12 Verschleiß. Der Kegel wird in das weichere Material eindringen. Nach der Definition der Härte p (des weicheren Materials) gilt 2 (1.1) Bild 1.

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1 1 Verschleiß 1.1 Einleitung Auch wenn Reibung und Verschleiß in der Praxis immer gemeinsam auftreten, sind das qualitativ unterschiedliche Phänomene. Das sieht man bereits daran, dass man sich durchaus Reibung ohne Verschleiß vorstellen kann, zumindest in einem Modell. Z.B. gibt es im Tomlinson Modell Reibung aber keinen Verschleiß. Dasselbe gilt im Fall, wenn die Reibung durch Bildung von Kapillarbrücken in Mikrokontakten verursacht wird; auch in diesem Fall verursachen die Brüche der Kapillarbrücken nicht unmittelbar auch einen Verschleiß der festen Körper. Auch beim Gummi fallen die Frequenzbereiche der großen Reibung und des erhöhten Verschleißes nicht unbedingt zusammen. Die oft unterschiedlichen phsikalischen Mechanismen für Reibung und Verschleiß finden ihren Ausdruck in der Tatsache, dass sich die Verschleißgeschwindigkeiten bei verschiednen Reibpaarungen (bei sonst gleichen Bedingungen) um mehrere Größenordnungen unterscheiden können. Gleichzeitig ist zu bemerken, dass in bestimmten Situationen die Prozesse, die zur Reibung führen, gleichzeitig auch Verschleiß verursachen, wie z.b. plastische Deformation von Mikrokontakten. In diesen Fällen können die Reibung und der Verschleiß enger verbunden sein. In den meisten Fällen wird Verschleiß als unerwünschte Erscheinung angesehen. Verschleiß kann aber auch die Grundlage für verschiedene technologische Prozesse sein. Ein Beispiel dafür ist Polieren. Es ist üblich, die folgenden Grundarten von Verschleiß zu unterscheiden: Abrasiver Verschleiß tritt auf, wenn zwei Körper mit wesentlich unterschiedlicher Härte im Kontakt sind, bzw. die Zwischenschicht harte Teilchen enthält. Adhäsiver Verschleiß passiert auch in Kontakten zwischen den Körpern mit gleicher oder ähnlicher Härte. Korrosiver Verschleiß ist mit chemischer Modifizierung der Oberfläche und einer abschließenden Abtragung der Oberflächenschicht verbunden. Oberflächenermüdung wird durch mehrmalige Beanspruchung der Oberfläche entweder durch Gleiten oder Rollen verursacht, wobei bei jeder einzelnen Beanspruchung anscheinend keine bemerkbaren Änderungen der Oberfläche auftreten. 1. Abrasiver Verschleiß Um die Verschleißrate beim abrasiven Verschleiß abzuschätzen, betrachten wir ein einfaches Modell, in dem alle Mikrokontakte an der harten Oberfläche eine Kegelform haben (Bild 1). Betrachten wir zunächst einen einzigen Mikrokontakt mit der Normalbelastung Δ L. Bild 1. Der Kegel wird in das weichere Material eindringen. Nach der Definition der Härte p (des weicheren Materials) gilt Δ L= p π r (1.1) 1

2 Der Flächeninhalt der Projektion des Kegels auf die vertikale Ebene ist rh. Bei einer Verschiebung um den Abstand dx würde der Kegel das Volumen dv herausschneiden, welches durch die folgende Gleichung gegeben ist ΔLtanθ dx dv = rh dx = r tanθ dx =. (1.) π p Im Moment identifizieren wir dieses Volumen mit dem verschlissenen Volumen des Materials. Gleichzeitig bemerken wir, dass diese Annahme sich als eine zu große Vereinfachung erweisen kann (mehr dazu s. 1.3). Die Verschleißgeschwindigkeit (hier definiert als abgetragenes Volumen dividiert durch den zurückgelegten Weg) ist somit dv ΔL tanθ =. (1.3) dx π p Summieren über alle Asperiten ergibt für das verschlissene Volumen Ltanθ V = x, (1.4) π p wobei tanθ ein gewichtetes Mittel von tanθ aller individueller Kontakte ist. Diese Gleichung wird gewöhnlich in der Form kabrl V = x (1.5) p geschrieben, in der der Koeffizient k abr die Einzelheiten der Geometrie der Oberfläche abbildet. Aus der Tabelle 7.1 sieht man, dass die Verschleißkoeffizienten bei der oben betrachteten Zwei- Körper-Reibung tpischerweise zwischen 610 und liegen, wobei sie bei Drei- Körperreibung (abrasive Partikel zwischen zwei weicheren Körpern) um ca. eine Größenordnung kleiner sind. Aus der Verschleißgleichung (1.5) folgt, dass das verschlissene Volumen proportional zum zurückgelegten Weg ist. Dies gilt nur solange die Unebenheiten des härteren Materials nicht durch das weichere Material gefüllt werden. Wenn das geschieht, nimmt die Verschleißgeschwindigkeit mit der Zeit ab (Bild ).

3 Bild. Solange die Oberflächeneigenschaften der Partner ungeändert bleiben (z.b. durch regelmäßiges Reinigen von Verschleißpartikeln), ist das verschlissene Volumen proportional zum Weg. Die Gleichung (1.5) sagt weiterhin vorher, dass die Verschleißgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Härte p ist oder der Kehrwert dx / dv, genannt Verschleißbeständigkeit, proportional zur Härte ist. Diese Abhängigkeit wurde in vielen Experimenten bestätigt (s. Bild 3). Die Härte des Abrasivs dagegen beeinflusst die Verschleißgeschwindigkeit nur unwesentlich. Bild 3. Bei der Wahl der abrasiven Materialien ist nicht nur deren Härte, sondern auch die Fähigkeit, scharfe, schneidende Kanten zu bilden, zu berücksichtigen. Daraus folgt, dass die brüchigen Materialien mit hoher Härte zu bevorzugen sind (S. Tabelle). 3

4 Tabelle: Stoffe, die als Abrasive benutzt werden. 1.3 Adhäsiver Verschleiß Haben die Reibpartner vergleichbare Härte, so beginnt eine andere Verschleißart die Hauptrolle zu spielen: adhäsiver Verschleiß. Der Mechanismus vom adhäsiven Verschleiß kann man sich vorstellen als Zusammenschweißen von Mikrorauhigkeiten gefolgt durch Herauslösen von oberflächenahen Volumenelementen (Verschleißteilchen). Untersuchen wir Bedingungen für Zusammenschweißen und Herauslösen eines Teilchens nach diesem Mechanismus. Die Grundeigenschaft metallischer Stoffe besteht darin, dass sie sich nach Überschreiten einer gewissen kritischen Spannung plastisch deformieren. Ist dabei die Spannung negativ, so folgt relativ schnell der Bruch. Wird dagegen die plastische Grenze beim Druck überschritten, so verschweißen metallische Teile. Selbst wenn dieser Effekt wegen der Rauhigkeit makroskopisch nicht bemerkbar ist, gilt es für einzelne Mikrokontakte. Die Plastifizierungs- bzw. Bruchspannung hat demnach die gleiche Größenordnung wie die "Verschweißspannung". Betrachten wir nun eine Rauhigkeit, die im Laufe der relativen Bewegung der Reibpartner in Kontakt mit einer anderen Rauhigkeit kommt, einen Mikrokontakt mit einem Durchmesser d bildet und danach wieder wegläuft. Die Spannung im Mikrokontakt erreicht beim Zusammenkommen der Rauhigkeiten die Größenordnung der Eindringhärte des Werkstoffes. Dabei verschweißen die Rauhigkeiten. Gehen sie auseinander, so wird vor dem Bruch wieder etwa die gleiche Spannung erreicht, nur mit dem anderen Vorzeichen. Die unmittelbar vor dem Bruch gespeicherte elastische Energie hat die Größenordnung Eel d. Sie reicht nur dann zum Herauslösen eines Teilchens, wenn sie größer 3 G ist, als die Adhäsionsenergie Ea γ d, die dabei geleistet werden muss. γ ist hier die effektive Oberflächenenergie von inneren Grenzflächen im Material (auch Bruchzähigkeit) genannt. Herauslösen eines Teilchens ist somit nur dann möglich wenn Eel > Ea ist: Gγ d > (1.6) 4

5 Für viele einfache Kristalle gilt G. Dann nimmt (1.6) die Form dc = const γ (1.7) an. Diese Gleichung gibt die Größenordnung des Durchmessers von Verschleißteilchen als Funktion der Härte und der effektiven Oberflächenenergie. Experimenteller Wert für die Konstante in (1.7) liegt bei ,00. Da Herauslösen eines Teilchens zum Entstehen einer Grube führt, mit der gleichen Tiefe wie der Durchmesser des herausgelösten Teilchens, liegt es nahe anzunehmen, dass die durch Verschleiß erzeugte Rauheit von der Gleichen Größenordnung ist wie (1.7). Das unten aufgeführte Bild illustriert die Richtigkeit dieser Hpothese. In vielen Anwendungen wird gefordert, dass der Spielraum zwischen beweglichen Teilen möglichst klein ist. Die Praxis zeit aber, dass das Spiel auch nicht zu klein sein darf. Andernfalls beginnt eine fortschreitende Beschädigung der Oberflächen, die man als "Fressen" bezeichnet. Es liegt nahe anzunehmen, dass dieser erforderliche minimale Spiel ebenfalls die gleiche Größenordnung hat, wie der charakteristische Durchmesser von Verschleißteilchen. Empirische Gleichung für das minimale Spiel h min lautet 5

6 γ hmin = (1.8) Schätzen wir jetzt die Verschleißgeschwindigkeit beim adhäsiven Verschleiß ab. Wird das Tribopaar mit einer Normalkraft L beansprucht, so entsteht eine Kontaktfläche A= L/. Den Mittleren Durchmesser eines Kontaktes bezeichnen wir mit d. Daraus folgt für die Zahl n der Kontakte A L A d n; n = d = d. Da ein Kontakt höchstens bei einer Bewegung um die Länge d erhalten bleibt, ist die volle Zahl von Kontakten, die sich auf dem Weg x gebildet (und zerstört) x Lx haben gleich N = n =. Bezeichnen wir nun die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines d 3 d Verschleißteilchens mit k. Dann ist das auf dem Weg x verschlissene Volumen gleich 3 3 Lx Lx V = kd N = d k k 3 d =. Für die Verschleißgeschwindigkeit (bezogen auf den Weg) erhält man somit die Gleichung dv L = k (1.9) dx Auch in diesem Fall ist Verschleißgeschwindigkeit proportional zur Normalkraft und umgekehrt proportional zur Härte des Stoffes. Der Verschleißkoeffizient hat jetzt allerdings keinen einfachen geometrischen Sinn. Minimale Normalkraft für adhäsiven Verschleiß Bei ausreichend kleiner Normalkraft berühren sich die Körper zunächst nur in einem einzigen Mikrokontakt mit dem Radius d, wobei F d (1.10) 6

7 γ Ist aber der Durchmesser des Kontaktgebietes kleiner als der Wert dc = , so kann kein Teilchen herausgelöst werden. Wegen der statistischen Streuung der Teilchendurchmesser nimmt γ man in dieser Berechnung einen dreimal kleineren Wert dc = an. Das bedeutet, dass bei einer Druckkraft kleiner als der kritische Wert F 8 min 410 γ kein (adhäsiver) Verschleiß stattfindet. Eine experimentelle Evidenz hierfür liefert das unten stehende Bild. 7