Technichal advancement through tribofilm control
- Reference number
- RMA08-0019
- Start and end dates
- 090701-150630
- Amount granted
- 20 229 009 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The tribological performance of mechanical components in sliding or sliding/rolling contact is largely determined by the outermost nanometers of the contacting surfaces. This thin layer is subjected to extreme conditions of shear, pressure and temperature. The contacting materials change their composition, phase, topography, etc., in response to these conditions, forming a ”tribofilm”. The friction properties after the formation of the tribofilm deviate dramatically from those of the virgin surfaces. We propose a research program to increase the fundamental understanding of the tribofilms and the physical, chemical, topographical and mechanical conditions for their formation. We will use the understanding to take the step from “passive” materials to a new generation of active surfaces designed to during tribological contact form tribofilms giving very low friction and long wear life. The concept of Controlled tribofilms will offer Swedish industry new tools to assist their development of materials, coatings, components, systems and vehicles, that reduce friction loss, improve wear life, can utilise green lubricants and fuels, etc. The sub-projects are divided into three themes, representing different concepts to achieve tribofilm control. All themes engage all four applicant research groups, spanning from first principles atomistic theories to high resolution electron microscopy and surface analysis, via modern thin film processes, to extensive tribological testing.
Popular science description
I alla produkter med rörliga delar är nötning och friktion viktiga parametrar. I moderna fordon, processutrustningar, motorer, generatorer, pumpar och andra maskiner är kraven på de rörliga delarnas kontaktytor extremt höga. De måste vara kapabla att överföra höga effekter, tåla enorma yttryck, ofta i höga hastigheter, allt med minimal nötning och med minimala friktionsförluster. Till detta kommer ökande krav på att spara energi, vilket gör att produkterna måste göras mindre och lättare och ge lägre friktion. I dag tillkommer dessutom ständigt nya utmaningar baserat på att åtskilliga av de material och smörjmedel som hittills varit de bästa måste fasas ut av resurs-, miljö- eller hälsoskäl. Konstruktörer och materialtillverkare ställs alltså inför mycket krävande utmaningar, vilket de senaste åren lett till en accelererande utveckling av olika typer av högpresterande keramiska ytskikt som deponeras på stålkomponenter. Dessa skikt är mycket tunna, endast några få tusendels millimeter, med de kan vara extremt hårda (i vissa fall mer än fyra gånger hårdare än de hårdaste stålen), och ge mycket låg nötningshastighet och goda lågfriktionsegenskaper. Man kan med modern mikroskopi visa att friktions- och nötningsbeteendet hos dessa komponenter främst avgörs av de motgående ytornas allra yttersta nanometrar. Rörelsen mellan ytorna tas upp i ultratunna filmer på bara några hundra atomlager. Dessa utsätts för extrema förhållanden av skjuvning, tryck och temperatur, varvid de ändrar sammansättning, fas, topografi mm. De bildar på så vis en “tribofilm” vars friktionsegenskaper avviker dramatiskt från de ursprungliga ytornas. Vi föreslår ett brett forskningsprogram för att öka den grundläggande förståelsen av dessa tribofilmer och de fysikaliska, kemiska, topografiska och mekaniska villkoren för att de ska bildas. Förståelsen ska vi använda för att kunna ta det avgörande steget från dagens material och ytbeläggningar, till en ny generation av aktiva ytor utformade med kontroll ned på atomär nivå. Dessa skikt utformas med tanke på att bilda tribofilmer som ger extremt låg friktion och lång livslängd, så snart de kommer i friktionskontakt. Detta koncept av Styrda tribofilmer kommer att erbjuda Svensk industri nya möjligheter. Det kommer att möjliggöra utveckling av ytskikt, komponenter, system och fordon som sparar energi genom att ge låg friktion, och som dessutom ger bättre slitagemotstånd och ökade möjligheter att använda gröna smörjmedel och bränslen.