Forschung wider den Verschleiß

Emmy Noether-Nachwuchsgruppe zum Zusammenhang zwischen Reibung und Mikrostruktur

13.11.2012 - Deutschland

Wie sich die Mikrostruktur von Werkstoffen durch Reibung ändert, untersucht eine neue Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Institut für Angewandte Materialien des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Die Forscher um Dr. Christian Greiner ermitteln die Strukturänderungen beim Reibkontakt anhand von Modellmaterialien wie Kupfer und Stahl. Eine gezielte Einstellung der Mikrostruktur könnte es ermöglichen, die Reibung und damit den Materialverschleiß und den Energieverbrauch zu minimieren – wichtig für viele Anwendungen von Verbrennungsmotoren bis Windkraftanlagen.

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 startet.

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 Prozent Kohlenstoff enthält, wie sich die Mikrostruktur in der hochbeanspruchten 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 Christian Greiner.

Die Wissenschaftler strukturieren die Kontaktoberflächen durch 3-DTexturierung
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.

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