Erstaunliche Entdeckung: Schnellere Reibung, weniger Verschleiß

Forscher der TU Wien haben eine erstaunliche Entdeckung gemacht: Reibung richtet normalerweise bei höheren Geschwindigkeiten mehr Schaden an. Aber bei sehr hohen Geschwindigkeiten kehrt sich das um. Dank einer hochmoderne Supercomputer waren die Wissenschaftler in der Lage, diese komplexen Vorgänge an der Materialoberfläche zu modellieren. So die TU Wien in einer Pressemeldung.

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.

Supercomputer

“Bisher konnten Reibung und Verschleiß nur im Experiment untersucht werden”, sagt Stefan Eder, Forscher an der TU Wien. “Supercomputer sind inzwischen so leistungsfähig, dass wir die sehr komplexen Prozesse an der Materialoberfläche modellieren können.”

Stefan Eder und sein Team bauen am Computer verschiedene Metallverbindungen mit einer streng regelmäßigen und fehlerfreien Anordnung der Atome nach. Dabei handelt es sich um eine Verbindung, die der Realität sehr viel näher kommt: eine geometrisch komplizierte Anordnung von kleinen Kristallen, die in verschiedene Richtungen gedreht sind. “Das ist wichtig, denn alle diese Fehler haben einen entscheidenden Einfluss auf Reibung und Verschleiß”, sagt Eder. “Wenn wir ein perfektes Metall am Computer simulieren würden, hätte das Ergebnis wenig mit der Realität zu tun.

Überraschende Resultate

Das Forscherteam berechnete, wie sich die Gleitgeschwindigkeit auf den Verschleiß auswirkt: “Bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten, in der Größenordnung von zehn oder zwanzig Metern pro Sekunde, ist der Verschleiß gering. Nur die äußeren Schichten verändern sich, die darunter liegenden Kristallstrukturen bleiben weitgehend erhalten”, sagt Eder.

Erhöht man die Geschwindigkeit auf 80-100 Meter pro Sekunde, nimmt der Verschleiß zu – das ist zu erwarten, da dann mehr Energie pro Zeiteinheit auf das Metall übertragen wird. “Dann kommt man allmählich in einen Bereich, in dem sich das Metall wie eine viskose Flüssigkeit verhält, ähnlich wie Honig oder Erdnussbutter”, erklärt Eder. Tiefere Schichten des Metalls werden in Richtung der vorbeiziehenden Oberfläche mitgerissen, und die Mikrostruktur im Metall wird vollständig umgestaltet. Die einzelnen Körner, aus denen sich das Material zusammensetzt, werden verdreht, gebrochen, zusammengeschoben und schließlich mitgezogen.

Eine Überraschung erlebte das Team jedoch, als es zu noch höheren Geschwindigkeiten überging: Oberhalb von etwa 300 Metern pro Sekunde – was in etwa der Höchstgeschwindigkeit von Zivilflugzeugen entspricht – nimmt der Verschleiß wieder ab. Das Gefüge des Metalls knapp unter der Oberfläche, das bei durchschnittlichen Geschwindigkeiten völlig zerstört wird, bleibt nun wieder weitgehend intakt.

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Unbestrittene Wirkung

Genauere Analysen der Computerdaten haben nun gezeigt, wie dieser Effekt möglich ist: Bei extrem hohen Geschwindigkeiten entsteht durch die Reibung viel Wärme – allerdings auf sehr ungleichmäßige Weise. Nur einzelne Stellen auf den Oberflächen der beiden gegeneinander gleitenden Metalle sind in Kontakt, und diese kleinen Bereiche können Tausende von Grad Celsius erreichen. Dazwischen ist die Temperatur viel niedriger.

Dadurch können kleine Teile der Oberfläche schmelzen und einen Bruchteil einer Sekunde später wieder kristallisieren. Die äußere Schicht des Metalls wird also drastisch verändert, aber genau das schützt die tieferen Teile des Materials: Nur die äußeren Schichten des Materials spüren den Abrieb, die darunter liegenden kristallinen Strukturen verändern sich nur geringfügig.

“Dieser bisher kaum diskutierte Effekt tritt bei unterschiedlichen Materialien auf”, sagt Eder. Überall dort, wo Reibung bei hohen bis extrem hohen Geschwindigkeiten auftritt, muss dies in Zukunft unbedingt berücksichtigt werden. Das gilt zum Beispiel für moderne, hochtourige Lager und Getriebe in der E-Mobilität oder für Maschinen, die Oberflächen schleifen. Der jetzt besser verstandene Effekt spielt auch eine Rolle bei der Stabilität von Metallen bei einem Fahrzeugaufprall oder beim Aufprall kleiner Partikel auf Hochgeschwindigkeitsflugzeuge.