Modellierung des tribologischen Verhaltens von Siliciumcarbid (SiC) in Wasser auf Basis der Korrosionseigenschaften
Final Report Abstract
Siliciumkarbid ist eine moderne Hochleistungskeramik, welche vielfach in hydrothermaler Umgebung bzw. allgemein unter wassergeschmierten Bedingungen im Einsatz ist. Eine typische Applikation ist dabei der Einsatz als Gleitringdichtung. In der vorliegenden Studie wurde das Gleitverschleißverhalten von gesinterten keramischen SiC in Korrelation mit dessen Korrosionsverhalten untersucht. Unter statischen hydrothermalen Bedingungen ist ausschließlich aktive Oxidation von SiC- Einkristallen zu beobachten. Einzig über Lösung und Wiederausscheidung kann es lokal zur Ausfällung der sich bildenden Polykieselsäure kommen. Hier konkurriert die hohe SiO2-Löslichkeit mit der eigentlichen oxidativen Umsetzung von SiC zu SiO2. Tribologische Experimente an keramischem SiC ergaben den bereits in der Literatur belegten oxidativen Umsatz von SiC. Dieser tritt schon bei sehr geringer tribologischer Beanspruchung ein und kann in Folge der Probenkörpereinglättung beobachtet und nachgewiesen werden. Zudem ist die sich bildende Schicht kein reines Si-Oxid, sondern ein Gemisch aus Hydroxid und amorphem Kohlenstoff. Gekoppelte Tribometrie mit quantitativer Spektroskopie belegen, dass der Verschleiß direkt mit der angelegten Flächenpressung der tribologischen Paarung korreliert. Hieraus sind quantitative Beziehungen zwischen tribologischen Randbedingungen wie Flächenpressung, Gleitgeschwindigkeit, Temperatur, Medium und Werkstoff zu den resultierenden Verschleißraten direkt ableitbar. Lokale Ritzversuche (Rockwell-Diamantindenter) auf gesintertem SiC wurden mit und ohne Wasserpräsenz durchgeführt. Der dominierende Prozess ist hier der Festkörperkontakt, welcher zu einer starken strukturellen Zerrüttung der Keramik führt. Nach den Versuchen finden sich hierbei Versetzungen und Risse nahe der Oberfläche. Zudem zeigt sich der Beginn des oxidativen Umsatzes von SiC und die Bildung eingeglätteter Plateaus. Letztere sind unter Wasserpräsenz verstärkt ausgebildet und durch einen insgesamt größeren oxidativen Umsatz gekennzeichnet. Analyse der Abriebpartikel der Ritzversuche zeigte stark mechanisch deformierte SiC Körner mit mittleren Korngrößen von < 50 nm. Diese sind von den Korngrenzen her ausgehend zusehends einer oxidativen Umsetzung ausgesetzt. Neben diesem Sauerstoffeintrag wird im Abriebgut amorpher Kohlenstoff gefunden, der bezeugt, dass bei den ablaufenden chemischen Reaktionen SiC nicht vollständig sondern – wie für Karbide unter hydrothermalen Bedingungen sehr typisch – nur partiell oxidiert wird. Numerische Berechnungen der Kontaktsituation ergaben, dass die Temperaturen im Reibkontakt an einzelnen Rauheitsspitzen zunächst sehr hoch sein können. Diese sind jedoch extrem kurzlebig und nach einer kurzen Einlaufphase abgetragen. Hohe thermische Belastungen innerhalb Reibflächen entstehen bei mangelnder Kühlung der Reibpartner unter hoher tribologischer Beanspruchung bzw. bei Wassermangel im Reibkontakt: Lokale Erhöhung der Reibwerte in den Trockenkontakten für zum sofortigen Ausfall der Gleitpaarung unter Bildung starker mechanischer und chemischer Verschleißschädigung. Generell zeigt sich, dass bereites nach wenigen Sekunden nach Versuchsbeginn chemisch gelöstes Silicium im Medium nachweisbar ist. Chemische Umsetzung von SiC wird durch mechanische Belastung ausgelöst. Bei niedrigen Reibzahlen bildet sich eine nur wenige Nanometer dicke tribochemischen Reaktionsschicht (SiO2:H + C). Im Falle der Grenz- bzw. Festkörperreibung ist die mechanische Schädigung von SiC der Hauptverschleißmechanismus.
Publications
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