Investigating the influence of texturization on the tribological behavior of patterned surfaces with lubricant nanoparticles

Abstract

As perdas de energia por atrito, que representam um consumo considerável, e o desgaste dos componentes, uma das principais causas de falhas em máquinas e equipamentos, vem se tornando cada vez mais relevantes desde a Revolução Industrial, principalmente após os alertas de aceleração das mudanças do clima na Terra. Visando tornar esses processos mais eficientes, econômicos e sustentáveis, diferentes abordagens têm sido desenvolvidas e implementadas. Entre essas soluções, estão os processos de modificação de superfície e aplicação de nanotecnologia. No presente estudo foi investigado a combinação das tecnologias de texturização de superfície e de deposição de nanolubrificantes sólidos, demonstrando sua eficácia em promover maior vida útil a componentes e reduzir perdas por atrito e desgaste. Para isso foram produzidas quatro texturas utilizando a técnica de gravura a plasma a seco induzido por bombardeio de íons. Além disso, uma amostra de referência com superfície polida foi utilizada. Posteriormente, o nanolubrificante sólido, conhecido como grafite 2D turbostrático, foi depositado nas amostras por meio da técnica de drop-casting. Essa técnica de deposição garantiu uma cobertura consistente e distribuição uniforme em todas as condições de superfície. Para avaliar o comportamento tribológico das diferentes condições de superfície, foram conduzidos testes tribológicos de durabilidade. Além disso, as amostras passaram por análises detalhadas para caracterizar a topografia das diferentes texturas, mensurar a quantidade de nanolubrificante e investigar os mecanismos de desgaste. As técnicas de análise utilizadas foram interferometria óptica, microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDX), e espectroscopia Raman. Os resultados deste estudo demonstram o potencial sinérgico da texturização na lubrificação sólida para reduzir de maneira eficaz o desgaste e o atrito, desde que os parâmetros das texturas sejam cuidadosamente selecionados. Vale ressaltar que no presente estudo, as superfícies com texturas (exceto a textura H2-D100-A4) apresentaram durabilidade significativamente elevada, superando a durabilidade da superfície polida (295 N.m) em pelo menos três vezes (947 N.m), além de exibirem uma notável repetibilidade devido ao controle preciso que superfícies texturizadas proporcionam. Além disso, foi constatado que os dimples atuam como reservatórios de lubrificante sólido, fornecendo gradualmente esse lubrificante à medida que a superfície sofre desgaste, contribuindo para um melhor desempenho tribológico. Os mecanismos de desgaste observados sugerem que, à medida que os padrões da textura se desgastam, eles transacionam de uma condição suave para um mecanismo severo, assemelhando-se ao observado na superfície somente polida (sem texturização) com as partículas de lubrificante sólido se acumulando mais nas bordas da marca de desgaste.

Frictional energy losses, which represent a significant consumption of energy resources, and component’s wear, one of the leading causes of failures in machinery and equipment, have been major challenges since the Industrial Revolution, mainly after the warnings of accelerating climate changes on Earth. In an effort to make processes more efficient, cost-effective, and environmentally sustainable, various approaches have been developed and implemented. Among these solutions are surface modification processes and the application of nanotechnology. In the present study, the combination of surface patterning and the deposition of solid nanolubricants was investigated, demonstrating their effectiveness in extending the lifespan of components and reducing friction and wear losses. To accomplish this, four surface patterns were produced using dry plasma induced by ion bombardment technique. Additionally, a reference sample with a mirror-polished finish was utilized. Subsequently, the solid nanolubricant, turbostratic 2D graphite, was deposited on the samples through the drop-casting technique. This deposition method ensured consistent coverage and uniform distribution across all surface conditions. To evaluate the tribological behavior of the different surface conditions, scuffing resistance testing was conducted. Furthermore, the samples underwent analyses to characterize the topography of the different patterns, measure the nanolubricant quantity, and investigate the underlying wear mechanisms. These analyses included interferometry, as well as optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X- ray spectroscopy (EDX), and Raman spectroscopy. The findings of this study demonstrate the synergistic potential of these two techniques when combined to effectively reduce wear and friction, under the condition that the texture parameters are carefully selected. It is worth noting that in this study, the patterned surfaces (except for pattern H2-D100-A4) exhibited exceptional durability, surpassing the durability of the common polished surface (295 N.m) by at least by three times (947 N.m), in addition to exhibiting remarkable repeatability owing to the precise surface control offered by the patterned surfaces. Furthermore, it was observed that the dimples act as solid lubricant reservoirs, gradually supplying this lubricant as the surface wears down, contributing to improved tribological performance. The wear mechanisms observed suggest that as the patterns wear down, they transition from a mild to a severe condition resembling the wear mechanisms observed in solely polished surface (no pattern) with the solid lubricant particles accumulating more at the edges of the tracks.