Fachwörter-Lexikon
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Tribologisches System
Das in Abbildung 1 schematisch dargestellte tribologische System ist eine Abstrahierung, die letztlich auf jeden denkbaren Verschleißfall anwendbar ist. Der im Mittelpunkt der Betrachtung stehende Grundkörper befindet sich in Kontakt und Relativbewegung mit einem (festen, flüssigen oder gasförmigen) Gegenkörper. Das Beanspruchungskollektiv und hierbei insbesondere die aufgebrachte Belastung bestimmt im Zusammenspiel mit der Mikrogeometrie und dem Verformungsvermögen von Grund- und Gegenkörperwerkstoff die Kontaktbedingungen (d.h. die reale Kontaktfläche).
Abb. 1: Tribologisches System (in Anlehnung an die zurückgezogene DIN 50320 [3])
Zwischen den beiden Körpern befindet sich häufig ein Zwischenstoff. Dabei kann es sich beispielsweise um Luft, Wasser, Abrasivpartikel oder auch gezielt zur Verschleißminderung eingebrachte Schmierstoffe handeln. Der Zwischenstoff hat in Kombination mit dem Umgebungsmedium (häufig identisch mit dem Zwischenstoff) und der Temperatur des Systems entscheidenden Einfluss auf eventuell parallel auftretende korrosive Prozesse, die wiederum das Verschleißverhalten beeinflussen können. Die Festlegung der Systemgrenze entscheidet darüber, in welchem Umfang äußere Faktoren mit in die Verschleißbetrachtung einbezogen werden. So kann es für orientierende Untersuchungen im Labormaßstab sinnvoll sein, eine enge Systemgrenze zu ziehen, während für betriebsähnliche Versuche die Grenze hinreichend weit gefasst sein sollte, um alle potentiellen Einflüsse realitätsnah abbilden zu können. Diese Ausführungen verdeutlichen, dass die Verschleißbeständigkeit eines Werkstoffs nur in Bezug auf den konkreten Anwendungsfall und unter Berücksichtigung aller Systembestandteile bewertet werden kann. Kein Werkstoff ist per se verschleißbeständig.
Wie Abbildung 1 zu entnehmen ist, umfasst das auf Grund- und Gegenkörper wirkende Beanspruchungskollektiv zahlreiche, höchst unterschiedliche Einzelfaktoren, die jedoch alle miteinander verknüpft sind. So ergeben sich die in der Grenzfläche wirkenden Belastungen (Kräfte und Momente) unmittelbar aus den Bewegungsverhältnissen und dem Reibungszustand. Ausgehend von einem festen Gegenkörper werden vier Grundformen der Kinematik von Festkörpern unterschieden (Abb. 2). Das Gleiten ist charakterisiert durch eine Translation in der Kontaktfläche (Pendant für flüssigen oder gasförmigen Gegenkörper: Strömen), während beim Rollen eine Rotation um eine parallel zur Kontaktfläche orientierte Momentanachse stattfindet. Beim Bohren hingegen rotiert der Gegenkörper senkrecht zur Grenzfläche. Ein intermittierender Kontakt senkrecht zur Kontaktfläche wird als Stoßen oder Prallen bezeichnet [1]. Reale Verschleißfälle sind häufig durch eine Kombination dieser elementaren Bewegungsformen gekennzeichnet. So besitzen zum Beispiel Rollbewegungen fast immer mikroskopische oder makroskopische Gleitanteile, so dass stattdessen der Begriff Wälzen verwendet wird.
Abb. 2: Elementarformen der Kinematik von Festkörpern: a) Gleiten, b) Rollen (Wälzen), c) Bohren, d) Stoßen / Prallen
Bezüglich des Reibungszustandes wird zwischen drei Grundarten unterschieden. Festkörperreibung bezeichnet die Reibung zwischen zwei, in unmittelbarem Kontakt stehenden festen Körpern (sind die Oberflächen der Reibpartner hierbei mit einem molekularen Grenzschichtfilm bedeckt, ist auch der Begriff Grenzschichtreibung üblich) [1]. Sind Grund- und Gegenkörper durch einen flüssigen Film lückenlos voneinander getrennt, liegt Flüssigkeitsreibung vor (bzw. Gasreibung bei einem gasförmigen Film). Trennt der flüssige Film die Reibpartner nur teilweise, so dass noch Bereiche mit Festkörperreibung vorhanden sind, handelt es sich um Mischreibung [1]. Im praktischen Einsatzfall wie zum Beispiel in Wälzlagern wird üblicherweise die Flüssigkeitsreibung angestrebt. Realisiert wird dies mithilfe von Flüssigschmierstoffen. Der Begriff Schmierung bezeichnet folgerichtig die Verringerung von Reibung und Verschleiß zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Reibpartnern [2]. Wie in den folgenden Kapiteln noch näher ausgeführt werden wird, ist die Schmierung trotz ihrer großen praktischen Bedeutung nur eine der zahlreichen Möglichkeiten des Verschleißschutzes.
[1] H. Czichos, K.-H. Habig: Tribologie -Handbuch – Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik. 3. Aufl., Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2010. – ISBN 978-3-8348-0017-6
[2] 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
[3] Norm DIN 50320:1979-12: Verschleiß – Begriffe, Systemanalyse von Verschleißvorgängen, Gliederung des Verschleißgebietes. Berlin: Beuth Verlag, 1997 zurückgezogen
Zinkdruckguss
Der moderne Druckguss zählt zu den besonderen Verfahren, die dazu beitragen, dass Zink in vielen Bereichen unseres Lebens einsetzbar ist. Diese spezielle Technik ermöglicht immer wieder neue Anwendungen. Sie sind überall dort gefragt, wo hohe Stabilität und hohe Stückzahlen gefordert werden. Und außerdem sehen die entsprechenden Produkte oftmals auch außerordentlich schön aus. Es sind vor allem die folgenden Eigenschaften, die Zink für den Druckguss besonders qualifizieren:
– Hohe Wirtschaftlichkeit durch sehr kurze Zykluszeiten, niedrige Schmelztemperatur (380-390 °C), geringste Aushebeschrägen, endkonturnahe Fertigung und lange Formenstandzeiten
– Gute Gießeigenschaften: engste Toleranzen des Rohgusses (bis ca. IT 8), ausgezeichnetes Fließverhalten (Dünnwandgießen)
– Elektrische und elektromagnetische Abschirmung,
– Mechanische Werkstoffkennwerte (für ZP0410 z.B. Zugfestigkeit 300-340 MPa, Dehngrenze (0,2 %) 290-330 MPa, E-Modul 85 GPa)
– Ausgezeichnete Voraussetzungen für die Oberflächenveredelung
– 100 % Recyclingfähigkeit
Ob Schalter, Griffe, Zierleisten, Blenden oder Armaturen: Zinklegierungen können nicht nur endabmessungsnah in nahezu jede gewünschte Form gegossen werden. Während des Gießens lassen sich zusätzlich präzise Oberflächenstrukturen integrieren, die der Optik eine außergewöhnliche Wirkung verleihen. Zinkdruckguss bietet außerdem hervorragende Voraussetzungen für die Verfahren der Oberflächenveredelung, wie zum Beispiel für das galvanische Beschichten.
Nur eine Spielzeugeisenbahn? Perfektion bis ins kleinste Detail geht nur, wenn auch die Oberfläche höchsten Ansprüchen genügt / Bildquelle: Initiative Zink
Bauteile aus Zinkdruckguss sind heute Hightech-Produkte, die für unterschiedlichste Einsatzzwecke verwendet und in vielen Bereichen des täglichen Lebens, im Automobil-, Maschinen- und Apparatebau, in der Elektrotechnik und Elektronik sowie im Bauwesen und im Möbelbau eingesetzt werden. Hauptteil des im Auto verwendeten Zinks stellen Komponenten und Bauteile aus Zinkdruckguss zum Beispiel als Gurtstraffer, als Gehäuse für Anlasser und Scheibenwischermotoren, als Träger von Scheinwerfer und Außenspiegel, als Teil der Lenksäule und Frontsensor für Airbags, als Türschlosszylinder und Türgriff. Über 100 Einzelteile aus Zink stehen für Mobilität, Sicherheit und Funktionalität aber auch für dekorative Elemente mit einer hohen gefühlten Wertigkeit.
Und die Produktpalette wird in den kommenden Jahren weiter wachsen, denn Zinkdruckguss ermöglicht die Umsetzung komplexer Geometrien mit dünnen Wandstärken bei hoher Reproduzierbarkeit in engen Toleranzen und mit hohen Festigkeitswerten. Qualität und Qualitätssicherung spielen hierbei eine entscheidende Rolle – von der normgerechten Zinkdruckgusslegierung bis zu den fertigen Gussteilen.
Optik, Haptik, Form und Gewicht – alles muss bei dieser Dentalkamera mit oberflächenveredeltem Zinkdruckgussgehäuse stimmen / Bildquelle: Initiative Zink
Neue Entwicklungen sowohl in der Gießtechnik als auch in der Obetrflächenbehandlung zeigen, dass noch längst nicht alle Möglichkeiten des Werkstoffs Zink ausgeschöpft sind. Neue Gießverfahren durch Schaumguss, optimierte Legierungen für den Dünnwandguss und intelligente konstruktionen erlauben Gwichtseinsparungen biszu 30 % / Bildquelle: Initiative Zink
Oxidationsschutz
Bei Beaufschlagung von Metallen mit hohen Temperaturen und gleichzeitiger Anwesenheit von Sauerstoff erleiden Metalle einen Angriff durch Oxidation. Bei vielen Metallen bilden sich keine geschlossenen, dichten Oxidschichten, so dass der Basiswerkstoff nach und nach in seine Oxide umgewandelt wird. Dies wiederum bedeutet eine Verminderung des Teilequerschnitts und damit eine mechanische Schwächung. Lediglich bei Werkstoffen wie Titan oder Tantal entstehen sehr dichte Oxidschichten, die eine natürliche Sperre gegen den Angriff durch Sauerstoff darstellen.
Besonders drastisch ist der Angriff durch Oxidation bei Bauteilen in Verbrennungsanlagen oder Turbinen. Hier werden zum Schutz der Werkstoffe Metalloxide, -nitride oder -carbide durch thermisches Spritzen aufgetragen. Mittels der Verfahrenstechnik thermisch Spritzen können eine sehr große Zahl unterschiedlicher keramischer Werkstoffe auf nahezu alle Substrate aufgebracht werden. Dabei kann auch die Dichte der Schichten durch Variation der Auftragstechnologien (Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen) oder der eingesetzten Ausgangsstoffe (Draht, Flüssigkeit, Pulver) sowie der jeweiligen Arbeitsparameter gesteuert werden. Die so hergestellten Schichten mit Dicken von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern stellen eine wirksame Barriere für angreifende Gase dar. Aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit ermöglichen derartige Schichten auch eine Erhöhung der Arbeitstemperaturen beispielsweise von Turbinen. Dies trägt zu einer Einsparung von Treibstoff bei.