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Oberflächentechnik und Tribologie

Reibungsgesetze und wahre Kontaktfläche, adhäsiver und abrasiver Verschleiß, Verschleißgleichung nach Archard, Stribeck-Kurve und Schmierungszustände, Festschmierstoffe sowie Aufkohlen, Nitrieren, außenstromlose Metallabscheidung und Hartstoffschichten mit Multiple-Choice-Fragen prüfen.

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Oberflächentechnik und Tribologie: das Wichtigste

In der Tribologie, der Lehre von Reibung und Verschleiß, ist die wahre Kontaktfläche, an der sich die winzigen Rauheitsspitzen der Oberflächen berühren, der Ausgangspunkt. Die wahre Kontaktfläche entspricht der Last geteilt durch die Härte und ist weitaus kleiner als die scheinbare Fläche; das erklärt, warum die Reibungskraft proportional zur Last und unabhängig von der Kontaktfläche ist. Zum Verschleiß gehören der adhäsive Verschleiß durch Haften an den Kontaktstellen und der abrasive Verschleiß durch das Furchen harter Partikel, und seine Menge schätzt man mit der Archard-Gleichung aus Last und Gleitweg ab.

Der Schmierungszustand wechselt je nach Ölviskosität, Geschwindigkeit und Flächenpressung zwischen Grenzschmierung, Mischschmierung und Flüssigkeitsschmierung und wird mit der Stribeck-Kurve beschrieben. In der Oberflächentechnik härtet man die Randschicht von Stahl durch Einsatzhärten oder Nitrieren und erhöht die Verschleißfestigkeit durch außenstromlose Vernickelung oder Hartstoffschichten wie TiN. Entscheidend ist, das Verfahren unter Berücksichtigung des Einflusses der Behandlungstemperatur auf Gefüge und Abmessungen des Grundwerkstoffs zu wählen.

Alle Fragen zum Thema „Oberflächentechnik und Tribologie“ (15)
  1. Welche Aussage über die bei trockener Gleitreibung zwischen Metallen empirisch meist gültigen Reibungsgesetze (Amontons-Coulombsche Gesetze) trifft zu?
  2. Ein ebener Block aus Stahl (Eindringhärte H = 2,0 GPa) liegt auf einer Platte aus demselben Stahl; auf die scheinbare Kontaktfläche von 10 cm² wirkt eine Normalkraft von 1,0 kN. Alle sich berührenden Rauheitsspitzen seien plastisch verformt. Welcher Wert kommt dem Anteil der mit Ar = W/H abgeschätzten wahren Kontaktfläche an der scheinbaren Kontaktfläche am nächsten?
  3. Nach der Adhäsionstheorie (dem Ansatz von Bowden und Tabor) wird die Reibungskraft durch die Kraft zum Abscheren der Adhäsionsstellen an den wahren Kontaktpunkten bestimmt, und die Reibungszahl ist μ = s/H (s Scherfestigkeit der Adhäsionsstellen, H Eindringhärte des weicheren Werkstoffs). Welcher Wert kommt μ für s = 0,30 GPa und H = 1,8 GPa am nächsten?
  4. Welcher der folgenden Verschleißmechanismen ist adhäsiver Verschleiß?
  5. Bauteile von Baumaschinen werden durch Erdreich mit Quarzsandkörnern (Härte etwa 1000 HV) beansprucht. Welche Aussage über die Werkstoffwahl zur Verringerung des abrasiven Verschleißes trifft zu?
  6. In einem Stift-Scheibe-Versuch wird ein Stift mit der Härte H = 2,0 GPa unter einer Normalkraft von 50 N über einen Gleitweg von 1,0 km bewegt. Welche Kombination aus dem Verschleißvolumen des Stifts und der Änderung des Verschleißvolumens bei verdoppelter Last ist richtig, wenn in der Archard-Gleichung V = KWL/H der dimensionslose Verschleißkoeffizient K = 1,0×10⁻⁴ beträgt?
  7. Welche Aussage über die Stribeck-Kurve trifft zu, in der die Reibungszahl eines Gleitlagers über der Lagerkennzahl ηN/P aus Ölviskosität η, Drehzahl N und Flächenpressung P aufgetragen ist?
  8. In einem Wälzlager beträgt die minimale Schmierfilmdicke h = 0,40 µm, die quadratischen Mittenrauwerte der beiden Oberflächen sind Rq1 = 0,15 µm und Rq2 = 0,20 µm. Berechnet wird die spezifische Schmierfilmdicke λ = h/√(Rq1² + Rq2²); als Richtwerte gelten λ < 1 für Grenzreibung, 1 bis 3 für Mischreibung und über 3 für Flüssigkeitsreibung. Welche Kombination ist richtig?
  9. Ein Gleitlager mit 40 mm Innendurchmesser und 30 mm Breite trägt eine radiale Last von 1,2 kN, die Welle dreht sich mit 600 U/min. Die Flächenpressung P sei die Last geteilt durch die projizierte Fläche (Innendurchmesser × Breite) und die Gleitgeschwindigkeit v die Umfangsgeschwindigkeit der Wellenoberfläche. Welcher Wert kommt dem PV-Wert am nächsten?
  10. Warum eignet sich als Festschmierstoff für Mechanismen, die im Vakuum arbeiten, etwa in Satelliten, Molybdändisulfid (MoS₂) besser als Graphit?
  11. Ein Zahnrad aus kohlenstoffarmem Stahl (etwa 0,2 % C) wird einsatzgehärtet (aufgekohlt und gehärtet). Welche Aussage über diese Behandlung trifft zu?
  12. Welche Aussage über das Nitrieren, etwa das Gasnitrieren, von Nitrierstählen mit Al, Cr und Mo trifft zu?
  13. Welche Aussage über die außenstromlose Vernickelung (Ni-P-Schicht) trifft zu?
  14. Schneidwerkzeuge werden mit Hartstoffschichten wie TiN beschichtet. Welche Wahl des Beschichtungsverfahrens für Werkzeuge aus Hartmetall und aus Schnellarbeitsstahl (HSS) ist zweckmäßig?
  15. Die Härte einer 2,0 µm dicken TiN-Schicht soll durch Eindrücken eines Vickers-Eindringkörpers gemessen werden. Um den Einfluss des Substrats zu vermeiden, wird die Faustregel angewandt, dass die Eindringtiefe höchstens ein Zehntel der Schichtdicke betragen soll. Die Tiefe eines Vickers-Eindrucks beträgt etwa ein Siebtel der Diagonalenlänge. Welcher Wert kommt der zulässigen Obergrenze der Diagonalenlänge am nächsten?

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