Scuffing propagation of heavily-loaded lubricated friction joints with WC/C coated parts

Celem pracy było opisanie mechanizmów niszczenia smarowanego wysokoobciążonego węzła tarcia z elementami pokrytymi niskotarciową powłoką WC/C tworzących strefę tarcia. Badania wykonano dla niskotarciowej powłoki WC/C (a-C:H:W) otrzymanej metodą reaktywnego rozpylania w procesie PVD. Testy przeprowadzono z wykorzystaniem aparatu czterokilowego, stosując metodę badania zacierania w warunkach ciągłego narastania obciążenia. Badania wykonano dla czterech kombinacji materiałowych: stal/stal (kulka górna stalowa / kulki dolne stalowe), stal/powłoka (kulka górna stalowa / kulki dolne stalowe pokryte powłoką WC/C), powłoka/stal (kulka górna pokryta powłoką WC/C / kulki dolne stalowe), powłoka/powłoka (kulka górna pokryta powłoką WC/C / kulki dolne pokryte powłoką WC/C). Węzeł tarcia smarowano polialfaolefinowym olejem syntetycznym (PAO-8) bez dodatków uszlachetniających. Obserwację warstwy wierzchniej przeprowadzono z wykorzystaniem mikroskopu elektronowego (SEM) i mikroskopu sił atomowych (AFM). Analizy składu warstwy wierzchniej wykonano, stosując mikroanalizator rentgenowski (EDS), spektrometr z wyładowaniem jarzeniowym (GDOES) i rentgenowską spektroskopię fotoelektronową (XPS). W oparciu o wykonane analizy i obserwacje opisano propagację zacierania badanych skojarzeń. Wysoka odporność na zacieranie skojarzenia stalowego, w którym pokryto powłoką element o większym stopniu przekrycia wynika z wyeliminowania powinowactwa materiałowego elementów trących oraz podatności tego skojarzenia na docieranie. Kluczową rolę odgrywa także wprowadzenie w strefę tarcia smaru stałego w postaci grafitu oraz transfer materiału z elementu stalowego na powierzchnie pokrytą powłoką.The aim of this paper was to describe the mechanisms of the estruction of heavily loaded friction pair elements coated with low–friction WC/C coating. The investigations were performed for low friction coatings WC/C (a-C:H:W) deposited by the reactive sputtering PVD process. Experiments were carried out using the four-ball tester and the method with continuously increasing loads. Tests were conducted for the four material combinations: steel/steel tribosystem (all balls uncoated), steel/coating tribosystem (one upper ball uncoated/three lower balls WC/C coated), coating/steel tribosystem (one upper ball WC/C coated/ three lower balls uncoated), coating/coating tribosystem (all balls WC/C coated). The friction pair was lubricated with pure polyalphaolefin synthetic base oil (denoted as PAO-8). Observation of the surface layer was carried out using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). Analysis of the composition of the surface layers was performed using X-ray microanalyser (EDS), glow discharge optical emission spectrometry (GDOES), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Based on the results of performed analysis and observations, the propagation of scuffing was described. The high scuffing resistance of steel tribosystem was obtained when only one element, with higher overlapping ratio, was coated and resulted from reducing the adhesion between rubbing surfaces due to low chemical affinity (similarities) between the steel and the coating material. The presence of solid lubricant graphite in the friction zone and thereaction layer on the steel surface played an important role in creating antiscuffing properties