Freisetzung und Ausbreitung von Partikeln aus Tribosystemen im Hochvakuum

Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Verfahren zur Bestimmung der Partikelfreisetzung und -ausbreitung aus Tribosystemen im Hochvakuum unterstützt die Auslegung und Optimierung tribotechnischer Systeme zur Erfüllung partikulärer Reinheitsanforderungen in Hochvakuumanlagen. Im Hochvakuum unterscheiden sich die Bedingungen für tribologische Prozesse, Verschleiß, Wechselwirkungen zwischen Gasteilchen und Partikeln gegenüber solchen bei Vorliegen von atmosphärischen Bedingungen. Die Freisetzung und Ausbreitung von Partikeln an Tribosystemen im Hochvakuum sind bisher wenig erforscht. Die Verfahrensentwicklung beinhaltet ein neues Hochvakuumtribometer mit raumbezogener Detektion freigesetzter Partikel und deren messtechnischen Erfassung sowie eine Methodik zur Bewertung der Freisetzung und Ausbreitung von Partikeln und des Verschleißes. Das Hochvakuumtribometer ermöglicht die definierte Beanspruchung unterschiedlicher Modelltribosysteme und realer Tribosysteme beim Gleiten, Stoßen, deren Kombination und Wälzen. Außerdem lassen sich die Temperatur des Gegenkörpers, der Vakuumdruck und elektrostatische Felder einstellen. Mit Hilfe eines Richtungsfilters kann die Verteilung der Partikelfreisetzungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Die Methodik beinhaltet die effektive Planung und Durchführung von Versuchen unter Einbeziehung der statistischen Versuchsplanung (DOE) zur Ermittlung komplexer Zusammenhänge zwischen den einzustellenden Einflussgrößen am Vakuumtribometer und neu eingeführten reinheitstechnischen Zielgrößen (Bewertungsgrößen). Zielgrößen für die Freisetzung sind Gesamtanzahl, Größe, Größenverteilung, Gesamtvolumen und Freisetzungsrate der Partikel. Zielgrößen der Ausbreitung sind insbesondere Freisetzungsgeschwindigkeit, Freisetzungsrichtung, größenabhängige und räumliche Verteilung der Partikel, abstandsbezogen zum Tribosystem. Es konnte gezeigt werden, dass sich Bewegungsarten, Werkstoffe der Tribosysteme, Beanspruchung, Fremderwärmung und Vakuumdruck erheblich auf die Zielgrößen auswirken. Die Partikelgrößen verteilen sich sehr unterschiedlich über den verfügbaren Messbereich von 100 nm bis 63 mm. Die Gesamtanzahl der in einem Versuch bei Gleitreibung freigesetzten Partikel variiert insbesondere werkstoffabhängig zwischen ca. 30 bis 30.000 und beanspruchungsabhängig im Verhältnis bis 1:20. Hervorzuheben sind die Erhöhung der Partikelanzahl bis auf das 16-fache bei Druckerhöhung von 5 x 10-5 auf 5 x 10-2 mbar und bis auf das Achtfache bei Fremderwärmung des Gegenkörpers von 22 auf 80 °C. Partikel breiten sich nahezu unabhängig von der Bewegungsrichtung in alle Richtungen vor der Reibebene aus. Die Freisetzungsgeschwindigkeiten der Partikel betragen bis zu 7 m/s und damit bis zum 60-fachen der Gleitgeschwindigkeit. Die partikelgrößenabhängige Geschwindigkeitsverteilung ist maßgeblich von den Werkstoffen abhängig. Ein besonderer Effekt ist die schaumartige Ausprägung von Partikeln der Gleitpaarung Siliziumnitrid-Kugel/Edelstahl-Scheibe bei Fremderwärmung. Eine Korrelation zwischen Verschleiß (Reibspurbreite) und Partikelgesamtvolumen wurde festgestellt. Als wirksame Maßnahmen gegen eine Partikelausbreitung wurden Partikelfallen und Partikelblenden nachgewiesen. Abstandsbezogene Kontaminationsvermeidung ist unter den beengten Verhältnissen eines Rezipienten nur bedingt möglich. Es werden erstmals Modellgleichungen zur Berechnung der Partikelfreisetzung und Partikelausbreitung an Tribosystemen in Abhängigkeit von Beanspruchungs- und Systemgrößen ermittelt. Mit dem Verfahren und Versuchsergebnissen werden sowohl Kontaminierungsrisiken als auch Optimierungspotentiale und Empfehlungen zur Gestaltung und zum Betrieb von Tribosystemen aufgezeigt.