Tribologie-Handbuch (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Horst Czichos, ehem. Präsident der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin und Professor an der Beuth Hochschule für Technik, Berlin Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Habig, ehem. Mitglied des Präsidiums der BAM, Berlin

Vorwort 5
Vorwort der 1. Auflage 6
Inhaltsverzeichnis 7
1 Technik und Tribologic 12
1.1 Dimensionen der Technik 12
1.2 Definition der Tribologie 13
1.3 Aufgaben und Bedeutung der Tribologie 15
Wissenschaft 15
Technik 16
Wirtschaft 17
2 Tribologische Systeme 19
2.1 Einführung in die system technische Methodik 19
2.2 Funktion und Struktur tribologischer Systeme 20
2.3 Dimensionsbereiche tribologischer Systeme und Prozesse 23
2.3.1 Nanotribologic 24
2.3.2 Mikrotribologie 25
2.3.3 Makrotribologie 26
2.4 Method ik zu r Reibungs- und Verschleißanalyse 29
3 Tribologische Beanspruchung 30
3.1 Technische Oberflächen 30
3.1.1 Aufbau technischer Oberflächen 30
Chemische Zusammensetzung 31
Gcfüge 33
Härte 33
3.2 Kontaktvorgänge 39
3.2.1 Adhiision 40
Ionenbindung (heleropolare Bindung): 40
Atombindung (homöopolare oder kovalente Bindung): 41
Metallische Bindung: 42
Van-der-WaaIs-Bindung: 42
3.2.2 Kontaktgeometrie und Kontaktmechanik 46
Elastischer Kontakt: makroskopische Betrachtung 46
Elastischer Kontllkt: mikroskopische Betrachtung 49
Viskoelastischer Kontakt 51
Plllstischcr Kontakt 54
Kontaktmechanik mit Grenzfliichcnadhäsion 54
Elastischer Kontakt mit Tangentialbewegung 55
Plastischer Kontakt mit Tangentialbewegung 56
3.2.3 Werstoffanstregung 57
Werkstoffanstrengung bei Nonmlkraftbcanspruchung 58
Werkstoffanstrengung bei Normal- und Tangentialkraftbeanspruchung 59
Systcmeinflüsse auf die Werkstoffanstrengung 61
3.3 Mikro/Nano-Konta kte 64
Mikrokontakt und Mikroadhiision 64
Mikrokontakt und Mikrostrukturänderungen 68
3.4 Kinematik 70
3.4.1 Bewegungsarten und ßewcgungsablauf 70
3.4.2 Grenzfläc hendy n:lmik 73
3.4.3 Kontakt-Eing riffsverhältnis 76
3.5 Thermische Vorgänge 78
3.5.1 Temperaturen in Tribokontaktcn 79
3.5.2 Blitztemperaturhypothesen 83
Blitztemperaturcn bei Linienkontakt (Blok) 83
Blitzlemperaturen bei Punktkontakt (Archard) 84
3.5.3 Modellrechnungen von Reibtemperaturen 86
4 Reibung 92
4.1 Grundlagen und Übersicht 92
4.2 Reibungsmessgrößen 93
4.3 Reibungsmechanismen 95
4.3.1 Adhäsion 97
Einfluss des Formänderungsvermögens der Kontaktpartner 99
Einfluss der Elektronenstruktur 99
Einfluss von Obertlächcnschichten 102
Einfluss von Zwischenstoffen und Umgebungsmedien 102
4.3.2 Deformation 103
4.3.3 Furchung 105
4.3.4 Energiedissipation 106
Energieabsorption 106
Energieemission 107
4.4 Reibungsarten 110
4.4.1 Gleitreibung 111
Adhäsionskolllponente der Gleitreibung 112
Deformationskomponente der GIeitreibung 113
Furchungskomponente der Gleitreibung 113
4.4.2 Rollreibung 113
Mikroschlupfkomponente der Rollreibung 114
Adhäsionskomponente der Rollreibung 115
Deformationskomponente der Rollreibung 115
Hysterekomponenle der Rollreibung 116
4.4.3 Stick-slip-Vorgänge 116
4.5 Reibung und Wirkungsgrad 119
5 Verschleiß 124
5.1 Grundlagen und Übersicht 124
5.2 Verschleißmessgrößen 126
5.3 Verschleißmechanismen 128
5.3.1 Oberflächenzerrüttung 130
5.3.2 Abrasion 133
5.3.3 Adhäsion 136
5.3.4 Tribochemische Reaktionen 138
5.3.5 Materialdissipation 140
5.4 Verschleißarten 141
5.4.1 Glcitverschleiß 142
Mikrostrukturänderungen teehnischer Oberflächen unter Gleitverschleiß 143
Vcrschlcißpartikelbildung unter GIeiterschlciß 144
5.4.2 Wiilzvcrschleiß 145
5.4.3 Sloßvcrschleiß 147
5.4.4 Schwingungsverschleiß 148
5.4.5 Furchungsverschleiß 151
5.4.6 Strahlverschleiß 155
5.4.7 Erosion 157
Caserosion 157
Kavitationserosion 158
Tropfenschlagerosion 160
Flüssigkeitserosion 160
Erosionskorrosion 161
5.5 Verschleiß und Zuverlässigkeit 161
Theoretische Methoden zur Zuverlässigkeitsanalyse 161
ExponentiaIverteilung 164
Normalverteilung 164
Lognormalverteilung 165
Wcibull-Verteilung 165
Gamm-Verteilung 166
5.6 Maßnahmen zur Verschleißminderung 172
6 Schmierung 174
6.1 Hydrodynamische Schmierungstheorie 175
6.2 Elastohydrodynamische Schmierung 179
6.2.1 Elastohydrodynamik Hertzscher Kontakte 179
6.2.2 Elastohydrodynamische Gleitlagerung 181
6.3 Grenzreibung 185
Physisorption 185
Chemisorption 188
Tribochemische Reaktion 188
7 Tribokorrosion 193
7.1 Einfluss des Umgebungsmediums auftribologische Systeme 193
7.2 Definition und Mechanismen der Korrosion 194
7.3 Korrosionsarten 195
7.4 Tribokorrosion bei Gleitbeanspruchung 197
7.5 Erosionskorrosion 201
8 Tribologische Mess- und Prüftechnik 204
8.1 Aufgaben und Katego rien der tribologischen Prüf technik 204
8.2 Planung und Auswertung tribologischer Prüfungen 206
8.2.1 Versuchsplanung 207
8.2.2 Versuchsauswertung 210
Messunsicherheit und Messunsichcrheitsbudget 210
Grenzwert-Beurteilungen von Messwerten 213
Qualitätsmanagement im Mess- und Prüfwesen 214
8.3 Tribologische Laborprüftechnik 214
8.3.1 Prüfsysteme und Prüfmethodik 214
Prüfmethodik 216
Rechnerunterstützte tribologische Prüftechnik 218
Einfluss von Umgebungsatmosphäre und Luftfeuchte 219
8.3.2 Charakterisierung tribologisch beanspruchter Obcrnächen 220
Feinstrukturuntersuehungen 220
Abbildung von Oberflächen 221
Bestimmung von Rauheilsmessgrößen 222
Oberflächenanalytik 224
8.3.3 Mechanisme norientierte Prüftechnik 225
Untersuchung des Einflusses von Materialeigenschaften auf den Yerschleißwiderstand 225
Bewertung von Verschlcißschutschichten 228
8.3.4 Tribologische Ringversuche 229
8.4 Messtechnik der Mikro- und Nanoskala 233
8.4.1 Surface Force Apparatus (SFA) 234
8.4.2 Rasler-Tunnel-Mikroskopie 235
Reibungsmessungen auf der Nanoskala 236
Kalibrierung 239
Modulierte Reibkraftmikroskopie 241
Reibungsminderung und stick-slip Eliminierung durch Normalkraftvibration im MLFM 244
8.4.3 Techniken im Raslcrkraftmikroskop (SFM, AFM) 237
8.5 Tribologische Simulationsprüftechnik 247
8.5.1 Fallstudie Motortechnik: Tribosystcm Kolbenring/Zylinderlaufbahn 250
8.6 Tribologische Betriebsprüftechnik 252
8.7 Ergebnisdarstellung tribologischer Prüfungen 256
8.7.1 Zeitabhängigkeit von Reibung und Verschleiß 256
Reibungs-Zeit Diagramme 256
Verschleiß/Zeit-Diagramme 257
8.7.2 Abhängigkeiten von Beanspruchungskollektiv und Syslemstruklur 259
8.7.3 Tribologische Grcnzbcanspruchungs-Diagramme 259
8.7.4 Tribomaps 261
9 Tribotechnische Werkstoffe 264
9.1 Tribotechnische Werkstoffe im Maschinen- u.Anlagenbau 267
Transportsysteme für Schüttgüter 267
ßaggersysleme 268
Walzsysleme 268
9.2 Stähle 270
Gleitreibung und GIeitverschleiß 273
Einfluss von Materialeigenschaften 279
Einfluss von Schmierstoffen 282
Schwingungsverschleiß 287
Furchungsverschleiß 290
Wälzvcrschleiß 296
9.3 Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe 300
Gleitreibung und -verschleiß 300
Furchungsvcrschlciß 309
Kerbverschleiß/MahIversehleiß 313
Wälzverschlciß 314
9.4 Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffe 317
9.6 Kupferlegierungen 330
Gleitreibung und Gleitverschleiß ohne Schmierung 330
Gleitreibung und ·verschleiß mit Schmerung 335
9.7 Aluminiumlegierungen 339
Gleitreibung und Gleitverschleiß 340
Schwingungsverschleiß 346
Furchungsvcrsehlciß 347
Beschichtungstechnologien 349
9.8 Titanlegierungen 351
9.9 Hartmetalle 354
Gleitverschleiß 358
Furchungsverschleiß 358
Strahlverschleiß 362
9.10 Ingenieurkeramische Werkstoffe 368
Gleitrcibung und -vcrschleiß 369
Furchungsverschleiß 382
Wälzverschleiß 385
Schwingungswrschlciß 387
9.11 Oberflächenschutzschichten 389
GIeitreibung und -verschleiß 399
Furchungsverschleiß 410
9.12 Polymere Werkstoffe 416
Polymer/Polymer 417
Polymer/Stahl 420
Gefütes Polymer/Stahl (und Keramik) 428
10 Schmierstoffe 433
10.1 Schmieröle 433
10.2 Schmierfette 440
10.3 Festschmierstoffe 442
Verbindungen mit Schichtgitterstruktur 444
Oxide 446
Fluoride 447
Weiche Metalle 449
11 Tribologie von Konstruktionselementen 451
11.1 Lager 452
11.1.1 Gleitlager 454
Trockcngleitlager 467
11.1.2 Wälzlager 475
11.2 Zahnradpaarungen 489
11.3 Axiale Gleitringdichtungen 500
11.4 Kolbenring/Zylinderlaulbahn 508
11.5 Nocken/Nockenfolger 515
12 Mikromechanische Systeme - Magnetische Datenaufzeichnung 521
12.1 Prinzipien der magnetischen Datenspeicherung 521
12.2 Tribologie des Kopf-Band-Interfaces 523
12.3 Tribologie des Kopf-Platten-Interfaces 526
Rcynoldsglcichung 526
Festplattencharakteristik 527
Gleitreibung und Haftreibung ("stiction") im Kopf.Platten-lnterface 529
Laseraufrauung von Festplatten 530
Load-Unload-Teehnologie 531
Verschleiß 532
Schmierstoffe und Additive 533
13 Mikrotechnik und die Tribologie von MEMS 535
13.1 Funktion und Struktur von MEMS und MOEMS 535
13.2 Herstellungstechnologien für MEMS 536
13.3 Funktionalität und Skalierung von MEMS 538
13.3.1 Mikroscnsorcn 539
13.3.2 Mikroaktoren 540
13.4 T ribotechnik von MEMS 541
13.5 Tribomctric und Beanspruchungsanalyse von MEMS 544
13.6 Tribomaterialien für MEMS 547
13.7 Zuverlässigkeit von MEMS 551
14 Tribologie in der Produktionstechnik 554
14.1 Tribologische Systeme in Werkzeugmaschinen 555
14.1.1 Das Tribosystem der Fertigung 556
14.1.2 Tribologische Bewegungssysteme in Werkzeugmaschinen 556
14.2 Führungen und Lagerungen in Werkzeugmaschinen 558
14.3 Optimierung tribotechnischer Werkzeugmaschinenelemente 562
14.4 Tribologie der Zerspanungstechnik 564
14.4.1 Technologicn zur Verschleißminimierung an Werkzeugen 564
Physical Vapour Deposition (PVD) 564
Chemical Vapour Deposition (CVD) 565
14.4.2 Hartstoffschichten für Zerspanwerkzeuge 565
14.5 Triboinduzierte Innovationen in der Produktionstechnik 569
Hochgeschwindigkcitsfrä sen mit keramischen Werkzeugen 569
Oberniichenbearbeilung von hochharlen Schneidstoffen 570
Mikrowerkzeuge 571
Mikrostrukturierung von Spritzgusswerkze ugen für medizintechnische Stents 572
14.6 Verfügbarkeit von Produktionsanlagen und Instandhaltung 574
15 Tribologie von Werkzeugen 576
15.1 Zerspanwerkzeuge 576
15.2 Umformwerkzeuge 586
16 Vakuumtribologie 597
16.1 Tribosysteme in Vakuumumgebung 597
16.2 Bedingungen und Erfordernisse der Vakuumumgebung 598
16.3 Apparaturen für tribologische Untersuchungen im Vakuum 601
16.4 Werkstoffe für Tribosysteme im Vakuum 603
16.4.1 Beschichtungen, Festschmiersloffe 604
16.4.2 Flüssige Schmierstoffe, Fette 607
16.4.3 Polymere und Polymcr-Komposite 607
17 Tieftemperaturtribologie 610
17.1 Tribosysteme in der Kryotechnik 610
17.2 Tribologische Prüftechnik für Temperaturen unterhalb 120 K 611
Modellsysteme und Probengeometrie 611
Kühlsystem 611
Wärmeisolierung 612
Messtechnik 613
Tribometerausführungen 613
17.3 Werkstoffe für Tribosysteme bei tiefen Temperaturen 614
17.3.1 Melallische Werksloffe 614
17.3.2 Polymere und Polymer-Komposite 616
17.3.3 Festschmierstoffe 619
18 Hochtemperaturtribologie 622
18.1 Tribosysteme in der Hochtemperaturtechnik 622
18.2 Tribologischc Prüftechnik für Temperaturen oberhalb 400°e 624
18.3 Werkstoffe für Tribosysteme bei hohen Temperaturen 626
18.3.1 Melallische Werkstoffe 626
18.3.2 Ingenieurkeramiken 627
18.3.3 Hartmetalle 629
18.3.4 Triboaktive Werkstoffe 632
19 Methodik zur Bearbeitung von Reibungs- und Verschleißproblemen 635
19.1 Tribotechnische Werkstoffauswahl 635
19.1.1 Systemmethodik zur Werkstoffauswahl 635
19.1.2 Fallstudie: wartungsfreies Feinwerktechnik-Gleitlager 638
19.2 Tribotechnische Schadensanalyse 642
19.2.1 Fallstudie: Schadensa nalyse eines Kompressor-Dichtungssystems 643
19.2.2 Methodik der tribologischen Schadensanalyse 645
20 Atlas von Verschleißerscheinungsbildern 647
21 Reibungs- und Verschleißdaten 669
21.1 Methodische Grundlagen 669
Messtechnik in der Tribologie 671
21.2 Tribologische Datenbank für Reibungs- und Verschleißdaten 672
22 Machinery Diagnostics 675
22.1 Failure Prevention Strategies 675
22.1.1 Root-Cause Analysis 676
22.1.2 Statistical Control 676
22.1.3 Reliability Engineering 677
22.1.4 Assel Maintenance 679
Failure·Based Maintcnance 680
Time-Bascd Maintcnance 680
Rcliability·Ccntcred Maintcnance 680
Condition-Based Maintenance 681
22.1.5 Knowledge-Based Systems 681
22.2 Condition Monitoring 682
22.2.1 Vibration Monitoring 684
Signature Analysis 685
Shock Pulse Method 686
22.2.2 Oil Moniloring 686
Chemical and Physical Testing 686
Spectrography 687
Ferrography 687
Magnetie chip detectors 688
Particle Counting 688
Image Analysis 688
22.2.3 Corrosion Monitoring 689
Electrochemical Methods 689
Material Loss Methods 689
22.2.4 Thermal Monitoring 690
Contact Mcthods 690
Non-contact methods 691
22.2.5 Electrical Signature Amtlysis 692
22.3 Nondestructive Evaluation 692
22.3.1 Visual lnspection 692
22.3.2 Liquid Penetrant and Magnetic Particle Inspection 692
22.3.3 Eddy Currcnt Inspection 693
22.3.4 Radiography 693
22.3.5 Acoustic Emission and Ultrasonic Dclcction Inspection 694
22.4 Tribo-system Applications 695
22.4.1 Bearings 695
22.4.2 Gears 698
22.4.3 Seals 699
22.4.4 Lubricants 699
22.4.5 Hydraulic Systems 701
Concluding remark 702
Anhang 703
Normen auf dem Gebiet der Tribologie 703
Al Tribologie, allgemein (Kapitel I, 2, 3) 703
A2 Reibung (Kapitel 4) 704
A3 VerschleiU (Kapitel 5) 704
A4 Tribologischc Mcss- und Prüftechnik (Kapi tel 8) 704
AS Schmierung und Schmierstoffe (Kapi tel 6 und 10) 706
A6 Tribotechnischc Werkstoffe (Kapi tel 9) 709
A 7 Tribologie von Konstruktionselementen (Kapitel 11) 710
Literaturverzeichnis 714
Sachwortverzeichnis 758