This work aims to develop a dry lubricant for oilless bush, especially a solid lubricant, thereby creating a coating method with improved properties of anti-friction and load-carrying capacity without oil lubrication. In this work, spherical-shaped powders of thermosetting resin such as polyimide (PI) are mixed with a binder matrix obtained by mixing a fluorocarbon compound resin such as Polytetrafluoroethylene (PTFE) or Ethylene tetra fluoro ethylene (ETFE) with itself or with a non-fluorocarbon thermoplastic resin such as Polyether ether ketone (PEEK). And these dry lubricant mixtures are thickly coated (200-300 mm in the thickness) on the inner surface of the bush by using a wet-typed air-spray deposition method. It was found that the load-carrying capacity of the solid lubricant for excavator bush (60 mm in diameter) that operates under a high load condition (at 40 MPa) is greatly improved owing to the spherical-shaped powders of thermosetting resin. In addition, the coefficient of friction at the sliding surface is also reduced less than 0.1. Thick coating also lowers the contact stress at the edge of a bush that results in better tribological performances. The result suggests that the lubrication performance and durability life of the bush can be remarkably improved even without lubrication (oil or grease).
CA 이온도금기술에 의한 TiC와 TiN 그리고 TiC/TiN 코팅재를 비교하기 위하여 트라이볼로지 물성을 연구하였다. 실험은 Falex journal V block 시스템을 이용한 터보시험기에서 수행하였다. 코팅재의 마찰과 마모특성은 작용된 하중과 미끄럼 속도에 의하여 다양하게 결정되었다. TiC와 TiN 그리고 TiC/TiN 코팅재는 표면에서 트라이볼로지 특성이 현저하게 증가하였다. 단층코팅에서는 TiC보다 TiN이 좋은 결과를 얻었다. 그러나, TiC/TiN의 다층코팅은 다른 어떤 단층코팅보다 좋은 성능을 보였다. 다층코팅의 성능이 향상된 핵심요소는 TiN층 외부와 강 사이에서 부착이 증가하게된 TiC의 역할 때문이다.
Lee, Woo Young;Ryu, Ho Jun;Jang, Young Jun;Kim, Gi Taek;Deng, Xingrui;Umehara, Noritsugu;Kim, Jong Kuk
한국진공학회:학술대회논문집
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한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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pp.144.2-144.2
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2016
Diamond-like carbon (DLC) coatings have been widely applied to the mechanical components, cutting tools due to properties of high hardness and wear resistance. Among them, hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) coatings are well-known for their low friction properties, stable production of thin and thick film, they were reported to be easily worn away under high temperature. Non-hydrogenated tetrahedral amorphous carbon (ta-C) is an ideal for industrial applicability due to good thermal stability from high $sp^3$-bonding fraction ranging from 70 to 80 %. However, the large compressive stress of ta-C coating limits to apply thick ta-C coating. In this study, the thick ta-C coating was deposited onto Inconel alloy disk by the FCVA technique. The thickness of the ta-C coating was about $3.5{\mu}m$. The tribological behaviors of ta-C coated disks sliding against $Si_3N_4$ balls were examined under elevated temperature divided into 23, 100, 200 and $300^{\circ}C$. The range of temperature was setting up until peel off observed. The experimental results showed that the friction coefficient was decreased from 0.14 to 0.05 with increasing temperature up to $200^{\circ}C$. At $300^{\circ}C$, the friction coefficient was dramatically increased over 5,000 cycles and then delaminated. These phenomenon was summarized two kinds of reasons: (1) Thermal degradation and (2) graphitization of ta-C coating. At first, the reason of thermal degradation was demonstrated by wear rate calculation. The wear rate of ta-C coatings showed an increasing trend with elevated temperature. For investigation of relationship between hardness and graphitization, thick ta-C coatings(2, 3 and $5{\mu}m$) were additionally deposited. As the thickness of ta-C coating was increased, hardness decreased from 58 to 49 GPa, which means that graphitization was accelerated. Therefore, now we are trying to increase $sp^3$ fraction of ta-C coating and control the coating parameters for thermal stability of thick ta-C at high temperatures.
The $WS_2$ solid lubricant synthesized through the vapour phase transport method was coated on the commercial bearing steel (SUJ 2) substrate, and the tribological behaviour of the lubricant was investigated using a ball-on-disk type tester. The $WS_2$ powder was spray-coated at room temperature using compressed air, and the change of friction coefficient was examined in various conditions, i.e., specimen configuration, atmosphere (air and nitrogen), applied load and rotating speed. $WS_2$ coated ball and disk showed the optimum friction coefficient of 0.07 and wear life of 45,000 cycles in the nitrogen atmosphere under 0.3 kgf and 100 rpm, whereas relatively high coefficient of 0.13 and reduced wear life of 4,000 cycles were observed in air atmosphere. The effect of rotating speed on the friction coefficient was not observed both in nitrogen and in air atmospheres. This confirmed that the spray-coated $WS_2$ solid lubricant was effective in reducing the friction coefficient and improving wear life in nitrogen atmosphere, and the oxygen and moisture existing in air could seriously deteriorate the lubrication effect of $WS_2$ coating layer.
The wear characteristics of metal ball and seat in a metal-seated ball valve significantly affect the performances such as leakage and valve torque. In this work, the wear characteristics of metal ball and seat are experimentally investigated. A stainless steel ball and seat with a high corrosion-resistant coating are prepared and a component level test was performed. The hardness and surface roughness of specimens cut from the metal ball and seat are measured before and after the test using a micro-Vickers hardness tester and confocal microscopy, respectively. In order to assess the wear characteristics, the surfaces of the specimens are carefully examined after the test. The confocal microscope data show that the surface roughness values of both the ball and seat increase by a factor of 3-4, which may lead to an increase in valve torque. However, the wear of the seat is found to be more significant than that of the ball. In addition, a comparison of the surfaces of the ball and seat before and after testing revealed that adhesive and abrasive wear are the major wear mechanisms. The results of this study may aid in the design of metal-seated ball valves from the tribological point of view.
Phase evolution and tribological behavior of Cr-Mo-N multi compositional films with different interlayer were investigated. The films were deposited by hybrid PVD (Physical Vapor Deposition) system consisted of dc unbalanced magnetron (UBM) sputtering and arc ion plating (AIP) sources. A pure molybdenum (Mo) was used as sputtering target and also a pure Cr was used as AIP target to form the Cr-Mo-N films. Various growth planes were found, no textured surface, in all of the multi composition films. Maximum value of microhardness was measured in Cr-Mo-N film with Mo interlayer as 29 GPa. Composition film was mainly showed the aspect of the adhesive wear than CrN film. The friction coefficient was decreased from 0.6 for pure CrN coating to 0.35 for Cr-Mo-N film with Mo interlayer. This result may come from the formation of metal oxide tribo-layer which is known as solid lubricant during the wear test.
This study concerns the design and development of the non-vibrating capacitance probe which could be used as a non-contact sensor for tribological wear. This device detects surface charge through temporal variation in the work function of a material. Experiments are performed to demonstrate the operation of the probe on a roating aluminum shaft. The reference electrode of the probe, made of lead, is placed adjacent (< 1.25-mm distance) to the shaft. Both surfaces which are electrically connected, form a capacitor. An artificial spatial variation in the work function is imposed on the shaft surface by coating a segment along the shaft circumference with a colloidal silver paint. As the shaft rotates, the reference electode senses changing contact potential difference with the shaft surface, owing to compositional variation. Temporal variation in the contact potential difference induces a current through the electrical connection. This current is amplified and converted to a voltage signal by an electoronic circuit with an operational amplifier. The magnitude of the signal decreases asymptotically with the electrode-shaft distance and increases linearly with the rotational frequency. These results are consistent with the theoretical model. Potential applications of the probe on wear monitoring are proposed.
In this study, we attempt to produce a semi-elliptical riblet with a shark skin-like surface using wire electrical discharge machining (WEDM) and micro molding techniques. Our design for the production of the semi-elliptical mold includes an electrode, a winding roller, and a guide on the WEDM system. A replication mold with negative riblets is machined using WEDM, and a shark skin inspired surface with positive riblets is fabricated using a micro molding technique. For a comparison with the original shark skin, a shark skin replica is also produced using the micro molding technique directly from a shark skin template. Droplet contact angles on a flat surface, the shark skin replica, and the epoxy resin-based micro riblet shark skin-like surface are evaluated. The effect of a Teflon coating on the contact angles for the three different surfaces is also investigated. The results show the micro riblet with a shark skin-like surface has a similar contact angle as the shark skin replica, which means that the simplified riblet shark skin surface strongly influences the performance of wettability. This study confirms the effectiveness of using the WEDM method to prepare hydrophobic surfaces with diverse surface patterns.
Most previous studies on water repellent surfaces using lasers rely on the use of pico- or femtosecond lasers. However, in industrial application, these methods have the disadvantages of high cost and low efficiency. In this study, we implement a hydrophobic surface using a high-power general-purpose diode laser. We have fabricated the microsurface using laser groove processing technology, and we present the correlation of wettability characteristics with space and width. The metal material is stainless steel (SUS 304), and the groove height during laser processing is set to $30{\mu}m$ to evaluate the wettability based on the gap and width of various grooves. Results show that the contact angle of the groove-shaped surface is increased by $40^{\circ}$ or more as compared with the surface without patterning, and the contact angle in the parallel direction is greater than that in the perpendicular direction. Results from contact angle hysteresis measurement experiments show that the groove width has a greater influence on the contact angle history than does the gap between grooves. In addition, the coating reveals that the contact angle can be increased using a chemical method and that the laser grooving process can further improve the wetting properties of the surface.
The riblet structure like shark skin has been widely studied owing to its drag reduction and anti-fouling properties. In this study we simulated the wettability of an oil droplet on a riblet surface. We developed a numerical analysis method using the Wenzel equation and Cassie-Baxter equation that can estimate the contact angle with a penetrated depth of the droplet on rough surfaces. Riblet surfaces with nine scales composed of five hemi-elliptical ribs are generated numerically. The variation of contact angles with fractional depth of penetration for the generated riblet surfaces with and without coatings is demonstrated in the condition of solid-air-oil and solid-water-oil interfaces. The contact angle for the uncoated surface decreases with increasing fractional depth of penetration more drastically than that for the coated surface. For the effect of surface roughness on the contact angle of the droplet, the oleophilic surface gives lower contact angle when the surface is rougher, whereas the oleoophobic surface gives higher contact angle with higher roughness To verify the analysis results, the wetting angle was measured in the solid-air-oil interface and solid-water-oil interface for the shark-skin template and shark-skin replica. The effects of teflon coating were also evaluated. It is shown that the simulation results cover the experimental ones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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