Tribologie
Erfahren Sie hier mehr über Reibung und Verschleiß oder besuchen Sie unser Seminar Tribologie:
Tribologie 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.
Zur Ursachenklärung von Schadens- und Verschleißfällen aufgrund tribologischer Beanspruchung wird die gesamte physikalische Wirkkette analysiert, um Abstellmaßnahmen zu definieren. 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.
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 Mechanismen:
– Aneinanderhaften von Oberflächen (Adhäsion)
– Deformation (Gegenseitiges Eindringen) und
– Verhaken von Oberflächenrauheiten (Coulombsche Reibung).
Man unterscheidet drei grundlegende Reibungsmechanismen für das Zustandekommen der Reibkraft:
– Adhäsion
– Deformation
– Verhaken
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.
Reibungskoeffizienten kann man nicht berechnen und deshalb werden für konkrete Tribosysteme die Reibwerte mit Hilfe eines Tribometers bestimmt.
Reibwertmessung
Der Reibwert bzw. Reibungskoeffizient eines tribologischen Systems wird mit einem Tribometer bestimmt. Dazu wird ein Prüfkörper mit einer definierten Normalkraft über einen Grundkörper bewegt. Dabei wird die Tangentialkraft gemessen und aus dem Verhältnis zur Normalkraft der Reibwert µ berechnet. Der Reibwert ist keine Materialeigenschaft sondern eine Systemeigenschaft. Dieser kann nur aus Messungen des konkreten Systems bestimmt werden, da diese von sehr vielen Einflussfaktoren abhängen.
Verschleiß
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.
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.
Verschleißprüfung
Die Verschleißprüfungen werden mit einem Tribometer durchgeführt, um das Verschleißverhalten von Materialpaarungen/Beschichtungen zu ermitteln. Hierzu wird 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.
Verschleißschutz
Beim Verschleißschutz wird unter anderem versucht, die vom Verschleiß bedrohten Oberflächen durch Härte zu schützen bzw. den Verschleiß zu vermindern. Diese Technik wird bereits seit dem Mittelalter und schon früher mehr oder weniger erfolgreich angewendet. Während in vielen technischen Anwendungen Verfahren der Fertigungshauptgruppe „Stoffeigenschaft ändern“ zu sehr guten Ergebnissen führt, haben sich in vielen weiteren Bereichen Beschichtungen durchgesetzt. So sind heute praktisch alle Wendeschneidplatten für die Zerspanung mit verschiedenen komplexen Schichtsystem versehen, die Schnittdaten erlauben, die noch vor einigen Jahren undenkbar waren, und auch bei Werkzeugen für Kunststoffspritzgießen oder Umformwerkzeugen setzen sich solche Schichtsysteme mehr und mehr durch.
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 sind die Materialeigenschaften entscheidend. Für die Materialanalyse stehen im Steinbeis-Transferzentrum geeignete Einrichtungen für die Analytik zur Verfügung, die es ermöglichen die Materialeigenschaften in der Randzone eines Bauteils zu bestimmen.
Einrichtungen für die Schichtanalyse ermöglichen die Messung der Schichtdicke, der Haftfestigkeit, der Schichthärte und eine Materialanalyse.