Oorlogsstrijders op het slagveld vertrouwen vaak op machines, voertuigen en andere technologieën met roterende onderdelen om hun missie te voltooien. Legeronderzoekers hebben een nieuwe testmethode ontwikkeld voor een belangrijke factor bij het falen en defect raken van apparatuur om ervoor te zorgen dat die gereedschappen aan de juiste kwaliteitsstandaard voldoen.

Wanneer mechanische onderdelen langdurig tegen elkaar schuiven, het constante slijpen kan de metalen oppervlakken verslijten totdat de onderdelen niet langer functioneel zijn. De studie van wrijving, slijtage en smering als twee of meer oppervlakken in relatieve beweging op elkaar inwerken, staat bekend als tribologie, en het belang ervan in materiaalwetenschap en techniek heeft ertoe geleid dat onderzoekers nieuwe manieren hebben gevonden om droog mechanisch contact te onderzoeken.

Onderzoekers van het Army Research Laboratory van het US Army Combat Capabilities Development Command hebben onlangs een nieuwe benadering ontwikkeld om de tribologische reactie tussen staal en siliciumnitride te analyseren die plaatsvindt wanneer de twee metalen op elkaar inwerken, in plaats van nadat de monsters zijn afgekoeld.

Deze nieuwste methode om slijtage te bestuderen, kan onderzoekers in staat stellen om vluchtige chemische reacties waar te nemen die plaatsvinden op de contactplaats.

"Het mechanische systeem is erg dynamisch tijdens bedrijf, " zei Dr. Stephen Berkebile, Legeronderzoeksfysicus. "Als het niet wordt gevangen tijdens de operatie en, in plaats daarvan, gemeten bij niet snel bewegen, de voorbijgaande chemische reacties en fysieke veranderingen zouden niet worden vastgelegd, omdat het systeem kan veranderen na afkoeling door de wrijvingsverwarming."

Berkebile trad op als een van de legeronderzoekers die samenwerkten met de Universiteit van Noord-Texas om de glijdende interactie tussen staal en siliciumnitride te bestuderen. Specifieker, het team probeerde te onderzoeken waarom het verhogen van de glijsnelheid tussen staal en siliciumnitride hun wrijvings- en slijtagesnelheid verminderde wanneer ze contact maakten.

Volgens de onderzoekers is de interactie tussen staal en siliciumnitride is er een die gewoonlijk plaatsvindt tijdens het droge bewerkingsproces van bepaalde snijgereedschappen en in noodsituaties met hoge snelheid lagers wanneer ze hun smeerbron verliezen, zoals die in straalmotorturbines. Het begrijpen van de kinetiek achter het snelle glijdende contact tussen deze twee metalen zou van vitaal belang zijn bij het ontwikkelen van betere en veiligere voertuigen en uitrusting voor soldaten.

"Hybride lagers met het staal/siliciumnitride-contact worden steeds vaker gebruikt in turbomachines binnen voortstuwingssystemen voor helikopters, "Zei Berkebile. "Dergelijke hybride lagers worden steeds vaker gebruikt in aandrijfsystemen voor helikopters en helikopters, waar ze met hoge snelheden worden gebruikt."

De onderzoekers voerden het experiment uit met behulp van een Ball on Disk-tribometer die een rollende siliciumnitride-kogel tegen een stalen roterende schijf schoof die werd verwarmd tot 120 graden Celsius met een hete plaat eronder.

Een stereo-optische microscoop met een kleur Charge-Coupled Device, of CCD, camera en een infraroodcamera verkregen warmtebeeldgegevens toen de rotatiesnelheid van de schijf versnelde van 1 m/s naar 16 m/s. Daarna, de onderzoekers analyseerden de slijtagesporen met behulp van een backscatter-elektronendetector die de elementaire samenstelling van het overgebleven filmresidu in kaart bracht.

"Door twee optische methoden te combineren met realtime wrijvingsgegevens, we konden de chemische overgang in het slijtagemechanisme begrijpen, Berkebile zei. "We waren in staat om de wrijving te correleren, temperatuur en chemische toestand van het mechanische contact tijdens actieve werking van het experiment terwijl de chemische reactie plaatsvond."

Volgens de onderzoekers is dit experiment vertegenwoordigde de eerste bekende poging om de tribologische respons van staal en siliciumnitride te analyseren in het midden van een test met hoge glijsnelheid.

Verder, de gegevens die voortkwamen uit deze gewaagde onderneming gaven nieuwe informatie over de aard van de tribologische effecten die plaatsvonden.

Het team ontdekte dat de wrijvingsverwarming die werd veroorzaakt bij een drempelschuifsnelheid van ongeveer 4,5 m/s een chemische reactie veroorzaakte die een smerende dunne film achterliet op de zwaarbelaste contactzone.

Deze gladde dunne film zorgde ervoor dat de mechanische interactie tussen staal en siliciumnitride lagere wrijving en slijtage vertoonde naarmate de glijsnelheid toenam. Door gebruik te maken van de nieuwe aanpak, het team slaagde erin om de exacte tijd te bepalen waarop de chemische reactie plaatsvond door observaties van de kleurverandering van de slijtagesporen tijdens het experiment.

Aanvullend, de onderzoekers stelden vast dat dit fenomeen volledig actief is wanneer de glijsnelheid boven de 9 m/s stijgt onder tandwiel- en lagerachtige omstandigheden.

Op basis van de analyse van de slijtagesporen, de onderzoekers bevestigden dat er een reeks oxidatiereacties moet hebben plaatsgevonden als gevolg van het samenspel tussen ijzer, zuurstof en silicium onder hoge temperaturen door wrijvingsverwarming.

"We ontdekten dat een soepele overgang tussen de ene chemische reactie naar de andere optreedt tijdens de overgang tussen de toestand met lage wrijving en slijtage en de toestand met hoge wrijving en slijtage, Berkebile zei. "De chemische reactie vereist ook wrijvingsverwarming om te worden gehandhaafd, en kan zichzelf dus na een paar seconden 'uitdoven' als de toestand van lage wrijving wordt bereikt en de wrijvingsverwarming wordt verminderd bij tussenliggende snelheden."

Volgens Berkebile, deze nieuwe in-situ benadering van het onderzoeken van droge glijdende mechanische contacten biedt het potentieel om de inspanningen van het leger om machines te ontwikkelen die beter bestand zijn tegen hoge temperaturen aanzienlijk te verbeteren, belastingen en snelheden.

"Helikopters van het leger moeten 30 minuten opereren nadat de smering uit het aandrijfsysteem is verdwenen, "Zei Berkebile. "Uit deze studie, we hebben geleerd dat voor aandrijfsystemen die hybride componenten bevatten, zoals siliciumnitride/stalen lagers, de materialen kunnen zelfs langer meegaan als ze eerder met een hogere dan met een lagere snelheid glijden, dat is echt contra-intuïtief."