Een nieuwe groep wetenschappers gaat bij het Institut für Angewandte Materialien van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) onderzoeken, hoe de microstructuur van een materiaal door wrijving verandert. De wetenschappers bepalen de structuurveranderingen bij wrijvingscontact aan de hand van modellen van materiaal zoals koper en staal. Een specifieke instelling van de microstructuur zou het mogelijk kunnen maken om de wrijving en daarmee de materiaalslijtage en het energieverbruik te beperken. Dit belangrijk is voor veel toepassingen, onder meer in verbrandingsmotoren en windturbines.
Waar onderdelen met elkaar in contact komen en ten opzichte van elkaar bewegen, speelt wrijving een rol. De tribologische belasting heeft betrekking op onder meer lagers, cilinders, afdichtingen en aandrijving van pompen, motoren en andere machines. Wrijving veroorzaakt slijtage van het materiaal en verhoogt het energieverbruik.
Om wrijving en slijtage te beperken, is het van groot belang dat juiste structuurcondities van het materiaal beschikbaar zijn. De nieuwe jonge onderzoekersgroep gaat in 13 januari 2013 van start met financiële ondersteuning van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).
Microscopische toestand
De microscopische toestand van een materiaal is mede bepalend voor diens eigenschappen. Voor vaste voorwerpen met wrijvingscontacten is over de samenhang nog weinig bekend. De groep gaat de ontwikkeling van de inwendige materiaalstructuur onder invloed van een tribologische belasting onderzoeken vanuit het perspectief van elementair onderzoek.
Bij proeven met modellen verkrijgen de wetenschappers gegevens van materialen als zeer zuiver koper en C85 staal. Deze staalsoort bevat behalve ijzer ook 0,85 % koolstof en verandert onder de microscoop in de zwaar belaste zones. Ook wordt gekeken op welke manier deze veranderingen hun invloed hebben op de tribologische eigenschappen.
De KIT-onderzoekers concentreren zich op de reverserende wrijvingscontacten, waar bij de beweging in beide tegengestelde richtingen voorkomt. Bij de dode punten (daar waar de bewegingsrichting omkeert) is de glijsnelheid even nul, waar door zelfs bij gesmeerde contactvlakken geen smeerfilm voorhanden is en het hier tot een direct materiaalcontact komt. Deze dode punten zijn niet alleen voor het onderzoek maar ook uit industrieel oogpunt zeer interessant. Zo treedt bij de cilinders van verbrandingsmotoren op dat punt de hoogste slijtage op.
Stuctuurveranderingen
Voorafgaande aan de slijtage treden onder de oppervlakte van het materiaal al structuurveranderingen op. Om de slijtage te kunnen bepalen, moeten deze processen eerst worden begrepen,. Daarvoor heeft KIT eind oktober een speciaal ontworpen twee straals-ionenmicroscoop met hoge resolutie in gebruik genomen.
Om de wrijvingsverschillen te creëren en de invloed hiervan op de microstructuur te onderzoeken, structureren de wetenschappers de contactvlakken voor de 3D bewerking met behulp de laser. De resultaten van deze onderzoeken gebruiken ze voor een model voor de tribologische belastingen. De onderzoeksgroep werkt hiervoor nauw samen met het MikroTribologie Centrum µTC , een gemeenschappelijk initiatief van het Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) en KIT.
De foto toont een monster koper onder de tweestraals ionenmicroscoop. De grijstinten tonen de uiteenlopende oriëntatie van de kristallieten in het materiaal en daarmee diens microstructuur. (foto: Dr. Christian Greiner, KIT)
