Måling af tribologi på mikro og nano skalaer har været begrænset af mangel på dedikerede instrumentering. Scanning Force Microscope (SFM) har været det foretrukne redskab til undersøgelse af friktion, slid og smøring ved sådanne små skalaer. Men SFM ofte producerer kontakt pres på gigapascal området på grund af små dimensioner spidsen. Nano Tribometer fra CSM Instruments giver en langt større variation i kontakt forhold, og er derfor mere velegnet til studiet af smøremidler til meget lav belastning. Forskellige Smøring Regimer En nylig undersøgelse har været i stand til at vise den omstilling gennem forskellige smøring regimer, som den påførte belastning er varieret på en smurt kontakt. Smøremidler De undersøgte smøremidler var af to forskellige typer. Den første var en mineralsk olie (MO) består af 3% aromater, 31% naphthener og 66% paraffiner, med en viskositet på 40 cSt og 96 cSt og 200 cSt. Den anden var en syntetisk olie sammensat af polyalphaolefine (PAO) med en base viskositet på 6 cSt, som to tilsætningsstoffer blev tilføjet: Den 'Irgalube 63 «additiv indeholder dithiophosphate og bruges som et ekstremt pres, anti-slid additiv til industrielle smøremidler og fedtstoffer. Den "Irgalube211» tilsaetningsstof indeholder alkylerede triphenyl phosphorothionate og bruges som en anti-slid additiv i metalforarbejdning væsker og bilindustrien motorolier. Definitioner For fuldt ud at beskrive samspillet mellem to overflader og formidler smøremiddel lag udsat for både normal og glidende kræfter, må man se på de definitioner, der beskriver ikke kun de geometriske og hydrodynamiske parametre, men også de elastiske deformationer, der opstår omkring zonen for interaktion . Elastohydrodynamic smøring (EHL) mellem en kugle og en fl på pladen kan beskrives ved en power lov, som vedrører forskellige parametre til et minimum smørefilm tykkelse (hmin) ved kontaktpunkt:  hvor R er radius af den sfæriske partner, U er den glider hastighed, W er den normale belastning og α og η0 er smøremiddel egenskaber vedrørende ændring af viskositet under stigende pres. E er den reducerede elasticitetsmodul af overfladen som beskrevet af Hertzian teori. Nano Tribometer Tests Nano Tribometer Forsøgene blev udført ved hjælp af en 100Cr6 stålkugle med en diameter på 2mm, som det sfæriske partner med TiN-belagt stål disk som pladen, testen olier kan anvendes ved hjælp af en mikropipette. Hver test blev udført med præcis 30μl af olie, og pladen blev roteret med en hastighed på 20 omdrejninger i minuttet giver en effektiv lineær hastighed på 4,2 MMS -1 ved det kontaktpunkt. Syv konstant anvendte belastninger af 250μN, 500μN, 1mN, 2mN, 4mN, 10mN og 25mN (som repræsenterer Hertzian kontakt pres på ca 110MPa, 140MPa, 180MPa, 225MPa, 280MPa, 385MPa og 520MPa henholdsvis) blev anvendt til hver testcyklus. Friktionskraften (F) blev målt over 200 omdrejninger af pladen og derfor friktionskoefficienten (μ) kan beregnes som μ = F / W, med W repræsenterer normal belastning som anvendes af glasset foråret cantilever samling (vist i Fig. 1).  Figur 1 Close-up billede af Nano Tribometer glasset fjederkraft sensor, som giver mulighed for lastning gennem området 20μN -. 1N. Et komplet sæt af målte friktionskoefficient data for én af de afprøvningsmetoder olier (200cSt) er vist i Fig. 2 for belastningsområdet 250μN - 25 mN. Det ses, at efterhånden som belastningen øges, samspillet af bolden, prøveoverfladen og smøremiddel falder mellem tre forskellige regimer. For masser af 250μN og 500μN smøremidlet hæmmer den glidende bevægelse af bolden på overfladen, der fører til højere friktionsmodstand. Hos 1mN er friktionskoefficienten stadig høj, men kurven gradvist aftager over varigheden af testen er karakteristisk for "indkøring" af overflader.  Figur 2 Eksperimentelt målt friktionskoefficienter som funktion af roterende omgange for en 200 cSt høj renhed mineralsk olie, for anvendt belastninger i intervallet 250 μN -. 25 mN. For belastninger større end 2mN synes kurver til at have en indkøringsperiode, hvorefter en stabil tilstand er nået, hvor friktionskoefficienten stabiliserer til en konstant værdi. Minimum smørefilm Tykkelse Den mindste smørefilm tykkelsen kan beregnes ud fra strømmen lov for forskellige olie viskositeter, som vist i Fig. 3. Resultaterne her er vist som funktion af normal belastning, selv om den ligning viser, at den glidende hastighed og kuglen radius har en langt større indflydelse på lagtykkelser den påførte last.  Figur 3. Beregnet oliefilm tykkelser som funktion af normal belastning for fire forskellige olie viskositet (kugle radius på 1 mm). Power lov Ligning Den effekt loven ligning viser, at for en given bold-on-flat system, fald i normal belastning eller stigninger i glidende fart fører til stigninger i smørefilm tykkelsen. På et tidspunkt lagtykkelse vil være så stor, at helt adskille overflade asperities af de to modstående flader. En sådan betingelse kaldes fuld film eller hydrodynamiske smøring, og fordi der ikke længere nogen interaktion mellem parring materiale overflader, smøremidlet filmtykkelse bliver omfattet af viskositet, hastighed og normal belastning. Stigning i friktionskoefficient En eksponentiel stigning i friktionskoefficient er vist i Fig. 4 (a) som filmtykkelse stiger. Denne adfærd er indlysende for alle fire viskositeter plottet. For lav belastning, hvor Hertzian kontakt pres falde til omkring 110MPa, er friktionen på et maksimum. Da belastningen efterfølgende er steget, friktionen falder (set som den oprindelige fald på hver kurve). I tilfælde af 40cSt og 96cSt viskositeter, er det tydeligt, at der er en optimal lagtykkelse / normal belastning, som forårsager et minimum friktion koefficient. Elastohydrodynamic til Hydrodynamisk Overgange Overgangen mellem forskellige smøring regimer kan ses, hvis friktionskoefficienten er plottet som en funktion af Stribeck nummer, L, hvor L = ηU / W. Resultaterne for de samme fire viskositeter er vist i Fig. 4 (b), hvor overgangen fra elastohydrodynamic til hydrodynamiske regimer kan tydeligt ses. For at undersøge grænsen smøring ordning, ville en meget lavere glidende hastighed være påkrævet ved kontakt. På sådanne lave hastigheder, er der ingen trykopbygning i smøremidlet, og derfor belastningen er helt bæres af asperities i kontakt med området. Figur 4. Eksperimentelle resultater for friktion koefficient tilstrækkelig af en 100Cr6 kugle af radius 1 mm i kontakt med en TiN-belagt stål prøve. Glidende hastighed var 4,2 MMS-1 og fire forskellige olie viskositet er vist. Filmen tykkelse er plottet i (a), mens en Stribeck repræsentation er givet i (b). Nano-, mikro-og Scales Selv om Nano Tribometer er ideel til karakterisering af smøremiddel egenskaber på mikro-og nano skalaer, kan det også være af interesse at korrelere disse resultater med målinger foretaget på makro skala på et andet instrument. Ved at bruge tre forskellige instrumenter det har været muligt at kortlægge de tre smøring regimer af en 200cSt mineralsk olie. En standard pin-on-disk maskinen blev brugt til at måle friktion koefficient fra randbetingelse med μ i første omgang stabilt på omkring 0,3 (for L-værdier på 0,15 - 1), hvorefter det falder til et minimum μ på 0,11 (på L = 20). Nano Tribometer derefter bruges til at måle μ fra L-værdier på omkring 10 op til 5000. Dette dækker overgangen fra blandet til hydrodynamiske regimer (kontakt betingelser er radius af 1 mm og glidende hastighed 4.2mms -1). Højere Sliding Hastigheder For højere glidende hastigheder, er Nano Scratch Tester bruges sammen med en kontakt radius af 20 m og en glidende hastighed på 1cms -1. Dette giver mulighed for μ, der skal måles op til et L værdi af ca 70.000. Dette er et godt eksempel på, hvordan målekapaciteten af tre instrumenter kan kombineres til at give friktion oplysninger fra makro ned til den lille målestok. |