Charakterystyki tribologiczne cienkich powłok niskotarciowych typu DLC i MoS2 w warunkach tarcia suchego.

• Autorzy: Michalczewski R.

Warianty tytułu

EN

The tribological characteristics of DLC and MoS2 low friction coatings in dry conditions.

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Niski współczynnik tarcia oraz wysoka odporność na zużycie są cechami, dla których cienkie powłoki niskotarciowe uzyskiwane technikami PVD/CVD są obecnie przedmiotem licznych badań nad ich zastosowaniem do zwiększenia trwałości wysokoobciążonych elementów maszyn, np. kół zębatych i łożysk tocznych. W pracy zaprezentowano charakterystyki tarciowe i zużyciowe wybranych powłok DLC (typu a-C:H:W, a-C:Cr i a-C:H) oraz zawierających dwusiarczek molibdenu (typu MoS2 i MoS2/Me). Badaniom poddano powłoki handlowe WC/C, Graphit-iC, Dymon-iC oraz Movic i MoST. Wszystkie powłoki osadzono na stali WCL. Badania tribologiczne zostały przeprowadzone w warunkach tarcia suchego w pomieszczeniu klimatyzowanym (wilgotność względna 50%, w temperaturze 23 stopnie Celsjusza) za pomocą urządzenia typu kula-tarcza (T-10). Jako przeciwpróbki zastosowano kulkę ceramiczną (Al2O3) o wysokiej odporności na zużycie oraz kulkę ze stali łożyskowej (ŁH15). Ślady tarcia analizowano technikami SEM, EDS i AFM. W skojarzeniach z kulką ceramiczną dla wszystkich badanych powłok uzyskano współczynniki tarcia poniżej 0,12 - najmniejszą wartość dla powłoki typu Dymon-iC, najwyższą dla powłoki Movic. Zużycie powłok zawierających dwusiarczek molibdenu było wielokrotnie większe niż powłok DLC, aczkolwiek mniejsze niż dla elementu bez powłoki. W skojarzeniu z kulką stalową najmniejszy współczynnik tarcia i najmniejsze zużycie obu elementów uzyskano dla powłoki Dymon-iC. Podobnie jak w testach z kulką ceramiczną powłoki zawierające dwusiarczek molibdenu charakteryzowały się większym zużyciem niż powłoki DLC. Zaobserwowano, że bardzo korzystne właściwości tribologiczne powłok DLC związane są prawdopodobnie z efektem grafityzacji i utleniania. Obserwacje AFM wskazują, że dla powłok DLC o dużej twardości (Graphit-iC) nie następuje dotarcie powierzchni, co w następstwie powoduje znaczne zużycie współpracującego elementu stalowego. Stwierdzono także, że w skojarzeniach z powłokami zawierającymi MoS2 niski współczynnik tarcia wynika z wprowadzenia w strefę tarcia dwusiarczku molibdenu, który pełnił funkcję smaru stałego. Przeprowadzone badania wskazują, że powłoki DLC w warunkach tarcia suchego mają korzystniejsze charakterystyki tribologiczne niż powłoki bazowane na MoS2. Spośród powłok węglowych najkorzystniejsze charakterystyki tribologiczne uzyskano dla uwodornionych powłok DLC domieszkowanych metalami (Dymon-iC i WC/C).

EN

A low friction coefficient and high resistance to wear are features that low friction coatings deposited by PVD/CVD method are predominat candidates for improving performance of heavy-loaded machine components like gears and rolling bearings. The paper presents wear and friction characteristics for various DLC coatings (a-C:H:W, a-C:Cr, and a-C:H) and containing molybdenum disulfide (MoS2 and MoS2/Me). The tests were performed employing commercially available coatings denoted as: WC/C, Graphit-iC, Dymon-iC, Movic, MoST respectively. The coatings were deposited on WCL steel. The tribological tests employing ball-on-disk tribosystem were performed in dry friction conditions in air conditioned room (RH 50%, 23 degrees centigrade). The balls were made of alumina (Al2O3) and of bearing steel (100Cr6). The wear scar and track were observed using optical and electron microscopy as well as atomic force microscopy. The wear debris was analysed using X-ray analysis. In all tests of alumina ball - low friction coating the friction coefficient did not exceed 0,12. The lowest value was obtained for Dymon-iC coating. The wear of coating containing molybdenum disulfide was several time bigger than for DLC coatings, but was also less than for uncoated disk. When steel balls were used, the lowest friction coefficient and wear rate were obtained for Dymon-iC coating. Similarly, like in tests with alumina ball, the wear for molybdenum disulphide coating was several times bigger than for DLC coatings. It was observed that the beneficial friction and wear characteristics of DLC coatings resulted probably from graphitisation and oxidation processes. Furthermore it was stated that too high hardness of DLC coatings stimulates a high friction and an intensive wear of steel ball. In case of MoS2 coatings the low friction coefficient results from the presence of molybdenum disulphide in the contact zone. The performed tests indicate that hydrogenated metal doped DLC coatings (Dymon-iC and WC/C coatings) are the best candidates for application for heavy-loaded machine components.

Słowa kluczowe

PL

powłoki niskotarciowe; tarcie suche; charakterystyka tribologiczna

EN

low friction coatings; dry friction; tribological characteristics

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Zagadnienia Eksploatacji Maszyn
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 41, nr 2
• Strony: 117--131

Twórcy

autor

Michalczewski R.

• Instytut Technologii Eksploatacji - Państwowy Instytut Badawczy (ITeE - PIB), ul. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom

Bibliografia

• [1] Jiang J.C., Meng W.J., Evans AG., Cooper CV.: Structure and mechanics of W-DLC coated spur gears. Surface & Coatings Technology, vol. 176, 2003, s. 50- 6.
• [2] Amaro R„ Martins R., Seabra J.: MoST coating for gears. W; Current trends in tribology. (red. K. Vercammen, V. Acker, J. Meneve). Raport VTI. VITO, 2004. s. II13 - II16.
• [3] Amaro R., Martins R., Seabra J., Renevier N.M., Teer D.G.: Molybdenum disulphide/titanium low friction coating for gears application. Tribology International, vol. 38, 2005. s. 423-434.
• [4] Fontaine J., Le Mogne T., Loubet J.L., Kapsa P.: Tribological coatings: achieving superlow friction with DLC. W: Current trends in tribology. (red. K. Vercammen, V. Acker, J. Meneve). Raport VTI. VITO, 2004, s. II5 - II12.
• [5] Wanstrand O., Larsson M., Per Hedenqvist P.: Mechanical and tribological evaluation of PVD WC/C coatings. Surface & Coatings Technology, vol. 111, 1999, s. 247- 254.
• [6] Mercer C, Evans A.G., Yao N., Allameh S., Cooper CV.: Materiał removal on lubricated steel gears with W-DLC-coated surfaces. Surface & Coatings Technology, vol. 173, 2003, s. 122-129.
• [7] Czyźniewski A.: Powłoki DLC w zastosowaniu do pokrywania elementów maszyn. Inżynieria Materiałowa, nr 6, 2003, s. 1-4.
• [8] Bellido-Gonzalez V., Jones A.H.S., Hampshire J„ Allen T.J., Witts J., Teer D.G., Ma K.J., Upton D.: Tribological behaviour of high performance MoS2 coatings produced by magnetron sputtering. Surface & Coatings Technology, vol. 97, 1997, s. 687-693.
• [9] Stallard J„ Teer D.G.: A study of the tribological behaviour of CrN, Graphit-iC and DymoniC coatings under oil lubrication. Surface & Coatings Technology, vol. 188-189, 2004, s. 525-529.
• [10] Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: A method for tribological testing of thin hard coatings. Tribotest Journal. 2002, nr 9, s. 117-130.
• [11] Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: lmproving the reproducibility of the sliding pin-on-disk test for the tribological testing of hardcoats. 7th International Conference on Plasma Surface Engineering in Garmisch-Partenkirchen (Niemcy), 2000.
• [12] Carvalho M.: Low friction and wear resistant coatings microstructure and mechanical properties. Groningen University Press, 2001.