Mechanismen tribologisch-induzierter Oxidation in hochreinem Kupfer

Haufig erfahren metallische Oberflachen, die tribologischer Beanspruchung ausgesetzt sind, Anderungen der chemischen Zusammensetzung, welche oft Vorbote und Ursache von Versagen technischer Systeme sein konnen. Die elementaren Mechanismen tribologisch-induzierter Oxidation fur verschiedene Stadien und Einflussparameter sind, trotz zahlreicher Forschungsarbeiten, bis heute noch nicht hinreichend verstanden. Diese Arbeit untersucht diese Mechanismen systematisch an einem einfachen modellhaften Aufbau: Hochreines Kupfer gleitet ungeschmiert reversierend gegen eine Saphirkugel unter kontrollierten Umgebungsbedingungen und milden tribologischen Lasten. Die untersuchte Hypothese lautet: Tribologisch erzeugte Defekte dienen als Diffusionspfade fur eine beschleunigte Oxidation. Durch systematische Variation der Versuchsgeschwindigkeit, -dauer, -temperatur, -atmosphare und -zyklenzahl konnten die zugrundeliegenden Diffusionsmechanismen und -pfade der Tribooxidation sowie deren zeitliche Ablaufe ermittelt werden. Die Schlussfolgerungen basieren auf Ergebnissen hoch-auflosender chemischer und mikrostruktureller Analysen. Uberraschenderweise war der Einfluss der Gleitgeschwindigkeit auf die Oxiddicke gegenuber der Zeit fur Diffusion im Rahmen der hier untersuchten Parameter vernachlassigbar. Die Oxidation von Kupfer unter milder Gleitbeanspruchung ist somit hauptsachlich Diffusionsprozessen zuzuschreiben. Mittels Atomsondentomographie konnten rohrenartige Strukturen, welche als Versetzungen interpretiert werden, als Diffusionspfade der Tribooxidation erstmals direkt nachgewiesen werden. Zudem wurden Korngrenzen sowie Phasengrenzen zwischen Kupfer und seinem Oxid als wichtige Diffusionspfade bei Raumtemperatur beobachtet. Die weitreichenden Folgen tribologisch-induzierter Oxidation auf die Reibeigenschaften und Verschleisschicht und -partikelbildung wurden ermittelt. Mit der Oxidbildung trat eine vorteilhafte Reduktion des Reibungskoeffizienten auf. Die Verschleispartikelbildung konnte ebenfalls mit Diffusionsprozessen in Zusammenhang gebracht werden - als wesentlicher Indikator dienten dabei Kirkendall-Poren an der Metall/Oxid Grenzflache. Die zeitlichen Stadien der Tribooxidation verlaufen wie folgt: Die Oxidbildung unter tribologischer Last findet zunachst durch Diffusion entlang von Versetzungen und Korngrenzen im Metall und - mit Bildung eines Oxids - entlang von Pfaden im Oxid und an der Grenzflache zwischen Metall und Oxid statt. Die Erzeugung und Bewegung von fur die Diffusion freien Pfaden wurde als masgeblich fur die beschleunigte Oxidation unter tribologischer Last identifiziert. Neben der wesentlichen Beschleunigung der Oxidation unter tribologischer Last wurden weitere chemische Reaktionen beobachtet. Beispielsweise wurde metallisches Kupfer nach langem Gleiten in einem CuO-Saphir Kontakt gefunden.