In-situ development of low friction Tribofilm based on MoS2 and Nanodiamonds composites

Abstract

Uma demanda geral para o desenvolvimento de tecnologias mais sustentáveis e ambientalmenteamigáveis levou a um crescente interesse pelo trabalho em tecnologias de economia de energia e redução de emissões. O motor de combustão interna é uma dessas tecnologias que viu grandes melhorias na eficiência de combustível, redução do consumo total de energia e das emissões, sendo as melhorias na lubrificação um aspecto importante disso.Grande maioria dos aditivos lubrificantes empregados como modificadores de fricção e agentes antidesgaste são em sua maioria componentes orgânicos contendo enxofre e fósforo em sua composição. Seus mecanismos de lubrificação são baseados em uma reação triboquímica que resulta em um tribofilme. Devido sua morfologia única e pequeno tamanho, nanopartículas inorgânicas (nanotubos, fulerenos,...) podem ser vistas como substituintes de tais aditivos orgânicos. Entres essas nanopartículas descobertas e estudadas até o presente momento, Nanodiamantes (ND)tornou-se popular devido à suas propriedades tais como dureza, alto ponto de fusão e habilidade de resistir ambientes extremos. Entretanto, seu impacto no desempenho de compostos de enxofre préexistentes, como aditivos anti-fricção MoS2 em condições de contato lubrificado, é desconhecido. Nesse projeto um tribofilme in-situ foi formado usando MoDTC contendo óleo de motor, enquanto NDs foram adicionadas ao sistema em diferentes etapas de tempo. Corpos de prova foram analisados por espectroscopia Raman a fim de confirmar a formação do tribofilme desejado e provavéis reações químicas. Resultados mostraram que enquanto ND e MoDTC são usados simultaneamente, a banda D e G relacionada ao ND cresceu em comparação com as condições em que eles são adicionados separadamente ao sistema. Além disso, mudaças no espectro Raman não foram observadas em nenhuma das amostras. A performance tribológica e de lubrificação do filme formado foram avaliadas a partir de testes de pino sobre disco. Marcas de desgaste encontradas nos corpos de prova foram analisadas utilizando microscópio óptico e perfilômetro óptico 3D. Os resultados indicam que no geral a adição de ND aumentará a geometria do desgaste em ambas largura e profundidade, e por conseguinte o coeficiente de atrito (COF). Contudo, essa quantidade será a mais baixa encontrada enquanto MoDTC e ND forem utilizadas simultaneamente, o que é igual ao COF de usar MoDTC apenas como um aditivo antifricção, 0,05. Igualmente, a análise do desgaste em perfilometria óptica 3D estimou que essa condição apresenta a menor profundidade da marca de desgaste enquanto que a largura continua crescendo devido à presença de ND. Os cálculos indicaram que a preseça de NDdiminuiu a taxa de desgaste em todas as amostras incluidas.

A general demand for a more sustainable and environmentally friendly development has led to an increasing interest of work on energy-saving and emission reduction technologies. The internal combustion engine is one such technology that has seen huge improvements in fuel efficiency, reduced overall energy consumption and emissions, and a key aspect of this has been improvements to the lubrication.Majority of lubricant additives used as friction modifier and anti-wear agents are mainly organic compounds containing sulphur and phosphorous. Their lubrication mechanism is based on a tribochemical reaction leading to tribofilm. Because of their unique morphology and very small size, inorganic nanoparticles (nanotubes, fullerenes, carbon onions,...), could be envisaged for the replacement of such organic additives, partially or fully. Among these nanoparticles discovered and studied so far, Nanodiamonds (ND) has become popular lately due to their desirable properties such as hardness, high melting point, and the ability to withstand extreme environments. However, their impact on the performance of existing sulfur contained compounds such as MoS2 anti-friction Additives in lubricated contact conditions is unknown.In this project, an in-situ tribofilm was formed using MoDTC containing engine oil while ND was added to the system at different time steps. Samples were analyzed by Raman spectroscopy to confirm the formation of the desired tribofilm and any probable chemical reactions. Results showed while ND and MoDTC are used simultaneously, the D and G band relating to ND grew compared to the conditions were they are separately added to the system and no Raman shifts were observed for any of the samples. The tribological and lubrication performance of the formed film evaluated through pin on disc tribological test. Wear scars on the samples were analyzed utilizing optical microscopy and 3D optical profilometer. Result indicates, in general adding ND will increase the amount of wear geometry both in width and depth and therefore the coefficient of friction (COF). However, this amount will be the lowest while MoDTC and ND were used simultaneously, that is equal to the COF of using MoDTC solely as an antifriction additive, 0.05. Also, the wear analysis from 3D optical profilometer estimated that the depth of the formed wear scar in this condition have the lowest amount whereas the width is still growing due to the presence of ND. Calculations indicated that ND lowered the wear rate in all included samples.