Chất bôi trơn màng khô ức chế ăn mòn

Từ quan điểm bôi trơn, các điều kiện hoạt động khắc nghiệt có thể không thường xảy ra trong mọi ngành, nhưng trong một số lĩnh vực như quốc phòng và hàng không vũ trụ, chúng khá thường xuyên. Những điều kiện thách thức này có thể bao gồm:

Nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp
Nhiệt độ thay đổi
Tốc độ bề mặt cao hoặc thấp trên trục
Sự hiện diện của chân không
Không thể tiếp cận để bảo trì hoặc bôi trơn lại
Sự hiện diện của rung động, tải trọng cực hạn và ứng suất
Các chất ô nhiễm được tạo ra bởi các quá trình

Các chất bôi trơn gốc dầu mỏ chỉ hoạt động hiệu quả khi:

Nhiệt độ hoạt động nằm trong phạm vi rộng từ -4°F đến 212°F (-20°C đến 100°C)
Các thông số về ngành nghiên cứu mài mòn bôi trơn Tribology cho phép hình thành màng bôi trơn bên trong các bề mặt tiếp xúc, theo MAL/S dễ ghi nhớ.

M: Chất liệu
A: Độ chính xác của khe hở và tốc độ bề mặt
L: Thông số màng chất bôi trơn.

Kết hợp với

S: Tải trọng và mức độ hoạt động khắc nghiệt

Các điều kiện vượt quá khả năng của chất bôi trơn khoáng (tức là dầu và mỡ bôi trơn) đưa ra yêu cầu các chất bôi trơn dạng màng khô rắn.

Chất bôi trơn màng khô

Chất bôi trơn dạng màng khô được định nghĩa là một chất rắn sẽ làm giảm ma sát và ngăn ngừa mài mòn (cũng như ăn mòn) khi xen kẽ giữa hai bề mặt tương tác chịu chuyển động tương đối.

Hai chất bôi trơn rắn phổ biến gây ăn mòn khi sử dụng trực tiếp là molypden disulfide (MoS₂) và graphite.

Trong môi trường ẩm, MoS₂ làm cực âm cho một số kim loại, tạo ra hiệu điện thế cao đến 0,5 vôn. Khi được thêm vào dầu mỡ, MoS₂ có thể gây ra hiện tượng ăn mòn điện và gỉ trên kim loại đen. Tuy nhiên, molypden (kim loại) có thể chống ăn mòn.

Graphit có tính ăn mòn trong mọi trường hợp vì nó gây ra sự rửa trôi sắt từ gang xám khi các hạt sắt bị loại bỏ và graphit vẫn còn, gây ra sự suy yếu của cấu trúc.

Polytetrafluoroethylene (PTFE) có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời.

Chất bôi trơn màng rắn

Chất bôi trơn dạng màng rắn tạo ra một lớp màng làm giảm ma sát trượt và lăn bằng cách loại bỏ đáng kể sự tiếp xúc bề mặt giữa các bề mặt tương tác. Tùy thuộc vào các chất bôi trơn được sử dụng, chúng có thể thích hợp với các dải nhiệt độ và điều kiện tải khác nhau. Khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn và hệ số ma sát của chúng cũng khác nhau. Một số trong số này có khả năng chống bức xạ hạt nhân và hoạt động trong môi trường chân không.

Để chống ăn mòn, các chất bôi trơn rắn phải được liên kết với nhựa, vì chúng tạo ra và duy trì một hàng rào trên bề mặt để bảo vệ chống lại các tác nhân của phản ứng oxy hóa và các dạng ăn mòn khác.

Chất bôi trơn màng khô có liên kết nhựa với khả năng ức chế ăn mòn đã được sử dụng trong các ứng dụng quân sự và có ba thành phần cơ bản sau:

Chất bôi trơn dạng rắn (khô)
Chất kết dính nhựa
Một dung môi

Chất kết dính nhựa cũng phải có các đặc điểm sau:

Ổn định ở phạm vi nhiệt độ hoạt động thấp và cao, và phải duy trì cứng ở nhiệt độ hoạt động
Khả năng tạo màng trên bề mặt khi thi công
Khả năng tương thích với chất bôi trơn rắn và các bề mặt dự kiến được bảo vệ
Khả năng chống mài mòn và tạo ra các mảnh vụn mài mòn có hại (để đảm bảo tuổi thọ lâu dài của chất bôi trơn rắn vì việc bôi trơn lại có thể không khả thi)
Khả năng bảo vệ chống ăn mòn ngay cả trong điều kiện màng mỏng

Lựa chọn chất bôi trơn dạng màng khô với chất màu

Công thức của chất bôi trơn màng khô với chất kết dính nhựa tương tự như công thức của sơn và lớp phủ chống ăn mòn. Trong trường hợp này, chất bôi trơn cũng hoạt động như một sắc tố, xác định tính thẩm mỹ của màu sắc khi được yêu cầu. Các chất màu bôi trơn giúp hình thành màng, ngăn cách các bề mặt tiếp xúc đang chuyển động tương đối, do đó đảm bảo hệ số ma sát thấp hơn cũng như chống mài mòn và ăn mòn.

Chất bôi trơn dạng màng khô (rắn) được lựa chọn trên cơ sở tính năng yêu cầu của chúng và môi trường mà chúng phải chịu đựng. PTFE, MoS₂, graphit, florit etylen propylen (FEP), vonfram disunfua (WS₂), oxit antimon (Sb₂O₃), indium (In) và boron nitride (BN) là một số chất bôi trơn dạng màng khô phổ biến.

Độ ẩm trong khí quyển là yếu tố cần thiết để graphit hoạt động như một chất bôi trơn, trong khi các đặc tính mong muốn của MoS ₂ bị ảnh hưởng bất lợi bởi sự hiện diện của hơi ẩm. Độ ẩm không ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn hoặc mài mòn của PTFE.

MoS₂ là sự lựa chọn rõ ràng khi yêu cầu khả năng chịu tải cao (lên đến 250.000 psi). Graphite có khả năng chịu tải 50.000 psi, trong khi PTFE có khả năng chịu tải chỉ 6.000 psi.

Trong khi graphite vượt trội về khả năng nhiệt (lên đến 1200°F), PTFE và MoS₂ có thể chịu được nhiệt độ lần lượt là 500°F và 750°F. Ở nhiệt độ cao hơn, chất bôi trơn rắn có xu hướng bị oxy hóa và phân hủy.

Graphit được sử dụng trong các khớp nối của đường ray xe lửa, ổ khóa, súng cầm tay, ốc vít bánh răng mở hoạt động ở nhiệt độ rất cao và ổ trục. Tuy nhiên, nó có nhược điểm là dẫn điện, cũng có thể là nguồn gây ăn mòn.

Fluoropolyme như PTFE có hệ số ma sát thấp, nhưng khả năng chịu tải và khả năng nhiệt bị hạn chế.

Boron nitride và MoS₂ đã được ứng dụng trong các bộ phận bên trong của các phương tiện vũ trụ.

Tungsten disulfide thường được sử dụng cho ổ bi trong các phương tiện vũ trụ, nhưng đắt hơn. Nó có đặc tính ma sát tốt hơn ở nhiệt độ cao hơn và tải cao hơn, so với MoS₂ .

Tầm quan trọng của kích thước hạt chất bôi trơn màng khô

Kích thước hạt của chất bôi trơn màng khô phải được kiểm soát cẩn thận vì kích thước hạt phải phù hợp với độ nhám bề mặt của chất nền. Ví dụ, bánh răng hở có rãnh phải có các hạt chất bôi trơn màng khô lớn hơn, trong khi các bề mặt ổ trục và trục được hoàn thiện mịn nên có chất bôi trơn màng khô mịn hơn.

Chất bôi trơn	Kích thước hạt khuyến nghị
Than chì graphite	2,5 đến 10 micrômét
MoS ₂	2 đến 6 micron
PTFE	Submicron

Bảng 1. Kích thước hạt được đề xuất cho các loại dầu nhờn khác nhau.

Chất kết dính nhựa

Các loại nhựa khác nhau được sử dụng làm chất liên kết để tạo ra liên kết giữa bề mặt cần bảo vệ và chất bôi trơn màng khô.

Chất kết dính vô cơ như silicat không có khả năng chống ẩm và không thể chống ăn mòn. Tuy nhiên, chất kết dính Boric Oxide (B ₂ O ₃ ) cùng với chì sulfua (PbS) làm chất bôi trơn đã được tìm thấy để đảm bảo chống mài mòn và chống ăn mòn trong phạm vi nhiệt độ cao 1000 ° F (538 ° C). Tuy nhiên, nó không hoạt động như một chất bôi trơn ở nhiệt độ dưới 1000 ° F (538 ° C).

Các loại chất kết dính nhựa thông thường được sử dụng cùng với chất bôi trơn màng rắn thường được phân loại là:

Chất kết dính nhiệt rắn, hoặc
Chất kết dính nhựa nhiệt dẻo

Chất kết dính nhiệt rắn là những loại nhựa cần nhiệt năng để đóng rắn. Chất kết dính nhựa nhiệt dẻo có thể được bảo dưỡng thông qua quá trình làm bay hơi dung môi (tức là bằng cách đóng rắn trong không khí xung quanh). Do yêu cầu về nhiệt độ đóng rắn, nhựa nhiệt rắn đôi khi không được ưa chuộng cho các ứng dụng quân sự.

Chất kết dính nhựa nhiệt rắn

Chất kết dính nhựa nhiệt rắn phổ biến thường được coi là chất bôi trơn màng rắn là nhựa phenolic, nhựa uretan, nhựa epoxy và nhựa silicone.

Một hỗn hợp các loại nhựa cũng có thể được xem xét. Tuy nhiên, mỗi loại nhựa đều có nhược điểm và ưu điểm riêng. Khi chọn hỗn hợp các loại nhựa, phải ghi nhớ mục đích sử dụng cuối cùng cụ thể. Các mảnh vụn mài mòn được tạo ra bởi epoxit làm giảm hiệu suất của chất bôi trơn trong thời gian dài và do đó tuổi thọ có thể ngắn. Tuy nhiên epoxit có độ bám dính tốt với bề mặt kim loại. Không nên sử dụng nhựa phenolic trong môi trường kiềm.

Nhựa phenolic không tạo ra các mảnh vụn mài mòn có hại và thích hợp cho các ứng dụng chân không cao. Tuy nhiên độ bám dính của chúng với kim loại không tốt bằng nhựa epoxy. Ngay cả silicon cũng tạo ra các mảnh vụn có hại, mặc dù độ bền liên kết với kim loại là tốt. Sự kết hợp của phenol với nhựa epoxy đã được phát hiện để tạo ra độ bền liên kết hợp lý với kim loại cho các ứng dụng thông thường. Nhựa gốm cần đóng rắn ở nhiệt độ cao, có thể ảnh hưởng đến các đặc tính luyện kim của chất nền. Nhiệt độ đóng rắn và thời gian nướng là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc khi chọn nhựa.

Các yêu cầu về đóng rắn bằng nhiệt có thể được cân bằng bằng cách kết hợp thành phần đóng rắn cùng với nhựa. Nhưng điều này đòi hỏi công thức và trộn chính xác ngay trước khi áp dụng.

Chất bôi trơn dạng màng rắn khô được pha chế chính xác và được đóng rắn cẩn thận với hệ thống bôi trơn rắn liên kết bằng nhựa nhiệt rắn có thể đảm bảo chống ăn mòn hợp lý, bảo vệ chống mài mòn và tuổi thọ chức năng bôi trơn lâu hơn do ma sát thấp. Chất bôi trơn màng rắn liên kết bằng nhựa nhiệt rắn với MoS ₂ cung cấp khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn hiệu quả ngay cả trong môi trường bức xạ hạt nhân.

Chất kết dính nhựa nhiệt dẻo với dung môi

Loại làm khô bằng không khí của chất kết dính nhựa nhiệt dẻo, chẳng hạn như nhựa acrylic, sẽ cần một thành phần dung môi. Quá trình đóng rắn đạt được bằng cách cho dung môi bay hơi để chất bôi trơn màng khô phân tán trong nhựa sẽ tạo thành một lớp phủ cứng trên bề mặt đã định. Chúng có giới hạn nhiệt độ thấp hơn là -200 ° F (-129 ° C) và giới hạn trên là 300 ° F (149 ° C). Chúng có thể được bào chế dưới dạng bình xịt điều áp tiện lợi. (Chất kết dính nhựa nhiệt dẻo được thảo luận trong Thành phần của lớp sơn phủ.)

Axetat, vinyl và alkyd là các loại nhựa làm khô bằng không khí khác, mỗi loại có các đặc tính khác nhau. Các sản phẩm liên kết bằng nhựa nhiệt rắn (nung trong lò) được xử lý nhiệt thường có tuổi thọ hao mòn cao hơn (tức là độ bền) so với các sản phẩm liên kết bằng nhựa nhiệt dẻo được xử lý bằng không khí.

Tỷ lệ sắc tố dầu nhờn trên chất kết dính nhựa

Thay đổi tỷ lệ của chất bôi trơn rắn với chất kết dính nhựa có thể có ảnh hưởng. Lượng chất bôi trơn rắn được phân tán trong nhựa trong quá trình pha chế là một yếu tố quan trọng được xem xét quyết định tuổi thọ mài mòn, hệ số ma sát và khả năng chống ăn mòn. Tăng sắc tố bôi trơn làm giảm ma sát, trong khi giảm nồng độ cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ bền.

Dung môi

Dung môi được chọn dựa trên khả năng hòa tan của nhựa và tốc độ bay hơi trong điều kiện môi trường bình thường. Bản chất độc hại của các hóa chất này, các cân nhắc về sức khỏe nghề nghiệp và các yêu cầu quy định (ví dụ: OSHA và EPA) cũng được xem xét.

Sự phân tán trong nước của nhựa với chất màu bôi trơn đang dần thay thế thành phần dung môi ở bất cứ nơi nào tính khả thi đã được thiết lập.

Hóa chất phụ gia

Các hóa chất phụ gia được lựa chọn nhờ khả năng tăng cường khả năng chảy, chống ăn mòn, khả năng thấm ướt và khả năng phân tán (xu hướng chống lắng xuống). Cân nhắc về tính thẩm mỹ và mức độ tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng dễ dàng của chúng cũng là yếu tố ảnh hưởng đến công thức sơn phủ.

Làm thế nào để áp dụng một sản phẩm dựa trên nhựa công thức

Tiền xử lý bề mặt

Ngay cả những công thức tốt nhất cũng có thể không sử dụng được nếu quá trình chuẩn bị và thi công bề mặt không được tiến hành một cách có hệ thống. Đối với bề mặt thép, kết quả tốt nhất đạt được khi tiền xử lý bao gồm tẩy dầu mỡ bằng hơi, phun hạt với oxit nhôm 220 mesh (Al ₂ O ₃ ) và xử lý bằng phốt phát.

Ứng dụng của một sản phẩm dựa trên nhựa công thức

Các phương pháp ứng dụng chất bôi trơn màng khô có liên kết nhựa tương tự như các phương pháp ứng dụng lớp phủ chống ăn mòn. Trong hầu hết các trường hợp, độ dày màng sơn cần nằm trong phạm vi từ .0002 đến .0005 inch và cần được kiểm soát chính xác để ngăn ngừa ăn mòn tốt.

Các phương pháp sơn phủ như phun thông thường, nhúng, phun tĩnh điện, phủ chổi và phủ cuộn, đều có thể áp dụng cho chất bôi trơn rắn liên kết với nhựa thông. Lựa chọn cuối cùng của phương pháp phụ thuộc vào tổng diện tích bề mặt, số lượng các bộ phận được phủ, độ phức tạp và kích thước của các bộ phận.

Kết quả sản phẩm cuối cùng điển hình

Molypden Disulfide (MoS ₂ ) Phân tán trong nhựa Phenolic

Có thể được bảo dưỡng ở khoảng 300 ° F (149 ° C)
Nhiệt độ hoạt động tối đa 520 ° F (271 ° C)
Khả năng chịu tải cao
Chống ăn mòn tốt
Độ bền vừa phải

PTFE trong nhựa Phenolic

Có thể được bảo dưỡng ở khoảng 404 ° F (207 ° C)
Nhiệt độ hoạt động tối đa 520 ° F (271 ° C)
Khả năng chịu tải thấp
Chống ăn mòn tuyệt vời
Độ bền tốt

Molypden Disulfide (MoS ₂ ) / Graphite trong nhựa silicone

Có thể được bảo dưỡng ở 500 ° F (260 ° C)
Nhiệt độ hoạt động tối đa 667 ° F (353 ° C)
Khả năng chịu tải cao
Chống ăn mòn tốt
Độ bền vừa phải

Phần kết luận

Khi các chất bôi trơn dạng màng khô như molypden disulfide và graphite được sử dụng trực tiếp để bôi trơn, các bề mặt dễ bị ăn mòn, vì chúng không bảo vệ chống ăn mòn.

Các loại nhựa nhiệt rắn như phenolics, uretan, epoxit và silicon được sử dụng làm chất kết dính nhựa để phân tán chất bôi trơn màng khô và được xử lý ở nhiệt độ cao. Mỗi loại đều có giá trị riêng và các trường hợp sử dụng tốt nhất. Chất bôi trơn dạng màng khô phân tán trong nhựa phenolic không tạo ra các mảnh vụn mài mòn có hại, nhưng độ bền liên kết của chúng với bề mặt kim loại là không đủ, trong khi epoxit có độ bền liên kết tốt hơn và nhưng tạo ra các mảnh vụn mài mòn có hại. Khi epoxit được kết hợp với phenolic, chất bôi trơn màng khô ngoại quan có được độ bền liên kết đạt yêu cầu cũng như giảm các mảnh vụn mài mòn.

Khi xây dựng công thức sản phẩm, tỷ lệ chất bôi trơn và nhựa liên kết cần được kiểm soát cẩn thận. Tỷ lệ mỡ bôi trơn dạng màng khô cao hơn có thể làm giảm hệ số ma sát, nhưng sẽ làm giảm độ bền và khả năng bảo vệ chống ăn mòn.

Các loại nhựa nhiệt dẻo được bảo dưỡng bằng không khí như acrylic rất thuận tiện cho ứng dụng tại hiện trường, nhưng độ bền trong điều kiện khắc nghiệt không phù hợp với các đặc tính của nhựa nhiệt rắn.

Để đạt được hiệu suất tốt nhất, các bề mặt thép trước tiên phải được tẩy dầu mỡ bằng hơi, thổi sạn và phốt phát hóa trước khi phun chất bôi trơn màng khô liên kết với nhựa thông.

Tìm kiếm Blog này