Untersuchungen des Materialeinflusses auf Erosionsvorgänge durch elektrische Entladungen

Die Erosion von Materialien, die von einer elektrischen Entladung hervorgerufen wird, tritt in wichtigen Gebrauchsgegenständen wie elektrischen Kontakten, Schaltern und Zündkerzenelektroden auf, und bestimmt über die Erosionsbeständigkeit maßgeblich die Lebensdauer des entsprechenden Produktes. Ein quantitatives Verständnis des Erosionsmechanismus ist von großer Bedeutung, um maßgeschneiderte Hochleistungswerkstoffe zu entwickeln. Die mikroskopischen Erosionsmechanismen an metallischen und Oxidoberflächen wurde quantitativ untersucht. Außerdem wurden FEM-Simulationen der Temperaturverteilung und Kraterbildung entwickelt. Als Beispielsystem wurde der Zündfunke in Zündkerzen genommen. Zuerst wurden die Phasen der Entladungen (Durchbruch, Bogen- und Glimmentladung) anhand zeitlich hochauflösenden Digitalkameras identifiziert. Untersucht wurden reine Metalle, auf RuAl basierende intermetallische Verbindungen sowie RuAl- und Ni-Legierungen mit Oxidschichten. Der Hauptmechanismus der Kraterbildung in reinen Metallen ist die Bildung eines Schmelzbades und das Wegspritzen von geschmolzenen Tröpfchen. In Metallen mit höheren Oberflächenspannungen bilden sich flache, wellenförmige Strukturen ohne Materialverlust. In zweiphasigen Materialien, wird die Phase mit dem niedrigeren Schmelzpunkt stärker erodiert. Die andere bleibt stabil und erschwert die Materialbewegung. Die Oxidschichten werden lokal, von der Entladung durchquert und zerstört. Je dicker die Oxidschicht ist, desto tiefer und größer sind die Krater. Der Durchbruch erzeugt sehr flache Strukturen, die Bogenentladung erzeugt tiefe Krater und die Glimmentladung bewirkt nur eine schwache Erwärmung der Kathode.