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Reibung und Verschleiß

Dem Verschleißprozess auf der Spur

| Redakteur: Rebecca Vogt

Hart trifft auf weich: Wenn die Saphirkugel über die Kupferprobe fährt, bewirkt dies bereits beim ersten Kontakt eine dauerhafte Veränderung im Material.
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Hart trifft auf weich: Wenn die Saphirkugel über die Kupferprobe fährt, bewirkt dies bereits beim ersten Kontakt eine dauerhafte Veränderung im Material. (Bild: Paul Schreiber, KIT/IAM)

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Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Verschleiß bereits bei der ersten Berührung auftritt und sich immer an einer ganz bestimmten Stelle im Material abspielt. Langfristiges Ziel ist es, Materialien zu verbessern sowie Energie und Rohstoffe einzusparen.

Überall dort, wo Objekte aneinander haften, übereinander gleiten oder rollen, tritt Reibung auf. In der Folge entsteht Verschleiß, der der Industrie beträchtliche Kosten verursacht. In Deutschland kosten Reibung und Verschleiß nach Informationen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) rund 1,2 bis 1,7 % des Bruttoinlandsprodukts – für das Jahr 2017 entspricht das einem Betrag zwischen 42,5 und 55,5 Mrd. Euro. Der Verschleißprozess ist komplex.

„Hier verändert sich gleichzeitig vieles. Aber wie diese Veränderung genau beginnt, wo Verschleißpartikel wirklich entstehen und wie sich die Reibungsenergie auswirkt, ist bis heute weitgehend unverstanden, da wir bisher kaum direkt unter die Oberfläche der Reibpartner schauen konnten“, erklärt Prof. Peter Gumbsch, Lehrstuhlinhaber für Werkstoffmechanik am KIT und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik. „Mit unseren neuen mikroskopischen Methoden gelingt uns das heute. Dann sieht man im Material eine scharfe Grenzfläche und an dieser Grenze werden die Verschleißpartikel abgelöst. Die Frage ist, wo diese Schwächung im Material herkommt.“

Bereits der Erstkontakt führt zu Verschleiß

Bei ihren Experimenten entdeckten die Wissenschaftler des KIT tatsächlich immer eine scharfe Linie in 150 bis 200 nm Materialtiefe. Sie entsteht schon nach dem ersten Kontakt und ist nicht umkehrbar, womit bereits der Grundstein für die zukünftige Schwachstelle im Material gelegt ist. Die Wissenschaftler experimentierten mit verschiedenen Materialien – darunter etwa Kupfer, Nickel, Eisen und Wolfram. Das Ergebnis war immer gleich. „Mit so etwas haben wir überhaupt nicht gerechnet“, berichtet Gumbsch. Die Erkenntnisse würden dazu beitragen, Vorgänge, die sich bei der Reibung abspielen, auf einer molekularen Ebene grundlegend nachzuvollziehen. „Wenn wir die auftretenden Effekte verstehen, können wir gezielt eingreifen. Mein Ziel ist es, Richtlinien zu entwickeln, mit deren Hilfe man zukünftig Legierungen oder Materialien mit besseren Reibungseigenschaften herstellen kann“, so Gumbsch.

Beschleunigte Oxidation durch Reibung

Bei dem aufgetretenen Defekt im Material handelt es sich um sogenannte Versetzungen. Diese sind für plastische, also unumkehrbare Verformungen verantwortlich. Der Effekt entsteht, wenn sich Atome gegeneinander verschieben. Im Material bildet sich dabei gewissermaßen eine atomare Welle – ähnlich der Bewegung einer Schlange. „Wir haben festgestellt, dass sich diese Versetzungen während des Reibvorgangs selbst organisiert zu der beobachteten linienartigen Struktur zusammenfügen. Dieser Effekt ist bei jedem Versuch in gleicher Weise aufgetreten“, sagt Dr. Christian Greiner vom Institut für Angewandte Materialien des KIT. Die Wissenschaftler verglichen den beobachteten Effekt mit der mechanischen Spannungsverteilung im Material, welche sich analytisch berechnen lässt. Die Berechnungen bestätigten, dass sich bestimmte Versetzungstypen in einem Spannungsfeld mit einer Materialtiefe zwischen 100 und 200 nm selbst organisieren.

Zusätzlich zum erwähnten Effekt untersuchten die Wissenschaftler an Kupferproben, wie sich Reibung auf die Oxidation von Oberflächen auswirkt. Nach wenigen Reibungszyklen bildeten sich auf der Oberfläche Kupferoxidflecken, die mit der Zeit zu halbkreisförmigen nanokristallinen Kupferoxidclustern anwuchsen. Die etwa 3 bis 5 nm großen Kupfer-2-Oxid-Nanokristalle waren von einer amorphen Struktur umgeben und wuchsen immer mehr in das Material hinein bis sie überlappten und eine geschlossene Oxidschicht bildeten.

Dieses Phänomen, so Greiner, sei schon lange bekannt, aber auch hier sei noch nicht erforscht, wie es zu dem Effekt kommt. „Es ist sehr wichtig, zu verstehen, wie durch Reibung verursachte Oxidation vonstattengeht. In materialwissenschaftlichen Untersuchungen ist Kupfer ein sehr häufiges Material. Aber auch als Ausgangsmaterial für bewegliche Teile spielt es eine wichtige Rolle.“ Viele Lager bestehen aus Kupferlegierungen wie Bronze oder Messing. Daher stoßen die Untersuchungsergebnisse in der Kupfer verarbeitenden Industrie auf großes Interesse, wie das KIT mitteilt.

Der Versuchsansatz für beide Untersuchungen: Eine Kugel aus Saphir wird sehr sanft, langsam und kontrolliert in gerader Linie über ein Plättchen aus hochreinem Kupfer gezogen. Die Saphirkugel wurde gewählt, da sie einen immer gleichen, reproduzierbaren Kontaktpunkt garantiert und außerdem der Reibungseffekt auf die Kugel selbst – aufgrund der Härte von Saphir – vernachlässigbar ist. Nach jeder Überfahrung maßen die Forscher die entstandenen Verformungen und die dadurch hervorgerufenen strukturellen Veränderungen im Inneren der Metalle.

* Weitere Informationen: Christian Greiner, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in 76131 Karlsruhe, Tel. (07 21) 6 08-2 64 07, greiner@kit.edu

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