MỤC LỤC
Chương 1
KHÁI NIỆM
CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BỀ MẶT ........................................................................ 5
1.1. TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT .................................................................................. 5
1.2. KHÁI NIỆM BỀ MẶT ........................................................................................... 5
1.3. CÁC ĐẶC TRƯNG BỀ MẶT ............................................................................... 6
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ BỀ MẶT ....................... 10

Chương 2
CÁC DẠNG
HỎNG BỀ MẶT ........................................................................................................ 18
2.1. CÁC DẠNG HỎNG CHI TIẾT MÁY ................................................................. 18
2.2. HỎNG BỀ MẶT DO MÒN ................................................................................. 18
2.3. HỎNG DO ĂN MÒN ........................................................................................... 27

Chương 3
CÁC CÔNG
NGHỆ XỬ LÝ NHIỆT BỀ MẶT ............................................................................. 37
3.1. NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT.................................................................................... 37
3.2. HÓA NHIỆT LUYỆN .......................................................................................... 42

Chương 4

CÁC

PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỀ MẶT BẰNG ĐIỆN HÓA VÀ HÓA HỌC .............. 64
4.1. MẠ ĐIỆN ............................................................................................................. 64
4.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BỀ MẶT TRƯỚC MẠ .............................. 69
4.3. CÔNG NGHỆ MẠ KẼM ..................................................................................... 72
4.4. CÔNG NGHỆ MẠ CRÔM .................................................................................. 75

4.5. MẠ ĐỒNG ........................................................................................................... 77
4.6. MẠ NIKEN .......................................................................................................... 78
4.7. MẠ HỢP KIM ...................................................................................................... 80
4.8. MẠ HÓA HỌC ..................................................................................................... 81
4.9. MẠ KIM LOẠI LÊN CHẤT DẺO ...................................................................... 84
4.10. OXY HÓA .......................................................................................................... 89
4.11. CÔNG NGHỆ SƠN ............................................................................................ 96

Chương 5
CÁC
PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ THÔNG DỤNG .................................................... 103
5.1. TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ ......................................................................... 103
5.2. CƠ SỞ LÍ THUYẾT PHUN PHỦ ...................................................................... 107
5.3. VẬT LIỆU PHỦ ................................................................................................. 112
5.4. THIẾT BỊ PHUN ................................................................................................ 113
5.5. CÔNG NGHỆ PHUN ......................................................................................... 116

Chương 6
XỬ LÝ BỀ
MẶT BẰNG CHÙM TIA NĂNG LƯỢNG CAO .................................................. 131
6.1. KHÁI NIỆM CHUNG ........................................................................................ 131
6.2. XỬ LÍ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA LASER ................................................... 132


6.3. XỬ LÍ BỀ MẶT BẰNG CHÙM TIA ĐIỆN TỬ ............................................... 142

Hình 6.7 Mô hình dùng chùm tia điện tử hóa bền bề mặt dao căt gọt .................... 143
Chương 7

CÁC


CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT TIÊN TIẾN ............................................................ 144
7.1. CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC ............... 144
7.2. CÁC CÔNG NGHỆ PHỦ BỀ MẶT BẰNG VẬT LÝ (PVD) ........................... 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 165

2


LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ bề mặt là tổ hợp các phương pháp gia công xử lý bề mặt vật
liệu đã được sử dụng trong sản xuất cơ khí nhiều năm qua. Công dụng chủ yếu
của phương pháp là tạo nên trên bề mặt chi tiết những lớp có tính chất cơ lý đặc
biệt khác với bên trong lõi như: độ cứng, tính chống ăn mòn, mài mòn, dẫn điện
cách điện, phản quang…hay tính mỹ thuật cao. Ngoài ra công nghệ bề mặt cũng
bao gồm cả phương pháp khôi phục hình dạng, kích thước cho sản phẩm.
Để đạt được mục đích trên có nhiều giải pháp kỹ thuật. Những phương
pháp phổ biến nhất hiện nay là :
Các phương pháp xử lý nhiệt bề mặt như tôi bề mặt, hóa nhiệt luyện
Các phương pháp điện hóa và hóa học tạo lớp phủ như mạ điện, mạ hóa
học, oxy hóa bề mặt, sơn, tẩm phủ.
Các phương pháp phun phủ tạo lớp phủ dày (hơn lớp phủ mạ) và phun phục
hồi.
Với sự phát triển nhanh chóng về thiết bị, vật liệu mới, kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật
tự động hóa… các công nghệ bề mặt đã phát triển khá đa dạng và đang trở thành những
lĩnh vực khoa học có đặc thù riêng điển hình tiên tiến đáp ứng nhu cầu của các công
nghệ trình độ cao như công nghệ linh kiện điện tử, chế tạo màng mỏng...
Căn cứ vào nhu cầu đào tạo, nhằm tăng cường kiến thức tổng hợp cho sinh
viên và học viên cao học kỹ thuật thuộc gốc ngành cơ khí trong giai đoạn hội

nhập để xây dựng đất nước. Tài liệu công nghệ bề mặt tiên tiến được biên soạn.
Nội dung chủ yếu dựa trên “Đề cương môn học công nghệ xử lý bề mặt” của Bộ
Giáo dục & Đào tạo năm 2003, bao gồm cơ sở của các công nghệ bề mặt truyền
thống kết hợp giới thiệu các công nghệ mới tiên tiến trong mỗi lĩnh vực này.
Đối tượng phục vụ của tài liệu là học viên cao học, sinh viên các trường kỹ
thuật trong và ngoài quân đội.
Tác giả bày tỏ sự cảm ơn trân thành các đồng nghiệp trong bộ môn Vật liệu
& Công nghệ vật liệu đã tích cực đóng góp ý kiến và tham gia chỉnh sửa bản tháo
để cuốn sách được hoàn thành.
Đây là tài liệu biên soạn lần đầu không tránh khỏi nhiều thiếu xót, mong
bạn đọc và các đồng nghiệp góp ý để tác giả tiếp tục hoàn thiện nội dung .
NGUYỄN HOÀNH SƠN

3


4


Chương 1
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BỀ MẶT
1.1. TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT
Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với
các chế độ công tác rất khác nhau. Các yêu cầu kỹ thuật đề ra với chúng cũng rất
đa dạng. Ví dụ các chi tiết như bánh răng, các loại trục thì yêu cầu bề mặt cứng,
tính chống mài mòn tốt. Các chi tiết đạn dược như ngòi đạn, vỏ liều cần bề mặt
có tính chống ăn mòn tốt, các chi tiết bộ đôi cần bề mặt ma sát có độ bóng, tính
chống mài mòn cao, trong kỹ thuật vi điện tử cần có những lớp bề mặt rất
mỏng… Tất cả các nhu cầu trên đều có những giải pháp chuyên dụng để đáp
ứng.

Công nghệ bề mặt là tập hợp các phương pháp công nghệ nhằm tạo cho bề
mặt các chi tiết và kết cấu những tính năng nhất định. Các chức năng yêu cầu
thường gặp là: bền hóa học, bền ăn mòn, bền cơ học (chống mài mòn, xước, biến
dạng...), dẫn điện, dẫn từ, cứng, dẻo, tính trang trí, mỹ thuật...
Các công nghệ bề mặt điển hình như: xử lý nhiệt bề mặt, mạ, nhúng, phun,
phủ (bằng các phương pháp hóa học CVD và vật lý PVD), gia công đánh bóng,
sơn phủ... để tạo ra các tính năng cần thiết cho bề mặt.
1.2. KHÁI NIỆM BỀ MẶT
Bề mặt là một khái niệm rộng. Thông thường bề mặt được hiểu là phần bên
ngoài của chi tiết, sản phẩm - nơi tiếp giáp giữa phần vật chất của vật liệu với môi
trường. Với nghĩa rộng hơn bề mặt là mặt phân cách giữa pha vật chất này với pha
kia. Bề mặt phân cách có ý nghĩa quan trọng, quyết định nhiều tính chất của vật
liệu. Nhiều kết quả thực nghiệm đã chứng minh các tính chất (cơ, lý hoá, cấu trúc,
năng lượng...) của lớp bề mặt và bên trong vật chất rất khác nhau.
Trong khuôn khổ tài liệu này chủ yếu đề cập đến bề mặt của chi tiết cụ thể.
Trong trường hợp như vậy có những khái niệm về bề mặt như sau:
Bề mặt hình học: là bề mặt được biểu diễn bằng bản vẽ chi tiết. Bề mặt này
là bề mặt danh nghĩa mang nhiều tính chất lý tưởng.
Bề mặt thực tế hay còn gọi là bề mặt kỹ thuật. Khái niệm này bao gồm
không chỉ các đặc trưng hình học của bề mặt chi tiết mà còn quan tâm cả đến các
đặc trưng khác của bề mặt và lớp vật chất sát dưới bề mặt.
5


Trong thực tế sản xuất cơ khí còn phân biệt hai loại bề mặt: bề mặt làm việc
và bề mặt không làm việc. Bề mặt làm việc cũng được phân thành hai loại bề
mặt chịu tải và bề mặt không chịu tải. Khái niệm tải có thể hiểu là tải cơ học
hoặc các đặc trưng tác dụng khác như tác dụng hóa học, tác dụng nhiệt...
Trong hầu hết mọi trường hợp, đặc tính cấu trúc và tính chất của lớp bề mặt
chi tiết có ảnh hưởng quyết định đến khả năng gây phá hủy. Thực tế cho thấy phá

hủy đều thường xuất phát từ bề mặt. Vai trò của bề mặt càng thể hiện rõ khi phải
khai thác các tính chất của vật liệu có liên quan đến bề mặt như: ăn mòn, mài
mòn, mỏi, quang học, điện và điện tử, mẫu mã hàng hóa và trang trí,... bảo vệ bề
mặt tức là dùng những biện pháp nhất định để tạo cho bề mặt những tính chất
định trước thỏa mãn nhu cầu nhất định. Tài liệu này chỉ đề cập đến các công
nghệ nhằm tạo cho bề mặt những lớp phủ có khả năng chống lại sự phá huỷ của
môi trường làm việc như ăn mòn, mài mòn, mỏi mòn...
Khoa học bề mặt là lĩnh vực rất rộng, rất phức tạp bởi vì liên quan đến nhiều
ngành khoa học khác nhau nhưng đều nhằm giải quyết các nhóm vấn đề sau:
- Điều kiện nhiệt động để xảy ra quá trình bề mặt.
- Xây dựng các mô hình cấu trúc vĩ mô và vi mô lớp bề mặt và sát bề mặt (bề
mặt lý tưởng và bề mặt kỹ thuật).
- Tính chất cơ, lý, hóa của bề mặt.
Trên cơ sở đó xây dựng nên những đặc trưng sau của bề mặt:
- Trạng thái hình học (độ nhấp nhô bề mặt, hình dạng bề mặt).
- Tính chất cơ học lớp bề mặt (độ cứng, hệ số ma sát, sự biến cứng).
- Cấu trúc vi mô lớp bề mặt và sát bề mặt.
- Tính chất hóa lý: thành phần hóa học, phần tử hấp thụ, phân giải, sức căng
bề mặt, hiện tượng thấm ướt.
1.3. CÁC ĐẶC TRƯNG BỀ MẶT
1.3.1. Năng lượng bề mặt
Công cần tiêu tốn để tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt gọi là năng lượng
bề mặt [N.m-2]. Lực tác dụng giữa các phần tử giảm rất nhanh theo khoảng cách
(tỷ lệ nghịch với r6). Điều đó có nghĩa là các phân tử chỉ tác dụng với nhau trong
một phạm vi bán kính r rất nhỏ. Các phân tử nằm trong lớp bề mặt có bề dày nhỏ
hơn r chịu tác dụng của các lực không đều, lực kéo ra ngoài bề mặt pha rắn nhỏ
hơn lực hút vào trong lòng. Lực tác dụng tổng hợp lên các phân tử nằm ở lớp bề
mặt có bề dày nhỏ hơn khoảng cách r sẽ có hướng vuông góc với bề mặt của
6



pha rắn. Lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài bề mặt được gọi là sức căng bề
mặt [N.m-1]. Vì giá trị sức căng bề mặt bằng năng lượng bề mặt, do đó hai đại
lượng này thường dùng chung một ký hiệu là .
Nếu gọi Gbm là sự biến thiên entanpi tự do trong quá trình hình thành bề
mặt S một cách thuận nghịch và đẳng nhiệt thì:
Gbm = . S
Hiện tượng bề mặt (hay nói khác đi là sự tạo thành bề mặt S) chỉ xảy ra khi:
Gbm < 0
Muốn vậy hoặc  hoặc S phải giảm. Điều đó có nghĩa là hiện tượng bề mặt
tự xảy ra theo chiều làm giảm sức căng bề mặt hoặc diện tích bề mặt.
1.3.2. Sự hấp phụ và hấp thụ
Do bề mặt vật chất luôn tồn tại năng lượng lớn hơn bên trong nên nó có khả năng
hút nguyên tử (phân tử) của những pha tiếp xúc với nó. Hiện tượng đó được gọi là hấp
thu. Tuỳ thuộc vào cơ chế hấp thu, người ta phân biệt hai khái niệm hấp phụ và hấp
thụ.
Nếu các phân tử của chất bị hấp thu chỉ tập trung ở trên bề mặt của chất hấp
thu thì sự hấp thu đó gọi là hấp phụ (adsorb).
Trường hợp các phân tử của chất bị hấp thu đi sâu vào trong lòng chất hấp
thu thì sự hấp thu được gọi là hấp thụ (absorb).
Quá trình hấp thu dẫn đến hình thành và phát triển một lớp nguyên tử định
cư trên bề mặt vật liệu. Các nguyên tử này có thể đến từ pha khí hoặc từ phía
trong vật liệu, do quá trình vận chuyển sàng lọc lên bề mặt.
Hấp phụ và hấp thụ có ý nghĩa lớn trong các quá trình oxy hóa, ăn mòn kim
loại, tạo lớp bề mặt, trong xúc tác hoạt tính, quá trình phân tách ...
Nghiên cứu sự phát triển lớp hấp phụ sẽ đề cập đến:
- Sự tạo mầm và phát triển mầm pha mới.
- Bản chất lực tương tác giữa cấu tử bị hấp phụ và vật liệu nền.
Tuỳ thuộc vào bản chất của lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ
người ta chia ra hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học và hấp phụ đẳng nhiệt.

1.3.2.1. Hấp phụ vật lý
Trong hấp phụ vật lý không có sự trao đổi vận
chuyển, góp chung electron, liên kết ở đây chỉ
đơn thuần là lực Vander Waals. Sự hấp phụ vật
lý ít có tính chất chọn lọc và là thuận nghịch.
7


Nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình hấp phụ vật lý
nhỏ. Hình 1.1 là sơ đồ mô hình hấp phụ một
khí đơn nguyên tử, dưới áp suất thấp lên đơn
tinh thể ion cách điện. Năng lượng tương tác
của từng cặp nguyên tử cũng như tổng hợp của

Hình 1.1. Thế năng tương tác khi
hấp phụ vật lý
chúng có một điểm cực tiểu ứng với khoảng cách ro. Ngoài yếu tố khoảng cách,
lực tương tác cũng phụ thuộc vào bản chất của khí, vào tương tác giữa các phần
tử khí với nhau và với nền.
Các tính toán lực liên kết trong trường hợp khí đa nguyên tử phức tạp hơn nhiều
so với khí đơn nguyên tử, và sự định hướng của các nguyên tử trở nên phức tạp hơn. Sự
hấp phụ khí lên bề mặt kim loại càng phức tạp hơn và lực tương tác liên quan đến các
electron tự do, chúng không cố định, mà luôn luôn di chuyển trên bề mặt. Các nghiên
cứu đó khẳng định rằng, ngay khi hấp phụ đơn thuần vật lý, thì các electron vẫn có ảnh
hưởng ở một mức độ nhất định đến liên kết, do đó vấn đề càng trở nên phức tạp.
1.3.2.2. Hấp phụ hóa học
Nếu lực hấp phụ có bản chất hoá học thì sự hấp phụ được gọi là hấp phụ
hoá học. Sự hấp phụ hoá học có tính chất chọn lọc và không thuận nghịch.
Khác với hấp phụ vật lý, trong hấp phụ
hóa học xảy ra quá trình góp chung hoặc trao

nhận các electron, thực chất đó là giai đoạn
đầu tạo nên các hợp chất hóa học. So với hấp
phụ vật lý, hấp phụ hóa học phức tạp hơn,
thế năng tương tác phụ thuộc vào khoảng
Hình 1.2. Thế năng tương tác trong
cách r (hình 1.2).
hấp phụ hoá học
Đường cong quan hệ U- r gồm 2 cực tiểu:
- Một cực tiểu ứng với hấp phụ vật lý UC
- Một cực tiểu ứng với hấp phụ hóa học UP
Trong đó, cực tiểu ứng với hấp phụ hóa học thấp hơn nhiều so với hấp phụ vật
lý. Điều này cho thấy rằng, năng lượng liên kết (lực hút - phía âm) khi hấp phụ hóa
học lớn hơn nhiều so với hấp phụ vật lý: năng lượng liên kết khi hấp phụ hóa học có
thể tới 800KJ/mol trong khi hấp phụ vật lý thì năng lượng chỉ khoảng 8KJ/mol.
8


Trên hình 1.2 cho thấy, có một điểm cực đại US là do tác dụng nhiệt của
quá trình hấp phụ (hấp phụ tỏa nhiệt tạo ra lực đẩy). Hấp phụ hóa học là giai
đoạn đầu của quá trình liên kết hóa học do đó các điện tử của nguyên tử hấp phụ,
ở một mức độ nhất định, cố định trên cấu tử hấp phụ khác hoặc là trên bề mặt
nền.
Khi khảo sát các mô hình thực, tính phức tạp còn cao hơn rất nhiều, vì trong
quá tình hấp phụ còn phải tính đến ảnh hưởng của các quá trình trung gian khác như:
giả ổn định, phân ly chất hấp phụ... khi hấp phụ ở nhiệt độ cao và khí hấp phụ có
áp suất thấp quá trình hấp phụ mang tính thuận nghịch.
Khả năng hấp phụ của một số khí lên kim loại được giới thiệu trong bảng
1.1.
Bảng 1.1. Khả năng hấp phụ của một số khí lên kim loại
Nguyên tố

Khí hấp phụ
Ti, Zr,Cd, Ta,Cr, Mo, W
N2, H2, CO
Fe, Co, Cu,Ni, Rh, Pd, Pt
H2, CO
Au
CO
Si, Ge
H2
Zn, Cd, Hg
Không hấp phụ N2, H2, CO
1.3.2.3. Hấp phụ đẳng nhiệt
Trong nghiên cứu quá trình hấp phụ, nếu coi nhiệt độ không đổi ta có quá
trình hấp phụ đẳng nhiệt (T = const). Nếu hấp phụ trong quá trình có áp suất
không đổi gọi đó là quá trình đẳng áp (P = const).
Trong quá trình bề mặt chỉ một phần diện tích bề mặt xảy ra hấp phụ. Gọi 
là tỷ lệ diện tích bề mặt vật rắn được hấp phụ. Khi hấp phụ đẳng nhiệt, tỷ lệ t
phụ thuộc vào áp suất, ta có t = f (P). Khi hấp phụ đẳng áp, p phụ thuộc vào
nhiệt độ, ta có quan hệ p = f(T).
Hấp phụ đẳng nhiệt là mô hình có nhiều ý nghĩa thực tiễn và thông dụng hơn
cả.
Khái niệm và phân loại chất bị hấp phụ: tuỳ theo khả năng bị hấp phụ trên
ranh giới phân chia bề mặt hai pha mà người ta phân chất bị hấp phụ thành hai
loại: chất hoạt động bề mặt (HĐBM) và chất không hoạt động bề mặt (KHĐBM).
 Chất HĐBM là chất có khả năng bị hấp phụ trên bề mặt hai pha, do vậy
nó là chất làm giảm sức căng bề mặt của dung môi. Từ đây có thể thấy rằng các
chất HĐBM phải có sức căng bề mặt nhỏ hơn so với dung môi và ít hoà tan trong
nước.
9



Các chất HĐBM được ứng dụng rộng rãi để làm bền các hệ nhũ tương,
huyền phù... đồng thời dùng làm chất tẩy rửa, chất làm chậm ăn mòn.
 Chất KHĐBM là chất có sức căng bề mặt lớn hơn so với dung môi, có
khả năng tan nhiều và đi sâu vào trong lòng dung môi và làm tăng sức căng bề
mặt của nó. Đối với dung môi nước thì đó là các axit, bazơ và muối vô cơ tan.
1.3.3. Sự thấm ướt
Hiện tượng khi một chất lỏng tiếp xúc với một chất rắn nó bị chảy loang
trên bề mặt chất rắn gọi là sự thấm ướt. Mức độ thấm ướt được đánh giá bằng
góc thấm ướt  (hình 1.3).
Nếu  < 90o bề mặt được gọi là ưa lỏng,
nếu  > 90 thì bề mặt gọi là kị lỏng.
Giữa góc thấm ướt và sức căng bề mặt có
mối quan hệ:
   13
cos = 23
;
(1.1)
 12

< 900

 > 900

Hình 1.3. Góc thấm ướt

Trong đó 12; 13; 23 lần lượt là
sức căng bề mặt giữa lỏng - không khí,
rắn- lỏng và rắn - không khí.
Từ quan hệ 1.1 thấy rằng chất lỏng

có sức căng bề mặt càng nhỏ sẽ thấm
Hình 1.4. Sự phụ thuộc giữa góc thấm
ướt bề mặt vật rắn càng tốt.
ướt và sức căng bề mặt.
Hiện tương thấm ướt đóng vai trò
1- Chất lỏng; 2- Không khí, 3- Chất rắn
quan trọng trong kỹ thuật và đời sống.
Ví dụ, khả năng thấm ướt là điều kiện tiên quyết của quá trình tẩy, nhuộm.
Khả năng khử tạp chất của xỉ luyện thép cũng dựa trên khả năng thấm ướt của
các nguyên tố khác nhau.
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ BỀ MẶT
1.4.1. Đặc điểm của các phương pháp phân tích
Mục đích và nội dung của phân tích bề mặt là:
+ Xác định bản chất hóa học lớp bề mặt (định tính và định lượng)
+ Cấu trúc lớp bề mặt (cấu tạo pha)
+ Trạng thái hình học lớp bề mặt (độ nhấp nhô, độ nhám bề mặt)
10


+ Tính chất lớp bề mặt (cơ, lý, hóa tính)
Việc định lượng các nguyên tố trên bề mặt cho đến nay vẫn là việc khó bởi
vì các phương pháp quang phổ luôn luôn vấp phải khó khăn về mẫu chuẩn. Mặt
khác để xác định sự thay đổi nồng độ theo chiều sâu, các kỹ thuật phân tích hiện
nay thường dùng là phân tích liên tục các sản phẩm bốc ra từ bề mặt mẫu do bắn
phá bằng các chùm ion (hoặc điện tử), mà vận tốc bào mòn bề mặt mẫu lại phụ
thuộc vào bản chất của mẫu, vận tốc này còn chưa biết đang cần phải xác định.
Với sự trợ giúp của máy tính, quá trình phân tích ngày càng thuận lợi và chính
xác hơn.
Trong số các nguyên tố hóa học thường có mặt ngoài mong muốn và làm
nhiễu kết quả phân tích, phải kể đến ôxy và cacbon. Ôxy có mặt là do trên bề mặt

kim loại tinh khiết luôn tồn tại một lớp oxit tự nhiên. Cacbon thường đi vào từ dầu
mỡ bôi trơn và bảo vệ bề mặt, hoặc từ hệ thống bơm chân không ...
Các phương pháp tinh thể học đều dựa trên các khái niệm cơ bản là mạng
tinh thể, các mặt và phương mạng. Các mặt tinh thể gồm:
- Các mặt có mật độ nguyên tử cao.
- Các mặt có trật tự thấp (so với mặt có mật độ nguyên tử cao).
Các mặt này có thể được mô tả bằng mô hình TBG (thềm - bậc - góc, trong
đó: thềm là một phần mặt phẳng nằm ngang, bậc là một phần mặt phẳng vuông
góc với thềm, góc là vùng lân cận giao tuyến của các bậc).
Các mặt phức tạp không thể áp dụng mô hình TBG để mô tả được, vì chúng có
độ nhấp nhô ở mức độ nhỏ cỡ nguyên tử.
Toàn bộ sự quan sát hình thể và xác định các đặc điểm của bề mặt là đối
tượng của các phương pháp đánh giá và sự phân tích bề mặt. Điểm hạn chế của
phương pháp là bề mặt mẫu không hoàn toàn nhẵn, hơn nữa đối với nguyên tử ta
chấp nhận mô hình TBG.
Hiện nay đã đạt được nhiều tiến bộ trong phân tích bề mặt vật rắn tiếp xúc
với pha khí. Các phương pháp này dựa trên kết quả phân tích các tia hoặc các
chùm hạt phát ra từ bề mặt vật rắn được kích thích hợp lý. Đối với hệ bề mặt rắn
- lỏng việc phân tích gặp khó khăn hơn do mẫu quan sát phải lấy ra khỏi môi
trường tiếp xúc để khảo sát, điều đó làm đảo lộn cấu trúc bề mặt. Ngày nay các
phương pháp điện hóa có thể thực hiện tại chỗ do đó tránh được khó khăn trên.
Các nguyên tử ở bề mặt rất nhạy cảm với các tác động bên ngoài như nhiệt
độ. Khi nung nóng các nguyên tử bề mặt sẽ khuếch tán, cấu trúc lại bề mặt để tạo
thành các mặt nhỏ và các đường rạch, do đó kết quả phân tích ban đầu không còn
11


phù hợp nữa. Mặt khác, các thông số cấu trúc của vật rắn còn phụ thuộc vào điều
kiện gia công như: cắt gọt, đánh bóng. Cho dù dùng các hạt mài rất mịn, bề mặt
mẫu sau khi đánh bóng vẫn hình thành một lớp biến cứng dày vài chục m. Sau

khi gia công cơ, trạng thái ban đầu của kim loại bị mất đi vì khi cắt gọt hoặc khi
mài dù được thực hiện trong chế độ tối ưu, kim loại vẫn bị biến dạng dẻo dẫn đến
hình thành các vết nứt tế vi trên bề mặt. Sự thay đổi lớp bề mặt sau khi gia công
cơ phụ thuộc vào tác động cơ học, tác động nhiệt, tác động của vật liệu dụng cụ
cắt, của môi trường: nước, dung dịch trơn nguội, dầu... Tuy vậy, các biến đổi bề
mặt khi gia công cơ cũng có mặt lợi và từ lâu đã được nghiên cứu khai thác:
chống mài mòn tạo ứng suất nén dư để tăng giới hạn mỏi, tăng bền ăn mòn ứng
suất....
1.4.2. Các phương pháp xác định thành phần hoá học, bản chất pha
Cơ sở của phân tích thành phần hóa học và bản chất pha là dựa vào phổ, các
hạt hoặc tia phát ra từ bề mặt được kích thích bằng năng lượng bên ngoài. Tuỳ
thuộc vào năng lượng kích thích, vào mục đích phân tích định tính hay định
lượng, vào phổ phát ra mà người ta có thể xác định được các nguyên tố (thường
cả đồng vị của nó), bản chất của các liên kết hóa học ở trên bề mặt.
1.4.2.1. Phân tích bằng chùm photon
Các phương pháp phân tích dựa trên sự kích thích bằng photon phổ biến nhất
hiện nay là: quang phổ ESCA, microsonde dùng laser, Fluorescence X và quang phổ
hấp phụ nguyên tử.
a/Quang phổ ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis)
Với biến thể của nó là XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) và UPS
(Ultraviolet photoelectron spectroscopy) là phương pháp dựa trên hiện tượng
quang điện. Mẫu thử được chiếu bằng bức xạ đơn sắc (X hoặc UV) phát ra các
photon electron. Người ta phân tích năng lượng dòng photon electron phát ra, từ đó
xác định được các liên kết bên trong. Ưu điểm cơ bản của phương pháp là cho biết
các mối liên kết hóa học, nếu biết thành phần ta có thể xác định được liên kết của
các nguyên tử.
b/Phương pháp microsonde dùng laser
Phổ phát ra từ mẫu thử được kích thích bằng chùm tia laser, được phân tích
giống như quang phổ ESCA. So với ESCA phương pháp này ít thông dụng hơn,
ngày nay chủ yếu được dùng cho phân tích định tính và kiểm tra bổ xung kết quả.


12


Tuy nhiên do có độ nhạy cao [1ppm/(1÷ 2)m2], dễ sử dụng nên được ứng dụng
nhiều trong công nghiệp luyện kim, hóa học vô cơ, hữu cơ, sinh học.
c/Phương pháp huỳnh quang tia X ( fluorescence X )
Là phương pháp dựa trên nguyên tắc kích thích nguyên tử bằng một năng
lượng cao hơn các mức năng lượng (K, L, M...) các electron sẽ nhảy lên các mức
năng lượng cao hơn, khi đó gây nên sự ion hóa các nguyên tử. Khi bỏ năng lượng
kích thích, các electron sẽ trở về vị trí ban đầu và phát ra các mức năng lượng
tương ứng với sự chênh lệch năng lượng cuả các mức chuyển tiếp gọi là quang phổ
fluorescence của nguyên tử. Quá trình này xảy ra ở quy mô nguyên tử không phụ
thuộc vào liên kết giữa các nguyên tử. Dựa vào cường độ của các vạch phát ra
người ta xác định được sự có mặt của các nguyên tố và nồng độ của nó.
d/ Phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử
Là phương pháp dựa trên tính chất của mẫu sau khi được hấp phụ các nguyên tử
của một nguyên tố ở thể khí có thể hấp phụ các tia đặc trưng giống với các tia mà nó
phát ra khi bị kích thích. Các nguyên tử hấp phụ cũng thu nhận một bức xạ đơn sắc có
tần số thích hợp. Hiệu số năng lượng đưa tới và phát ra phụ thuộc vào nồng độ của các
nguyên tử trên bề mặt. Bức xạ được phát ra từ một nguồn có catot là mẫu thử cần
phân tích, so với mẫu chuẩn ta có thể biết sự có mặt của các nguyên tố với hàm lượng
bao nhiêu.
1.4.2.2. Phân tích bằng chùm electron
Phương pháp microsonde điện tử sử dụng năng lượng kích thích là chùm
electron khi ngừng kích thích, các nguyên tử trở về trạng thái ban đầu và phát ra
tia X. Người ta phân tích quang phổ phát ra của một tinh thể đã biết, có nhiễu xạ
tuân theo định luật nhiễu xạ Bragg. Dùng các thiết bị đặc biệt có thể đếm số lượng
hạt phát ra ứng với mỗi vạch của mẫu phân tích và của mẫu chuẩn để xác định
hàm lượng của nguyên tố. Khả năng phân tích nguyên tố phát hiện được phụ thuộc

vào dạng hình học của dụng cụ, đặc điểm của tinh thể.
Nếu thiết bị phân tích được lắp trên kính hiển vi điện tử quét, được gọi là
phân tích tia X theo mức năng lượng. Quang phổ X phát ra từ mẫu thử được
truyền đến bộ phận phân tích đa kênh. Ở đây các vạch quang phổ được tách ra
theo mức năng lượng, mỗi mức năng lượng ứng với một nguyên tố. Kết quả phân
tích có thể là hình ảnh tia X của một nguyên tố (định tính), cũng có thể định
lượng và xác định sự phân bố nguyên tố trên bề mặt quan sát. Tiếc rằng phương
pháp này không xác định được các nguyên tố nhẹ: N, B, C, O...
13


1.4.2.3. Phân tích bằng dòng ion
Phương pháp cổ điển hơn cả là quang phổ ion thứ cấp SIMS (Secondary ion
mass spectrometry), dựa trên kết quả phân tích thành phần pha khí tạo thành do
vật liệu bị bắn phá bằng chùm ion ta có thể xác định được sự có mặt của các
nguyên tố và hàm lượng của chúng. Nhờ bắn phá ion, ta có thể làm mài mòn dần
dần bề mặt và do đó cho phép xác định đường cong phân bố nồng độ theo chiều
sâu kể từ bề mặt.
Quang phổ phát xạ SDL là phương pháp quang học lợi dụng hiện tượng
phóng điện phát quang của pha khí dưới tác dụng của từ trường (1kV). Khi sử
dụng Argon trong plasma sẽ bắn phá lên bề mặt catot (mẫu thử) làm hóa hơi một
phần bề mặt mẫu thử. Tương tự như trường hợp SIMS, ta có thể xác định được
thành phần và đường cong phân bố nồng độ. Các tia phát ra từ plasma tạo thành
quang phổ, các vạch đặc trưng cho sự có mặt của các nguyên tố trong mẫu,
cường độ của vạch tỷ lệ với nồng độ của các nguyên tố.
1.4.3. Các phương pháp phân tích cấu trúc
Các phương pháp phân tích cấu trúc dùng phổ biến trong ngành luyện kim và
công nghệ vật liệu gồm: hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử
xuyên thấu, phương pháp nhiễu xạ tia X.
1.4.4. Các phương pháp xác định độ nhấp nhô bề mặt

Độ nhấp nhô là sự sai khác kích thước so với bề mặt lý tưởng. Người ta
phân biệt hai khái niệm độ nhấp nhô vĩ mô và vi mô.
Nhấp nhô vĩ mô có biên độ và chu kỳ lớn thường do mức độ không hoàn
thiện của dụng cụ và thiết bị gia công như máy tiện, máy phay gây nên.
Nhấp nhô vi mô có biên độ nhỏ hơn có thể mang đặc tính xác suất. Ví dụ
trạng thái bề mặt sau khi phun bi hoặc phun cát làm sạch.
Độ nhấp nhô bề mặt thay đổi theo thời gian do tác động cơ học: mài mòn, xói
mòn, do tác động hóa học: ăn mòn ngay cả sự biến đổi cấu trúc theo thời gian như sự
hoá già...
Trạng thái nhấp nhô bề mặt chủ yếu đối với vật liệu kim loại, sự thay đổi của
nó mang tính thống kê. Mục đích của phương pháp là xác định độ nhấp nhô có ảnh
hưởng đến các tính chất của bề mặt như: ma sát mài mòn, tính chất quang...
Để đặc trưng cho độ nhấp nhô người ta dùng khái niệm độ nhám.
Theo tiêu chuẩn cũ của Việt Nam (tương đương ГОСТ của Liên xô cũ) độ
chính xác bề mặt được đánh giá bằng độ bóng bề mặt và được chia thành 14 cấp,
14


cấp 1 là thô nhất, cấp 14 là bóng nhất (tinh nhất) trên bản vẽ được ký hiệu là
1÷14.
Theo quy định mới của Việt Nam
TCVN 2511-2007 độ chính xác bề mặt
được đánh giá bằng độ nhám bề mặt và
biểu thị bằng một trong hai thông số Ra
hoặc Rz và ghi trên bản vẽ như hình 1.5.
Những số có kèm chữ Rz là giá trị Rz.
Những số không kèm chữ là giá trị Ra,

Hình 1.5. Cách ghi độ nhám theo
quy định TCVN 2511-2007


đơn vị đo m. Độ nhám cũng được chia
thành 14 cấp.
+ Ra - Sai lệch số học trung bình của prôphin, thường để đánh giá độ nhám
cấp 6 ÷ 12.
+ Rz - Chiều cao mấp mô prôphin theo mười điểm, thường để đánh giá độ
nhám cấp 1 ÷ 5 và 13÷ 14.

Mỗi cấp độ nhám từ cấp 6 đến cấp 14 lại phân thành 3 loại a, b, c. Có thể
tra cứu các thông số cấp độ nhám cụ thể theo TCVN trong bảng bảng 1.2.
Bảng 1.2. Thông số độ nhám theo TCVN 2511-2007
Cấp 1 : Rz = từ 320 – 160
Cấp 4 : Rz = từ 40 - 20
Cấp 2 : Rz = dưới 160 - 80
Cấp 5 : Rz = dưới 20 - 10
Cấp 3 : Rz = dưới 80 - 40
Được đo trên chiều dài chuẩn l = 2,5
Được đo trên chiều dài chuẩn l = 8
mm
mm.
Cấp 6
Cấp 7
a: Ra = từ 2,5 - 2,0
a : Ra = dưới 1,25 - 1
b: Ra = dưới 2,0 - 1,6
b : Ra = dưới 1 - 0,8
c: Ra = dưới 1,6 - 1,25
c : Ra = dưới 0,8 - 0,63
Cấp 8
Cấp 9

a : Ra = dưới 0,63 - 0,5
a : Ra = từ 0,32 - 0,25
b : Ra = dưới 0,5 - 0,4
b : Ra = dưới 0,25 - 0,2
c : Ra = dưới 0,4 - 0,32
c : Ra = dưới 0,2 - 0,16
Đo trên chiều dài chuẩn l = 0,8 mm
Cấp 10
a : Ra = dưới 0,16 - 0,125

Cấp 11
a : Ra = dưới 0,08 - 0,063
15


b : Ra = dưới 0,125 - 0,1
c : Ra = dưới 0,1 - 0,08
Cấp 12
a : Ra = dưới 0,04 - 0,032
b : Ra = dưới 0,032 - 0,025
c : Ra = dưới 0,025 - 0,016
Đo trên chiều dài chuẩn l= 0,25 mm
Cấp 13 :
a : Rz = tù 0,1 - 0,08
b : Rz = dưới 0,08 - 0,063
c : Rz = dưới 0,063 - 0,05

b : Ra = dưới 0,063 - 0,05
c : Ra = dưới 0,05 - 0,04


Cấp 14
a : Rz = dưới 0,05 - 0,04
b : Rz = dưới 0,04 - 0,032
c : Rz = dưới 0,032 - 0,025
Được đo trên chiều dài chuẩn l =
0,08mm

Độ nhám có ảnh hưởng đến các quá trình: hấp phụ, xúc tác. Bề mặt tiếp xúc
giữa vật liệu kim loại và môi trường phải được xem xét ở không gian ba chiều,
nhưng với vật liệu xốp cần phải được xem xét trong phạm vi vĩ mô được tập hợp từ
nhiều mặt.
1.4.5. Các phương pháp phân tích lớp phủ
Lớp phủ có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ chi tiết. Ví dụ: lớp bảo vệ
chống ăn mòn, chống mài mòn. Nói chung lớp phủ có tác dụng bảo vệ các tính
chất của vật liệu ở phía trong.
Các phương pháp phân tích bề mặt kim loại cũng được áp dụng cho phân tích lớp
phủ.
Theo tính chất của vật liệu lớp phủ chia thành ba nhóm:
 Lớp kim loại, lớp oxit, cacbit, nitrit được chế tạo bằng phương pháp
hoá nhiệt luyện, phun phủ, CVD hoặc PVD
 Lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn mài...)
 Lớp phủ ceramic được tạo bằng công nghệ phun khác nhau... sử
dụng trong nhiều lĩnh vực: ôtô, điện tử hạt nhân, cơ khí...
Các đặc tính cần xác định của lớp phủ là:
- Chiều dày lớp phủ (giá trị tuyệt đối, sự nhấp nhô...)
- Độ xốp

16



- Bản chất của lớp phủ: thành phần hoá học, pha tạo thành, tổ chức, cấu tạo
tinh thể, textua, độ lớn hạt, khuyết tật mạng tinh thể, đặc biệt là các tính chất ở bề
mặt phân cách giữa lớp phủ và nền.
- Tính chất cơ học: bám dính, độ cứng, ứng suất.
- Các tính chất khác: quang, điện từ, nhiệt...
Tùy mức độ quan trọng, độ chính xác của lớp phủ sẽ chọn các phương pháp
phân tích lớp phủ thích hợp. Nên đi từ thấp lên cao, từ đơn giản đến phức tạp. Ví
dụ, sau khi chế tạo lớp phủ, nên quan sát bằng mắt, dùng dao hoặc kẹp gạt thử lớp
phủ xem chiều dày, độ bám dính, tiến tới dùng các kính hiển vi quang học, kính
hiển vi điện tử, các phương pháp hoá lý và phân tích cấu trúc khác.

17


Chương 2
CÁC DẠNG HỎNG BỀ MẶT
2.1. CÁC DẠNG HỎNG CHI TIẾT MÁY
Khi chế tạo, lắp ráp, vận hành sửa chữa, có thể xảy ra các hư hỏng từng phần
hay toàn bộ chi tiết. Thông thường hư hỏng xảy ra trên các bề mặt làm việc, bề mặt
tiếp xúc và phát triển vào bên trong. Nguyên nhân hư hỏng rất phong phú và đa
dạng, một cách tổng quát có thể chia thành ba loại chính:
Hư hỏng do chế tạo.
Hư hỏng do vận hành, sử dụng.
Hư hỏng do chất lượng vật liệu không đảm bảo.
Theo các số liệu thống kê, hư hỏng do vận hành trong quá trình sử dụng là
nguyên nhân chủ yếu gây nên các hư hỏng máy. Dạng hư hỏng này có thể coi như
gồm 3 nhóm chính:
• Hư hỏng do mòn (mòn đều, mòn không đều sinh ra ô van và độ côn, các vết
xước nhỏ và các vết xây xát. Dạng hư hỏng này có liên quan với ma sát).
• Hư hỏng cơ học (nứt, thủng, xước thành rãnh, tróc, gẫy, biến dạng do tác

dụng cơ học gây nên cong, vênh, xoắn,. ..
• Hư hỏng hoá nhiệt: ăn mòn, bị rỗ, bị biến dạng do nhiệt độ...
Hai loại hỏng đầu có liên quan nhiều đến sự mòn, loại thứ ba có liên quan
nhiều đến các quá trình hóa học, điện hóa.
2.2. HỎNG BỀ MẶT DO MÒN
2.2.1. Khái niệm chung về mài mòn
Trong quá trình làm việc bề mặt các chi tiết có tham gia tạo cặp ma sát, sẽ bị
mài mòn. Quá trình này thể hiện bằng sự thay đổi dần kích thước và hình dáng cụ
thể. Mài mòn xảy ra đến mức độ nào đó sẽ làm mất khả năng làm việc của chi tiết.
Người ta gọi đó là sự hư hỏng do mài mòn hay nói ngắn gọn là mòn.
Như vậy mòn là quá trình phá huỷ và tách vật liệu ra khỏi bề mặt vật rắn,
gây ra bởi tương tác cơ học, hóa học (ăn mòn), dẫn đến hao mòn (obsolescence)
làm tổn thất vật liệu lớn nhất.
Quá trình này biểu hiện bằng sự thay đổi dần kích thước và hình dáng vật
thể.

18


Mài mòn gây ra sự hao mòn máy móc thiết bị. Có tới 80 90% máy móc
không tiếp tục làm việc do hiện tượng mòn. Chi phí cho việc sửa chữa máy hỏng
do mòn rất lớn. Vì vậy nghiên cứu chống mài mòn, nâng cao tuổi thọ chi tiết có ý
nghĩa toàn cầu. Ngành kỹ thuật ma sát (còn gọi là kỹ thuật Tribo) là một trong
những khoa học nghiên cứu làm giảm khả năng mài mòn cho chi tiết máy.
Để hiểu về mài mòn cần nhắc tới khái niệm ma sát, vì rằng thực chất ma
sát và mài mòn là hai mặt của một vấn đề. Bằng kinh nghiệm cuộc sống chúng ta
cũng cảm nhận thấy rằng ma sát tăng thì mài mòn tăng và ngược lại.
2.2.2. Ma sát

Ma sát là kết quả của nhiều dạng tương tác phức tạp khác nhau, khi có

sự tiếp xúc và dịch chuyển hoặc có xu hướng dịch chuyển giữa hai vật thể,
trong đó diễn ra các quá trình cơ, lý, hoá, điện...quan hệ của các quá trình
đó rất phức tạp phụ thuộc vào đặc tính tải, vận tốc trượt, vật liệu và môi
trường. Cho đến nay về nhiều phương diện, ma sát vẫn là một điều bí ẩn. Trong
vật lý học người ta coi ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật
chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt.
Lực ma sát làm chuyển hóa động năng của chuyển động tương đối giữa
các bề mặt thành năng lượng ở dạng khác. Việc chuyển hóa năng lượng thường
là do va chạm giữa phân tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế
năng dự trữ trong biến dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron, được
tích lũy một phần thành điện năng hay quang năng. Trong đa số trường hợp trong
thực tế, động năng của các bề mặt được chuyển hóa chủ yếu thành nhiệt năng.
Về bản chất vật lý, lực ma sát xuất hiện giữa các vật thể trong cuộc sống là
lực điện từ, một trong các lực cơ bản của tự nhiên, giữa các phân tử, nguyên tử.
Có thể coi gần đúng lực ma sát tỷ lệ với lực ép hai bề mặt. Trong quá trình ma
sát có thể xảy ra đồng thời các hiện tượng cơ học, điện, nhiệt, hoá... Ma sát có thể
làm tăng hoặc giảm độ bền, dẫn đến phá huỷ bề mặt hoặc ngược lại tạo ra một hệ
giảm độ mòn và ma sát.
Vì vậy có thể thấy rằng ma sát vừa có lợi vừa có hại. Có lợi vì nhờ ma sát
một số cơ cấu máy hoạt động được (hình 2.1). Có hại vì làm giảm hiệu suất máy,
làm nóng máy, gây mòn dẫn đến mất tính năng làm việc.

19


Hình 2.1. Ma sát là cơ sở cho các cơ cấu máy làm việc
Phân loại ma sát
Có nhiều cách phân loại ma sát:
- Phân loại theo tính chất tiếp xúc, theo cách này có ma sát ướt, ma sát khô,
ma sát nửa khô nửa ướt (hình 2.2).


a/
b/
c/
Hình 2.2. Phân loại theo tính chất tiếp xúc
a/ ma sát ướt; b/ ma sát khô; c/ma sát nửa khô
- Phân loại theo tính chất chuyển động: theo cách này có ma sát trượt, ma
sát lăn (hình 2.3).

a/
b/
Hình 2.3. Phân loại theo tính chất chuyển động a/ ma sát trượt; b/ ma sát
lăn
- Theo trạng thái chuyển động có ma sát tĩnh và ma sát động.
Từ góc độ mài mòn, yếu tố đáng quan tâm nhất trong hiện tượng ma sát là hệ
số ma sát . Trong kỹ thuật người ta sử dụng vật liệu có hệ số ma sát rất khác
nhau. Trong các hệ thống hãm chuyển động (cơ cấu phanh) cần vật liệu có  lớn.
Ngược lại trong các cặp ma sát như ổ trục, vòng bi, cơ cấu bộ đôi… lại dùng các
vật liệu có không đổi và càng nhỏ càng tốt.
2.2.3. Chỉ tiêu đánh giá sự mòn
20


Để đánh giá sự hao mòn người ta dùng hai chỉ tiêu chính là cường độ mòn I
và tốc độ mòn V.
Cường độ mòn I là tỉ số giữa lượng hao mòn tuyệt đối với chiều dài quãng
đường ma sát L:
I

V1  V2

;
L

Trong đó V1, V2 là thể tích chi tiết trước và sau khi đo.
G1, G2 là khối lượng chi tiết trước và sau khi đo.
Tốc độ mòn V là lượng hao mòn tuyệt đối trong một đơn vị thời gian:
V

V1  V2

V

G1  G2


; hoặc
Trong đó  là thời gian ma sát [giờ].
2.2.4. Bản chất hiện tượng mài mòn bề mặt
Có thể coi mài mòn như tổ hợp của ba quá trình:
- Quá trình tương tác của bề mặt ma sát.
- Quá trình thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt ma sát.
- Quá trình phá huỷ bề mặt ma sát.
2.2.4.1. Quá trình tương tác của cặp bề mặt ma sát
Tương tác của các bề mặt thể hiện ở hai khía cạnh: tương tác cơ học và
tương tác phân tử.
Tương tác cơ học biểu hiện bằng sự biến dạng và móc nối của các phần tử nhấp
nhô.
Tương tác phân tử biểu hiện bởi sự bám dính và xâm thực.
Tính phức tạp của quá trình xảy ra trong vùng tiếp xúc đã làm xuất hiện
nhiều lý thuyết khác nhau về sự ma sát. Trong đó lý thuyết cơ học phân tử đã kết

hợp được khá đầy đủ cả hai yếu tố tương tác biến dạng và bám dính khi ma sát.
Cơ sở xuất phát của lý thuyết này là tính gián đoạn của chỗ tiếp xúc các bề mặt
ma sát. Do có độ nhấp nhô nên bề mặt sẽ tiếp xúc tại từng điểm riêng biệt, xen kẽ nhau,
chúng bị ép vào nhau. Kết quả là tương tác ở vùng này xuất hiện lực gọi là ma sát có
bản chất hai mặt: biến dạng và dính kết, ứng với lực gây biến dạng và lực gây dính kết.
Lực chống lại quá trình biến dạng đó (lặp lại nhiều lần của các vùng thể tích
vi mô) là thành phần biến dạng của lực ma sát (FBD).
Tương tác dính kết có liên quan đến sự hình thành các cầu nối hàn dính tại
các chỗ tiếp xúc. Lực chống lại sự dứt đứt các cầu nối đó và sự hình thành các
cầu mới chính là thành phần dính kết của lực ma sát (FDK).
Như vậy lực ma sát Fms được xác định như tổng của các lực thành phần.


21


Fms= FBD+ FDK
Trong đó thành phần biến dạng của lực ma sát FBD= f(h/R); h - chiều sâu
xen kẽ, R- bán kính chỗ nhấp nhô xen kẽ nhau.
Tương tác cơ học giữa hai bề mặt ma sát thể hiện ở 3 mức độ: 1) Tiếp xúc
đàn hồi; 2) Biến dạng dẻo; 3) Cắt vi mô (hình 2.5 a,b,c).

Hình 2.5. Các dạng tương tác của bề mặt ma sát:
a) Tiếp xúc đàn hồi, b) Biến dạng dẻo, c) Cắt vi mô
Cường độ mài mòn sẽ là ít nhất khi tiếp xúc đàn hồi. Khi biến dạng dẻo
cường độ hao mòn sẽ lớn gấp hàng chục lần. Tương tác dẫn đến cắt vi mô là
không cho phép vì nó sẽ nhanh chóng làm hỏng chi tiết.
Tương tác dính kết thể hiện ở hai dạng:
1/ Hạt mài bám vào và phá huỷ lớp màng oxit hoặc màng hấp phụ có sẵn
trên bề mặt ma sát (hình 2.6 a). Sự phá huỷ bề mặt bằng cách cắt các màng oxit

gọi là sự mài mòn ôxy hoá.
2/ Hạt mài bám vào các bề mặt kim loại kèm theo ăn sâu vào bên trong
(hình 2.6 b). Trên bề mặt ma sát sẽ hình thành các chỗ lõm sâu, trên bề mặt kia là
các hạt vừa bị bóc lên rồi chúng sẽ lại bị bám tiếp và lan khắp bề mặt ma sát, phá
huỷ mạnh vật liệu, và đôi khi do toả nhiệt nhiều còn gây ra hiện tượng hàn dính.

Hình 2.6 a/ hạt mài bám vào và phá huỷ lớp màng oxit ,
b/ hạt mài bám vào các bề mặt kim loại kèm theo ăn sâu vào bên trong
2.2.4.2. Quá trình thay đổi xảy ra trong lớp bề mặt ma sát

22


Đối với các bề mặt ma sát là kim loại, trong khi làm việc do biến dạng, sự
tăng nhiệt độ hoặc tác dụng hoá học của môi trường thường dẫn đến các thay đổi
về trạng thái tổ chức hoặc tính chất lớp bề mặt.
a/ Sự thay đổi do tổ chức lớp bề mặt không đồng nhất
Do tổ chức lớp bề mặt không đồng nhất, có pha mềm (thường là dung dịch
rắn) và pha cứng (các pha cacbit, nitrit...). Biến dạng lớp bề mặt (có thể là biến
dạng đàn hồi hoặc biến dạng dẻo) ít nhiều đều dẫn đến hiện tượng biến cứng nguội
lớp bề mặt với mức độ khác nhau. Dưới tác dụng lặp lại nhiều lần của tải trọng,
trước hết pha mềm sẽ bị mài mòn. Áp suất trên các thành phần cứng tăng, ép
chúng lên nền mềm. Dưới tác dụng của của lực ma sát một số phần cứng bị phá vỡ
và dịch chuyển, do đó làm tăng các thành phần cấu trúc cứng trên bề mặt. Kết quả
bề mặt tiếp xúc càng bị cứng hơn (hoá bền).
b/ Sự thay đổi do sự tăng nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng, ở lớp bề mặt ma sát có thể xảy ra các trường hợp sau:
Nếu nhiệt độ làm việc cao hơn nhiệt độ kết tinh lại quá trình ma sát xảy ra
đồng thời có sự làm phẳng nhẵn bề mặt do có quá trình kết tinh lại thải bền.
- Nếu nhiệt độ biến đổi không đồng đều, cục bộ có khu vực nung nhanh

hoặc nguội nhanh có thể dẫn đến bề mặt có tổ chức như khi tôi, hoặc cũng có thể
dẫn đến gây nên nội ứng suất làm giảm chất lượng bề mặt.
- Ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tải trọng va đập, trên các bề mặt vi mô của
cặp ma sát có thể còn xuất hiện tổ chức Macmaplasma (tương tự tổ chức xuất hiện
khi núi lửa phun nhám thạch), kèm theo sự phát ra các điện tử (hình 2.7). Cấu trúc
này rất cứng sẽ gây ra sự mòn cục bộ bề mặt ma sát.
c/ Sự thay đổi xảy ra do tác dụng hoá học của môi trường xung quanh
- Môi trường không khí sẽ tạo nên trên bề mặt kim loại đã làm sạch trong quá
trình mài mòn những lớp oxit. Lớp oxit này thường có tác dụng làm giảm cường
độ mài mòn rất nhiều.
- Nếu môi trường là chất bôi trơn (dầu, mỡ...) sẽ hình thành các màng hợp
chất
có tác dụng như màng oxit, làm giảm tốc độ mài mòn, nếu tốc độ hình thành
chúng nhanh hơn tốc độ mài mòn.
- Nếu môi trường là những chất lỏng hoặc khí có tác dụng ăn mòn, chúng sẽ
làm tăng nhanh quá trình mài mòn.

23


Hình 2.7. 1-Tổ chức ban đầu; 2 - Tổ chức nỏng chảy; 3 - Tổ chức plasma;
4 - Điện tử phát ra
2.2.4.3. Sự phá huỷ các bề mặt ma sát
Các bề mặt ma sát thường có các dạng hỏng điển hình sau:
Sự tróc - dạng hư hỏng phổ biến nhất của các bề mặt ma sát. Các phần tử bị
tróc khỏi bề mặt ma sát có thể là các thành phần cấu trúc cứng của hợp kim sau khi
mòn hết nền mềm, các phần tử của lớp kim loại lót chống ma sát khi bị mỏi.
Tạo vết xước gây ra do các phần tử cứng xâm nhập bị ép sẽ gây biến dạng bề
mặt, các vết xước xuất hiện gần như song song với quãng đường trượt.
Sự bong tách, trong quá trình ma sát phần vật liệu bị biến dạng dẻo và đẩy về

một phía bề mặt ma sát, tràn lên các màng oxit, phần vật liệu này sẽ mất liên kết với
kim loại nền sinh ra bong tách.
Cắt vi mô gây ra do những phần tử cứng của hạt mài hoặc sản phẩm mài
mòn xâm nhập vào độ sâu nhất định. Trường hợp này ít xảy ra.
Sự bứt sâu đó là dạng phá huỷ xảy ra khi hai bề mặt dịch chuyển tương đối có
tạo nên các phần tử tương tác bền vững hơn một hoặc cả hai vật liệu. Lúc đó phá huỷ
sẽ xảy ra ở sâu trong một trong hai bề mặt. Sản phẩm của sự mài mòn này ở dạng hạt
có thể đạt tới vài mm, sẽ lại bị đập vỡ tiếp và là nguyên nhân của quá trình mài mòn
tiếp theo.
Cơ chế mòn của polyme và cao su về cơ bản cũng tương tự như kim loại.
Tuy nhiên quy luật có khác đôi chút, chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm cơ lý tính
của polyme nói riêng và phi kim nói chung. Quy luật biến đổi của chúng trong
quá trình ma sát cần được xem xét cụ thể.
2.2.5. Các giai đoạn mòn của cặp ma sát
Hình 2.8 giới thiệu đường cong mài mòn điển hình của một số vật liệu.
Trong trường hợp chung có thể phân đường cong mài mòn thành 3 phần tương
đương với 3 giai đoạn mòn.
I- Sự mài mòn ban đầu khi chạy rà chi tiết
24


II- Sự mài mòn ổn định
III- Quá trình tăng vọt tốc độ mòn, tương ứng với giai đoạn mòn khốc liệt.
Trong giai đoạn đầu diện tích tiếp xúc thực tế nhỏ, khi tăng tải sẽ có áp lực lớn
dẫn đến biến dạng dẻo. Một phần độ nhấp nhô bề mặt bị nén ép, một phần bị phá
huỷ, nói chung mức độ nhấp nhô giảm đi.
Quá trình làm phẳng độ nhấp nhô vĩ mô sẽ làm tăng bề mặt tiếp xúc, cường độ
mài mòn chậm dần.

Hình 2.8. Đường cong mài mòn. 1- tốc độ mòn, 2- lượng mòn

Trong điều kiện làm việc không đổi, sau một thời gian xác định, sẽ tạo nên độ
nhám ổn định của các bề mặt ma sát.
Quá trình mài mòn ổn định thể hiện bằng sự biến dạng, phá huỷ và tái tạo
không ngừng các khu vực riêng của lớp bề mặt.
Quá trình mài mòn khốc liệt tương ứng khi khe hở các cặp ma sát tăng, điều
kiện ma sát xấu đi, sự thay đổi kích thước bề mặt (sự tạo độ côn, độ ăn khớp ở
bánh răng kém đi...) dẫn đến quá trình mài mòn tăng đột ngột và kết quả là phá
huỷ bề mặt làm việc.
Đường cong mài mòn thực tế không thể là đường đều đặn. Chỉ sau khi sự
thay đổi đạt tới một giới hạn nhất định, sự phá huỷ mới bao trùm phần lớn bề
mặt. Nếu tốc độ mài mòn ổn định, quá trình này sẽ lặp lại theo chu kỳ. Do đó,
đường cong mài mòn phải là tập hợp liên tục các đoạn cong với tung độ không
giảm.
2.2.6. Phân loại mòn
Mài mòn là một quá trình phức tạp, gây ra bởi nhiều nguyên nhân, chịu ảnh
hưởng của nhiều yếu tố. Dạng mài mòn có thể xác định gần đúng bằng các dấu hiệu
bên ngoài của các bề mặt ma sát. Có nhiều cách phân loại mài mòn, một trong
những phương pháp đó là dựa vào bản chất của những yếu tố chính dẫn đến mài
mòn để phân loại: mài mòn cơ hoá và mài mòn cơ học.
2.2.6.1 Mài mòn cơ học
25