Veränderung der Kristallstruktur in einer metallischen Verschleißschutzschicht. Oben die Bewegung eines Korns, unten die Verschiebung der Korngrenzen. Simuliert wurden zwei aufeinander gleitende Kupferoberflächen.
Fraunhofer IWM
Nanokristalline Metallschichten gelten als besonders hart und widerstandsfähig und werden deshalb auf Bauteile aufgebracht, die extremer Reibung ausgesetzt sind. Aber schützen diese Schichten wirklich? Und wenn ja, wie?
Das Interesse an Lösungen, Reibung und Verschleiß zu minimieren, ist hoch, weil Nachhaltigkeit und Energieeffizienz bei der Entwicklung von bewegten Systemen wie Antrieben immer wichtiger werden. 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. Im „Tribologie-Handbuch“ werden ab Seite 253 die Vor- und Nachteile unterschiedlicher tribotechnischer Werkstoffe diskutiert.
Nanokristalline Metallschichten gelten als besonders hart und widerstandsfähig und werden deshalb auf Bauteile aufgebracht, die extremer Reibung ausgesetzt sind. 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
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Pedro A. Romero, Matous Mrovec und Michael Moseler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben nun mit einer Computersimulation gezeigt, dass diese vereinfachte Darstellung nicht trägt. Reibt man nämlich 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, so die Freiburger Forscher, 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 ihres Projektes. Es zeigte sich, dass der Effekt des „weichen“ Dritten Körpers umso ausgeprägter auftrat, je reiner das nanokristalline Material der Reibungskörper war. Das werfe, so die Forscher, die Frage auf, wie man das Material der Reibungskörper verändern muss, um den Reibungsprozess weiter optimieren zu können. Auf Basis ihrer 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.