ReibundVerschleiwiderstand - hochschule-technik.de

1 Reib- und Verschlei widerstandDiese beiden Werkstoffeigenschaften h ngen unmit-telbar voneinander ab. Wo starke Reibung stattfindet,ist Verschlei zu beobachten und umgekehrt. Bei tech-nischen Systemen, bei denen diese Eigenschaften dieFunktion des Bauteils wesentlich beeinflussen (z. B. inReibkupplungen und Bremsen, in Gleit- und W lz-lagern), besteht die Schwierigkeit, dass nicht alleineWerkstoffeigenschaften f r das Gesamtverhalten ver-antwortlich sind. Der Output (wie Verschlei raten,Reibungskoeffizienten, W rme) eines ,,Tribosystem ist stark von den Betriebseigenschaften abh ngig;Werkstoffeigenschaften, wie H rte und Festigkeit,Korngr e, Bruchz higkeit, Elastizit tsmodul, Tempe-raturleitf higkeit oder Korrosionsfestigkeit, wirkensich auf das Produktverhalten aus. Der Vergleichvon Tribosystemen f llt umso schwerer, da ver nderteBetriebsbedingungen zu stark abweichendem Werk-stoffverhalten f Werkstoffauswahl f r diese Systeme erfolgtdaher meist aus der Erfahrung der Unternehmenbzw.

2 Aus dem Know-how der Materialhersteller. Eswird versucht, Werkstoffdatenbanken aufzubauen,welche die Beurteilung des tribologischen Werkstoff-verhaltens anhand standardisierter Versuchsergeb-nisse erm glichen sollen (Kap. ). In der Regelwird jeder Konstrukteur aber auf eigene Verschlei -versuche zur ckgreifen, um eine ausreichende Zu-verl ssigkeit des Produkts zu gew Umfeld der Tribosysteme findet sich h ufig dieForderung nach einem bestimmten Reibwert zwischeneinem beliebigen Werkstoff und einer (ungeschmier-ten) Stahloberfl che. Als Beispiel f r m gliche Werk-stoffschaubilder zeigt das Balkendiagramm ( ), dass die Paarung mit Polytetrafluorethylen(PTFE z. B. Teflon) zu niedrigsten Reibungskoeffizien-ten f hrt, hingegen Gummi f r eine hohe Reibkraftund damit hohe Kraft bertragung messungen erm glichen die Bestimmungeines Verschlei koeffizienten (einer Verschlei inten-sit t), in dem das ber einen Verschlei weg auftre-tende Abriebvolumen ins Verh ltnis zur angreifendenNormalkraft gesetzt wird.

3 Einen berblick ber denVerschlei von Ingenieurwerkstoffen vermittelt Abbil-dung in Relation zur H rte. Niedrige Verschlei -koeffizienten zeigen Kunststoffe, Gusseisen und Bron-ze sowie technische Keramiken; viele metallischeWerkstoffe sind dagegen bei Verschlei beanspru-chung weniger gegen Stahl (trocken) 0,010, hle mit niedrigem serPSBeachte: f r Mischreibung = 0,01 bis 0,1 f r Fl ssigkeitsreibung = 0,001 bis 0,01 Abb. :Werkstoffschaubild --Verschlei festigkeit und H rte(nach Ashby 2005) Vorauswahl73 IElastizit"tsmodul E, FestigkeitrfundRelativkostenfaktor kv*Zur Beurteilung des wirtschaftlichen Aspekts verwen-det Ashby Festigkeiten und Steifigkeiten, die auf einEinheitsvolumen bezogen werden. Diese spezifischenWerkstoffkosten sind nicht nur vom Rohstoffpreis,sondern auch von anderen Faktoren, wie ben tigteMaterialmenge, Lieferkosten, Zufuhrengp ssen u. a.,abh ngig. Wie die VDI-Richtlinie 2225 (Kap.)

4 Be-dient sich Ashby eines Basiswerkstoffs (unlegierterRundstahl). Mit den Relativkostenfaktoren kv* werdenWerkstoffschaubilder generiert, die nicht laufend anW hrungs- und Preisschwankungen angepasst wer-den m vielen F llen werden Strukturwerkstoffe gesucht,die bei geringer Verformung (und demzufolge hohenElastizit tsmodulen) oder hohen Beanspruchungen(und demzufolge hohen Festigkeiten) niedrigste Bau-teilkosten realisieren. F r vergleichende Untersu-chungen geben die Abbildungen und Aus-kunft, welches Material eine kosteng nstige L sungf r die jeweilige Forderung darstellt. Es sei jedochnochmals daran erinnert, dass bei der Kostenbeurtei-lung gegebenenfalls nicht nur die Rohmaterialkosten,sondern Fertigungsaspekte oder Lebensdauerkostenzu ber cksichtigen ist festzustellen, dass Werkstoff-schaubilder auch dem weniger in Materialien ge-schulten Ingenieur einen schnellen, umfassendenund berschaubaren berblick ber alle Werkstoffeerm glichen.

5 Sie stellen damit in der Fr hphase derKonstruktion (Konzept und Entwurf) eine wesentlichpraktikablere Alternative zur L sungsfindung dar alsdie i. d. R. wenig vergleichenden, meist un bersicht-lichen Materialdaten-Tabellen. Ihre Verwendung beider Vorauswahl ist zur Identifizierung neuer Werk-stoffideen Zusammenstellung der in einem Schaubild dar-gestellten Gr en kann nur unter der Pr misse erfol-gen, dass die Produktanforderungen und die darausabgeleiteten Materialanforderungen bekannt in diesem Kapitel aufgef hrten Werkstoffschau-bilder versuchen, eine m glichst gro e Zahl an An-wendungsf llen abzudecken. Sinnvoll ist jedoch,f r den Konstruktionsfall spezifische Schaubilderzu kreieren. M glich macht dies ein Programm derH rte H in MPaVerschlei konstante ka in MPa-11010010001000010000010-1110-1010-91 0-810-710-610-510-410-610-710-510-410-3 Dimensionsloser Verschlei faktorC=ka H Polymere KeramikNichtrostender legierte St hleWerkzeugst hleSt hle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt PAPCPEPTFEPPSt hle mit mittlerem C-GehaltSt hle mit hohem C-GehaltBronzeGef llte ThermoplasteUngef llteThermoplasteAbb.

6 :Reibkoeffizient ver-schiedener Materialien mit einerungeschmierten Stahloberfl che(nach Ashby 2005)4 Such- und Auswahlprozess74 IFestigkeit f in MPa0,010,111010000,010,1110100100010000 Volumenbezogener Relativkostenfaktor kv*Sch umePolymere Kunst-stoffsch umeFlexible Kunst-stoffsch technische KeramikGusseisenWCQuarzglasSiliciumStein ZiegelABSE poxidharzeIonomersAlNNichtrostenderStahl PEEKPE|| zur Maserung zur MaserungT f1/2kv* f2/3kv* fkv*Designlinien f r Zielsetzung "Niedrige Kosten"Volumenbezogener Relativkostenfaktor kv*Elastizit tsmodul E in GPa0,010,11101000,010,11101001000E1/3kv* E1/2kv*Ekv*Designlinien f r Zielsetzung "Niedrige Kosten"Sch umePolymere MetalleTechnische Kunst-stoffsch umeFlexible Kunst-stoffsch technische KeramikGusseisenWCKalk-Natron-GlasQuarzg lasSiliciumSteinZiegelABSE poxidharzeIonomereAlNNichtrostender StahlPEEKPEPMMAP olyurethanePOM|| zur Maserung zur MaserungTElastomereAbb. :Werkstoffschau-bild -- Elastizit tsmodul E undRelativkostenfaktor kv*(nach Ashby 2005)Abb.

7 :Werkstoffschau-bild -- Festigkeitrfund Relativ-kostenfaktor kv* (nach Ashby2005) Vorauswahl75 Iten zur Verf gung. Die Mehrstofflegierung CuZn31Si1besitzt eine gute Verschlei festigkeit und hat sich f rdie Fertigung gerollter Buchsen f r den Fahrzeugbaubew hrt. hnliche Eigenschaften f r mittlere Belas-tungen bei guter Korrosionsbest ndigkeit weistCuZn38Mn1Al auf. Der Werkstoff CuZn40Mn2Fe1wird wegen seines Aussehens bevorzugt in der Archi-tektur Kupfer-Zinn-KnetlegierungenDie Eigenschaften der Kupfer-Zinn-Knetlegierungenwerden vorrangig vom Zinngehalt (nach CEN/TS13 388 k nnen sie 1,5 bis 9,0 % Zinn enthalten) undin zweiter Linie vom Zusatz weiterer Legierungsele-mente bestimmt. Diese Legierungen werden auchalsBronzeoderZinnbronzebezeichnet, f r andere Kup-ferlegierungen sollte der Begriff Bronze nicht verwen-det werden. Zum Desoxidieren wird diesen Legierun-gen in den meisten F llen Phosphor (Desoxidation si-chergestellt durch einen Restgehalt von40,01 % P)zugegeben.

8 Phosphor wird aber als Legierungselementauch bewusst zulegiert (Phosphorbronzen). Einige Le-gierungen enthalten aus wirtschaftlichen Gr nden ne-ben Zinn auch noch Zink (Tab. ).Kupfer-Zinn-Knetlegierungen werden bevorzugt f rFederb nder oder -dr hte, z. B. f r Relaisfedern undf r hochwertige Steckverbinder, f r Strom leitendeFedern, aber auch als Dr hte in der ,,Wire-Wrap-Technik eingesetzt. Des Weiteren werden meerwas-serbeanspruchte Teile (Bolzen, Rohre, Armaturenusw.) sowie Destillationsapparate, Autoklaven undR hrer bzw. viele Drahtgewebe f r Siebe und Metall-t cher aus diesen Legierungen weisen au erdem gute Gleit-eigenschaften auf. Die Legierung CuSn8 bzw. die phos-phorhaltige Variante CuSn8P haben sich als ver-schlei fester Werkstoff f r mechanisch hoch bean-spruchte, d nnwandige Lagerbuchsen bei hohen Ge-schwindigkeiten bew Kupfer-Nickel-KnetlegierungenKupfer und Nickel bilden eine l ckenlose Mischkristall-reihe, sodass theoretisch Legierungen in allen Cu-Ni-Mischungsverh ltnissen m glich sind (Tab.)

9 Diegebr uchlichen Legierungen enthalten au er Nickelmeist noch Mangan und Eisen. Ab etwa 15 % Ni sinddie Legierungen fast silberwei , etwa ab 40 % Ni istdie polierte Oberfl che kaum noch von der des Silberszu f r den Einsatz dieser Werkstoffe sindVerarbeitbarkeit, Korrosionsbest ndigkeit, Verschlei -festigkeit, gutes Tieftemperaturverhalten, Warmfes-tigkeit sowie Sicherheit gegen Spannungsrisskorrosi-on und Erm dung. Im Schiffbau und in Hafenanlagensind eisenhaltige Kupfer-Nickel-Legierungen die be-vorzugten Rohrwerkstoffe. Au erdem bieten sichTab. :Auswahl aus Kupfer-Zink- und Kupfer-Zink-Blei-Knetwerkstoffen (Fortsetzung)nach ENnachASTM(UNS)Hinweise auf Eigenschaftenund 59,0--61,5Mn 0,6--1,8Al 0,3--1,3 Zn Rest67 820kaltumformbar, mittlere Festigkeit; Einsatz alsKonstruktionswerkstoff f r GleitzweckeCuZn37-Mn3Al2 PbSiCW713 RCu 57,0--59,0Mn 1,5--3,0 Al 1,3--2,3Pb 0,2--0,8 Si 0,3--1,3Zn RestC67 400 hohe Festigkeit, Best ndigkeit gegen lkorro-sion; Konstruktionswerkstoff f r Gleitzwecke,Ventil- und Getriebeteile, SynchronringeCuZn40-Mn2Fe1CW723 RCu 56,5--58,5Mn 1,0--2,0Fe 0,5--1,5 Zn Rest67 620mittlere Festigkeit, l tbar, witterungsbest ndig;Apparatebau, Architektur, D mpferst be372II7 Kupfer und seine LegierungenBleche aus diesen Legierungen wegen ihrer Bewuchs-resistenz f r Schiffsau enhautverkleidungen an.

10 Roh-re aus CuNi10Fe1Mn werden f r Automobilbrems-leitungen eingesetzt. In der Off-Shore-Technik, derchemischen Industrie u. a. sowie in Meerwasserent-salzungsanlagen findet die Legierung :Auswahl aus Kupfer-Zinn-Knetwerkstoffennach ENnachASTM(UNS)Hinweise auf Eigenschaftenund 3,5--4,5 P 0,01--0,4Cu RestC51 100 mittlere Festigkeit, Korrosionsbest ndigkeit;Steckverbinder, Strom leitende Federn, Schrau-ben, Rohre und Beh lter f r die chemischeIndustrieCuSn6CW452 KSn 5,5--7,0 P 0,01--0,4Cu RestC51 900 gute Festigkeit, Federeigenschaften; Federn,Steckverbinder, Gewebe- und Siebdr hte(insbesondere Papierindustrie), Schlauch- undFederrohre, ApparatebauCuSn8CW453 KSn 7,5--8,5 P 0,01--0,4Cu RestC52 100 hohe Festigkeit, erh hte Abriebfestigkeit, Feder-und Gleiteigenschaften (letztere werden durchh here P-Gehalte g nstig beeinflusst);Federdr hte, Holl ndermesser, Gleitelemente,d nnwandige Gleitlagerbuchsen und -leisten,CuSn8 PCW459 KSn 7,5--8,5 P 0,2--0,4Cu RestCuSn3Zn9 CW454 KZn 7,5--10,0 Sn 1,5--3,5Cu RestC42 500 Kombination von Festigkeit mit Umformbarkeit;Steckverbinder, Federn, Membranen, KontakteTab.