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Tribologie-Handbuch
Horst CzichosKarl-Heinz Habig Hrsg.
Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik
4. Auflage
Tribologie-Handbuch
Horst Czichos � Karl-Heinz HabigHerausgeber
Tribologie-Handbuch
Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik
4., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage
Herausgeber
Horst CzichosBerlin, Deutschland
Karl-Heinz HabigBerlin, Deutschland
ISBN 978-3-8348-1810-2 ISBN 978-3-8348-2236-9 (eBook)DOI 10.1007/978-3-8348-2236-9
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Springer Vieweg© Springer Fachmedien Wiesbaden 1992, 2003, 2010, 2015Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht aus-drücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Dasgilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein-speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be-rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne derWarenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermannbenutzt werden dürften.
Lektorat: Thomas Zipsner, Ellen Klabunde
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Springer Fachmedien Wiesbaden ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media(www.springer.com)
Vorwort
Die Bedeutung der Tribologie hat mit den neueren Forschungsergebnissen auf der Mikro-Nano-Skala und den permanenten Erfordernissen zur Verminderung reibungs- und ver-schleißbedingter Energie- und Stoffverluste in allen Technologiebereichen weiter zuge-nommen. Dementsprechend wurde das Tribologie-Handbuch in der aktuellen Auflagevollständig überarbeitet und mit neuen Beiträgen erweitert. Ältere, noch geltende Ergeb-nisse wurden beibehalten. Die Wissenschaft und Technik der Tribologie wurde folgender-maßen gegliedert:
Teil A: Neue Technologiedimensionen und Übersicht über tribologische Systeme. Aufga-ben der Tribologie in Wissenschaft, Technik und Wirtschaft.
Teil B: Tribologische Beanspruchungen, Analyse der Grundlagen von Reibung, Ver-schleiß, Schmierung und Tribokorrosion. Tribologische Mess- und Prüftechnikvon der Laborprüftechnik bis zur Betriebsprüftechnik.
Teil C: Tribomaterialien: metallische, keramische, polymere Konstruktionswerkstoffeund Oberflächenschutzschichten, Schmierstoffe zur Reibungs- und Verschleiß-minderung einschließlich der neu aufgenommenen Bioschmierstoffe.
Teil D: Tribotechnik: Konstruktionselemente, Mikrosysteme und die neue Nano-Inter-face-Tribologie in Computern, Tribologie in der Produktionstechnik und vonWerkzeugen, Hochtemperaturtribologie, Tieftemperaturtribologie, Vakuumtribo-logie.
Teil E: Systemtechnische Methodik zur Bearbeitung von Reibungs- und Verschleißpro-blemen sowie zur Gewinnung von Reibungs- und Verschleißdaten. Atlas von Ver-schleißerscheinungsbildern.
Teil F: Machinery Diagnostics Strategien zur Zustandsüberwachung und Schadensfrüh-erkennung von Maschinen und technischen Anlagen und ihre Anwendung in derTribotechnik.
Die Aktualisierung und interdisziplinäre Erweiterung macht das Tribologie-Handbuchauch weiterhin zu einem aktuellen Nachschlagewerk und zuverlässigen Ratgeber für alle,die sich mit tribologischen Fragestellungen beschäftigen und technische Systeme zu op-timieren haben: Maschinenbauer, Mikrosystemtechniker, Ingenieure, Physiker und Che-
V
VI Vorwort
miker sowie Materialwissenschaftler undWerkstofftechniker in der Entwicklung, Anwen-dungstechnik und betrieblichen Instandhaltung.
Wir danken unseren Fachkollegen aus dem In- und Ausland für ihre engagierte Mitar-beit bei der neuen Auflage des Tribologie-Handbuchs. Ebenso herzlich gilt unserer DankHerrn Thomas Zipsner, Frau Ellen-Susanne Klabunde und dem Lektorat Maschinenbauim Springer Vieweg Verlag für die wiederum ausgezeichnete Zusammenarbeit.
Berlin, Januar 2015 Horst Czichos und Karl-Heinz Habig
Vorwort der 1. Auflage
Eine wesentliche Aufgabe der Technik – von der Feinwerktechnik, dem Maschinenbauund der Produktionstechnik bis hin zu modernen Transport-, Roboter- und Datenverar-beitungstechnologien – besteht darin, Kräfte, Energien und Informationen zu übertra-gen sowie Bewegungen zu ermöglichen oder zu verhindern. Die von Leonardo da Vinci,Amontons und Coulomb beobachteten Reibungsregeln haben sich zu dem interdiszipli-nären Fachgebiet der Tribologie entwickelt, das sich in systematischer Weise mit denProblemen von Reibung, Verschleiß und Schmierung beschäftigt.
In diesem Tribologie-Handbuch werden zunächst die systematischen Grundlagen vonReibung und Verschleiß, einschließlich der charakteristischen Merkmale tribologischerBeanspruchungen, dargestellt. Es folgen Kapitel über die Methoden der Reibungs- undVerschleißprüfung, die Grundlagen der Schmierung und die wesentlichen Schmierstoff-klassen. Ein Schwerpunkt des Buches betrifft das Reibungs- und Verschleißverhalten derwichtigsten metallischen, keramischen und polymeren Werkstoffe unter Einbeziehungvon Oberflächenschutzschichten. In anwendungsorientierter Darstellung werden außer-dem tribotechnische Bauteile des Maschinenbaus und Werkzeuge der Fertigungstechnikbehandelt. Ein umfangreicher Anhang enthält Verschleißerscheinungsbilder tribologischbeanspruchterWerkstoffe, Reibungs- und Verschleißdaten von Gleitpaarungen sowie Nor-men der Tribologie.
Das vorliegende Werk ist das Ergebnis einer 25-jährigen Zusammenarbeit der Autorenauf diesem Gebiet. In das Buch wurden neben den internationalen Stand der Kenntnis-se besonders die Ergebnisse tribologischer Forschungsarbeiten in der Bundesanstalt fürMaterialforschung und -prüfung (BAM) einbezogen. Unser herzlicher Dank gilt allen Kol-leginnen und Kollegen der BAM, die mit ihrer Arbeit zu diesem Werk beigetragen haben.
Das Tribologie-Handbuch wendet sich an Maschinenbauer, Werkstoff- und Verfah-renstechniker, Physiker, Chemiker sowie andere Wissenschaftler und Ingenieure, die inden verschiedenen Bereichen der Technik Reibung und Verschleißprobleme zu bearbei-ten haben. Daneben soll es Studenten helfen, sich in das komplexe Gebiet der Tribologieeinzuarbeiten.
Berlin, August 1992 Horst Czichos und Karl-Heinz Habig
VII
Inhaltsübersicht
Teil A Einführung
1 Technik und TribologieH. Czichos
2 Tribologische SystemeH. Czichos
Teil B Grundlagen
3 Tribologische BeanspruchungH. Czichos und E. Santner
4 ReibungH. Czichos
5 VerschleißH. Czichos
6 SchmierungK.-H. Habig und G. Knoll
7 TribokorrosionH. Czichos und J.-P. Celis
8 Tribologische Mess- und PrüftechnikH. Czichos und H. Sturm
Teil C Tribomaterialien
9 Tribotechnische WerkstoffeK.-H. Habig und A. Fischer
10 SchmierstoffeK.-H. Habig und T. Mang
Teil D Tribotechnik
11 Tribologie von KonstruktionselementenK.-H. Habig
IX
X Inhaltsübersicht
12 Tribologie im ComputerF. Talke
13 Tribologie in der MikrotechnikH. Czichos
14 Tribologie in der ProduktionstechnikE. Uhlmann
15 Tribologie von WerkzeugenP. Groche
16 VakuumtribologieT. Gradt
17 TieftemperaturtribologieT. Gradt
18 HochtemperaturtribologieM. Woydt
Teil E Methodik
19 Methodik zur Bearbeitung von Reibungs- und VerschleißproblemenH. Czichos
20 Atlas von VerschleißerscheinungsbildernK.-H. Habig
21 Reibungs- und VerschleißdatenH. Czichos
Teil F Zustandsüberwachung
22 Machinery Diagnostics: Fundamentals and Tribosystem ApplicationsR. S. Cowan and W. O. Winer
Inhaltsverzeichnis
Teil A Einführung
1 Technik und Tribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3H. Czichos1.1 Dimensionen der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Definition der Tribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Aufgaben und Bedeutung der Tribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Tribologische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13H. Czichos2.1 Einführung in die systemtechnische Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Funktion und Struktur tribologischer Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Dimensionsbereiche tribologischer Systeme und Prozesse . . . . . . . . . 17
2.3.1 Nanotribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3.2 Mikrotribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3.3 Makrotribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Methodik zur Reibungs- und Verschleißanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 25
Teil B Grundlagen
3 Tribologische Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29H. Czichos und E. Santner3.1 Technische Oberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 Aufbau technischer Oberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1.2 Mikrogeometrie technischer Oberflächen . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Kontaktvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.1 Adhäsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2.2 Kontaktgeometrie und Kontaktmechanik . . . . . . . . . . . . . . . 453.2.3 Werkstoffanstrengung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 Mikro/Nano-Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
XI
XII Inhaltsverzeichnis
3.4 Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.4.1 Bewegungsarten und Bewegungsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . 703.4.2 Grenzflächendynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.4.3 Kontakt-Eingriffsverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5 Thermische Vorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.5.1 Temperaturen in Tribokontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.5.2 Blitztemperaturhypothesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.5.3 Modellrechnungen von Reibtemperaturen . . . . . . . . . . . . . . 86
4 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93H. Czichos4.1 Grundlagen und Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.2 Reibungsmessgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.3 Reibungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3.1 Adhäsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.3.2 Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.3.3 Furchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.3.4 Energiedissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4 Reibungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.4.1 Gleitreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.4.2 Rollreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.4.3 Stick-slip-Vorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.5 Reibung und Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5 Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127H. Czichos5.1 Grundlagen und Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.2 Verschleißmessgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275.3 Verschleißmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.1 Oberflächenzerrüttung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1335.3.2 Abrasion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.3.3 Adhäsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1405.3.4 Tribochemische Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.3.5 Materialdissipation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4 Verschleißarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1465.4.1 Gleitverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.4.2 Wälzverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.4.3 Stoßverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515.4.4 Schwingungsverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1545.4.5 Furchungsverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.4.6 Strahlverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1605.4.7 Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Inhaltsverzeichnis XIII
5.5 Verschleiß und Zuverlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.6 Maßnahmen zur Verschleißminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
6 Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181K.-H. Habig und G. Knoll6.1 Hydrodynamische Schmierungstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1826.2 Elastohydrodynamische Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.2.1 Elastohydrodynamik Hertzscher Kontakte . . . . . . . . . . . . . . 1876.2.2 Elastohydrodynamische Gleitlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.3 Grenzreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7 Tribokorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201H. Czichos und J.-P. Celis7.1 Einfluss des Umgebungsmediums auf tribologische Systeme . . . . . . . 2017.2 Definition und Mechanismen der Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.3 Korrosionsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2047.4 Tribokorrosion bei Gleitbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.5 Erosionskorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8 Tribologische Mess- und Prüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215H. Czichos und H. Sturm8.1 Aufgaben und Kategorien der tribologischen Prüftechnik . . . . . . . . . 2158.2 Planung und Auswertung tribologischer Prüfungen . . . . . . . . . . . . . 218
8.2.1 Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2188.2.2 Versuchsauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.3 Tribologische Laborprüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2278.3.1 Prüfsysteme und Prüfmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2278.3.2 Charakterisierung tribologisch beanspruchter Oberflächen . . . . 2328.3.3 Mechanismenorientierte Prüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2388.3.4 Tribologische Ringversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.4 Messtechnik der Mikro- und Nanoskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2478.4.1 Surface Force Apparatus (SFA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2488.4.2 Raster-Tunnel-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2498.4.3 Techniken im Rasterkraftmikroskop (SFM, AFM) . . . . . . . . . 251
8.5 Tribologische Simulationsprüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2628.5.1 Fallstudie Motortechnik: Tribosystem
Kolbenring/Zylinderlaufbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2658.6 Tribologische Betriebsprüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2688.7 Ergebnisdarstellung tribologischer Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
8.7.1 Zeitabhängigkeit von Reibung und Verschleiß . . . . . . . . . . . . 2728.7.2 Abhängigkeiten von Beanspruchungskollektiv und Systemstruktur 2758.7.3 Tribologische Grenzbeanspruchungs-Diagramme . . . . . . . . . . 2768.7.4 Tribomaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
XIV Inhaltsverzeichnis
Teil C Tribomaterialien
9 Tribotechnische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283K.-H. Habig und A. Fischer9.1 Tribotechnische Werkstoffe im Maschinen- und Anlagenbau . . . . . . . 2869.2 Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2909.3 Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3119.4 Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 3249.5 Nickel- und Kobaltlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3309.6 Kupferlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3359.7 Aluminiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3429.8 Titanlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3519.9 Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3539.10 Ingenieurkeramische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3619.11 Oberflächenschutzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3839.12 Polymere Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
10 Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417K.-H. Habig und T. Mang10.1 Schmieröle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41710.2 Schmierfette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42610.3 Festschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42810.4 Bioschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
10.4.1 Objektive Kriterien der besonderen Umweltvertäglichkeit . . . . . 43710.4.2 Basisöle und Additive für Bioschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . 43710.4.3 Tribologische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43810.4.4 Einsatzbeispiel Hydrauliköle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
Teil D Tribotechnik
11 Tribologie von Konstruktionselementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443K.-H. Habig11.1 Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
11.1.1 Gleitlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44511.1.2 Wälzlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
11.2 Zahnradpaarungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48011.3 Axiale Gleitringdichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49011.4 Kolbenring/Zylinderlaufbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49811.5 Nocken/Nockenfolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
Inhaltsverzeichnis XV
12 Tribologie im Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511F. Talke12.1 Prinzipien der magnetischen Datenspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . 51212.2 Tribologie des Kopf-Band-Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51512.3 Tribologie des Kopf-Platten-Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51912.4 Nano Interface-Technologie in Computer-Festplattenlaufwerken . . . . 526
13 Tribologie in der Mikrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533H. Czichos13.1 Funktion und Struktur von MEMS und MOEMS . . . . . . . . . . . . . . . 53313.2 Herstellungstechnologien für MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53513.3 Funktionalität und Skalierung von MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
13.3.1 Mikrosensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53713.3.2 Mikroaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
13.4 Tribotechnik von MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54013.5 Tribometrie und Beanspruchungsanalyse von MEMS . . . . . . . . . . . . 54313.6 Tribomaterialien für MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54613.7 Zuverlässigkeit von MEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
14 Tribologie in der Produktionstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555E. Uhlmann14.1 Tribologische Systeme in Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 556
14.1.1 Das Tribosystem der Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55714.1.2 Tribologische Bewegungssysteme in Werkzeugmaschinen . . . . 55814.1.3 Koppel- und Fügestellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
14.2 Führungen und Lagerungen in Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . 56014.3 Optimierung tribotechnischer Werkzeugmaschinenelemente . . . . . . . 56414.4 Tribologie der Zerspanungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
14.4.1 Technologien zur Verschleißminimierung an Werkzeugen . . . . . 56714.4.2 Technologien zur Verschleißminimierung am Bauteil . . . . . . . 573
14.5 Triboinduzierte Innovationen in der Produktionstechnik . . . . . . . . . . 57714.6 Verfügbarkeit von Produktionsanlagen und Instandhaltung . . . . . . . . 580
15 Tribologie von Werkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583P. Groche15.1 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58515.2 Werkzeugverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58915.3 Tribologische Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59515.4 Umformwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59815.5 Zerspanwerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
XVI Inhaltsverzeichnis
16 Vakuumtribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605T. Gradt16.1 Tribosysteme in Vakuumumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60616.2 Bedingungen und Erfordernisse der Vakuumumgebung . . . . . . . . . . . 60716.3 Apparaturen für tribologische Untersuchungen im Vakuum . . . . . . . . 61016.4 Werkstoffe für Tribosysteme im Vakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
16.4.1 Beschichtungen, Festschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61316.5 Flüssige Schmierstoffe, Fette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616
16.5.1 Polymere und Polymer-Komposite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
17 Tieftemperaturtribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619T. Gradt17.1 Tribosysteme in der Kryotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62017.2 Tribologische Prüftechnik für Temperaturen unterhalb 120K . . . . . . . 62117.3 Werkstoffe für Tribosysteme bei tiefen Temperaturen . . . . . . . . . . . . 624
17.3.1 Metallische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62517.3.2 Polymere und Polymer-Komposite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62717.3.3 Festschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
18 Hochtemperaturtribologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633M. Woydt18.1 Tribosysteme in der Hochtemperaturtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 63318.2 Tribologische Prüftechnik für Temperaturen oberhalb 400 °C . . . . . . . 63618.3 Werkstoffe für Tribosysteme bei hohen Temperaturen . . . . . . . . . . . 637
18.3.1 Metallische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63818.3.2 Ingenieurkeramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63918.3.3 Hartmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64118.3.4 Triboaktive Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
Teil E Methodik
19 Methodik zur Bearbeitung von Reibungs- und Verschleißproblemen . . . 651H. Czichos19.1 Tribotechnische Werkstoffauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
19.1.1 Systemmethodik zur Werkstoffauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . 65219.1.2 Fallstudie: wartungsfreies Feinwerktechnik-Gleitlager . . . . . . . 654
19.2 Tribotechnische Schadensanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65919.2.1 Fallstudie: Schadensanalyse eines Kompressor-Dichtungssystems 65919.2.2 Methodik der tribologischen Schadensanalyse . . . . . . . . . . . . 661
Inhaltsverzeichnis XVII
20 Atlas von Verschleißerscheinungsbildern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665K.-H. Habig
21 Reibungs- und Verschleißdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687H. Czichos21.1 Methodische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68821.2 Tribologische Datenbank für Reibungs- und Verschleißdaten . . . . . . . 691
Teil F Zustandsüberwachung
22 Machinery Diagnostics: Fundamentals and Tribosystem Applications . . 697R. S. Cowan and W. O. Winer22.1 Failure Prevention Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
22.1.1 Root-Cause Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69822.1.2 Statistical Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69922.1.3 Reliability Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70022.1.4 Asset Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70222.1.5 Knowledge-Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705
22.2 Condition Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70622.2.1 Vibration Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70822.2.2 Oil Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71022.2.3 Corrosion Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71322.2.4 Thermal Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71422.2.5 Electrical Signature Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
22.3 Nondestructive Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71722.3.1 Visual Inspection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71722.3.2 Liquid Penetrant and Magnetic Particle Inspection . . . . . . . . . 71822.3.3 Eddy Current Inspection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71822.3.4 Radiography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71922.3.5 Acoustic Emission and Ultrasonic Detection Inspection . . . . . . 719
22.4 Tribosystem Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72122.4.1 Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72122.4.2 Gears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72422.4.3 Seals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72622.4.4 Lubricants in tribosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72722.4.5 Hydraulic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781
Mitarbeiterverzeichnis
Jean-Pierre Celis, Prof. Dr. ir. Dr. h.c., Universität Leuven (KU), Belgien, E-Mail:[email protected] (Kap. 7)
Richard S. Cowan, Dr., Georgia Institute of Technology, USA, E-Mail: [email protected] (Kap. 22)
Horst Czichos, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c., Beuth Hochschule für Technik Berlin, ehem. Bun-desanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berlin, E-Mail: [email protected] (Kap. 1–5, 7, 8, 13, 19, 21)
Alfons Fischer, Prof. Dr.-Ing. habil., Universität Duisburg Essen, E-Mail: [email protected] (Kap. 9)
Thomas Gradt, Dr. rer. nat., Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)Berlin, E-Mail: [email protected] (Kap. 16, 17)
Peter Groche, Prof. Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing., Technische Universität Darmstadt,E-Mail: [email protected] (Kap. 15)
Karl-Heinz Habig, Prof. Dr.-Ing., ehem. Bundesanstalt für Materialforschung und -prü-fung (BAM) Berlin, E-Mail: [email protected] (Kap. 6, 9–11, 20)
Gunter Knoll, Prof. Dr.-Ing. habil., Universität Kassel, E-Mail: [email protected] (Kap. 6)
Theo Mang, Prof. Dr. rer. nat, ehem. Vorstandsmitglied FUCHS Petrolub SE, E-Mail:[email protected] (Kap. 10)
Erich Santner, Dr. rer. nat., ehem. Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung(BAM) Berlin, E-Mail: [email protected] (Kap. 3, 9)
Heinz Sturm, Prof. Dr. rer. nat., Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung(BAM) Berlin, E-Mail: [email protected] (Kap. 8)
Frank Talke, Prof. Ph. D., Dr. h.c., University of California, San Diego, USA, E-Mail:[email protected] (Kap. 12)
XIX
XX Mitarbeiterverzeichnis
Eckart Uhlmann, Prof. Dr. h.c., Dr.-Ing., Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen undKonstruktionstechnik (IPK) Berlin, E-Mail: [email protected] (Kap. 14)
Ward O. Winer, Prof. em. Ph. D., Georgia Institute of Technology, USA, E-Mail: [email protected] (Kap. 22)
MathiasWoydt, Dr.-Ing., Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Ber-lin, E-Mail: [email protected] (Kap. 18)
Teil AEinführung
1Technik und Tribologie
Horst Czichos
Die Tribologie ist eine interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft, die für zahlreiche Bereicheder Technik von Bedeutung ist. Nach einer Übersicht über die Dimensionen der heutigenTechnik werden die Aufgaben der Tribologie in Wissenschaft, Technik und Wirtschaftdargestellt.
1.1 Dimensionen der Technik
Die Dimensionen der heutigen Technik umfassen mehr als zehn Größenordnungen undsind in exemplarischer Form in Abb. 1.1 illustriert. Die Übersicht zeigt, dass – ausgehendvom klassischen Urmeter – das Größenverhältnis Meter/Nanometer vergleichbar ist mitdem Größenverhältnis des Erddurchmessers zum Durchmesser einer Haselnuss.
Makrotechnik ist die Technik der Maschinen, Apparate, Geräte und technischen Anla-gen.
Mikrotechnik mit mm/µm-Bauteilabmessungen ist das Gebiet der Feinwerktechnik undMikrosystemtechnik. Ein Mikrosystem vereint mit Mikro-Fertigungstechnik und minia-turisierter Aufbau- und Verbindungstechnik Funktionalitäten aus Mikromechanik, Mi-krofluidik, Mikrooptik, Mikromagnetik, Mikroelektronik.
Nanotechnik, begründet durch Richard P. Feynman, Physik-Nobelpreisträger 1965,nutzt nanoskalige Effekte der Physik und Materialwissenschaft. Ein Beispiel der nano-technischen Gerätetechnik ist das mit seinem Prinzip in Abb. 1.1 unten links illustrierte
H. Czichos (�)ehem. Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berlin, Beuth Hochschule fürTechnik Berlin, Berlin, Deutschlande-mail: [email protected]
3© Springer Fachmedien Wiesbaden 2015H. Czichos, K.-H. Habig (Hrsg.), Tribologie-Handbuch, DOI 10.1007/978-3-8348-2236-9_1
4 H. Czichos
Abb. 1.1 Dimensionen der heutigen Technik: Makrotechnik, Mikrotechnik, Nanotechnik
Rasterkraftmikroskop. Das Rasterkraftmikroskop ermöglicht durch mechatronischePiezo-Aktorik die Darstellung von Materialoberflächen im atomaren Maßstab und dieBestimmung kleinster Kräfte.
Die Aufgabenfelder der Technik lassen sich durch den Produktionszyklus illustrieren,siehe Abb. 1.2. Er kennzeichnet als Materialkreislauf die für den Weg der Rohstoffe undWerkstoffe zu Produkten und technischen Systemen erforderlichen Technologien:
� Rohstoff/Werkstoff-Technologien zur Erzeugung von Werkstoffen und Halbzeugen,� Konstruktionsmethoden und Fertigungstechnologien für Entwicklung, Design und Pro-
duktion von Bauteilen und technischen Systemen,� Betriebs-, Wartungs- und Reparaturtechnologien zur Gewährleistung von Funktionali-
tät, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit einschließlich Qualitätsmanagement,� Recycling (notfalls Deponierung) zur ökologischen Schließung des Stoffkreislaufs.
In ökonomischer Hinsicht ist der Produktionskreislauf – der von den erforderlichenProduktionsfaktoren sowie Energie-, Informations- und Kapitalflüssen begleitet sein muss– als wirtschaftliche Wertschöpfungskette zu betrachten (HÜTTE Das Ingenieurwissen2008).
1 Technik und Tribologie 5
Abb. 1.2 Technologien für die Produktion technischer Erzeugnisse: der Produktionszyklus
1.2 Definition der Tribologie
Obwohl die heutige Technik sich in ihren Produkten und in ihren Dimensionen deutlichvon der Technik früherer Zeiten unterscheidet, wurden ihre elementaren Begriffe bereitsdurch Aristoteles in seiner Physica geprägt. Abbildung 1.3 gibt dazu eine kurze Über-sicht. Der für dieses Buch zentrale Begriff Tribologie (griechisch tribein: reiben) bedeutetwörtlich Reibungslehre.
Abb. 1.3 Grundbegriffe der Technik nach Aristoteles
6 H. Czichos
Abb. 1.4 Coulomb-Tribometer zur experimentellen Bestimmung der Reibung undModell-Nachbau(M. Gienau, Labor für Tribometrie und Tribophysik, BAM Berlin, 1987)
Die Erforschung der Reibung beginnt mit Leonardo da Vinci und Coulomb, sie-he Abb. 1.4.
Reibungsuntersuchungen von Leonardo da Vinci (Codex Madrid I, 1492)
Der Reibungswiderstand fester Körper verändert sich entsprechend der Beschaffenheit dersich berührenden Flächen. Er ist abhängig von der Glätte der Flächen, jedoch unabhängigvon der Größe der berührenden Flächen und nimmt proportional zur Last zu. Die Reibungkann durch zwischengeschobene Rollen oder Schmiermittel verringert werden.
Reibungsexperimente von Coulomb (Coulomb 1785)
Zur Bewegung eines festen Körpers ist die Überwindung einer Reibungskraft FR erfor-derlich. Die Reibungskraft FR kann experimentell durch eine gleich große Gewichtskraftbestimmt werden: jFRj D jGj. Die Reibungskraft ist von der Größe der Kontaktfläche unab-hängig und der Belastungs-Normalkraft proportional:FR D f �FN ; f wird als Reibungszahlbezeichnet.
1 Technik und Tribologie 7
Das heutige Wissenschafts- und Technikgebiet Tribologie wurde erst Mitte des 20. Jahr-hunderts nach einer umfassenden Studie zur volkswirtschaftlichen Bedeutung von Rei-bung und Verschleiß (Great Britain 1966) mit folgender Originaldefinition begründet:
Tribology is the science and technology of interacting surfaces in relative motion and ofrelated subjects and practices.
Im deutschen Sprachgebrauch kann die Wortkombination interacting surfaces durch denin der Konstruktionstechnik für „funktionelle Oberflächen“ gebräuchlichen BegriffWirk-flächen übersetzt werden, womit die Tribologie-Definition wie folgt lautet:
Tribologie ist die Wissenschaft und Technik von Wirkflächen in Relativbewegung und zuge-höriger Technologien und Verfahren.
Als Ingenieurwissenschaft kann die Tribologie auch wie folgt definiert werden:
Die Tribologie ist ein interdisziplinäres Fachgebiet zur Optimierung mechanischer Techno-logien durch Verminderung reibungs- und verschleißbedingter Energie- und Stoffverluste.
Zielsetzung und Aufbau dieses Tribologie-Handbuchs orientieren sich an dieser Definiti-on.
1.3 Aufgaben und Bedeutung der Tribologie
Durch die Einführung des Begriffes Tribologie wurde der Rahmen zur integrierten Be-arbeitung von Reibungs- und Verschleißproblemen unter Berücksichtigung des interdis-ziplinären Zusammenwirkens von Physik, Chemie, Werkstoffwissenschaften und Inge-nieurdisziplinen geschaffen (Goettner 1970; Zum Gahr 1985; Fleischer 1989). In jünge-rer Zeit haben neue wissenschaftliche Erkenntnisse, messtechnische Instrumentarien undAnwendungen der Computertechnik zu einer Erweiterung der Tribologie bis hin zur Na-notechnik geführt (Singer 1992; Bhushan 1997). Während in der Vergangenheit sich dieeinzelnen Teilgebiete separat entwickelt hatten, erfordert die Tribologie als interdiszipli-näre Ingenieurwissenschaft eine vereinheitlichende Terminologie und eine entsprechendeBearbeitungsmethodik unter Anwendung systemanalytischer und systemtechnischer Me-thoden (Wahl 1948; Fleischer 1970; Salomon 1974; Czichos 1974).
Interdisziplinäre Aufgaben der Tribologie: Wissenschaft und Technik der mit Bewegungs-vorgängen zusammenhängenden reibungs- und verschleißbedingten energetischen und stoff-lichen Prozesse und Optimierung von technischen Systemen, deren FunktionenWirkflächenin Relativbewegung erfordern.
Zur Darstellung der Bedeutung der Tribologie in Wissenschaft, Technik und Wirtschaftwerden einige grundlegende Aspekte betrachtet.
8 H. Czichos
Wissenschaft Nach den Gesetzen der Thermodynamik sind alle makroskopischen tech-nischen Prozesse irreversibel und benötigen zu ihrer Durchführung Energie. Das gilt auchfür die Funktion von Gleit- oder Rollelementen in technischen Anlagen. Kommen sichzwei Festkörper nahe genug, so treten Wechselwirkungen zwischen ihren Kontaktflächenauf, die bei der Einleitung oder Aufrechterhaltung einer Relativbewegung nichtkonservati-ve Kräfte induzieren und so eine Dissipation von Bewegungsenergie bewirken. Je nach Artund Größe dieser Kräfte geschieht die Energiedissipation durch unterschiedliche Prozesse.Einer der wichtigsten Dissipationspfade führt über die Phononenerzeugung (Gitterschwin-gungen) und deren Ausbreitung im Festkörper, die Quelle der Reibungswärme. GrößereKräfte führen zu den makroskopisch bekannten inelastischen Prozessen wie z. B. plasti-sches Fließen, viskoelastische Verluste, und viskoses Fließen. Mit der Betrachtungsweiseder klassischen Physik und ihren idealisierenden Vorgaben und Randbedingungen kanndie Irreversibilität realer technischer Prozesse häufig nicht behandelt werden. So werden„Reibungseffekte“ oft vernachlässigt oder die Reibung wird nur als „Störung“ betrachtet.Zitat aus einem Physik-Lehrbuch von 2005:
Die Reibung spielt im täglichen Leben und bei allen technischen Geräten mit bewegtenBauteilen eine außerordentlich große Rolle. Es gibt aber für die Reibung kein einfachesKraftgesetz, wie z. B. für die Schwerkraft. Da die Wirkung der Reibung auf die Bewegungvon Körpern nur schlecht zu kontrollieren ist und damit auch schlecht zu reproduzieren ist,betrachten wir die Reibung zunächst als lästige Störung und versuchen sie zu vermeiden.
Da Reibung und Verschleiß komplexe Vorgänge sind, muss die herkömmliche Betrach-tungsweise erweitert werden. Zahlreiche grundlegende Untersuchungen der Tribophysikund Tribochemie haben gezeigt, dass die Elementarprozesse von Reibung und Verschleißals dissipative, nichtlineare, dynamisch-stochastische Vorgänge in zeitlich und örtlich ver-teilten Mikrokontakten innerhalb der makroskopischen Wirkflächen ablaufen. Die in denletzten Jahren erfolgte Erweiterung der Tribologie bis in „Nano-Dimensionen“ hat 500Jahre nach den ersten Reibungsuntersuchungen von Leonardo da Vinci zu einer „Re-naissance der Reibung“ geführt (Urbakh und Meyer 2010). Wissenschaftliche Aufgabeder Tribologie ist die Erforschung der Mechanismen und Pfade der Energiedissipationenin Reibkontakten und der auslösenden Prozesse der zum Verschleiß führenden Material-veränderungen.
Technik Zahlreiche Aufgaben der Technik können – wie aus der Übersicht von Abb. 1.1ersichtlich – nur durch Wirkflächen in Relativbewegung, d. h. durch Tribotechnik, reali-siert werden, z. B.
� Kinematik ! Bewegungserzeugung, Bewegungsübertragung, Bewegungshemmung� Dynamik ! Kraftübertragung über Kontakt-Grenzflächen� Arbeit, mechanische Energie ! Übertragung, Umwandlung mechanischer Energie� Transportvorgänge ! Stofftransport fester, flüssiger oder gasförmiger Medien� Formgebung ! Spanende und spanlose Fertigung, Oberflächentechnik.
1 Technik und Tribologie 9
Die Aufgaben der Tribologie erstrecken sich damit auf folgende wesentliche Bereiche derTechnik und die zugehörigen Ingenieurwissenschaften:
Entwicklung, Konstruktion, Fertigung, Betrieb, Wartung und Instandhaltung mechanischerBewegungssysteme in den verschiedenen Industriezweigen, wie z. B.: Maschinenbau, Fein-werktechnik, Produktionstechnik, Antriebstechnik, Fahrzeugtechnik, Luft- und Raumfahrt-technik, Energietechnik, u. ä.
In allen diesen Bereichen kann die Tribotechnik zur Erhöhung von Leistung undWirkungs-grad, zurVerbesserung vonQualität, Zuverlässigkeit undGebrauchsdauer, zurEnergie- undMaterialeinsparung sowie zur Verminderung von Umweltbelastungen beitragen.
Typische Aufgabengebiete der Tribologie zur Optimierung technischer Systeme gehenaus den Ergebnissen einer klassischen Studie der japanischen Gesellschaft der Maschi-nenbauindustrie und dem Ministry for International Trade and Industry (MITI) aus denJahren 1980 bis 1982 hervor (Kubota 1982). Als wichtigste Entwicklungserfordernissewurden genannt:
(a) Fehlerdiagnosetechniken,(b) neue Tribomaterialien,(c) verbesserte Schmierungstechniken,(d) Standardisierung der tribologischen Prüftechnik,(e) neue Tribosysteme und Schmierstoffe,(f) verbesserte tribologische Beurteilungsmethoden,(g) tribologische Datenbank.
Zielsetzungen tribologischer Maßnahmen zu Optimierung maschinentechnischer Systemesind in Tab. 1.1 zusammengestellt, sie sind grundlegende Aufgabenstellungen der Tribo-technik.
Tab. 1.1 Charakteristische Aufgabenstellungen der Tribologie in der Technik
10 H. Czichos
Wirtschaft Die große volkswirtschaftliche Bedeutung der Tribologie und die beträcht-lichen Einsparungsmöglichkeiten durch verstärkte Forschung und Anwendung tribolo-gischer Kenntnisse werden durch Studien in verschiedenen Industrieländern aus mehre-ren Jahrzehnten belegt. Das Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT)brachte dies Mitte der 1980er Jahre wie folgt zum Ausdruck (BMFT 1983):
Reibung, Verschleiß und Korrosion verschlingen in den Industrieländern etwa 4,5% desBruttosozialprodukts. Umgerechnet auf die Bundesrepublik Deutschland bedeutet dies rund35 Mrd. C volkswirtschaftlicher Verluste (insbesondere an Rohstoffen und Energie) in jedemJahr.
In den USA werden nach einer Studie der American Society of Mechanical Engineers(ASME) ca. 25% des Energieverbrauchs von Industrie und Transportwesen tribologischenVerlustprozessen zugeschrieben und beträchtliche jährliche Einsparung durch verstärkteAnwendung tribologischer Erkenntnisse für möglich gehalten (Pinkus undWilcock 1977).Abbildung 1.5 nennt für diesen Bereich ein sicher auch heute nicht unrealistisches Ein-sparpotenzial von 11%.
Abb. 1.5 Energieverbrauch, Energieverluste und Einsparungspotenzial durch Tribologie, BeispielUSA
1 Technik und Tribologie 11
Tab. 1.2 Wirtschaftszweige und Schadensmechanismen, Beispiel Kanada
WirtschaftszweigTribologische Schadensmechanismen und Schadensanteil in %
Abrasion Adhäsion Erosion Fretting Ermüdung Tribochemie
Transportwesen
– Schienenverkehr 29,7 27,5 – 1,0 37,2 4,4
– Lkw- und Busverkehr 76,8 13,1 – 1,4 3,2 5,5
Elektrizitätsversorgung 33,4 16,6 13,9 17,8 18,3 –
Bergbau
– Untertagebau 75,4 0,3 22,8 – 0,5 1,0
– Tagebau 88,8 4,0 – 0,3 6,4 0,5
– Raffinerien 55,6 3,8 30,5 – 4,4 5,3
Land- und Forstwirtschaft 76,3 11,8 4,9 1,3 5,4 0,3
Zellstoff- u. Papierindustrie 57,4 9,4 24,6 0,6 3,0 5,0
Alle Wirtschaftszweige 66,5 12,1 7,8 1,9 8,9 2,8
Für Kanada ergab eine, im Auftrag des National Research Council Canada von ei-ner bedeutenden kanadischen Industriefirma durchgeführte Studie, dass in fünf ausge-wählten grundlegenden Industriebereichen Verluste durch Reibung auf 1,5 Mrd. C unddurch Verschleiß auf 4,5 Mrd. C pro Jahr beziffert werden, wovon auf dem Verschleiß-sektor mehr als 20% als potenzielle Einsparmöglichkeiten angesehen werden (Brockley1984). Bemerkenswert ist die aus Tab. 1.2 ersichtliche Zuordnung der Verschleißverlus-te auf grundlegende tribologische Schadensprozesse womit ein Ansatz für Maßnahmenzur Verschleißminderung gegeben wird (siehe Abschn. 5.6). Der bedeutendste Schadens-mechanismus in allen Wirtschaftszweigen ist die Abrasion – im Schienenverkehr mitden tribologisch zyklisch beanspruchten Rad/Schiene-Systemen ist es die Ermüdung. DieSchadensmechanismen werden in Kap. 5 detailliert dargestellt.
Neben diesen nunmehr klassischen Studien zur ökonomischen Bedeutung der Tribo-logie für Technik und Wirtschaft, weisen aktuelle Untersuchungen insbesondere auf dieWichtigkeit der Tribologie für die Funktion der in neuerer Zeit entwickelten Systemen derMikrotechnik, wie z. B. der MEMS, der mikro-elektromechanischen Systeme, hin.
2Tribologische Systeme
Horst Czichos
Die einleitende Übersicht hat deutlich gemacht, dass in der Technik zahlreiche Funktio-nen – von der Bewegungsmechanik bis zur Produktionstechnik – nur durch Wirkflächenin Relativbewegung realisiert werden können. Dies ist stets mit Reibung sowie häufig mitVerschleiß der betreffendenWerkstoffe, Bauteile und Konstruktionen verbunden. Reibungund Verschleiß sind keine Materialeigenschaften und können nicht durch einfache Werk-stoffkenndaten (wie etwa Härte oder Elastizitätsmodul) gekennzeichnet werden. Reibungund Verschleiß sind „Systemeigenschaften“. Sie erfordern stets die Analyse und Berück-sichtigung der vielfältigen Parameter und Einflussgrößen des betreffenden tribologischenSystems. Dieses Kapitel gibt zunächst eine kurze Einführung in die systemtechnische Me-thodik und schildert dann mit kurzen Übersichten die Themen der Tribologie, die in denFolgekapiteln detailliert behandelt werden.
2.1 Einführung in die systemtechnischeMethodik
Die systemtechnische Methodik kombiniert Methoden aus Biologie, Kybernetik und In-formationstheorie (begründet von Ludwig von Bertalanffy, Norbert Wiener und ClaudeShannon) und wendet sie auf die Technik an. Technische Systeme sind allgemein durchdie Funktion gekennzeichnet, Energie, Stoffe (Materie) und/oder Information umzuwan-deln, zu transportieren und/oder zu speichern, sie gliedern sich traditionell in
� Maschinen als primär energieumsetzende technische Gebilde� Apparate als primär stoff- oder materieumsetzende technische Gebilde� Geräte als primär signalumsetzende technische Gebilde.
H. Czichos (�)ehem. Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berlin, Beuth Hochschule fürTechnik Berlin, Berlin, Deutschlande-mail: [email protected]
13© Springer Fachmedien Wiesbaden 2015H. Czichos, K.-H. Habig (Hrsg.), Tribologie-Handbuch, DOI 10.1007/978-3-8348-2236-9_2
14 H. Czichos
Die Kennzeichen technischer Systeme können vereinfacht wie folgt beschrieben werden:
� Jedes System besteht aus interaktiven Elementen (Komponenten).� Die Systemelemente lassen sich durch eine zweckmäßig definierte virtuelle System-
grenze von der Umgebung (oder von anderen Systemen) abgrenzen, um sie modellhaftisoliert betrachten zu können.
� Die in das System eintretenden Eingangsgrößen (Inputs) werden als „Prozessgrößen“über die Systemelemente in Ausgangsgrößen (Outputs) überführt.
� Die Funktion eines Systems wird beschrieben durch Input/Output-Beziehungen zwi-schen operativen Eingangsgrößen und funktionellen Ausgangsgrößen; sie kann beein-flusst werden durch Störgrößen und Dissipationseffekte.
� Jeder Input und Output kann den kybernetischen Grundkategorien Energie, Stoffe (Ma-terie), Information zugeordnet werden.
� Die bestimmungsgemäße Systemfunktion bildet die Rahmenbedingung für die zu ge-staltende Systemstruktur mit ihren Elementen, Eigenschaften und Wechselwirkungen.
Für Entwicklung und Design technischer Systeme gilt die Regel structure follows func-tion, d. h.: 1. Systemfunktion definieren, 2. Systemstruktur realisieren.
Die systemtechnische Methodik hat das Ziel, ein Fachgebiet der Technik in sei-ner „Ganzheit“ zu behandeln. Der Begriff „Ganzheit“ hat als methodischer Begriff im20. Jahrhundert in vielen Wissenschaften Eingang gefunden. Ganzheit ist etwas, das nichtdurch einzelne Eigenschaften seiner Bestandteile, sondern erst durch deren gefügehaftenZusammenhang (Struktur) bestimmt ist. Die Ganzheit ist mehr als die Summe der Teile,die selbst nur aus dem Ganzen heraus zu verstehen sind. Zentrale Begriffe der system-technischen Methodik sind die Systemfunktion und die Systemstruktur, siehe Abb. 2.1.
Abb. 2.1 Die systemtechnische Methodik in Stichworten
