Surface oxidation of metallic glasses and its effects on nanotribology

Abstract

Fundamental mechanisms of friction and wear on the atomic scale were studied for different oxidation states of metallic glass surfaces. Bulk metallic glass was prepared by suction casting and characterised by X-Ray Diffraction and Dynamic Scanning Calorimetry. Surfaces were oxidised in controlled atmosphere and characterised by Electron Microscopy and X-ray Photoelectron Spectroscopy. Tribological experiments on the nano-scale were performed by Atomic Force Microscopy in ultra-high vacuum on a continuous load scale extending over three decades with different cantilevers. The oxide layer on Zr60Cu30Al10 consists mainly of an amorphous matrix of ZrO2 and Al2O3 with embedded crystalline Cu2O nanoparticles. Stick-slip friction was found on both, the metallic glass and on the oxidised surface. Comparative experiments revealed higher friction and wear after oxidation. Due to the surface roughness, friction is scale dependent on the oxidised surface. Sharp indenters were found to penetrate the oxide surface resulting in cutting wear. Indenters with larger contact areas initiate plowing and eventually delamination from the surface of metallic glass. On the clean metallic glass, plastic deformation was attributed to plowing mechanisms, independent on the contact area.

Es werden grundlegende Mechanismen von Reibung und Verschleiß auf atomarer Skala auf metallischen Gläsern verschiedener Oxidationsstufen untersucht. Metallisches Glas wurde durch Saugguss hergestellt und mittels Röntgenbeugung und Dynamische Differenzkalorimetrie charakterisiert. Die Oberflächen wurden in kontrollierter Atmosphäre oxidiert und durch Elektronenmikroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie charakterisiert. Nanotribologische Experimente wurden mittels Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum mit Normalkräften durchgeführt, deren Größenordnungen sich über drei Dekaden erstrecken. Die Oxidschicht auf Zr60Cu30Al10 besteht hauptsächlich aus einer amorphen Matrix aus ZrO2 und Al2O3 in welche kristalline Cu2O-Nanopartikel eingebettet sind. Stick-Slip Reibung wurde sowohl auf dem metallischen Glas als auch auf der oxidierten Oberfläche gemessen. Vergleichende Messungen zeigten eine höhere Reibung und einen höoheren Verschleiß nach der Oxidation. Aufgrund der Oberfläachenrauhigkeit ist die Reibung auf der oxidierten Oberfläche abhängig von der Größenskala der Messung. Spitze Indenter ermöglichen das Eindringen in die Oxidschicht, was zu einem Aufschneiden der Oberfläche führt. Indenter mit größeren Kontaktflächen führen zunächst zu Plowing und schließlich zur Delamination der Oxidschicht vom metallischen Glas. Auf dem nicht oxidierten metallischen Glas wurde die plastische Verformung, unabhängig von der Kontaktfläche, Plowingmechanismen zugeordnet.