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Posted: Jul 25, 2014

Verschleiss von nanokristallinen Metallschichten

(Nanowerk News) Das Interesse an Lösungen um Reibung und Verschleiss zu minimieren ist hoch, weil Nachhaltigkeit und Energieeffizienz bei der Entwicklung von bewegten Systemen wie Antrieben immer wichtiger werden. Nanokristalline Metallschichten gelten als besonders hart und widerstandsfähig und werden deshalb auf Bauteile aufgebracht, die extremer Reibung ausgesetzt sind. Pedro A. Romero, Matous Mrovec und Michael Moseler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben nun mit einer aufwendigen Computersimulation gezeigt, dass nanokristalline Schichten die Reibung zwar reduzieren, dass es aber dennoch zum Verschleiss kommen kann.
Die neuen Erkenntnisse werden in der Titelgeschichte der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters vorgestellt ("Coarse Graining and Localized Plasticity between Sliding Nanocrystalline Metals"). Sie sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum optimalen Reibungssystem.
Veränderung der Kristallstruktur in einer metallischen Verschleissschutzschicht während eines Reibvorganges
Veränderung der Kristallstruktur in einer metallischen Verschleissschutzschicht während eines Reibvorganges. In der oberen Bildsequenz zeigt die Bewegung eines Korns, die untere Sequenz die Verschiebung der Korngrenzen. Simuliert wurden zwei aufeinander gleitende Kupferoberflächen. (Bild: Fraunhofer IWM) (click on image to enlarge)
Tribologen sind bislang davon ausgegangen, dass es vorteilhaft ist, 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.
Die nanokristalline Struktur geht verloren
Dass diese vereinfachte Darstellung nicht trägt, zeigten Pedro A. Romero und seine Kollegen nun in ihrer Simulation. Reibt man 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, dass sie besonders leicht verformt werden können. Dieser so genannte „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.
Die Wechselwirkung von Reibung und Verschleiss im Dritten Körper verstehen
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 dieses Forschungsprojektes. Es zeigte sich, dass der Effekt des „weichen“ Dritten Körpers umso ausgeprägter auftrat, 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.
Source: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
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