Tribologische Eigenschaften einer superelastischen Formgedächtnislegierung NiTi sowie der reinen Metalle Ni und Ti bei ungeschmierter Gleitbeanspruchung im Mikrokontakt

Superelastische NiTi-Legierungen werden aufgrund ihrer besonderen mechanischen,
korrosiven und biokompatiblen Eigenschaften zunehmend in der Medizintechnik, Mikrosystemtechnik oder Mikrohandhabungstechnik eingesetzt. Kommt es aufgrund von Gleitkontakten zwischen den Festkörperoberflächen einzelner Bauteile zu Reibung und Verschleiß, so kann die Funktionsfähigkeit insbesondere miniaturisierter Systeme stark beeinträchtigt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden die tribologischen Eigenschaften einer selbstgepaarten NiTi-Legierung bei ungeschmierter, einsinniger Gleitbeanspruchung im Mikrokontakt untersucht. ... mehrVergleichende Messungen an den reinen Metallen Nickel und Titan dienten einerseits als Referenz und trugen andererseits zur Klärung der aufgetretenen Effekte bei.
Vor den tribologischen Versuchen wurden die Gefüge der Versuchsmaterialien licht- und transmissionselektronenmikroskopisch charakterisiert, Art und Dicke der natürlichen Oxidschichten auf den Probenoberflächen mit mikroanalytischen Verfahren bestimmt sowie tribologisch relevante Kenngrößen wie Korngröße, Härte, Elastizitätsmodul und plastische Verformungsanteile gemessen.
Die tribologischen Untersuchungen wurden in einem miniaturisierten Stift-auf-Scheibe-Kontakt bei Raumtemperatur durchgeführt. Dabei wurde der Einfluß der Normalkraft, der Gleitgeschwindigkeit sowie des Umgebungsmediums (oxidierende Atmosphäre unterschiedlicher Luftfeuchte einschließlich dest. Wassers sowie nichtoxidierende Atmosphäre) auf die Reibungs- und Verschleißkenngrößen bestimmt. Die verschlissenen Probekörper wurden anschließend mit geeigneten mikroskopischen, profilometrischen und spektroskopischen Untersuchungsmethoden hinsichtlich der Verschleißerscheinungsformen analysiert. Unterschiede in den tribologischen Wechselwirkungsmechanismen der einzelnen Materialpaarungen wurden anhand der Eigenschaften der metallischen Grundmaterialien und ihrer Oxide erklärt.
Alle drei selbstgepaarten Materialien zeigten einen ausgeprägten Einfluß der Normalkraft bzw. Flächenpressung, der Gleitgeschwindigkeit sowie des Umgebungsmediums auf den Verlauf der Reibungszahl und des linearen Verschleißbetrages. Für die gefundenen Abhängigkeiten spielten insbesondere die Stabilität der natürlichen Oxidschichten sowie die Ausbildung und Stabilität von oxidischen Deckschichten und Metall/Metall-Kontakte eine wichtige Rolle.
Aus den Ergebnissen kann für praktische Anwendungen gefolgert werden, daß die Kontaktflächen von NiTi-Gleitpaaren für Flächenpressungen unter 400 MPa dimensioniert und gleichzeitig Gleitgeschwindigkeiten unter 10 mm/s eingestellt werden sollten, um eine niedrige Reibungszahl und Verschleißintensität durch einen tribochemischen Verschleißmechanismus zu erzielen. Bei Beanspruchungen über 500 MPa Flächenpressung oder 35 mm/s Gleitgeschwindigkeit muß aufgrund des sich einstellenden Metall/Metall-Kontaktes mit hoher Reibungszahl und Verschleißintensität gerechnet werden. Unter diesen Bedingungen kommt es zudem, wie auch bei Anwesenheit von Wassermolekülen in Luft mit einer rel. Feuchte von über 30%, aufgrund der gegenüber Nickel bevorzugten Oxidation des Titans zu einer deutlichen Ni-Anreicherung der Kontaktflächen und damit höherer Reibungszahl sowie verminderter Biokompatibilität

Tribological properties of a superelastic NiTi shape memory alloy, Ni and Ti in unlubricated self-mated sliding micro contacts
Superelastic NiTi alloys are increasingly being used in medical applications, microsystem technology, and microhandling techniques because of their particular mechanical properties, corrosion resistance, and biocompatibility. In case of sliding contacts between solid surfaces of NiTi components, the lifetime of miniaturized systems can be unsufficient depending on the loading parameters.
In this work, the tribological properties of self-mated NiTi surfaces in unlubricated, unidirectional sliding microcontacts were investigated. ... mehrFor reference, pure nickel and titanium surfaces were tested under the same experimental conditions as the NiTi surfaces.
Before the tribological tests, microstructural examinations of the materials were performed by using light and transmission electron microscopy. Types and thicknesses of natural oxide layers on the surfaces of the samples were determined by microanalytical methods. Tribologically relevant parameters such as grain size, hardness, elastic modulus, and amount of plastic deformation were also measured.
Tribological tests were carried out on a miniaturized pin-on-disk contact at room temperature. The influence of load, sliding velocity and atmosphere on friction and wear were determined. The atmosphere was changed by varying the relative humidity in air, using distilled water as interfacial medium and a non-oxidizing atmosphere (vacuum). The worn contact surfaces were investigated by microscopic, profilometric and spectroscopic methods. Differences in the tribological behaviour of the various metallic pairs were explained by the different properties of the metallic materials and their oxides.
Test results showed a strong dependence of the friction coefficient and the wear intensity on:
1) the stability of natural oxid films on the functional surfaces, 2) the formation and stability of surface layers consisting of compacted, oxidized debris, and 3) metal to metal contact during tribological loading, as a function of load (normal force or contact pressure), sliding velocity and atmosphere.
For practical applications, sliding parts made from NiTi should be designed to sustain contact pressures less than 400 MPa to avoid stress induced martensitic formation, and at the same time the sliding velocity should be less than 10 mm/s to favour tribochemical reaction layers, resulting in an improvement of tribological properties. When NiTi slidings pairs are used with contact pressures higher than 500 MPa or sliding velocities higher than 35 mm/s, metal to metal contact occurs, resulting in a distinct increase in friction and wear. Additionally, under such loading parameters or in wet atmosphere with a relative humidity higher than 30%, the contact surfaces become Ni-rich because of the rapid oxidation of titanium, leading to an increased friction coefficient and poor biocompatibility.