Verschleiß metallischer Werkstoffe

Die Oberfläche verschlissener Bauteile und die dort sichtbaren Verschleißerscheinungsformen können als eine der entscheidenden Informationsquellen für die Aufklärung tribologischer Schadensfälle bezeichnet werden, da sie – wenn auch nur im Nachhinein – einen direkten Zugang zu der beanspruchten Zone des Werkstoffes ermöglichen. Dies gilt in besonderem Maße für unvermutet an einem Produkt auftretende Schäden, da hier in der Regel keine prophylaktischen Maßnahmen zur begleitenden Untersuchung des Schädigungsverlaufs ergriffen wurden, wie beispielsweise Reibungs-, Temperatur oder Körperschallmessungen. So geben die Erscheinungsformen des Schadens an der Oberfläche den ersten direkten visuellen Hinweis auf die Schädigungsursache, der dann durch weitere Untersuchungen von Werkstoffgefüge, Beanspruchungsbedingungen etc. ergänzt werden kann, bis ein möglichst geschlossenes Bild des Verschleißhergangs vorliegt.

Funktion und Fertigung eines Bauteiles erfordern Werkstoffe, die vielfältigen Anforderungen gerecht werden müssen. An den Grundwerkstoff werden häufig nicht dieselben extremen Anforderungen wie an die Oberfläche bzw. Grenzschicht gestellt. Während die Auslegung eines Bauteiles bei mechanischer und mechanisch-thermischer Beanspruchung nach Festigkeitsgesichtspunkten erfolgt, die sich vor allem auf das Bauteilvolumen beziehen, müssen bei tribologischer Beanspruchung, die über die Kontaktfläche durch Normal- und Tangentialkräfte wirkt, komplexe und irreversible Prozesse in der Grenzschicht berücksichtigt werden. Diese Prozesse werden von zahlreichen Parametern beeinflusst, so dass das tribologische Verhalten nur als systembedingtes Verhalten zu beschreiben ist und gerade wegen der komplexen Prozesse in vielen Fällen einer ursächlichen Beschreibung nicht zugänglich ist.

Der vorzeitige Funktionsverlust oder das Versagen eines Bauteiles sind ein Zeichen dafür, dass die tatsächlichen Anforderungen (Beanspruchung) denjenigen der Auslegung (Beanspruchbarkeit) nicht entsprachen oder die Auslegung mangelhaft war. Die Gründe dafür können sowohl unbekannte oder nicht berücksichtigte Beanspruchungsparameter als auch ungeeignete Werkstoffe oder Gestaltabweichungen sein. Eine erfolgversprechende Analyse von Schäden durch tribologische Beanspruchung setzt die Kenntnis der vielfältigen Einflussgrößen sowie deren gegenseitige Abhängigkeit voraus und beinhaltet eine systematische Vorgehensweise zur Klärung der oft komplexen Ursachen. Das Ziel dabei ist, künftige Schäden durch geeignete Abhilfemaßnahmen zu vermeiden. Das erfordert eine Beanspruchungs- und Strukturanalyse, die letztlich in einen Soll-Ist-Vergleich mündet. Beispielsweise wird sich die Beanspruchungsanalyse auf Bewegungsart und -ablauf, Belastung, Geschwindigkeit, Beanspruchungsdauer sowie Temperatur erstrecken. Bei der Strukturanalyse sind die konstruktive Gestaltung (tribologisch gerechte Konstruktion wie z. B. autogener Verschleißschutz, Unterbindung der Relativbewegung in Passungen), die verwendeten Werkstoffe (tribologisch abgestimmte Eigenschaften wie z. B. Adhäsionsneigung, Härte, Wärmebehandlung, Beschichtung) und die Fertigung (Herstellungsart, Oberflächengüte, Toleranzen) zu überprüfen sowie die Wechselwirkungen der beteiligten Werkstoffe (z. B. Verschleißmechanismen) zu untersuchen.

Diese Verschleißart tritt auf, wenn sich zwei in Kontakt befindliche Oberflächen lateral relativ zueinander bewegen. Die Gleitflächen können sowohl eben, konform als auch kontraform ausgebildet sein. Bei Gleitbeanspruchung wird in der Regel geschmiert, wobei soweit wie möglich eine Trennung der Gleitflächen durch den Schmierfilm angestrebt wird. Dabei können die Reibungszustände Grenzreibung, Mischreibung und hydrodynamische Reibung auftreten. Typische Systeme sind beispielsweise Gleitlager/Welle, Käfig/Wälzkörper und Kolben/ Büchse. Da die Verschleißerscheinungsformen bei Gleitverschleiß vom Schmierfilm dominiert werden, ist dieses Kapitel entsprechend nach der mit der Schmierfilmdicke verbundenen Reibungszustände und nicht nach der Kontaktgeometrie oder Art des Maschinenelementes geordnet.

In diesem Kapitel werden Verschleißerscheinungen und Bruchvorgänge zusammengefasst, die typisch sind für oszillierende Gleitbewegungen mit kleiner Amplitude. Die fortgesetzte Bewegungsumkehr und das hohe Eingriffsverhältnis (hoher Anteil ständig überlappter Kontaktflächen) führen dabei zu deutlich anderen Verschleißerscheinungsformen als beim Gleitverschleiß.

Wälzen ist eine Beanspruchungsart, bei der Gleitanteile (Schlupf) den reinen Rollvorgang überlagern. Üblicherweise dem Rollen zugerechnete Funktionen haben praktisch immer eine Gleitkomponente, so dass auch die auftretenden Verschleißerscheinungsformen bei den Wälzvorgängen eingeordnet werden können. Die Aufgabe von Wälzelementen, z. B. Zahnradgetrieben, Wälzlagern, Gleichlaufgelenken, Kurvengetrieben und Rad/Schiene-Systemen, besteht in der Übertragung von Kräften, Momenten und Bewegungen.

In diesem Kapitel werden tribologische Systeme behandelt, bei denen überwiegend Abrasivstoffe eine wichtige Rolle spielen. Daher wird der Begriff Abrasivverschleiß hier im Sinne einer Verschleißart und weniger im Sinne eines Verschleißmechanismus verwendet. Mit diesem Begriff verbindet man meist Industriezweige der Rohstoffgewinnung und -aufbereitung wie z. B. Bergbau, Hüttenindustrie, Zementindustrie, Tiefbohrtechnik, Bauindustrie, Kunststoffverarbeitung, Landwirtschaft u. a., in denen große Mengen an abrasiv wirkenden Stoffen verarbeitet werden. Außer beim Abbau von Mineralien sind es hauptsächlich Zerkleinerungs-, Transport- und Mischprozesse, die auch heute noch enormen Verschleiß an Maschinenkomponenten erzeugen und Kosten in Milliardenhöhe verursachen. Hierbei handelt es sich in der Regel um offene Systeme, bei denen ständig neuer Abrasivstoff auf die Bauteile einwirkt. Die Abrasivstoffe übernehmen im Sinne des tribologischen Systems die Funktion des Gegenkörpers oder eines Zwischenstoffes, der in grob stückiger oder körniger Form vorliegen kann. Eine große Zahl von in der Natur vorkommenden Mineralien und Industriestoffen beanspruchen auf diese Art zahlreiche Bauteile in Maschinen und Anlagen. Aufgrund ihrer Härte sind sie häufig in der Lage einen anderen Körper zu furchen oder zu ritzen. Die Adhäsion spielt in derartigen Systemen eine untergeordnete Rolle.

Unter der Verschleißart Erosion wird die tribologische Beanspruchung von Werkstoffoberflächen durch weitgehend frei bewegliche Abrasivstoffe, durch einphasige strömende Fluide (Flüssigkeiten oder Gase) und mehrphasige strömende Fluide (Flüssigkeiten und/oder Gas mit Abrasivstoffen) behandelt. Wirkt bei strömenden Flüssigkeiten außer der mechanischen Beanspruchung noch Korrosion mit, so bezeichnet man diesen Vorgang als Erosionskorrosion. Entsprechend kann zwischen folgenden Beanspruchungen unterschieden werden:

– Erosion mit Abrasivstoffen

– Erosion ohne Abrasivstoffe

– Erosionskorrosion ohne und mit Feststoffen.

Farbiger Bildteil