Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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1998.10a
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pp.244-251
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1998
This paper presents case studies on the oil related failures in automotive engines. In this study, engine oils play an important roles as a friction reducing matehals and should be supplied to a tribological machine elements sufficiently. The starvation or depletion of a lubricant may seriously produce the tribological failures on the rubbing parts of the engine.
In this study, an ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) was used to improve the mechanical properties, scratch resistance and tribological performance of Cu-based bimetals, which are usually used to manufacture sliding bearings and bushings for internal combustion engines (ICEs). Two different Cu-based bimetals, namely CuPb10Sn10 and CuSn10Bi7, were sintered onto a low carbon steel substrate. The mechanical properties and dry tribological performance using a tensile tester and micro-tribo tester were evaluated, respectively. The scratch resistance was assessed using a micro-scratch tester at an incremental load. The tensile test results showed that the yield strength (YS) and ultimate tensile strength (UTS) of both Cu-based bimetals increased after UNSM. Furthermore, the scratch and tribological tests results revealed that the scratch resistance and tribological performance of both Cu-based bimetals were improved by the application of UNSM. These improvements were mainly attributed to the eliminated pores, increased hardness and reduced roughness after UNSM. CuSn10Bi7 demonstrated better mechanical properties, scratch resistance and tribological performance than CuPb10Sn10. It was found that the presence of Bi in CuSn10Bi7 formed a Cu11Bi7 intermetallic phase, which is harder than Cu3Sn. Hence, CuSn10Bi7 demonstrated higher strength and wear resistance than CuPb10Sn10. In addition, a CuSn10Bi7 formed both SnO2 and Bi2O3 that prevented adhesion and improved the tribological performance. It can be expected that under dry tribological conditions, ICEs can utilize UNSM bearings and bushings made of CuSn10Bi7 instead of CuPb10Sn10 under oil-lubricated conditions.
Monolayers such as self-assembled monolayer (SAM) have received considerable attention to reduce stiction and friction in micro-devices and microelectromechanical systems (MEMS). Various organic molecular films were investigated to obtain better understanding of their tribological behaviors and adhesion property. The organic molecular films studied in this work are: epoxysilane SAMs, octadecyltricholosilane (OST), multi-layers composed of epoxysilane SAMs, poly[styrene-b-(ethylene-co-butylene)-b-styrene](SEBS) and compound of epoxy resin and poly (paraphenylene)(EP/PPP). The pull-off forces of these films were also obtained from force-distance curves measured in static mode of operation of atomic force microscope(AFM). Tribological tests were conducted with a ball-on-flat reciprocating friction tester. The OST showed the lowest pull-off force, indicating its low adhesion property. It was revealed that, the OST, EP/PPP and the multi-layer of epoxysilane SAMs, SEBS and EP/PPP exhibited good tribological properties at the lower load (0.3 N) whereas the OST showed best performance at the higher load (1.8 N).
Si-SiC-graphite composites were developed by incorporating solid lubricant graphite into Si-SiC, in the light of improving tribological properties of Si-SiC ceramics. Si-SiC-graphite composites were fabricated by infilterating silicon melt into the mixture of α-SiC, carbon black and graphite powder at 1750℃ under 3 Torr. The particle size of graphite was in the range of 150 to 500㎛, and the loading content of graphite was 0, 20, 25, 30, 35 vol% in the mixture of α-SiC and carbon black. The mechanical and tribological properties of this composites were studied. The density, hardness, flexural strength, compressive strength and Young's modulus were decreased with increasing of graphite content. An additiion of solid-lubricant graphite up to 30 vol% has improved tribological properties of Si-SiC ceramics without considerable degradation of mechanical properties.
The tribological properties of ceramics are very important in the application to engineering ceramic parts such as mechanical seal slurry valve disc and so on. In this study the effect of graphite addition on the mechanical and tribological properties of RBSC/graphite composites were investigated. The composites were prepared by adding graphite powder to the mixture of SiC powder metallic siliconcarbon black and alumina. Bending strength water absorption friction coefficient the amount of worn out material at a certain time and maximum surface roughness(Rmax) of the prepared composites were measured and crystalline phases were examined with XRD. The composite containing 5 vol% graphite powder showed improved bending strength due to high green density and decreased friction coefficient and wear resistance. The friction coefficient and the wear resistance of the composite were increased by adding graphite powder up to 10 vol% They decreased however as increasing the amount of graphite powder more that 10vol% There was no linear relationship between the tribological properties and bending strength of the composites.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2001.06a
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pp.49-54
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2001
Monolayers such as self-assembled monolayer (SAM) have received considerable attention to reduce stiction and friction in micro-devices and microelectromechanical systems (MEMS). Various organic molecular films were investigated to obtain better understanding of their tribological behaviors and adhesion property. The organic molecular films studied in this work are: epoxysilane SAMs, octadecyltricholosilane (OST), multi-layers composed of epoxysilane SAMs, poly〔styrene-b-(ethylene-co-butylene)-b-styrene〕(SEBS) and compound of epoxy resin and poly (paraphenylene) (EP/PPP). The pull-off forces of these films were also obtained from force-distance curves measured in static mode of operation of atomic force microscope (AFM). Tribological tests were conducted with a ball-on-flat reciprocating friction tester. The OST showed the lowest pull-off force, indicating its low adhesion property. It was revealed that, the OST, EP/PPP and the multi-layer of epoxysilane SAMs, SEBS and EP/PPP exhibited good tribological properties at the lower load (0.3 N) whereas the OST showed best performance at the higher load (1.8 N).
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.9
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pp.1842-1848
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2002
Although DLC coatings have good tribological properties, these are dependant on the deposition method, the property of contact surface, and test condition. Humidity, which has little influence on tribological behavior in macro scale, is an important factor of tribological behavior in small devices like MEMS. The objective of this study is to investigate the tribological behavior of DLC coatings with particular attention to their wettability at various humidities. DLC coatings were deposited on Si substrates and tested using a reciprocating friction tester against Si$_3$N$_4$balls at various humidities. The results showed that the tribological behavior of DLC coatings was dependant on relative humidity and wettablility of DLC coatings. Friction coefficient at high relative humidity was higher thar that at low relative humidity. The tungsten-containing DLC coatings had a good wear resistance at low relative humidity whereas DLC coatings derived from argon(Ar)+cesium(Cs) gases showed a good wear resistance at high relative humidity.
Recently, graphene has attracted considerable attention owing to its unique electrical, optical, thermal, and mechanical properties. The broad spectrum of applications from optics, sensors, and electronics to biodevice have been proposed based on these properties. In particular, graphene has been proposed as a protective coating layer and solid lubricant for microdevices and nanodevices because of its high mechanical strength, chemical inertness, and low friction characteristics. During the past decade, extensive efforts have been made to explore the tribological characteristics of graphene under various conditions and to expand its applicability. In addition to the experimental approaches, the molecular simulations performed provide fundamental insights into the friction and wear characteristics of graphene resulting from molecular interactions. This work is a review of the studies conducted over the past decade on the tribological characteristics of graphene using molecular simulation. These studies demonstrate the principal mechanisms of the superlubricity of graphene and help clarify the influences of surface conditions on tribological behavior. In particular, the investigation of the effects of the number of layers, strength of adhesion to the substrate, surface roughness, and commensurability provides deeper insights into the tribological characteristics of graphene. These fundamental understandings can help elucidate the feasibility of graphene as a protective coating layer and solid lubricant for microdevices and nanodevices.
Micro/nano tribological and water wetting characteristics of ion beam treated PTFE (polytetrafluoroethylene) surfaces were experimentally studied. The ion beam treatment was performed with a hollow cathode ion gun at different argon ion dose conditions in a vacuum chamber to modify the topography of PTFE surface. Micro/nano tribological characteristics, water wetting angles and roughness were measured with a micro tribe tester, SPM (scanning probe microscope), contact anglemeter and profilometer, respectively. Results showed that surface roughness increased with the argon ion dose. Water wetting angle of the ion beam treated samples increased with the ion dose, so the surface shows an ultra-hydrophobic nature. Micro-adhesion and micro-friction depend on the wetting characteristics of the PTFE samples. However, nano-tribological characteristics showed different results. The scale effect of surface topography on tribological characteristics was discussed. Also, the water wetting characteristics of modified PTFE samples were discussed in terms of the surface topographic characteristics.
The tribological properties of acrylonitrile-butadiene rubber (NBR) filled with two kinds of carbon black filler were examined. Different types of Semi-Reinforcing Furnace (SRF), and High Abrasion Furnace (HAF) blacks were used as filler material to test the influence of carbon black particle size on the friction and wear of NBR. Results from tribological tests using a ball on disk method showed that the smaller HAF particles were more effective for reducing the wear of NBR during frictional sliding. The hardness, elastic modulus at 100% elongation, and elongation at break were measured to examine the correlation between the effects of carbon black on the mechanical and tribological properties of the NBR specimens. The wear tracks of the NBR specimens were observed with scanning electron microscopy (SEM). The wear tracks for NBR with different ratios of SRF and HAF showed clearly different abrasion patterns. Mechanisms for the friction and wear behavior of NBR with different sizes of carbon black filler were proposed using evidence from wear track observation, as well as the mechanical and tribological test results.
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