Urn das VerschleiSverhalten eines Walzkontaktes, der im Ma schinenbau z. B. in Walzlagern, an Zahnradern, an Reibradge trieben oder an Nocken-StoSel-Verbindungen auf tritt, besser vorhersagen zu konnen, ist es unumganglich, sich Kenntnisse tiber das physikalisch-chemische 'Geschehen' in einem Walz spalt zu verschaffen. Dabei ist neben einer Vielzahl von Para metern, die sich einstellende Schmierfilmhohe die wichtigste EinfluSgroSe. Bei elastohydrodynamischer Schmierung (EHD-Kon takt) laSt sich die theoretische minimale Schmierfilmhohe h th bei Linienkontakt nach der von DOWSON und HIGGINSON /1/ min und 1967 von DOWSON /2/ modifizierten Gleichung berechnen: In dieser Gleichung bedeuten: Filmparameter H . m nth G. oe. E' Werkstoffparameter Geschwindigkeitsparameter Belastungsparameter mit h. theoretische Spaltweite (minimale) m nth R dynamische Viskositat beim Druck von 1 bar l. 0 und Temperatur in der Einlaufzone u hydrodynamisch wirksame Geschwindigkeit 1 reduzierter Elastizitatsmodul F 23 POISSON'sche Konstante Druck-V i sko si tatskoeffizient Q auf die Zylinderrolle wirkende Kraft 1 Spal tlange s Nach den Berechnungen von DOWSON und HIGGINSON tritt in der Auslaufzone des Kontaktes eine zweite Druckspitze auf. Sie ist die Folge des rUckfedernden, elastischen Werkstoffs und bewirkt eine EinschnUrung des ansonsten nahezu parallelen SchmiersIJal tes (Bil d 1) . des Werkslotfs '''' /// / /' Drucl

Si N-pulver benotigen fur eine rasche und vollstandige Verdich- 3 4 tung beim drucklosen Sintern zusatzliche Sinterhilfsmittel, die eine Schmelzphase bilden und dadurch die Diffusionsvorgange im Sinterkorper stark beschleunigen. Sinteraktive Si N-pulver 3 4 weisen deshalb neb en einer hohen spezifischen Oberflache auch einen charakteristischen Sauerstoffgehalt auf (Bild 1), der die Bildung einer silikatischen Schmelzphase beim Sintern fordert [1]. Beim Abkuhlen erstarrt aber ein Teil der Schmelzphase als Glas zwischen den Korngrenzen, das wiederum bei hohen Einsatztempera- turen der Werkstoffe durch beschleunigtes RiBwachstum und Korn- grenzengleiten zu einem fruhzeitigen Versagen des Werkstoffs schon unter geringen Belastungen fuhrt [2]. Das Sintern von Si N-Mischkristallkeramiken bietet hingegen die 3 4 Moglichkeit, durch den Einbau einer verschwindenden tibergangs- schmelze in einen Si N-Mischkristall, dichte Werkstoffe mit nur 3 4 auBerst geringen Glasanteilen herzustellen, wodurch deutlich ver- besserte Festigkeits- und Kriecheigenschaften bei hohen Tempe- raturen zu erwarten sind [3J. Grundlegende Voraussetzung fur das Sintern von Si N-Mischkristallkeramiken und damit Schwerpunkt 3 4 in der ersten Programmphase war die Untersuchung der Phasenbe- ziehungen von Si3N4 mit den Sinterzusatzen sowie des Einflusses der Sinteratmosphare auf das Sinterverhalten und die Phasengleich- gewichte [4-6J. Auf der Basis der ermittelten Phasenbeziehungen konnen die fur Mischkristallkeramiken mit moglichst geringem Glasgehalt gunstigsten Herstellungsbedingungen und Werkstoffzu- sammensetzungen eingeengt werden.

Maschinenteile, die gleitend im Mischreibungsgebiet arbeiten, gehen im allge- meinen nach einem kurzen Einlaufbereich mit relativ hoher Verschleissrate in einen ausgedehnten Bereich niedriger Verschleissrate (Tieflage) uber. Lange Laufzeiten koennen zu AEnderungen in der tribologischen Struktur fuhren, z. B. infolge Verbrauch der Additive, Vergroesserung des Spieles, wodurch meist eine Erhoehung der Beanspruchung resultiert mit der Folge einer groesseren Verschleiss- rate. Lastspitzen und Stoerfaktoren koennen dazu beitragen, den Bereich niedrigen Verschleisses zu verkurzen. Auch bei starker tribochemischer Wirkung infolge ungunstiger Kombination von Werkstoff und OEl kann es zu einem unzulassig hohen Verschleiss mit nachfolgendem spontanen Ausfall kommen. In diesen ver- schiedenen Verschleissbereichen laufen unterschiedliche Verschleissmechanismen ab. Im Einlaufbereich wahrend der Anpassung der Gleitflachen uberwiegt die adhasiv-abrasive Wirkung, da eine Reaktionsschicht noch nicht gebildet ist und somit nicht vor metallischer Beruhrung schutzen kann. Die dabei entstehen- den Partikel koennen metallischer und oxidischer Natur sein. In Verbindung mit dem Abtragen bilden sich temperaturgesteuert Reaktionsschichten aus /1/. Hier- durch wird an besonders gefahrdeten und damit stark erwarmten Stellen durch Reaktionsschichtbi Idung ein Versagen verhindert bzw. verzoegert. Bei Walzbeanspruchung wirkt sich zusatzlich der Mechanismus der Oberflachen- zerruttung in besonderem Masse aus. Nach einer mehr oder weniger langen In- kubationsphase mit niedrigerer Verschleissrate als bei Gleitbeanspruchung bilden sich Ermudungsanrisse, die schliesslich zum Ausbrechen verschieden grosser Partikel fuhren (Grubchenbi Idung), was bei Fortschreiten zum Ausfall des Bau- teiles fuhren kann. Der Vorgang der Grubchenbildung kann auch wahrend des Einlaufvorganges auftreten, der in der Regel zum Stillstand kommt. Bei diesen Verschleissvorgangen bzw.

Nach einem Uberblick uber die Beanspruchungsarten von Werk- stoffen werden die wichtigsten Verfahren zur HersteIIung von VerschIeiB-Schutzschichten vorgestellt, wobei die Verfahrens- temperatur als Ordnungskriterium dient. Es folgt eine Zusam- mensteIIung der fur das funktionelle Verhalten von Werkstof- fen mit VerschIeiB-Schutzschichten wichtigen Eigenschaften wie chemische Zusammensetzung, Phasenzusammensetzung, Gefuge, Harte, Harteverlauf u.a .. Die Moglichkeiten der VerschIeiB- und Reibungsminderung werden anhand von Beispielen aufgezeigt. AbschIieBend wird eine ZusammensteIIung der wesentlichen Aus- wahIkriterien gegeben. 10 Gliederung Zusamrnenfassung 10 Einflihrung 12 2 Verfahren und Beschichtungsmaterialien 14 3 Eigenschaften von Stahlen mit VerschleiBschutzschichten 21 4 Systemabhangiges VerschleiBverhalten 27 5 Auswahlkri terien 33 Li terat.ur 36 11 Einflihrung VerschleiB kann in vielen Bereichen der Technik auftreten, z.B. bei der Forderung von Rohstoffen, der Bearbeitung von Werkstoffen, in den zahlreichen Tribosystemen von Verbren- nungskraftmaschinen wie Lagern, Kolben/Zylinder, Nocken/ StoBel, Ventilflihrungen u.a. bis hin zu Bewegungssystemen der Feinwerktechnik. Dabei konnen neben tribologischen Beanspruchungen uch mecha- nische und korrosive Beanspruchungen wirksam werden. Mechani- sche Beanspruchungen wirken primar im Volumen, wobei die Querschnitte nach den bekannten Regeln der Festigkeitslehre auszulegen sind. Bei Biegebeanspruchungen und insbesondere bei Wechselbiegebeanspruchungen liegt die maximale Werkstoff- anstrenqung in den Oberflachenbereichen. Auch korrosive und tribologische Beanspruchungen sind auf die Oberflache kon- zentriert (Bild 1).

Bei dem Vorhaben, an Ko1benringen eines Verbrennungsmotors den hydrodynamischen Tragantei1 durch geeignete Formgebung und Oberf1achentopographie zu optimieren, weisen die Er- kenntnisse aus dem Motoren1auf in der bewahrten Serienaus- rUstung auf schon recht ausgewogene Reibpartner hin. Die auf eine Kurbe1we11en-Umdrehung bezogenen Werte der Durch- b1asemenge, des 01verbrauchs und des Zy1inderzwicke1ver- sch1eiBes fallen mit steigender Drehzah1 Uberproportiona1 und mit der Motor1aufzeit abo Die Ergebnisse der 1abormaBig-experimente11en und theo- retischen Arbeiten haben bisher keine Grund1age fUr eine praktische Erprobung in Motoren1aufen geboten. Die Vor- untersuchungen ob1iegen dem Partner des Forschungsvorhabens und 1aufen weiter. Lassen diese erkennen, daB ein groBerer hydrodynamischer Tragantei1 zu erwarten ist, wird dies in Motoren1aufen trotz Absch1uB des BMFT-Auftrags UberprUft. Dem Partner werden die Ergebnisse fUr seinen Sch1uBbericht mitgetei1t. FUr die praktische Erprobung dient a1s Versuchstrager der Mercedes-Benz-Motor OM 403 mit 236 kW bei 2500/min, ein 10-Zy1inder-V-Motor mit Direkteinspritzung und 15,95 Liter Hubraum. tiber ausfUhr1iche Vermessungen sind die fUr die Aufgaben- ste11ung wichtigen Motorentei1e Zy1inder1aufbuchse, Ko1ben- ringe und Ko1ben sorgfa1tig ausgewah1t worden. Bei diesen untersuchungen werden der 01- und Kraftstoff- verbrauch und die Durchb1asemenge konventione11 gemessen. FUr die Versch1eiBmessungen steht die Radionuk1idtechnik (RNT) zur VerfUgung, die kontinuier1iche MeBergebnisse 1iefert.

Urn das VerschleiSverhalten eines Walzkontaktes, der im Ma- schinenbau z. B. in Walzlagern, an Zahnradern, an Reibradge- trieben oder an Nocken-StoSel-Verbindungen auf tritt, besser vorhersagen zu konnen, ist es unumganglich, sich Kenntnisse tiber das physikalisch-chemische 'Geschehen' in einem Walz- spalt zu verschaffen. Dabei ist neben einer Vielzahl von Para- metern, die sich einstellende Schmierfilmhohe die wichtigste EinfluSgroSe. Bei elastohydrodynamischer Schmierung (EHD-Kon- takt) laSt sich die theoretische minimale Schmierfilmhohe h th bei Linienkontakt nach der von DOWSON und HIGGINSON /1/ min und 1967 von DOWSON /2/ modifizierten Gleichung berechnen: In dieser Gleichung bedeuten: Filmparameter H . - m nth G. oe. DegreesE' Werkstoffparameter Geschwindigkeitsparameter Belastungsparameter mit h. - theoretische Spaltweite (minimale) m nth R - dynamische Viskositat beim Druck von 1 bar "l. 0 und Temperatur in der Einlaufzone u hydrodynamisch wirksame Geschwindigkeit 1 reduzierter Elastizitatsmodul F 23 POISSON'sche Konstante Druck-V i sko si tatskoeffizient Q auf die Zylinderrolle wirkende Kraft 1 Spal tlange s Nach den Berechnungen von DOWSON und HIGGINSON tritt in der Auslaufzone des Kontaktes eine zweite Druckspitze auf. Sie ist die Folge des rUckfedernden, elastischen Werkstoffs und bewirkt eine EinschnUrung des ansonsten nahezu parallelen SchmiersIJal tes (Bil d 1) - . des Werkslotfs - "'''""' /// / /' Drucl

Die Belage von HeiBsinter-Siebmaschinen sind infolge extremer thermischer und mechanischer Beanspruchungen einem starken Ver- schleiB unterworfen. Sie erreichen je nach den vorliegenden Be- triebsbedingungen Standzeiten von ca. 2 bis 6 Monaten. Ziel des Forschungsvorhabens "Verschl ei Bmi nderung an Hei Bsi nter-Si ebma- schinen" ist, durch konstruktive Verbesserungen und beanspru- chungsgerechte Werkstoffauswahl einen Beitrag zur Senkung der hohen Instandhaltungskosten zu leisten. Hierzu wird das Tribosystem HeiBsinter-Siebmaschine auf der Grundlage von umfangreichen Betriebsmessungen, laboruntersu- chungen und theoretischen Betrachtungen in Anlehnung an die DIN 50320 bezuglich seiner technischen Funktion, der tribologi- schen Beanspruchungen, der Struktur, der VerschleiBkenngroBen sowie der VerschleiBschwerpunkte und der Ausfallkriterien ana- lysiert. Aus der Analyse des Systemverhaltens werden Vorschlage in Bezug auf eine verschleiBmindernde Betriebsweise und eine verschleiBgerechte konstruktive Ausbildung der Belage zur Sen- kung der verschl ei Bbedi ngten Instandhal tungskosten abgel ei tet, die zum Teil im Betrieb erfolgreich erprobt wurden. Ferner wird das VerschleiBverhalten von mehreren in Betriebsversuchen ein- gesetzten Werkstoffen dem des zur Zeit ublichen Plattenwerk- stoffs gegenubergestellt. 10 Vorwort Die diesem Bericht zugrundeliegenden Arbeiten wurden mit Mit- teln des "Bundesministers fur Forschung und Technologie" und der "Europaischen Gemeinschaft fiir Kohle und Stahl" gefordert. Fur di e groBzugi ge Unterstutzung sei an di eser Stell e gedankt.

Das Prograrnm "Keramische Bautei1e ftir Fahrzeug-Gasturbinen" wird seit 1974 vom Bundesministerium ftir Forschung und Techno10gie (BMFT) in der Keramik- und Kraftfahrzeug-Industrie sowie an ver- schiedenen Forschungsinstituten gefordert mit dem Zie1, eine Gas- turbine unter Verwendung keramischer Komponenten zu entwicke1n. Bedingt durch teurer werdende Treibstoffe, groBer werden de Um- we1tverschmutzung und knapper und teurer werdende Rohstoffe sind we1tweite Bestrebungen nach der Entwick1ung a1ternativer, wirt- schaft1icher Fahrzeugantriebe zu verzeichnen. Neben E1ektroan- trieb, Stir1ingmotor und verbesserten Diese1motoren ist die Ent- wick1ung von K1eingasturbinen mit durch Erhohung der Arbeitstempe- raturen verbesserten Wirkungsgraden einer der eingesch1agenen Wege. Da aus Kostengrtinden beim Kraftfahrzeug-Antrieb eine Baute- ktih1ung ausscheidet, soll die ertragbare Bautei1temperatur durch Verwendung der keramischen Hochtemperaturwerkstoffe Si1iziumnitrid und Si1iziumkarbid erhoht werden. Im Frtihjahr 1978 wurde tiber die erste dreijahrige Forderungsphase des Prograrnms bereits auf einem Status-Seminar in Bad Neuenahr berichtet. Vortrage wurden in dem Buch "Keramische Komponenten ftir Fahrzeug-Gasturbinen" zusarnmengefaBt. Der vor1iegende zweite Tagungsband enthalt die wah rend des Status-Seminars vom 24. bis 26. November 1980 in Bad Neuenahr von den am Projekt betei1igten Firmen und Instituten geha1tenen Vortrage, we1che tiber den Stand der Entwick1ungsarbeiten nach einer sechsjahrigen Laufzeit des Projekts und tiber die Abschatzung der Zie1erreichung drei Jahre vor Prograrnmende berichten. Ausrichtung und Organisation des Seminars lagen im Auf trag des Bundesministeriumsftir Forschung und Techno10gie beim Projekttrager und Projektbeg1eiter des Prograrnms, dem Institut ftir Werkstoff- Forschung der Deutschen Forschungs- und Versuchsansta1t ftir Luft- und Raumfahrt.

Reibung und VerschleiB verursachen an Maschinen und technischen Anlagen in der Industrie erhebliche Verluste durch Minderung der Lebensdauer und des Wirkungs- grades. Weitgehend unbekannt ist der erschreckend hohe Betrag, zu dem sich hier- durch die Kosten fUr Energieaufwand, Instandhaltung, fUr Ersatzteile und Aus- fallzeiten in unserer deutschen Volkswirtschaft aufaddieren. Verscharft wird die Situation dadurch, daB die internationale Konkurrenz der deutschen Industrie Maschinenanlagen mit groBeren Leistungsdichten, erhohten Bauteilauslastungen und verbesserten Wirkungsgraden abverlangt. Mit dieser Entwicklung wachsen aber auch die durch Reibung und VerschleiB bedingten Schwierigkeiten erheblich an. Diese Erkenntnisse und die Einsparmoglichkeiten an Rohstoffen und Energie er- fordern groBe Anstrengungen, um mit den Problemen der Reibung und des Ver- schleiBes fertig zu werden. Hier kann das systematische Zusammenwirken mehrerer Wissensgebiete in dem interdisziplinaren Fach "Tribologie" einen beachtlichen Beitrag liefern. Nach Offenlegung der Situation in der Bundesrepublik Deutschland in dem BMFT- Forschungsbertcht "Tribologie" entschlol3 sich das Bundesministerium fUr Forschung und Technologie (BMFT) im Rahmen seines Rohstofforschungs-Programms zu einer schwerpunktmaBigen Forderung der Tribologie mit einer Laufzeit von zunachst 6 Jahren und einem Fordervolumen in Hohe von ca. 37 Mio DM im Rahmen der Projekttragerschaft des Instituts fUr Werkstoff-Forschung der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt fUr Luft- und Raumfahrt e. V. (DFVLR). Koln. Die Forderung begann 1978, heute werden ca. 100 Vorhaben gefOrdert.

Aus den Ergebnissen und mit der gewahlten Auswertemethode erhielt man eine Bestatigung fUr die Bestimmung der Obergangsdrehzahlen von Welle in axial durchstramten Kohlegleitlagern. Es stellte sich als richtig heraus, die elastohydrodynamische Komponente der hydrostatischen Kom- ponente zu Uberlagern. Die statistische Kontrolle der durchgefUhrten Messungen und Auswertungen ergab, daB die Werte der Standardabweichun- gen fUr das Verhaltnis derexperimentell und der rechnerisch bestimm- ten GraBen hinreichend klein ausfielen. Dies stellt die Eignungsbesta- tigung fUr die angewandte Arbeitshypothese und fUr den technisch- pragmatischen Berechnungsalgorithmus dar. Summary The results and the chosen evaluation methods verify the determination of the transition speeds of shafts in carbon journal bearings with an axial flow. It proved to be correct, to achieve the total bearing capacity by superimposing the elastic hydrodynamic component to the hydrostatic component. The statisti al check of the performed measure- ments and evaluation revealed small values for the standard deviations concerning the ratio of the experimentally obtained parameters to the calculated ones. This verifies the applicability of the used working hypothesis and the technical-pragmatical calculation algorithm.

Mit faserverstarkten Aluminiumwerkstoffen in Form dUnner Bander konnen extreme Leichtbauwerkstoffe mit mechanischen Eigenschaftswerten - Zugfestigkeiten 2 Uber 1500 N/mm und E-Modulen Uber 200.000 N/m- hergestellt werden. die frUher nicht fUr moglich gehalten wurden. Die sehr aufwendige Herstellungs- technik der Fasern und des Verbundes schlieBt jedoch eine breitere technische Anwendung dieser Werkstoffe aus KostengrUnden praktisch aus. Unter Verzicht auf Spitzenwerte mechanischer Eigenschaften sollte es aber moglich sein. bei Verwendung kostengUnstiger keramischer Fasern und einfacherer Herstellungstechnologien ein hinreichend verstarktes Aluminiumhalbzeug zu ent- wickeln. das in gewissem Umfang weiterverarbeitbar ist un dessen Herstellungskosten groBere Anwendungs- moglichkeiten zulassen.Ober einige Untersuchungen hierzu wird im Folgenden berichtet. 2 Pulvermetallurgische Verstarkung von Aluminium mit Kurzfasern Ausgehend von der Oberlegung. daB mit kurzen Fasern verstarktes Halbzeug am besten weiterverarbeitbar. d.n. umformbar sein sollte. wurden Untersuchungen zur Verstarkung von Aluminium mit Kurzfasern durchge- fUhrt. Als erste Technik zur Verbundherstellung wurde dabei die pulvermetallurgische Fasereinbringung gewahlt. 2.1 E r f r 1 D9 Als Ausgangsmaterial standen aus der Schmelze ver- dUste Kaolin- bzw. Mullitfasern (Hersteller Fa. FeldmUhle AG. Plochingen) mit etwa 50 % bzw. 70 % A120p Rest SiOp zur VerfUgung (1). Ihre Zugfestig- 2 keit betragt etwa 25000 N/mm - ihr E-Modul etwa 3 150.000 N/mm2. die Dichte etwa 3.2 g.cm- . Der Haupt- vorteil dieser Fasern war die wirtschaftlich gUnstige 29 Herstellbarkeit, die bei Erzeugung groBerer Mengen einen Preis von unter DM 50, --/kg erwarten lieB.

Seit 1974 wird vom Bundesministerium fur Forschung und Technolo- gie ein groesseres Programm in der Industrie gefoerdert, das die Ent- wicklung einer Gasturbine unter Verwendung keramischer Komponenten zum Ziel hat. Im Zuge geringer werdender Rohstoffreserven, knapper oder teurer werdender Treibstoffe und groesser werdender Umweltverschmutzung sind weltweite Bestrebungen nach der Entwicklung alternativer, wirtschaftlicher Fahrzeugantriebe zu verzeichnen. Einer der ein- geschlagenen Wege ist die Verbesserung des Wirkungsgrades von Kleingastu inen durch Erhoehung der Arbeitstemperaturen. Da aus Kostengrund'en beim Kraftfahrzeug-Antrieb eine Bauteilkuhlung aus- scheidet, soll die ertragbare Bauteiltemperatur durch Verwendung der keramischen Hochtemperaturwerkstoffe Siliziumnitrid (Bi N ) 3 4 und Siliziumkarbid (Sie) erhoeht werden. Der vorliegende Tagungsband enthalt die wahrend des Status-Semi- nars "Keramische Komponenten fur die Fahrzeug-Gasturbine" am 18. und 19. April 1978 in Bad Neuenahr gehaltenen UEbersichtsvortrage uber Hochtemperaturkeramiken und die Kraftfahrzeug-Gasturbine so- wie die Einzelvortrage der am Projekt. beteiligten Firmen uber den Stand der Entwicklungsarbeiten nach Abschluss der ersten dreijah- rigen Phase des Projekts. Ausrichtung und Organisation des Seminars lagen im Auftrag des Bundesministeriums fur Forschung und Technologie beim Projekt- trager und Projektbegleiter des Programms, dem Institut fur Werk- stoff-Forschung der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt fur Luft- und Raumfahrt.