Self-lubricating properties of thin coatings based on molybdenum disulphide

• Autorzy: Zimowski S.

Warianty tytułu

PL

Właściwości samosmarne cienkich powłok na bazie dwusiarczku molibdenu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an analysis of the friction and wear processes of a composite coating based on molybdenum disulphide doped by tungsten and titanium, taking into account the impact of load and temperature in the contact zone. The tribological tests were performed at room temperature and at 300°C and 350°C in non-lubricated sliding contact with an Al₂0₃ ball. The characterization of the micromechanical properties and the adhesion of coatings to steel substrates were done by scratch testing. The analysis of the coatings wear and the sliding tribolayer formation was conducted by the observation of the friction track using light microscopy (LM) and scanning electron microscopy (SEM). The low hardness of the MoS₂(Ti,W) coating, equal to 6 GPa, with the predominantly amorphous structure, allows for quick formation of the tribological contact and the sliding tribolayer creation. Due to self-lubricating properties, the coating has a high wear resistance and a low friction coefficient (below 0.1), both at room and elevated temperatures. The study allowed the determination of the operating temperature limit of the coating-substrate system in sliding point contact, which helped to specify the application area of such material.

PL

W pracy przedstawiono analizę procesu tarcia i zużycia kompozytowej powłoki na bazie dwusiarczku molibdenu dotowanego wolframem i tytanem z uwzględnieniem wpływu obciążenia i temperatury w strefie styku. Badania tribologiczne przeprowadzono w temperaturze pokojowej oraz 300°C i 350°C w niesmarowanym styku ślizgowym z kulą Al₂0₃. Dokonano charakterystyki właściwości mikromechanicznych oraz zbadano adhezję powłok do stalowego podłoża metodą zarysowania. W analizie zużycia powłoki i procesu tworzenia ślizgowej tribowarstwy posłużono się wynikami obserwacji powierzchni tarcia przy użyciu mikroskopii świetlnej (LM) oraz elektronowej mikroskopii skaningowej (SEM). Nieduża twardość powłoki MoS₂(Ti,W) wynosząca 6 GPa, której struktura jest głównie amorficzna, pozwala na szybkie dopasowanie styku tribologicznego i utworzenie ślizgowej tribowarstwy. Dzięki samosmarnym właściwościom powłoka charakteryzuje się dobrą odpornością na zużycie i bardzo niskim współczynnikiem tarcia (poniżej 0,1), zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w temperaturze podwyższonej. Badania umożliwiły wyznaczenie granicznej temperatury pracy układu powłoka/podłoże w ślizgowym styku skoncentrowanym, co jest pomocne w określeniu obszaru aplikacyjnego materiału.

Słowa kluczowe

EN

molybdenum disulphide; thin coatings; self-lubricating tribolayer; friction; wear resistance; elevated temperature

PL

dwusiarczek molibdenu; cienkie powłoki; samosmarna tribowarstwa; tarcie; odporność na zużycie; podwyższona temperatura

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 3
• Strony: 205--215
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Zimowski S.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• 1. Parenago O. P., Vipper A. B., Kuz'mina N.: Zinc and molybdenum dithiocarbamates – antioxidant additives. Lubrication Science 13 (2001) 113–124.
• 2. Sattler K. D. ed.: Handbook of Nanophysics: Nanoparticles and Quantum Dots. CRC Press Taylor & Francis Group, 2011.
• 3. Joly-Pottuz L., Dassenoy F., et al.: Ultralow-friction and wear properties of IF-WS2 under boundary lubrication. Tribology Letters 18 (2005) 477-485.
• 4. Joly-Pottuz L., Vacher B., Ohmae N., et al.: Anti-wear and friction reducing mechanisms of carbon nano-onions as lubricant additives. Tribology Letters 30 (2008) 69-80.
• 5. Donnet C., Martin J. M., Le Mogne Th., et al.: Super-low friction of MoS2 coatings in various environments. Tribology International 29 (1996) 123-128.
• 6. Michalczewski R.: Przebieg procesu zacierania smarowanych wysokoobciążonych skojarzeń ciernych z elementami pokrytymi powłoką WC/C. Tribologia 3 (2011) 81-104 .
• 7. Tuszyński W., Kalbarczyk M., Michalak M., Michalczewski R., Wieczorek A.: The Effect of WC/C Coating on the Wear of Bevel Gears Used in Coal Mines. Materials Science 21 (2015) 358-363.
• 8. Konicek A.R., Jacobs P., Webster M., Schilowitz A.: Role of tribofilms in wear protection. Tribology International 94 (2016) 14-19.
• 9. Zimowski S., Moskalewicz T., Wendler B., Kot M., Czyrska-Filemonowicz A. : Thick low-friction nc-MeC/aC nanocomposite coatings on Ti-6Al-4V alloy: microstructure and tribological properties in sliding contact with a ball. Metallurgical and Materials Transactions A 45 (2014) 3916-3928.
• 10. Kubart T., Polcar T., Kopecky L., Nova´k R., Nova´kova D.: Temperature dependence of tribological properties of MoS2 and MoSe2 coatings. Surface and Coatings Technology 193 (2005) 230– 233.
• 11. Tagawa M., et al.: Ground-based tribological testing of the sputter-deposited molybdenum disulfide films in a hyperthermal atomic oxygen exposure. European Space Agency-Publications-ESA SP 438 (1999) 291-296.
• 12. Moskalewicz T., Zimowski S., Wendler B., et al.: Microstructure and tribological properties of low-friction composite MoS2(Ti,W) coating on the oxygen hardened Ti-6Al-4V alloy. Metals and Materials International 20 (2014) 269-276 .
• 13. Wang J., Rose K.C., Lieber Ch.M: Load-independent friction: MoO3 nanocrystal lubricants. The Journal of Physical Chemistry B 103 (1999) 8405-8409.
• 14. Qin X., Kea P., Wang A., et al.: Microstructure, mechanical and tribological behaviors of MoS2Ti composite coatings deposited by a hybrid HIPIMS method. Surface and Coatings Technology 228 (2013) 275-281.
• 15. Arslan E., Totik Y., Bayrak O., Efeoglu I., Celik A.: High temperature friction and wear behavior of MoS2/Nb coating in ambient air. J. Coat. Technol. Res., 7 (1), (2010) 131–137.
• 16. Johnson K. L.: Contact Mechanics , Cambridge University Press, Cambridge, 1985.
• 17. Muratore C., Voevodin A. A.: Molybdenum disulfide as a lubricant and catalyst in adaptive nanocomposite coatings. Surface and Coatings Technology 201 (2006) 4125-4130.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.