Tribologie
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. Die Tribologie ist eine breit aufgestellte interdisziplinäre Wissenschaft, welche 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 diese für mit Hilfe eines Modellprüfssystems (Tribometer) ermittelt.
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.
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-Profilwerte (Rz, Ra, Rmr, Rpk, …) und die 3D-Oberflächenparameter (Sa, Sz, S10z, Std, …) berechnet. Wir beraten Sie auch gerne bzgl. geeigneter Kennwerte zur Charakterisierung von Oberflächen.
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 wir diese Merkmale mit entsprechenden Analyseverfahren.
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.
Tribologie Wissen kompakt – Broschüre Verschleiß und Verschleißschutz
Neben Korrosion müssen Oberflächen vor allem einer Belastung durch Reibung und Verschleiß Stand halten. Um hier die richtigen Maßnahmen hinsichtlich Verschleißschutz ergreifen zu können, müssen sowohl die Grundwerkstoffe als auch die unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen in der Tribologie auf den Belastungsfall abgestimmt werden. Hier leistet die neue Broschüre „Basiswissen Verschleiß und Verschleißschutz“ einen guten Einstieg. Sie liefert einen umfassenden Überblick über die Themen der Tribologie, beginnend bei den Grundlagen zu Reibung, Verschleiß, Verschleißschutz über die Werkstoffe und die Beschichtungen bis hin zu den unerlässlichen Verfahren zur Schadensanalyse. Um den Verschleiß von Bauteilen und deren Ausfallrisiko zu reduzieren, erfordert es in der Tribologie einer intensiven Zusammenarbeit der Fachleute entlang der Prozesskette von der Konstruktion über die Fertigungstechnik. Auch hierfür bietet „Basiswissen Verschleiß und Verschleißschutz“ auf mehr als 100 Seiten gut verständlichen Stoff, der die unterschiedlichen Fachleute mit fachübergreifenden Grundlagen der Tribologie unterstützt.