Tribotechnik

unterschiedliche Auffassungen über die letzten Jahre.

These:
Reibung ist ein Elementarprozess zwischen sich berührenden Stoffen bestimmt durch chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften und die Relativbewegung verhindert.

f=F(Systemstruktur, Beanspruchungskollektiv)

Reibungskraft F_R
-resultiert infolge mechanischen Widerstandes gegen Relativbewegung (entgegengesetzt)

Reibungsmoment M_{R
-resultiert infolge mechanischen Widerstandes gegen rotatorische Relativbewegung}

_{Reibungszahl f
-\(f = {F_R \over F_N}\)}

Reibungsarbeit A_R

die infolge de Wechselwirkung von Reibpartnern auftretende Form- oder Stoffänderung der Randschichten von Festkörpern eingeteilt nach:
-Bewegungsform
-Verschleißarten
-Verschleißzuständen
-Verschleißmechanismen

Adhäsion, Abrasion, Ermüdung, Tribochemische Reaktion

Wechslewirkung von Grund und Gegenkörper -> Ausbildung und Trennung von Grenzflächenhaftverbindungen (oberflächennah)

chemische, physikalische, mechanische Komponente der Adhäsion

Prozess:

1. Deformation kontaktierender Rauigkeiten
2. Zerstörung von Oberflächen-Deckschichten
3. Bildung von Grenzflächenbindungen
4. Zerstörung von Grenzflächenbindungen oder Überwindung kohäsiver Bindungen im Festkörper

Einflussgrößen:

• Elektronenstruktur und -bindung
• Gittertyp
• Oberflächenmorphologie

Relativbewegung 2er Körper unterschiedlicher Härte -> Eindringen des Härteren (mineralisches Teilchen/ Mikrorauheit/ Verschleißteilchen) in Weicheren

Mechanismen:

• Mikropflügen - Furchenbildung
• Mikrospanen - Werkstoffabtrag in Spanform
• Mikrobrechen - Ausbrechen bei spröden Werkstoffen

durch zyklisch wechselnde Beanspruchung bei Relativbewegung -> Zerstörung der Randschicht (Grübchen/ Pitting)

Mechanismus:

1. Bildung von Ermüdungsstrukturen
2. Mikrorissbildung und -ausbreitung
3. Makrorissausbreitung

Einflussgrößen:

• Kristallaufbau
• Korngröße
• Zwischenstoff

Beanspruchung -> chemische Reaktionen -> Partikel oder Schichten auf oder zwischen sich berührenden Oberflächen -> Bildung von oxidischen Schichten

Mechanismus:

1. Aktivierung von Oberflächenbereichen
2. Bildung oxidischer Bereiche
3. Schichtbildung und -wachstum
4. Rissinitiierung und -ausbreitung
5. Schichtabplatzen
6. Schichtwachstum

Einflussgrößen:

• Kristallaufbau
• Umgebungsmedium
• Temperatur

Verschleißbetrag

• linearer Verschleißbetrag W_l
• planimetrischer Verschleißbetrag W_q
• volmetrischer Verschleißbetrag W_v
• massemäßiger Verschleißbetrag W_m

Verschleißwiderstand

• \( {1 \over W}\)

   

Verschleißkoeffizient k
- beruht auf im ASM Handbook definierer "specific wear rate"

\(k = {W_v \over F_N*s}\)

Widerstand in Fluiden gegen die Verschiebung ihrer Teilchen gegeneinander 

• dynamische Viskosität η
• statische Viskosität ν

Viskositätsindex:

- normiert für Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Ölen

Newton'sche Flüssigkeiten:
- Viskosität vom Spannungs- und Deformationszustand abhängig (reine Mineral- und Syntheseöle)

Strukturviskose Flüssigkeiten:
- Viskosität ist zeitabhängig - Öle mit Additiven
  ->Thixotrophie - Abnahme Viskosität unter Belastung
  ->Rheopexie - Zunahme Viskosität unter Belastung

Schmierstoffe können:

• pulverförmig
• plastische Massen
• Flüssigkeiten (dominierend - besonders Mineralöle)
• Gase

sein

Mineralöle sind Kohlenwasserstoffverbindungen (Naphten- oder paraffinbasische Öle)
- eignen sich besonders als Schmierstoff wegen:

• guter Viskosität 
• Dichte
• spezifischer Wärme

sinnvoll, wenn Anforderungen von Mineralölen nicht zu erfüllen sind:

• extrem gutes Kälteverhalten bei geringer Viskosität-Temperatur-Abhängigkeit
• schwere Entflammbarkeit
• hohe thermische Beständigkeit

Synthetische Öle sind unterteilt in:

• Ester
• Silikone
• Ployglykole
• Phosphorsäureester

zur Verbesserung gebrauchswertbestimmender Eigenschaften wie:

• Viskositätsindexverbesserer
• Korrosionsinhibitoren
• EP-Zusätze
• Oxidationsinhibitoren
• Pourpointerniedriger
• Reibungs- und Verschleißminderer

• Reibungszustand
• Belastungsniveau
• Umgebungsbedingungen
• wirtschaftliche Bedingungen

• verschleißfeste Werkstoffe
  (Mikrolegierung, metastabile Gefüge, Pulvermetallurgie)
   
• Randschichtbehandlung
  (Beschichtung, Wärmebehandlung, Umwandlung)
   
• Zwischenstoffoptimierung
  (ep-Zusatz, aw-Zusatz, fm-Zusatz)

Vgl. Bild

gezielte Verbesserung der Eigenschaften des Stahls z.B. durch Verschiebung der Gleichgewichtslinie im Fe-C-Diagramm und damit der Löslichkeit von C

• Si, Cr, W, Mo, Ti, Al, V -> erhöhen  α/γ-Umwandlungspunkt und senken γ/δ-Umwandlungspunkt
  • schmälern dadurch austenitisches Gebiet
  • hoch legierte Stähle -> rein ferritisch, nicht härtbar
• Mn, Ni -> senken  α/γ-Umwandlungspunkt und erhöhen γ/δ-Umwandlungspunkt
  • erweitern austenitisches Gebiet bis Bildung von Austenit bei Raumtemperatur
  • austenitische Stähle sind nicht normalisierbar, härtbar, vergütbar

Si und Mn haben größte Wirkung auf Härte

Temperatur-Zeit-Zyklus:

1. Erwärmen - Raumtemperatur -> Haltettemperatur
2. Halten für vorgegebene Zeit
3. Abkühlen in vorgegebener Geschwindigkeit

Wiederholung möglich - durch schnelles Abkühlen Möglichkeit des Einfrierens von Nichtgleichgewichtszuständen

Verfahren:

• Glühen
• Härten
• Anlassen
• Vergüten
• Umwandeln in Bainitstufe
• Randschichtbehandlung

Härten:

• Härtesteigerung durch Martensitbildung (Variable Härtetiefen)
• Abkühlung so schnell wie NÖTIG (Rissbildung und Verzug vermeiden)
• abhängig von Härtbarkeit Wasser, Öl, Druckgas oder ruhende Lust als Abkühlmedium
• auch mehrstufiger Prozess möglich

Anlassen:

• Verbesserung der Zähigkeit und Maßstabilität
• beim Anlassen -> Zähigkeit und Härte indirekt proportional -> auf Anwendung optimieren!
  • Werkzeuge -> niedrige Temp. -> hart
  • Bauteile -> hohe Temp. -> zäh

Vergüten:

• Schaffung guter Zähigkeit bei gegebener Festigkeit
• Härten + Anlassen im oberen Temperaturbereich (verbesserte Güte durch Kornfeinung - Kugelkarbide)
• Vermeidung der Anlassversprödung
  ->erhöhung der Kerbschlagfestigekeit und Streckgrenze

• Bleiguss-
• Zinnguss-
• Kupfer Guss-
• Kupferknet-
• Kupferguss- oder Sinter-
• Aluminiumlegierungen

• Elastomere
• Thermoplastische Elastomere
• Duroplaste
• Thermoplaste
  • Standartkunststoffe
  • Technische Kunststoffe
  • Hochleistungskunststoffe

• selbstschmierende (Mix-)Werkstoffe durch Einlagerungen von Gleitzusätzen
  • großer Einfluss auf Reibungs und Verschleißverhalten
• individuelle Anpassung an Beanspruchungsparameter und Gegenkörper durch Verstärkungsmaterialien
• Steigerung der Festigkeit UND Schmierwirkung möglich
• Einsatz von Gleitmdifikatoren möglich (PTFE)

Vorteile:

• chemisch beständig
• hochtemperaturbeständig
• hoher Verschleißwiderstand
• geringer Reibungskoeffizient

Nchteile

• geringe Festigkeit
• niedrige Bruchzähigkeit
• geringe Schlagfestigkeit
• aufwändige Bearbeitbarkeit
• hoher Preis

mechanische Verfahren:

• Plattieren:
  • aufbringen dünner Schichten durch Walz-, Gieß- oder Sprengplattieren
  • metallische und Kunststoffschichten möglich

chemische Verfahren

• chemische Abscheidung
  • Metalle werden elektrolytisch abgeschieden
• Konversionsschichten
  • nicht metalische, anorganische, sehr dünne Schichten infolge chemischer Reaktionen
• Abscheidung aus der Dampfphase
  • chemisch-thermischer Schichtaufbau mit Melallen und Polymeren möglich

thermische Verfahren:

• thermisches Spritzen
  • auschleudern von aufgeschmolzenen Spritzzusätzen auf Oberfläche
  • zum Schutz, Reparatur, Festigkeitssteigerung
  • Nutzung von Metallen, Legierungen, Metallkarbiden, Legierungen, Oxiden, organischen Werkstoffen

mechanische Verfahren:

• Druckwalzen und -polieren
  • Verfestigung durch plastische Deformation -> Druckeigenspannungen -> Verringerung Verschleiß
  • hauptsächlich bei Rotateilen
• Druckstrahlen
  • eintrag mechanischer Energie durch Festkörper (z.B. Glas) -> Druckeigenspannungen in Randschicht
  • Wirktiefe kleiner als beim Druckwalzen

thermisch-chemische Verfahren

• Nitrieren ((Pulver-, Salzbad-, Gas-, Plasma-)

thermische Verfahren

• Erzeugung von martensitischen Randschichten 
  • Härten -> Wärmebehandlung - Austenitisieren und Abkühlen
  • Anlassen -> Sprödigkeit verringern
• Unterscheidung nach:
  • Härten (Erwärmen, Halten, Abkühlen)
  • Einsatzhärten (Aufkohlen, Carbonitrieren)
  • Randschichthärten (Austenitisierung der Randschicht)

• Analyse des tribologischen Systems
• gibt es eine gegenwärtige oder vergleichbare Lösung
• Einheit zwischen Werkstoffanwendung und Konstruktion beachten
• Muss der Werkstoff bestimmte Eigenschaften haben, oder reicht eine Randschicht?
• Wirtschaftlichkeit

Verschleißprüfung:

• Praxisversuch
  • I. Betriebsversuch
• bauteilorientierte Prüfanordnung
  • II. Prüfstandsversuch
  • III. Aggregatversuch
• Bauteilprüfung unter Modellbedingungen
  • IV. Bauteilversuch
  • V. Probekörperversuch
• Modellprüfanordnung
  • VI. Modellversuch

• Stift-Scheibe-Tribometer
• Ring-Scheibe-Tribometer
• 2-Scheiben-Wälztribometer
• Taber Abraser Tribometer
• Schwingverschleißtribometer
• Schwenklager Prüfmaschine
• 4-Stationen-Knieverschleiß-Simulator
• ...