Tầm quan trọng của độ bền màng dầu .Độ bền của màng là một trong những đặc tính quan trọng nhất của chất bôi trơn để bảo vệ các bộ phận bên trong của máy khỏi bị mài mòn và xuống cấp. Nó bị ảnh hưởng nhiều bởi thành phần gốc và các chất phụ gia của chất bôi trơn. Bài viết này sẽ thảo luận về tầm quan trọng của độ bền màng của chất bôi trơn và những gì ảnh hưởng đến hiệu quả của nó.
Độ dày màng
Khi bạn nghĩ đến bôi trơn, bạn nghĩ đến điều gì? Nó có thể là dầu gốc tạo ra độ dày màng để ngăn cách hai bề mặt kim loại. Sau cùng, mục đích chính là tránh tiếp xúc bề mặt kim loại với kim loại. Để dầu gốc tạo ra sự phân tách trong tình huống này, cần phải có sự cân bằng của ba yếu tố góp phần: vận tốc tương đối, độ nhớt của dầu gốc và lượng tải.
Ba yếu tố này cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như nhiệt độ và độ nhiễm bẩn. Khi độ dày của màng là kết quả của sự cân bằng giữa các yếu tố này, nó được gọi là bôi trơn thủy động.
Trong các ứng dụng có tiếp xúc lăn (và do đó chuyển động trượt tương đối không đáng kể), độ dày màng giữa các bề mặt kim loại vẫn có thể xảy ra, ngay cả với các điểm áp lực cục bộ lớn hơn. Trên thực tế, các điểm áp suất này đóng một vai trò quan trọng.
Mối quan hệ áp suất – độ nhớt của dầu gốc cho phép độ nhớt của dầu tăng tạm thời do áp suất cao hơn. Đây được gọi là bôi trơn elastohydrodynamic. Một bộ phim tách rời đầy đủ vẫn còn, mặc dù một bộ phim rất mỏng.
Trong thực tế, tốt nhất là giữ cho các bề mặt máy được tách biệt, với độ dày của màng tạo cơ hội tốt nhất để giảm ma sát và mài mòn. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu các điều kiện độ dày màng này không được đáp ứng, chẳng hạn như khi không đủ vận tốc tương đối, không đủ độ nhớt hoặc tải quá nhiều?
Hầu hết các thiết kế máy và các thông số vận hành sẽ yêu cầu các trường hợp không đủ vận tốc, chẳng hạn như khởi động và dừng hoặc thay đổi chuyển động theo hướng. Cũng có thể có lo ngại khi nhiệt độ tăng quá nhiều, làm giảm độ nhớt, hoặc nhiễm bẩn quá mức góp phần mài mòn tiếp xúc trong khe hở màng.
Khi các điều kiện tiên quyết về bôi trơn thủy động lực hoặc đàn hồi không được đáp ứng, dầu gốc sẽ yêu cầu hỗ trợ trong điều kiện được gọi là điều kiện tiếp xúc biên. Sự hỗ trợ này bao gồm các chất phụ gia kiểm soát mài mòn và ma sát.
Dầu gốc và các chất phụ gia được pha trộn cẩn thận với nhau để tạo ra sản phẩm bôi trơn cụ thể (dầu hoặc mỡ), được pha chế để giảm thiểu các điều kiện biên dự kiến. Sau đó, chất bôi trơn có độ bền màng và các đặc tính bôi trơn ranh giới.
Bôi trơn ranh giới
Cường độ phim
Độ bền của màng có thể được mô tả là khả năng của chất bôi trơn để giảm bớt ảnh hưởng của ma sát và kiểm soát mài mòn bằng các phương tiện khác với độ dày của màng. Như đã đề cập, độ nhớt là yếu tố chính đóng góp vào độ dày của màng trong quá trình bôi trơn thủy động lực và đàn hồi.
Khi độ nhớt của dầu gốc không đủ để vượt qua sự tiếp xúc bề mặt kim loại với kim loại, dầu gốc và phụ gia hóa học sẽ kết hợp với nhau để tạo ra cơ chế bảo vệ bề mặt. Trong các điều kiện biên này, bôi trơn biên cũng bị ảnh hưởng bởi các tính chất hóa học và vật lý của bề mặt cơ học và bất kỳ yếu tố môi trường nào góp phần.
Ngay cả khi tải và nhiệt độ cao hơn và vận tốc bề mặt tương đối thấp hơn, độ bền của màng được cải thiện.
Tương tác bề mặt không bôi trơn
Nếu bạn quan sát các bề mặt cơ học tiếp xúc ở cấp độ phân tử, bạn sẽ thấy rằng chúng có thể tương đối thô, ngay cả khi chúng được gia công rất mịn và trông như vậy đối với mắt thường. Điều này có thể được so sánh với việc trái đất trông giống như một quả cầu hoàn hảo từ góc nhìn của một phi hành gia trong không gian nhưng lại chứa đầy núi và thung lũng ở mọi độ cao và độ sâu khi ai đó đứng trên bề mặt trái đất nhìn.
Điều này có liên quan vì khi hai bề mặt kim loại không bôi trơn tiếp xúc với nhau, diện tích tiếp xúc thực tế sẽ nhỏ hơn đáng kể so với diện tích tiếp xúc biểu kiến. Các bề mặt sẽ chỉ tiếp xúc với những “ngọn núi siêu nhỏ” này được gọi là đỉnh cao nhất và vươn tới bề mặt khác, ngăn không cho các bề mặt thấp hơn tiếp xúc với nhau.
Các bề mặt không bền này sau đó có thể biến dạng đàn hồi dựa trên độ bền cắt tương ứng của kim loại. Như vậy, diện tích tiếp xúc thực sẽ tăng tỷ lệ thuận với sự gia tăng tải trọng vì các điểm tiếp xúc ban đầu sẽ biến dạng đàn hồi trước và nhiều điểm tiếp xúc sẽ kết nối.
ma sát
Ma sát, khả năng chống chuyển động trượt của các bề mặt tương tác, phụ thuộc vào một số tham số hoặc quá trình ảnh hưởng. Hầu hết mọi người coi độ nhám của bề mặt là thông số góp phần chính cho ma sát.
Tuy nhiên, khi xem xét rằng diện tích tiếp xúc thực có thể nhỏ hơn 1% diện tích tiếp xúc biểu kiến, độ nhám thực tế trở nên ít liên quan hơn nhiều. Quá trình quan trọng góp phần vào ma sát là kết quả của các liên kết kết dính xảy ra ở cấp độ nguyên tử của tiếp xúc không bền.
Mang thế hệ
Trong điều kiện không đủ độ dày màng bôi trơn giữa các bề mặt kim loại, các điểm tiếp xúc không tốt có thể dẫn đến hàn nguội, đây là điều kiện tiên quyết cho sự mài mòn của chất kết dính. Độ bám dính tại các điểm không bền này trải qua một quá trình gia công cứng để tăng cường vật liệu.
Do đó, điểm cắt xảy ra ở các lớp bên dưới điểm tiếp xúc asperity mà kim loại chưa được tăng cường. Khi kim loại bị cắt, đầu kim loại sau đó được chuyển sang bề mặt khác hoặc bị vỡ ra như một hạt mài mòn.
Sự bám dính thường được coi là dạng mài mòn cơ học ban đầu, nhưng khi các hạt mài mòn xuất hiện (do mài mòn hoặc từ nguồn bên ngoài), mài mòn có thể trở nên phá hủy hơn. Hình thức mài mòn này được gọi là mài mòn ba thân , trong khi mài mòn hai thân là do cắt hoặc khoét các điểm tiếp xúc bề mặt sắc nhọn.
Trong quá trình tiếp xúc lăn có thể xảy ra hiện tượng mòn bề mặt . Cơ chế mỏi bắt nguồn từ các vết nứt lan truyền trên bề mặt hoặc lên từ các lớp dưới bề mặt có chứa tạp chất hoặc các tạp chất khác. Ứng suất cao từ các điều kiện lăn tại các bề mặt này sẽ dẫn đến mòn mỏi.
Giảm thiểu tương tác bề mặt
Các chất phụ gia kiểm soát ma sát và mài mòn được pha chế với số lượng nhỏ trong dầu gốc và có đặc tính phân cực giúp thúc đẩy lực hút bề mặt kim loại. Sau đó, những điểm hấp dẫn này được khuyến khích để phản ứng hóa học với bề mặt do các điều kiện tương tác, liên kết nghịch với các điều kiện dẫn đến đủ độ dày của màng: áp suất cao hơn và nhiệt độ cao hơn.
Khi bề mặt máy tương tác với áp suất và nhiệt độ cao hơn, các chất phụ gia sẽ giảm thiểu các tác động điển hình của sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại (mài mòn) bằng cách tạo ra các lớp phân tử ban đầu trên bề mặt máy dễ uốn hơn. Các lớp kiểm soát ma sát này trực tiếp làm giảm độ bền cắt trong quá trình tiếp xúc và trở thành vật hy sinh.
Các lớp ban đầu có thể giảm thiểu ma sát bằng cách cho phép các liên kết phân tử yếu hơn của chất bôi trơn giải phóng với lực ít hơn so với các liên kết mạnh do điều kiện biên độ kim loại với kim loại . Sự hình thành các màng có độ bền cắt thấp cũng bị ảnh hưởng bởi loại nguyên liệu cơ bản và quá trình luyện kim của các bề mặt cơ khí.
Có ba loại phụ gia bôi trơn giúp giảm ma sát này và kiểm soát sự hình thành mài mòn: phụ gia điều chỉnh ma sát , phụ gia chống mài mòn và phụ gia chịu cực áp.
Chất điều chỉnh ma sát (Chất bôi trơn hoặc chất bôi trơn)
Các hợp chất phân cực, chẳng hạn như axit béo được thêm vào dầu gốc, làm giảm ma sát ở tốc độ trượt thấp bằng cách hình thành màng xà phòng. Chúng thường được sử dụng trong các bộ phận nhạy cảm với tiết kiệm nhiên liệu để giảm ma sát và trượt ở tốc độ thấp, chẳng hạn như trong động cơ hoặc hộp số.
Chúng hoạt động giống như phụ gia chống mài mòn nhưng hiệu quả hơn với tải trọng nhẹ hơn và không yêu cầu nhiệt độ cao. Kết quả là xà phòng có độ bền cắt thấp bị phá vỡ ở nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, khi bề mặt kim loại phản ứng mạnh hơn với axit béo, tạo xà phòng kim loại, nhiệt độ phân hủy cao hơn.
Phụ gia chống mài mòn
Các hợp chất phân cực này thường có gốc lưu huỳnh hoặc phốt pho, chẳng hạn như loại phụ gia kẽm dialkyldithiophosphate (ZDDP). Chúng được thiết kế để phản ứng hóa học với bề mặt kim loại chỉ ở các điều kiện biên.
Tuy nhiên, các chất phụ gia chống mài mòn có hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao hơn, nơi chúng trở nên hoạt hóa hơn và tạo ra một lớp màng ngăn cách. Phụ gia loại ZDDP đã được sử dụng rộng rãi để chống mài mòn và cũng có lợi như chất chống oxy hóa trong dầu.
Phụ gia chịu cực áp (Phụ gia chống trầy xước)
Các chất điều chỉnh ma sát và thậm chí cả các chất phụ gia chống mài mòn trở nên kém hữu dụng hơn và bị hỏng khi nhiệt độ bề mặt quá cao. Phụ gia chịu cực áp , cũng có gốc lưu huỳnh và phốt pho, là lựa chọn tốt nhất khi nhiệt độ bề mặt cao.
Các chất phụ gia này tạo thành một màng xà phòng có độ bền cắt thấp với các phản ứng bề mặt kim loại và có thể chịu được nhiệt độ khá cao. Trong khi phản ứng có lợi cho việc phát triển màng, điều quan trọng là phải thận trọng khi phản ứng có khả năng dẫn đến ăn mòn hóa học đối với các kim loại phản ứng hơn.
Vật lý và hóa học
Tương tác phân tử vật lý của các chất không thấm nước tại các điểm áp suất tiếp xúc thực tế là mối quan tâm chính khi các bề mặt máy không được bôi trơn hoặc bôi trơn kém tiếp xúc trượt. Ở quy mô phân tử này của các bề mặt máy, các điều kiện biên tuân theo nhiều nguyên tắc vật lý và hóa học.
Vai trò của quá trình oxy hóa , ăn mòn, hấp thụ hóa học và các phản ứng hóa học khác trên bề mặt máy phải được cân bằng cẩn thận khi các hợp chất phụ gia được lựa chọn để bảo vệ độ bền của màng.
Các màng phụ gia kiểm soát mài mòn và ma sát này trên bề mặt kim loại làm giảm độ bền cắt tại các điểm tiếp xúc. Các màng có độ bền cắt thấp hy sinh trong quá trình tương tác vật lý và bảo vệ bề mặt khỏi tác động của chất kết dính, mài mòn và mòn mỏi.
Các màng submicron này có đặc tính phân cấp từ lỏng sang rắn khi chúng đến gần bề mặt kim loại hơn. Trong khi dầu gốc được ưu tiên sử dụng để bảo vệ bề mặt máy bằng cách bôi trơn thủy động lực và đàn hồi, các điều kiện biên sẽ tồn tại.
Do đó, để bảo vệ khỏi các điều kiện biên, nên sử dụng chất bôi trơn có công thức phù hợp với các chất phụ gia kiểm soát mài mòn và ma sát để cung cấp độ bền màng tỷ lệ với các tương tác cơ học thể hiện trong giới hạn hợp lý.
