Ăn mòn tiếp xúc Fretting là một loại ăn mòn do ma sát được gây ra bởi các chuyển động tuần hoàn nhỏ giữa hai vật liệu tiếp xúc nhau cùng với sự tấn công ăn mòn từ môi trường.
Tribocorrosion được định nghĩa là sự xuống cấp của bề mặt vật liệu khi chịu tác động kết hợp của các tác động cơ học và hóa học, do ma sát tiếp xúc trong môi trường ăn mòn. Nói một cách đơn giản, đó là quá trình xuống cấp vật liệu do tác động kết hợp của mài mòn và ăn mòn.
Tên gọi “tribocorrosion” xuất phát từ hai lĩnh vực chính là tribology (nghiên cứu về ma sát, bôi trơn và mài mòn) và corrosion (ăn mòn hóa học và điện hóa học).
Tribocorrosion thường xảy ra trong các môi trường mà vật liệu phải chịu ma sát và các tác nhân ăn mòn cùng lúc, dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng của vật liệu. Hiện tượng này có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất của các thành phần cơ khí, đặc biệt là trong các ứng dụng có chuyển động trượt hoặc dao động dưới điều kiện ăn mòn.
Các loại tribocorrosion bao gồm:
ăn mòn mài mòn (abrasion corrosion),
ăn mòn trượt (sliding wear corrosion)
và ăn mòn tiếp xúc (fretting corrosion).
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào sự ăn mòn tiếp xúc, nguyên nhân của nó, một số ví dụ điển hình và cách ngăn chặn nó.
Hình
1. Quá trình xuống cấp dẫn đến ăn mòn tribocorrosion.
Ăn mòn
tiếp xúc Fretting là gì?
Ăn mòn tiếp xúc (Fretting) không phải là một dạng hư hỏng mới được phát hiện. Ban đầu nó được mô tả vào năm 1911 bởi Eden, Rose và Cunningham liên quan đến một loại ăn mòn được quan sát thấy trên một phần thép của máy kiểm tra mỏi. Năm 1939, Tomlinson, Thorpe và Gough gọi hiện tượng này là "ăn mòn tiếp xúc". Kể từ đó, sự ăn mòn tiếp xúc đã được quan sát thấy trên các kim loại mềm như nhôm và trên thép cứng.
Ăn mòn tiếp xúc là một hiện tượng hư hỏng bề mặt được gây ra bởi các chuyển động tuần hoàn nhỏ giữa hai vật liệu kết hợp với sự tấn công ăn mòn từ môi trường. Biên độ tuần hoàn có thể nhỏ từ 3 đến 4 nm. Các hư hại do ăn mòn tiếp xúc, chẳng hạn như từ các dịch chuyển cọ xát dao động rất nhỏ, có thể xảy ra trong chân không và là kết quả của trượt vi mô tương đối. Tuy nhiên, trong không khí bình thường, sự ăn mòn có thể đóng một vai trò trong việc tăng cường sự hư hại, và do đó hiện tượng này được gọi là ăn mòn tiếp xúc. Sự khởi đầu của ăn mòn tiếp xúc có thể dẫn đến hư hỏng nhanh hơn như ăn mòn mài mòn thông qua sự hình thành các hạt mài mòn.
Quá trình oxy hóa là môi trường ăn mòn phổ biến nhất để ăn mòn tiếp xúc. Khi các hạt kim loại mịn, biến dạng được loại bỏ khỏi bề mặt bằng chuyển động tuần hoàn cơ học, chúng bị oxy hóa và bị mắc kẹt giữa các bề mặt tiếp xúc. Các hạt oxit này sau đó hoạt động như một chất mài mòn với sự gia tăng loại bỏ vật liệu tiếp theo. Nếu màng thụ động bị hư hỏng không thể được thụ động lại, tổn thất vật liệu hơn nữa sẽ xảy ra. Ngoài ra, khi màng thụ động bề mặt bị hư hỏng cơ học, việc dịch chuyển điện tích có thể xảy ra tại giao diện mà không có bất kỳ lực cản nào từ màng bảo vệ và làm tăng lượng hạt oxit dễ vỡ (dễ vỡ vụn).
Địa hình và thành phần hóa học của các bề mặt tiếp xúc cũng đóng một vai trò quan trọng. Điều này có thể bao gồm độ nhám bề mặt ban đầu, hình thành các lớp bề mặt biến dạng dẻo do cọ xát hoặc va đập, độ cứng tương đối của hai bề mặt, sự tăng trưởng và tính chất cơ học của màng oxit được hình thành và sự hình thành của bất kỳ lớp sản phẩm phản ứng nào và sự hấp phụ của nó.
Cấu trúc vi mô của vật liệu và sự hiện diện của các khuyết tật có thể ảnh hưởng đến tính chất ma sát và khả năng chống ăn mòn của bề mặt. Những yếu tố này có thể bao gồm phân bố pha, tạp chất phi kim, sự phân tách và kích thước cũng như định hướng của hạt. Ví dụ, sự hiện diện và độ dày của lớp oxit có thể ảnh hưởng đến mức độ biến dạng dẻo và độ sâu thâm nhập bề mặt do các điểm gồ ghề cứng hơn gây ra trên bề mặt mềm hơn.
Sự khác nhau giữa Fretting Wear và Fretting Corrosion
1. Fretting Wear:là quá trình mòn cơ học xảy ra do chuyển động dao động có biên độ nhỏ hoặc rung động giữa hai bề mặt kim loại chịu áp lực cao. Chuyển động nhỏ này gây ra ma sát, mòn dính và mòn mài mòn, dẫn đến hư hại bề mặt kim loại và tạo ra mảnh vụn mòn.
Cơ chế Fretting wear liên quan đến sự phá hủy vật liệu do ma sát và áp lực, thường không liên quan trực tiếp đến các phản ứng hóa học. Chuyển động nhỏ làm tăng ứng suất trên bề mặt tiếp xúc, gây ra sự tách rời giữa các điểm nhấp nhô trên bề mặt, làm hỏng cấu trúc và tạo mảnh vụn.
Fretting wear chủ yếu dẫn đến sự giảm độ bền cơ học, tăng độ nhám và xuất hiện các lỗ nhỏ trên bề mặt, làm yếu đi các thành phần và hệ thống.
Ảnh fretting wear ở đầu trục lắp coupling hub
2. Fretting Corrosion: là một cơ chế kết hợp giữa mài mòn và ăn mòn, xảy ra khi các lớp oxide bảo vệ trên bề mặt kim loại bị loại bỏ do chuyển động ma sát nhỏ. Lớp kim loại mới lộ ra sẽ phản ứng với các yếu tố ăn mòn, thường là oxy, gây ra quá trình oxy hóa và tạo mảnh vụn.
Cơ chế Fretting corrosion không chỉ liên quan đến mòn cơ học mà còn kết hợp với các phản ứng hóa học, đặc biệt là quá trình oxy hóa. Mảnh vụn mòn hình thành từ fretting wear làm tăng thêm diện tích tiếp xúc, tạo điều kiện cho quá trình oxy hóa nhanh chóng diễn ra, gây thêm hư hại bề mặt.
Fretting corrosion không chỉ gây ra mòn cơ học mà còn làm tăng tốc quá trình ăn mòn hóa học, dẫn đến hư hại nặng hơn so với fretting wear thông thường, với sự xuất hiện của các lớp oxide và sự thay đổi màu sắc bề mặt do ăn mòn.
Ảnh các trường hợp ăn mòn tiếp xúc fretting corrosion ở vòng bi - ổ trượt
Tóm lại:Fretting wear chỉ tập trung vào quá trình mòn cơ học do ma sát và chuyển động vi mô giữa hai bề mặt. Fretting corrosion là sự kết hợp giữa mòn cơ học và ăn mòn hóa học, trong đó các phản ứng oxy hóa diễn ra sau khi lớp bảo vệ bề mặt bị phá hủy bởi fretting wear.
Các yếu tố ảnh hưởng tới Fretting Corrosion
Ví dụ
về ăn mòn tiếp xúc Fretting
Các hợp kim phẫu thuật được sử dụng trong các cấy ghép hông (háng) dạng mô-đun có khả năng chống ăn mòn nhờ vào sự hình thành của một lớp màng oxit thụ động ổn định. Tuy nhiên, chuyển động lặp đi lặp lại tại khớp hông cấy ghép (ổ cối và chỏm xương cầu) có thể dẫn đến ăn mòn do ma sát tiếp xúc với sự phá vỡ và tái tạo liên tục của lớp màng bảo vệ. Sự phá vỡ và tái tạo liên tục này tiêu thụ oxy trong kim loại (mà bị loại bỏ), điều này có thể thúc đẩy sự khởi đầu của ăn mòn khe. Vì lý do đó, các vật liệu hiện nay được sử dụng cho cấy ghép hông thường không còn là kim loại với kim loại nữa. Ngoài ra, các thay đổi thiết kế đã được thực hiện để giảm chuyển động tương đối giữa các thành phần.
Cấy ghép chân răng trong nha khoa (implant) phải chịu các chuyển động vi mô lặp đi lặp lại với biên độ thay đổi do tải trọng truyền qua trong quá trình nhai. Các tải trọng xiên có thể thúc đẩy sự mỏi vật liệu. Môi trường hóa học trong miệng khá phức tạp và khắc nghiệt, bao gồm nước bọt, vi khuẩn có thể gây ăn mòn do vi sinh vật (MIC), thực phẩm có tính axit như nước ngọt và fluoride từ các dung dịch súc miệng.
Ăn mòn tiếp xúc là một cơ chế hỏng hóc phổ biến đối với các tiếp điểm điện bằng đồng mạ thiếc. Sự tích tụ của các sản phẩm oxy hóa tại điểm tiếp xúc là do các chuyển động vi mô của tiếp xúc. Thiếc là một kim loại mềm và nhanh chóng tạo thành một oxit mỏng và cứng. Khi lớp oxit cứng bị phá vỡ, nó có thể được ép vào lớp nền thiếc mềm và dễ uốn, nơi nó có thể tích tụ. Người ta đã suy đoán rằng chính hành động trượt vi mô giữa các tiếp điểm tạo ra sự tiếp xúc ma sát (fretting), kết hợp với quá trình oxy hóa gây ra lớp cách điện dày ở giao diện tiếp xúc và sự gia tăng đáng kể khả năng chống tiếp xúc và cuối cùng là hư hỏng tiếp điểm.
Cánh máy nén của tuabin khí trải qua lực ly tâm trong quá trình vận hành và kết hợp với tải rung có thể gây ra chuyển động tiếp xúc giữa khớp nối đuôi của cánh máy nén và đĩa. Các mảnh vụn bị mắc kẹt giữa các khu vực tiếp xúc sau đó có thể bị oxy hóa ở nhiệt độ cao, dẫn đến ăn mòn tiếp xúc.
Đối với tuabin gió, chuyển động dao động giữa bi và rãnh lăn của ổ bi cánh quạt có thể làm phát sinh sự ăn mòn tiếp xúc hoặc các loại ăn mòn ma sát khác. Lưu ý rằng nếu một chất bôi trơn được sử dụng và có thiệt hại, thuật ngữ thích hợp để sử dụng là False brinelling. Tuy nhiên, việc mất màng bôi trơn sẽ chuyển từ ngâm nước giả sang ăn mòn tiếp xúc.
Tribocorrosion thường xảy ra giữa các bề mặt tiếp xúc của bạc đỡ và ngõng trục. Trong quá trình hoạt động dưới tải, chuyển động dẫn đến các hạt mài mòn nhỏ bị oxy hóa. Những hạt oxy hóa này tiếp tục mài mòn nhiều kim loại hơn. Thép có xu hướng dễ bị tổn thương nhất. Vì không có tải trọng tuần hoàn, loại ăn mòn tribocorrosion này thực sự là ăn mòn trượt nhưng đôi khi được gọi không chính xác là ăn mòn tiếp xúc. Nó thường không được coi là một dạng hư hỏng lớn, nhưng có thể là nguyên nhân gốc rễ vì nó có thể ngăn cản ổ trục hoạt động bình thường và cuối cùng dẫn đến hỏng hóc.
Ngăn
ngừa ăn mòn tiếp xúc
Để ngăn ngừa ăn mòn tiếp xúc có thể thay đổi thiết kế, làm giảm bất kỳ rung động nào và đảm bảo rằng tất cả các khớp nối được siết chặt đúng cách. Kết hợp mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) với các tính toán về điện hóa gây ra ăn mòn để đánh giá tiềm năng ăn mòn cho một thiết kế nhất định.
Đối với các tiếp điểm về điện, hiệu quả nhất là tránh chuyển động tương đối hoặc trượt trong vị trí tiếp xúc của các bộ phận kết nối bằng cách thiết kế tiếp điểm để giảm thiểu chuyển động vi mô hoặc bằng cách sử dụng loại lò xo có tốc độ nén giãn thấp (lực cần thiết để kéo giãn hoặc nén của lò xo). Mạ các bề mặt tiếp xúc với vàng là một lựa chọn đắt tiền nhưng ngay cả điều đó cũng không loại bỏ khả năng ăn mòn tiếp xúc.
Với cấy ghép trong y tế, những thay đổi thiết kế làm tăng sự ổn định của khớp có thể giảm thiểu sự ăn mòn tiếp xúc. Thay đổi vật liệu bao gồm polyetylen liên kết ngang và gốm chống mài mòn hơn đang được sử dụng cho một số ứng dụng như thay thế hông.
Phương pháp bắn bi peening để tạo ra sự đàn hồi và ứng suất dư ở bề mặt để cải thiện khả năng chống mỏi tiếp xúc đã được sử dụng với một số thành công. Lớp phủ chống ăn mòn tiếp xúc cho cánh tuabin cũng đã được sử dụng và nhận thấy có giảm ăn mòn tiếp xúc. Bôi trơn nếu khả thi là một cách tiếp cận khác để giảm thiểu khả năng ăn mòn tiếp xúc.
---
Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa.
Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi.
Nguyễn Thanh Sơn
Nhận xét
Đăng nhận xét
Các bạn có câu hỏi gì, cứ mạnh dạn trao đổi nhé, baoduongcokhi sẵn sàng giải đáp trong khả năng của mình.