Kavitationsblasen als Schutzschicht?

Eine bisher unbekannte Entstehungs­weise von Kavitations­blasen haben Forscher mit Hilfe einer Modell­rechnung entdeckt. Sie untersuchten, wie Öl-abstoßende und Öl-anziehende Oberflächen auf einen vorbei­strömenden Ölfilm wirken. Je nach Viskosität des Öls bildet sich am Übergang eine Dampfblase. Diese sogenannte Kavitation kann Material schädigen – etwa bei Schiffs­schrauben oder Pumpen. Sie kann aber auch einen positiven Effekt haben, in dem sie für Abstand zwischen Bauteilen sorgt und damit Schädigung vermeidet.

Die Material- und Reibungsforscher wollten wissen, welchen Einfluss chemisch unterschiedliche Ober­flächen auf das Fließ­verhalten eines Schmier­stoffs haben. Insbesondere interessierte sie das Verhalten in nano­meter­breiten Schmierspalten, einem kritischen Fall nah an der Grenz­reibung, also kurz vor dem direkten Kontakt zwischen Oberflächen. Dazu stellten sie ein mathematisches Modell auf, in welchem sie die Viskosität des Schmier­stoffs und die Ober­flächen­eigenschaften der Wände variierten. „Wir waren sehr überrascht, dass in der Simulation dann am Übergang der Oberflächen – also der Grenze zwischen Öl-anziehend und Öl-abstoßend – Kavitation entsteht“, berichten Lars Pastewka und Peter Gumbsch vom Institut für Angewandte Materialien des KIT.

Kavitation ist ein bekanntes und wegen seiner zerstörerischen Kraft gefürchtetes, physikalisches Phänomen. „Bisherige Kavitations­modelle gehen von einer bestimmten Geometrie aus, die Kavitation hervorruft, wie zum Beispiel eine Engstelle in einer Pumpe oder eine Schiffs­schraube, die hohe Strömungs­geschwindigkeiten verursacht“, erklärt Pastewka. Dabei gilt das physikalische Gesetz von Bernoulli, dass der statische Druck einer Flüssigkeit umso geringer ist, je schneller sie strömt. Fällt dabei der statische Druck unter den Verdampfungs­druck der Flüssigkeit, bilden sich Dampf­blasen. Steigt der Druck wieder – zum Beispiel wenn die Flüssig­keit nach einer Engstelle in einer Pumpe wieder langsamer fließt – kondensiert der Dampf in den Blasen schlagartig und sie implodieren. Die dabei entstehenden extremen Druck- und Temperatur­spitzen führen zu typischen Kavitations­kratern und erheblicher Erosion selbst in gehärtetem Stahl.

„Diese schlagartige Implosion der Dampfblasen passiert aber in den meisten geschmierten Tribo­systemen nicht“, betont Daniele Savio, der mittlerweile am Fraunhofer-Institut für Werkstoff­mechanik in Freiburg forscht. „Da der Fluid­spalt zwischen aneinander reibenden Oberflächen in der Regel sehr dünn ist, können die Kavitations­blasen nicht stark wachsen und bleiben deswegen stabil. Die Kavitations­blase hat dann keine schädliche Wirkung und dient sogar als Puffer zwischen den Oberflächen, was Reibung und Verschleiß reduziert. Deswegen ist es wichtig, diesen positiven Effekt kontrolliert zu generieren“, erklärt er.

In ihrem Simulationsmodell belegen Savio und seine Kollegen nun, dass auch chemisch wechselnde Oberflächen zu Kavitations­blasen führen können. Sie stellen in ihrer gerade erschienenen Publikation die Frage, ob Kavitation in Situationen, wo ein Schmier­stoff zwischen zwei Oberflächen strömt, die Norm ist und nicht die Ausnahme. „Denn üblicher­weise sind Oberflächen, wie sie in Motoren oder Zylinder­systemen vorkommen, nie homogen – also nur Öl-anziehend oder Öl-abstoßend“, betont Savio. „Der von uns berechnete Effekt könnte daher überall in geschmierten Motoren und Pumpen entstehen, wo wechselnde Oberflächen­eigenschaften aneinandergrenzen.“

Kavitation wurde bisher ausschließlich als geometrischer Effekt betrachtet, der durch Scherkräfte, Fließ­geschwindigkeit und Druck­unterschiede entsteht, beschreiben die Forscher die Situation. „Dass Kavitation auch an Übergängen von wechselnden Oberflächen­eigenschaften entstehen kann, ist komplett neu“, hebt Pastewka hervor. Durch ein gezieltes Einstellen der Oberflächen­chemie, so sind sich die Forscher sicher, könnte man die Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Schmierstoff erheblich verbessern. In den Modell­simulationen konnte man eine Verbesserung der Oberflächen­trennung um zehn Prozent beobachten.

„Zusätzliche zehn Prozent Abstand erlauben beispielsweise in Gleitlagern höhere Normalkräfte und Last­tragfähig­keiten bei ansonsten gleichen Bedingungen“, überlegt Savio. In jedem Fall, da sind sich die Wissenschaftler einig, muss die Oberflächen­chemie als Design­element im Maschinen­bau nun neu bewertet werden.

KIT / DE