Materialhärte – Typen, Prüfmethoden & Einheiten
Härte ist die Eigenschaft eines Materials, einer lokalen Verformung zu widerstehen. Dies ist besonders wichtig, wenn ein geeignetes Material für…
Verschleiß ist ein, der durch Kontakt entsteht. Dabei lösen sich Materialpartikel ab und der entstehende Abrieb beschleunigt diesen Vorgang zusätzlich. Die abnehmenden Maßhaltigkeiten führen zu vergrößerten Spielrä zwischen den Bauteilen. Dies resultiert in stärkeren Stößen und erhöhter Geräuschentwicklung, was die Lebensdauer Maschine erheblich verkürzt.
Verschleiß tritt unter allen Bedingungen und bei sämtlichen Materialien auf, sei es Kunststoff, Baustahl oder Edelstahl. Selbst verschleißfeste Stähle unterliegen diesen Effekten. Die geeigneten mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen können dennoch die Geschwindigkeit des Verschleißes verringern. Materialverschleiß lässt sich durch verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren überwachen, um sicherzustellen, dass das Produkt im zulässigen Betriebsbereich bleibt.
Die Mechanismen des Verschleißes sind vielfältig – sie können sowohl physikalischer als auch chemischer Natur sein. Die Ursachen lassen sich in mechanischen, korrosiven und adhäsiven Verschleiß unterteilen.
Mechanischer Verschleiß ist die unmittelbarste Form der Materialermüdung. Er tritt immer dann auf, wenn Bauteile oder Partikel aneinander reiben oder aufeinanderprallen. Infolgedessen lösen sich kleine Materialstücke, was den Prozess weiter beschleunigt.
Der verformende Einfluss kleiner Partikel oder Oberflächenunebenheiten bei Reibung führt zu abrasivem Verschleiß. Dieser tritt auf, wenn Werkstoff härter ist als der andere – das weichere Material wird dabei abgetragen. Die drei Hauptmechanismen des abrasivenleißes sind:
Abrasive Partikel können mit Schmiermitteln, aus der Luft oder als Rückstände von vorangegangenem Verschleiß in das System gelangen. Abrasiver Verschleiß ist in vielen Bereichen eine Gefahr, in denen solche Partikel vorkommen – beispielsweise in der Bergbau- und Bohrtechnik sowie in der Land- und Baumaschinenindustrie.
Erosiver Verschleiß wird durch feste Partikel in Flüssigkeiten und Gasen verursacht, die auf die Materialoberfläche prallen. Im Grunde genommen führt die kurze Gleitbewegung dieser Partikel über die Oberfläche zu deren Abnutzung. Die Effizienz des erosiven Verschleißes wird von der Geschwindigkeit, Form und Härte der Partikel bestimmt.
Der wichtigste Faktor ist jedoch der Auftreffwinkel der abrasiven Partikel auf die abgenutzte Oberfläche. Bei duktilen Werkstoffen tritt maximaler Verschleiß bei kleinen Winkeln (etwa 20°) auf. Spröde Materialien hingegen zeigen den größten Verschleiß bei großen Winkeln (etwa 90°).
Befinden sich abrasive Partikel in Flüssigkeiten, spricht man von hydro-abrasiver Erosion. Beispiele hierfür sind Mischanlagen, Reaktoren, Pumpen, Wasserturbinen usw.
Treten die gleichen Bedingungen in Gasen auf, spricht man von gas-erosivem Verschleiß. Die Auswirkungen sind beispielsweise in Belüftungssystemen, pneumatischen Förderanlagen und Flugzeugpropellern zu beobachten.
Kavitationsverschleiß tritt ausschließlich in flüssigen Medien auf. In jeder Flüssigkeit befinden sich kleine Blasen. Sinkt der Druck der Flüssigkeit unter den Sättigungsdampfdruck, vergrößern sich diese vorhandenen Blasen zunächst. Steigt der Druck dann wieder an, implodieren die Kavitationsblasen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 m/s. Dieser Vorgang kann sehr häufig auftreten, bis zu 1000 Mal pro Sekunde, und führt zu zahlreichen hydraulischen Stößen und Vibrationen.
Wenn Kavitation auf eine Metalloberfläche trifft, greift sie diese im Grunde an. Sie trägt fortlaufend kleine Materialpartikel ab und verursacht einen charakteristischen Knack- oder Rasselton. Das Auftreten solcher Geräusche in Pumpen, Rohrleitungen und ähnlichen Anlagen sollte als Warnsignal verstanden werden.
Zyklische Kontaktbelastungen führen zu Ermüdungsverschleiß. Dieser tritt auf, wenn die Belastung die Ermüdungsfestigkeit eines Werkstoffs übersteigt. Die wiederholte Beanspruchung führt zu einer verformten Oberfläche. Nach einiger Zeit entstehen Risse, und der ständige Verschleiß löst weitere Materialteile ab, was den Prozess zusätzlich beschleunigt.
Ermüdungsverschleiß tritt sowohl bei Wälz- als auch bei Gleitbewegungen auf. Deshalb benötigen bewegliche Teile eine Schmierung. Diese trennt die Komponenten durch eine dünne Schicht und reduziert die Reibung. Dennoch bleibt ein gewisser Verschleiß bestehen. Typische Schäden treten bei Lagern, Schienen, Eisenrädern usw. auf.
Eine weitere Verschleißart ist der korrosive Verschleiß, der vor allem bei eisenhaltigen Metallen häufig vorkommt. Man spricht hierbei auch von korrosiv-mechanischem Verschleiß, da mechanischer Verschleiß in Kombination mit Korrosion auftritt. Unterarten sind oxidativer Verschleiß und Reib-Korrosionsverschleiß.
Oxidativer Verschleiß ist die häufigste Form des korrosiven Verschleißes. Hierbei reagiert das Material mit Sauerstoff. Durch Reibung bildet sich eine spezielle, oxidreiche Schicht mit einer Dicke von nur 1 µm – diese wird als Film bezeichnet. Unterhalb dieses Films liegt eine deformierte Materialschicht, die sich durch eine hohe Versetzungsdichte auszeichnet.
Bei normalem oxidativem Verschleiß wird nur die Oberflächenstruktur durch mechanische Einflüsse abgetragen. Der Oxidfilm erneuert sich ständig, wodurch der Prozess kontinuierlich abläuft. Die Geschwindigkeit des oxidativen Verschleißes hängt von der Temperatur ab.
Reib-Korrosionsverschleiß entsteht an Kontaktflächen, die ständig mit kleiner Amplitude (20…30 µm) schwingen. In der Regel tritt dabei zusätzlich Korrosion auf. Das fortwährende Brechen und Neubilden der oxidierten Schicht verursacht weiteren Verschleiß. Diese Art des Verschleißes findet sich bei Lagern, Kupplungen, Zahnradeingriffen, Schraubverbindungen usw.
Eine weitere Verschleißart, allerdings ohne Untergruppen, ist der adhäsive Verschleiß (Gleiten). Hierbei haften Teilchen einer Oberfläche durch molekulare Kräfte an einer anderen Oberfläche. Dies führt dazu, dass bewegliche Teile plötzlich blockieren können, was zu einem Ausfall führen kann.
Adhäsiver Verschleiß tritt sowohl bei niedrigen (bis zu 0,6 m/s) als auch bei hohen (über 0,6 m/s) Geschwindigkeiten auf. Bei niedrigen Geschwindigkeiten übersteigt die Druckfestigkeit die Streckgrenze des Materials, und es fehlt an Schmiermitteln oder einer Oxidschicht. Bei hohen Geschwindigkeiten ist die Druckfestigkeit hoch und die Temperatur kann auf bis zu 1500 °C ansteigen. Beide Szenarien führen zu adhäsivem Verschleiß.
