Mechanismen tribologisch-induzierter Oxidation in hochreinem Kupfer

Häufig erfahren metallische Oberflächen, die tribologischer Beanspruchung ausgesetzt sind, Änderungen der chemischen Zusammensetzung, welche oft Vorbote und Ursache von Versagen technischer Systeme sein können. Die elementaren Mechanismen tribologisch-induzierter Oxidation für 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. ... mehrDie untersuchte Hypothese lautet: Tribologisch erzeugte Defekte dienen als Diffusionspfade für eine beschleunigte Oxidation. Durch systematische Variation der Versuchsgeschwindigkeit, -dauer, -temperatur, -atmosphäre und -zyklenzahl konnten die zugrundeliegenden Diffusionsmechanismen und -pfade der Tribooxidation sowie deren zeitliche Abläufe ermittelt werden. Die Schlussfolgerungen basieren auf Ergebnissen hoch-auflösender chemischer und mikrostruktureller Analysen.
Überraschenderweise war der Einfluss der Gleitgeschwindigkeit auf die Oxiddicke gegenüber der Zeit für Diffusion im Rahmen der hier untersuchten Parameter vernachlässigbar. Die Oxidation von Kupfer unter milder Gleitbeanspruchung ist somit hauptsächlich Diffusionsprozessen zuzuschreiben. Mittels Atomsondentomographie konnten röhrenartige 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 Verschleißschicht und -partikelbildung wurden ermittelt. Mit der Oxidbildung trat eine vorteilhafte Reduktion des Reibungskoeffizienten auf. Die Verschleißpartikelbildung konnte ebenfalls mit Diffusionsprozessen in Zusammenhang gebracht werden - als wesentlicher Indikator dienten dabei Kirkendall-Poren an der Metall/Oxid Grenzfläche. Die zeitlichen Stadien der Tribooxidation verlaufen wie folgt: Die Oxidbildung unter tribologischer Last findet zunächst durch Diffusion entlang von Versetzungen und Korngrenzen im Metall und - mit Bildung eines Oxids - entlang von Pfaden im Oxid und an der Grenzfläche zwischen Metall und Oxid statt. Die Erzeugung und Bewegung von für die Diffusion freien Pfaden wurde als maßgeblich für 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.

It is common that metallic surfaces subjected to tribological load undergo chemical alterations, which are often the harbinger and cause of failure in mechanical components. The elementary mechanisms of tribologically-induced oxidation at all stages of the process and the relevant influencing parameters are yet to be fully uncovered. This dissertation embarks on investigating these mechanisms systematically via a simple model setup: high-purity copper sliding against a sapphire sphere in unlubricated contact under controlled environment and mild loads in a reciprocating fashion. ... mehrThe hypothesis is: tribologically-generated defects act as diffusion pathways for accelerated oxidation. The underlying diffusion mechanisms and pathways of tribo-oxidation including their temporal sequence were investigated by systematically varying the sliding speed, duration, temperature, atmosphere and cycle number. To form the conclusions, an analysis based on data from high-resolution chemical and microstructural analysis methods, such as scanning electron microscopy and atom probe tomography, was performed.
Surprisingly, the influence of sliding speed on the copper oxide thickness was negligible compared to the available time for diffusion. The oxidation of copper under mild loading is hence mainly attributed to diffusion processes. Pipe-like structures, which were interpreted as dislocations, were identified as potential diffusion pathways by use of atom probe tomography. In addition, grain boundaries and phase boundaries between copper and its oxide were found as important diffusion pathways at room temperature. The wide-ranging consequences of tribologically-induced oxidation on the friction properties, oxide layer and wear particle formation were revealed. Along with the oxide forming, a reduction of the coefficient of friction was observed. Likewise, wear particle formation was associated with the diffusion processes. A crucial indicator were the Kirkendall-pores at the oxide/metal interface. Thus, the temporal sequence of tribo-oxidation was as follows: first, the oxide formation under loading takes place by diffusion along dislocations and grain boundaries in the metal. Simultaneously with the oxide forming, diffusion proceeds alongside defects within the oxides or at the phase boundary in-between the copper and its oxide. The formation and movement of pathways which are open for diffusion was identified as decisive for the accelerated oxidation under tribological load. Besides the substantial acceleration of oxidation under loading, other chemical reactions were observed, for example metallic copper was observed in a CuO-sapphire contact.