Reibverschleiß in geschmierten Systemen

Reibverschleiß ist eine Oberflächenschädigung, die zwischen zwei Kontaktflächen auftritt, die eine zyklische Bewegung (oszillierende tangentiale Verschiebung) mit kleiner Amplitude erfahren. An den Kontaktbereichen wird Schmiermittel herausgedrückt, was zu einem Metall-Metall-Kontakt führt.

Da die Bewegung mit geringer Amplitude kein Nachschmieren des Kontaktbereichs zulässt, kann es zu starkem lokalisiertem Verschleiß kommen. Diese Art des Verschleißes fördert ferner den Zweikörperabrieb, die Haftung und / oder die Reibverschleißermüdung (eine Form der Oberflächenermüdung).

Wenn Reibverschleiß in einer korrosiven Umgebung auftritt, neigen sowohl das Abreiben von Oxidfilmen als auch die erhöhte Abrasivität der härteren oxidierten Verschleißreste dazu, den Verschleiß stark zu beschleunigen. Wenn die Korrosionsaktivität deutlich erkennbar ist, was durch die Farbe der Schmutzpartikel angezeigt wird, spricht man von Passungskorrosion.

Reibverschleiß

Reibverschleiß wird auch als Vibrationsverschleiß, Scheuern, Ermüdung, Verschleißoxidation, Reibungsoxidation, falsches Brinelling, molekularer Abrieb, Reibverschleiß und Korrosion bezeichnet.

Da praktisch alle Maschinen vibrieren, kommt es zu Reibungen an verschraubten, verstifteten, eingepressten, gekeilten und genieteten Gelenken, zwischen nicht bewegten Bauteilen, in Schwingverzahnungen, Kupplungen, Lagern, Kupplungen, Spindeln und Dichtungen sowie in Grundplatten, Kreuzgelenken und Schäkeln.

Das Fressen hat Ermüdungsrisse ausgelöst, die häufig zu Ermüdungsversagen bei Wellen und anderen hochbeanspruchten Bauteilen führen.

Reibverschleiß ist eine Oberflächenverschleißart und wird stark von der Verschiebungsamplitude, der normalen Belastung, den Materialeigenschaften, der Anzahl der Zyklen, der Feuchtigkeit und der Schmierung beeinflusst.

Reibverschleißprozess

Die zyklische Bewegung zwischen berührenden Oberflächen ist der wesentliche Bestandteil aller Arten von Reibverschleiß. Es ist ein Kombinationsprozess, bei dem Oberflächen in Kontakt stehen und kleinen Amplitudenschwingungen ausgesetzt sein müssen.

Abhängig von den Materialeigenschaften von Oberflächen können Klebstoff, Zweikörperabrieb und/oder Feststoffpartikel Verschleißrückstände erzeugen. Verschleißpartikel lösen sich ab und werden zerkleinert (zerkleinert), und der Verschleißmechanismus ändert sich in Dreikörperabrieb, wenn der arbeitsgehärtete Schmutz beginnt, Metall von den Oberflächen zu entfernen.

Reibverschleiß tritt als Folge der folgenden Abfolge von Ereignissen auf:

1. Die aufgebrachte Normallast bewirkt, dass Unebenheiten haften, und die tangentiale oszillierende Bewegung schert die Unebenheiten und erzeugt Verschleißrückstände, die sich ansammeln.

2. Die überlebenden (härteren) Unebenheiten wirken schließlich auf die glatten, weicheren Oberflächen ein, wodurch sie plastisch verformt werden, Hohlräume bilden, Risse ausbreiten und Partikelschichten abscheren, die sich auch in vertieften Teilen der Oberflächen ansammeln.

3. Sobald sich die Partikel ausreichend angesammelt haben, um den Spalt zwischen den Oberflächen zu überspannen, tritt Abriebverschleiß auf und die Verschleißzone breitet sich seitlich aus.

4. Da Adhäsion, Delamination und Abriebverschleiß anhalten, können Verschleißreste nicht mehr in der Anfangszone enthalten sein und entweichen in die umliegenden Täler.

5. Da die maximale Spannung im Zentrum liegt, wird die Geometrie gekrümmt, Mikropits bilden sich und diese verschmelzen zu größeren und tieferen Gruben. Schließlich können je nach Verschiebung der Tangentialbewegung Schneckenbahnen oder auch große Risse in einer oder beiden Oberflächen erzeugt werden.

Wenn die Oberflächen arbeitsgehärtet werden, nimmt die Abriebverschleißrate ab. Schließlich tritt eine konstante Verschleißrate auf, die zeigt, dass alle relevanten Verschleißmodi in Kombination arbeiten.

Reibverschleißeigenschaften

Der Schlüsselfaktor für den Reibverschleiß ist eine mechanisch belastete Grenzfläche, die einer kleinen oszillierenden Bewegung ausgesetzt ist. Die relative Bewegung, die erforderlich ist, um Schaden zu erzeugen, kann ziemlich klein sein, so niedrig wie ein Mikrometer, aber häufiger ist um ein paar Tausendstel Zoll. Der Verschleißkoeffizient hängt von der Schwingungsamplitude ab.

Bei Amplituden unter 100 Mikrometern tritt sehr wenig Verschleiß auf, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1. Reibverschleiß vs. Schlupfamplitude1

Bei Schlupf unter 100 Mikrometern sind Keimbildung und Ausbreitung von Rissen, die zu Verschleißresten führen, zu gering, um erkannt zu werden. Der bei diesem Schwingungsgrad abrollende Verschleiß verursacht vermutlich diese geringe Verschleißrate.

Bei hohen Amplituden erzeugt der direkte Abrieb der Grenzfläche durch harte Partikel (Oxid- oder arbeitsgehärtete Partikel) die Bruttoverschleißrate. Bei großen Schwingungsamplituden ist der Reibverschleißkoeffizient ungefähr gleich dem des unidirektionalen Verschleißes.

Abbildung 2. Reibverschleiß vs. Laufzeit2

Änderungen der Normallast wirken sich im Allgemeinen auf den Reibverschleiß aus. Obgleich Ausrüstungsbenutzer häufig annehmen, dass hohe normale Lasten Erschütterung genügend dämpfen, um das Reiben zu verringern, produziert die Zunahme des Kontaktbereichs mehr Oberflächeninteraktion, die neigt, diesen Effekt zu überwiegen. Folglich führen steigende Last- oder Einheitsdrücke tendenziell zu höheren Verschleißraten, wie Abbildung 3 zeigt.

Abbildung 3. Reibverschleiß vs. normale Stücklast3

Drei separate Mechanismen verursachen Reibverschleiß: Adhäsion, Traktionsermüdung und Delamination (Zweikörperabrieb). Die Übertragung kann stattfinden oder nicht. Die plastische Verformung verändert geometrisch Oberflächen und es entstehen hoch belastbare Bereiche, deren Flächen in Quadratmillimetern gemessen werden.

Das Material, das diesen tragenden Bereichen entspricht, ist hochverfestigt und führt zur Bildung einer neuen Strukturphase. Diese arbeitsgehärteten Bereiche sind spröde, anfällig für Bruch und Fragmentierung und erzeugen metallische Verschleißreste und Partikel mit Anfangsabmessungen von etwa einem Mikrometer.

Abbildung 4. Auswirkung der Frequenz auf Reibschäden von Baustahl

Reibkorrosion

Eine weitere Facette des Reibprozesses ist der Einfluss von Feuchtigkeit auf die Reibverschleißrate. Der Reibverschleiß nimmt bei den meisten Reibpaaren (Metallen) erheblich ab, da die relative Luftfeuchtigkeit von null auf 50 Prozent ansteigt.

Der Verschleiß unter feuchten Bedingungen ist immer geringer, da die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit eine Art Schmierfilm zwischen den Oberflächen bildet. In einigen Fällen ermöglicht Feuchtigkeit die Bildung von Weicheisenhydraten anstelle des härteren, abrasiveren Fe3O4, Magnetit, einem magnetischen Eisenoxid.

Obwohl in einer inerten Umgebung Reibungen auftreten können, ist diese Art von Umgebung nicht normal. Mineralöle, die der Atmosphäre ausgesetzt sind, enthalten selbst unter Vollschmierungsbedingungen mindestens 10 Prozent Luft, sodass an allen Reibpaaren oder Verschleißgrenzflächen Sauerstoff vorhanden ist. Verschleißoberflächen und Verschleißrückstände weisen häufig eine große Menge Oxid auf, was zu dem Namen „Passungskorrosion“ führt.“

In der Vergangenheit wurde Reibverschleiß üblicherweise als Reibkorrosion bezeichnet, da Oxidation angeblich der kritische Faktor war, der das Reiben verursachte. Tatsächlich war die Existenz von Oxidationsprodukten ein geeignetes Mittel, um einen Reibungsprozess zu identifizieren.

Heute erkennen Ingenieure, dass Reibungen in Materialien auftreten, die nicht oxidieren, wie kubisches Oxid, Gold und Platin. Obwohl Oxidation in den meisten gebräuchlichen Materialien keine Reibungen verursacht, lässt das Entfernen von Verschleißrückständen Neumetall der Atmosphäre ausgesetzt und Oxidation tritt normalerweise auf.

Starke visuelle Beweise stützen die Idee, dass sich Oxidfilme bilden und anschließend weggeschabt werden. Die metallischen Oberflächen im Bundbereich verfärben sich leicht. Die Farbe von Verschleißrückständen variiert mit der Art des Ausgangsmaterials; Das Korrosionsprodukt von Aluminium ist weiß, aber durch Fressen wird es schwarz, das Korrosionsprodukt von Stahl ist grau, aber durch Fressen wird es rotbraun.

Der zweite Aspekt, der diese Idee unterstützt, ist die Erhöhung der Verschleißrate. Wenn das Fressen in einer inerten Umgebung auftritt, ist die Verschleißrate erheblich geringer als bei der Bildung eines Oxidfilms, der abgekratzt wird.

Da der Effekt der Frequenz auf den Verschleiß amplitudenabhängig ist, müssen zwei Arten des Reibverschleißes entsprechend der Schwingungsamplitude definiert werden. Die erste Art des Reibens ist Reibkorrosion oder Verschleiß, wie zuvor diskutiert. Die zweite Art des Reibens, bei der weniger Material entfernt wird, wird als Reibungs- oder Traktionsermüdung bezeichnet.

Reibverschleiß

Bei Reibverschleiß treten Oberflächenrisse auf und breiten sich aus, wodurch Material entfernt wird. Die Amplitude ist klein. Wenn die Amplitude des Schlupfes zunimmt, kann das Reibungs-Ermüdungs-Phänomen verschwinden, wenn die Verschleißfront schnell genug voranschreitet, um die initiierten Risse zu entfernen, bevor sie sich ausbreiten.

Die Oberflächenhärte spielt eine Schlüsselrolle bei der Begrenzung der Reibermüdung. Wenn beide Oberflächen hart sind, verschweißen Unebenheiten, gefolgt von der Scherung der Verbindungsstellen, dem Materialtransfer und der Erzeugung von Verschleißpartikeln.

Wenn eine harte Oberfläche mit einer weichen Oberfläche in Kontakt kommt, kommt es wahrscheinlich zu Reibverschleiß. Die härtere der beiden Oberflächen erzeugt eine ausreichende Traktion, um eine plastische Verformung der weicheren Oberfläche und eine Partikelfreisetzung durch Keimbildung von Hohlräumen unter der Oberfläche, Rissausbreitung und anschließenden Verlust von Oberflächenmaterial zu verursachen.

Wenn eine Oberfläche viel härter und rauer ist und von weniger Zugkraft angetrieben wird, dringen die Unebenheiten in die gegenüberliegende Oberfläche ein, um ernsthaften Abrieb und drahtartigen Verschleiß zu verursachen.

Schmierstoffeinflüsse auf das Fressen

Das Fressen scheint bei Reibpaaren mit glatten Oberflächen und engen Passungen schneller voranzuschreiten. Schmierstoffe dringen nicht in Verschleißbereiche mit kleinen Abständen ein (als enge Passungen bezeichnet). Darüber hinaus beseitigt das glatte Ende Schmiermittel-Zurückhaltentaschen zwischen den Unebenheiten in den raueren Oberflächen.

Unter diesen Bedingungen kann nur die Grenzschmierbedingung, die kontinuierliche Wechselwirkung von ölbenetzten Oberflächen, erreicht werden. Schmierstoffe sind nicht immer erfolgreich, da die Hin- und Herbewegung den Schmierfilm herausquetscht und nicht nachgefüllt werden kann.

Im Allgemeinen besteht der Zweck des Schmiermittels in den meisten Reibungssituationen darin, zu verhindern, dass Sauerstoff die Reibfläche und die Verschleißrückstände erreicht. Flüssige Schmiermittel mit wirksamen Metalldesaktivatoradditiven können dazu beitragen, den Effekt des Reibens zu verringern, werden jedoch wahrscheinlich nicht ganz aufhören, sich zu reiben.

1. Halliday, J. Konferenz über Schmierung und Verschleiß, Proc. I. Mech. E, London, 1957. s. 640.

2. Feng, I. und Rightmire, B. Proc. I. Mech. E. 170, 1055, 1956.

3. Lipson, C. Verschleißüberlegungen im Design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New York, 1967.

Anmerkung des Herausgebers
Dieser Artikel erschien ursprünglich als Kapitel in E.C. Fitchs Buch Proactive Maintenance for Mechanical Systems. 1992.