Metall auf Metall

  • 28. July 2014

Nanokristalline Metallschichten reduzieren zwar die Reibung, können aber Verschleiß nicht verhindern.

Tribologen sind bislang davon ausgegangen, es sei vorteilhaft, wenn Teile, die starker Reibung ausgesetzt sind, aus besonders hartem Material bestehen. Deshalb bringt man auf solche Bauteile, sofern sie aus Metall sind, häufig eine harte Verschleißschutzschicht auf. Neben Kohlenstoffschichten finden zunehmend nanokristalline Metallschichten Verwendung. Die besonders feine Körnung durch die winzigen Kristalle im Nanometer-Bereich mache das Material besonders robust und minimiere somit Reibung und Verschleiß – so die gängige Vorstellung. Wie Computersimulation jetzt aber zeigen, stimmt das nicht.

Veränderung der Kristallstruktur in einer metallischen Verschleißschutzschicht während eines Reibvorganges

Abb.: Veränderung der Kristallstruktur in einer metallischen Verschleißschutzschicht während eines Reibvorgangs. In der oberen Bildsequenz zeigt die Bewegung eines Korns, die untere Sequenz die Verschiebung der Korngrenzen. Simuliert wurden zwei aufeinander gleitende Kupferoberflächen. (Bild: Fh.-IWM)

Reiben zwei nanokristalline Eisenoberflächen aneinander, so geht an dieser Stelle die nanokristalline Struktur verloren. Es entstehen größere Kristalle, die sich aber in einer Weise selbst organisieren und sich besonders leicht verformen lassen. Dieser  „Dritte Körper“, der sich zwischen den beiden Reibpartnern bildet, ist in diesem Fall mikrokristallin, also viel weicher als das nanokristalline Grundmaterial. Die Reibung ist deshalb zwar etwas geringer, der Verschleiß geht aber gegenüber mikrokristallinen Reibungspartnern nicht zurück. Diese Erkenntnis gilt für viele Metalle, die in nanokristalliner Form verwendet werden.

Generell entsteht immer ein Dritter Körper, wenn zwei Körper aneinander reiben. Dessen Struktur beeinflusst Reibung und Verschleiß wesentlich. Den Dritten Körper und die Mechanismen beim Reibungsvorgang wirklich zu verstehen, war das eigentliche Ziel des Forschungsprojekts am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg. Wie sich zeigte, tritt der Effekt des „weichen“ Dritten Körpers umso ausgeprägter auf, je reiner das nanokristalline Material der Reibungskörper war. Daraus ergibt sich natürlich die Frage, wie man das Material der Reibungskörper verändern muss, um den Reibungsprozess weiter optimieren zu können. Die Werkstoffwissenschaftler vom IWM sind der Antwort bereits auf der Spur. Es gibt Hinweise, dass Metalllegierungen der Schlüssel zur Lösung des Problems sein könnten. Nun gilt es, die optimale Zusammensetzung zu berechnen.

Auf Basis dieser Simulationsrechnungen können Pedro Romero und seine Kollegen nun das empfindliche Gleichgewicht zwischen Reibung und Verschleiß in nanokristallinen Verschleißschutzschichten nachbilden und Schichtentwicklern Hinweise zur erforderlichen Beschaffenheit der Schicht in Abhängigkeit der gewünschten Tragfähigkeit und Lebensdauer geben.

Fh.-IWM / OD

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