Verschleiss von nanokristallinen Metallschichten

(Nanowerk News) Das Interesse an L√∂sungen 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 widerstandsf√§hig und werden deshalb auf Bauteile aufgebracht, die extremer Reibung ausgesetzt sind. Pedro A. Romero, Matous Mrovec und Michael Moseler vom Fraunhofer-Institut f√ľr 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 tr√§gt, zeigten Pedro A. Romero und seine Kollegen nun in ihrer Simulation. Reibt man zwei nanokristalline Eisenoberfl√§chen aneinander, so geht an dieser Stelle die nanokristalline Struktur verloren. Es entstehen gr√∂ssere Kristalle, die sich aber in einer Weise selbst organisieren, dass sie besonders leicht verformt werden k√∂nnen. Dieser so genannte ‚ÄěDritte K√∂rper‚Äú, 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 gegen√ľber mikrokristallinen Reibungspartnern nicht zur√ľck. Diese Erkenntnis gilt f√ľr viele Metalle, die in nanokristalliner Form verwendet werden.
Die Wechselwirkung von Reibung und Verschleiss im Dritten Körper verstehen
Generell entsteht immer ein Dritter K√∂rper, wenn zwei K√∂rper aneinander reiben. Dessen Struktur beeinflusst Reibung und Verschleiss wesentlich. Den Dritten K√∂rper und die Mechanismen beim Reibungsvorgang wirklich zu verstehen, war das eigentliche Ziel dieses Forschungsprojektes. Es zeigte sich, dass der Effekt des ‚Äěweichen‚Äú Dritten K√∂rpers umso ausgepr√§gter auftrat, je reiner das nanokristalline Material der Reibungsk√∂rper war. Daraus ergibt sich nat√ľrlich die Frage, wie man das Material der Reibungsk√∂rper ver√§ndern muss, um den Reibungsprozess weiter optimieren zu k√∂nnen. Die Werkstoffwissenschaftler vom IWM sind der Antwort bereits auf der Spur. Es gibt Hinweise, dass Metalllegierungen der Schl√ľssel zur L√∂sung des Problems sein k√∂nnten. Nun gilt es die optimale Zusammensetzung zu berechnen.
Auf Basis dieser Simulationsrechnungen k√∂nnen 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 Abh√§ngigkeit der gew√ľnschten Tragf√§higkeit und Lebensdauer geben.
Source: Fraunhofer-Institut f√ľr Werkstoffmechanik
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