Reibung und Verschleiß - eine kurze werkstoffkundliche Einführung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Reibung und Verschleiß
2.1 Grundlegendes und Definitionen
2.2 Reibungsarten und -mechanismen
2.3 Tribosysteme
2.4 Verschleißmechanismen und ihre Erscheinungsformen

3 Optimierung des Verschleißwiderstandes
3.1 Härte und Verschleiß
3.2 Modifikation der Oberfläche

4.0 Literaturhinweise

Zusammenfassung

Reibung und Verschleiß sind sowohl werkstoffkundlich als auch anwendungstechnisch sehr eng miteinander verbunden. Die wirtschaftlichen Verluste sind enorm. Das Ziel sind daher verbesserte Werkstoffe bzw. für Verschleißbeanspruchungen optimierte Werkstoffoberflächen. Der hier vorliegende Beitrag gibt aufbauend auf den entsprechenden werkstoffkundlichen Grundlagen einen kurzen Überblick über Tribosysteme und deren Verschleißmechanismen bzw. –erscheinungsformen. Darüber hinaus werden einige Oberflächenmodifikationen und deren Auswirkungen auf das Verschleißverhalten erläutert.

Summary

Friction and wear are connected both from the view of the material science as well as from the view of the technical application with each other very narrowly. The economic losses are enormous. Therefore the aim must be to improve the materials or to optimize the material surfaces for wear uses. Based on material sciences this contribution gives a short summary of tribo-systems and its wear mechanisms and wear manifestations. Furthermore some surface modifications and their effects on the wear behaviour are explained.

1 Einleitung

Tribologische Fragen haben die Ingenieure seit Jahrhunderten beschäftigt. Unbestritten sind der wichtige Einfluss der Reibung bei Energieverlusten und die Bedeutung von Verschleiß für die Lebensdauer von Maschinen und Werkzeugen. Der Umfang der Forschung auf diesem Gebiet war und ist groß. Auch wenn daraus manche nützliche Ergebnisse hervorgegangen sind, so entsprach doch der Fortschritt des grundsätzlichen Verständnisses von Reibung und Verschleiß nicht dem Umfang dieser Bemühungen. Dies ist jedoch nicht der Unfähigkeit der Forscher zuzuschreiben, sondern dem höchst komplexen Systemcharakter der Tribologie als solcher.

Reibung wird verursacht durch eine Vielzahl energiedissipierender Prozesse. Dabei wird grundsätzlich zwischen „innerer“ und „äußerer“ Reibung unterschieden. Erstere führt zu Dämpfung von Schwingungen unter Entwicklung von Wärme oder zu Ermüdung durch Bildung und Akkumulation von Strukturdefekten. Die äußere Reibung entsteht durch die tangentiale Bewegung zweier Oberflächen von Festkörpern oder auch durch an einer festen Oberfläche vorbeiströmende Fluide. Insbesondere die äußere Reibung führt zu Verschleiß, also den Verlust von Material aus den beteiligten Festkörpern.

Die so durch Reibung und Verschleiß anfallende Wertminderung von Gütern und industriellen Anlagen ist von hoher wirtschaftlicher Bedeutung. Nach regelmäßigen Erhebungen werden in den führenden Industrienationen die durchschnittlichen jährlichen Schäden auf ca. 4 % des Bruttosozialproduktes beziffert /1/. Vor dem aktuellen Hintergrund vielfältiger Energie- und Rohstoffprobleme bekommen die Fragen der Gewährleistung und damit der Bauteilhaltbarkeit wieder eine zunehmende Bedeutung.

Im Folgenden soll daher insbesondere der werkstoffkundliche Hintergrund von Reibung und Verschleiß kurz näher betrachtet werden. Vertiefend wird dabei auf die Wechselwirkungen innerhalb eines Tribosystems eingegangen und darauf aufbauend Werkstoffkonzepte zur Optimierung von entsprechend beanspruchten Maschinenkomponenten vorgestellt.

2 Reibung und Verschleiß

2.1 Grundlegendes und Definitionen

Die Festigkeitsbegriff ist werkstoffkundlich gesehen ein recht komplexer Aspekt, da er doch durch die Gesamtheit verschiedener Widerstände beschrieben wird, die der Werkstoff den äußeren (oder inneren) Belastungen entgegensetzt. Neben den Widerständen gegen eine plastische Verformung oder gegen Rissinitiierung und –wachstum, ist auch der Widerstand gegen Verschleiß hier eingeschlossen und stellt eine ganz wesentliche Größe zur Optimierung von Werkstoffen dar (Abbildung 1).

Abbildung 1

Verschleißwiderstand als wichtige Komponente der Festigkeit,

(nach Hornbogen /2/)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Da Verschleiß i.d.R. immer durch eine beliebig geartete Relativbewegung zweier Medien bzw. im engeren Sinne zweier Körper verbunden ist, sollen zunächst diese Begriffe per Definition beschrieben werden, (nach /3/):

„Reibung ist der Verlust an mechanischer Energie beim Ablaufen, Beginnen oder Beenden einer Relativbewegung sich berührender Stoffbereiche.“

„Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers (Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers.“

Das Fachgebiet, das sich mit Reibung und Verschleiß befasst, wird Tribologie genannt.

Um die Gesamtzusammenhänge der Tribologie besser verstehen zu können, ist es lohnenswert, sich in den nächsten Abschnitten zunächst etwas intensiver und jeweils getrennt mit Reibung und Verschleiß, ihren Mechanismen sowie ihren Erscheinungsformen zu beschäftigen.

2.2 Reibungsarten und Mechanismen

Der Vollständigkeit halber muss bei der Reibung zunächst zwischen der sogenannten inneren und der äußeren Reibung unterschieden werden.

Dabei ist die innere Reibung ein Energieverzehr bei Bewegung der Atome bzw. Moleküle eines Stoffes gegeneinander (z.B. bei Strömungen innerhalb eines Öles). Es können äußere Kräfte (z. B. Schwerkraft auf jedes Flüssigkeitsteilchen) wirken und Druckdifferenzen können Beschleunigungen hervorrufen. Zu beachten ist die innere Reibung insbesondere bei:

- Flüssigkeiten,
- Gasen und
- Festkörpern

Aus werkstoffkundlicher Sicht sind die inneren Vorgänge in Gasen und Flüssigkeiten eher von untergeordneter Bedeutung. In Festkörpern gewinnt die innere Reibung jedoch ganz wesentliche Bedeutung bei der Dämpfung von Schwingungen und der Ermüdung durch strukturelle Defekte im atomaren Aufbau bzw. dem submikroskopischen Gefüge von Werkstoffen.

Äußere Reibung tritt immer dann auf, wenn zwei verschiedene Stoffe oder Wirkflächen sich in Kontakt befinden und eine Relativbewegung erzeugt wird bzw. werden soll. Die äußere Reibung ist die primäre Ursache für den Verschleiß, der weiter unten noch ausführlich betrachtet werden soll. Je nach dem, ob die Relativbewegung der beiden Reibpartner gerade beginnt oder im Gange ist, wird unterschieden zwischen Haft- und Gleitreibung.

Die Haftreibung (auch Ruhereibung), mathematisch beschrieben durch die Haftreibungskraft F H, ist abhängig von der auf den Körper wirkenden Normalkraft FN und der Haftreibungszahl (meist auch „Reibungskoeffizient“ genannt) μ H, dagegen unabhängig von der Größe der Berührungsfläche. Die Haftreibungszahl μ H wird bestimmt durch die Rauhigkeit und die Stoffarten der reibenden Flächen.

FH = mH ∙ FN (1)

Bei der Haftreibung tritt keine Relativbewegung zwischen den Reibpartnern auf. Diese Bewegung entsteht erst nach der Überwindung des sogenannten Losbrechmoments.

Die Gleitreibung (auch Bewegungsreibung) bzw. die daraus resultierende Kraft ist stets kleiner als F H. Sie ist abhängig von der Größe der Normalkraft und der Gleitreibungszahl (Reibungskoeffizient).

FGL = mGL ∙ FN (2)

Der Gleitreibungskoeffizient μ GL hängt dabei wiederum von der Relativgeschwindigkeit der sich reibenden Flächen ab. Darüber hinaus wird die Gleitreibung wesentlich von der Rauhigkeit und dem Material der Wirkflächen sowie vom Vorhandensein einer Zwischen- oder Schmierschicht bestimmt.

Vor diesem so gelegten Hintergrund können nun für die werkstoffkundliche Betrachtung unterschiedliche Reibungsarten unterschieden werden.

Festkörperreibung

Bei der Festkörperreibung berühren sich die aufeinandergleitenden Flächen. Dabei werden Oberflächenerhöhungen eingeebnet. Der dabei meistens (aber nicht immer!) auftretende Materialverlust bzw. Abrieb ist ein Maß für den Verschleiß. Bei ungünstiger Werkstoffpaarung (insbesondere gleiche Gitterstruktur) und großer Flächenpressung können die Oberflächen sogar miteinander verschweißen. Festkörperreibung tritt beispielsweise auf, wenn kein Schmierstoff verwendet wird oder die Schmierung versagt.

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