Fachwörter-Lexikon
Das vollständige Fachwörter Lexikon ist nur für Abonnenten abrufbar. Sie sind nicht angemeldet, bitte loggen Sie sich ein oder schliessen Sie ein Abonnement ab.
Reibung und Verschleiß – Überblick –
Technische Oberflächen erfüllen zahlreiche wichtige Funktionen wie zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit, Wärmeisolation, Benetzbarkeit, Biokompatibilität, dekorative und optische Funktionen (Reflexion, Absorption), elektrische Leitfähigkeit/Isolation sowie häufig auch eine möglichst hohe Beständigkeit gegenüber Verschleißangriffen. Wie folgend näher beschrieben werden wird, kann Verschleiß diverse Ursachen haben und sich in verschiedenen Erscheinungsformen äußern. Fortschreitender Verschleiß führt in der Regel zur Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils und ist deshalb grundsätzlich unerwünscht.
Die volkswirtschaftliche Bedeutung von verschleißbedingten Schäden ist enorm. Das Bundesministerium für Forschung und Technologie schätzte in einem 1983 veröffentlichten Report [1], dass den Industrienationen durch Verschleiß jährliche Verluste in Höhe von etwa 4,5 % des Bruttonationaleinkommens (BNE) entstehen. Auch in neueren Publikationen [2, 3] werden ähnliche Zahlen genannt, so dass davon ausgegangen werden kann, dass der prozentuale Anteil bis heute in etwa gleich geblieben ist. Abbildung 1 verdeutlicht am Beispiel Deutschlands anhand aktueller Wirtschaftsdaten den zahlenmäßigen Umfang der durch Verschleiß hervorgerufenen Schäden. Interessanterweise gehen Schätzungen davon aus, dass etwa 20 % bis 30 % dieses Betrages allein durch die konsequente Umsetzung des bereits vorhandenen Wissens zum Verschleißschutz eingespart werden könnten [4]. Dies entspricht einem jährlichen Einsparpotential von ca. 35 Mrd. € (Abb. 2).
Abb. 1: Jährlich in Deutschland durch Verschleiß hervorgerufene volkswirtschaftliche Schäden
Abb. 2: Geschätztes jährliches Einsparpotential
Neben der immensen wirtschaftlichen Bedeutung spielt auch der sicherheitstechnische Aspekt eine entscheidende Rolle in der Verschleißforschung. Das Versagen von Bauteilen infolge von Verschleiß hat oftmals keine gravierenden Folgen, kann aber im Einzelfall durchaus zu einer Gefährdung von Leib und Leben führen. Tragisches Beispiel hierfür ist das ICE-Unglück von Eschede im Jahre 1998, das auf einen Radreifenbruch infolge von verschleißbedingter Materialermüdung zurückgeführt wurde [5]. Auch die leider beinahe alltäglichen Verkehrsunfälle, die durch übermäßig verschlissene Bremsanlagen oder Reifen verursacht werden, sind hier zu nennen. Das Verständnis tribologischer Zusammenhänge, die Früherkennung und daraus resultierend die Minimierung von Verschleiß sind folglich wichtige Ziele industrieller und akademischer Forschung.
Literatur
[1] BMFT Report: Damit Rost und Verschleiß nicht Milliarden fressen: Fortschritt durch Forschung. Bundesministerium für Forschung und Technologie, Bonn, 1983
[2] H. Czichos, K.-H. Habig: Tribologie -Handbuch – Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik. 3. Aufl., Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2010. – ISBN 978-3-8348-0017-6
[3] J.R. Davis (Hrsg.): Surface engineering for corrosion and wear resistance. Materials Park: ASM International, 2001. – ISBN 0-87170-700-4
[4] C.A. Brockley (Hrsg.): Economic losses due to friction and wear – Research and development strategies. National Research Council of Canada, Ottawa, 1984
[5] V. Esslinger, R. Kieselbach, R. Koller, B. Weisse: The railway accident of Eschede – technical background. Eng. Failure Anal. 11 (2004), S. 515–535
Autoren dieses Artikels:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke, Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik
Dipl.-Ing. Rico Drehmann, Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik
Sputtern
Beim Sputtern erfolgt die physikalische Beschichtung in vergleichbaren Einrichtungen wie das Bedampfen im Vakuum, aber mit Unterstützung eines elektrischen Feldes. Das zu verdampfende Material wird im Vakuum ionisiert, indem eine hohe Spannung zwischen der Quelle und einem Gitter in der Nähe der Quelle angelegt wird (z.B. 500 bis 1000 V). Durch die angelegte Spannung können die in die Gasphase beförderten und ionisierten Beschichtungsmaterialien in ihrer Bewegung gesteuert werden. Durch Einsatz des Gitters als Gegenpol erfolgt zwischen Verdampfungsquelle (Target) und Gitter die Beschleunigung der Ionen, die anschließend weiter auf das eigentliche, zu beschichtende Grundmaterial auftreffen und dort die Beschichtung bilden. Die Beschichtungsgeschwindigkeit sowie der mikrokristalline Aufbau der Schicht können durch Anlegen einer weiteren elektrischen Spannung zwischen dem zu beschichtenden Grundwerkstoff und dem Gitter oder dem Target beeinflusst werden. Des Weiteren wird die Art der Beschichtung durch zugegebene gasförmige Komponenten variiert. So werden beispielsweise durch Verdampfen von Titan und gezielte Zugabe von Stickstoff in die Vakuumkammer Titannitridschichten erzeugt.
Aufbau einer PVD-Kammer für das Magnetronsputtern beziehungsweise das reaktive Sputtern / Bildquelle: M. Kommer
Titan, Anwendung
Anwendungsgebiete sind die Medizintechnik (Biomaterial), die Luft- und Raumfahrt, Offshore-Anwendungen, Konstruktionsteile wie in Dampfturbinen für die am stärksten belasteten Schaufeln oder Verschleißteile in Lötanlagen, Elektrotechnik oder Brillengestelle und Schmuck.