Full text of DOI:10.1002/1521-4052(200008)31:8<703::AID-MAWE703>3.0.CO;2-S

Experimentelle Untersuchung der
haftungsbestimmenden Mechanismen zwischen
zwei metallischen K oÈ rpern
H. Lorenz und M. K oÈ hler
Umgebungsbedingungen. Insbesondere hat man eine Oberfl aÈ -
1
Einleitung und Zielsetzung
chenver aÈ nderung der Werkst uÈ cke durch Abbildung einer
Oxid- bzw. Zunderschicht nicht versucht zu unterdr uÈ cken.
Ziel der Forschungsarbeiten war die qualitative und quan-
titative Erfassung des Einflusses der maûgebenden Parameter
Bei der Handhabung metallischer K oÈ rper, beispielsweise
durch Greifer oder Roboter, ist die Gr oÈ ûe des Haftreibungs-
koeffizienten l0 zwischen beiden Reibpartnern von aus-
schlaggebender Bedeutung.
Welchen Wert hat nun der Haftreibungskoeffizient f uÈ r eine
konkrete Werkstoffpaarung? Welche Parameter beeinflussen
die Gr oÈ ûe von l ? L aÈ ût sich eine Vorhersage von l unter
auf die Gr oÈ ûe des Haftreibungskoeffizienten l zwischen
zwei metallischen K oÈ rpern unter besonderer Ber uÈ cksichti-
gung der Temperatur.
0
0
0
bestimmten Randbedingungen mit hinreichender Genauig-
keit durchf uÈ hren? Diese Fragestellungen bildeten die Aus-
gangsbasis unserer Untersuchungen.
2
Beschreibung des Versuchsstandes
und der Versuchsdurchf uÈ hrung
In Abb. 1.1 ist der Einfluû verschiedener Parameter auf den
Koeffizienten der Haftreibung l dargestellt. Werkstoffeigen-
schaften, wie z. B. die H aÈ rte des Materials oder geometrische
0
Die Versuchsapparatur bestand im wesentlichen aus einer
Oberfl aÈ chenkenngr oÈ ûen sowie auf mikroskopischer Ebene Einspannvorrichtung f uÈ r stabf oÈ rmige Probek oÈ rper mit qua-
Adh aÈ sionsvorg aÈ nge beeinflussen l0.
dratischem Querschnitt, die in vertikaler Lage fixiert wur-
Zum Teil uÈ ben die Parameter einen gegenseitigen Einfluû den, sowie einer Vorrichtung zur definierten Steigerung der
aufeinander aus, sodass eine separate Variation einer einzigen Ausdr uÈ ck- bzw. Tangentialkraft (siehe Abb. 2.1: Vorderan-
Kenngr oÈ ûe schwierig, wenn nicht sogar unm oÈ glich ist. Bei- sicht des Versuchsstandes mit eingespanntem Probek oÈ rper).
spielsweise hat eine Erh oÈ hung der Temperatur gleichzeitig
eine Verringerung der H aÈ rte sowie den Aufbau einer Oxid- Wirkfl aÈ chen beider Reibpartner ver aÈ ndert worden. Anf aÈ ng-
schicht zur Folge.
lich verwendete man relativ spitze Druckpilze und danach
Im Zuge der Optimierungsschritte ist die Geometrie der
Aufgrund des direkten Praxisbezugs der Untersuchungen ebene Druckbacken. Hinsichtlich einer symmetrischen Kraft-
sind die Probek oÈ rper vor Versuchsbeginn nicht gereinigt wor- uÈ bertragung und einer m oÈ glichst geringen Besch aÈ digung der
den. Desweiteren wurden die Experimente nicht unter Schutz- Oberfl aÈ chen der Probek oÈ rper durch Verformung stellten sph aÈ -
gas oder im Vakuum durchgef uÈ hrt, sondern unter ¹normalenª risch abgerundete Druckbacken (R ˆ 800) ein Optimum dar.
È
Abb. 1. Ubersicht uÈ ber den Ein-
fluû verschiedener Parameter auf
den Haftreibungskoeffizienten l0
(erhebt keinen Anspruch auf Voll-
st aÈ ndigkeit)
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 703±707 (2000)
Ó WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69451 Weinheim, 2000
0933-5137/00/0808-0703$17.50 ‡ .50/0
703

Abb. 2.2. Variationsbreiten der experimentell untersuchten Para-
meter
3
Diskussion der Versuchsergebnisse
Im Rahmen dieses Vortrages werden die Versuchsergebnis-
se f uÈ r folgende Parameter diskutiert:
±
±
Temperatur
Anpreûkraft/Normalkraft
Abb. 2.1. Vorderansicht des Versuchsstandes mit eingespanntem
Probek oÈ rper
± Steigerungsrate der Tangentialkraft
±
Oberfl aÈ chenrauhigkeit
Die tabellarische Darstellung der Ergebnisse erfolgte nach
Abbildung des arithmetischen Mittelwertes aus f uÈ nf bis zehn
Meûwerten pro Kraft bei der jeweiligen Temperatur. Offen-
sichtliche Ausreiûer sind bei der Mittelwertbildung nicht be-
r uÈ cksichtigt worden. Nach Durchf uÈ hrung umfangreicher Ver-
suchsreihen konnte die Gauû'sche Normalverteilung der Meû-
ergebnisse sowohl f uÈ r die Verteilung der Oberfl aÈ chenrauhig-
keiten als auch f uÈ r die Werte der Haftreibungskoeffizienten
nachgewiesen werden.
Die zu ermittelnden Temperaturen (zwischen RT und
00 8C) der Probek oÈ rper wurden mit einem Nickel/Chrom-
Nickel Widerstandsthermometer erfaût, und zwar zeitgleich
mit der Meûdatenerfassung der Kr aÈ fte.
6
Horizontal- und Vertikalkraft wurden pneumatisch aufge-
bracht und konnten stufenlos durch Verstellen von Ventilen
variiert werden. Personenabh aÈ ngige Fehlerquellen in bezug
auf die Art der Kraftaufbringung sowie Ableseungenauigkei-
ten wurden weitestgehend durch eine digitale, online Meûda-
tenerfassung eliminiert. Zeitgleich erfaûte man Normal- und
Ausdr uÈ ckkraft, und zwar unabh aÈ ngig davon, ob die Probe
rutschte oder nicht. Nach offensichtlichem, makroskopischen
Rutschen der Probek oÈ rper wurde der Versuch beendet, da aus-
schlieûlich der Haftreibungskoeffizient im Mittelpunkt des
Interesses stand und nicht der Gleitreibungskoeffizient.
Man hat die Normalkraft in der Regel zwischen 400 N und
3
.1 Temperatur
Bei Erw aÈ rmung von RT auf Versuchstemperaturen bis
400 8C bei Aluminiumproben (bis 600 8C bei C-Stahl-Pro-
ben) trat ein Steilanstieg im Verlauf des Koeffizienten der
Haftreibung zwischen 100 und 200 8C auf. Innerhalb dieses
Temperaturbereichs stieg l von 0,27 auf 0,72 bei Alumini-
um (von 0,20 auf 0,45 bei C-Stahl) an (siehe Abb. 3.1: und
0
È
2
000 N variiert. Einen Uberblick uÈ ber die Gr oÈ ûenordnung der
Variationsbreiten der verschiedenen Parameter gibt Abb. 2.2.
Beim Auftreffen des Ausdr uÈ ckstempels auf den Probequa-
der verhielt sich die Steigerungsrate der Tangentialkraft ana-
Abb. 3.2: Verlauf des Haftreibungskoeffizienten l f uÈ r die
0
Werkstoffpaarungen Al99 und St37 gegen C45 in Abh aÈ ngig-
keit von der Temperatur). Dieser Sprung im Verlauf des Haft-
reibungskoeffizienten trat f uÈ r alle untersuchten Normalkr aÈ fte
auf.
Den Abbildungen 3.1 und 3.2 lagen die Mittelwerte der
Reibbeiwerte f uÈ r alle untersuchten Kr aÈ fte zugrunde. Von
È
log zum Offnungsgrad des Regelventils. Der Gradient des
Kraftanstiegs f uÈ r die Vorsch uÈ be 1, 2, und 3 betrug etwa 10,
2
0 bzw. 30 N/s (siehe Abb. 2.2).
Mit Hilfe eines Hommel-Meûger aÈ tes hat man das Oberfl aÈ -
chenprofil der Proben sowie der Druckbacken im Bereich der
Kontaktfl aÈ che (und auch auûerhalb) aufgenommen und die
Oberfl aÈ chenrauhigkeit bestimmt.
200 bis 400 8C bei Al99 (bzw. 200 bis 600 8C bei C-Stahl)
lag ein nahezu konstanter Verlauf des Haftreibungskoeffizien-
ten auf h oÈ herem Niveau vor.
Die Temperaturerh oÈ hung bewirkte eine Zunahme der Ober-
fl aÈ chenrauhigkeit aufgrund der verst aÈ rkten Ausbildung der
Oxidschicht. Probequader im Anlieferungszustand aus Al99
wiesen eine durchschnittliche Rauhtiefe Rz von etwa 6 lm
704
H. Lorenz und M. K oÈ hler
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 703±707 (2000)

Abb. 3.1. Verlauf des Haftreibungskoeffizi-
enten l f uÈ r die Werkstoffpaarung Al99-C45
in Abh aÈ ngigkeit von der Temperatur
0
Abb. 3.2. Verlauf des Haftreibungskoeffizi-
enten l f uÈ r die Werkstoffpaarung St37-C45
in Abh aÈ ngigkeit von der Temperatur
0
Abb. 3.3. Verlauf des Haftreibungskoeffizi-
enten l f uÈ r die Werkstoffpaarung St37-C45
in Abh aÈ ngigkeit von Temperatur und Normal-
kraft
0
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 703±707 (2000)
Haftung
705

Abb. 3.4. Verlauf des Haftreibungskoeffizi-
enten l0 f uÈ r die Werkstoffpaarung 1.4301-
C45 in Abh aÈ ngigkeit von Temperatur und
Normalkraft (Vorschub 3)
auf, w aÈ hrend nach Aufheizen auf 400 8C die Oberfl aÈ chenrau- weichte. Durch die Aufnahme der Oberfl aÈ chenprofile vor
higkeit deutlich auf etwa 16±26 lm angestiegen war. Parallel und nach dem Versuch konnte das ¹Plattdr uÈ ckenª der ober-
dazu bewirkte eine temperaturbedingte Abnahme der Werk- sten Spitzen nachgewiesen werden. Die Kontaktstelle wurde
stoffestigkeit, besonders bei Al99, eine Beg uÈ nstigung h oÈ her- glatter und l sank, obwohl sich gleichzeitig die reale Kon-
er Haftreibungskoeffizienten, da sich die Oberfl aÈ chen von taktfl aÈ che vergr oÈ ûerte.
0
Quader und Druckbacke besser einander anpassen konnten
und die reale Kontaktfl aÈ che wuchs.
Bei dem Kurvenverlauf der Werkstoffe Edelstahl gegen C-
Stahl in Abb. 3.4 war praktisch kein Einfluû der Normalkraft
auf die Gr oÈ ûe des Koeffizienten der Haftreibung festzustellen.
3
.2 Anpreûkraft / Normalkraft
3
.3 Steigerungsrate der Tangentialkraft
In Abb. 3.3 ist der Verlauf des Haftreibungskoeffizienten l0
f uÈ r die Werkstoffpaarung St37-C45 in Abh aÈ ngigkeit von Tem-
Die Rate, mit der die Tangentialkraft erh oÈ ht wurde, beein-
peratur und Normalkraft dargestellt. Bei allen Temperaturen fluûte ebenfalls den Wert von l . Der Einfluû dieses Parame-
0
bewirkte eine Zunahme der Normalkraft lediglich einen ters war eng mit dem Versuchsaufbau verkn uÈ pft, da sich z. B.
schwach ausgepr aÈ gten Abfall des Haftreibungskoeffizien- Spiel in den Auflagern und auch das Auffederungsverhalten
ten. Bei h oÈ heren Temperaturen war die beobachtete Abnah- des Versuchsstandes auf die Meûergebnisse auswirkten.
me von l gr oÈ ûer, da das Grundmaterial zunehmend er- Abb. 3.5 zeigt den Verlauf des Haftreibungskoeffizienten l0
0
Abb. 3.5. Verlauf des Haftreibungskoeffizi-
enten l f uÈ r die Werkstoffpaarung Ni36-C45
in Abh aÈ ngigkeit von Temperatur und Steige-
rungsrate der Tangentialkraft (Vorschub 1, 2,
0
3)
706
H. Lorenz und M. K oÈ hler
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 703±707 (2000)

Abb. 3.6. Gegen uÈ berstellung des Haftrei-
bungskoeffizienten l f uÈ r die Werkstoffpaa-
0
rung 1.4301-1.4301 in Abh aÈ ngigkeit von
der Normalkraft bei Raumtemperatur und
der Oberfl aÈ chenrauhigkeit Rz der Probe
(Rz, Backe ˆ 12,34 lm)
in Abh aÈ ngigkeit von Temperatur und Steigerungsrate der Tan- durchschnittlichen Rauhtiefe Rz von etwa 6 lm, w aÈ hrend
gentialkraft. Allerdings war die Variationsbreite dieser Ein- nach Beenden der Versuchsreihe, d. h. nach einer insgesamt
fluûgr oÈ ûe nicht besonders groû (siehe Abb. 2.2).
mehrst uÈ ndigen ¹Gl uÈ hbehandlungª des Probequaders bei
Bei Ni36-Probequadern gegen C45-Backen im Tempera- Temperaturen bis zu 400 8C sich die Rauhtiefe auf etwa
turbereich zwischen 100 und 300 8C hatte eine Zunahme 21 lm erh oÈ hte. Die Referenzmessung der erkalteten, mit ei-
der Rate der Tangential- bzw. Ausdr uÈ ckkraft tendenziell ner dickeren Oxidschicht behafteten Probe ergab einen Wert
eine leichte Erh oÈ hung des Haftreibungskoeffizienten zur Fol- f uÈ r l von 0,63 bei T ˆ 50 8C.
0
È
ge. Ahnlich wie bei dem Einfluû der Normalkraft bzw. der
Fl aÈ chenpressung lieû sich jedoch nur eine relativ geringe Ver-
aÈ nderung von l ablesen.
0
4
Zusammenfassung und Ausblick
Abschlieûend l aÈ ût sich feststellen, dass viele Faktoren die
3
.4 Oberfl aÈ chenrauhigkeit
Gr oÈ ûe des Haftreibungskoeffizienten beeinflussen. Von be-
sonderem Interesse sind neben den Werkstoffkenngr oÈ ûen
die Oberfl aÈ chenparameter. Die Auswirkung einer Oxid-
schicht oder gar einer Schmierschicht auf den Haftreibungs-
koeffizienten ist sehr groû. Im Rahmen dieses Vortrags kann
man zusammenfassen, dass die Parameter Normalkraft (Fl aÈ -
chenpressung) und Steigerungsrate der Tangentialkraft eher
Unterschiedliche Gr oÈ ûen der Oberfl aÈ chenrauhigkeit zum
einen sowie grobe Riefen oder Vertiefungen zum anderen be-
wirkten eine deutliche Erh oÈ hung des Koeffizienten der Haft-
reibung (Tendenz zum Formschluû). Dagegen konnte das Ab-
platzen einer Zunderschicht, die eine gr oÈ ûere Rauhigkeit be-
saû als die Oberfl aÈ che des Ausgangswerkstoffs, zu einer deut-
lichen Absenkung des Haftreibungskoeffizienten f uÈ hren.
Besondere Beachtung verdient in Zusammenhang mit Rei-
bungsuntersuchungen die Tatsache, dass allein die Gr oÈ ûe der
Oberfl aÈ chenrauhigkeit (Ra, Rz usw.) nur bedingt aussagekr aÈ f-
tig ist. Von groûem Einfluû sind insbesondere die Auspr aÈ gung
der Rauhigkeitsspitzen (abgerundet, spitz, S aÈ gezahnprofil
usw.) [1]. Im Gegensatz zu den Erhebungen der Oberfl aÈ che
sind die ¹T aÈ lerª von untergeordneter Bedeutung [2].
Als Bezugsgr oÈ ûe f uÈ r den Einfluû der Oberfl aÈ chenrauhig-
keit ist Rz gew aÈ hlt worden, da hier der Mittelwert aus dem
senkrechten Abstand der n h oÈ chsten Spitzen und den n tief-
sten T aÈ lern von der Mittellinie einer Meûstrecke gebildet
wird.
einen untergeordneten Einfluû auf l haben. Die Einfluûfak-
0
toren Oberfl aÈ chenrauhigkeit und Temperatur bzw. Folgeer-
scheinungen der Temperaturerh oÈ hung haben eine gr oÈ ûere
Auswirkung auf den Wert des Haftreibungskoeffizienten.
Langfristig ist angestrebt, mit Hilfe numerischer Berech-
nungsmethoden die Vorhersage des Reibungsverhaltens von
metallischen Werkstoffpaarungen zu gestatten.
Literatur
1
. Myers, N.O., Characterization of surface roughness; Wear, 5
1962), S. 182±189.
(
F uÈ r die Werkstoffpaarung 1.4301±1.4301 ist f uÈ r RT der
Einfluû der Oberfl aÈ chenrauhigkeit auf die Gr oÈ ûe des Reibbei-
wertes in Abb. 3.6 dargestellt. Tendenziell lieû sich feststellen,
dass eine Oberfl aÈ che mit gr oÈ ûerer Rauhigkeit auch zu einem
2
. Ghabrial, S.R., Zaghlool, S.A., The effect of surface roughness
on static friction; Int. J. Mach. Tool Des. Res. Vol. 14 (1974), S.
299±309.
gr oÈ ûeren Wert von l f uÈ hrt.
Anschrift: H. Lorenz, M. K oÈ hler, Universit aÈ t Dortmund, Experi-
0
Bei h oÈ heren Temperaturen bzw. dickeren Oxidschichten mentelle Mechanik
war dieser Effekt noch deutlich ausgepr aÈ gter (vgl. Ausf uÈ hrun-
gen unter obigem Kapitel Temperatur). Hier lag der Wert f uÈ r Eingangsdatum: 12.4.00
l0 bei 0,28 (Werkstoffpaarung Al-CS; T ˆ 50 8C) bei einer
[T 252]
707
Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 31, 703±707 (2000)
Haftung