Wenn zwei Metalloberflächen gegeneinander gleiten, kommt es zu einer Vielzahl komplizierter Phänomene, die zu Reibung und Verschleiß führen: Kleine kristalline Bereiche, aus denen Metalle typischerweise aufgebaut sind, können verformt, verdreht oder zerbrochen werden, oder auch miteinander verschmelzen. Für die Industrie ist es wichtig, solche Effekte zu verstehen. Verschleiß kann schließlich Maschinen zerstören und eine Menge Geld kosten.

Normalerweise ist der Verschleiß umso größer, je schneller die beiden Oberflächen aneinander vorbeigleiten. Doch bei extrem hohen Geschwindigkeiten, etwa in der Größenordnung der Mündungsgeschwindigkeit einer Schusswaffe, kann sich das umkehren: Oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit nimmt der Verschleiß wieder ab. Dieses überraschende und scheinbar widersinnige Ergebnis konnten der Forschungsbereich Tribologie an der TU Wien und das Exzellenzzentrum für Tribologie (AC2T research GmbH) in Wiener Neustadt in Zusammenarbeit mit dem Imperial College in London nun mit Hilfe von Computersimulationen erklären.

Simulationen auf Hochleistungscomputern

„Früher konnte man Reibung und Verschleiß nur in Experimenten untersuchen“, sagt Stefan Eder (TU Wien, AC2T research GmbH). „Erst in den letzten Jahren sind Supercomputer so leistungsfähig geworden, dass wir die hochkomplexen Prozesse an der Materialoberfläche auch auf atomarer Skala berechnen können.“

Stefan Eder und sein Team bilden am Computer verschiedene Metalllegierungen nach – und zwar keine perfekten Einkristalle, mit einer streng regelmäßigen und fehlerfreien Anordnung von Atomen, sondern eine Legierung, die der Realität deutlich näher kommt: eine geometrisch komplizierte Anordnung winziger Kristalle, die gegeneinander versetzt oder in verschiedene Richtungen verdreht sein können und sich so als Materialfehler manifestieren. „Das ist wichtig, denn all diese Fehler haben einen ganz entscheidenden Einfluss auf Reibung und Verschleiß“, erklärt Stefan Eder. „Würden wir am Computer ein perfektes Metall simulieren, hätte das Ergebnis mit der Wirklichkeit wenig zu tun.“

Überraschende Ergebnisse

Das Forschungsteam berechnete, wie sich die Reibungsgeschwindigkeit auf den Verschleiß auswirkt: „Bei vergleichsweise kleinen Geschwindigkeiten, in der Größenordnung von zehn oder zwanzig Metern pro Sekunde, ist der Verschleiß gering. Nur die äußersten Schichten verändern sich, die Kristallstrukturen darunter bleiben im Großen und Ganzen intakt“, sagt Stefan Eder.

Wenn man die Geschwindigkeit auf 80 bis 100 Meter pro Sekunde erhöht, nimmt der Verschleiß zu – das ist zu erwarten, schließlich wird dann auch mehr Energie je Zeiteinheit in das Metall übertragen. „Man kommt dann allmählich in einen Bereich, in dem sich das Metall verhält wie eine zähe Flüssigkeit, ähnlich wie Honig oder Erdnussbutter“, sagt Stefan Eder. Tiefere Schichten des Metalls werden in die Richtung der vorübergleitenden Oberfläche mitgezogen, die Mikrostruktur im Metall wird völlig durcheinandergebracht. Die einzelnen Körnchen, aus denen das Material besteht, werden verdreht, zerbrochen, ineinandergeschoben und schließlich in die Länge gezogen.

Eine Überraschung erlebte das Team allerdings, als man dann zu noch höheren Geschwindigkeiten überging: Ab etwa 300 Metern pro Sekunde – das entspricht ungefähr der Höchstgeschwindigkeit von Flugzeugen in der zivilen Luftfahrt – wird der Verschleiß wieder geringer. Die Mikrostruktur des Metalls knapp unter der Oberfläche, die bei mittleren Geschwindigkeiten völlig zerstört wird, bleibt nun wieder zum Großteil intakt.

„Das war für uns und für die Tribologie-Community verblüffend“, sagt Stefan Eder. „Doch Literaturrecherchen zeigten uns: Dieser Effekt ist auch schon von anderen WissenschaftlerInnen in Experimenten beobachtet worden – er ist nur nicht sehr bekannt, weil derart hohe Geschwindigkeiten selten vorkommen. Seine Herkunft wurde jedenfalls bisher nicht geklärt.“

Punktweises Aufschmelzen der Oberfläche schützt tiefere Schichten

Genauere Analysen der Computerdaten gaben nun Aufschluss darüber, wie dieser Effekt möglich wird: Bei extrem hohen Geschwindigkeiten erzeugt die Reibung viel Wärme – allerdings auf sehr ungleichmäßige Weise. Lediglich einzelne Punkte auf den Oberflächen der beiden aneinander reibenden Metalle sind in Kontakt, und diese Punkte können tausende Grad Celsius erreichen. Dazwischen ist die Temperatur viel niedriger.

Das führt dazu, dass kleine Teile der Oberfläche aufschmelzen und Sekundenbruchteile danach wieder auskristallisieren können. Die alleräußerste Schicht des Metalls wird also dramatisch verändert, doch genau dadurch werden die tieferliegenden Bereiche des Materials geschützt: Nur die äußersten Materiallagen spüren den Verschleiß, die kristallinen Strukturen darunter verändern sich nur leicht.

„Dieser bisher kaum diskutierte Effekt tritt bei unterschiedlichen Materialien auf“, sagt Stefan Eder. „Überall, wo es zu Reibung mit hoher bis extrem hoher Geschwindigkeit kommt, wird man das in Zukunft unbedingt berücksichtigen müssen.“ Das trifft etwa auf moderne, besonders hochdrehende Lager und Getriebe in der E-Mobilität zu, oder auf Maschinen, die Oberflächen schleifen. Aber auch für die Stabilität von Metallen bei einem Fahrzeugcrash oder beim Aufprall von kleinen Partikeln auf Hochgeschwindigkeits-Flugzeuge spielt der nun besser verstandene Effekt eine Rolle.

Originalpublikation

S. Eder et al., Does speed kill or make friction better?—Designing materials for high velocity sliding; Applied Materials Today, 29, 101588 (2022)., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Rückfragehinweis

Dr. Stefan Eder
Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung
Technische Universität Wien
stefan.j.eder@tuwien.ac.at

Prof. Carsten Gachot
Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung
Technische Universität Wien
+43 1 58801 30763
carsten.gachot@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
+43 1 58801 41027
florian.aigner@tuwien.ac.at