Tribological properties of composite SiC/YAG coatings

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker den tribologiske ytelsen til ThermaSiC, en komposittbelegg av SiC/YAG kommersialisert av Seram Coatings, som et mulig beleggsstoff for togbremseskiver, samt ytelsen til belegget under grensebetingelser med forskjellige miljøvennlige smøremidler (EAL). Pin-on-discs tester ble utført for å bestemme friksjonskoeffisienten (COF) og slitasjens oppførsel, og detaljerte overflateanalyser ble utført ved bruk av konfokal mikroskopi, scanning elektronmikroskopi (SEM) og røntgendiffraksjon (XRD) for å evaluere mikrostrukturen til belegget og motpartene, slitasjesporene som ble generert, og effekten av testene på hver motpart.

Resultatene viser at SiC/YAG-beleggene har utmerkede slitasjeregenskaper, god vedheft og en jevn mikrostruktur til tross for stressene som ble indusert under prøvene forberedelse. COF under grensebetingelser viste seg å være avhengig av typen smøremiddel, motpartsmaterialet og effekten av tilsetningsstoffene. Mens testene utført mot Al2O3 viste lignende resultater for alle de brukte smøremid- lene, var testene mot AISI 316-kuler mer følsomme for tilsetningsstoffene, spesielt for vannbaserte smøremidler som potensielt fremmet en tribokorrosjonsprosess på kulematerialet. Under tørre togbremsbetingelser var COF-verdiene lavere enn de rapporterte i litteraturen, med COF på 0,2 i stedet for de nominelle verdiene mellom 0,3 og 0,4 for konvensjonelle støpejernsskiver. Dette gjør ThermaSiC lite egnet som beleggsstoff for togbrems under de brukte forholdene og motpartene.

Til tross for begrensningene knyttet til materialforberedelse og komplementære tester for å sammenligne de oppnådde resultatene, gir funnene verdifulle innsikter i ytelsen til ThermaSiC. Studien antyder også at videre forskning bør utføres for å fullt ut validere anvendbarheten av disse beleggene i virkelige bremsesystemer med de brukte motpartene, eller formuleringen av mer bærekraftige alternativer.

This master thesis studies the tribological performance of ThermaSiC, a composite coating of SiC/YAG commercialized by Seram Coatings, as a possible coating material for train brake pads, and the performance of the coating under boundary conditions with different environmentally friendly lubricants (EALs). Pin-on-discs tests were performed to determine the coefficient of friction (COF) and the wear behavior, and detailed surface analyses were conducted using confocal microscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), and X-Ray Diffraction (XRD) to evaluate the microstructure of the coating and the counterparts, the wear tracks generated, and the effect of the tests on each counterpart.

The results demonstrate that the SiC/YAG coatings excellent wear resistance properties, good adhesion, and uniform microstructure despite of the stresses in- duced throughout the samples preparation. The COF in boundary conditions was found to be dependent on the type of lubricant, the counterpart material, and the effect of the additives. While the tests performed against Al2O3 presented similar results for all the lubricants used, the tests against AISI 316 balls were more susceptible to the additives, specially for the water-based lubricants, that potentially promoted a tribocorrosion process on the ball material. In dry train braking conditions, the COF obtained were lower than the reported in literature, with COF of 0.2 instead of the nominal values between 0.3 and 0.4 of conventional cast iron discs. This makes ThermaSiC not suitable as coating material for train brakes under the conditions, and counterparts used.

Despite of the limitations related to material preparation and complementary tests to compare the results obtained, the findings offer valuable insights into the performance of ThermaSiC. The study also suggests that further research should be conducted to fully validate the applicability of these coatings in real-world brake systems with the counterparts used, or the formulation of more sustainable ones.