Ultra Low-Friction Characteristics of Nanostructured Surfaces on Silicon Nitride in Aqueous Medium

Abstract

Even though studies have shown unequivocally that the coefficient of friction of self-mated silicon nitride can be quite low in water, the basic phenomena responsible for such a low friction is still controversial. In this investigation the effects of load, speed, and surface roughness on the duration of the run-in period for self-mated silicon nitride in water was studied. Although the results are consistent with proposed mechanisms involving mixed hydrodynamic lubrication by water and boundary lubrication by colloidal silica, an alternate mechanism is suggested. The friction and wear tests were conducted using a pin-on-disk tribometer. The surface roughness of the disks was measured with an atomic force microscope (AFM) scanning several areas 50x50 µm in dimensions. For a test on a lapped surface at 5 N and 120 mm/s, the coefficient of friction is seen to decrease from an average of 0.45–0.01 after 600 min. It is proposed that the low friction could be also related to fundamental interactions between two hard and elastically deforming surfaces covered with hydrogen-terminated oxide films.

Keywords

• -

Sulu Ortamda Silisyum Nitrür Üzerindeki Nanoyapılı Yüzeylerin Çok Düşük Sürtünme Özellikleri

Öz

Çalışmalar, silisyum nitrürün kendisi ile karşı karşıya çalışması durumunda sulu ortamda sürtünme katsayısının oldukça düşük olduğunu göstermiş olmasına rağmen, böyle düşük bir sürtünme katsayısının oluşumundan etkili olan temel mekanizma hala tartışmalıdır. Bu araştırmada yük ve hız değişkenleri altında sulu ortamda kayan Si3N4 - Si3N4 çifti için alışma dönemi süresince yüzey pürüzlülüğünün etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar, sulu ortamda karışık hidrodinamik yağlama için ve kolloidal silika ile sınır yağlama ile ilgili ortaya konulan mekanizmalar ile tutarlı olmasına rağmen, alternatif bir mekanizma önerilmektedir.
Sürtünme ve aşınma testleri pin-on-disk tribometre kullanılarak yapılmıştır. Bu deneyler için Rulman kalitesinde silisyum nitrür (NBD-200, Norton Advanced Ceramics), seçilmiştir. Disklerin yüzey pürüzlülüğü çeşitli noktalardan 50x50 µm boyutlarda taranarak bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile ölçülmüştür. 5 N ve 120 mm/s'de, honlanmış yüzey üzerinde, sürtünme katsayısı 600 dakika sonra 0.45 den ortalama 0.01 e düştüğü görülmüştür. Bu düşük sürtünme katsayısı, hidrojen-ile-sonlanan oksit filmleri ile kaplanmış iki sert ve elastik olarak deforme temel yüzeyler arasındaki etkileşim ile ilgili olabileceği düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Silisyum Nitrür, Su ile yağlanma, Sürtünme katsayısı, Seramikler

References

1. Tomizawa H, Fischer TE. “Friction and Wear of Silicon Nitride and Silicon Carbide in Water: Hydrodynamic Lubrication at Low Sliding Speed Obtained by Tribochemical Wear”. ASLE Transaction, 30(1), 41-46, 1987.
2. Jahanmir S. “Wear Transitions and Tribochemical Reactions in Ceramics”. Engineering Tribology, 216(6), 371-385, 2002.
3. Jahanmir S, Fischer TE. “Friction and Wear of Silicon Nitride Lubricated by Humid Air, Water, Hexadecane and Hexadecane + 0.5% Stearic Acid”. ASLE Transaction, 31(1), 32–43, 1988.
4. Jahanmir S, Ozmen Y, IvesLK. “Water Lubrication of Silicon Nitride in Sliding”. Tribology Letters, 17(3), 409-417, 2004.
5. Dong X, Jahanmir S. “Wear Transition Diagram for Silicon Nitride”. Wear, 165(2), 169–180, 1993.
6. Woydt M, Schwenzien J. “Dry and Water-Lubricated Slip- rolling of Si3N4- and SiC Based Ceramics”. Tribology International, 26(3), 165–174, 1993.