Fachwörter-Lexikon

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Reibung und Verschleiß – Begriffliche Einordnungen –

Der Begriff Tribologie bezeichnet die Wissenschaft und Technik von Wirkflächen in Relativbewegung sowie zugehöriger Technologien und Verfahren [2]. Die Tribologie umfasst dabei das Gesamtgebiet von Reibung und Verschleiß, einschließlich der Schmierung. Eine weitere, eher zielorientierte ingenieurwissenschaftliche Definition beschreibt die Tribologie als ein interdisziplinäres Fachgebiet zur Optimierung mechanischer Technologien durch Verminderung reibungs- und verschleißbedingter Energie- und Stoffverluste [2]. Die wörtliche Bedeutung des Begriffs Tribologie ist Reibungslehre, abgeleitet von den griechischen Vokabeln tribein (= reiben) und logos (= Wort, Lehre).

Reibung äußert sich als Widerstandskraft sich berührender Körper gegen die Einleitung einer Relativbewegung (Haft- oder Ruhereibung, statische Reibung) oder deren Aufrechterhaltung (Gleit- oder Bewegungsreibung, dynamische Reibung) [2]. Diese äußere Reibung ist von der inneren Reibung von Materialien und Fluiden (Viskosität) zu unterscheiden. Letztere ist eine wichtige Größe der Rheologie, hat aber insbesondere beim Einsatz von Schmierstoffen auch einen unmittelbaren Bezug zur Tribologie. Auch wenn Reibung ohne Verschleiß eigentlich nur in der Modellvorstellung existiert [6], ist Reibung keineswegs immer unerwünscht. Im Gegenteil: in Bremsen, Kupplungen, Reibrad- und Keilriemengetrieben, Schraubverbindungen, Kegelsitzen oder Mahlwerken ist Reibung für die technisch nutzbare Übertragung von Energie-, Stoff- oder Signalgrößen zwingend erforderlich. Ohne Reibung würden Schüttguthalden in sich zusammenrutschen, Streichinstrumente keinen Ton von sich geben und jegliche Art der Fortbewegung an Land, sei es zu Fuß, mit dem Auto oder per Bahn, wäre zumindest auf konventionelle Art und Weise nicht mehr möglich. Dem gegenüber stehen zahlreiche technische Anwendungen wie zum Beispiel Gleitlager, Wälzlager, Führungen, Zahnradgetriebe, Kolben-Zylinder-Paarungen, Umformprozesse oder Rohrströmungen, in denen Reibung den Wirkungsgrad signifikant verschlechtert und zu unerwünschten Verschleißerscheinungen unterschiedlicher Art führt.

Verschleiß ist die bleibende Form-, Größen- und/oder Stoffänderung der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, das heißt Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Diese Definition weicht von der in der 1997 zurückgezogenen DIN 50320 [7] gewählten Formulierung insofern ab, dass dort der Verschleiß als fortschreitender Materialverlust definiert ist [2, 8]. Diese Begriffswahl erscheint zu eng, da – wie noch ausführlicher dargestellt werden wird – auch Verschleißerscheinungsformen existieren, die nicht mit einem Materialverlust einhergehen. Zu nennen sind hier das lediglich in einer Materialverlagerung resultierende ideale Mikropflügen [2], die Ausbildung von tribochemischen Reaktionsschichten oder der adhäsive Materialübertrag auf den üblicherweise härteren Kontaktpartner. Dementsprechend wird hier die an Fleischer [9] angelehnte und von zahlreichen anderen Autoren [10–12] übernommene, oben genannte Formulierung verwendet. Dieser Definition können noch weitere, wichtige Informationen entnommen werden. Das Wort bleibend weist darauf hin, dass vorübergehende Form- und Größenänderungen, also rein elastische Verformungen, noch keinen Verschleiß darstellen. Bei zyklischer Beanspruchung können sie aber eine Verschleißursache sein (siehe Oberflächenzerrüttung).

Des Weiteren entsteht Verschleiß stets aufgrund mechanischer Ursachen. Das bedeutet, dass durch nichtmechanische Ursachen (wie z.B. Strahlung oder Wasserstoffversprödung) hervorgerufene stoffliche Veränderungen nicht zum Verschleiß, sondern zur physikalischen Korrosion zählen. Schließlich beinhaltet die Definition noch den Hinweis auf das Vorhandensein eines Gegenkörpers. Dieser kann nicht nur ein Festkörper, sondern auch ein flüssiges oder sogar gasförmiges Medium sein. Er ist stets in die Verschleißbetrachtungen mit einzubeziehen, denn die Verschleißbeständigkeit ist keine Material-, sondern eine Systemeigenschaft, wie nachfolgend anhand des sogenannten tribologischen Systems verdeutlicht wird. Verschleiß ist normalerweise unerwünscht, das heißt wertmindernd. In Ausnahmefällen wie beispielsweise Einlaufvorgängen können Verschleißprozesse jedoch auch technisch erwünscht sein. Bearbeitungsvorgänge wie Spanen, Fräsen oder Schleifen sind wertebildende technologische Prozesse und gelten daher in Bezug auf das herzustellende Werkstück per definitionem nicht als Verschleiß, obwohl im Grenzflächenbereich zwischen Werkstück und Werkzeug tribologische Prozesse wie beim Verschleiß ablaufen [13].

Literatur

[2] H. Czichos, K.-H. Habig: Tribologie -Handbuch – Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik. 3. Aufl., Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2010. – ISBN 978-3-8348-0017-6

[6] V.L. Popov: Kontaktmechanik und Reibung – Von der Nanotribologie bis zur Erdbebendynamik. 3. Aufl., Berlin Heidelberg: Springer Vieweg, 2015. – ISBN 978-3-662-45974-4

[7] Norm DIN 50320:1979-12: Verschleiß – Begriffe, Systemanalyse von Verschleißvorgängen, Gliederung des Verschleißgebietes. Berlin: Beuth Verlag, 1997 zurückgezogen

[8] GfT-Arbeitsblatt 7: Tribologie – Verschleiß, Reibung – Definitionen, Begriffe, Prüfung. Aachen: Gesellschaft für Tribologie e.V., 2002

[9] G. Fleischer, H. Gröger, H. Thum: Verschleiß und Zuverlässigkeit. Berlin: VEB Verlag Technik, 1980

[10] E. Kuhn: Zur Tribologie der Schmierfette – Eine energetische Betrachtungsweise des Reibungs- und Verschleißprozesses. Renningen: Expert Verlag, 2009. – ISBN 978-3-8169-2869-0

[11] A.A. Rasch: Erfolgspotential Instandhaltung – Theoretische Untersuchung und Entwurf eines ganzheitlichen Instandhaltungsmanagem.; Berlin: Erich Schmidt Verlag, 2000. – ISBN 3-503-05811-7

[12] J. Heck: Zur Simulation des Rad-Schiene-Verschleißes bei Straßenbahnen. Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, Dissertation, 2016. – ISBN 978-3-7315-0443-6

[13] W. Bunk, J. Hansen, M. Geyer: Tribologie – Reibung , Verschleiß, Schmierung – Band 1: Abrasivverschleiß, Schwingungsverschleiß, Oberflächenbehandlung, Bearbeitungsverfahren. B. Heidelb./Springer, 1981. – ISBN 978-3-540-10800-9

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

Nitrierschicht – Gasnitrieren

Beim Gasnitrieren wird das Werkstück im Ammoniakgasstrom (reines Ammoniak NH₃ oder NH₃ mit Inertgaszusätzen, wie z.B. Stickstoff) bei Temperaturen zwischen 500 °C und 550 °C (je nach erforderlicher Dicke der Nitrierschicht) 4 h bis 100 h behandelt. Das Ammoniak wird an der Werkstückoberfläche thermisch zersetzt. Ein Teil des dabei frei werdenden Stickstoff diffundiert in die Oberfläche des Werkstücks ein und baut die Nitrierschicht auf. Das Gasnitrieren wird in der Regel nur für legierte Stähle angewandt, da sich bei unlegierten Stählen eine spröde, zum Abplatzen neigende Nitrierschicht bildet.

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

 

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