PROPERTIES OF DIAMOND-LIKE CARBON COATINGS DEPOSITED ON CoCrMo ALLOYS

This paper presents results of the structure analysis and tribological testing of a-C:H type diamond-like carbon (DLC) coatings produced by the Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition (PACVD) technology on CoCrMo specimens. The DLC coating structure was studied by observing the surface topography using a scanning electron microscope (SEM) in the SE and STEM modes and a profilometer. Raman spectroscopy provided information on hybridized covalent bonds. The structural analysis involved observing the cross-sections of the coatings using a scanning electron microscope (SEM) with an energy dispersive spectrometer (EDS) to determine the concentration and distribution of the constituent elements in the coating. Wear resistance was studied by applying a T-17 pin-on-plate tribological system: a polymeric pin made of ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE) and a CoCrMo plate with a DLC coating. The testing was conducted under friction conditions using Ringer’s solution as a lubricant. The test results showed that the application of DLC coatings definitely improves the serviceability of a surface

Modifying the characteristics of the surface layer

Przedstawiono rozszerzony model jednej z metod tworzenia warstw wierzchnich – za pomocą obróbki elektroiskrowej. Zidentyfikowano zjawiska elementarne decydujące o efektach obróbki. Opisano mechanizmy powstawania poszczególnych stref warstwy wierzchniej oraz czynniki determinujące cechy tej warstwy. Przedstawiono także wyniki badań wstępnych, które potwierdziły możliwość wykorzystania obróbki elektroiskrowej do nadawania oczekiwanych własności i właściwości powierzchniom roboczym elementów maszyn współpracujących tarciowo. Uzyskane wyniki potwierdziły konieczność dalszej obróbki wytworzonych w taki sposób warstw wierzchnich. Powinno to przyczynić się do zwiększenia odporności na zużywanie elementów maszyn.In this paper one of the methods of creating surface layers - by means of electrospark treatment is presented. The elementary phenomena determining the processing effects were identified. Mechanisms of formation of individual zones of the surface layer and factors determining WW features are described. The results of experimental studies were also presented, which confirmed the possibility of using electrical discharge machining to impart the expected properties and characteristics to the working surfaces of frictionally cooperating machine elements. The results obtained confirmed the need for further mechanical treatment of the surface layers produced in this way. Modification of WW by the proposed method should contribute to a significant increase in the wear resistance of machine elements

Ocena właściwości tribologicznych stopu tytanu TI13Nb13Zr stosowanego w medycynie

Celem niniejszej pracy była ocena zużycia biomateriałów tytanowych stosowanych na elementy endoprotezy stawu biodrowego. Materiałem do badań były próbki z tytanu i jego stopów: Ti grade 4, Ti6Al7Nb i Ti13Nb13Zr. Modelowe badania tribologiczne przeprowadzono w ruchu posuwisto-zwrotnym w warunkach tarcia technicznie suchego, tarcia ze smarowaniem roztworem sztucznej krwi oraz roztworem Ringera. Przeciwpróbką w badanych węzłach tarcia była kulka z Al2O3 o średnicy 6 mm. Za pomocą elektronowej mikroskopii skaningowej obserwowano ślady wytarcia po testach tribologicznych. Mikroskop konfokalny z trybem interferometrycznym posłużył do oceny zużycia powierzchni próbek i przeciwpróbek. Najmniejsze współczynniki tarcia spośród wszystkich badanych skojarzeń materiałowych uzyskano dla skojarzenia materiałowego– stop Ti13Nb13Zr-Al2O3. Analiza SEM wykazała, że w wyniku procesu zużywania generowane były liczne rysy i bruzdy. Powstały one na skutek przemieszczania się luźnych produktów zużycia w obszarze wytarcia. Dla wszystkich badanych materiałów zaobserwowano spiętrzenie obrzeży krawędzi śladów wytarcia świadczące o ściernym mechanizmie zużycia. Podczas testów tarciowych badanych skojarzeń materiałowych najbardziej zużywającym się materiałem była tytanowa tarcza. W przypadku stopów Ti6Al7Nb oraz Ti13Nb13Zr zarejestrowano porównywalne zużycie bez względu na warunki prowadzenia testów (TDF, AB, RS). Analiza otrzymanych wyników badań tribologicznych wykazała, że skojarzeniem, dla którego zarejestrowano najmniejsze zużycie pary trącej (próbki i przeciwpróbki), było skojarzenie materiałowe Ti6Al7Nb-Al2O3.The aim of this study was to evaluate the wear and tear of titanium biomaterials used for hip endoprosthesis. The test materials were samples of titanium and its alloys: Ti grade 4, Ti6Al7Nb and Ti13Nb13Zr. Model tribological tests were carried out in reciprocal motion under conditions of technically dry friction, friction with lubrication provided by an artificial blood solution and Ringer's solution. A 6 mm in diameter Al2O3 ball was used as a counter-sample in the friction pairs. After tribological tests, traces of wear were inspected using scanning electron microscopy. A confocal microscope with interferometric mode was used to evaluate the wear of the surface of samples and counter-samples. The lowest friction coefficients among all the material associations were obtained for the Ti13Nb13Zr-Al2O3 alloy. SEM analysis has shown that as a result of the wear process, numerous scratches and grooves were generated. They were created as a result of loose products of wear moving around in the friction area. For all tested materials, a pile-up of the wear edges was observed, which indicates an abrasive wear mechanism. During the friction tests of the tested material associations, the titanium disc proved to be the most wearing material. For Ti6Al7Nb and Ti13Nb13Zr alloys, comparable wear was recorded regardless of the test conditions (TDF, AB, RS). The analysis of the obtained tribological results showed that the material association for which the lowest wear of friction pair (sample and countersample) recorded was Ti6Al7Nb-Al2O3

Właściwości powłok diamentopodobnych na stopie tytanu Ti13Nb13Zr

The paper discusses the results of experimental research on DLC type diamond coating a-C:H obtained by the technique of physical vapour deposition from PVD on titanium alloy Ti13Nb13Zr. Calotest and an optical microscope were used to determine the thickness of the obtained coating. The nano-hardness of uncoated and with a-C:H coating was determined by the indentation method using a Berkovich indenter. The geometric structure of the surface before and after tribological tests was assessed using a confocal microscope with an interferometric mode. Tests of the resistance of test materials to tribological wear were performed on a tribometer in reciprocating motion under technically dry friction, and friction with lubrication with an artificial blood solution and Ringer’s solution. Tests carried out for the combination of a 6 mm diameter Al2O3 ball-Ti13Nb13Zr titanium alloy disc without and with the DLC coating applied. The results obtained during the tests showed that the use of the DLC coating increases the hardness five times and reduces the friction. In the case of technically dry friction, the coefficient of friction decreased by 70%, the solution of artificial blood by 50%, and in the case of Ringer’s solution by 90%, in comparison with the results obtained for the Ti13Nb13Zr alloy.W pracy omówiono wyniki eksperymentalnych badań powłoki diamentopodobnej DLC typu a-C:H otrzymywanej techniką fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD na stopie tytanu Ti13Nb13Zr. Do określenia grubości otrzymanych powłoki posłużył kulotester oraz mikroskop optyczny. Nanotwardość elementów bez powłoki oraz z powłoką a-C:H wyznaczono metodą indentacyjną przy użyciu wgłębnika Berkovicha. Strukturę geometryczną powierzchni przed i po testach tribologicznych oceniano za pomocą mikroskopu konfokalnego z trybem interferometrycznym. Badania odporności materiałów testowych na zużycie tribologiczne przeprowadzono na tribometrze w ruchu posuwisto-zwrotnym w warunkach tarcia technicznie suchego oraz tarcia ze smarowaniem roztworem sztucznej krwi i roztworem Ringera. Obecność płynu miała na celu symulowanie naturalnych warunków tribologicznych występujących w ciele człowieka. Testy zrealizowano dla skojarzenia: kulka z Al2O3 – tarcza ze stopu tytanu Ti13Nb13Zr bez oraz z naniesioną powłoką DLC. Otrzymane wyniki badań wskazały, że zastosowanie powłoki DLC spowodowało 5-krotne zwiększenie twardości oraz zmniejszenie oporów ruchu par trących we wszystkich zastosowanych warunkach tarcia. W przypadku tarcia technicznie suchego wartość współczynnika tarcia zmniejszyła się o 70%, roztworu sztucznej krwi o 50%, a w przypadku roztworu Ringera o 90% w porównaniu z wynikami uzyskanymi dla stopu Ti13Nb13Zr. Wyniki uzyskane podczas badań stanowią źródło wiedzy na temat stopu Ti13Nb13Zr, powłok diamentopodobnych oraz ich potencjalnego zastosowania w systemach biotribologicznych

Klasyfikacja i modelowanie sygnałów dżwięków w wybranych systemach tribologicznych

The paper presents an analysis of the sound level recorded during dry sliding friction conditions. Balls with a diameter of 6 mm placed on pins were made of 100Cr6 steel, silicon carbide (SiC), and corundum (Al2 O3 ), while rotating discs with a height of 6 mm and a diameter of 42 mm were made of 100Cr6 steel. Each pin and disc system was tested for two values of the relative humidity of the air (50 ± 5% and 90 ± 5%). Models of the A-sound level were developed using regression trees and random forest. The paper presents an analysis of the accuracy of the models obtained. Classifications of the six tests performed on the basis of sound level descriptors were also carried out.W pracy przedstawiono analizę poziomu dźwięku zarejestrowanego podczas tarcia technicznie suchego w ruchu ślizgowym. Podczas sześciu testów tribologicznych stosowano próbkę wykonaną ze stali 100Cr6 oraz trzy przeciwpróbki, wykonane ze stali 100Cr6, węglika krzemu (SiC) i korundu (Al2 O3 ), przy czym każdy układ próbka – przeciwpróbka był testowany dla dwóch wartości wilgotności względnej powietrza (50 ± 5% i 90 ± 5%). Opracowano modele poziomu dźwięku A z użyciem drzew regresji i lasu losowego. W pracy zamieszczono analizę dokładności otrzymanych modeli. Została również przeprowadzona klasyfikacja sześciu wykonanych testów w oparciu o deskryptory poziomu dźwięku

Właściwości tribologiczne powłok diamentopodobnych w węzłach tarcia smarowanych cieczą jonową

The paper reports the study of a-C: H and a-C:H:Si diamond-like carbon coatings obtained in plasma-assisted chemical vapour deposition processes PACVD. The influence of the coatings on tribological properties of tribopairs under dry friction and in lubrication with synthetic oil PAO-8 and selected ionic liquid was evaluated. To perform the analysis, 100Cr6 steel samples uncoated and coated with a-C:H and a-C:H:Si were compared. Surface topography studies were performed using an atomic force microscope. Using SEM with an EDS analyser, the surface morphology of the coatings was observed, and the elements contained in the coatings were identified. Tribotests were carried out in a ball-on-disc tribotester under dry friction and with lubricants. The characteristics of the texture of the samples before and after the tribotests were determined using a confocal microscope in an interferometric mode. The test results showed that the tribo-pairs with a-C:H in lubrication with ionic liquid had the best tribological characteristics, i.e., the lowest coefficient of sliding friction.Artykuł dotyczy badań powłok diamentopodobnych typu a-C:H oraz domieszkowanych krzemem a-C:H:Si uzyskiwanych w procesach chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganych plazmą PACVD. Poddano ocenie wpływ powłok na właściwości tribologiczne węzłów tarcia w warunkach tarcia technicznie suchego oraz smarowania olejem syntetycznym PAO-8 i cieczą jonową bis(trifluorometylosulfonylo) amidem triheksylotetradecylofosfoniowym. W celu przeprowadzenia analizy porównano próbki ze stali 100Cr6 oraz pokryte diamond-like carbon coating typu a-C:H oraz a-C:H:Si. Badania topografii powierzchni wykonano na mikroskopie sił atomowych. Obserwacje morfologii powierzchni i identyfikację pierwiastków przeprowadzono przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego z analizatorem EDS. Badania tribologiczne przeprowadzono na tribotesterze pracującym w skojarzeniu kula–tarcza w warunkach tarcia technicznie suchego oraz tarcia z zastosowaniem substancji smarowych. Charakterystykę struktury geometrycznej próbek przed oraz po badaniach tribologicznych wykonano mikroskopem konfokalnym z trybem interferometrycznym. Wyniki badań wskazały, że najlepszymi charakterystykami tribologicznymi – najmniejszym współczynnikiem tarcia w ruchu ślizgowym charakteryzowały się pary trące z diamond-like carbon coating typu a-C:H w warunkach smarowania cieczą jonową

Tribological properties of DLC coatings lubricated by ionic liquid

W artykule przedstawiono wybrane właściwości powłoki TiN osadzonej na stali 100Cr6 techniką fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD). Określono parametry tribologiczne, a mianowicie współczynnik tarcia i zużycie liniowe na testerze TRB3 pracującym w skojarzeniu trącym kula-tarcza w ruchu ślizgowym. Tarcza wykonana była ze stali 100Cr6 z powłoką a-C:H, a kula ze stali 100Cr6. Badania wykonano w warunkach tarcia technicznie suchego i ze smarowaniem cieczą jonową bis(trifluorometylosulfonylo) amidem triheksylotetradecylofosfoniowym. Obserwacje struktury powłoki zrealizowano przy użyciu mikroskopu skaningowego, a analizę struktury geometrycznej powierzchni próbek przed i po testach tribologicznych wykonano profilometrem optycznym. Wyniki badań wskazały, że mniejszą wartość współczynnika tarcia, lecz większe zużycie tarczy uzyskano w warunkach smarowania cieczą jonową.The paper presents selected properties of a-C:H coating deposited on 100Cr6 steel deposited by physical vapour deposition PVD. Tribological parameters were determined on the TRB3 tester operating in a ball-disc friction combination in sliding motion. The disc was made of 100Cr6 steel with a-C:H coating, and the ball was made of 100Cr6 steel. The tests were conducted under dry friction conditions and with trihexyltetradecylphosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide ionic liquid lubrication. The coating structure was observed using a scanning electron microscope. The surface texture of the samples was performed with an optical profilometer. The test results showed that the smaller coefficient of friction and wear of disc was obtained after friction with lubrication ionic liquid

Ocena właściwości eksploatacyjnych proekologicznej cieczy chłodząco-smarującej zawierającej asparaginian cynku

The effect of the cutting fluid with zinc aspartate on the quality of the workpiece surface layer is reported. Until now, zinc aspartate has been used primarily in medicine and pharmacology. This paper compares the ecological cutting fluid containing zinc aspartate with a classic mineral oil-based coolant. Toxicity tests and a controlled process of tool wear during face turning were performed. Test results indicate that the use of zinc aspartate-based cutting fluids contributes to the reduction of the material roughness parameter values up to 35%, benefitting the final quality of the workpiece.W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu cieczy chłodząco-smarującej z asparaginianem cynku na jakość technologiczną warstwy wierzchniej obrabianych elementów. Asparaginian cynku dotychczas nie był stosowany w takich rozwiązaniach, głównie wykorzystywany był w medycynie i farmakologii. W badaniach przeprowadzono analizę porównawczą proekologicznego chłodziwa zawierającego asparaginian cynku z klasycznym chłodziwem opartym na bazie oleju mineralnego. Ciecze chłodząco-smarujące poddano badaniom toksyczności oraz wykonano kontrolowany proces eksploatacji narzędzi w czasie toczenia poprzecznego. Wyniki badań wskazują, że zastosowanie chłodzenia cieczą na bazie asparaginianu cynku redukuje parametry chropowatości obrabianego materiału nawet o 35%, korzystnie wpływając na jakość finalną detalu

Assessment of the Functional Properties of 316L Steel Alloy Subjected to Ion Implantation Used in Biotribological Systems

Clinical trials conducted in many centres worldwide indicate that, despite advances made in the use of biomaterials for medical applications, tribocorrosive wear remains a significant issue. The release of wear residue into body fluids can cause inflammation and, as a result, implant failure. Surface modification is one of the methods used to improve the mechanical, tribological, and fatigue properties of biomaterials. In this article, the authors investigated the impact of ion implantation on improving the functional properties of implant surfaces. This paper presents morphology, geometric surface structure, hardness, and tribological test results for layers obtained by ion implantation with nitrogen and oxygen ions on alloy 316L. The surface morphology and thickness of the implanted layer were examined using scanning microscopy. Atomic force microscopy was used to evaluate the geometric structure of the surface. Instrumented indentation was used to measure nanohardness. Model tribo tests were carried out for reciprocating motion under conditions of dry friction and lubricated friction with Ringer’s solution. The tribological tests showed that the implanted samples had a lower wear than the reference samples. Nitrogen ion implantation increased the hardness of 316L steel by about 45% and increased it by about 15% when oxygen ions were used

Wpływ syntetycznych węglowodorów parafinowych na własności smarne paliw do silników lotniczych

Recently, steps have been taken to introduce synthetic hydrocarbons to aviation fuels as biocomponents. This action is an innovative change in the approach to aviation fuels. This new approach to the assessment of fuel properties requires a revision of the existing criteria for their quality assessment, including those relating to tribological properties. In the requirements for Jet fuel, only the BOCLE test simulating continuous circular motion was used to assess lubricity. Research on the use of fuels containing components with highly differentiated chemical compositions indicate that the BOCLE test may be an insufficient criterion for assessing the lubricity of fuels for aircraft turbine engines. An additional HFRR test modelling the processes accompanying the reciprocating friction that occurs in some lubricated elements of the fuel system has been proposed. This article presents the results of BOCLE and HFRR tests on a range of Jet A1 fuel mixtures and various synthetic paraffin hydrocarbons. A preliminary analysis of the observed effect of synthetic hydrocarbons on the results of both tests is presented.W ostatnim okresie podjęto działania zmierzające do wprowadzenia do paliw lotniczych węglowodorów syntetycznych jako biokomponentów. Działanie to ma charakter innowacyjnych zmian w podejściu do paliw lotniczych. To nowe podejście do oceny właściwości paliw wymaga rewizji dotychczasowych kryteriów ich oceny jakości, w tym odnoszących się do własności tribologicznych. W wymaganiach dla paliwa Jet dla oceny smarności stosowany był wyłącznie test BOCLE symulujący ruch ciągły po okręgu. Badania nad zastosowaniem paliw zawierających komponenty o silnie zróżnicowanym składzie chemicznym wskazują, że test BOCLE może być niewystarczającym kryterium oceny smarności paliw do turbinowych silników lotniczych. Zaproponowano dodatkowy test HFRR, modelujący procesy towarzyszące tarciu w ruchy posuwisto-zwrotnym, który występuje w niektórych smarowanych elementach układu paliwowego. W artykule zaprezentowano wyniki badań w testach BOCLE i HFRR gamy mieszanek paliwa Jet A1 i różnych syntetycznych węglowodorów parafinowych. Przedstawiono wstępną analizę zaobserwowanego wpływu syntetycznych węglowodorów na wyniki obu testów