Tribologie
Tribologie, abgeleitet von altgriechisch τρίβειν tribein (reiben, abnutzen) und λόγος lógos (Lehre), bezeichnet die Wissenschaft der Reibungslehre. Diese umfasst die Beschreibung der Reibung, der Berechnung und Messung von Reibungskoeffizienten, den Verschleißvorgängen und der Schmierung zwischen aufeinander einwirkenden Oberflächen unter Relativbewegung.
Informationen
Die Bezeichnung Tribologie wurde zum ersten Mal 1966 von Sir Peter Jost für die Vorgänge der Reibungslehre verwendet. Diese Wissenschaft der Tribologie umfasst die Gebiete Reibung, Schmierung, Kontaktmechanik, Verschleiß und Schadensanalyse. ie Tribologie ist eine breit aufgestellte interdisziplinäre Wissenschaft, die sich aus den Bereichen Chemie, Maschinenbau, Physik und Werkstoffwissenschaften zusammensetzt.
Reibung ist notwendig, denn ohne sie würde die Welt nicht funktionieren. Gleichzeitig verursacht sie in Form von Verschleiß und Ausfällen Verluste bis zu einer Höhe von 4 % des Bruttoinlandsproduktes in den Industrieländern. Man unterscheidet bei der Reibung den trockenen und den geschmierten Zustand. Die Stärke der Ausbildung eines Schmierfilms und somit die Größe des Reibungskoeffizienten wird maßgeblich von der Oberflächenstruktur beeinflusst. Die Anfangsoberfläche eines tribologischen Kontaktes hat wie der Einlaufprozess selbst entscheidenden Einfluss auf die spätere Bauteilfunktion.
Kenntnisse über die Reibungsmechanismen sind in der Tribologie elementar, um die negative Auswirkung von Reibung, den Verschleiß, minimieren zu können. Man unterscheidet vier grundlegende Verschleißmechanismen: die Abrasion, die Ermüdung, die Adhäsion und den Tribochemischen Verschleiß. Im Schadensfall können aus dem Verschleißbild Rückschlüsse auf die physikalische Wirkkette und somit auf die Primärursache getroffen werden.
Reibung
Durch Reibung entsteht eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzt wirkende Kraft, wenn man zwei Körper, auf die eine Normalkraft wirkt, relativ zueinander bewegt.
Bei der trockenen Reibung erfolgt die Kraftübertragung durch die folgende Reibungsmechanismen:
– Aneinanderhaften von Oberflächen (Adhäsion)
– Deformation durch gegenseitiges Eindringen) und
– Furchung Coulombsche Reibung).
Des Weiteren unterscheidet man folgende Reibungsarten
– Gleitreibung
– Rollreibung
– Wälzreibung
– Bohrreibung
Die Oberflächenmikrostruktur hat bei Reibkontakten in der Tribologie eine enorme Bedeutung, egal ob es sich um einen trockenen oder einen geschmierten Kontakt handelt. Die Topografie wird im Steinbeis-Transferzentrum mit Hilfe von hochauflösenden optischen Messgeräten erfasst und durch dreidimensionale Oberflächenkenngrößen charakterisiert.
Reibwerte kann man nicht berechnen und deshalb werden für konkrete Tribosysteme diese mit Hilfe eines Modellprüfssystems (Tribometer) bestimmt. Die Reibwertmessung dient dazu den Reibwert bzw. Reibungskoeffizient eines tribologischen Systems, was mindestens aus zwei Körpern besteht, zu bestimmen. Dazu wird ein Prüfkörper unter einer definierten Normalkraft über einen Grundkörper relativ bewegt. Dabei wird die Reibkraft gemessen und aus dem Verhältnis zur Normalkraft der Reibwert µ berechnet. Der Reibwert ist keine Materialeigenschaft sondern eine Systemeigenschaft und kann somit nur durch Messungen bestimmt werden.
Verschleiß
Allgemeinsprachlich wird der Begriff Verschleiß für den Vorgang als auch für das Ergebnis verwendet. Zur Unterscheidung müssen aber für den Vorgang der Begriff Verschleißvorgang und das Ergebnis die Begriffe Verschleißerscheinungsformen und/oder die Verschleißmessgrößen verwendet werden. Verschleiß entsteht durch das komplexe Zusammenspiel der Mikro- und Makrostruktur von Oberflächen- sowie durch Materialeigenschaften. In der 1997 zurückgezogenen DIN 50320 wird Verschleiß als der fortschreitende Materialverlust einer Oberfläche eines festen Körpers (Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, also den Masseverlust (Oberflächenabtrag) einer Stoffoberfläche definiert. Jedoch ist diese Definition nicht ausreichend präzise, denn Verschleiß liegt schon dann vor, wenn die Funktion der Komponente beeinträchtigt ist.
Im Arbeitsblatt 7 der Gesellschaft für Tribologie werden innerhalb des Tribosystems folgende Größen für die Betrachtung des Themas Verschleiß definiert:
– Verschleißmechanismen,
– Verschleißarten,
– Verschleißerscheinungsformen und
– Verschleißmessgrößen.
Die Verschleißprüfung dient dazu, das Verschleißverhalten von Materialpaarungen/Beschichtungen zu ermitteln. Hierzu wird bei einem Tribometer ein Prüfkörper geeigneter Geometrie mit einer definierten Normalkraft über einen Grundkörper bewegt. Diese Bewegung kann translatorisch oder rotatorisch erfolgen. Zur Untersuchung des Verschleißhaltens können Frequenz, Hub, Prüfkraft, Prüfdauer und ggfs. der Schmierstoff variiert werden. Nach dem Test wird der Verschleiß gravimetrisch oder durch optische Messungen bestimmt.
Schmierung
Schmierstoffe sind Stoffe, die in einem tribologischen System die Reibung und den Verschleiß verringern. Simultan dienen sie auch zur Kraftübertragung, Kühlung, Dämpfung und als Korrosionsschutz. Schmierstoffe können fest, flüssig, konsistent oder gasförmig sein.
Gasförmige Schmierstoffe finden bei schnellläufigen, wenig belasteten Maschinen wie Ultrazentrifugen oder Gaspumpen ihren Einsatz.
Den größten Bereich der Schmierstoffe umfassen die flüssigen Schmierstoffe. Dieser reicht von verflüssigten Gasen bis hin zu zähflüssigen Ölen. Die bedeutendste Gruppe der Flüssigschmierstoffe ist die der Mineralöle aus Erdöl, aber auch synthetische, pflanzliche und tierische Öle sowie Wasser sind bestand dieser Gruppe.
Schmierfette und Haftschmierstoffe gehören zur Gruppe der konsistenten Schmierstoffe. Schmierfette bestehen aus einem Schmieröl und einem Eindicker. Haftschmierstoffe hingegen sind überwiegend aus Bitumen aufgebaut.
Festschmierstoffe sind feste Stoffe, die zwei Oberflächen eines Tribosystems voneinander trennen können. Somit wird der Reibungskoeffizient und Verschleiß reduziert. Diese haben keine flüssige oder konsistente Trägersubstanz.
Oberflächenstruktur
Die Mikrostruktur der Oberfläche hat einen wesentlichen Einfluss auf das Reib- und Verschleißverhalten zusammenwirkender Oberflächen, sowohl von trockenen als auch von geschmierten Tribosystemen. Im Steinbeis Transferzentrum Tribologie wird die Mikrostruktur von Oberflächen überwiegend mit optischen Messgeräten gemessen. Daraus werden anschließend die 2D-Profil-Kenngrößen (Rz, Ra, Rmr, Rpk, …) und die 3D-Flächen-Kenngrößen (Sa, Sz, S10z, Std, …) berechnet. Wir beraten Sie auch gerne bzgl. der geeigneten Oberflächenkenngrößen zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen
Hochauflösende bildgebende Oberflächenanalysen mit großer Vergrößerung führen wir mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) durch.
Werkstoff
Für ein tribologisches System stellt der Werkstoff ein wichtiges Element dar, wenngleich nicht das alleinige eines Tribosystems. Hierbei spielen neben der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes (Legierungsbestandteilen) die Festigkeit, die Gefügestruktur und das Dämpfungsverhalten wichtige Eigenschaften dar. Im Steinbeis-Transferzentrum untersuchen wird diese Merkmale mit entsprechenden Analyseverfahren. Erfahren Sie mehr unter folgendem Link:
Beschichtung
Beschichtungen werden dazu aufgebracht, um einer Oberfläche Eigenschaften zu verleihen, die mit dem eigentlichen Werkstoff des Bauteils nicht zu erreichen sind. Das sind:
- Korrosionsschutz
- optisches Erscheinungsbild
- Verschleißschutz
- Veränderung der Reibeigenschaften (reiberwertmindernd oder reibwerterhöhend)
Beschichtungen sind neben der Farbe und Oberflächenrauheit definiert durch
- die Schichthärte,
- die Schichtdicke,
- die Haftfestigkeit,
- den Reibwert,
- das Verschleißverhalten,
- die chemische Elementzusammensetzung.
Wir analysieren diese Merkmale im Steinbeis Transferzentrum und bieten diese Analysen als Dienstleistung an.
Schadensanalyse
Die Schadensanalyse innerhalb der Tribologie dient zur Klärung der Entstehungsursache von Verschleiß und Schadensfällen. Zur Ursachenklärung von Schadensfällen aufgrund tribologischer Beanspruchung wird die gesamte physikalische Wirkkette analysiert. Diese Vorgehensweise hat zum Ziel die sogenannte root cause (“Wurzel allen Übels”) zu ermitteln, um darüber Abhilfemaßnahmen zu definieren. Dazu steht in unserem Prüflabor in Karlsruhe modernste Analytik zur Verfügung und das nutzen wir in Kombination mit unserem Erfahrungswissen. Des Weiteren werden mit Modellprüfständen (Tribometern) die Eigenschaften von Oberflächen, Materialien und Schmierung hinsichtlich Reibwert und Verschleiß untersucht. Der Vorteil dieser Untersuchungen mit Tribometern ist der, dass die Randbedingungen genau eingestellt und kontrolliert werden können.
Seminar Tribologie
Erlernen Sie in dem praxisorientierten Seminar Tribologie alles rund um Reibung, Verschleiß, Schmierung und die dazugehörige Analytik.