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

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-06-17
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
77 + app. 75
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 77/2015
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.

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. 
Description
Supervising professor
Koskinen, Jari, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Thesis advisor
Koskinen, Jari, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Keywords
carbon nanomaterials, carbon coatings, friction, wear, tribology, lubrication, water, ethylene glycol, hiilinanomateriaalit, hiilipinnoitteet, kitka, kuluminen, voitelu, tribologia, vesi, etyleeniglykoli
Other note
Parts
  • [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 View at publisher
  • [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 View at publisher
  • [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 View at publisher
  • [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 View at publisher
  • [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.
Citation