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Oberflächenmikrostruktur

2018-07-15T16:47:17

Oberflächenbeschaffenheit und -mikrostruktur haben bei technischen Gleit- und Sichtflächen eine große Bedeutung. Neben der Oberflächenmikrostruktur spielt die Benetzbarkeit einer Oberfläche eine wichtige Rolle, nicht nur bei geschmierten Wälz- und Gleitlagern, sondern auch bei medizinischen Implantaten. Bei der Benetzbarkeit wird in benetzbare und nicht benetzbare Oberfläche anhand des Kontaktwinkels θ, den ein auf die Oberfläche aufgebrachter Tropfen mit dieser ausbildet (Abb. 1), unterschieden. Es bildet sich ein Gleichgewicht zwischen den Kohäsionskräften innerhalb der Flüssigkeit und den Adhäsionskräften zwischen Flüssigkeit und Festkörper aus.

In geschmierten Systemen ist zur Ausbildung eines hydrodynamischen Druckes zur Trennung der Reibpartneroberflächen ein ausreichend großer Kontaktwinkel anzustreben. Die Benetzbarkeit einer Oberfläche in Form der spezifischen Oberflächenenergie γ kann über den Kontaktwinkel mit Kontaktwinkelmessgeräten indirekt bestimmt werden. Benetzbarkeit der Oberfläche beziehungsweise Kontaktwinkel hängen ab von Rauheit, Textur, Fertigungsverfahren, durch die Herstellung eingebrachte Energie, Oberflächenbehandlungszustand oder Sauberkeit der Oberfläche.

Abb. 1: Messung der Benetzbarkeit über den Kontaktwinkel

 

Die Mikrostruktur von Oberflächen hat einen wesentlichen Einfluss auf das Reib- und Verschleißverhalten zusammenwirkender Oberflächen, sowohl von trockenen als auch von geschmierten Systemen.

Ungenügende Oberflächengüten, hervorgerufen beispielsweise durch Einsatz falscher Schmierstoffe oder durch mangelhafte Instandhaltung während des Maschinenbetriebes, führen oftmals zur Schädigung bis hin zu einem Totalausfall des Bauteils. Deshalb ist die Kenntnis der physikalischen Auswirkungen von Oberflächenstrukturen zur richtigen konstruktiven Ausführung der Oberflächentopografie wichtig. Beispielsweise ist die richtige Welligkeit ein entscheidendes Topografiegröße zur schnellen und stabilen Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierkeiles. Zum Einlaufen von Oberflächen spielt dagegen die Steilheit der Oberflächenspitzen, die durch den mittleren Oberflächengradienten Rdq bzw. Sdq beschrieben wird, eine wichtige Rolle (Abb. 2). In einem Reibkontakt wirken auf die einzelnen Oberflächenspitzen anteilig Normal- und Tangentialkräfte. Je nach Steilheit der Oberflächenspitzen und den wirkenden Kräften kommt es zu plastischen Deformation der Oberflächenspitzen oder deren Abbrechen mit den entsprechenden Veränderungen der Oberfläche. Dies kann funktionale Auswirkungen in Form der  Veränderung des Reibungskoeffizienten µ haben oder Verschleiß verursachen.

Abb. 2: Auswirkungen der Oberflächenspitzengradienten in tribologischen Systemen

 

Dem Einlaufprozess von Reibkontakten kommt eine sehr große Bedeutung zu und dieses bestimmt später die Eigenschaften des Tribosystems bis hin zur Lebensdauer. Ursache dafür ist, dass einmal vorhandene Oberflächenstrukturen dem Prinzip der Selbstähnlichkeit folgend unter üblichen Betriebsbedingungen sich immer wieder in gleicher Art neu bilden. Weisen beispielsweise die Oberflächen ausgeprägte Spitzen und Täler auf, werden durch das dadurch folgende Abbrechen von Spitzen durch Furchung immer wieder ausgeprägte Spitzen und Täler entstehen.