện: 11/9/2017 Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017 Túm tắt Ma sỏt và mài mũn dẫn đến giảm hiệu suất của chi tiết mỏy. Chất phụ gia nano trong dầu bụi trơn cú khả năng làm giảm ma sỏt và tự hồi phục bề mặt mài mũn. Sử dụng thiết bị ma sỏt 4 bi (MRS-10A) thớ nghiệm với phụ gia nano TiO2 hàm lượng 0,5% và cỏc hàm lượng chất phõn tỏn (PEG-200) bổ sung vào dầu bụi trơn để đỏnh giỏ mức độ giảm ma sỏt. Dựng thiết bị đo đường kớnh vết mũn của bi, kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) và mỏy phổ tỏn sắc năng lượng (EDX) phõn tớch thành phần húa học bề mặt vết mũn, từ đú phõn tớch khả năng tự hồi phục mài mũn của phụ gia nano TiO2. Kết quả thớ nghiệm thấy rằng, khi bổ sung hàm lượng phụ gia 0,5% nano TiO2 và 1,0% PEG-200 vào dầu bụi đó đạt được hiệu quả giảm ma sỏt và hồi phục bề mặt mài mũn tốt nhất trong điều kiện vật lý tiến hành thực nghiệm. Từ khúa: Ma sỏt mài mũn; tự hồi phục; chất phụ gia nano TiO2; polyethylene glycol (PEG). Abstract Friction and abrasion are the reasons leading to the efficiency reduction of machine part. The nano additives in lubricant are capable of reducing friction and self-recovering abrasive surfaces. The article utilized four-ball friction device (MRS-10A) experimented with 0.5% of TiO2 nano additive and dispersant content (PEG-200) added to the lubricant to assess the level of friction reduction. Ball wear diameter- measurement device, Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDX) are used to analyze the chemical elements of wear surface and the ability of abrasive self- recovering of TiO2 nano additive. The experiment results showed that the addition of 0.5% nano TiO2 and 1.0% PEG-200 additive to the lubricant had the best effect on friction reduction and surface abrasion under physical condition to conduct experiments. Keywords: Friction brasion; self-recovering; TiO2 nano additive; polyethylene glycol (PEG). 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trờn thế giới, cỏc quốc gia phỏt triển đặc biệt quan tõm hướng nghiờn cứu về chất phụ gia nano trong dầu bụi trơn. Ở Mỹ, Christopher DellaCorte [1] nghiờn cứu hỗn hợp phụ gia nano Ag/BaF2-CaF2 tự hồi phục mũn bề mặt ma sỏt. Nghiờn cứu phỏt hiện ra rằng, chất phụ gia nano này khụng những đó tự hồi phục mài mũn của cặp chi tiết ma sỏt mà cũn hỡnh thành lớp kim loại bảo vệ bề mặt ma sỏt nờn chống được mài mũn. Nhúm tỏc giả Nga, G.V. Vinogradov [2] nghiờn cứu chất phụ gia nano lưu huỳnh trong dầu bụi trơn, thớ nghiệm trờn mỏy 4 bi, kết quả thớ nghiệm thấy rằng, vết mũn trờn bề mặt của bi nhỏ. Tỏc giả A. Neville [3] (Vương quốc Anh) nghiờn cứu, khi bổ sung hàm lượng chất phụ gia tối ưu trong dầu bụi trơn sẽ làm giảm hệ số ma sỏt, mài mũn của cặp chi tiết ma sỏt. Thụng qua cỏc kết quả nghiờn cứu, sự phõn tỏn đều và 53 LIấN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chớ Nghiờn cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 ổn định trong thời gian dài của của phụ gia nano trong dầu bụi trơn là yếu tố quyết định đến giảm ma sỏt và mài mũn của chi tiết [4]. TiO2 là hợp chất cú cỏc tớnh chất: độ núng chảy cao, ớt chịu bị ăn mũn húa học, dễ khuếch tỏn vào bề mặt kim loại, chịu mài mũn, độ cứng lớn nhưng vẫn giữ độ dẻo [5]. PEG-200 là chất phõn tỏn, ở thể lỏng khụng màu trong suốt và là chất hoạt động bề mặt. Trong điều kiện mụi trường chất lỏng thớch hợp, PEG-200 sẽ bao quanh hạt nano, ngăn cản cỏc hạt nano tự liờn kết với nhau [6-7]. Bài viết này trỡnh bày kết quả nghiờn cứu hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma sỏt và tự hồi phục mài mũn của nano TiO2 trong dầu bụi trơn CF4-15W/40. 2. VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1. Vật liệu thớ nghiệm Lựa chọn nano TiO2 là 10 nm (Cụng ty TNHH Vật liệu nano kim loại Thượng Hải, Trung Quốc); chất phõn tỏn polyethylene glycol, trọng lượng phõn tử PEG-200 (Cụng ty TNHH Húa chất Quảng Đụng, Trung Quốc); Dầu bụi trơn CF4-15W/40. Viờn bi tiờu chuẩn, vật liệu GCr l5, đường kớnh 12,7 mm, độ cứng HRC 64-66. 2.2. Pha chế phụ gia Chất phụ gia được pha chế bằng cỏch: Trộn phụ gia nano TiO2 với PEG-200, sau đú đổ vào cốc dầu bụi trơn CF4-15W/40, trước tiờn dựng đũa thủy tinh khuấy đều, sau đú đặt cốc dầu bụi cú phụ gia vào mỏy phỏt súng siờu õm KH3200E (hỡnh 1), trong thời gian 30 phỳt [8]. Hỡnh 1. Phõn tỏn chất phụ gia nano trong dầu bụi trơn 2.3. Thiết bị thớ nghiệm Hỡnh 2. Nguyờn lý của ma sỏt 4 viờn bi 1-Viờn bi đỉnh; 2-Ba viờn bi phớa dưới; 3-Mối ghộp kẹp 3 viờn bi; 4-Kẹp bi; 5-Đai ốc ren ngoài. Sử dụng thiết bị ma sỏt 4 bi MRS-10A để thớ nghiệm với dầu bụi trơn cú phụ gia nano. Khi thớ nghiệm, nhập cỏc thụng số đầu vào: Tải trọng (N), tốc độ (vg/ph), nhiệt độ (oC), thời gian thớ nghiệm (phỳt) và khoảng cỏch thời gian ‘‘ghi nhớ’’ thụng số. Kết thỳc thớ nghiệm sẽ xuất ra bảng thụng số đầu ra: Thời gian, mụmen xoắn, tải trọng, tốc độ, hệ số ma sỏt, nhiệt độ, tốc độ. Nguyờn lý làm việc của mỏy bốn bi theo hỡnh 2. Viờn bi phớa trờn được kẹp chặt bởi kẹp bi (4) và cú chuyển động quay. Ba viờn bi ở dưới được cố định bởi mối ghộp đai ốc ren ngoài (5). Khi viờn bi (1) quay sẽ tiếp xỳc ma sỏt với ba viờn bi cố định phớa dưới. Khi chuyển động, 3 viờn bi phớa dưới bị mài mũn biờn dạng (vết mũn) là hỡnh trũn. 2.4. Thụng số thớ nghiệm và phương phỏp phõn tớch Dựa theo tiờu chuẩn SH-T0762-2005 (tiờu chuẩn 4 bi-Trung Quốc) [9], thử nghiệm trờn thiết bị ma sỏt 4 bi MRS-10A do Trung Quốc sản xuất. Thớ nghiệm với phụ gia nano trong dầu bụi trơn đó pha chế như mục 2.2. Điều kiện thớ nghiệm liệt kờ theo bảng 1. Dựng mỏy đo biờn dạng mài mũn của 3 viờn bi cố định phớa dưới, sau đú tớnh trung bỡnh đường kớnh vết mài mũn để đỏnh giỏ độ mũn trong quỏ trỡnh ma sỏt. Sử dụng kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) và mỏy phổ tỏn sắc năng lượng 54 NGHIấN CỨU KHOA HỌC Tạp chớ Nghiờn cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 (EDX) quan sỏt vết mũn và phõn tớch thành phần húa học trờn vết mài mũn của viờn bi. Kết quả quan sỏt vết cầy xước bề mặt ma sỏt và phõn tớch thành phần húa học của bề mặt viờn bi bị mài mũn sẽ đỏnh giỏ được khả năng tự hồi phục mũn của phụ gia nano TiO2. Bảng 1. Bảng thụng số thớ nghiợ̀m với cỏc hàm lượng PEG-200 Lần TN Hàm lượng nano TiO2 (%) PEG- 200 (%) Tải trọng (N) Tốc độ (vg/ ph) Nhiệt độ (OC) Thời gian TN (phỳt) 1 0,5 0,00 392 600 75 60 2 0,5 0,25 392 600 75 60 3 0,5 0,50 392 600 75 60 4 0,5 1,00 392 600 75 60 5 0,5 1,50 392 600 75 60 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200 đến sự lắng đọng của nano TiO2 Hạt nano kim loại thường cú độ hạt vài đến vài chục nanomột, cỏc hạt nano này trong mụi trường dầu bụi trơn cú tớnh năng tự liờn kết với nhau tạo thành cỏc hạt lớn hơn. Nếu đơn thuần cho cỏc hạt nano vào trong dầu bụi trơn, khụng những chất phụ gia nano khụng thể giảm ma sỏt mũn mà cũn cú thể sinh kết quả khụng như mong muốn. Giả sử cỏc hạt nano tự liờn kết cục bộ trong dầu bụi trơn sẽ biến thành tạp chất ảnh hưởng đến tớnh chất bụi trơn. Do vậy, thành phần phụ gia trong dầu bụi trơn nhất thiết phải gồm vật liệu nano và chất phõn tỏn [10]. Cú nhiều yếu tố để nano phõn tỏn đều trong dầu bụi như: chủng loại, phõn tử lượng, hàm lượng của chất phõn tỏn; lựa chọn cỏc thụng số của mỏy phõn tỏn [11]. Chất phõn tỏn phải đảm bảo hai điều kiện là: chất phụ gia nano khụng những phõn tỏn đều trong dầu bụi trơn mà cũn duy trỡ trong thời gian dài và khụng bị lắng đọng. Sau khi pha chế chế phụ gia (mục 2.2), hàm lượng 0,5% nano TiO2 pha với 5 hàm lượng chất phõn tỏn PEG-200 (bảng 2). Sau đú lần lượt rút dầu bụi trơn cú pha phụ gia vào cỏc ống nghiệm. Trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, ỏp suất khụng khớ tiờu chuẩn, sau 30 ngày quan sỏt sự lắng đọng của chất phụ gia (hỡnh 3). Bảng 2. Mẫu thớ nghiợ̀m của cỏc hàm lượng chất phõn tỏn Mẫu TN O0 O1 O2 O3 O4 Hàm lượng/% 0 0,25 0,5 1,0 1,5 Từ hỡnh 3 quan sỏt thấy hàm lượng chất phõn tỏn ảnh hưởng đến sự lắng đọng của phụ gia nano TiO2, khi hàm lượng chất phõn tỏn là 0% (O0) và hàm lượng chất phõn tỏn 1,5% (O4) dễ dàng quan sỏt thấy ở đỏy ống nghiệm và thành ống cú một lớp chất phụ gia nano TiO2 màu trắng đục lắng đúng ở đỏy và một phần bỏm vào thành ống nghiệm. Với hàm lượng PEG tăng từ 0,25 đến 1,0% (mẫu O1, O2, O3), sự lắng đọng chất phụ gia càng ớt dần. Khi hàm lượng PEG-200 là 1,0% quan sỏt (mẫu O3), tại đỏy và thành ống nghiệm hầu như khụng cú sự lắng đọng. Cú thể khẳng định rằng, sự phõn tỏn của nano TiO2 trong dầu bụi trơn là tốt nhất. Hỡnh 3. Sự lắng đọng của phụ gia với hàm lượng chất phõn tỏn khỏc nhau (sau 30 ngày) 3.2. Hàm lượng PEG-200 ảnh hưởng đến ma sỏt mài mũn Thớ nghiệm với 5 mẫu thớ nghiệm (bảng 2) để đỏnh giỏ mức độ giảm ma sỏt, mài mũn. Từ hỡnh 4 thấy rằng, hệ số ma sỏt và vết mũn của chi tiết ma sỏt bị ảnh hưởng bởi hàm lượng PEG-200. Khi dầu bụi trơn chỉ cú phụ gia nano TiO2 (0% hàm lượng PEG-200), hệ số ma sỏt trung bỡnh là 0,0886 và đường kớnh vết mũn trung bỡnh là 0,91 mm. Nhưng hàm lượng chất phõn tỏn là 0,25%; 0,50%; 1,0% và 1,5% thỡ hệ số ma sỏt giảm lần lượt là: 11,2%; 13,6%; 20,6% và 7,3%, vết mũn của chi tiết ma sỏt cũng giảm lần lượt là: 8,7%; 10,9%; 24,1% và 5,4%. 55 LIấN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chớ Nghiờn cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 Hỡnh 4. Ảnh hưởng của hàm lượng PEG-200 đến hợ̀ số ma sỏt và đường kớnh vết mũn Hỡnh 5. Dựng SEM quan sỏt vết mài mũn a) Hàm lượng 0,0% PEG; b) Hàm lượng 0,25% PEG; c) Hàm lượng 0,5% PEG; d) Hàm lượng 1,0% PEG; e) Hàm lượng 1,5% PEG Khi bổ sung chất phụ gia nano kim loại và chất phõn tỏn PEG-200 (chất hoạt động bề mặt) hợp lý vào trong dầu bụi trơn thỡ cỏc phần tử PEG-200 sẽ bỏm xung quanh cỏc hạt nano (trạng thỏi no) làm cho giảm lực Van der Waals (lực phõn tử), lực tĩnh điện [12-13]. Nếu hàm lượng PEG-200 ớt sẽ khụng đủ để bỏm đều xung quanh cỏc hạt nano sẽ dẫn đến cỏc hạt nano TiO2 liờn kết với nhau thành cỏc hạt lớn do cỏc lực hỳt phõn tử và tĩnh điện. Nhưng nếu hàm lượng PEG-200 nhiều quỏ thỡ cỏc cỏc hạt nano TiO2 lại sinh ra hiện tượng dớnh vào nhau và phõn bố cục bộ tại khu vực nhất định. Với hàm lượng 1,0% của chất phõn tỏn PEG và 0,5% nano 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 0.060 0.065 0.070 0.075 0.080 0.085 0.090 0.095 0.100 Hàm lượng PEG(%) H ệ số m a sá t ( f) 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 Hệ số ma sát Đường kính vết mòn Đ ường kính vết m òn (m m ) TiO2 là lượng vừa đủ để chất phụ gia phõn tỏn đều và treo lơ lửng trong dầu bụi trơn. 3.3. Tự hồi phục mài mũn 3.3.1. Chất phụ gia cú hàm lượng 0,0% PEG-200 Từ hỡnh 6 cú thể quan sỏt thấy, khi sử dụng dầu bụi trơn chỉ cú phụ gia hàm lượng 0,5% nano TiO2 trong dầu bụi trơn, vết mũn cú nhiều nhấp nhụ cao, độ sõu cầy xước rất rừ nột trờn bề mặt ma sỏt, cú nhiều vết cầy xước rất rừ nột và trờn toàn bộ bề mặt mũn (hỡnh 6a). Dựng mỏy phổ tỏn sắc năng lượng (EDX) phõn tớch thành phần húa học trờn bề mặt ma sỏt (hỡnh 6b), thấy tồn tại chủ yếu thành phần cỏc nguyờn tố húa học của viờn bi là Fe, Cr, Mn. Trờn bề mặt vết mũn khụng tồn tại chất phụ gia nano TiO2. Hỡnh 6. Phõn tớch thành phần húa học (EDX) trờn vết mũn với hàm lượng 0% PEG 3.3.2. Chất phụ gia cú hàm lượng 1,0% PEG-200 Với hàm lượng 1,0% chất phõn tỏn PEG và hàm lượng 0,5% nano TiO2 trong dầu bụi trơn, quan sỏt bề mặt vết mũn (SEM) và phõn tớch thành phần húa học (EDX) trờn vết mũn (hỡnh 7). Từ hỡnh 7 cú thể quan sỏt thấy, bề mặt vết mũn ở hàm lượng 0,5% của chất phụ gia nano TiO2 và 1,0% PEG- 200 (hỡnh 7a) trong dầu bụi trơn so với chất phụ gia khụng hàm lượng phõn tỏn PEG-200 cú rất ớt 56 NGHIấN CỨU KHOA HỌC Tạp chớ Nghiờn cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190. Số 3(58).2017 vết cầy xước, vết cầy xước khụng rừ nột, bề mặt tương đối nhẵn búng. Dựng EDX phõn tớch thành phần húa học trờn bề mặt vết mũn cú tồn tại cỏc nguyờn tố húa học Ti, C, Cr và Fe (hỡnh 7b). Trong đú, nguyờn tố Cr, C và Fe là thành phần húa học của chi tiết ma sỏt (viờn bi), nguyờn tố Ti là từ chất phụ gia nano TiO2 trong dầu bụi trơn. Nguyờn tố Ti tồn tại trờn bề mặt vết mũn cú trị số là 1,35%. Do vậy cú thể kết luận rằng, chất phụ gia nano TiO2 trong dầu bụi trơn đó bổ sung, khuếch tỏn vào vết mũn nờn bề mặt chi tiết ma sỏt nhẵn búng. Hỡnh 7. Phõn tớch thành phần húa học (EDX) trờn vết mũn với hàm lượng 1,0% PEG 4. KẾT LUẬN Thụng qua thớ nghiệm phụ gia với hàm lượng 0,5% nano TiO2 và 1,0% hàm lượng chất phõn tỏn (PEG-200), khi quan thấy sự lắng đọng của phụ gia rất ớt. Kết quả thớ nghiệm chỉ ra rằng, sự cú mặt của chất phụ gia PEG-200 trong dầu bụi trơn dẫn đến hệ số ma sỏt giảm 20,6% và mài mũn giảm 24,1% so với dầu bụi trơn khụng chứa phụ gia này. Sử dụng kớnh hiển vi điện tử quột (SEM) và mỏy phổ tỏn sắc năng lượng (EDX) phõn tớch thành phần húa học trờn vết mài mũn viờn bi, hàm lượng 0,5% chất phụ gia nano TiO2 và 1,0% PEG- 200 trong dầu bụi trơn cú khả năng tự hồi phục mài mũn chi tiết. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Christopher DellaCorte (1996). The effect of counterface on the tribological erformance of a high temperature solid lubricant composite from 25 to 65oC. Surface and Coatings Technology, Vol. 2. pp. 486-492. [2]. G.V. Vinogradov, O.E. Morozova (1960). A study of the wear of steel under heavy loads with lubricants containing sulphur-based additives. Wear, Vol.3, pp. 297-308. [3]. A. Neville, A. Morina, T. Haque, etc (2007). CoMPatibility between tribological urfaces and lubricant additives-How friction and wear reduction can be controlled by surface/lube synergies. Tribology International, Vol 40, pp. 1680-1695. [4]. Eui Jung Kim, Sung Hong Hahn (2001). Mierostrueture and photoaetiviy of titania nanopartieles prepared in nonionic W/O mieroemulsions. Materials and Engineering, Part A, Vol. 303, pp. 24-29. [5]. Yin Hong-xi, Zhang Wan-zhong, Gao En-jun (2007). The Study on the Absorption of Cadmium Ion by Nano-titanium Dioxide. Contemporary Chemical Industry, Vol 36, No.5, pp. 842-845. [6]. Effects of polyethylene G lycol on stability of nano Silica in aqueous suspension. Journal of Academy of Armored Force Engineering, Vol. 21, No.3, pp. 73-77, 2007. [7]. Zhang Juan Juan, Chen Xiaofeng (2010). Preraration of Nanoscale Bioactive glasses by Addition of PEG as surface Disersion Agent. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, Vol.29, No 2, pp. 257-261. [8]. Zhuo Hong, WangWenjian, Liu Qiyue (2007). An Investigation on Self-repairing Properties of GCr15/45 Steel under. Different Nano-particle Additives. Lubricatton Engineering Vol.32, No 8, pp. 46-51. [9]. SH/T 0762-2005-The test method for determination of the coeffcient of friction of lubricants using the four - ball wear test machine. [10]. Zhuo Hong（2007). Research on the self- repairing technology of metal wear. Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis. [11]. Ou zhongwen (2002). In-situ synthesis and tribological characteristic of nanoparticles possessing the particularity of ultradispersion and stabilization. College of Material Science and Engineering, Chongqing University, pp. 56-60. [12]. Liu jingfu, Chen Hailong, Xia Zhenbin (2010). Advance on the Nano - particles, Dispersion mechanism, Methods and Application. Synthetic Meterials Aging and Application, Vol.39, pp. 36-40. [13]. Li Chao, Du Jianhua, Han Wenzheng (2007). Effects of polyethylene glycol on stability of nano Silica in aqueous suspension [J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering, Vol. 21, No. 3, pp. 74-77.