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Metalle Forschung wider den Verschleiß

| Redakteur: Dorothee Quitter

Wie sich die Mikrostruktur von Werkstoffen durch Reibung ändert, untersucht eine Emmy Noether-Nachwuchsgruppe am Institut für Angewandte Materialien des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

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Kupferprobe unter dem Zweistrahl-Ionenmikroskop: Die Graustufen zeigen die unterschiedlicheAusrichtung der Kristallite im Material und damit dessen Mikrostruktur
Kupferprobe unter dem Zweistrahl-Ionenmikroskop: Die Graustufen zeigen die unterschiedlicheAusrichtung der Kristallite im Material und damit dessen Mikrostruktur
(Bild: KIT, Dr. Christian Greiner)

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. So 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 interessant, da dort der höchste Verschleiß auftritt. 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. Dabei arbeitet die Emmy Noether-Nachwuchsgruppe mit dem MikroTribologie Centrum μTC zusammen, einer gemeinsamen Initiative des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM und KIT. (qui)

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