Ultra Low-Friction Characteristics of Nanostructured Surfaces on Silicon Nitride in Aqueous Medium

Even though studies have shown unequivocally that the coefficient of friction of self-mated silicon nitride can be quite low in water, the basic phenomena responsible for such a low friction is still controversial. In this investigation the effects of load, speed, and surface roughness on the duration of the run-in period for self-mated silicon nitride in water was studied. Although the results are consistent with proposed mechanisms involving mixed hydrodynamic lubrication by water and boundary lubrication by colloidal silica, an alternate mechanism is suggested
The friction and wear tests were conducted using a pin-on-disk tribometer. The surface roughness of the disks was measured with an atomic force microscope (AFM) scanning several areas 50x50 µm in dimensions. For a test on a lapped surface at 5 N and 120 mm/s, the coefficient of friction is seen to decrease from an average of 0.45–0.01 after 600 min. It is proposed that the low friction could be also related to fundamental interactions between two hard and elastically deforming surfaces covered with hydrogen-terminated oxide films.

Sulu Ortamda Silisyum Nitrür Üzerindeki Nanoyapýlý Yüzeylerin Çok Düþük Sürtünme Özellikleri

Çalýþmalar, silisyum nitrürün kendisi ile karþý karþýya çalýþmasý durumunda sulu ortamda sürtünme katsayýsýnýn oldukça düþük olduðunu göstermiþ olmasýna raðmen, böyle düþük bir sürtünme katsayýsýnýn oluþumundan etkili olan temel mekanizma hala tartýþmalýdýr. Bu araþtýrmada yük ve hýz deðiþkenleri altýnda sulu ortamda kayan Si3N4 - Si3N4 çifti için alýþma dönemi süresince yüzey pürüzlülüðünün etkileri araþtýrýlmýþtýr. Sonuçlar, sulu ortamda karýþýk hidrodinamik yaðlama için ve kolloidal silika ile sýnýr yaðlama ile ilgili ortaya konulan mekanizmalar ile tutarlý olmasýna raðmen, alternatif bir mekanizma önerilmektedir.
Sürtünme ve aþýnma testleri pin-on-disk tribometre kullanýlarak yapýlmýþtýr. Bu deneyler için Rulman kalitesinde silisyum nitrür (NBD-200, Norton Advanced Ceramics), seçilmiþtir. Disklerin yüzey pürüzlülüðü çeþitli noktalardan 50x50 µm boyutlarda taranarak bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile ölçülmüþtür. 5 N ve 120 mm/s'de, honlanmýþ yüzey üzerinde, sürtünme katsayýsý 600 dakika sonra 0.45 den ortalama 0.01 e düþtüðü görülmüþtür. Bu düþük sürtünme katsayýsý, hidrojen-ile-sonlanan oksit filmleri ile kaplanmýþ iki sert ve elastik olarak deforme temel yüzeyler arasýndaki etkileþim ile ilgili olabileceði düþünülmektedir.