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Tribologie und Radionuklidtechnik 19.02.2019

Die Wirkung von Reibung und Verschleiß ist seit dem Bau von Fortbewegungsmitteln

/ Maschinen bekannt: schon Transportschlitten im Alten Ägypten werden geschmiert,

vermutlich mit Wasser, Nilschlamm und / oder pflanzlichen Schmierstoffen. Ein

anderes Beispiel sind die ägyptischen und römischen Kampfwagen, wo ebenfalls eine

Schmierung mit pflanzlichen Stoffen, evtl. auch mit Erdöl angenommen wird.

Wissenschaftlich untersucht Leonardo da Vinci die Reibung bereits im 15.

Jahrhundert. Seit dem 19. Jahrhundert werden Schmierstoffe industriell hergestellt,

zunächst ausschließlich aus Pflanzenöl. /1,2/

Bild 1: Der Transport eines Kolosses. Eine Flüssigkeit wird vor den Transportschlitten

des Kolosses geschüttet. Nachzeichnung aus dem Grab des Gaufürst

Djehutihotep, 12. Dynastie (ca. 1976-1795 v. Chr.) im alten Ägypten.

Das Bild wurde aus /3/ entnommen.

Die riesige volkswirtschaftliche Bedeutung von Reibung und Verschleiß wird erstmals

1966 durch eine von der britischen Regierung eingesetzte Projektgruppe

wissenschaftlich untersucht, die auch eine Schätzung der volkswirtschaftlichen

Verluste quantifiziert. Heute schätzt man diese Verluste in Industrieländern auf jährlich

2-7 % des Bruttonationaleinkommens /4/.

Der britische Bericht /5/ (Jostreport) arbeitet das Zusammenspiel verschiedenster

Einflussfaktoren auf Reibung und Verschleiß heraus und schlägt ein eigenes

Fachgebiet für diese Problematik vor – die Tribologie (griechisch "Reibungslehre"). Der

Name wird vom Leiter der Projektgruppe Sir Peter Jost nach Konsultationen mit dem

Herausgeber des Oxford Dictionary of English Language vorgeschlagen. Die

Tribologie entwickelt sich schnell zu einem eigenständigen interdisziplinären

Fachgebiet der Ingenieurswissenschaften, das heute selbstverständlich zur

Ausbildung im Maschinenbau gehört.

2

Die Definition der Tribologie im Jostbericht "Lubricaton (Tribology) Education and

Research" : "Tribology is the science and technology of interacting surfaces in relative

motion and of the practices related thereto." /6/.

Die Erforschung wechselwirkender Oberflächen in Relativbewegung und die daraus

gewinnbaren Schlussfolgerungen für Konstruktion und Betrieb von Maschinen

basieren auf verschiedensten Fachgebieten, und einen wesentlichen Beitrag dazu

liefert die Verschleißmessung.

Es haben sich unterschiedliche Messverfahren in der Tribologie etabliert. Nur eines

davon erlaubt einen Online-Test, der die Ergebnisse exakt den zu untersuchenden

kritischen Reibflächen zuordnet, das sind die Tests unter Einsatz der

Radionuklidtechnik.

Ideen zur Anwendung der Radioaktivität gibt es seit ihrer Entdeckung Ende des 19.

Jahrhunderts. Einen großen Aufschwung nimmt die Anwendung der Radioaktivität für

friedliche Zwecke in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts. Von der Vielfalt an

Einsatzmöglichkeiten haben sich v. a. folgende als bis heute unverzichtbar erwiesen:

Nuklearmedizin,

Radioaktive Tracermessungen,

Radionuklidtechnik im Maschinenbau - RTM. Das erste bekannte Patent zum Verschleißtest mittels Dünnschichtaktivierung stammt

aus den USA. Es wird 1941 eingereicht und 1943 erteilt /7/.

Der tatsächliche Einsatz des Verfahrens erfolgt viel später. Umfangreiche Arbeiten zur

Anwendung der Radioaktivität bei Verschleißmessungen entstehen: /8, 9 ,10 ,11 ,12

und 13/, vgl. auch /14/. Für den Maschinenbau gelingt in Karlsruhe die Entwicklung

des radioaktiven Messverfahrens in enger Zusammenarbeit mit der Industrie zu einer

etablierten, serienmäßig eingesetzten Methode /8, 9, 10, 12, 15/. Hier wäre

insbesondere die Daimler-Benz AG zu nennen, die diese Technik in enger

Rückkopplung mit den Karlsruher Entwicklern vorteilhaft in der Motorenentwicklung

eingesetzt hat. Die Initiative dazu im Jahr 1958 sowie bedeutende Entwicklungen zur

Anwendung der RNT in der Tribologie sind Professor Karl Kollmann zu verdanken,

Inhaber des Lehrstuhls für Maschinenkonstruktionslehre und Kraftfahrzeugbau an der

Technischen Hochschule Karlsruhe von 1951 bis 1971, Lehrstuhlvertreter bis 1973

/16/. Das Messprinzip ist einfach: das gesamte kritische Maschinenteil (bei kleinsten Teilen)

oder die zu untersuchende kritische Fläche wird radioaktiv markiert, das Teil in die

Maschine eingesetzt und während des Betriebes, in der Regel auf einem Prüfstand,

verwendet. Wenn der Verschleißvorgang an der markierten Stelle einsetzt, kann der

nunmehr radioaktive Verschleißverlust online, empfindlich und daher schnell unter

verschiedenen Betriebsparametern bestimmt werden.

Man unterscheidet bei der Messtechnik zwei Verfahren, die je nach Anwendungsfall

eingesetzt werden, das Dünnschichtdifferenzverfahren DDV und das

Konzentrationsmessverfahren KMV. Beim DDV wird ein Detektor möglichst nah an der

3

kritischen Stelle der Maschine fest installiert und die abnehmende Aktivität an der

aktivierten Stelle gemessen. Deutlich empfindlicher ist das KMV, bei dem der

Schmiermittelkreislauf angezapft und das Schmiermittel mit den aktiven

Verschleißpartikeln zu einem Detektor und dann wieder zurück in den

Schmiermittelkreislauf geführt wird. Beide Verfahren arbeiten nur dann zuverlässig,

wenn der Schmierkreislauf funktioniert und die Verschleißteilchen durch das

Schmiermittel von den kritischen Stellen abtransportiert werden.

Bild 2: Schema Dünnschichtdifferenzverfahren DDV –

Konzentrationsmessverfahren KMV:

Der erste Quadrant zeigt das DDV am Beispiel der Verschleißpaarung

Kolbenring – Zylinderwand mit aktiviertem Ring. Der Detektor misst eine

Aktivitätsabnahme, wenn entstehende Verschleißpartikel von der kritischen

Stelle abtransportiert werden. Mittels Kalibrierung, spezifische Aktivität über

Materialtiefe bzw. Verschleißmasse (4. Quadrant, Materialtiefe dargestellt),

erhält man das online-Messergebnis für den Verschleißverlauf (2. Quadrant,

Verschleißtiefe dargestellt).

Der dritte Quadrant zeigt das KMV. Die im Öl transportierten Verschleißpartikel

des aktivierten Kolbenrings werden um einen Detektor herumgeführt, der die

Zunahme der Verschleißmasse als Aktivitätszunahme registriert. Wie beim DDV

wird über die Kalibrierung (4. Quadrant) der Verschleißfortschritt (2. Quadrant)

detektiert.

Kolbenring

Radioaktive Markierung

auf der Zylinderwand DDV

KMV

Ölsumpf

Detektor

Laufzeit

Kalibrierungng

Materialtiefe

0 0.1 0.2 [mm]

Konst. spec.

Aktivität

Detektor

Ergebnis

4

Genauso wichtig für das Verfahren ist neben der hochentwickelten Messtechnik eine

gut geplante Aktivierung der kritischen Zone. Dabei sind das optimale Messnuklid zu

finden sowie die zu aktivierende Fläche und die optimale Aktivierungstiefe.

In Tabelle 1 sind die Parameter für die Aktivierung mit beschleunigten Ionen der im

Maschinenbau gängigen Werkstoffe aufgelistet. Wichtig ist, Nuklide mit mittlerer

Halbwertszeit zu erzeugen, deren Gammaenergien in einem gut messbaren Bereich

liegen. Die Halbwertszeit muss eine gründliche Untersuchung der Bauteile zulassen,

sollte aber auch nicht zu lang sein, damit die Radioaktivität in akzeptabler Zeit für die

Entsorgung abklingen kann. Tabelle 1: Aktivierungsparameter für gängige Werkstoffe im Maschinenbau

Material

Kernreaktion

Teilchen-

energie

[MeV]

T1/2

-Energie der

Messnuklide

[keV]

Fe

56Fe(p,n)56Co 56Fe(d,n)57Co

14 - 6

9 - 1

78 d

272 d

847, 1240

122

Al

27Al(, 2n)22Na 27Al(,2pn)24Na

53 - 44 80 - 50

2,6 a 16 h

511, 1275 1370,2754

Cr

52Cr(p,pn)51Cr 52Cr(p, n)52Mn

30 - 14 14 - 6

28 d 6 d

320 511, 1434, 936, 744

Ni

58Ni(p,pn)57Ni 1,5d 57Co

25 - 19

1,5 d 272 d

122

Aktivierbar sind:

• alle technischen Eisenwerkstoffe (niedrig- bis hochlegierte Stähle)

• Nichteisenmetalle und deren Legierungen

z.B. Aluminium

Cobalt Kupfer Molybdän

Blei Zinn

Titan

Vanadium

Wolfram

Zink

• Sintermetalle (z.B. Hartmetall, Titanit) • Keramikwerkstoffe wie: Al2O3, SiC, Si3N4, ZrO2

5

Weiterhin wurde die radioaktive Markierung von DLC und Kunststoffen bei ZAG

Zyklotron AG zur routinemäßigen Anwendbarkeit weiterentwickelt. In diesen Fällen ist

das Messnuklid Be-7 mit einer Halbwertszeit von 53 Tagen und einer gut messbaren

Gammaenergie von 478 keV, vgl. /17,18/. Das RTM-Messverfahren hat folgende Vorteile:

1. berührungslose, kontinuierliche Messung des Abtrages an Maschinen unter

normalen Betriebsbedingungen sowie bei gezielt geänderten Betriebspara-

metern, wie z. B. Bestimmung des Verschleißverhaltens in Abhängigkeit von

Schmiermittelart und –qualität, Öldruck, Temperatur, Drehzahl in einem

Versuchslauf,

2. hohe Messempfindlichkeit bis in den Submikrometerbereich,

3. aus 1. und 2. ergibt sich eine deutliche Verkürzung von Test- und damit auch

von Entwicklungszeiten,

4. Messung des Abtrags an einer oder mehreren Stellen, die durch die radioaktive

Markierung genau definiert sind, auch von vergrabenen Schichten,

5. Bestimmbarkeit des Materialübertrags der Reibpaarungen,

6. Bestimmbarkeit eines unterschiedlichen Austrags an Elementen, z. B. im Fall

von Legierungen.

Das hat die Radionuklidtechnik für die Motorenentwicklung zu einem unverzichtbaren

Hilfsmittel gemacht. Die Motorenentwicklung ist auch das Haupteinsatzgebiet der RTM

Radionuklidtechnik im Maschinenbau.

Das folgende Bild 3 demonstriert die Aktivierung eines Motorblockes am Karlsruher

Zyklotron für die Automobilindustrie:

Bild 3: Aktivierung der Zylinder-

wand eines Motorblockes im

O.T.-Bereich des ersten

Kolbenringes. Der gesamte

Motorblock wird im Strahl

gedreht um eine gleichmäßig

aktivierte Oberfläche zu

erzeugen. Aufnahme am

Zyklotron im Forschungs-

zentrum Karlsruhe.

6

Ausführlich diskutiert werden Anwendungsbeispiel aus der Motorenindustrie in den

Dissertationen von B. Herkert, G. Katzenmeier, J. Volz, G. Essig, W. Lausch, H. Möller,

die im Forschungszentrum Karlsruhe erarbeitet wurden /19, 20, 21, 22, 23, 24/ und in

der neueren Veröffentlichung /17/.

Die weitgefächerten Möglichkeiten der RTM-Technik sollen in willkürlicher Reihenfolge

an einigen Beispielen aus anderen Anwendungsgebieten gezeigt werden.

1. Kältemittelkompressoren

Bereits 1964 werden radioaktive Verschleißprüfungen mittels Konzentrations-

messverfahren an Kältemittelverdichtern durchgeführt /11/, seit den 1980iger Jahren

unter Verwendung der Dünnschichtaktivierung am Ionenbeschleuniger /25/:

Verschiedene konstruktive und technologische Varianten eines neuentwickelten

Verdichtertyps der Firma dkk Scharfenstein werden untersucht. Von besonderem

Interesse ist das neue Verbindungselement Kugel-Kalotte, Bild 4.

Bild 4: Verbindungselement Kugel / Kalotte im Verdichterkolben

1 Kolben; 2 Reibfläche in Kalotte und auf Kugel; 3 Kugel; 4 PTFE-Ring;

5 Pleuelstange.

Da in der Einlaufphase des Verdichters Verschleißtiefen von 1µm zu erwarten sind,

wird die aktive Schichtdicke so gering wie damals möglich eingestellt. Als Messnuklid

dient Co-57 mit einer Aktivierungstiefe von 13 µm (Gammaenergien: 122,1 keV und

136,5 keV, Halbwertszeit: 271,8 Tage).

Die Aktivitätstiefenverteilung wird mit Folienpaketen kalibriert /26/. Die Messung erfolgt

durch einen zusätzlich in den Prüfstand implementierten Filter, damals noch

diskontinuierlich.

7

Bild 5 zeigt ein Beispiel für die Messergebnisse bei verschiedenen Arbeitsdrücken des

getesteten Kompressors.

Anfang der 90iger Jahre erfordert die Suche nach FCKW-freien Kältemitteln und damit

verbunden nach neuen Kältemaschinenölen eine schnelle und zuverlässige

Einschätzung des tribologischen Verhaltens von Verdichtern.

Im Rahmen eines Technologietransferprojekts des damaligen Forschungszentrums

Karlsruhe, heute KIT, wird daher ein automatischer, industrietauglicher

Kompressorprüfstand auf Basis der in Karlsruhe vorhandenen fortgeschrittenen

Aktivierungs- und Messtechnik entwickelt /27/. Die Radionuklid-

Verschleißmesstechnik des Prüfstandes ermöglicht eine On-Line-Auflösung von

Nanometern bzw. Mikrogramm Abrieb des zu prüfenden Bauteils.

Die Komponenten der Anlage sind:

• Kältekreislauf mit Messkopf,

• Ölkreislauf mit Konzentrations- und Filtermesskopf,

• Steuer-und Regelungsteil,

• Messelektronik mit PC.

Die Verschleißmessung wird ergänzt durch Messstellen konventioneller Parameter -

Verdichtungsdruck, Saugdruck, Motorstrom, die Temperatur an der Motorwicklung, im

Ölsumpf, in einer Druckkammer des Zylinderblocks, im Kältemittelmesskopf sowie im

Raum. Mit diesem Prüfstand wurden konventionelle Kompressoren mit neuartigen

Kältemitteln und Kältemaschinenölen untersucht.

Bild 5: Abhängigkeit des Verschleiß-

fortschrittes in der Kolbenkalotte vom

Arbeitsdruck des Verdichters.

8

Bild 6 zeigt ein typisches Messergebnis für den Einlaufverschleiß eines

Kolbenmantels.

Bild 6: Einlaufverschleiß eines Kolbenmantels. Verdichter kleiner Leistung (< 200 W),

Kältemittel R 290 (Propan).

2. Textilindustrie

Hochgeschwindigkeitsstrickmaschine – Nadelführungssystem

Die hohe Empfindlichkeit des RTM-Messverfahrens erlaubt Verschleißprüfungen in

außerordentlich kurzen Messzeiten. Die Materialoptimierung für die Kulierteile

(Nadelführung) einer Hochgeschwindigkeitsstrickmaschine ist innerhalb von 4 Tagen

abgeschlossen /28/.

Dazu wird das Dünnschichtdifferenzmessverfahren eingesetzt. Der Detektor ist dabei

auf das aktivierte Kulierteil gerichtet. 4 verschiedene Werkstoffe werden untersucht.

9

Bild 7: Dünnschicht-Differenz-Messung an einer Rundstrickmaschine

Der Detektor ist auf das aktivierte Kulierteil (Nadelführung) gerichtet. 4 verschiedene Kulierwerkstoffe werden untersucht.

Die Messergebnisse in Bild 8 demonstrieren das hohe Auflösungsvermögen der RTM-

Verschleißmesstechnik bis hin zu Verschleißtiefen von einigen Nanometern.

Bild 8: Verschleißrate in µg / h für vier verschiedene Materialien der Nadelführung.

Eine eindeutige Entscheidung für das geeignete Material kann nach vier Tagen

getroffen werden. Entnommen aus /28/.

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

1 2 3 4

0,028

0,021

0,011

0,004

Verschleiß-rate [µm/h]

Material der Nadelführung

Detektor

10

3. Gelenkimplantate

Die Entwicklung langlebiger Gelenkprothesen erfordert eine zuverlässige und sichere

Verschleißuntersuchung. Dazu bietet sich die Radionuklidtechnik an. Die im

Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte präzise und zuverlässige

Verschleißdiagnostik RTM, Radionuklidtechnik im Maschinenbau, wird für die

Anwendung in der Biomechanik weiterentwickelt /29, 30/. Das betrifft den Messkopf

(kleineres Schmiermittelvolumen als in der Motorenprüfung), die Sensoren für die

Aufnahme der konservativen Parameter des Gelenksimulators, wie Last und

Frequenz, sowie die Anpassung der Software an die spezifischen Merkmale eines

Gelenksimulators.

Drei Keramik-Keramik-Paarungen (Al2O3) eines Hüftgelenkimplantats werden

getestet. Die Markierung der Kugeln (Ø 28 mm) erfolgt zentrisch um den

Lastangriffspunkt mit dem Radionuklid Na-22 in einer Markierungstiefe von 140 µm,

vgl. Bild 9. Na-22 mit einer gut messbaren Gammastrahlung hat eine Freigrenze von

0,5 MBq. Die Aktivität pro Kopf beträgt 0,5 – 0,7 MBq, ist als nahe der Freigrenze für

das Radionuklid mit einer Halbwertszeit von 2,6 Jahren, was ausreichend Zeit für

umfangreiche Untersuchungen bietet.

Bild 9: Schematische Darstellung zur Markierung einer Keramikkugel im Ionenstrahl

des Zyklotrons. Die Kugel wird präzise im Strahl in mehrere Richtungen gedreht.

Am Hüftgelenksimulator der Firma IMA Dresden untersucht werden der

Einlaufverschleiß, der Einfluss von Lastwechsel (0,5 / 2,5 – 0,3 / 3 kN), Frequenz (1 –

2 HZ), Start / Stopp des Simulators, der Wechsel des Mediums - Schmiermittel).

Der Testaufbau für das eingesetzte Konzentrationsmessverfahren ist im folgenden

Bild 10 schematisch dargestellt:

11

Bild 10: Testaufbau für die On Line Messung am Hüftgelenksimulator mit

Konzentrationsmessanlage KMA und Referenzmessanlage RMA. Selbst bei der verschleißfesten Keramik-Keramik-Paarung kann der Masseverlust bei

allen drei Kugel nachgewiesen werden.

Bild 11: Echtzeitmessung einer Hüftgelenkprothese im Simulator.

Die Änderung der Last von 2,5 / 0,5 kN auf 3,0 / 0,3 kN bewirkt

eine Erhöhung der Verschleißrate um 66 % /30/.

161

121

Volumen 0.2 l

Detektor Detektor

Referenz

Probe

Pumpe

RMA KMA Detail des Hüftgelenk Simulators / IMA Dresden

RTM Mess System / Prothetik

Test

Gefäß

Abrieb partikel

Schmierstoffe: Isotonische

Kochsalzlösung, Aqua Dest.,

Bovine Serum

Markierte Kugel

Ve

rsc

hle

ißm

as

se [

µg]

0

5

10

15

20

25

30

35

20 40 60 80 100 120

Zyklenzahl / 1000

(0,5+- 0,05) µg / h (0,3+-0,1) µg / h Einlaufrate

F o = 3,0 kN F u = 0,3 kN

F o = 2,5 kN F u = 0,5 kN

(40 +- 14) µg /h

12

Die stärkste Verschleißrate kann in dem in Bild 11 dargestellten Testfall nachgewiesen

werden. Hier handelt es sich um eine weiche Einbettung mit den nicht exakt

aufeinander laufenden Verschleißelementen Kugel und Pfanne. Weitere Ergebnisse

sind:

Lasterhöhung kann den Verschleiß erhöhen.

Der Start/Stopp-Modus des Simulators erzeugt im Vergleich zur

kontinuierlichen Belastung höhere Verschleißraten.

Der erwartete Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf den Verschleißfortschritt

wurde anhand drei verschieden glatter Kugeln, die gemessen wurden,

festgestellt - glattere Oberflächen verringern den Verschleiß.

Ein Unterschied zwischen verschiedenen Schmiermittel (isotonische

Kochsalzlösung, Aqua Dest., Bovineserum) konnte im Rahmen der

Messgenauigkeit nicht nachgewiesen werden.

4. BahnSystemtechnik

Die Einsparmöglichkeiten von Energie und Werkstoffen, insbesondere Schmierstoffen,

haben bei der Bahn erhebliches Potential. Daher sind tribologische Untersuchungen

in der Bahntechnik unabdingbar. Der Einsatz der Radionuklidtechnik, insbesondere

auch zur Verkürzung der Mess- und damit auch der Entwicklungszeiten, bietet sich an:

In der Vergangenheit werden Verschleißprobleme folgender Baugruppen in der

Eisenbahntechnik sowohl von der Eisenbahnversuchsanstalt Minden mit

Radionuklidtechnik aus Karlsruhe /31/ als auch vom Zentralen Forschungsinstitut des

Verkehrswesens, Brandenburg-Kirchmöser unter Einsatz der Aktivierungstechnik des

ZfK Rossendorf /37/ bearbeitet:

1. Radlaufflächen,

2. Radlaufflächen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Drehgestellen,

3. Lauffläche hochbelasteter Räder - Materialverschiebung,

4. Bremsscheiben,

5. Schienen.

13

4.1. Radlaufflächen von Radsätzen aus verschiedenen Stahlsorten

Bereits gelaufene Versuchsradsätze werden ausgebaut und ihre Unrundheit

gemessen. Das Rad mit der größten Unrundheit wird so am Karlsruher Zyklotron

aktiviert, dass 14 aktivierte Punkte spiralförmig auf dem Laufflächenumfang verteilt

sind.

Die Messung erfolgt im Dünnschichtdifferenzverfahren. Die Ausgangsaktivität der

Messpunkte wird vor dem Wiedereinbau der Radsätze in den Testwagen gemessen.

Zehnmal, jeweils nach einem Laufweg von im Durchschnitt 1250 km, erfolgt die

erneute Bestimmung der Punktaktivitäten. Am Versuchsende liegt eine gefahrene

Strecke der Räder von 14025 km vor.

Bild 12: Verschleißverhalten eines speziellen Radwerkstoffs über den gesamten

untersuchten Laufweg des Rads. Die angegebenen Abriebwerte sind

Mittelwerte der Messpunkte 2 – 13. Entnommen aus /31/.

14

Ein ausgewähltes Messergebnis der Untersuchungen ist in Bild 12 dargestellt: Da es

sich um ein bereits eingelaufenes Versuchsrad handelt, ist kein Einlaufverschleiß

nachweisbar. Der Abrieb eines der untersuchten Radwerkstoffe, gemittelt über die

Messpunkte 2 bis 13, zeigt daher einen linearen Anstieg über den gesamten Laufweg.

Der spezifische Verschleiß beträgt 0,66 µm / 100km. Dies dokumentiert die

Empfindlichkeit sowie das Potential des RTM-Verfahrens für die Bahnsystemtechnik.

4.2. Drehgestelle Der Verschleiß an Radlaufflächen verschiedener Drehgestellbauarten wird mit dem

Dünnschdifferenzverfahren untersucht /32/.

Jeweils zwei der bereits eingelaufenen Versuchsräder der beiden zu vergleichenden

Drehgestelle werden am Karlsruher Zyklotron so aktiviert, dass eine für die Erfassung

des Laufflächenverschleißes ausreichende Menge an radioaktiv markierten

Messpunkten, verteilt über die kritische Lauffläche, vorhanden sind.

Nach Laufwegen von 1000 bis 2000 km wird die Aktivität der Messpunkte bestimmt.

Aus der Kalibrierung Aktivität – Aktivierungstiefe kann der Verschleiß der Lauffläche

berechnet werden, der vom Rad-Schiene-Abrieb und vom Abrieb durch die

Bremsklötze verursacht ist. Dabei wird über die auf der Lauffläche gleichmäßig

verteilten Messpunkte gemittelt.

Bild 13 zeigt in Abhängigkeit vom Laufweg den Verschleiß von zwei Rädern, die im

Drehgestell Y-621 gelaufen sind, sowie den Mittelwert der beiden Räder.

Bild 13: Verschleiß der

Räder A1 und A4 des

Drehgestells 1 (Y621)

15

Der mittlere Laufflächenverschleiß beträgt bei dem in Bild 13 dargestellten Drehgestell

2,08 µm/100km. Deutlich niedriger ist der Verschleiß bei dem Drehgestell der Bauart

2 mit einem mittlerem Laufflächenverschleiß von 1,34 µm/100km. Damit kann mit der

RTM Messtechnik eindeutig die tribologisch günstigste Konstruktion ermittelt werden.

4.3. Materialverschiebung auf der Lauffläche hochbelasteter Räder

Die Untersuchungen werden mit dem Ziel einer deutlichen Standzeitverbesserung am

Laufrad eines Containerkranes durchgeführt. Die Einsatzfähigkeit und Aussagekraft

des RTM-Verfahrens für weitere Anwendungen wird erprobt /33, 34/.

Bild 14: Kranrad in Bestrahlungsposition am Karlsruher Zyklotron.

16

In der kritischen Zone auf der Lauffläche von zwei Kranrädern werden jeweils 8

punktförmige radioaktive Markierungen durch geeignete Bestrahlung mit geladenen

Teilchen am Karlsruher Zyklotron erzeugt, Durchmesser (0,5 – 1) mm, Tiefe (0,1 –

1,2) mm, vgl. Bild 14. Als Referenz dienen auf dem nicht beanspruchten Teil des

Radkranzes erzeugte radioaktive Markierungspunkte, vgl. Bild 15.

Bild 15: Radprofil. Markierungspunkte 1 – 8 auf der beanspruchten Lauffläche der

Kranräder sowie die Referenzpunkte R auf der unbeanspruchten Fläche.

Ein auf der zu untersuchenden Fläche des Bauteils befestigter Autoradiographiefilm

bildet die Markierungspunkte ab. Zum Nachweis von Materialverschiebungen wird

nach jeweils ca. drei Wochen in der Betriebspause des Krans eine Autoradiographie

durchgeführt, um eine Verschiebung der Markierungspunkte nachzuweisen.

Die gründliche Auswertung der Messungen zeigt das Potential der RTM Messungen

für Raduntersuchungen in der Bahnsystemtechnik, hier am Beispiel von

Containerrädern:

Unterschiede in Richtung und Größe der Materialverschiebungen in einzelnen

Oberflächenabschnitten der Radlaufflächen sind in Abhängigkeit von

Betriebsdauer und Last (Anlaufverhalten) messbar.

Unterschiede zwischen einzelnen Rädern sind nachweisbar.

Abhängigkeit der Materialverschiebung von Werkstoff und Konstruktion kann

mit dem Ziel der Standzeitverlängerung und Optimierung von Konstruktion und

Werkstoffeinsatz untersucht werden.

Die Bilder 16 und 17, als ausgewählte Beispiele aus den umfangreichen

Messergebnissen, verdeutlichen in welchem Maße Materialverschiebung an den

Radprofilen auftritt:

17

Bild 16: Verschiebung des Markierungspunktes 1 von Rad 2 im Verlauf des

Kranradbetriebes bei insgesamt 2.670.000 Überrollungen.

Y bezeichnet den Abstand des Markierungspunktes vom

Referenzpunkt in axialer Richtung und X den Abstand des

Markierungspunktes von einer Verbindungslinie zwischen den

Referenzpunkten in radialer Richtung.

18

Bild 17: Verschiebung des Markierungspunktes 5 von Rad 2 im Verlauf des

Kranradbetriebes bei insgesamt 2.670.000 Überrollungen.

Y bezeichnet den Abstand des Markierungspunktes vom

Referenzpunkt in axialer Richtung und X den Abstand des

Markierungspunktes von einer Verbindungslinie zwischen den

Referenzpunkten in radialer Richtung.

19

4.4. Bremsscheiben

Der Verschleiß von Wellenbremsscheiben wird sowohl an den Scheiben als auch

hinsichtlich Materialübertrag von der Scheibe auf den Bremsbelag untersucht. Dabei

erfolgen die Verschleißmessungen im Rahmen eines Schnellfahrprogramms an einem

Reisezugwagen während die Verschleißbestimmung inklusive Materialübertrag an

einem Reibungsprüfstand durchgeführt wird /35, 36/.

Auf der Scheibe werden Markierungspunkte am Karlsruher Zyklotron erzeugt. Bild 18

zeigt eine Bremsscheibe in Bestrahlungsposition.

Bild 18: Wellenbremsscheibe in Bestrahlungsposition am Karlsruher Zyklotron.

Nach einem festgelegten Bremsweg wird im Dünnschichtdifferenzverfahren der

Materialverlust der Bremsscheibe bestimmt. Eine solche Messung ist in Bild 19

dargestellt.

20

Bild 19: Messanordnung für das Dünnschichtdifferenzverfahren.

Gut zu erkennen sind der Detektor in Messposition an der Bremsscheibe und

die Bleiabdeckungen der benachbarten radioaktiven Markierungspunkte.

Die Messungen am Reisezugwagen werden in einem Bahnbetriebswerk

jeweils nach einem bestimmten Bremsweg durchgeführt.

Im Schnellfahrprogramm wird ein spezifischer Verschleiß von ± µm pro 100 km

aufsummierten Bremsweges festgestellt.

Der Materialübertrag auf die 6 untersuchten Bremsbeläge ist in Bild 20 angegeben.

Gemessen wird auf dem Reibungsprüfstand nach dem Einschleifen und nach zwei

verschiedenen Bremsprogrammen. Dargestellt ist, dass der Materialübertrag pro

Bremsarbeit bei zwei Belägen deutlich erhöht ist. Bei diesen Belägen wurde

gleichzeitig ein höherer spezifischer Abrieb der zugehörigen Bremsscheiben

festgestellt.

Dieses Ergebnis erlaubt wesentliche Rückschlüsse für die Auswahl geeigneter

Bremsbeläge.

21

Bild 20: Spezifischer Materialübertrag von der Bremsscheibe auf den Bremsbelag.

Dargestellt ist der spezifische Verschleiß pro Bremsarbeit für die einzelnen

Beläge 1 bis 6 und für drei Messprogramme.

22

4.5. Schiene

Ziel der Verschleißmessungen an der Schiene /38, 39/ ist es, Möglichkeiten zur

Verschleißminderung zu finden, die Wirksamkeit von Veränderungen an Konstruktion

und Technologie nachzuweisen sowie Ursachen von erhöhtem Verschleiß

aufzuklären. Bei einer der Testreihen werden der Unterschied verschiedener

Lokomotiv-Baureihen auf den Seitenverschleiß des Schienenkopfes bestimmt und die

Wirkung der Spurkranzschmierung untersucht /40/.

Aufgrund der geringen Abtragsraten an der Schiene bietet sich die Radionuklidtechnik

als Verfahren an, mit dem in kurzen Zeiten zuverlässige Resultate erzielt werden

können. Am Rossendorfer Zyklotron wird durch Dünnschichtaktivierung die kritische

Zone eines Schienenstückes mit Co-56 bei einer Aktivierungstiefe von 250 µm

markiert. Die Aktivität bleibt unterhalb der 1980 gültigen gesetzlich zulässigen

Freigrenze. Somit gibt es keine strahlenschutztechnischen Einschränkungen für die

Messungen am Versuchsgleis.

Nach Einbau des aktivierten Schienenstückes in die Versuchsstrecke wird der Abtrag

nach definierten aufgebrachten (darüber gelaufenen) Zugmassen diskontinuierlich

gemessen, vgl. Bild 21 /40/.

Bild 21: Aktivitätsmessung an der

Versuchsschiene nach einer

bestimmten darüber gelaufenen

Zugmasse.

23

Folgende Ergebnisse wurden erzielt /40/:

Die einzelnen Lokomotiv-Baureihen erzeugen deutlich unterschiedliche

Verschleißgeschwindigkeiten an der Schiene.

Die Kurzzeitverschleißmessung mit radioaktiven Isotopen ist eine geeignete

Methode zur Qualitätsbeurteilung der einzelnen Fahrzeuge hinsichtlich

Verschleiß der Schienen.

Auf kurvenreichen Strecken bewirkt die Spurkranzschmierung eine wesentliche

Verschleißminderung.

5. Luftfahrttechnik

Die Untersuchung von Treibstoffpumpen einer Boeing 747 erfolgt nach Änderung des

Schaftwerkstoffes und der Zahngeometrie des Getriebes wegen mechanischer

Probleme /41/.

Die RTM Technik wird eingesetzt, weil sie eine in situ Verschleißmessung ohne

Demontage der Treibstoffpumpe erlaubt. Die kritischen Zonen der Teile werden im

Kernforschungszentrum Straßburg auf das Messnuklid Co-56 aktiviert. Die

Radioaktivitäts-/Verschleißmessungen erfolgen während der routinemäßigen

technischen Inspektionen des Flugzeuges nach jeweils 400 Flugstunden, was bei

dieser Maschine ca. 28 Kalendertagen entspricht. Wegen der quadratischen

Abhängigkeit des Messwertes vom kalibrierten Abstand aktive Zone – Detektor ist eine

sorgfältige Sicherung der Reproduzierbarkeit von in diesem Fall komplexen

Geometrieverhältnisse während der einzelnen Messungen erforderlich.

Die Tests ergeben, dass der Verschleiß der zwei untersuchten Zahnräder

vernachlässigbar gering innerhalb der Messzeit von 2500 Flugstunden ist.

Die drei Schäfte haben eine Verschleißtiefe von 2,8 – 14,1 µm pro 1000 Flugstunden.

Beim Schaft mit dem größten Verschleiß wird dieses Ergebnis durch eine

nachträgliche Profilometermessung verifiziert.

Die Arbeiten zeigen, dass das RTM Verfahren erfolgreich in der Luftfahrttechnik unter

realen Arbeitsbedingungen eingesetzt werden kann.

24

6. Modellprüfstände und RNT

Das Potential von Modellprüfständen wird durch die Kopplung mit der

Radionuklidtechnik deutlich erhöht. Die Versuchsunterbrechungen für die Bestimmung

der einzelnen Messpunkte entfallen. Verschiedene Versuchsbedingungen können im

direkten Vergleich untersucht werden. Die Messempfindlichkeit sowie die

Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verbessern sich und nicht zuletzt – Einsparung von

Versuchszeit. An drei Beispielen soll das Potential dieser Verbindung gezeigt werden:

6.1. Verschleißverhalten und Additive gemessen an einer Amslermaschine/42/

Mit einer quasikontinuierlichen Versuchseinrichtung werden der Verschleiß von Stahl

unter Schmierstoffwechsel sowie weitere Fragestellungen andere untersucht.

Die Tests erfolgen an einer Amslermaschine (vgl. auch /43/). Bild 22 skizziert den

Versuchsaufbau:

Bild 22: Versuchsanordnung mit einer Amslermaschine /42/. 1 Rolle, 2 Platte, 3 automatische Pipette, 4 Schmierstoffheizung, 5 Durchtropftrichter, 6 Gefäße für Schmierstoffproben, 7 Transporteinrichtung, 8 Thermoelemente, 9 Strahlungsdetektor

25

Aus einer Pipette tropft das Schmiermittel auf die rotierende Rolle und transportiert so

das Verschleißgut über einen Trichter in die Probengefäße. Die

Radioaktivitätsmessung der einzelnen Proben wird separat mit einem automatischen

Probenwechsler durchgeführt wodurch Störungen durch Untergrundstrahlung und

Ablagerungen im Transportsystem eingeschränkt werden. (Für diese Untersuchung

wird der Strahlungsdetektor 9 im Bild 22 nicht benötigt.)

Die ungehärtete Platte ist mit Fe-59 markiert, gegen die eine gehärtete, nicht markierte

Rolle läuft.

Nach einem Gleitweg s von 720 m erfolgt die Umschaltung des Schmiermittels von

reinem Hexadekan auf Hexadekan mit Zn-Dicyclohexyldithiophosphat (Zndtp) als

Additiv. Im Bild 23 ist der deutliche Effekt des Additivs zu erkennen: Innerhalb von 1 s

erfolgt der Übergang der Reibzahl auf einen const. niedrigen Wert, und der Verschleiß

fällt ebenfalls steil auf ein niedriges Niveau ab. Nach erneutem Wechsel des

Schmiermittels steigen sowohl Reibung als auch Verschleiß im Verlauf von 10 – 20

min. wieder an.

Bild 23 vgl. /42/:

Fe-Verschleißgeschwindigkeit der Scheibe VFe/s in mm3/m und Reibungszahl µ mit

und ohne Additiv, s bezeichnet den Gleitweg.

Bedingungen – Amslermaschine: Last = 200 N, V = 0,4 m/s, Raumtemperatur.

26

6.2 Verschleißtests an Zinkphosphatschichten mittels einer Siebel-Kehl-Maschine /44/

Aufgabe ist es, die Haltbarkeit einer Zinkphosphatschicht im Zusammenhang mit dem

Grundmaterial zu untersuchen.

Dazu wird das Verschleißverhalten der Beschichtung und der Unterlage gleichzeitig

mit der kontinuierlichen radionuklidtechnischen Verschleißmessung bestimmt.

Dafür ist eine Doppelmarkierung notwendig: Die Oberfläche des Grundkörpers wird

mit dem Radionuklid Co-57 am Tandembeschleuniger im Kernforschungszentrum

Rossendorf markiert. Die Gleitfläche wird in einem radioaktiven Phosphatierbad mit

Zn-65 markiert. Die Aktivität der Grundkörper liegt unterhalb der Freigrenze.

Die beiden Messnuklide sind so gewählt, dass sie aufgrund ihrer unterschiedlichen

Gammaenergien in einem Messlauf gut zu unterscheiden sind.

Die Verschleißprüfung erfolgt auf einem Tribometer nach dem Siebel-Kehl-Prinzip /45/,

die Aktivitätsbestimmung der Abriebteilchen mit einem modifizierten Durchfluss-

verfahren. Das Schmieröl wird dazu durch einen Filter gepumpt, der in definierten

Abständen gewechselt wird ohne das dazu ein Anhalten der Maschine notwendig

wäre. Aus der Aktivität kann über die Kalibrierkurve (Aktivität – Schichttiefe) die

Abtragstiefe bestimmt werden.

Außerdem wird der Masseverlust des Grundkörpers durch Wägung gemessen. Das

dient dem Vergleich mit der radionuklidtechnischen Methode. Die Ergebnisse sind in

den Bildern 24 und 25 dargestellt.

Bild 24 zeigt die wachsende Abtragstiefe in Abhängigkeit von Last (a) und Zeit (b). Die

Fehlerbalken wurden aus den Standardabweichungen der Mittelwerte von den

Mehrfachmessungen der Filter bestimmt. Bei der Zeitabhängigkeit ist ein deutlicher

Einlaufeffekt erkennbar.

Die hohe Verschleißfestigkeit der untersuchten Reibpaarung überrascht. Der

maximale Abtrag beträgt 1 µm.

Die Last- und Zeitabhängigkeit des Abtrags stimmt im Verlauf befriedigend mit den

konventionellen Masseverlustmessungen überein.

Bild 25 zeigt den Materialübertrag und den Gesamtschichtabtrag sowohl für die

Messung bei const. Last nach 930 min. als auch nach einer Laststeigerung bis auf 7

MPa.

Im Laststeigerungsverfahren wird mehr Material übertragen als beim Versuch mit

const. Last. Der Übertrag von Eisen aus dem Grauguss ist größer als der von Zink aus

der Phosphatschicht.

27

Bild 24 a) und b), vgl. /44/:

Abtragstiefe und Masseverlust in Abhängigkeit vom Druck (a) und von der Laufzeit (b),

○ Grauguss (Co-57); □ Zinkphosphat (Zn-65); ∆ Masseverlust.

a) Messzeit pro Messpunkt: 10 min. außer letzter Punkt: 1 Std.

b) Last: 3 MPa.

28

Bild 25, vgl. /44/: Materialübertrag

□ vom Grundkörper abgetragene Schicht, ■ auf den Gegenkörper übertragene Schicht

29

6.3 Untersuchungen zur tribologischen Wirkung von Ruß

mittels Stift-Scheibe Tribometer /45/

Antusch et al. /45/ untersuchen den tribologischen Einfluss von verschiedenem

Motorenruß mittels eines Stift-Scheibe Tribometers im Rahmen einer umfassenden

Arbeit zur tribochemischen Wirkung von Ruß in Verbrennungskraftmaschinen.

Dazu wird Ruß aus Diesel- und Ottomotoren, gewonnen unter definierten

Bedingungen, verglichen mit frischem Öl und dem gut definierten Carbon Black Öl

sowie zentrifugiertem Carbon Black Öl. Als Öl wird Fuchs Titan 5W30 eingesetzt.

Der Stift-Scheibe-Prüfstand ist über eine Ölpumpe mit der RNT-Messeinrichtung

gekoppelt, vgl. Bild 26, entnommen /45/:

Bild 26 /45/:

Schema des Verschleißprüfstandes.

Der aktivierte Stift drückt mit der Normalkraft FN gegen die rotierende Scheibe.

Eine Pumpe sorgt für einen kontinuierlichen Kreislauf des Öls aus dem Behälter zum

abgeschirmten NaI-Detektor und zurück.

Der Stift des Prüfstandes aus einsatzgehärtetem 16MnCr5 wird mit 13 MPa auf die

Scheibe, ein nitrierter Tassenstößel, gedrückt. Die Gleitgeschwindigkeit beträgt 0,3

m/s und die Öltemperatur ist auf 120°C thermostatiert. Die Testdauer ist 40 h.

30

In Bild 27, entnommen aus /45/, ist der Verschleißverlauf für alle getesteten Ölproben

dargestellt.

Bild 27 /45/:

Zeitlicher Verschleißverlauf aller getesteter Ölproben mit verschiedenem Rußgehalt,

angegeben in Gewichtsprozent (wt.%).

Frischöl und zentrifugiertes Carbon Black Öl erzeugen einen sehr geringen Verschleiß

des aktivierten Stiftes. Die Öle mit Dieselruß zeigen einen deutlichen

Einlaufverschleiß. Nach 8 -12 Stunden ist die Reibpaarung eingelaufen, und es folgt

die Phase mit const. geringer Verschleißrate. Die Öle mit Ottomotorenruß allerdings

haben einen linearen Verschleißverlauf mit const. Rate. Insgesamt bewegen sich die

Verschleißraten auf einem sehr niedrigen Niveau.

Bild 28 (entnommen aus /45/) stellt die Abhängigkeit des Gesamtverschleißes der

verschiedenen untersuchten Öle von der Rußkonzentration dar. Der Verschleiß steigt

beim Vorhandensein von Ruß im Öl signifikant an. Aber Unterschiede zwischen Ruß

aus den beiden Verbrennungsmotoren und Carbon Black bezüglich des Verschleiß-

anstiegs in Abhängigkeit von der Konzentration können nicht eindeutig zugeordnet

werden.

Daher wird die Annahme, dass neben der Rußkonzentration weitere Eigenschaften,

wie Morphologie, Oberflächenchemie und Reaktivität der Rußpartikel die

Verschleißeigenschaften wesentlich beeinflussen, in der Arbeit /45/ ausführlich

untersucht und bestätigt.

31

Bild 28 /45/:

Verschleiß in Abhängigkeit von der Rußkonzentration in den untersuchten Ölen.

Auch bei diesen Untersuchungen am Modellprüfstand gekoppelt mit

Radionuklidtechnik zeigen sich die deutlichen Vorteile:

- sehr hohe Empfindlichkeit,

- kontinuierliche berührungslose Online Messung,

- kurze Versuchszeiten.

32

Anhang: Checkliste für RTM-Anwendungen

- Verschleißproblem analysieren, Auswahl der kritischen Reibfläche

- Kleinstes demontierbares Teil der zu untersuchenden Maschine mit der

kritischen Reibfläche auswählen

- Oberflächenmaterial und gegebenenfalls Grundmaterial feststellen zur

Festlegung passender Messnuklide

- Lebensdauer der Komponente schätzen, damit eine Nuklid mit geeigneter

Halbwertszeit gewählt werden kann

- Schätzung der zu erwartenden Abtragtiefe, damit optimale Aktivierungs-

bedingungen festgelegt werden können

- Messnuklid und notwendige Aktivität, Größe der zu aktivierenden Fläche,

festlegen

- Messbedingungen untersuchen: hohe Temperaturen? extreme Vibrationen?

o. ä.

- Auswahl der optimalen Messmethode – Konzentrationsmessverfahren oder

Dünnschichtdifferenzverfahren

- Messtechnik, Versuchsausstattung auswählen unter Berücksichtigung der

speziellen Messbedingungen

- Herstellung der Bestrahlungshalterungen und gegebenenfalls

Dreheinrichtungen zur präzisen Justierung der Maschinenteile für die

Aktivierung

- Strahlenschutzvorkehrungen an der Verschleißprüfeinrichtung treffen, einfach

wegen der geringen Aktivitäten der Testteile

- Grundlagenmessungen nach der Aktivierung und vor dem eigentlichen Testlauf

der Maschine

- Transport der aktiven Teile organisieren

- Montage der Maschine

- Eigentliche Verschleißprüfung

- Grundlagenmessung am aktiven Teil nach dem Test

- Entsorgung der schwach aktiven Teile.

33

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tribochemical action of engine soot, Wear 269 (2010), p. 1-12.

36

Inhaltsverzeichnis

Tribologie und Radionuklidtechnik allgemein und am Beispiel der Motorentests 1 - 6 Anwendungsbeispiele Kältemittelkompressoren 6 - 8 Textilindustrie 8 - 9 Gelenkimplantate 10 - 12 Bahnsystemtechnik 12 - 23 Luftfahrttechnik 23 Modellprüfstände und RNT 24 – 31

Anhang: Checkliste für RTM-Anwendungen 32

Literatur 33 - 35

Danksagung

Ein besonderer Dank gilt meinem Mann Dr. Peter Fehsenfeld (†2019) für die

Unterstützung, die kritische Durchsicht und viele hilfreiche Kommentare.

Christine Fehsenfeld