1 Einleitung Die Produktionsprozesse der metallverarbeitenden Industrie werden üblicherweise in einer sauerstoffreichen Atmosphäre durchgeführt. Insbesondere durch die darin auftretenden Randschichtoxidationen auf Werkzeugen und -stücken ist in tribologischen Systemen ein hoher Verschleiß zu beobachten. Für einige, vor allem thermische Prozesse wird daher versucht, die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre durch den Einsatz von Aus Wissenschaft und Forschung 5 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 1/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0002 g o a l u h m a \ \\ 12.03.2021 13: 43: 14 Einfluss von Silan-dotierten Umgebungsatmosphären auf die tribologischen Eigenschaften von Titan Selina Raumel, Khemais Barienti, Folke Dencker, Florian Nürnberger, Marc C. Wurz* Eingereicht: 9. 9. 2020 Nach Begutachtung angenommen: 23. 2. 2021 Bisher werden die Produktionsprozesse der metallverarbeitenden Industrie üblicherweise in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt. Die auf diese Weise stattfindende Oxidation der Metalloberfläche wirkt in der Fertigung überwiegend als Störfaktor. Ziel ist es, die Potentiale einer Produktion in sauerstofffreier Atmosphäre bezüglich des geringeren Verschleißes aufzuzeigen. Hierzu ist die Identifikation und Charakterisierung von Verschleißmechanismen in sauerstofffreier Atmosphäre von hoher Relevanz. Um den Einfluss der Umgebungsatmosphäre auf die tribologischen Eigenschaften von Titan zu analysieren, werden Ball-on-Disc-Untersuchungen an einem Universaltribometer (UMT) in einer Luft-, einer Argon- und einer Silan-dotierten Argon-Atmosphäre durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass durch die Unterdrückung der Oxidation eine Reduktion des tribochemischen Verschleißes stattfand, womit eine Verringerung des Verschleißvolumens um den Faktor 4,5 einhergeht. Aufgrund der bereits bei niedrigen Temperaturen entstehenden Adhäsion beider Reibpartner kam es zu einer Erhöhung des Reibungskoeffizienten um 63 %. Zudem konnte die Bildung von neuartigen Legierungen an den Grenzflächen detektiert werden. Schlüsselwörter Silan-dotierte Atmosphäre, tribologisches Verhalten, Diffusions- und Adhäsionseffekte, tribochemischer Verschleiß, Transferfilme, neuartige Randschichten Influence of the ambient atmosphere on the tribological properties of titanium The production processes of the metalworking industry are usually carried out in the presence of oxygen. Particularly due to surface oxidation on tools and parts during production under normal atmosphere, high wear is observed in tribological systems. The focus of these investigations is the question to what extent the ambient atmosphere has an influence on the tribological system. For this purpose, the identification and characterization of wear mechanisms in an oxygen-free atmosphere is of high relevance. To analyse the influence of the ambient atmosphere on the tribological properties of titanium, ball-on-disc investigations are carried out on a universal tribometer (UMT) in an air, argon and silane-anodized atmosphere. By suppressing the oxidation under exclusion of oxygen, a reduction of the tribochemical wear could be shown, which is accompanied by a reduction of the wear volume by a Factor of 4.5. However, due to the adhesion of both friction partners, which already occurs at low temperatures, caused by the omission of the friction-reducing cover layers, the friction coefficient increased. In addition, novel alloy formations at the interfaces were detected and analysed. Keywords Silane-anodized atmosphere, tribological behaviour, diffusion and adhe-sion, tribochemical wear, transfer firlms, novel surface layers Kurzfassung Abstract * Selina Raumel, M. Sc., Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-0666-2817 Khemais Barienti, M. Sc., Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-0764-8980 Folke Dencker, M. Sc., Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-9917-0565 Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-7824-0675 Marc C. Wurz, Dr.-Ing., Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-2066-8142 Institut für Mikroproduktionstechnik, Leibniz Universität Hannover, 30823 Garbsen TuS_1_2021.qxp_TuS_Muster_2020 12.03.21 16: 23 Seite 5 re Anforderungen. Die Entstehung der passivierenden und im „Trockenlauf“ reibungsmindernden Deckschichten, entstehend durch die chemischen Reaktionen mit dem gasförmigen Umgebungsmedium, wird durch die Abwesenheit von Sauerstoff in ihrer Bildung gehindert. Diese Oberflächenschichten können neben der Schmierwirkung auch eine Festigkeitssteigerung, Festigkeitsminderung (Rehbinder-Effekt) oder Oberflächenhärtung bewirken [Buc71]. Das Fehlen dieser Schichten resultiert in Adhäsionsmechanismen an den Kontaktgrenzflächen, welche zu Funktionsstörungen und zum Versagen des technischen Systems führen [Gra15]. Die Adhäsionsvorgänge spiegeln sich dabei in erhöhten Reibungszahlen und Bildungen von Aufbauschneiden in sauerstofffreier Atmosphäre wieder [Tak99, Miy99]. Die meisten tribologischen Studien bezüglich des Trockengleitverhaltens der Ti-6A1-4V-Legierung konzentrieren sich auf die Materialpaarung der Legierung mit verschiedenen Stahlsorten [Bud91, Wik01, Ohi02]. Obwohl Hartmetallwerkzeuge bei den Bearbeitungsprozessen von Ti-Legierungen eine entscheidende Rolle spielen, ist die Literatur zu tribologischen Untersuchung von Titan-legierungen gegenüber Hartmetall, besonders Wolframcarbid begrenzt [Elt10, Zha06]. Aus diesem Grund wurde in dieser Untersuchung die Materialpaarung Ti-6-Al-4V zu Wolframcarbid gewählt. Durch Reibversuche (Ball-on-Disc) an einem Universaltribometer (UMT) in Luft-, Argon- und Silan-dotierter Argon-Atmosphäre konnten die Einflüsse der Umgebungsatmosphäre auf das Reibverhalten und den damit einhergehenden Verschleiß untersucht werden. Nachfolgende Oberflächenanalysen, Widerstandsmessungen und Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften der Proben führen zu neuen Erkenntnissen über den Einfluss der Atmosphäre. 2 Methodische Vorgehensweise Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde eine sauerstofffreie Atmosphäre durch den Einsatz von Silandotiertem (SiH 4 ) Inertgas (Argon) erzeugt. Durch die Reaktion des Silans mit dem im Inertgas enthaltenen Restsauerstoff können bei Umgebungsdruck Sauerstoffpartialdrücke von weniger als 10 -23 bar und damit aus kinetischer Sicht vollständige Sauerstofffreiheit erreicht werden. Durch die Zugabe von SiH 4 werden die in der Inertgasatmosphäre vorhandenen Restsauerstoffbzw. Restwassergehalte (in der Regel < 20 ppmv) durch Umsetzung zu SiO 2 und H 2 vollständig entfernt. Es lässt sich in diesem Zusammenhang von einer sauerstofffreien Atmosphäre, adäquat zu extrem hohem Vakuum (XHV), sprechen. Die erreichbaren Sauerstoffpartialdrücke sind um viele Größenordnungen geringer als im technisch erzeugbarem Ultrahochvakuum (< 10 -15 bar). Diese Atmosphäre bietet verschiedene Innovationspotentiale, wie die Realisierung bisher nicht möglicher Produktionsprozesse durch die Überwindung bestehen- Aus Wissenschaft und Forschung 6 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 1/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0002 Inertgasen zu verringern. Jedoch liegt in konventionellen Inertgas-Atmosphären (5.0) eine Sauerstoffkonzentration von mehr als 5 ppmv vor [Kic13]. Entsprechend ergibt sich als Fokus der Untersuchung die Fragestellung, inwiefern sich die Verschleißmechanismen der sauerstoffaffinen Titan-Legierung Ti-6Al-4V bei einer Bearbeitung in einer Silan-dotierten Argon-Atmosphäre von denen in Normal-Atmosphäre unterscheiden. Ziel ist es, ein Verständnis über die tribologischen Vorgänge unter (technisch) vollständigem Ausschuss von Sauerstoff zu erlangen und die Potentiale bezüglich des geringeren Verschleißes aufzuzeigen. In der heutigen Zeit werden Titanlegierungen aufgrund ihrer Eigenschaften in einem weiten Einsatzspektrum innerhalb hoch technologischer Anwendungsgebiete, von der Medizintechnik bis zur Raumfahrt, verwendet [Dim04]. Besondere Vorteile von Titan-Aluminium- Legierungen sind deren geringe Dichten, die guten Festigkeitseigenschaften, die Biokompatibilität und die ausgezeichneten thermomechanischen Eigenschaften [Lor00]. Die Legierung bietet eines der höchsten Festigkeits-/ Gewichtsverhältnisse aller Metalle mit einem aber etwa 45 % geringeren Gewicht im Vergleich zu Stählen [Dim04]. Ein Nachteil der Legierung ist die hohe Reaktivität der Komponenten, die Löslichkeit und das Diffusionsvermögen der Zwischengitter, wie z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Wasserstoff [Men96, Bac06]. Zusätzlich weisen Ti-Legierungen schlechte tribologische Eigenschaften aufgrund der geringen Beständigkeit gegen plastische Scherung auf [Ohi02]. Die maximale Anwendungstemperatur der Ti-6Al-4V-Legierung liegt üblicherweise bei unter 350 °C, aufgrund der schlechten Hochtemperaturoxidation des Materials. Wenn die Legierung der Umgebungsluft bei Raumtemperatur ausgesetzt wird, bildet sich auf der Oberfläche spontan eine passive Oxidschicht. Diese passive Schicht ist amorph, 5-10 nm dünn und besteht aus mehreren Schichten [Che05, Pou97, Fen03]. Die kompakte TiO 2 - Schicht, die sich bereits bei niedrigen Temperaturen bildet, bedeckt die Legierungsoberfläche vollständig und trennt so bereits das Grundmaterial von der gasförmigen Umgebung [Gui12, Kon08]. Bei hohen Temperaturen wird die Oxidschicht porös und die Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs steigt, was mit der Permeation von Gasen durch die Oxidschicht an der Oberfläche zusammenhängt [Tho06]. Somit können Sauerstoffatome in das Substrat eindringen und Ti-Atome diffundieren zur Oberfläche durch die Risse der Oxidschichten, was zu einer verschlechterten Haftfestigkeit der Oxidschicht zum Substrat führt [Xu13, Ail13]. Oxidfilme spielen in tribologischen Systemen eine große Rolle. Bei geringen Belastungen tritt das Gleiten anfangs nur innerhalb des Oxids selbst auf; die Reibung ist oft gering und der elektrische Widerstand hoch [Cui06]. Bei einer kritischen Belastung wird die Oxidschicht durchdrungen, der Widerstand sinkt und im Allgemeinen nimmt der Reibungskoeffizient zu [Cah00, Bla05, Bow64]. Sauerstofffreie Bedingungen stellen an tribologische Systeme besonde- TuS_1_2021.qxp_TuS_Muster_2020 12.03.21 16: 23 Seite 6 der Prozessgrenzen oder die Verwendung neuartiger Werkzeugwerkstoffsysteme. 2.1 Vorbereitung der Materialien Für die Untersuchungen wurden scheibenförmige Proben (Durchmesser 50 mm, Höhe 10 mm) aus einem Ti-6Al-4V-Rundmaterial gefertigt. Die Oberflächenvorbereitung umfasst einen reproduzierbaren Schleifsowie Poliervorgang auf einen Endwert von R a kleiner 50 nm und einen R z -Wert von ca. 1 µm. Anschließend wurden die Wolframkarbidkugel und die Scheiben gereinigt und mittels Nanoindentationen und Konfokalmikroskop auf ihre Härte nach DIN EN ISO 14577-1, ihren E-Modul (nach Oliver und Pharr) und ihre Oberflächenrauheit gemäß DIN EN ISO 25178 sowie ihre Linienrauheit gemäß DIN EN ISO 4287 charakterisiert [DIN15, Oli92, DIN12, DIN10]. 2.2 Tribologische Versuche Zur Bestimmung des Reibverhaltens an der Grenzfläche wurde ein Universaltribometer der Firma Bruker Corporation (UMT TriboLab) (siehe Bild 1) nach ASTAM G99 Test Standard verwendet. Die Kammer wurde zusätzlich mit drei Gaseinlässen erweitert, um eine Zufuhr von Argon und eines Silan-Argon-Gemisches zu ermöglichen. Das Silan-Argon-Gemisch wurde in einem Gasfluss von 4 sL/ min zugeführt, in einer Konzentration von 1,5 % Silan zu 98,5 % Argon. Die Zufuhr von 6 sL/ min Argon im oberen und unteren Bereich der Prüfkammer stellt einen geringen Überdruck in der Kammer sicher, um einen Eintritt von zusätzlichem Sauerstoff in die XHV-adäquate Atmosphäre zu vermeiden. Bei den Untersuchungen wurde die Materialpaarung Wolframkarbid (Kugel) und Ti-6Al-4V (Scheibe) gewählt. Die Wolframkarbidkugel (Durchmesser 2 mm) wurde mit einer Kraft von 7 N bzw. einer Flächenpressung von 2,4 GPa auf die rotierende Titanoberfläche gedrückt. Durch Messungen der Eindrücke wurde die reale resultierende Verschleißkontaktfläche von 0,020 mm 2 (σ = 0,0050) ermittelt. Die Probe wird durch einen im UMT integrierten Motor angetrieben, während die Kugel hingegen im Ball-Holder fest eingespannt wird, um mögliche Rollreibung zu vermeiden. Die Gleitstrecke wurde auf 160 mm festgelegt (ca. 1,3 Umdrehungen), wobei die Gleitgeschwindigkeit einheitlich bei allen Untersuchungen 62,8 mm/ min betrug. Durch den Kraftsensor wird das Verhältnis von Tangentialzu Normalkraft gemessen, um den Reibungskoeffizienten (COF) als Funktion der Zeit zu erhalten. Dabei ler nahe der Probe gemessen (siehe Bild 1). Je Temperaturbereich und Atmosphäre wurden sechs Wiederholungen ausgeführt. Für jeden Temperaturbereich wurde der Versuch nach Erreichen der Temperatur und nach Abschluss der Ball-on-Disc-Versuche gestoppt, die Probe in der jeweiligen Atmosphäre abgekühlt und abschließend entnommen und analysiert. Die Erwärmung der Proben erfolgte mit 373,15 K/ min mit jeweils vierminütigem Rastplateau, um eine homogene und reproduzierbare Erwärmung der Probe und der Kugel zu gewährleisten. 2.3 Analyse Die entstandenen Reibspuren wurden geometrisch mittels 3D-Profilometrie und konfokaler Mikroskopie vermessen und die Verschleißvolumina sowie die Rauheiten ermittelt. Weiterhin wurden die oberflächlichen mechanischen Kennwerte der Titanproben nach den Versuchen mittels Nanoindendation gemessen. An Querschliffen der Proben wurden mittels REM und EDX die Schichtdicke sowie die Zusammensetzung der in den jeweiligen Versuchen entstandenen Oberflächenschichten bestimmt. Ergänzend dazu wurde mittels XRD eine Phasenanalyse durchgeführt und der elektrische Widerstand der Schichten gemessen. 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Ergebnisse der Oberflächenanalyse Bereits bei der optischen Betrachtung der Proben ist ersichtlich, dass die Atmosphären einen deutlichen Einfluss auf die Grenzflächenbildung haben (s. Bild 2). Die Aus Wissenschaft und Forschung 7 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 1/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0002 Bild 1: Schematische Darstellung des Universaltribometers mit Überdruckhochtemperaturkammer werden die Versuche in unterschiedlichen Atmosphären und unterschiedlichen Temperaturbereichen (von Raumtemperatur (RT) bis 1.000 °C) durchgeführt. Die Temperatur wurde dabei mit einem integrierten Temperaturfüh- TuS_1_2021.qxp_TuS_Muster_2020 12.03.21 16: 23 Seite 7 unterschiedlichen Atmosphären in Korrelation der Härte der Materialien. Es zeigt sich, dass die XHV-adäquate Atmosphäre einen erheblichen Einfluss auf den Reibungskoeffizienten hat. In Normal-Atmosphäre wird eine deutliche Steigerung des Reibungskoeffizienten ab ca. 400 °C sichtbar. Die Messung der Härte und des E-Moduls der Proben zeigten eine deutliche Verringerung der Härte von 5,6 GPa auf 1,69 GPa und des E-Moduls von 122 GPa auf 77,67 GPa. In XHV-adäquater Atmosphäre ist eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten zwischen RT und 300 °C zu beobachten. Ab 400 °C konnte eine Erhöhung der Härte auf 7,48 GPa und des E-Moduls auf 131 GPa gemessen werden. Bis 1.000 °C stiegen die Härte und das E-Modul weiter auf 9,6 GPa und 293 GPa an. Diese Werte sind vergleichbar mit den Literaturwerten von Rutil (E-Modul 293 GPa, Härte 9,6 GPa) [Bar20]. Infolge Aus Wissenschaft und Forschung 8 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 1/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0002 Abbildung zeigt die Proben nach den Versuchen bei 1.000 °C. Dabei zeigen sich signifikante Unterschiede in den Verfärbungen der Oberflächen. Während die Probe in Normal-Atmosphäre eine typische mattbraune Verfärbung der thermischen Oxidation von Titan-Legierungen aufzeigt, weist die Probe in Silan-Argon-Atmosphäre eine glänzende, leicht goldene und die Probe in Argon-Atmosphäre eine mattgraue Verfärbung auf. Sowohl die Rauheit auf den Oberflächen als auch in den Reibspuren sind in XHV-adäquater Atmosphäre vergleichsweise gering. 3.2 Reibungskoeffizient und mechanische Oberflächenkennwerte Bild 3 zeigt die Entwicklung der Reibungskoeffizienten entlang des Temperaturbereiches der Proben in den drei Bild 2: Ti-6Al-4V-Proben nach den Versuchen bei 1000 °C in (von links nach rechts) Silan-Argon-, Normal- und Argon-Atmosphäre mit ihren Rauheitswerten Bild 3: Temperaturabhängige Reibungskoeffizienten und Härte (gestrichelte Linien) in Normal-, Argon- und Silan-Argon-Atmosphäre einer Wolframkarbidkugel auf einer Ti-6Al-4V-Scheibe TuS_1_2021.qxp_TuS_Muster_2020 12.03.21 16: 23 Seite 8 höherer Temperaturen kommt es zu einer deutlichen Reduzierung des Reibungskoeffizienten. In der Argon-Atmosphäre zeigte sich bis ca. 500 °C ein relativ konstanter Verlauf des Reibungskoeffizienten über die Temperatur. 3.3 Verschleißvolumen Wie in Bild 4 veranschaulicht, zeigt sich ein sehr deutlicher Anstieg des Verschleißvolumens in Normal-Atmosphäre ab ca. 300 °C. Im Vergleich sind kaum Veränderungen im Verschleißvolumen in XHV-adäquater Atmosphäre zu detektieren. Verglichen zur Normal-Atmosphäre mit einem Anstieg des Verschleißvolumens von 40 x 10 -3 mm 3 auf 265 x 10 -3 mm 3 ist der Anstieg von 40 x 10 -3 mm³ auf 50 x 10 -3 mm 3 in Silan-Argon-Atmosphäre um den Faktor zwölf geringer. Auch in der Argon-Atmosphäre steigt das Verschleißvolumen nicht signifikant an. 3.4 Ergebnisse der Probenoberflächenanalyse Erwartungsgemäß konnte an der in Normal-Atmosphäre gemessenen Schicht eine verhältnismäßig dicke Oxidschicht von etwa 10 µm gemessen werden. Diese besteht im Wesentlichen aus Titan und Sauerstoff, verfügt allerdings an der Oberfläche über einen aluminium- und sauerstoffhaltigen Exzess. Der elektrische Widerstand der Schicht liegt im Gigaohmbereich. Die Probe, welche in Argon-Atmosphäre getestet wurde, zeigt eine etwas dünnere, ca. 2 µm dicke Oxidschicht (siehe Tabelle 1). In der Elementverteilung zeigt sich ebenfalls eine dünne Aluminiumoxiddeckschicht (8,25 Massen-%). Die Messung des elektrischen Widerstands ergibt abermals einen Wert im Gigaohmbereich. Anders hingegen verhält sich die Probe, welche in Silan-Argon-Atmosphäre getestet wurde. Anhand der Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop kann keinerlei zusätzliche Schicht identifiziert werden. Es kann lediglich die bei der Einbettung verwendete Vergussmasse erkannt werden. Erst in der Elementverteilung zeigt sich, dass sich eine ca. 1 µm dünne siliziumhaltige Schicht auf der Oberfläche gebildet hat (0,44 Massen-%). Sauerstoffhaltige Schichten oder weitere Folgen der Oxidation können nicht erkannt werden. Der gemessene Sauerstoff tritt gleichmäßig im Titan und im Polymer auf. Der elektrische Widerstand der Schicht liegt bei weniger als 10 Ohm und ist daher im Gegensatz zu den anderen Schichten gut elektrisch leitfähig. Bei der Untersuchung der entstandenen Schichten mittels Röntgenbeugung konnten die Ergebnisse der EDX- Untersuchungen bestätigt und um die Information der Phase ergänzt werden (siehe Bild 5). Demnach ist bei den Proben in Luft- und Argon-Atmosphäre Titandioxid in der Rutilmodifikation entstanden. Zusätzlich kann bei der in Argon behandelten Probe ein unterstöchiometrisches Titanoxid (Ti 3 O) identifiziert werden. Bei der Probe in Silan-dotierter Atmosphäre konnte dagegen nur eine Gitterverzerrung des Titangitters festgestellt werden. Bei den Untersuchungen konnte sichergestellt werden, dass die Gitterverzerrung nicht aufgrund von Titanhydriden zustande kam. Eine EDX-Messung der Elementverteilung an der Wirkstelle auf der Hartmetallkugel ergab, dass im zentralen Bereich hoher Flächenpressung titanhaltige und in den äußeren Bereichen mit geringerer Flächenpressung siliziumhaltige Adhäsionen auftreten (siehe Bild 6). 3.5 Diskussion der Ergebnisse Die Untersuchungen zeigten, dass die Umgebungsatmosphäre einen erheblichen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften der Titan-Legierung hat. Die Rauheitsmessungen der entstandenen Oberflächen mittels Aus Wissenschaft und Forschung 9 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 1/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0002 Bild 4: Links: Verschleißvolumen der Reibspuren in Normal-, Argon-, und Silan-Argon-Atmosphäre in Abhängigkeit der Temperatur. Rechts: Konfokale Messung einer Verschleißspur in Normal-Atmosphäre nach einem Versuch bei 1.000 °C TuS_1_2021.qxp_TuS_Muster_2020 12.03.21 16: 23 Seite 9 Aus Wissenschaft und Forschung 10 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 1/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0002 Normal-Atmosphäre Argon-Atmosphäre Silan-Argon-Atmosphäre Ti O Al Si Tabelle 1: REM- und EDX-Analyse der Proben in Normal-, Argon- und Silan-Argon-Atmosphäre Bild 5: Ergebnisse der Untersuchung mittels Röntgenbeugung (XRD) TuS_1_2021.qxp_TuS_Muster_2020 12.03.21 16: 23 Seite 10 Konfokalmikroskopie unterschieden sich aufgrund der unterschiedlichen Schichtentwicklung signifikant. Die bei der Oberflächenanalyse gemessenen geringeren Rauheitswerte der Probe sowohl auf der Oberfläche als auch in den Reibspuren lassen sich durch die nicht entstandene Zunderschicht erklären. Durch die Ball-on- Disc-Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die XHV-adäquate Atmosphäre einen erheblichen Einfluss auf den Reibungskoeffizienten und das Verschleißvolumen hat. Bei den Untersuchungen in Normal-Atmosphäre kann der bis 400 °C vergleichsweise geringe Reibkoeffizient durch den beschränkten Reibkontant beider Materialien ohne direkten Kontakt beider Metalle aufgrund der nativen Oxidschicht erklärt werden. Die Steigerung des Reibkoeffizienten in Normal-Atmosphäre ab ca. 400 °C resultiert aus einer zunehmenden Verstärkung der Oxidschicht und der daraus entstehenden erhöhten Rauheitswerte. Die Anwesenheit der Verschleißpartikel, die Porosität sowie die reduzierte Härte der Schicht verstärken diesen Effekt. Diese Ergebnisse korrelieren mit dem Stand der Technik, wo bestätigt wurde, dass es durch die Beschleunigung der Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs bei erhöhten Temperaturen zur Abrasion kommt. Ein weiterer Faktor ist der Beitrag der Adhäsionsneigung, welcher bei höheren Temperaturen aufgrund der höheren chemischen Aktivität der Ausgangsmaterialien relevant wird [Tho06, Xu13, Ail13]. Der in XHV-adäquater Atmosphäre detektierte Anstieg des Reibungskoeffizienten zwischen RT und 300 °C lässt sich durch den mechanischen Abtrag der reibungsmindernden Deckschichten, welche sich aufgrund des fehlenden Sauerstoffs nicht neu bilden können, erklären. Dadurch findet ein direkter Reibkontakt der beiden Materialien im Trockenkontakt statt. Durch diesen Wegfall der Oxidschichten ist eine Steigerung der Adhäsionsneigung beider Reibpartner zu beobachten (s. Bild 3). Die Ausbildung von Adhäsionen als Folge des metallischen Kontaktes nach Entfernung der Oberflächenschicht konnte auch im Weiteren an der Kugel (s. Bild 6) sowie der Verschleißspur optisch identifiziert werden. Infolge höherer Temperaturen kommt es zu einer deutlichen Reduzierung des Reibungskoeffizienten, was durch die Bildung einer harten tribologisch relevanten Schicht in der reaktiven Atmosphäre zu erklären ist. Diese Schicht zeigt auch bei Temperaturen oberhalb von 800 °C ein günstigeres tribologisches Verhalten. Während der Reibversuche müssen sowohl die Adhäsion und das Einebnen der Unebenheiten bei der Bestimmung des Reibungskoeffizienten eine vorherrschende Rolle gespielt haben. Bei der Untersuchung des Verschleißvolumens zeigte sich ein Anstieg in Normal-Atmosphäre. Der gestiegene tribochemische- und Abrasivverschleiß ist auf die sich auf der Oberfläche gebildeten, spröden Oxidschichten und den daraus resultierenden verringerten mechanischen Eigenschaften aufgrund der Gitterverzerrung des Substrats zurückzuführen [Cui06]. Wie in Bild 3 gezeigt, verringert sich die Härte der Schicht um den Faktor vier, was den Abtrag des Materials rein mechanisch begünstigt und in einem erhöhten Verschleißvolumen resultiert. Der vergleichsweise sehr geringe Anstieg des Verschleißvolumens in XHV-adäquater Atmosphäre erklärt sich durch den Wegfall der Oxidationsvorgänge und die daraus resultierende Unterdrückung des tribochemischen Verschleißes. Da keine poröse Oxidschicht vorhanden ist, können bei den adhäsiven Vorgängen nur bedingt Randschichtteilchen abgetragen werden. Bei der aufgebrachten Last und der angestiegenen Härte auf 9,6 GPa kommt es kaum zu Rissen in den Fusionszonen oder Nebenbereichen, was das niedrige Verschleißvolumen erklärt. Im Vergleich dazu lässt sich das geringfügig gestiegene Verschleißvolumen in Argon- Atmosphäre durch die gestiegene Härte und der im Vergleich nur geringfügig entstandenen stabilen Oxidschicht erklären. Durch die REM-Untersuchungen der Probe in Argon-Atmosphäre wird deutlich, dass geringste Mengen an Sauerstoff ausreichen, um insbesondere bei hohen Temperaturen stabile Oxidschichten zu bilden. Dies bestätigt die Aussage in der Literatur, dass in konventionellen Inertgas-Atmosphären eine ausreichende Sauerstoffkontamination vorliegt, um die beteiligten Oberflächen mit Sauerstoffatomen zu kontaminieren. Die EDX-Aufnahmen lassen vermuten, dass das als Feststoff anfallende SiO 2 auf der Probenoberfläche sintert. Genauere Wechselwirkungen des Silans mit der Oberfläche der Kugel und der Scheibe werden weiter untersucht. Die Ergebnisse der Probenoberflächenanalyse deuten darauf hin, dass eine lokale Veränderung des Legierungssystems nahe der Oberfläche Aus Wissenschaft und Forschung 11 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 1/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0002 Bild 6 a): REM-Aufnahmen der Wolframkarbid Kugel nach dem Einsatz in Silan-haltiger Atmosphäre. b): Elementenverteilung auf der Wolframkarbidkugel TuS_1_2021.qxp_TuS_Muster_2020 12.03.21 16: 23 Seite 11 dabei im Gegensatz zu den Oxidschichten eine elektrische Leitfähigkeit auf. Dadurch ergeben sich ressourcenrelevante und wirtschaftliche Vorteile in der Produktion dieser Legierung, da ein Einsatzgebiet geschaffen werden kann, welches oberhalb der momentan maximalen Einsatztemperaturgrenze liegt. Welches Potential die analysierte neuartige Randschicht im Hinblick auf die übrigen anwendungsrelevanten Eigenschaften wie bspw. die Korrosionsstabilität, die Schweißbarkeit oder die Umformbarkeit bietet, ist Gegenstand weiterer Forschungsvorhaben. Danksagung „Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394563137 - SFB 1368“ Literatur [Ail13] Ailing, Z., Dayue, Yan, W., Xinyan, G., Jing, H., (2013): The comparison of thermal oxidation kinetics for pure titanium and titanium alloy, In: Titan. Ind. Prog., 30 (1), S.16-19 [Bac06] Bacos, M. P., Morel, A.; Naveos, S., Bachelier-loc, A., Josso, P., Thomas, P., (2006): High temperature creep behavior and mechanism of a TiAl-based intermetallic. In: Intermetallics 14, S. 102 [Bar20] Barthelmy, D. (2020): Rutile Mineral Data. In: webmineral.com. Abgerufen am 16. Juli 2020 [Bla05] Blau, P. J., Qu, J., Watkins, T. R., Cavin, O. B., Kulkarni, N. S. 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Abgleichend mit der beobachteten Diffusion von Silizium in den Probenkörper nahe der Oberfläche (Tabelle 1) ist anzunehmen, dass es sich in das Titangitter einlagert und so in der beobachteten Gitterverzerrung resultiert. Auf diese beobachtete Gitterverzerrung können die Änderungen der mechanischen Eigenschaften sowie der Leitfähigkeit zurückgeführt werden. Genaue Zusammenhänge gilt es zukünftig weiter zu untersuchen. 4 Zusammenfassung Die Ball-on-Disc-Untersuchungen zur Identifizierung des Einflusses der Umgebungsatmosphäre auf das tribologische System zeigen, dass die sauerstofffreie Atmosphäre zu neuartigen Phänomenen führt. In Tabelle 2 werden ein Teil der generierten Ergebnisse zusammengefasst aufgezeigt. Dabei wird deutlich, dass sowohl das Verschleißvolumen als auch der Reibungskoeffizient in Korrelation zu den mechanischen Schichteigenschaften stehen, welche sich in Abhängigkeit der Atmosphäre maßgeblich verändern. Bei der anschließenden Analyse zeigte sich, dass die Proben in Sauerstoff-Atmosphäre mit einer dicken Rutilschicht überzogen sind, welche aufgrund der Porosität nur eine geringe mechanische Belastbarkeit besitzt. Die stabilere, in Argon-Atmosphäre erzeugte Oxidschicht, welche aus Rutil und einem unterstöchiometrischen Titanoxid besteht, zeigt bereits reib- und verschleißmindernde Eigenschaften. Dieses ist durch die gemessenen mechanischen Kennwerte gut nachvollziehbar. Bei der Probe, welche in Silan-Argon-Atmosphäre eingesetzt wurde, konnte gezeigt werden, dass eine Einlagerung von Silizium zu einer Gitterverspannung und somit zu einer Steigerung der mechanischen Eigenschaften führt. Durch das Erlangen der grundlagenorientierten Kenntnisse der Wirkzusammenhänge zwischen der Umgebungsatmosphäre, resultierender Verschleißeffekte und der Beeinflussung des Reibungskoeffizienten und des Verschleißvolumens von Ti-6Al-4V konnten Potentiale im tribologischen Kontakt der Titan-Aluminium- Legierung in XHV-adäquater Atmosphäre bezüglich des geringeren Verschleißes aufgezeigt werden. Die äußerst dünne Randschicht von etwa einem Mikrometer weist Tabelle 2: Zusammengefasste Ergebnisse der Ball-on-Disc-Untersuchungen TuS_1_2021.qxp_TuS_Muster_2020 12.03.21 16: 23 Seite 12 [Che05] Cheng, X., Roscae, S.G.(2005): Corrosion behavior of titanium in the presence of calcium phosphate and serum proteins, In: Biomaterials, Vol. 26, S. 7350-7356 [Cui06] Cui, L., Li, Z., Wei, Q., (2006): Influence of high temperature oxidation on the superplastic ability of Ti-6Al-4V alloy, In: Titan Ind. Prog. 23 (2), S.21-27 [Dim04] Dimčić, B., Jovanović, M. T., Bobić,I., Zec, S., Tadić, S. 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