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. Die 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
