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Reibung und Verschleiß

Reibung und Verschleiß

Verschleiß kann von Abrasion, Adhäsion, Kavitation, Erosion, Rotation, Vibration und wiederholtem Aufprall verursacht werden. Für den Schutz Ihrer Bauteile vor spezifischen Verschleissrisiken empfehlen wir Ihnen die richtige Beschichtungslösung.

Wenn Bauteile sich aneinander reiben, kann die entstehende Reibung das Bauteil durch Abrieb oder Überhitzung verschleißen. Verschleiß ist die unerwünschte Materialabtragung an Bauteilen durch Verschleißmechanismen (Tribologische Systeme), wie Abrasion, Adhäsion, Kavitation, Ermüdungs- und Spannungsreißen, Fraßkorrosion und Aufprall. In korrosiver Umgebung resultiert das in Tribokorrosion. Dieser synergetische Effekt kann zu rapidem Materialverlust sowie Komponenten- und damit Maschinenausfall führen. Beschichtungen können den Reibwert effektiv senken, Verschleiß verhindern und die Gleitfähigkeit erhöhen.

Abrasion

Abrasion kann sehr rasch zu Verschleiß führen. Man unterscheidet zwei Verschleißmechanismen: Bei der Zwei-Körper-Abrasion kratzt, schneidet oder spant eine raue Oberfläche eine weichere Gegenfläche. Bei der Drei-Körper-Abrasion beschädigt ein harter dritter Körper eine oder beide der gleitenden Oberflächen. Dies geschieht gewöhnlich, wenn Staub oder Schmutz zwischen die gleitenden Oberflächen gerät. Harte, fest haftende Schichten und Diffusionsschichten reduzieren diesen Verschleiß erfolgreich.

Adhäsion

Wenn Oberflächen relativ zueinander gleiten, besteht die Tendenz, dass ein Stoff auf die Gegenfläche übertragen wird. In seiner drastischsten Form führt adhäsiver Verschleiß zu Abrieb und möglichem Maschinenausfall infolge von Kaltverschweißung.

Adhäsion wird normalerweise durch die Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe und harter Oberflächen vermieden Wir bieten mit Beschichtungen und Diffusionsverfahren eine Vielzahl zielgerichteter Lösungen für spezifische Anwendungen. Für stark beanspruchte Bauteile wie Zahnräder und Getriebeteile ist das Plasmanitrieren die sinnvollste Lösung. 

Kavitation

Kavitationsverschleiß tritt an Oberflächen auf, die Flüssigkeiten ausgesetzt sind, in der mitgerissene Luftblasen an oder nahe der Oberfläche zusammenfallen. Das Zusammenfallen der Luftblasen erzeugt einen Flüssigkeitsstrahl, der die Oberfläche durch heftiges „Hämmern“ belastet.

Kavitation kann durch eine Neukonstruktion verhindert werden. Damit wird entweder die Bläschenbildung unterbunden oder das Zusammenfallen der Bläschen nahe den betroffenen Oberflächen verhindert. Beschichtungen können eine kurzfristige Entlastung vor der Neukonstruktion bewirken oder in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine Neukonstruktion nicht möglich ist.

Starker Kavitation kann mit Panzerungen aus zähen, üblicherweise Kobaltbasis-Werkstoffen, die stark arbeitshärtend sind, begegnet werden. Diese Werkstoffe werden mittels Schweissen und Schmelzverbinden aufgebracht, weil diese eine metallurgische Bindung zum Grundmaterial herstellen. Bei geringer bis schwacher Kavitation können HVOF-Schichten und Karbonitrieren den Verschleiß verringern.

Erosion

Erosion wird von Gas- oder Flüssigkeitspartikeln verursacht, die auf die Oberfläche eines Bauteils aufprallen. Der Verschleißgrad hängt stark von der Geschwindigkeit und der Härte sowie dem Auftreffwinkel ab. Diese Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn eine Oberflächenlösung entworfen werden soll.

Bei großem Aufprallwinkel wählt man elastische oder sehr dicke Beschichtungen, die durch Schweißen oder thermisches Spritzen aufgebracht werden. Bei kleinem Aufprallwinkel kommen sehr harte Schichten zum Einsatz.

Materialermüdung und Oberflächenzerrüttung

Materialermüdung und Oberflächenzerrüttung sind die Folgen wechselnder mechanischer Belastungen. An Bauteilen und Oberflächen, die permanent mechanischen Schwingungen ausgesetzt sind, kann lokal die Bildung von Rissen auftreten, welche weiter wachsen können. Dies kann zu gravierenden Schäden an Bauteilen oder zu lokaler Grübchenbildung führen, wie dies bei Zahnradflanken bekannt ist.

Am besten wird dieses Problem durch eine Neukonstruktion gelöst. Allerdings kann mit Hilfe von Diffusionsverfahren wie dem Nitrieren durch die Einbringung von Druckspannungen die Dauerfestigkeit verbessert werden. Thermische Spritzprozesse, insbesondere das HVOF Verfahren, ermöglicht Schichten mit Druckspannung, welche für extrem belastete Komponenten eingesetzt werden.

Fretting

Mit Fretting bezeichnet man die Belastung, die durch Vibration mit kleinen Amplituden und/oder durch Mikrobewegungen zweier, in Kontakt stehender Bauteiloberflächen entsteht. Oft bleiben solche Schäden lange unbemerkt. Längerfristig können diese Reibstellen zu Ermüdungsrissen führen, die besonders bei hohen Temperaturen oder in korrosiver Umgebung zum Ausfall des Bauteiles führen können.

Oerlikon Metco bietet Beschichtungen, die sich hervorragend für den Einsatz gegen Reibverschleiß eignen. Zum Beispiel werden thermisch gespritzte Kupfer-Nickel-Indium-Schichten an den Schaufelfüßen von Gasturbinen eingesetzt.

Stoßverschleiß

Ein Stoß ist das plötzliche Aufprallen eines Objekts auf ein anderes mit hoher Energie. Wiederholt sich diese Stoßbelastung, so führt sie oft zur Schwächung des Substratmaterials bis hin zu Rissen.

Für stoßresistente Beschichtungen finden harte, dicke und vor allem zähe Werkstoffe Verwendung. Diese Werkstoffe werden mittels eines Systems aufgetragen, das die Schicht mit dem Substrat metallurgisch verbindet, wie das Plasma-Auftragsschweißen (PTA) oder das thermische Spritzen.

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