Nanotribology of metallic glasses in corrosive environments

Abstract

Metallic glasses (MGs) are promising materials for micromechanical systems, where miniaturized components involving mechanical contact require control of friction. Nanotribological experiments on MGs in corrosive aqueous solutions are carried out using atomic force microscopy (AFM), focusing on the role of surface oxide films formed during corrosion. A new method is developed to study in situ the structure of surface oxide films. The surface oxide film has a bilayer structure as revealed by repeated scanning with the AFM tip. The dependence of friction on electrochemical potential reveals the growth mechanism of the oxide film. Friction and adhesion after different immersion times in different solutions allow to compare the physicochemical processes of surface dissolution at the interfaces of the two layers of surface films and elucidate their influence on friction. An irregular atomic-scale stick-slip friction is observed and attributed to the amorphous nature of corroded surfaces. Finally, we show three different friction processes occurring at increasing normal loads: removal of the dissolution layer at low-load regime; stress-assisted tribo-oxidation in intermediate-load regime; and tribochemical wear in high-load regime. The chemical sensitivity of nanotribology studies demonstrates a novel route to explore fundamental mechanisms of corrosion at the microscopic scale.

Metallische Gläser (MG) sind vielversprechende Materialien für mikromechanische Systeme, in denen der mechanische Kontakt eine Kontrolle über Reibung erfordert. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) wurden nanotribologische Experimente auf MG in korrosiven wässrigen Lösungen durchgeführt, wobei die Rolle von Oxidfilmen im Fokus stand. Eine neuartige Methode für die in situ-Untersuchung der Struktur der Oberflächenoxidfilme wurde entwickelt. Der Oberflächenoxidfilm weist eine zweilagige Struktur auf, die durch wiederholtes Rastern mit der AFM-Spitze nachgewiesen wurde. Die Abhängigkeit der Reibung vom elektrochemischen Potential zeigt die Wachstumsmechanismen der Oxidfilme an. Reibung und Adhäsion nach verschieden langer Immersion erlauben den Vergleich der physikochemischen Prozesse der Oberflächenauflösung an der Grenzfläche der beiden Lagen. Es wurde eine unregelmäßige stick-slip Reibung auf atomarer Skala beobachtet und auf die amorphe Natur der korrodierten Oberflächen zurückgeführt. Schließlich beschreiben wir drei verschiedene Reibungsprozesse, die mit zunehmender Normalkraft auftreten: die Abtragung der abgeschiedenen Lage bei niedrigen Auflagekräften, eine durch mechanische Spannung unterstützte Tribo-Oxidation bei mittleren Kräften sowie tribochemischen Verschleiß bei hohen Kräften. Die chemische Empfindlichkeit der nanotribologischen Studien zeigt eine neue Möglichkeit auf, grundsätzliche Mechanismen der Korrosion auf der mikroskopischen Skala zu erforschen.