Tribologie niedrigster Verschleißraten

© Fraunhofer IWM

Bauteile in Motoren haben nach optimalem Einlauf ultrakleine Verschleißgeschwindigkeiten im Bereich von wenigen Nanometern pro Stunde. Zur Analyse derartiger Systeme wird die Radionuklidtechnik eingesetzt, die diese kleinen Verschleißraten in Echtzeit erfasst. Damit ist es möglich, die hauptsächlichen Hebel der tribologischen Optimierung – Einlaufdynamik, Additivchemie und energetisch gesteuerte Endbearbeitung – zu bedienen. Neben einer drastischen Reduktion von Reibung und Verschleiß findet auch eine Stabilisierung des Systems bei gleichzeitiger Verringerung der Empfindlichkeit statt.

Auswahl unserer Maschinen und Geräte in diesem Themenbereich

© Fraunhofer IWM
Abb.1: Schema einer Radionuklidmessung

Radionuklidtechnik und Einlaufverhalten

Verschleiß und Verschleißraten

Verschleiß und Verschleißraten werden in verschiedensten Einheiten angegeben. Häufig ist der Volumenverlust über den Gleitweg (oft in mm³/m) oder auch - nach Archard (1953) - der Verschleißkoeffizient angegeben, der den Volumenverlust auf den Verschleißweg und die Normalkraft bezieht (gewöhnlich in mm³/(N m)). Weniger häufig ist auch die Angabe der Verschleißtiefe über die Zeit, dann gewöhnlich in nm/h, zu finden.

Verschleißraten werden in die Bereiche hohen („severe wear“) und niedrigen Verschleißes („mild wear“) eingeteilt. Der Bereich niedrigen Verschleißes ist dadurch gekennzeichnet, dass die entstehenden Verschleißteilchen oxidiert und mit bis zu etwa einem Mikrometer Größe deutlich kleiner sind als Verschleißteilchen im Bereich des Hochverschleißes, die metallisch und in Größen über 20 µm vorliegen. Eine Erweiterung dieser Definition auf niedrigste Verschleißraten bezieht die in diesem Bereich vorherrschende Verschleißteilchengröße im Submikrometer- und Nanometerbereich mit ein.

Alpas u. a. (J. Zhang und A.T. Alpas 1997; M. Chen und A.T. Alpas 2008) definieren verschiedene Verschleißratenbereiche mit hohen (über 10-2 mm3/m), niedrigen (10-3 mm3/m bis 10-4 mm3/m) und niedrigsten Verschleiß­raten (kleiner 10-4 mm3/m). Dabei ist anzumerken, dass auch Verschleißraten im niedrigen Verschleißratenregime zu hoch für die allermeisten Anwendungen im Maschinenbau sind.

Reibung und Verschleiß tribologischer Systeme sind in vielen Fällen nicht stationär und von vielen Faktoren abhängig. Während die Reibungskräfte während des Versuchs zumindest an Tribometern einfach zugänglich sind, ist die Messung des Verschleißes über den Versuchsverlauf technisch schwieriger umzusetzen, vor allem, wenn es sich um tribologische Systeme im niedrigsten Verschleiß­ratenregime handelt.

Die Radionuklidtechnik (RNT) ist eine technische Lösung, um niedrigste Verschleißraten auch über den Versuchsverlauf aufzulösen. Verschleißmessung über RNT ist ausführlich von Scherge u. a.  (2003) beschrieben. Im Folgenden wird die Messung über das Konzentrations­messver­fahren kurz beschrieben, da diese Methode am Fraunhofer IWM am häufigsten zur Anwendung kommt. (Abb. 1)

Beim Konzentrationsmessverfahren wird die Konzentration der Verschleißteilchen anhand der im Öl gemessenen Aktivität bestimmt. Hier wird ein Messsystem mit einer Konzentrationsmessanlage (KMA) für die Messung der Aktivität der Verschleißteilchen im Öl und einer Referenzmessanlage (RMA) betrieben. Mit der RMA erfolgt die Messung einer auf ein Mikrogramm genau ausgewogenen Kalibrierprobe zur Korrektur der Halbwertszeit. Über die Kalibrierprobe wird der im Öl gemessenen Aktivität auch die Masse an Verschleißteilchen zugeordnet, die sich zum Messzeitpunkt im Öl befindet.

Für eine Einordnung der Verschleißrate in nm/h, wie sie an einem typischen Stift-Scheibe-Tribometer gemessen werden kann, in die Größenordnung anderer, typischer Verschleißeinheiten sind diese in Tabelle 1 gegenüber gestellt.

Einheit

nm/h

mm³/m mm³/(N·m)
Wert

10

10-8 2·10-11
© Fraunhofer IWM
Abb.2: Verschleißsignal von zwei Stiften nach unterschiedlichen Belastungen während des Einlaufs vgl. Scherge (2003)

Einlaufverhalten tribologischer Systeme

Mit  dem niedrigsten Verschleißratenregime eng verknüpft ist das sog. Einlaufverhalten tribo-logischer Paarungen. Viele geschmierte Systeme erreichen das niedrigste Verschleiß­raten­regime nach einem Einlauf.

Blau (2006) definiert den Einlauf tribologischer Systeme als die Änderung von Reibung, Temperatur und Verschleißrate kurz nach Beginn des ersten tribologischen Kontakts zweier Oberflächen.

Ein Einlauf in Form von Verschleißratenänderungen ist häufig an Systemen mit niedrigsten Verschleißraten zu finden, da die den Einlauf bedingenden Veränderungen an der Oberfläche auch günstig für niedrige Verschleißraten sind. Einlaufphänomene sind jedoch nicht auf niedrigste Verschleißraten beschränkt (J. K. Lancaster 1963).

Die Interpretation von Einlaufphänomenen erfolgt bei älteren Veröffentlichungen  (R. Stribeck 1902; E. J. Firestone und F. A. Abbott 1933) als eine Einglättung der Reibpartner. Ein Großteil der Autoren, die ein beobachtetes Einlaufverhalten explizit diskutieren, bezieht jedoch den Bereich unter der Oberfläche in die Erklärung von Einlaufphänomenen mit ein. Nach Godet (1984) kann zusammenfasst werden, dass praktisch jedes Tribosystem eine Veränderung des Randzonengefüges und der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche durch die tribologische Belastung aufweist – in manchen Fällen kann sich die Veränderung auf wenige Nanometer Tiefe beschränken, in anderen Fällen wiederum wird eine Scherung bis in mehrere 100 µm Tiefe beobachtet.

Der Betrieb technischer Systeme im niedrigsten Verschleißratenregime und dessen enge Verknüpfung mit dem Einlaufverhalten macht die RNT-Technik zu einem mächtigen Werkzeug für die Analyse und Optimierung tribologischer Systeme. Dies soll beispielhaft an dem Schaubild in Abb. 2 verdeutlicht werden. Hier ist das Verschleißsignal zweier Versuche an einem Stift-Scheibe-Tribometer dargestellt, die unter sehr gut vergleichbaren und konstanten Bedingungen durchgeführt wurden. Der einzige Unterschied zwischen den Versuchen war die Normalkraftbelastung in den ersten sechs Stunden des Versuchs.
Die Verschleißmenge des ersten Versuchs mit durchgängig konstanter Last von 30 MPa ist zunächst geringer als im Versuch mit initial höherer Last. Die Auflösung der Verschleißrate über die Radionuklidtechnik erlaubt jedoch bereits nach mehreren Stunden Laufzeit eine Aussage über das Verschleißverhalten über längere Versuchszeiten, da sich eine konstante Verschleißrate einstellt. Ohne Echtzeitverschleißmessung hinge jedoch die Beurteilung der Verschleißbeständigkeit durch die Belastung von der Versuchszeit ab: Wäre der Versuch nach 60 Stunden abgebrochen worden, hätte die Variante 1 zu einem besseren Ergebnis geführt, nach 200 Stunden jedoch die Variante 2. Hinzu kommt, dass mit ex-situ-Methoden wie wägen oder vermessen in dieser Größenordnung die Verschleißbestimmung deutlich weniger zuverlässig ist als die Messung über RNT.

nach oben

Literaturverzeichnis

E. J. Firestone; F. A. Abbott (1933): Specifying surface quality: a method based on accurate measurement and comparison. In: Journal of Mechanical Engineering 55, S. 569–572.

J. F. Archard (1953): Contact and Rubbing of Flat Surfaces. In: Journal of Applied Physics 24 (8), S. 981–988. DOI: 10.1063/1.1721448.

J. K. Lancaster (1963): The Formation of Surface Films at the Transition between Mild and Severe Metallic Wear. In: Proc. Roy. Soc. London 273A (1355), S. 466–483. Online verfügbar unter http://www.jstor.org/stable/2414588.

J. Zhang; A.T. Alpas (1997): Transition between mild and severe wear in aluminium alloys. In: Acta Materialia 45 (2), S. 513–528. DOI: 10.1016/S1359-6454(96)00191-7.

M. Chen; A.T. Alpas (2008): Ultra-mild wear of a hypereutectic Al–18.5 wt.% Si alloy. In: Wear 265 (1–2), S. 186–195. DOI: 10.1016/j.wear.2007.10.002.

M. Godet (1984): The third-body approach: A mechanical view of wear. In: Wear 100 (1–3), S. 437–452. DOI: 10.1016/0043-1648(84)90025-5.

M. Scherge; K. Pöhlmann; A. Gervé (2003): Wear measurement using radionuclide-technique (RNT). In: Wear 254 (9), S. 801–817. DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00230-8.

M. Scherge; D. Shakhvorostov, K. Pöhlmann (2003): Fundamental wear mechanisms of metals, In: Wear 255 (1-6), S. 395-400. DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00273-4.

Peter J. Blau (2006): On the nature of running-in. In: Tribology International 38 (11–12), S. 1007–1012. DOI: 10.1016/j.triboint.2005.07.020.

R. Stribeck (1902): Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager. In: Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure 46 (36), S. 1341–1348.

nach oben