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2015 | Buch

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Tribologie-Handbuch

Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik

herausgegeben von: Horst Czichos, Karl-Heinz Habig

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Handbuch behandelt anschaulich die Grundlagen von Reibung und Verschleiß und beschreibt Methoden und Technologien zur Optimierung tribologisch beanspruchter technischer Systeme. Schwerpunkte sind die tribologische Mess- und Prüftechnik in der Makro-, Mikro- und Nanotechnik und das Reibungs- und Verschleißverhalten metallischer, keramischer und polymerer Konstruktionswerkstoffe. Die verschiedenen Verschleiß-erscheinungsformen werden illustriert durch einen Verschleißatlas.

Die anwendungsorientierten Teile beschreiben tribotechnische Konstruktionselemente und Mikrosysteme, die Produktionstechnik und Werkzeuge der Fertigungstechnik sowie die Tribologie bei Extremtemperaturen. und im Vakuum. Der internationale Beitrag Machinery Diagnostics behandelt die Überwachung und Schadensfrüherkennung von Maschinen und technischen Anlagen.

Neu aufgenommen in die aktuelle Auflage wurde ein Beitrag über Bioschmierstoffe und eine Darstellung der Nano-Interface-Tribologie in Festplattenlaufwerken, sie bestimmt die Funktionalität und die Leistungsfähigkeit von Computern.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einführung

Frontmatter

1. Technik und Tribologie

Zusammenfassung

Die Tribologie ist ein interdisziplinäres Fachgebiet zur Optimierung mechanischer Technologien durch Verminderung reibungs- und verschleißbedingter Energie- und Stoffverluste. Nach einer Darstellung der heutigen Dimensionen der Technik wird eine Übersicht über Aufgaben und Bedeutung der Tribologie in Wissenschaft, Technik und Wirtschaft gegeben.

Horst Czichos

2. Tribologische Systeme

Zusammenfassung

Tribologische Systeme (oder kurz Tribosysteme) sind technische Konstruktionen, deren Funktion durch mechanisch bewegte – und damit reibungs- und verschleißbeanspruchte – Strukturelemente (interacting surfaces in relative motion) realisiert wird. Tribosysteme haben die Aufgabe, Bewegungen, Energie und Material umzuwandeln, zu transportieren und technisch nutzbar zu machen. Beispiele reichen von Maschinenelementen, wie Lager und Getriebe, den Transportmitteln Rad/Straße, Reifen/Schiene bis hin zu Produktionsanlagen und Industrierobotern. Ausgehend von einer Klassifikation in energie-, informations- und stoffbasierte tribologische Systeme sowie einer Übersicht über Nanotribologie, Mikrotribologie und Makrotribologie wird die systemtechnische Methodik zur Reibungs- und Verschleißanalyse dargestellt.

Horst Czichos

Grundlagen

Frontmatter

3. Tribologische Beanspruchung

Zusammenfassung

Der Begriff tribologische Beanspruchung kennzeichnet die Beanspruchung einer Materialoberfläche durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. In der Technik haben tribologische Beanspruchungen eine „duale Rolle“: sie sind einerseits erforderlich für die technisch nutzbare Umsetzung von Energie-, Stoff- oder Signalgrößen über Wirkflächen in tribologischen Systemen; andererseits sind tribologische Beanspruchungen stets mit Reibung verbunden und können zu Verschleiß führen. Zusammen mit der Betrachtung der Geometrie, Physik und Chemie technischer Oberflächen im Makro/Mikro/Nano-Bereich werden die kontaktmechanischen, kinematischen und thermischen Aspekte tribologischer Beanspruchungen dargestellt.

Horst Czichos, Erich Santner

4. Reibung

Zusammenfassung

Reibung ist ein Bewegungswiderstand sich berührender Körper, gekennzeichnet durch verschiedene Reibungszustände (Festkörperreibung, Flüssigkeitsreibung, Gasreibung) und Reibungsarten (Gleitreibung, Rollreibung). Reibung ist keine Materialeigenschaft sondern entsteht durch Wechselwirkungsprozesse kontaktierender Körper oder Stoffe und muss stets auf die Material-Paarung, d. h. allgemein auf das betreffende tribologische System, bezogen werden. Die physikalischen Mechanismen und Dissipationsprozesse der Reibung werden mit einer Energiebilanz analysiert und es wird der Zusammenhang zwischen Reibung und reibungsbedingtem Wirkungsgrad betrachtet. Abschließend wird eine kurze Übersicht über tribologische Systeme für reibungsarme Führungen und Lager gegeben.

Horst Czichos

5. Verschleiß

Zusammenfassung

Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers (Grundkörper), hervorgerufen durch tribologische Beanspruchungen, d. h. Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Verschleiß ist wie die Reibung keine Materialeigenschaft sondern entsteht durch Wechselwirkungsprozesse kontaktierender Körper oder Stoffe und muss stets auf die Material-Paarung, d. h. allgemein auf das betreffende tribologische System, bezogen werden. Beschrieben werden die technischen Verschleißarten: Gleitverschleiß, Wälzverschleiß, Stoßverschleiß, Schwingungsverschleiß, Furchungsverschleiß, Strahlverschleiß, Erosion und die elementaren physikalisch-chemischen Verschleißmechanismen: Oberflächenzerrüttung, Abrasion, Adhäsion, Tribochemische Reaktionen. Abschließend werden die Zusammenhänge von Verschleiß und Zuverlässigkeit dargestellt und Möglichkeiten zur Verschleißminderung betrachtet.

Horst Czichos

6. Schmierung

Zusammenfassung

Schmierung dient der Verminderung von Reibung und Verschleiß durch Einbringen eines Schmierstoffs zwischen die Kontaktpartner tribologischer Systeme. Die Reibung in geschmierten tribologischen Systemen ist abhängig von der Geometrie und Oberflächenrauheit der Kontaktpartner, ihrer Relativgeschwindigkeit und Belastungskraft sowie der chemischen Zusammensetzung und Viskosität des Schmierstoffs. Dargestellt werden die Hydrodynamische Schmierungstheorie, die Elastohydrodynamische Schmierung und die Grenzreibung, die als ein Sonderfall der Festkörperreibung anzusehen ist, bei der die tribologisch beanspruchten Oberflächen mit einer Adsorptionsschicht aus Schmierstoffmolekülen bedeckt sind.

Karl-Heinz Habig, Gunter Knoll

7. Tribokorrosion

Zusammenfassung

Unter Korrosion versteht man allgemein die (elektrochemische) Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt.

Tribokorrosion kann in einem korrosiven Medium grundsätzlich bei jeder tribologischen Beanspruchung einer Materialoberfläche durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers auftreten. Für die Tribokorrosion bei tribologischer Gleitbeanspruchung werden Prinzipien der elektrochemischen Messtechnik und Verschleißerscheinungsformen dargestellt.

Horst Czichos, Jean-Pierre Celis

8. Tribologische Mess- und Prüftechnik

Zusammenfassung

Es werden die Prinzipien, Methoden und Instrumentarien der verschiedenen Kategorien der tribologischen Mess- und Prüftechnik beschrieben: Laborprüftechnik, Messtechnik der Mikro- und Nanoskala, Simulationsprüftechnik, Betriebsprüftechnik. Die Komplexität von Reibung und Verschleiß erfordert eine sorgfältige Planung, Durchführung und Auswertung tribologischer Prüfungen. Die Ergebnisdarstellung tribologischer Messungen und Prüfungen hat die Zeitabhängigkeit von Reibung und Verschleiß sowie die Einflüsse vom Beanspruchungskollektiv und der Systemstruktur zu berücksichtigen. Die Versagensgrenzen tribologischer Systeme können durch Grenzbeanspruchungs-Diagramme und die Wirkbereiche tribologischer Prozesse durch Tribomaps gekennzeichnet werden.

Horst Czichos, Heinz Sturm

Tribomaterialien

Frontmatter

9. Tribotechnische Werkstoffe

Zusammenfassung

Die Auswahl von Werkstoffen für tribotechnische Anwendungen richtet sich neben den Gebrauchseigenschaften ganz wesentlich nach den wichtigsten Fertigungseigenschaften sowie nach der mittel- und ggf. langfristigen Verfügbarkeit. Die Darstellung tribotechnischer Werkstoffe orientiert sich an der üblichen Aufteilung von Werkstoffen und deren tribologischem Verhalten unter unterschiedlichen Beanspruchungen. Nach einer Übersicht über den Einsatz von Tribomaterialien im Maschinen- und Anlagenbau wird das tribologische Verhalten folgender Werkstoffe dargestellt: Stähle, Gusswerkstoffe, Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffe, Nickel-, Kobalt-, Kupfer-, Aluminium- und Titanlegierungen, Hartmetalle, Ingenieurkeramische Werkstoffe, Oberflächenschutzschichten, Polymere Werkstoffe.

Karl-Heinz Habig, Alfons Fischer

10. Schmierstoffe

Zusammenfassung

Schmierstoffe dienen zur Reibungs- und Verschleißminderung in tribologischen Systemen. Sie werden in verschiedenen Aggregatzuständen als Schmieröle, Schmierfette oder Festschmierstoffe eingesetzt. Die Betriebsbedingungen für die Anwendung von Schmierstoffen in Tribosystemen sollen möglichst die Bildung eines die Kontaktpartner trennenden, hydrodynamisch bzw. aerodynamisch gebildeten oder tribochemisch erzeugten Schmierfilmes ermöglichen. Es werden die physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften von Schmierstoffen dargestellt und ihre Anwendungsmöglichkeiten betrachtet. Da Schmierstoffe durch Leckagen oder technisch gewollte Verlustschmierung in die Umwelt gelangen können wurden umweltfreundliche Bioschmierstoffe entwickelt, deren Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten dargestellt werden.

Karl-Heinz Habig, Theo Mang

Tribotechnik

Frontmatter

11. Tribologie von Konstruktionselementen

Zusammenfassung

Die Funktion tribologischer Maschinenelemente besteht in der Aufnahme, Übertragung und Anwendung von Bewegungen und Kräften mittels tribologisch beanspruchter Wirkflächenpaare in Maschinen, Geräten und technischen Anlagen. Die tribologischen Beanspruchungen haben eine „duale Rolle“: sie sind einerseits für die Funktion erforderlich, sind aber andererseits stets mit Reibung verbunden und können zu Verschleiß führen. Es wird das tribologische Verhalten von ausgewählten Konstruktionselementen vorgestellt: Gleitlager, Wälzlager, Zahnradpaarungen, Axiale Gleitringdichtungen, Kolbenring/Zylinderlaufbahn, Nocken/Nockenfolger. Dabei werden neben den werkstofftechnischen Aspekten im besonderen Maße schmierungstechnische und konstruktive Gesichtspunkte berücksichtigt.

Karl-Heinz Habig

12. Tribologie im Computer

Zusammenfassung

Computer sind als „programmierbare Rechengeräte“ heute von zentraler Bedeutung für die Informationsverarbeitung und Informationsdarstellung in Wissenschaft, Technik, Wirtschaft und Gesellschaft. Die Funktion von Computern basiert auf dem Zusammenwirken geeigneter Programme (Software) und gerätetechnischer „Hardware“. Die Speicher-Festplattenlaufwerke bilden mit dem stationären Schreib/Lesekopf und dem rotierenden, magnetischen Speichermedium ein tribologisches System mit interacting surfaces in relative motion. Die Tribologie in Festplattenlaufwerken ist damit grundlegend wichtig für die Funktionalität und die Leistungsfähigkeit von Computern. Es werden die Prinzipien der magnetischen Datenspeicherung und die Nano-Interface-Tribologie in Computer-Festplattenlaufwerken dargestellt.

Frank Talke

13. Tribologie in der Mikrotechnik

Zusammenfassung

Die heutige Technik ist durch einen stetigen Trend zur Miniaturisierung gekennzeichnet. Die Mikrotechnik nutzt Effekte, die erst durch Miniaturisierung möglich werden, z. B. geringere thermische Trägheit, veränderte Volumen/Oberflächen-Relationen. MEMS sind mikro-elektro-mechanische Systeme (Micro-Electro-Mechanical Systems) für Bewegungsfunktionen. Da ihre miniaturisierten Bauteile tribologischen Beanspruchungen ausgesetzt sein können, ist die Tribologie von MEMS wichtig für ihre Funktionalität. Es werden die Tribomaterialien und Technologien von MEMS sowie die Beanspruchungsanalyse und die Tribometrie beschrieben.

Horst Czichos

14. Tribologie in der Produktionstechnik

Zusammenfassung

Produktion ist die Gesamtheit wirtschaftlicher, technologischer und organisatorischer Maßnahmen, die unmittelbar mit der Be- und Verarbeitung von Stoffen zusammenhängen. In der Produktionstechnik nehmen Werkzeugmaschinen eine Schlüsselstellung ein, da sie die Grundlage für die Herstellung aller anderen Maschinen sowie derer Komponenten darstellen. Es werden die tribologischen Systeme in Werkzeugmaschinen, insbesondere Führungen und Lager, betrachtet und Möglichkeiten der Optimierung von Werkzeugmaschinen analysiert. Tribologische Innovationen in der Produktionstechnik werden mit Beispielen, wie Mikrowerkzeuge, Hochgeschwindigkeitsfräsen, Mikrostrukturierung medizintechnischer Stents, vorgestellt. Abschließend wird die Verfügbarkeit und Instandhaltung von Produktionsanlagen betrachtet.

Eckart Uhlmann

15. Tribologie von Werkzeugen

Zusammenfassung

Werkzeuge der Fertigungstechnik für mechanisches Umformen und Trennen sind tribologisch beanspruchte Elemente in „offenen“ Tribosystemen mit Stoffflüssen von Material und Schmierstoffen in das Produktionssystem hinein und aus ihm heraus. Die tribologischen Prozesse an Werkzeugen sind durch folgende Besonderheiten gekennzeichnet: Entstehung neuer Werkstückoberflächen durch die Trenn- oder Umformprozesse, Werkzeug/Werkstück-Kontaktspannungen oberhalb von Streck- oder Fließgrenzen, triboinduzierte Temperaturerhöhungen an der Werkzeug/Werkstück Grenzfläche. Eine optimierte Gestaltung von Werkzeugen zielt auf günstige Reibungsbedingungen und einen akzeptablen Verschleiß, so dass mit dem Werkzeug die angestrebte Stückzahl sicher erreicht wird.

Peter Groche

16. Vakuumtribologie

Zusammenfassung

Vakuumbedingungen stellen an die Tribologie besondere Anforderungen. Normalerweise haben unter atmosphärischen Bedingungen tribologisch beanspruchter Bauteile bei der Festkörperreibung im „Trockenlauf“ die Möglichkeit, durch chemische Reaktionen mit dem gasförmigen Umgebungsmedium reibungs- und verschleißmindernde Deckschichten zu bilden. Dies ist im Vakuum jedoch nicht möglich. Beispielsweise steigt die in Luftatmosphäre zeitstabile Gleitreibungszahl f ≈ 0,5 im Vakuum innerhalb weniger Minuten auf einen zehnfach höheren Wert. Da konventionelle Tribomaterialien für Vakuumbedingungen nicht geeignet sind, wurden neue Werkstoffe, Prüftechniken und Technologien entwickelt. Nach einer kurzen Übersicht über Tribosysteme für Vakuumbedingungen werden tribologische Problemlösungen, die Vakuumtribometrie und geeignete Werkstoffe für die Erfordernisse der Vakuumtechnik dargestellt.

Thomas Gradt

17. Tieftemperaturtribologie

Zusammenfassung

Die Tieftemperaturtribologie beschäftigt sich mit Tribomaterialien für die Kryotechnik im Temperaturbereich unterhalb von 120 K (−153 °C). Dies ist der Bereich der tiefkalten verflüssigten Gase wie Stickstoff, Wasserstoff sowie von Helium, das in der medizinischen Diagnostik für die Kühltechnik von Kernspintomografen unentbehrlich ist. Flüssigerdgas, das neben Wasserstoff als alternativer Kraftstoff diskutiert wird, siedet bei 112 K und fällt somit auch in diesen Bereich. Von zentraler Bedeutung für Tribosysteme im Bereich der Kryotechnik ist die Tatsache, dass die Arbeitstemperaturen weit unterhalb des Anwendungsbereichs flüssiger Schmierstoffe liegen, weshalb z. B. berührungslose oder Festkörperreibungssysteme eingesetzt werden müssen. Es wird dargestellt, welche Werkstoffe hierfür zur Verfügung stehen und welche Prüftechnik für tribologische Messungen bei extrem tiefen Umgebungstemperaturen zum Einsatz kommt.

Thomas Gradt

18. Hochtemperaturtribologie

Zusammenfassung

Die Temperatur ist eine fundamentale Beanspruchungs- bzw. Einflussgröße für alle tribologischen Systeme. Für die in zahlreichen tribologischen Systemen benötigten Schmierstoffe liegen die thermischen Stabilitätsgrenzen bei etwa 400 °C. Es wird die tribologische Prüftechnik für Tribomaterialien beschrieben, die für den Einsatz in tribologischen Systemen bei hohen Betriebstemperaturen verwendbar sind. Ausgehend von metallurgischen Lösungsansätzen aus der Tribologieforschung werden Anwendungsmöglichkeiten hochtemperaturbeständiger Ingenieurwerkstoffe mit Beispielen aus der Automobiltechnik (Luftlagerung von Turboladern, Leistungssteigerung von Bremsmaterialien), der Fertigungstechnik (Standzeitverlängerung von Werkzeugen) und dem chemischen Anlagenbau (Effizienzsteigerung von Kühlkreisläufen) dargestellt.

Mathias Woydt

Methodik

Frontmatter

19. Methodik zur Bearbeitung von Reibungs- und Verschleißproblemen

Zusammenfassung

Die Aufgabenstellungen der Tribologie sind außerordentlich vielfältig und können aus den Bereichen Entwicklung, Konstruktion, Fertigung, Betrieb, Instandhaltung, Wartung etc. kommen. Da Reibung und Verschleiß keine Materialeigenschaften sind, muss bei der Bearbeitung von Reibungs- und Verschleißproblemen in jedem Falle vom zentralen Grundsatz der Systemabhängigkeit ausgegangen werden. Somit müssen für die einzelnen Fragestellungen jeweils individuelle Problemlösungen unter Berücksichtigung der grundlegenden systemtechnischen Parametergruppen und Einflussgrößen entwickelt werden. Die Methodik wird in exemplarischer Form mit Beispielen aus zwei grundlegenden Bereichen der Tribotechnik formal vereinfacht dargestellt: Werkstoffauswahl für eine tribotechnische Entwicklung, Schadensanalyse bei Störung oder Versagen eines tribotechnischen Systems.

Horst Czichos

20. Atlas von Verschleißerscheinungsbildern

Zusammenfassung

Infolge von Verschleißprozessen erfahren tribologisch beanspruchte Oberflächen von Werkstoffen charakteristische Veränderungen ihrer Morphologie. Der Verschleißatlas zeigt charakteristische Erscheinungsbilder bei Gleitverschleiß, Wälzverschleiß, Stoßverschleiß, Schwingungsverschleiß, Furchungsverschleiß, Strahlverschleiß und Erosion. Die Analyse von Verschleißerscheinungsbildern ermöglicht Rückschlüsse über die wirksamen elementaren Verschleißmechanismen und bildet die Grundlage für Maßnahmen zur Verschleißminderung mittels werkstofftechnischer, schmierungstechnischer oder konstruktiver Methoden.

Karl-Heinz Habig

21. Reibungs- und Verschleißdaten

Zusammenfassung

Reibungs- und Verschleißdaten sind keine Materialkonstanten. Sie sind abhängig von der Art der tribologischen Beanspruchung und müssen als Systemkenngrößen stets auf das betreffende tribologische System bezogen sein. In symbolischer Darstellung gilt: {Reibungsdaten, Verschleißdaten} = f(Beanspruchungskollektiv, Systemstruktur). Ausgehend von einer Analogiebetrachtung zur physikalischen Messtechnik wird die Methodik der Bestimmung und Darstellung von Reibungs- und Verschleißdaten am Beispiel eines tribometrischen Referenzverfahrens beschrieben. Die relevanten Systemparameter für Reibungs- und Verschleißdaten sind in einem Datenblatt zusammengestellt. Eine tribologische Datenbank ermöglicht das Retrieval von Reibungs- und Verschleißdaten und die Auswahl von Kandidatwerkstoffen für technische Anwendungen: www.bam.de → Datenbanken → TRIBOCOLLECT.

Horst Czichos

Zustandsüberwachung

Frontmatter

22. Machinery Diagnostics: Fundamentals and Tribosystem Applications

Abstract

Machinery Diagnostics deals with the “health” of machines – characterized by “structural integrity” and “functional performance” – and the examination of faults and failures by nondestructive evaluation. The aim of this chapter of the Tribologie-Handbuchis to present the fundamentals of machinery diagnostics and to apply them to tribosystems, which are technical entities containing interacting components in relative motion, subject to friction and wear. The presentation of failure prevention strategies includes root-cause analysis, statistical control, reliability engineering, and asset maintenance. Condition monitoring deals with vibration monitoring, oil monitoring, corrosion monitoring, thermal monitoring, and electrical signature analysis. The application of machinery diagnostics to tribosystems is exemplified with bearings, gears, seals, lubricants and hydraulic systems.

Richard S. Cowan, Ward O. Winer

Backmatter

Titel: Tribologie-Handbuch
herausgegeben von: Horst Czichos
Karl-Heinz Habig
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-8348-2236-9
Print ISBN: 978-3-8348-1810-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-8348-2236-9

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