Abstract:
Tribologie spielt eine zentrale Rolle für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Bauteilen in Relativbewegung, wobei die Mikrostruktur des Werkstoffs maßgeblich Reibung und Verschleiß beeinflusst. Obwohl Kupfer aufgrund seiner hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit in der Industrie weit verbreitet ist, ist ein tiefergehendes Verständnis seines tribologischen Verhaltens erforderlich, um sein Anwendungspotenzial in tribologischen Bereichen zu erweitern. Solches Wissen ist entscheidend, um Reibung und Verschleiß zu optimieren und damit zur Nachhaltigkeit beizutragen. ... mehrInsbesondere das tribologische Verhalten von nanokristallinen Korngrößengradienten sowie von Porosität in Kupfer unter milden tribologischen Bedingungen ist bislang kaum untersucht. Ein fundiertes Verständnis dieser Systeme ist entscheidend, um Reibung und Verschleiß zu optimieren und damit nachhaltige Anwendungen zu fördern. Im Rahmen dieser Studie wurde die Hypothese formuliert, dass Strukturen mit nanokristallinen Korngrößengradienten unter milden Belastungsbedingungen einen stärkeren Einfluss auf das tribologische Verhalten von Kupfer ausüben und insbesondere den Reibungskoeffizienten stärker reduzieren im Vergleich zu porösem Kupfer. Für die Untersuchungen wurden Proben mit variierenden Korngrößengradienten sowie mit unterschiedlicher Porosität unter identischen tribologischen Prüfbedingungen getestet und anhand von Dichte-, Härte-, Oberflächen- und Mikrostrukturanalysen charakterisiert.
Während frühere Untersuchungen zeigten, dass nanokristalline Korngrößengradienten in Kupfer unter extremen tribologischen Belastungsbedingungen die Reibung reduzieren, wiesen die Proben in dieser Studie unter milden Beanspruchungsbedingungen einen hohen Reibungskoeffizienten auf, unabhängig von der Schichtdicke der Gradienten oder der Oberflächenkorngrößen. Das tribologische Verhalten wurde hauptsächlich von der Gleitgeschwindigkeit und der Testdauer beeinflusst, wobei längere Tests und niedrigere Gleitgeschwindigkeiten zu verstärkter Tribooxidation, plastischer Deformation an der Oberfläche, Kornvergröberung, Oberflächenrauheit und erhöhter Reibung führten. Falls die aufgebrachte Last jedoch unzureichend war, um die Spannung über die Korngrößengradienten zu verteilen, ähnelte das Verhalten dem von nanokörnigem Kupfer, wobei die Tribooxidation die Bildung reibungsreduzierender ultrafeinkörniger Oberflächenschichten hemmte.
Im Gegensatz dazu reduzierte Kupfer mit einer Porosität von 15 % den Reibungskoeffizienten um mehr als 50 % im Vergleich zu Kupfer mit einer geringen Porosität von etwa 4 % sowie zu Kupferproben mit nanokristallinen Korngrößengradienten. Proben mit geringer Porosität zeigten ausgeprägte plastische Verformungen unterhalb der Oberfläche, Tribooxidation, Rissbildung, Delamination und Materialanhäufungen. Proben mit hoher Porosität hingegen wiesen nur geringe Tribooxidation und plastische Verformungen unterhalb der Oberfläche auf, was auf die geringere Tiefe der Bereiche hoher Spannungen im Material, die etwas größere reale Kontaktfläche sowie die reduzierte Hertzsche Kontaktpressung infolge der porositätsbedingten Verringerung des effektiven E-Moduls zurückgeführt werden kann. Hinsichtlich der Porengröße zeigten Proben mit kleinen Poren sowohl bei hohem als auch bei niedrigem Porositätsgrad eine geringere topographische Deformation sowie eine weniger ausgeprägte Tribooxidation. Langzeittests bestätigten einen stabil niedrigen Reibungskoeffizienten bei hochporösen Proben, wohingegen Proben mit geringer Porosität zunehmende Schäden zeigten. Auch Oberflächenbehandlungen beeinflussten das tribologische Verhalten: im Vergleich zu vibropolierten Proben erhöhte das Elektropolieren die Rauheit und lokale Spannungskonzentrationen, was zu stärkerer Verformung, Tribooxidation, Rissbildung, Delamination und höherer Reibung führte. Diese Ergebnisse widerlegen die Anfangshypothese und zeigen, dass die Porosität unter milden tribologischen Belastungsbedingungen eine dominierende Rolle bei der Beeinflussung des tribologischen Verhaltens und insbesondere der Reibungsreduzierung darstellt.
Abstract (englisch):
Tribology plays an essential role in the performance and durability of components in relative motion, with material microstructures significantly affecting friction and wear. Although copper is widely used in industry for its thermal and electrical conductivity, a deeper understanding of its tribological behavior is essential to broaden its application in tribology-related fields. Such knowledge is crucial to optimize friction and wear, thereby promoting sustainability. In particular, the tribological performance of gradient nano-grained copper and porous copper under mild tribological loading conditions remains unexplored. ... mehrThis study hypothesized that gradient nano-grained structures have a greater effect on the tribological behavior of copper under mild loading conditions, especially in reducing the coefficient of friction, compared to porous copper. Samples with varying gradient structures and different porosities were tested under identical tribological conditions and characterized by density, hardness, surface, and microstructural analyses.
While previous investigations showed that gradient nano-grained copper reduces friction under severe tribological loading conditions, in this study, under mild dry conditions, they exhibited a high coefficient of friction regardless of gradient thickness or surface grain size. Tribological performance was mainly influenced by sliding speed and test duration, with longer tests and lower speeds increasing tribo-oxidation, plastic deformation at the surface, surface grain coarsening and roughening, and friction. If, however, the applied load was insufficient to distribute stress through the gradient layer, behavior resembled that of nano-grained copper, with tribo-oxidation inhibiting the formation of friction-reducing ultrafine-grained surface layers.
In contrast, copper with a porosity of 15 % reduced the coefficient of friction by more than 50 % compared to copper with a low porosity of around 4 % as well as gradient nano-grained copper samples. Low-porosity specimens showed extensive subsurface deformation, tribo-oxidation, cracking, delamination, and pile-ups. Conversely, high-porosity samples exhibited limited subsurface deformation and tribo-oxidation due to a reduced depth of high-stress regions within the material, a slightly larger real contact area, and reduced Hertzian contact pressure caused by the porosity-induced decrease in effective Young’s modulus. Regarding pore size, specimens with small pores exhibited less pronounced topographical deformation and tribo-oxidation at both high and low porosity levels. Long-term tests confirmed stable low friction for high-porosity samples, whereas low-porosity ones showed progressive damage. Surface treatments also influenced tribological behavior: compared to vibropolished samples, electropolishing increased roughness and localized stresses, leading to greater deformation, tribo-oxidation, cracking, delamination and higher friction. These findings disprove the initial hypothesis, demonstrating that porosity plays a dominant role in influencing the tribological behavior and reducing friction under mild tribological loading conditions.
