Tribologie-Handbuch

Frontmatter

1. Technik und Tribologie

Zusammenfassung

Die Tribologie ist eine interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft, die für zahlreiche Bereiche der Technik von Bedeutung ist. Nach einer Übersicht über die Dimensionen der heutigen Technik werden die Aufgaben der Tribologie in Wissenschaft, Technik und Wirtschaft dargestellt.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

2. Tribologische Systeme

Zusammenfassung

Die einleitende Übersicht hat deutlich gemacht, dass in der Technik zahlreiche Funktionen – von der Bewegungsmechanik bis zur Produktionstechnik – nur durch Wirkflächen in Relativbewegung realisiert werden können. Dies ist stets mit Reibung sowie häufig mit Verschleiß der betreffenden Werkstoffe, Bauteile und Konstruktionen verbunden. Reibung und Verschleiß sind keine Materialeigenschaften und können nicht durch einfache Werkstoffkenndaten (wie etwa Härte oder Elastizitätsmodul) gekennzeichnet werden. Reibung und Verschleiß sind „Systemeigenschaften“. Sie erfordern stets die Analyse und Berücksichtigung der vielfältigen Parameter und Einflussgrößen des betreffenden tribologischen Systems. Dieses Kapitel gibt zunächst eine kurze Einführung in die systemtechnische Methodik und schildert dann mit kurzen Übersichten die Themen der Tribologie, die in den Folgekapiteln detailliert behandelt werden.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

3. Tribologische Beanspruchung

Zusammenfassung

Der Begriff tribologische Beanspruchung kennzeichnet die Beanspruchung der Oberfläche eines festen Körpers durch Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Wie alle tribologischen Prozesse hat auch eine tribologische Beanspruchung eine duale Natur: sie ist einerseits erforderlich für die technisch nutzbare Umsetzung von Energie-, Stoff- oder Signalgrößen über Wirkflächen in tribotechnischen Systemen; andererseits sind tribologische Beanspruchungen stets mit Reibung verbunden und können zu Verschleiß führen. Die Analyse tribologischer Beanspruchungen muss sowohl den Aufbau technischer Oberflächen und ihre Physik und Chemie als auch geometrische, kinematische, kräftemäßige, energetische und thermische Verhältnisse in Kontaktgrenzflächen untersuchen.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

4. Reibung

Zusammenfassung

Reibung ist ein Bewegungswiderstand. Er äußert sich als Widerstandskraft sich berührender Körper gegen die Einleitung einer Relativbewegung (Ruhereibung, statische Reibung) oder deren Aufrechterhaltung (Bewegungsreibung, dynamische Reibung). Neben dieser „äußeren Reibung“ gibt es die „innere Reibung“ von Stoffen (Viskosität), sie gehört zur Rheologie.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

5. Verschleiß

Zusammenfassung

Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers (Grundkörper), hervorgerufen durch tribologische Beanspruchungen, d. h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Das mögliche „Verschleißspektrum“ eines tribologisch beanspruchten Grundkörpers – gekennzeichnet durch das Verschleißvolumen WV dividiert durch Normalkraft FN und Weg s – in den verschiedenen Reibungszuständen eines tribologischen Systems zeigt Bild 5.1.1. Als Grenze zwischen „schwerem Verschleiß“ (severe wear) bei Festkörperreibung und „mildem Verschleiß“ (mild wear) bei Grenz- und Mischreibung gilt nach einer Konvention der International Research Group on Wear of Engineering Materials (IRG-OECD) (siehe Abschnitt 8.8.3) ein Verschleißkoeffizient von W_V = 10^–6 mm³/N • m.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

6. Schmierung

Zusammenfassung

Durch die Anwendung von Schmierstoffen können Reibung und Verschleiß stark vermindert werden, indem der unmittelbare Kontakt von Grund- und Gegenkörper unterbrochen wird. Hier soll nur die Schmierung mit flüssigen Schmierstoffen behandelt werden. Über die Fettund Feststoffschmierung wird in Kapitel 10 berichtet.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

7. Tribokorrosion

Zusammenfassung

Während die Grundlagen von Reibung und Verschleiß in den Kapiteln 4 und 5 und die Wirkung eines „Zwischenstoffs“ im Kapitel 6 „Schmierung“ dargestellt wurden, werden in diesem Kapitel die chemischen und korrosiven Einflüsse des Umgebungsmediums betrachtet.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

8. Tribologische Mess- und Prüftechnik

Zusammenfassung

Die tribologische Mess- und Prüftechnik, kurz als Tribometrie bezeichnet, reicht von Untersuchungen an kompletten technischen Systemen unter realen Betriebsbedingungen bis zu labormäßigen Modellprüfungen mit einfachen Probekörpern. Sie betrifft – entsprechend den in Bild 1.1 illustrierten Dimensionsbereichen der heutigen Technik – die Makrotechnik, die Mikrotechnik und die Nanotechnik. Die metrologisch-systemechnischen Grundlagen der Tribometrie sind im Kapitel 21 „Reibungs- und Verschleißdaten“ und die Anwendung der tribologischen Mess- und Prüftechnik im Kapitel 22 „Machinery Diagnostics“ dargestellt. Inhalt dieses Kapitels sind die mess- und prüftechnischen Prinzipien, Methoden und Instrumentarien.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

9. Tribotechnische Werkstoffe

Zusammenfassung

Die Auswahl von Werkstoffen für tribotechnische Anwendungen richtet sich neben den Gebrauchseigenschaften wie z. B. Verschleißbeständigkeit, Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit ganz wesentlich nach den wichtigsten Fertigungseigenschaften wie Schweißbarkeit, Umformbarkeit, etc. sowie nach der mittel- und ggf. langfristigen Verfügbarkeit. Bei den tribotechnischen Werkstoffen handelt es sich nur teilweise um Werkstoffe, die für spezielle tribologische Anwendungen entwickelt wurden, wie z. B. Werkzeug-, Wälz- oder Gleitlagerwerkstoffe, Hartstoffschichten usw.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

10. Schmierstoffe

Zusammenfassung

Schmierstoffe dienen zur Reibungs- und Verschleißminderung in tribologischen Systemen. Sie werden in verschiedenen Aggregatzuständen als Schmieröle, Schmierfette oder Festschmierstoffe eingesetzt. Gelegentlich werden auch Wasser, flüssige Metalle oder Gase als Schmierstoffe verwendet. Die Betriebsbedingungen für die Anwendung von Schmierstoffe in Tribosystemen sollen möglichst die Bildung eines die Kontaktpartner trennenden, hydrodynamisch bzw. aerodynamisch erzeugten Schmierfilmes gemäß der Stribeck-Kurve ermöglichen (siehe Bild 6.1).

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

11. Tribologie von Konstruktionselementen

Zusammenfassung

Die Konstruktionselemente von Maschinen lassen sich durch einen kurzen historischen Rückblick illustrieren. Leonardo da Vinci skizzierte 1492 in dem 1965 wiederentdeckten Codex Madrid I, die wesentlichen Prinzipien der Elementi macchinali. Franz Reuleaux teilte in seiner Theoretischen Kinematik (1875) die Mechanismen von Maschinen in 22 elementare Klassen ein. Diese Konstruktionselemente bilden die Grundlage für die Realisierung mechanischer Funktionen in Maschinen – bis hin zur heutigen Mikrotechnik, siehe Bild 11.1.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

12. Mikromechanische Systeme – Magnetische Datenaufzeichnung

Zusammenfassung

Im Vergleich zu den klassischen Konstruktionselementen nehmen mikromechanische Systeme heute noch eine Sonderstellung ein. Die Besonderheit liegt vor allem in der Größenordnung der mechanischen Abmessungen und der auftretenden Kräfte. Bauteile im Mikrometermaßstab sind im Wesentlichen nur aus solchen Materialien herstellbar, deren Strukturierung aus der Halbleitertechnologie beherrscht wird, die aber im Allgemeinen tribologisch nicht optimiert sind. Mikromechanische Bauteile arbeiten in CD-Playern, in Digitalkameras, in Instrumenten der minimal invasiven Chirurgie sowie als Beschleunigungssensoren im Auto. Manche Mikrosensoren, wie z. B. Airbagsensoren, werden nach einmaligem Ansprechen ausgetauscht und müssen auch keine „tribologische Funktion“ erfüllen, so dass weder Reibung noch Verschleiß eine Rolle spielen. Anders ist die Situation bei den elektronischen Datenaufzeichnungssystemen, die wegen ihrer Bedeutung für die technologische Entwicklung und Fragen der Mikrotribologie hier behandelt werden. Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) werden in Kapitel 13 beschrieben.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

13. Mikrotechnik und die Tribologie von MEMS

Zusammenfassung

Die heutige Technik ist durch Mechatronik, d. h. das interdisziplinäre Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik, Informatik und einen stetigen Trend zur Miniaturisierung gekennzeichnet. Die Mikrotechnik nutzt Effekte, die erst durch Miniaturisierung möglich werden – z. B. geringere thermische Trägheit, veränderte Volumen/Oberflächen-Relationen – und vereint mit Bauteilabmessungen im mm/μm-Bereich Funktionalitäten aus Mikromechanik, Mikrofluidik, Mikroelektronik, Mikromagnetik, Mikrooptik. MEMS sind mikro-elektro-mechanische Systeme (Micro Electro-Mechanical Systems) für Bewegungsfunktionen. Da ihre miniaturisierten Bauteile tribologischen Beanspruchungen ausgesetzt sein können, ist die Tribologie von MEMS wichtig für ihre Funktionalität.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

14. Tribologie in der Produktionstechnik

Zusammenfassung

Die Produktion als Gesamtheit wirtschaftlicher, technologischer und organisatorischer Maßnahmen, die unmittelbar mit der Be- und Verarbeitung von Stoffen zusammenhängen besetzt eine zentrale Position im unserem heutigen Leben (CIRP, 2004). Sie verbindet unterschiedliche Märkte wie Rohstoffmärkte, Informationsmärkte und Energiemärkte miteinander und erzeugt daraus Produkte in lokalen, regionalen oder globalen Wertschöpfungsketten. Innerhalb der Produktion nehmen Werkzeugmaschinen sowie Fertigungstechnologien eine Schlüsselstellung ein. Bild 14.1 zeigt im oberen Teil eine Werkzeugmaschine mit den wichtigsten Komponenten; die Wechselwirkungen tribologischer Effekte mit den übrigen Einflüssen auf Produktionsprozesse an Werkzeugmaschinen sind im unteren Teil aufgeführt.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

15. Tribologie von Werkzeugen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel sollen einige grundsätzliche Ausführungen zum tribologischen Verhalten von Zerspan- und Umformwerkzeugen gemacht werden. Eine umfassende Darstellung ist wegen der großen Vielfalt der in der Praxis eingesetzten Werkzeuge nicht möglich.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

16. Vakuumtribologie

Zusammenfassung

Vakuumbedingungen stellen an die Tribologie besondere Anforderungen. Normalerweise haben unter atmosphärischen Bedingungen die Wirkflächen tribologisch beanspruchter Bauteile bei der Festkörperreibung im „Trockenlauf“ die Möglichkeit, durch chemische Reaktionen mit dem gasförmigen Umgebungsmedium reibungs- und verschleißmindernde Deckschichten zu bilden. Dies ist im Vakuum jedoch nicht möglich, so dass – wie in Kapitel 4.3.1 für die Reibung und in Kapitel 5.3.3 für den Verschleiß dargestellt – Adhäsionsmechanismen in den Kontaktgrenzflächen zu Funktionsstörungen und zum Versagen tribotechnischer Systeme führen können.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

17. Tieftemperaturtribologie

Zusammenfassung

Die Tieftemperaturtribologie beschäftigt sich mit Tribomaterialien und tribologischen Systemen der Kryotechnik, die im Temperaturbereich unterhalb von 120 K (–153 °C) arbeitet. Dies ist der Bereich der tiefkalten verflüssigten Gase wie, Stickstoff, Wasserstoff und Helium mit Siedepunkten bei 77, 20 und 4,2 K. Flüssigerdgas, das neben Wasserstoff als alternativer Kraftstoff diskutiert wird, siedet bei 112 K und fällt somit auch in diesen Bereich. Die Bedeutung der Kryotechnik lässt sich bereits mit zwei Beispielen illustrieren

• Medizintechnik: Flüssiges Helium ist beispielsweise in der medizinischen Diagnostik für die Kühltechnik von Kernspintomografen unentbehrlich.
• Automobiltechnik: Das große Energiepotential, das z. B. in flüssigem Wasserstoff als Treibstoff steckt, ist aus der Raketentechnik bekannt. Heute existieren bei allen großen Automobilherstellern Prototypen mit Wasserstoffantrieb und es gibt konkrete Überlegungen für deren Markteinführung (siehe z. B. www.​h2mobility.​org).

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18. Hochtemperaturtribologie

Zusammenfassung

Die Temperatur ist eine fundamentale Beanspruchungs- bzw. Einflussgröße für alle tribologischen Systeme. In herkömmlichen Tribosystemen, wie z. B. Gleitlagern, führt normalerweise ein flüssiger Zwischenstoff die Reibungswärme weitgehend aus dem Reibkontakt ab, senkt die Reibungszahlen und schützt vor adhäsiven Verschleißmechanismen. Mit den thermischen Stabilitätsgrenzen flüssiger Schmierstoffe ergeben sich unter Einbeziehung der polymeren Werkstoffe obere Anwendungstemperaturen von etwa 400 °C. Hochtemperaturtribologie ist die Tribologie von Ingenieurwerkstoffen und technischen Systemen oberhalb dieser Grenze.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

19. Methodik zur Bearbeitung von Reibungs- und Verschleißproblemen

Zusammenfassung

Die in der technischen Praxis auftretenden tribologischen Probleme können naturgemäß außerordentlich vielfältig sein und aus den Bereichen Entwicklung, Konstruktion, Fertigung, Betrieb, Instandhaltung, Wartung etc. kommen. Da Reibung und Verschleiß keine Materialeigenschaften sind, muss bei der Bearbeitung von Reibungs- und Verschleißproblemen in jedem Falle vom zentralen Grundsatz der Systemabhängigkeit ausgegangen werden. Somit müssen für die einzelnen Fragestellungen jeweils individuelle Problemlösungen unter Berücksichtigung der grundlegenden systemtechnischen Parametergruppen und Einflussgrößen (siehe Kapitel 2) entwickelt werden. Die Methodik soll hier in exemplarischer Form mit Beispielen aus zwei grundlegenden Bereichen der Tribotechnik formal vereinfacht dargestellt werden:

• Werkstoffauswahl für eine tribotechnische Entwicklung,
• Schadensanalyse bei Störung oder Versagen eines tribotechnischen Systems.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

20. Atlas von Verschleißerscheinungsbildern

Zusammenfassung

Infolge von Verschleißprozessen erfahren die tribologisch beanspruchten Oberflächen von Werkstoffen charakteristische Veränderungen ihrer Morphologie, aus denen sich Rückschlüsse über die wirksamen Verschleißmechanismen ziehen lassen. Die Kenntnis der Verschleißmechanismen – ihre Merkmale sind hier nochmals in der Übersicht von Bild 2.9 (Kap. 2.3.2) wiedergegeben – bildet die Grundlage für Maßnahmen zur Verschleißminderung mittels werkstofftechnischer, schmierungstechnischer oder konstruktiver Methoden (vgl. Kapitel 5.6).

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

21. Reibungs- und Verschleißdaten

Zusammenfassung

Die Problematik der Gewinnung und Darstellung korrekter Reibungsdaten wurde von Nobelpreisträger Feynman in seinen Lectures on Physics (1963) wie folgt gekennzeichnet:

Die in Tabellen angegebenen angeblichen Werte der Reibungskoeffizienten von Stahl auf Stahl, Kupfer auf Kupfer und dgl. sind alle falsch. Die Reibung wird nicht verursacht durch „Kupfer auf Kupfer“ etc., sondern durch Oxide und Verunreinigungen. Es ist unmöglich, den richtigen Reibungskoeffizienten für reine Metalle zu erhalten, weil beim Kontakt absolut reiner Metalle (Ultrahochvakuum) atomare „Kohäsionskräfte“ eine Bewegung verhindern. Der Reibungskoeffizient der normalerweise kleiner als eins für vernünftig harte Oberflächen ist, wird ein Vielfaches von eins.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

22. Machinery Diagnostics

Zusammenfassung

The aim of this chapter is to present technologies for machinery diagnosis in terms of failure prevention strategies and condition monitoring approaches, and to suggest how they can be applied so as to lead to the effective management of tribosystems and equipment assets.

Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

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