Chất bôi trơn dạng lỏng gốc dầu khoáng (dạng dầu và mỡ) hoạt động bình thường khi diện tích bề mặt được thiết kế và tốc độ trục cho phép hình thành hiệu quả lớp màng dầu, miễn là nhiệt độ vận hành của máy nằm trong khoảng từ -20°C đến 100°C (-4°F đến 212°F).

Giới hạn tuyệt đối duy nhất áp dụng cho chất bôi trơn dạng lỏng, bất kể loại dầu gốc nào, là những điều kiện gây ra sự thay đổi trạng thái của chất lỏng ngăn cản sự hình thành màng chất lỏng. May mắn thay, đó không phải là kết thúc của câu chuyện. 

Nhiều vật liệu bảo vệ bề mặt tương tác sau khi lớp màng chất lỏng bị mất đã được phát hiện hoặc tạo ra. Những vật liệu này có thể được áp dụng cho bề mặt dưới dạng phụ gia cho chất bôi trơn dạng lỏng hoặc ở dạng tinh khiết và cũng có thể được thêm vào hoặc hợp kim vào bề mặt khi thành phần đang được sản xuất. Các loại vật liệu phổ biến hơn bao gồm:

 - Molypden disulfide (MoS2  – còn được gọi là moly

 - Polytetrafluoroethylene (PTFE) – còn được gọi là Teflon®

 - Than chì

 - Nitrua bo

 - Bột talc

 - Canxi florua

 - Xeri florua

 - Vonfram disulfua 

Những vật liệu này được đặc trưng là chất bôi trơn dạng màng khô hoặc dạng màng rắn - gọi chung là lớp phủ chống ma sát. MoS2, graphite và Teflon là những chất được các chuyên gia bôi trơn máy móc công nhận phổ biến nhất. Molypden và graphite là những chất được chiết xuất từ ​​quặng khai thác. Teflon được tạo ra bởi Công ty Hóa chất DuPont và được nhiều công ty sản xuất cho nhiều mục đích.

LỚP PHỦ CHỐNG MA SÁT LÀ GÌ?

Lớp phủ chống ma sát là vật liệu rắn có khả năng chống ma sát thấp giữa các bề mặt khi được bôi trực tiếp lên các bề mặt tương tác. Mỗi vật liệu có các đặc tính khác nhau. Các vật liệu có cấu trúc mạng tinh thể (lamella), chẳng hạn như molypden disulfide, vonfram disulfide và than chì, được sử dụng rộng rãi làm thành phần trong chất bôi trơn và là chất bôi trơn độc lập. 

Các vật liệu này được sử dụng độc lập hoặc kết hợp với các thành phân bôi trơn và kim loại khác (chì, đồng) để đạt được kết quả mong muốn. Bột bôi trơn dạng lamella có lực cắt thấp giữa các lớp mạng tinh thể của chúng giúp giảm thiểu lực cản giữa các bề mặt trượt. 

TÍNH CHẤT CHUNG CỦA CHẤT BÔI TRƠN KHÔ

Mỗi loại vật liệu bôi trơn khô có tính chất khác nhau.

Molybdenum disulfide, graphite và vonfram disulfide là những hợp chất dầu. Cấu trúc của chúng không chịu được chất tẩy rửa. Các cấu trúc phiến lưới dạng lớp này tương tự như các chồng tấm không dính, khi chịu tải tiếp tuyến nhẹ, sẽ trượt ra khỏi vị trí.

Nó tương đương với việc đi bộ qua một căn phòng đầy những tấm phẳng trơn trượt. Vật liệu phiến mỏng có khả năng chịu tải tốt ở chế độ trượt và lăn. Graphite có khả năng chịu nhiệt độ cao và hoạt động tốt trong môi trường bức xạ. MoS2 và WS2 hoạt động tốt trong chân không cứng và chịu được tải trọng cao hơn graphite. 

MOLYBDENUM DISULFIDE (MoS2)

Molybdenum không được phát hiện cho đến cuối thế kỷ 18, và không tồn tại ở dạng kim loại trong tự nhiên. Mặc dù vậy, khoáng chất chủ yếu của nó - molybdenite - đã được sử dụng trong thời cổ đại (một thanh kiếm Nhật Bản thế kỷ 14 đã được tìm thấy có chứa molybdenum) nhưng không thể phân biệt được với các vật liệu tương tự khác như chì, galena và than chì. Tổng hợp lại, các chất này được gọi bằng từ tiếng Hy Lạp "molybdos", có nghĩa là giống chì.

Molybdenum lần đầu tiên được xác định tích cực vào năm 1778 bởi một nhà khoa học người Thụy Điển, Carl Wilhelm Scheele. Ngay sau đó, vào năm 1782, Peter Jacob Hjelm đã khử oxit molybdenite bằng cacbon để thu được một loại bột kim loại sẫm màu mà ông đặt tên là “molybdenum”.

Molybdenum vẫn là một sự tò mò trong phòng thí nghiệm trong suốt hầu hết thế kỷ 19 cho đến khi công nghệ chiết xuất số lượng thương mại trở nên khả thi. Năm 1891, công ty Schneider and Co. của Pháp lần đầu tiên sử dụng molybdenum làm nguyên tố hợp kim trong sản xuất tấm giáp. Người ta nhanh chóng nhận thấy rằng molybdenum là chất thay thế hiệu quả cho vonfram trong nhiều ứng dụng hợp kim thép vì mật độ của nó chỉ hơn một nửa so với vonfram một chút.

MoS2 xuất hiện tự nhiên dưới dạng các mạch rắn mỏng trong đá granit. Nó được khai thác và tinh chế cao để đạt được độ tinh khiết phù hợp cho chất bôi trơn. MoS2 có cấu trúc tinh thể lục giác như thể hiện trong Hình 1. Tính chất nội tại của khả năng dễ cắt xảy ra tại giao diện giữa các phân tử lưu huỳnh.

Sự tương tác giữa các lớp tạo ra hiệu ứng tương tự như những gì một người có thể trải nghiệm nếu cố gắng di chuyển trên sàn nhà được phủ hoàn toàn bằng những lá bài mới. Mỗi lá bài trượt dễ dàng theo từng lớp riêng lẻ. Khi tổng lực cản bề mặt giảm hoặc phân bổ lại giữa nhiều bề mặt tương tác khác, hiệu ứng ròng là tổng lực ma sát và lực cản bề mặt giảm.

Vì không có hơi nước giữa các tấm lưới, MoS2 có hiệu quả trong điều kiện chân không cao, nơi than chì không hoạt động. Kích thước hạt và độ dày màng là các thông số quan trọng cần phù hợp với độ nhám bề mặt của thành phần được bôi trơn.

Việc lựa chọn kích thước hạt lớn hơn nhiều đối với các bề mặt cắt thô, chẳng hạn như bánh răng hở có khía, so với các bề mặt được hoàn thiện cao, chẳng hạn như các bề mặt được tìm thấy trên ổ trục. Kích thước hạt không phù hợp có thể dẫn đến mài mòn quá mức do mài mòn do tạp chất trong MoS2 .

Giới hạn nhiệt độ của MoS2 ở 400°C (752°F) được áp đặt bởi quá trình oxy hóa. MoS2 oxy hóa chậm trong khí quyển lên đến 600°F. Trong khí quyển khô, không có oxy, nó có thể hoạt động như một chất bôi trơn lên đến 1300°F. Các sản phẩm oxy hóa của MoS2 là molybdenum trioxide (MoO 3 ) và lưu huỳnh dioxit. MoS 3 có tính hút nước và gây ra nhiều vấn đề ma sát trong khí quyển tiêu chuẩn. MoO3 là dạng kim loại được ưa chuộng sử dụng làm chất phụ gia cho nhiều kim loại khác, đây là công dụng chính của nó.

Vấn đề nên sử dụng molybdenum disulfide ở đâu, so với graphite hay vonfram disulfide, thường được giải quyết tốt nhất bởi một kỹ sư bôi trơn. Đối với hầu hết các ứng dụng thương mại, đây là những phán đoán tương đối đơn giản. Trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, nơi sử dụng môi trường độc đáo và vật liệu kỳ lạ, những câu hỏi này thường cần nghiên cứu đáng kể để đưa ra câu trả lời tốt nhất.

Hệ số ma sát thấp của MoS2 thường cao hơn hệ số ma sát của than chì. 

THAN CHÌ

Than chì là chất bôi trơn có từ thời cổ đại. Lần đầu tiên nó được nhắc đến vào giữa những năm 1500 như được sử dụng làm bút chì. Than chì là một dạng tinh thể mềm của cacbon. Nó có màu xám đến đen, đục, có ánh kim loại và mềm dẻo nhưng không đàn hồi. Than chì xuất hiện tự nhiên trong các loại đá biến chất như đá cẩm thạch, đá phiến và đá phiến sét. Nó thể hiện các đặc tính của kim loại và phi kim loại, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp.

Các tính chất kim loại bao gồm độ dẫn nhiệt và dẫn điện. Các tính chất phi kim loại bao gồm tính trơ, khả năng chịu nhiệt cao và khả năng bôi trơn. Một số ứng dụng chính của than chì là trong chất bôi trơn nhiệt độ cao, chổi than cho động cơ điện, vật liệu ma sát và pin và pin nhiên liệu.

Than chì là cấu trúc tinh thể dạng phiến mạng lưới lớp, trong đó liên kết giữa các nguyên tử cacbon trong cấu trúc tinh thể của lớp mạnh hơn liên kết cacbon giữa các lớp. Than chì bao gồm cacbon và hơi nước. Mỗi nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon xung quanh khác.

Các vòng phẳng của các nguyên tử cacbon được liên kết thành các cấu trúc lục giác, như thể hiện trong Hình 2. Cấu trúc cacbon lục giác được gọi là vòng benzen. Các tấm này tồn tại theo lớp, không được kết nối cộng hóa trị với các lớp xung quanh.

Than chì có đặc tính bôi trơn tuyệt vời, miễn là có hơi ẩm, và sẽ hoạt động như một chất bôi trơn lên đến khoảng 1450°F, và như một chất giải phóng và chống kẹt lên đến khoảng 2400°F. Sản phẩm oxy hóa là CO2 . Do yêu cầu về hơi ẩm bị cuốn theo, than chì không hoạt động tốt như một chất bôi trơn trong chân không cứng và do đó hiếm khi được sử dụng trong các ứng dụng không gian sâu.

Hỗn hợp than chì và hệ thống bôi trơn màng khô than chì nguyên chất thường được sử dụng trong các ứng dụng như tạo hình nóng và lạnh, kéo dây và phủ phôi; trên các công cụ cắt tốc độ cao; làm chất tách khuôn cho các ứng dụng đúc khuôn, nhựa và cao su; đầu xi lanh và bu lông xả; ứng dụng đạn dược và vũ khí; động cơ ô tô và nhiều ứng dụng công nghiệp phổ biến khác.  

FLUOROCARBON CHUỖI DÀI - TEFLON 

Phân tử chuỗi dài tuyến tính “polytetrafluoroethylene”, được Tiến sĩ Roy Plunkett tình cờ phát hiện vào ngày 6 tháng 4 năm 1938, tại Phòng thí nghiệm Jackson của DuPont ở New Jersey. Plunkett đang làm việc với các loại khí liên quan đến chất làm lạnh Freon ® (còn được gọi là chlorofluorocarbon), một sản phẩm khác của DuPont. Khi kiểm tra một mẫu tetrafluoroethylene đông lạnh, nén, ông phát hiện ra rằng mẫu này đã tự động trùng hợp thành một chất rắn màu trắng, giống sáp để tạo thành polytetrafluoroethylene (PTFE).

Công thức hóa học là [C2F4] N. PTFE là một loại flocacbon mạch thẳng no.  

PTFE không có đặc tính che phủ cơ học giống như graphite hoặc molybdenum. Trên thực tế, bản thân Teflon chống thấm nước và các bề mặt được phủ các vật liệu này cũng chống thấm nước. Để các bề mặt liên kết với PTFE và nhiều loại fluorocarbon chuỗi dài khác, cần phải chuẩn bị chúng đúng cách thông qua quá trình làm nhám bề mặt hoặc ngâm chua.

PTFE trơ với hầu như tất cả các loại hóa chất và được coi là vật liệu trơn trượt nhất hiện có. Hệ số ma sát tĩnh và động gần bằng mức độ của băng ướt trên băng ướt. Với tư cách là nhãn hiệu đã đăng ký của DuPont là Teflon , nó đã trở thành cái tên quen thuộc gắn liền với việc sử dụng làm lớp phủ trên đồ nấu nướng và làm chất chống bám bẩn và vết bẩn cho vải và các sản phẩm dệt may. Nó không hấp thụ nước và không bị ảnh hưởng bởi axit, bazơ và dung môi thông thường trong công nghiệp ở nhiệt độ dưới 260°C (500°F).

Có thể thêm nhiều chất độn khác nhau vào PTFE để tăng cường một số đặc tính nhất định, chẳng hạn như sợi thủy tinh (khả năng chống mài mòn cao, cách điện tốt, ma sát thấp), than chì (ma sát thấp, khả năng chống hóa chất tuyệt vời, khả năng chống biến dạng cao), sợi carbon (khả năng chống mài mòn cao, khả năng chịu tải cao, khả năng chống uốn cao), sợi thủy tinh và molybdenum disulfide (khả năng chống mài mòn cao, ma sát thấp, khả năng chống biến dạng cao) và đồng (khả năng chống mài mòn cao, tản nhiệt).

Trong một số ngành công nghiệp, chẳng hạn như ngành công nghiệp tấm lót ổ trục, PTFE pha tạp đã trở thành tiêu chuẩn, trong đó nhiều tỷ lệ phần trăm sợi thủy tinh khác nhau được thêm vào nhựa PTFE cơ bản để tạo ra vật liệu giao diện cực kỳ bền, chống chịu thời tiết, có thể cắt hoặc dập thành các cấu hình phù hợp với kích thước của các bề mặt đối diện. PTFE được cấp phép cho nhiều công ty sản xuất cho nhiều loại vật liệu khác nhau.

Chất bôi trơn dạng màng rắn cung cấp khả năng bảo vệ vượt xa các đặc tính thông thường của hầu hết các chất bôi trơn dạng lỏng gốc dầu khoáng và tổng hợp. Các điều kiện đảm bảo sử dụng các tác nhân này ở dạng tinh khiết hoặc như một chất phụ gia bao gồm nhiệt độ, áp suất, ô nhiễm hóa chất và môi trường khắc nghiệt.

Một số tác nhân có ái lực mạnh đối với bề mặt kim loại và sẽ bám dính vào các bề mặt đó thông qua lực cộng hóa trị lỏng lẻo. Chúng có thể được áp dụng trực tiếp như một lớp phủ tại chỗ hoặc gián tiếp dưới dạng chất phụ gia vào chất bôi trơn dạng lỏng. Một số tác nhân không có sức hấp dẫn tự nhiên đối với bề mặt kim loại và do đó phải được liên kết với bề mặt thông qua xử lý chuyên biệt.  

TỔNG KẾT

Vật liệu bôi trơn rắn có xu hướng có phạm vi nhiệt độ cao hơn nhiều so với khả năng bảo vệ bề mặt của dầu gốc khoáng và hầu hết các loại dầu gốc tổng hợp. Hydrocacbon flo ổn định ở dạng lỏng hoặc rắn ở nhiệt độ khoảng 600°F, nhưng sẽ bắt đầu phân hủy và có thể tạo ra khói độc hại ở nhiệt độ đó.

Than chì và molybdenum có thể hoạt động trong phạm vi nhiệt độ tương tự, và molybdenum disulfide cũng có thể hoạt động trong chân không mà không mất đi tính chất trơn trượt của nó.