Fachwörter-Lexikon
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Einleitung - Übersicht
Durch Verschleiß entstehen den Volkswirtschaften jährlich Schäden in Milliardenhöhe. Die Broschüre Basiswissen Verschleiß und Verschleißschutz soll einen Beitrag dazu leisten, die jährlich entstehenden Schäden in Folge Verschleiß zu reduzieren. Sie behandelt die Themen Reibung, Verschleiß, Verschleißschutz und die dazugehörigen Analyseverfahren. Die Broschüre liefert einen umfassenden Überblick über die Themen rund um den Verschleiß und den Verschleißschutz. Um den Verschleiß von Bauteilen und deren Ausfallrisiko zu reduzieren, erfordert es einer intensiven Zusammenarbeit der Fachleute entlang der Prozesskette von der Konstruktion über die Fertigungstechnik bis hin zur Beschichtung. Dabei spielt die Verschleiß- und Schadensanalytik eine wichtige Rolle. Denn diese ist Voraussetzung dafür, um die Ursachen für Verschleiß und Ausfälle zu ermitteln und um letztlich dadurch nachhaltige Gegenmaßnahmen treffen zu können. Eine Basis für ein gutes Verständnis wird einführend mit dem Grundlagenwissen rund um Reibung und Verschleiß und der Aufbau des tribologischen Systems und dem Zusammenhang zwischen der Oberflächenbeschaffenheit und dem Reibungs- und Verschleißverhalten in den ersten beiden Abschnitten gelegt. Aufgrund der Wichtigkeit der Verschleiß- und Schadensanalytik wurde diesem Thema ein eigenes Kapitel gewidmet, in dem auch die dazugehörigen Verfahren behandelt werden. Beim Thema Verschleiß ist eines der wichtigsten Themen der Verschleißschutz. Dieser kann durch geeignete Werkstoffauswahl, durch gezielte Gestaltung der Oberflächen oder durch aufgebrachte Schutzschichten erfolgen. Diese unterschiedlichen Möglichkeiten werden alle einzeln beleuchtet und knapp und verständlich beschrieben sowie durch Bilder und Skizzen veranschaulicht. Beim Verschleißschutz dürfen natürlich die Analysemethoden zur Charakterisierung der Verschleißschutzmaßnahmen nicht fehlen, womit die Broschüre abschließt. Im Steinbeis-Transferzentrum Tribologie an der Dualen Hochschule in Karlsruhe beschäftige ich mich zusammen mit meinem Team mit der tribologischen Analytik sowie mit Beratungen und Seminaren rund um die Themen Reibung und Verschleiß. Wir führen Dienstleistungen für die Industrie durch und sind Kooperationspartner von Forschungseinrichtungen. Die Dienstleistungen umfassen hochauflösende Vermessungen von Oberflächentopografien, Beschichtungsanalysen, Material- und Beschaffenheitsanalysen bis hin zu kompletten Entwicklungsprojekten. Neben einer modernen Analytik ist unsere Stärke das tribologische Fachwissen durch jahrelange Erfahrung. Einen Überblick über unser Dienstleistungsangebot und unsere technische Ausstattung gibt die Homepage: www.steinbeis-analysezentrum.com
Im einzelnen werden folgende Themen dargestellt:
- Grundlagenwissen
- Oberflächenbeschaffenheit
- Tribologische Prüfung
- Verschleiß- und Schadensanalyse
- Verschleißschutz
- Analysenmethoden Verschleißschutz
Kontaktschichten, elektrische
Vor allem der vermehrte Einsatz von elektronischen Geräten macht es erforderlich, dass Kontakte auch bei Spannungen von wenigen Volt zuverlässig funktionieren. Dies ist nur gewährleistet, wenn der Kontaktbereich eine metallische Oberfläche ohne Deckschicht (meist Oxid, bei Silber ein Silbersulfid) aufweist. Diese Anforderungen wird insbesondere von den Edelmetallen – mit Ausnahme von reinem Silber – erfüllt. Um einerseits den Verbrauch an knappen Edelmetallen gering und die Kosten für den Edelmetalleinsatz niedrig zu halten, bietet die Galvanotechnik die Möglichkeit, die entsprechenden Edelmetalle dünn und vor allen Dingen auch partiell auf Oberflächen abzuscheiden.
Am weitesten verbreitet sind Gold bzw. Goldlegierungen als Kontaktschicht. Da reines Gold mit einer Härte zwischen 50 HV und 100 HV zu weich für hohe Kontaktzahlen ist, wird es beispielsweise mit Nickel oder Kobalt zu sogenanntem Hartgold legiert. Hartgoldschichten für Kontakte besitzen je nach Einsatzfall Dicken zwischen 0,5 µm und 1 µm. Da viele Bauteile für die Elektrotechnik aus Kupfer oder Kupferlegierungen bestehen, muss zwischen Kupfer und Gold eine Schicht als Diffusionssperre eingefügt werden. Anderenfalls wird Gold in das Grundmaterial eindiffundieren und damit die Oberfläche die Kontaktsicherheit verlieren.
Gold kann durch Verwendung von Palladium oder Palladium-Nickel in Kombination mit einer dünneren Goldschicht eingespart werden. Je nach Edelmetallkurs reduziert sich der Metallkostenanteil für Gold zwischen ca. 40 % und etwa 75 %. Zum Teil erhöht sich zudem die erzielbare Kontaktzahl durch die härtere Unterschicht und gleichzeitiger Reduzierung der Goldschichtdicke.
Partiell aufgebrachtes Gold für die Elektrotechnik mit bester Wirtschaftlichkeit / Bildquelle: IMO GmbH
Bei der Herstellung von Kleinteilen für die Elektrotechnik, die mit Bandmaterial als Halbzeug oder in vorgeformtem Zustand als Bandmaterial erfolgt, wurden spezielle Verfahren zur drastischen Reduzierung des Edelmetallverbrauchs entwickelt. Zu den Einsparmöglichkeiten der bandgalvanischen Fertigung zählen beispielsweise Abklebetechniken oder Vorrichtungen zum partiellen Eintauchen. Weitere Verfahren sind das Abdecken von Partien des Substrats für den Zeitraum des Beschichtens oder die gezielte Anströmung von zu beschichtenden Bereichen. Vor allem beim Anströmen wird nicht nur der zu beschichtende Bereich des Grundwerkstoffs eingegrenzt, sondern aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten lassen sich auch höhere Abscheideraten erzielen. Mit den entsprechenden Verfahren ist es möglich, beispielsweise Millionen von Steckern in stets gleicher Qualität zu beschichten.
Tempern
Unter Tempern wird im allgemeinen eine Wärmebehandlung verstanden, bei der mit Temperaturen zwischen Erwärmen (> 100 °C) und Glühen (<600 °C) gearbeitet wird.
Temperbehandlungen werden in der Oberflächentechnik beispielsweise zur Entfernung von Wasserstoff aus Metallen genutzt. Der Wasserstoff entsteht bei der kathodischen Abscheidung von Metallen als unerwünschtes, aber unvermeidliches Nebenprodukt aus der Zersetzung des Wassers. Sowohl die Wasserstoffentwicklung als auch die Reduktion von Metall verlaufen nach dem selben Prinzip. Je nach Art der Metalloberfläche, an der die Abscheidung abläuft, und der Zusammensetzung des Abscheideelektrolyten ist der Anteil an Wasserstoff unterschiedlich hoch; besonders viel Wasserstoff wird beispielsweise bei der Chromabscheidung aus stark sauren Elektrolyten erzeugt. Die Wasserstoffentwicklung verläuft so, dass an der Metalloberfläche zunächst atomarer Wasserstoff entsteht, der in einem Folgeschritt zu Wasserstoffmolekülen wird und als Gas von der Oberfläche abperlt. Allerdings reicht die kurze Zeitspanne aus, dass bei einigen Werkstoffen ein merklicher Teil des atomaren Wasserstoffs vor der Rekombination in das Metall diffundiert. Im Metall kann sich atomarer Wasserstoff innerhalb des Metallgitters bewegen und einlagern – insbesonder bei hochfesten Stählen oder Palladium. In der Folge wird das Metall mechanisch geschwächt. Dieser Effekt wird als Wasserstoffversprödung bezeichnet. Verfahren, die Wasserstoff entwickeln können – Metallabscheidung, Beizen in Säure, kathodische elektrolytische Entfettung – sind bei hochfesten Werkstoff kritisch zu betrachten. Hochfeste Werkstoffe werden deshalb nach einer kathodischen Behandlung bei Temperaturen zwischen etwa 200 °C und etwa 300 °C getempert – die Behandlungsdauer liegt bei 3 bis 1 Stunden.
Eine Temperbehandlung bei ca. 150 °C bis 250 °C
(einige Minuten auf Endtemperatur) ist aber auch ein gutes Verfahren, um die Haftfestigkeit von Beschichtungen zu prüfen. Ist die Haftung einer Beschichtung durch nicht gründlich entfernte Oxidschichten oder lokal vorliegenden Fettreste ungenügend, so entstehen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Beschichtung und Grundmaterial Aufwölbungen oder Risse in der Beschichtung. Das Verfahren wird insbesondere bei schwer zu beschichtenden Werkstoffen wie Aluminium angewandt.