Carbon nanomaterials and carbon coatings in lubrication - "MINIMA MAXIMA SUNT"

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Koskinen, Jari, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
dc.contributor.author Elomaa, Oskari
dc.date.accessioned 2015-06-05T09:01:06Z
dc.date.available 2015-06-05T09:01:06Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-952-60-6231-0 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-6230-3 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/16530
dc.description.abstract Controlling the friction and wear properties of mechanical contacts under high loads by liquid lubrication enables energy savings, provides better efficiency and increases component lifetime. Lubricant performance can be improved by use of additives, for example nanomaterials or protective coatings. Carbon has many allotropic forms which include diamond with sp3-structure, graphite with sp2-structure or amorphous carbons with mixed sp2/sp3 structures, among others. These allotropes have properties which are potential for lubrication purposes such as high hardness and strength, high thermal conductivity, low friction surfaces and chemical activity.  In this work nanodiamonds (NDs), graphene oxide (GO) and silica/graphene oxide (SiO2/GO) composites were used to improve the friction and wear performance of high-load steel-steel and carbon-steel contacts in ethylene glycol (EG) or water lubrication by Pin-On-Disc (POD). The SiO2/GO composites used as lubricant additives were reported in this thesis for the first time. The carbon nanomaterials were dispersed into the lubricants or deposited directly on contact surfaces by spray or agglomeration methods. The effect of carbon coatings and steel surface finishing methods on friction performance was studied in oil lubrication by Twin Disc (TD) testing. The coatings used for TD testing were tetrahedral amorphous carbon (ta-C) and tungsten containing carbon (WC-C). The carbon nanomaterials in EG reduced friction coefficient 19 % (GO), 31 % (NDs), and 38 % (SiO2/GO composite), respectively, in comparison to pure EG in steel-steel contacts. All nanomaterials in EG reduced the wear rate of steel surfaces.   GO dispersions in water reduced friction 57 % in comparison to pure water in ta-C-steel contact. Optimized combination of surface roughness and WC-C coatings in oil lubrication reduced the friction coefficient 27 % in comparison to reference steel surfaces.  According to the results, the improved friction and wear performance of carbon nanomaterials was due to incorporation of particles into the tribolayer and embedding onto the contact surfaces, respectively. Furthermore, carbon coatings deposited on steel with optimized surface roughness both prohibited metal asperity contacts and improved lubrication by acting as lubricant reservoir.  The results here suggest that the use of carbon nanomaterials and carbon coatings in liquid lubrication can significantly improve the friction and wear performance of high-load mechanical contacts and provide longer lifetime for many industrial applications such as gears and bearings. en
dc.description.abstract Voitelun avulla voidaan parantaa suuressa kuormituksessa olevien mekaanisten kontaktien kitka- ja kulumisominaisuuksia, säästää energiaa, parantaa hyötysuhdetta ja pidentää komponenttien elinikää. Voiteluaineen toimintaa voidaan tehostaa käyttämällä, joko lisäaineita kuten nanomateriaaleja, tai suojapinnoitteita.  Hiilen monilla allotroopeilla, kuten timantilla (sp3-rakenne), grafiitilla (sp2-rakenne) ja amorfisella hiilellä (paikallinen sp3/sp2 rakenne) on voiteluun soveltuvia ominaisuuksia, kuten suuri kovuus ja lujuus, korkea lämmönjohtavuus ja kemiallinen aktiivisuus sekä hyvät kitkaominaisuudet omaava pintarakenne. Tässä työssä parannettiin teräs-teräs ja hiili-teräs kontaktien kitka- ja kulumisominaisuuksia käyttämällä nanotimantteja (ND), grafeenioksidia (GO) ja piidioksidi/grafeenioksidikomposiittia (SiO2/GO) etyleeniglykoli- (EG) ja vesivoitelussa. Hiilinanomateriaalien kitka- ja kulumisominaisuuksia tutkittiin voiteluaineen lisäaineena tai suoraan kontaktipinnalle levitettynä tappikulutuskokeessa (POD). SiO2/GO esiteltiin voitelun lisäaineena ensimmäistä kertaa tässä työssä. Hiilipinnoitteiden ja teräksen pintakäsittelyn vaikutusta kitkaominaisuuksiin tutkittiin öljyvoidellussa kontaktissa kaksoiskiekkokokeella (TD). Kokeissa käytettiin tetrahedristä amorfista hiilipinnoitetta (ta-C) ja wolframi-hiilipinnoitetta (WC-C). Hiilinanomateriaalit pienensivät EG-voidellun teräs-teräs kontaktin kitkakerrointa 19 % (GO), 31 % (ND) ja 38 % (SiO2/GO) sekä vähensivät kulumista. GO pienensi vesivoidellun ta-C-teräskontaktin kitkakerrointa 57 %. WC-C-pinnoite kiillotetulla teräspinnalla pienensi öljyvoidellun kontaktin kitkakerrointa 27 %.  Tulokset osoittivat hiilinanomateriaalien parantavan kitka- ja kulumisominaisuuksia hautautumalla joko tribokerrokseen tai suoraan kontaktipinnoille. Hiilipinnoitteet kiillotetun teräksen päällä vähensivät teräksen pinnakarheushuippujen kosketusta toisiinsa ja toimivat voiteluainevarastoina. Tulokset osoittivat että hiilinanomateriaalit ja hiilipinnoitteet parantavat voidellun korkean kuorman kontaktin kitka- ja kulumisominaisuuksia huomattavasti, ja siten pidentävät mekaanisten sovellusten, kuten hammaspyörien ja laakereiden elinikää.  fi
dc.format.extent 77 + app. 75
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 77/2015
dc.relation.haspart [Publication 1]: Elomaa O, Hakala TJ, Myllymäki V, Oksanen J, Ronkainen H, Singh V.K, Koskinen J. Diamond nanoparticles in ethylene glycol lubrication on steel-steel high load contact. Diamond & Related Materials 34 (2013) 89-94. DOI: 10.1016/j.diamond.2013.02.008
dc.relation.haspart [Publication 2]: Elomaa O, Oksanen J, Hakala TJ, Shenderova O, Koskinen J. A comparison of tribological properties of evenly distributed and agglomerated diamond nanoparticles in lubricated high-load steel-steel contact. Tribology International 71 (2014) 62-68. DOI: 10.1016/j.triboint.2013.11.007
dc.relation.haspart [Publication 3]: Singh VK, Elomaa O, Johansson LS, Hannula SP, Koskinen J. Lubricating properties of silica/graphene oxide composite powders. Carbon 79 (2014) 227-235. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.07.063
dc.relation.haspart [Publication 4]: Elomaa O, Singh VK, Iyer A, Hakala TJ, Koskinen J. Graphene oxide in water lubrication on diamond-like carbon vs. stainless steel high-load contacts. Diamond & Related Materials 52 (2015) 43–48. DOI: 10.1016/j.diamond.2014.12.003
dc.relation.haspart [Publication 5]: Ronkainen H, Elomaa O, Varjus S, Kilpi L, Koskinen J. The effects of surface finish in carbon based coated high-load contacts. Tribology International, Accepted for publication April 2015.
dc.subject.other Materials science en
dc.title Carbon nanomaterials and carbon coatings in lubrication - "MINIMA MAXIMA SUNT" en
dc.title Hiilinanomateriaalit ja hiilipinnoitteet voitelussa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Materiaalitekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Materials Science and Engineering en
dc.subject.keyword carbon nanomaterials en
dc.subject.keyword carbon coatings en
dc.subject.keyword friction en
dc.subject.keyword wear en
dc.subject.keyword tribology en
dc.subject.keyword lubrication en
dc.subject.keyword water en
dc.subject.keyword ethylene glycol en
dc.subject.keyword hiilinanomateriaalit fi
dc.subject.keyword hiilipinnoitteet fi
dc.subject.keyword kitka fi
dc.subject.keyword kuluminen fi
dc.subject.keyword voitelu fi
dc.subject.keyword tribologia fi
dc.subject.keyword vesi fi
dc.subject.keyword etyleeniglykoli fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-6231-0
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Koskinen, Jari, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
dc.opn Lehtovaara, Arto, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.contributor.lab Physical Characterization of Surfaces and Interfaces en
dc.rev Podgornik, Bojan, Prof., Institute of Metals and Technology, Slovenia
dc.rev Levänen, Erkki, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.date.defence 2015-06-17


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account