Tribologie Grundlagen: Wartungskosten in Stahlwerken senken

Grundlagen der Tribologie

Aufwendungen für Maschinenzustandsüberwachung und Instandhaltung machen einen erheblichen Kostenblock in einem Stahlwerk aus. Tribologie hilft, diese Ausgaben zu reduzieren. Der Begriff „Tribologie“ wurde 1966 von Dr. H. Peter Jost in England geprägt. Der „Jost Report“ an das britische Parlament wies auf potenzielle Einsparungen von über 515 Mio. £ pro Jahr durch bessere Anwendung tribologischer Prinzipien hin. Doch Tribologie ist kein neues Feld.

Tribologie leitet sich vom griechischen „tribos“ (reiben, reiben) und dem Suffix „-logie“ (Lehre) ab – also die Lehre vom Reiben bzw. „die Lehre von Dingen, die reiben“.

Tribologie ist Wissenschaft und Technologie von sich relativ bewegenden, wechselwirkenden Oberflächen. Sie umfasst die Untersuchung von (i) Reibung, (ii) Verschleiß und (iii) Schmierung (Abb. 1).

Abb. 1 Untersuchungsgegenstände der Tribologie

Tribologie ist von erheblicher Bedeutung für Material- und Energieeinsparung. Obwohl sie eine der ältesten Ingenieurdisziplinen ist, zählt sie zu den am wenigsten entwickelten klassischen Wissenschaften. Grund: Tribologie ist keine einzelne Disziplin und wird nicht durch stationäre Prozesse repräsentiert; sie involviert alle Komplexitäten der Werkstoffe.

Tribologie ist multidisziplinär: Maschinenbau (Maschinenelemente wie Lager, Getriebe), Werkstoffkunde (Verschleißfestigkeit), Oberflächentechnik (Topografie, Beschichtungen), Chemie von Schmierstoffen und Additiven. Jüngere Teilgebiete: Biologische Tribologie (z. B. Verschleiß, Reibung, Schmierung von Gelenkersatz) und Nanotribologie (Reibung und Verschleiß auf Mikro- und Nanoskala).

In jeder Maschine wirken viele Bauteile durch Reibung zusammen (Lager, Zahnräder, Nocken, Reifen, Bremsen, Kolbenringe etc.). Manchmal ist niedrige Reibung erwünscht (Energieeinsparung), manchmal hohe Reibung (Bremsen). Tribologie findet in allen Industriebereichen Anwendung, auch in der Stahlindustrie.

Durch technologischen Fortschritt werden Material- und Energieeinsparung immer wichtiger. Verschleiß ist Hauptursache für Materialverlust – jede Verschleißminderung bringt erhebliche Einsparungen. Reibung ist Hauptursache für Energieverlust – verbesserte Reibungskontrolle spart Energie. Schmierung ist das wirksamste Mittel zur Verschleißminderung und Reibungsreduzierung.

Tribologie befasst sich mit der Einführung eines Stoffes zwischen die Kontaktflächen bewegter Teile, um Reibung zu mindern und Wärme abzuleiten. Die Auswahl des optimalen Schmierstoffs und das Verständnis seines Trennmechanismus in Lagern oder anderen Maschinenelementen sind zentrale tribologische Forschungsfelder.

Reibung

Reibung ist der Widerstand der Bewegung eines Körpers an einem anderen und von höchster Bedeutung in metallverarbeitenden Prozessen. Reibung ist kein Materialparameter, sondern eine Systemantwort in Form einer Reaktionskraft. Sie hängt ab von Temperatur, Feuchte, Last, mechanischen Eigenschaften, Oberflächentopografie. Das Reibungsgesetz (Amontons-Coulomb) beschreibt den Reibungskoeffizienten µ als Verhältnis von Tangentialkraft Ft zur Normalkraft Fn: µ = Ft / Fn. Es gilt für tribologische Kontakte mit üblichen Kontaktpressungen (Coulomb-Reibung).

Bei Kontakt lässt sich Reibung in zwei Komponenten aufteilen: (i) adhäsiver Anteil (µa) und (ii) ploughing-Anteil (µp). µ = µa + µp.

• Adhäsiver Anteil – hängt von den Kontaktwerkstoffen ab, gesteuert durch adhäsive Kräfte an den echten Kontaktstellen (Asperitäten). Entsteht durch Kraft zum Brechen der Grenzflächenbindungen beim Gleiten. Die Adhäsion der beiden Festkörper hängt von der Chemie der Tribokontakte in der Gleitgrenzfläche ab.
• Ploughing-Anteil – entsteht durch Verformungskräfte beim Pflügen des weicheren Materials durch Asperitäten des härteren Materials, bezogen auf Oberflächentopografie. Auch verfestigte Verschleißpartikel in der Grenzfläche wirken ploughing-artig. Ein weiterer Teil ist die Asperitätsverformung auf Mikroebene.

Verschleißmechanismen

In tribologischen Kontakten tritt Verschleiß durch Wechselwirkung der Kontaktflächen auf – allmähliche Materialabtragung. Wie Reibung ist Verschleiß ein Systemparameter. Wichtige Mechanismen: abrasiv, adhäsiv, Ermüdung, tribo-chemisch. Meist liegt eine Kombination vor. Zwischen Reibung und Verschleiß besteht Wechselbeziehung: oft führt niedrige Reibung zu geringem Verschleiß, aber nicht generell – es gibt viele Beispiele für hohen Verschleiß trotz niedriger Reibung.

Adhäsiver Verschleiß

Schädigung beim Zusammenreiben zweier metallischer Körper ohne absichtliche abrasive Mittel. Abrasiver Verschleiß: Schädigung durch härteres Material, das von außen zwischen zwei reibende Flächen gelangt. Schweregrad abhängt von Partikelgröße/-form und Härteverhältnis. Adhäsiver Verschleiß entsteht durch Scherkontakt zwischen Asperitäten zweier Festkörper in Relativbewegung. Während des Gleitens treten elastische und plastische Verformungen der Asperitäten auf, es bildet sich ein Kontaktbereich, in dem Bindungskräfte starkes Anhaften und Aufschweißen bewirken. Adhäsiver Verschleiß tritt auf, wenn die tangentiale Relativbewegung eine Trennung im Volumen der Asperitäten des weicheren Materials bewirkt (nicht in der Grenzfläche) – Material wird entfernt.

Die echte Kontaktfläche besteht aus allen Bereichen aufgeschweißter Asperitäten. Beim Gleiten führt Materialabtrag zu messbarem Volumen- oder Gewichtsverlust. Üblicher ist die Angabe als Verschleißrate oder -koeffizient. Verschleißrate = Verschleißvolumen pro Gleitweg und Last.

Abrasiver Verschleiß

Signifikante plastische Verformung des Oberflächenmaterials, wenn eine Kontaktfläche wesentlich härter ist als die andere (Zweikörperabrasion). Abrasion tritt auch auf, wenn harte Partikel in das Tribosystem gelangen: Dreikörperabrasion (Partikel an keiner Fläche haftend) oder Zweikörperabrasion (Partikel an einer Fläche haftend). Das härtere Material kann abrasiv abgetragen werden. Scharfe, harte Asperitäten/Partikel drücken in die weichere Oberfläche → plastischer Fluss des weicheren Materials um das härtere. Tangentialbewegung → härtere Oberfläche pflügt die weichere (Rillen, Kratzer). Klassifizierung: Mikroschneiden, Mikroermüdung, Mikroausbruch. Verschleißrate analog adhäsivem Verschleiß.

Ermüdungsverschleiß

Wesentlich bei zyklisch belasteten Werkzeugen (z. B. Walzen). In belasteten Werkzeugen herrscht Druck an der Oberfläche, Schubspannungen darunter. Wiederholte Belastung erzeugt Mikrorisse, meist unterhalb der Oberfläche an Schwachstellen (Einschlüsse, Zweitphasenpartikel). Bei weiterer Be-/Entlastung wachsen Risse, Hohlräume koaleszieren. Erreicht der Riss kritische Größe, ändert er Richtung, tritt an Oberfläche aus → plättchenförmiges Partikel löst sich (Delaminationsverschleiß). Bei großen Partikeln: Spalling. Kombination aus Normallast und Gleiten verschiebt maximalen Schubspannungsbereich zur Oberfläche → Ermüdungsrisse können von Oberflächenfehlern ausgehen.

Ermüdungsverschleiß wird von vielen Variablen beeinflusst. Zur Reduzierung: externe und interne Spannungskonzentrationen vermeiden, starke Grenzfläche zwischen Matrix und Zweitphasenpartikeln sicherstellen. Beim Warmumformen: plötzliches Aufheizen → Oberflächenausdehnung → Spannungen zwischen Oberfläche und Volumen. Abkühlung induziert weitere Spannungen. Kombiniert mit Belastungsspannungen → thermische Ermüdung → mosaikartiges Rissnetz (Crazing, Fire-cracking). Ermüdung kann auch katastrophales Werkzeugversagen verursachen (z. B. kompletter Walzenbruch).

Tribo-chemischer Verschleiß

Verschleißprozess wird durch chemische Reaktionen im Kontakt dominiert, Material wird verbraucht. Umweltbedingungen in Kombination mit mechanischen Kontaktmechanismen sind entscheidend. Chemische Wirkung (Diffusion, Lösung) ist kein eigenständiger Verschleißmechanismus, sondern immer in Kombination/Interaktion mit anderen Mechanismen. Besser: mechanische Verschleißmechanismen betrachten, chemische Effekte als zusätzlichen Einflussparameter, der Werkstoffeigenschaften der Kontaktflächen ändert.

Tribofilm-Bildung

Hohe lokale Temperaturen und Drücke im Gleitkontakt führen zu lokaler Scherverformung und Bruch der Oberflächen. Lokal hohe Temperaturen können chemische Reaktionen beschleunigen oder Oberflächen lokal aufschmelzen → Verschleiß. Diese Bedingungen können aber auch Tribofilme mit neuen tribologischen Eigenschaften bilden. Meist zwei Gruppen: Transformations-Tribofilm (Umwandlung der ursprünglichen Oberfläche durch plastische Verformung, Phasenumwandlung, Diffusion ohne Materialtransfer) und Depositions-Tribofilm (nur durch Materialtransfer: Moleküle von Gegenfläche, Umgebung oder Verschleißpartikel). Oberflächentopografie, chemische Reaktivität, Adhäsion beeinflussen die Tribofilmbildung.

Schmierung

Schmierstoffe dienen primär der Senkung von Reibung (oft auch Schwingungen) und Verschleiß. Sie werden zwischen zwei sich relativ bewegende Flächen eingebracht, um Reibung zu minimieren. Auswahl und Anwendung richten sich nach den erwarteten Funktionen. Hauptfunktionen:

• Reibungskontrolle
• Verschleißkontrolle
• Temperaturkontrolle
• Korrosionskontrolle
• Entfernung von Verunreinigungen
• Abdichtung (Fett)

Reibungsminderung durch zwei Mechanismen: (1) Schmierstoff trennt Festkörper vollständig → Relativbewegung als Scherung im Schmierstoff, Reibung durch Scherwiderstand des Schmierstoffs. (2) Unvollständige Trennung → Reibungskräfte durch dünne, an den Oberflächen adsorbierte Niedrigreibungsfilme reduziert. Geringere Reibung erzeugt weniger Wärme → niedrigere Temperaturen.

Verschleißminderung durch Trennung (vollständig/teilweise) der Festkörper. Schmierstoff senkt Temperatur, führt Verschleißpartikel ab, verhindert Kontamination aus der Umgebung.

Schmierstoffrückstände können in Produktionsprozessen problematisch sein (z. B. Beeinträchtigung der Lackierung von Autokarosserien). Manchmal sind umweltschädliche Reiniger nötig. Schmierstoff selbst kann gesundheitlich/ökologisch bedenklich sein.

Schmierstoffe können flüssig oder fest sein, nicht zwingend Öl oder Fett. Auch Metalle, Oxide, Sulfide, Graphit etc. können schmieren. Gängige Typen:

• Flüssige Schmierstoffe – Mineralöle (rein, mit Additiven, synthetisch)
• Quasifeste Schmierstoffe (Fett)
• Feste Schmierstoffe

Je nach Anwendungsanforderung wird ein Typ gewählt.

Flüssige Schmierstoffe

Flüssigkeiten werden bevorzugt, da sie durch hydraulische Wirkung zwischen bewegte Teile gezogen werden. Neben Trennung wirken sie als Wärmeträger. Primäres Auswahlkriterium: minimale Viskositätsänderung mit Temperatur. Flüssige Schmierstoffe sollten generell inert gegenüber Metalloberflächen und anderen Komponenten sein.

Moderne Raffinerietechnologie ermöglicht hochwertige Grundöle aus vielfältigen Rohölen. Raffinerie stellt nur Basisölsorten verschiedener Viskosität her – für direkten Einsatz ungeeignet. Öle werden gemischt (richtige Viskosität) und additiviert (Verbesserung weiterer Eigenschaften).

Synthetische Flüssigschmierstoffe: ölige, neutrale Flüssigkeiten, nicht aus Erdöl, aber ähnliche Eigenschaften. Einsatz dort, wo Mineralöle versagen. Chemische Klassen: Diester, Organophosphatester, Silikonpolymere etc.

Wichtige Schmierstoffeigenschaften

• Spezifisches Gewicht – Verhältnis des Gewichts eines gegebenen Volumens bei 15 °C zu Wasser.
• Viskosität – Maß für Fließwiderstand. Je höher, desto größer der Widerstand. Wasser (niedrig) fließt frei, Melasse (hoch) zähflüssig. Idealer Ölfilm im Lager hängt von richtiger Viskosität zur Trennung der Metallflächen ab.
• Drehzahl & Viskosität – eng verknüpft für guten Ölfilm. Langsamere Drehzahl → höhere Viskosität (dickeres Öl) nötig. Höhere Drehzahl → dünneres Öl (niedrigere Viskosität).
• Lagerlast – Öl muss ausreichende Viskosität für tragfähigen Ölfilm haben. Technisch: Kraft, um eine 1 cm² Fläche über eine andere bei 1 cm/s zu bewegen, bei 1 cm Flüssigkeitsschicht. Einheit: Poise (absoluter Viskosität).
• Kinematische Viskosität – Quotient aus absoluter Viskosität und spezifischem Gewicht bei Messtemperatur. Einheit: Stokes. Praktisch: Ausfließzeit in Sekunden durch Standardkapillare (Saybolt-Universalsekunden bei 40 °C oder 100 °C).
• Viskositätsindex (VI) – numerischer Ausdruck der Temperaturabhängigkeit der Viskosität.
• Pourpoint – Temperatur, bei der Öl noch fließt. Zeigt Tieftemperatureignung.
• Flammpunkt – Temperatur, bei der Öldämpfe entzündbar sind. Zeigt Hochtemperatur-Eignung ohne Brandgefahr.

Raffination und Herstellung verleihen gute Eigenschaften, doch direkte Verwendung ist unmöglich. Schmieröle sind in harten Betriebsbedingungen kontaminations- und zersetzungsanfällig. Daher Additive (chemische Verbindungen). Moderne Additive lassen sich klassifizieren in: (i) Schutz des Schmierstoffs im Betrieb (Verhinderung Alterung), (ii) Schutz vor schädlichen Verbrennungsprodukten, (iii) Verbesserung bestehender oder Verleihung neuer physikalischer Eigenschaften.

Additive müssen: in Basisöl löslich, in wässrigen Lösungen unlöslich/ungenügend reaktiv, Öl nicht dunkelfärben, niedrige Volatilität, stabil beim Mischen/Lagern/Verwenden, keinen unangenehmen Geruch verleihen.

Gängige Additive und Zweck

• Antioxidant – Erhöhung Öl- und Maschinenlebensdauer, Verhinderung Oxidation
• Korrosionsinhibitor – Schutz vor chemischem Angriff auf Legierungslager und Metallflächen
• Detergenzien – Sauberkeit geschmierter Flächen
• Rostinhibitor – Verhinderung Rostbildung bei Wasser/Feuchtigkeit
• Pourpoint-Verbesserer – Tieftemperaturfließfähigkeit verbessern
• Viskositätsindex-Verbesserer – Verringerung Viskositätsänderung mit Temperatur
• Schaumhemmer – Verhinderung stabiler Schaumbildung
• EP-Additiv (Extreme Pressure) – Erhöhung Filmtragfähigkeit und Lasttragvermögen

Über 300 verschiedene Industrie- und Automotivöle, klassifiziert als: Spindelöle, Getriebeöle, allgemeine Lageröle, Elektromotoröle, Dampfzylinderöle, Turbinenöle, Verdichteröle (Luft, Kälte), Hydrauliköle, Schneidöle, Automotivöle. Jeder Typ hat spezifische Eigenschaften für seinen Einsatzzweck.

Quasifeste Schmierstoffe (Fett)

Schmierfett ist ein halbfester Schmierstoff. Meist Mineralöl mit Spezialseife (Verdicker) zu plastischem Gemisch vermischt. Additive wie bei Ölen für Sondermerkmale. Vorteile:

• Seltenere Nachschmierung → Kosteneinsparung (Schmierstoff, Wartung)
• Wirkt als Dichtung gegen Schmutz/Staub
• Tropfen und Spritzen fast eliminiert
• Günstigere Dichtungen für fettgeschmierte Lager
• Gewisse Schmierung auch bei langer Vernachlässigung
• Haftvermögen reduziert Rostgefahr in Lagern bei Stillstand

Hauptbestandteile: Seifen und Mineralöle. Seifen aus tierischen/pflanzlichen Fetten oder Fettsäuren. Zusätze: Additive, manchmal Füllstoffe für Spezialeigenschaften.

Klassifizierung nach Seifenbasis. Eigenschaften stark vom Seifentyp abhängig. Gängige Typen:

• Calciumbasis – glatt, buttrig, hoch wasserbeständig. Essbare Fette (Palm-, Baumwollsamenöl) mit gelöschtem Kalk. Benötigt Wasser als Stabilisator. Nicht über 80 °C (Zersetzung → harte, abrasive Seifenpartikel → Lagerschädigung).
• Natriumbasis – faserige Struktur, bis 120 °C, hohe Belastbarkeit bei Kugel-/Rollenlagern. Weniger wasserbeständig.
• Bariumbasis – bis 175 °C und höher, gute Wasserbeständigkeit.
• Lithiumbasis – hohe Temperaturen, exzellente Wasserbeständigkeit, auch tieftemperaturgeeignet.

Für extrem hohe Temperaturen/Lasten: Nichtseifenbasis-Fette (modifizierte Bentonite, Kieselgele mit synthetischen Flüssigkeiten). Auch Seifenbasis mit synthetischen statt mineralischen Ölen. Additive: Antioxidantien, Korrosionsinhibitoren, EP-Mittel, Rostinhibitoren, Haftadditive.

Zwei entscheidende Kenngrößen: Konsistenz (Penetration in 0,1 mm, ASTM D217, NLGI-Klassen) und Tropfpunkt (Temperatur des Übergangs von halbfest zu flüssig, ASTM D566, qualitativer Hitzewiderstandsindikator).

Feste Schmierstoffe

Dünne Festschichtfime zwischen zwei reibenden Flächen zur Reibungs- und Verschleißminderung. Bedarf wächst mit technologischem Fortschritt. Eigenschaften: niedrige Scherfestigkeit, niedrige Härte, hohe Haftung auf Substrat, Kontinuität, Selbstheilung (Film bildet sich bei Bruch sofort neu), frei von abrasiven Verunreinigungen, thermische Stabilität, chemische Inertheit. Anorganische Verbindungen: Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Bornitrid. Organische: Aluminium-, Zink-, Natrium-, Lithiumstearate, Wachse. Feste Schmierstoffe bewähren sich dort, wo konventionelle Öle unter extremen Bedingungen versagen.