Reibung und Verschleiß - eine kurze werkstoffkundliche Einführung

Reibung und Verschleiß

- eine kurze werkstoffkundliche Einführung -

von

Prof. Dr.-Ing. Norbert Jost

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Reibung und Verschleiß
2.1 Grundlegendes und Definitionen
2.2 Reibungsarten und -mechanismen
2.3 Tribosysteme
2.4 Verschleißmechanismen und ihre Erscheinungsformen

3 Optimierung des Verschleißwiderstandes
3.1 Härte und Verschleiß
3.2 Modifikation der Oberfläche

4.0 Literaturhinweise

Zusammenfassung
Reibung und Verschleiß sind sowohl werkstoffkundlich als auch anwendungstechnisch sehr eng miteinander verbunden. Die wirtschaftlichen Verluste sind enorm. Das Ziel sind daher verbesserte Werkstoffe bzw. für Verschleißbeanspruchungen optimierte Werkstoffoberflächen. Der hier vorlie-gende Beitrag gibt aufbauend auf den entsprechenden werkstoffkundlichen Grundlagen einen kurzen Überblick über Tribosysteme und deren Verschleißmechanismen bzw. -erscheinungsformen. Darüber hinaus werden einige Oberflächenmodifikationen und deren Auswirkungen auf das Verschleißverhalten erläutert.

Summary
Friction and wear are connected both from the view of the material science as well as from the view of the technical application with each other very narrowly. The economic losses are enor-mous. Therefore the aim must be to improve the materials or to optimize the material surfaces for wear uses. Based on material sciences this contribution gives a short summary of tribo-systems and its wear mechanisms and wear manifestations. Furthermore some surface modifications and their effects on the wear behaviour are explained.

1 Einleitung

Tribologische Fragen haben die Ingenieure seit Jahrhunderten beschäftigt. Un-bestritten sind der wichtige Einfluss der Reibung bei Energieverlusten und die Bedeutung von Verschleiß für die Lebensdauer von Maschinen und Werkzeugen. Der Umfang der Forschung auf diesem Gebiet war und ist groß. Auch wenn daraus manche nützliche Ergebnisse hervorgegangen sind, so entsprach doch der Fortschritt des grundsätzlichen Verständnisses von Reibung und Verschleiß nicht dem Umfang dieser Bemühungen. Dies ist jedoch nicht der Unfähigkeit der Forscher zuzuschreiben, sondern dem höchst komplexen Systemcharakter der Tribologie als solcher.

Reibung wird verursacht durch eine Vielzahl energiedissipierender Prozesse. Dabei wird grundsätzlich zwischen "innerer" und "äußerer" Reibung unterschieden. Erstere führt zu Dämpfung von Schwingungen unter Entwicklung von Wärme oder zu Ermüdung durch Bildung und Akkumulation von Strukturdefekten. Die äußere Reibung entsteht durch die tangentiale Bewegung zweier Oberflächen von Festkörpern oder auch durch an einer festen Oberfläche vorbeiströmende Fluide. Insbesondere die äußere Reibung führt zu Verschleiß, also den Verlust von Material aus den beteiligten Festkörpern.

Die so durch Reibung und Verschleiß anfallende Wertminderung von Gütern und industriellen Anlagen ist von hoher wirtschaftlicher Bedeutung. Nach regelmäßigen Erhebungen werden in den führenden Industrienationen die durchschnittlichen jährlichen Schäden auf ca. 4 % des Bruttosozialproduktes beziffert /1/. Vor dem aktuellen Hintergrund vielfältiger Energie- und Rohstoffprobleme bekommen die Fragen der Gewährleistung und damit der Bauteilhaltbarkeit wieder eine zunehmende Bedeutung.

Im Folgenden soll daher insbesondere der werkstoffkundliche Hintergrund von Reibung und Verschleiß kurz näher betrachtet werden. Vertiefend wird dabei auf die Wechselwirkungen innerhalb eines Tribosystems eingegangen und darauf aufbauend Werkstoffkonzepte zur Optimierung von entsprechend beanspruchten Maschinenkomponenten vorgestellt.

2 Reibung und Verschleiß

2.1 Grundlegendes und Definitionen

Die Festigkeitsbegriff ist werkstoffkundlich gesehen ein recht komplexer Aspekt, da er doch durch die Gesamtheit verschiedener Widerstände beschrieben wird, die der Werkstoff den äußeren (oder inneren) Belastungen entgegensetzt. Neben den Widerständen gegen eine plastische Verformung oder gegen Rissinitiierung und -wachstum, ist auch der Widerstand gegen Verschleiß hier eingeschlossen und stellt eine ganz wesentliche Größe zur Optimierung von Werkstoffen dar (Abbildung 1).

Abbildung 1
Verschleißwiderstand als wichtige Komponente der Festigkeit, (nach Hornbogen /2/)

[...]

Da Verschleiß i.d.R. immer durch eine beliebig geartete Relativbewegung zweier Medien bzw. im engeren Sinne zweier Körper verbunden ist, sollen zunächst diese Begriffe per Definition beschrieben werden, (nach /3/):

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