Forschung wider den Verschleiß

Wann immer Bauteile in Kontakt miteinander stehen und sich relativ zueinander bewegen, spielt Reibung eine Rolle. Diese sogenannte tribologische Beanspruchung betrifft Lager, Führungen, Dichtungen und Getriebe in Pumpen, Motoren, Generatoren und anderen Maschinen. Reibung führt zu Materialverschleiß und erhöht den Energieverbrauch. „Um Reibung und Verschleiß zu minimieren, kommt es wesentlich auf die richtige Einstellung der strukturellen Besonderheiten des Werkstoffs an“, erklärt der Materialwissenschaftler Dr. Christian Greiner vom Institut für Angewandte Materialien – Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen (IAM-ZBS) des KIT.

Christian Greiner leitet die Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe „Skaleneffekte und Mikrostrukturentwicklung texturierter Metalloberflächen im reversierenden Reibkontakt“, die am 1. Januar 2013 an den Start ging. Mit dem Emmy-Noether-Programm ebnet die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) herausragenden jungen Forschern den Weg zu früher wissenschaftlicher Selbstständigkeit. Die DFG fördert die Gruppe über fünf Jahre mit insgesamt 1,4 Millionen Euro.

Wie Greiner erklärt, bestimmt die mikroskopische Beschaffenheit eines Materials dessen Eigenschaften entscheidend mit. Für Festkörper im Reibkontakt ist noch wenig über diesen Zusammenhang bekannt. Die Nachwuchsgruppe am IAM-ZBS des KIT untersucht die Entwicklung der inneren Werkstoffstruktur unter tribologischer Belastung aus der Perspektive der Grundlagenforschung. In Modellversuchen ermitteln die Wissenschaftler anhand von Materialien wie hochreinem Kupfer und C85-Stahl, also Stahl, der neben Eisen 0,85 % Kohlenstoff enthält, wie sich die Mikrostruktur in der hoch-beanspruchten Kontaktzone ändert und wie sich diese Änderungen wiederum auf die tribologischen Eigenschaften auswirken.

Dabei konzentrieren sich die KIT-Forscher auf den reversierenden Reibkontakt, der durch eine Bewegung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung entsteht. An den Totpunkten – da, wo die Richtung wechselt – ist die Gleitgeschwindigkeit temporär null, sodass selbst bei Kontakten mit Schmierstoff kein Schmierfilm mehr vorliegt und es zu einem direkten Kontakt zwischen den Festkörpern kommt. „Diese Totpunkte sind nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch aus industrieller Sicht äußerst interessant“, erklärt Greiner. „An Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren beispielsweise tritt dort der höchste Verschleiß auf.“ Wie Greiner weiter erläutert, treten vor dem Verschleiß aber bereits Strukturänderungen im Werkstoff unter der Oberfläche auf. „Diese müssen wir verstehen, um den Verschleiß fassen zu können. Dazu haben wir Ende Oktober ein speziell dafür konzipiertes neues hochauflösendes Zweistrahl-Ionenmikroskop in Betrieb genommen.“

Die Wissenschaftler strukturieren die Kontaktoberflächen durch 3-D-Texturierung mit Laser, um die Reibleistungsdichte zu variieren und deren Einfluss auf die Mikrostruktur zu untersuchen. Ausgehend von den Ergebnissen ihrer Versuche erstellen sie ein Modell für tribologische Belastungen. Dabei arbeitet die Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe mit dem MikroTribologie Centrum μTC zusammen, einer gemeinsamen Initiative des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM und KIT.