Influence of Type of Contact and Texture Parameters on the Tribological Performance of Laser-Textured Steel Surfaces.

Abstract

Nowadays, environmental regulations tend to restrict or completely ban the use of harmful phosphorous/sulfur-containing lubricant additives that have been used for decades to reduce wear and friction in engines. The group formed by the UC, UM, IPN, and Mahle presented a novel proposal which intends to achieve an overall reduction of friction for lubricated contacts by the synergetic effect of self-adaptive TMD (Transition Metal Dichalcogenides) coatings applied on textured surfaces. In the future, Electrical-Discharge-Machining (EDM) is intended to be used for the micro-texturing process. However, this machining method is far from being optimized. In this preliminary work, laser-texturing was used to create samples with different parameters to perform an optimization process and identify the texture features which are likely to lead to a reduction of friction in a wide range of conditions. The samples exhibiting the best performance will be used as a reference for future works with EDM. As a starting point, literature research was carried out to define optimum texture parameters according to relevant papers on the topic. Dimples were selected for being the most cost-effective texture-shape. For the theoretical analysis textured surfaces with different dimple-parameters (e.g., D_d,d_d,l ) were modeled with a finite mesh. Next, with an approach based on the two-dimensional Reynolds equation 3D representations of the pressure distribution and the LCC values were obtained. Numerous conditions were simulated to look for the generation of an “extra lift.” A positive outcome was achieved, particularly with semi-textured surfaces where an increase in the LCC was predicted. A range of texture-parameters (e.g. Dd,dd,l) which appeared optimum was found. For the experimental work, steel surfaces were prepared and textured by laser. Polished and unpolished textured discs were tested to identify the effect of bulges around the dimples. Additionally, a smooth sample containing a TMD coating was also tested under the same conditions than the other discs. They all were compared against the performance of a smooth (untextured) surface. For the evaluation of the tribological performance of samples, three different setups were used (i.e., block-on-ring, flat-ring-on-flat, cylinder-on-flat). Two of them (i.e., flat-ring-on-flat and cylinder-on-flat) were new testing methods developed specifically for this purpose. Promising results were obtained, especially for line-contact configurations. The best performing textured sample exhibited a maximum improvement of 28.5% over a smooth surface. As for the coated disc, a remarkable 71.33% friction reduction was the maximum observed with the block-on-ring set-up. Positive results were also attained with the cylinder-on-ring configuration. One of the textured samples showed a maximum 22.8% improvement over a smooth surface, whereas the coated disc was able to provide a 44.4% COF reduction in favorable conditions. Additionally, an agreement was found between the predicted LCC and the performance of textured samples.

Hoje em dia, as normas ambientais tendem a restringir ou proibir completamente o uso de lubrificantes contendo fósforo/enxofre como aditivos, lubrificantes que foram usados durante décadas para reduzir o desgaste e o atrito em motores de combustão.. Um consórcio formado pela UC, UMinho, IPN e Mahle apresentaram uma proposta inovadora que pretende conseguir uma redução global do atrito em contatos lubrificados pelo efeito sinergético de revestimentos de dicalcogenetos de metais de transição (DMT) depositados em superfícies texturadas. È esperado utilizar a técnica de eletroerosão (EDM) para o processo de micro texturação. Contudo, este método de maquinação está longe de estar otimizado. Neste trabalho preliminar, a texturação a laser foi utilizada para fabricar amostras com diferentes parâmetros de fabrico, no sentido de otimizar o procedimento e identificar os detalhes da textura com maior probabilidade de reduzir o atrito numa gama larga de condições de deslizamento. As amostras com melhor desempenho serão utilizadas como referência em trabalhos futuros com EDM. Numa primeira parte, foi realizada uma pesquisa bibliográfica para definir os parâmetros de texturação mais adequados, de acordo com as publicações mais relevantes neste tópico. As calotes esféricas foram selecionadas como sendo a forma de textura mais eficiente do ponto de vista económico. Para a análise teórica, foram modeladas por elementos finitos superfícies texturadas com caraterísticas geométricas diferentes (ex. Dd,dd,l). Seguidamente, com uma aproximação baseada na equação de Reynolds a 2 dimensões, foram obtidas representações 3D da distribuição de pressões, assim como valores de LCC. Então, foram simuladas condições muito variadas para conseguir alcançar situações de “pressão extra”. Como resultado, foi possível encontrar situações com desempenho positivo, particularmente com superfícies semi-texturadas, que permitiram definir também um conjunto de parâmetros geométricos mais adequados para promover um aumento do valor de LCC. Para a prte experimental, foram preparadas várias amostras e texturadas com laser. Após tratamento, amostras polidas e não polidas foram testadas para compreender a influência dos bordos protuberantes das cavidades. Foi também testada uma amostra polida revestida com um filme de DMT, com condições idênticas às utilizadas nos outros testes. O desempenho tribológico de todas as amostras foi comparado tendo como referência a amostra polida não revestida. Neste trabalho foram utilizados três métodos de teste diferentes (“block-on-ring”, “flat-ring-on-flat”, ”cylinder-on-flat”). Os últimos dois testes foram desenvolvidos propositadamente no âmbito deste trabalho. Foram alcançados resultados promissores, em particular com a configuração de cilindro em base plana. A amostra com melhor desempenho tribológico apresentou melhorias superiors a 28.5% em relação à referência. Também para o disco revestido, foram obtidos uns notáveis 71.3 % de redução do atrito para a configuração “block-on-ring”. Os resultados foram também muito positivos na configuração “cylinder-on-flat”. Uma das amostras texturadas mostrou uma melhoria de 22.8 % ao passo que a amostra revestida alcançou 44.4% de redução do atrito. Foi também obtido um bom acordo entre os resultados experimentais e a previsão por modelação.