Institut für Materialprüfung und Werkstofftechnik - Dr. Neubert GmbH

Das Institut besitzt verschiedene Verschleißprüfstände genormter und projektspezifischer Prüfverfahren. Die Entwicklung neuer Verschleißprüfstände und die Durchführung von Forschungsprojekten werden in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren der TU Clausthal durchgeführt, siehe auch: http://www.isaf.tu-clausthal.de/.

1. Miller-Verfahren (Dreikörperabrasivverschleiß)

Mit dem Miller-Verfahren können Abrasionsuntersuchungen mit flüssigen Zwischenmedien durchgeführt werden, als Kenngröße dient die Miller-Zahl. Diese Untersuchungsmethode ist in ASTM G75-89 festgelegt und wurde ursprünglich entwickelt, um die Abrasivität unterschiedlicher Suspensionen zu bestimmen. Vorteil dieser Versuchsanordnung ist, dass mit fast jedem körnigen Abrasivstoff und unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten mit fast jeder Flüssigkeit als Zwischenmedium gearbeitet werden kann. So sind auch Untersuchungen im saurem und alkalischem Milieu oder unter organischen Flüssigkeiten möglich. Durch die intensive Kühlung des fluiden Zwischenmediums ist ein temperaturbedingter Einfluss auf Verschleißverhalten und -mechanismus weitgehend auszuschließen. Verglichen mit den meisten anderen, fast immer sehr kurzzeitigen Verfahren kann der Millerversuch mit einem Verschleißweg von 19200 m auch als eine Art Dauerversuch angesehen werden, wodurch genauere Aussagen vom belastungszeitabhängigen Verschleißverhalten zu treffen sind. Als weiterer, sehr wichtiger Vorteil sind die genormten Versuchsbedingungen zu nennen, eine bei Verschleißuntersuchungen seltene Eigenschaft. Damit sind alle weltweit mit diesem Verfahren durchgeführten Untersuchungen wirklich vergleichbar, ein Aspekt, der in der Verschleißforschung bei der Vielzahl aller entwickelten Prüfmethoden selten anzutreffen ist.

Durch Auswertung der zeitabhängigen Verschleißraten unter Berücksichtigung des spez. Gewicht - Stichwort Miller- und SAR-Nummer, die den Verschleiß einer Probe im Verhältnis zu einer genormten Referenzprobe bestimmt - ist eine Einordnung in eine Abrasivitätsskala sowie eine Festlegung der Verschleißfestigkeit des untersuchten Werkstoffs verglichen mit einem Standardwerkstoff möglich. Der Versuch wird in 4 Zyklen à 4 Stunden durchgeführt. Nach jedem Zyklus werden die Probekörper ausgebaut, gewogen etc., das Abrasivgemisch erneuert, und die Probekörper mit entgegengesetzter Laufrichtung zur Vermeidung apparat- und kinematikbedingten einseitigen Verschleißes erneut eingebaut.

Bild 1: Prinzip des Millerversuchs

Standardmäßig wird der Versuch im Institut mit Al2O3, Körnung F220/230 entsprechend Millernummer ca. 1000, sowie Quarz, Körnung GL23, in Wasser im Verhältnis 1:1 durchgeführt. Es können bis zu 4 Proben gleichzeitig in getrennten Wannen beansprucht werden. Als Gegenkörper dient entsprechend der Norm Neopren, es können jedoch auch andere Werkstoffe jeglicher Art eingesetzt werden. Hinsichtlich der möglichen Korrosivität des Zwischenmediums sind Wannen und Probenhalter sowohl aus Metall (Aluminium) als auch aus Polymeren (PVC, PE) vorhanden. Der Versuch läuft schaltuhrgesteuert, bedarf also keiner Überwachung.

(Versuchszeit 16 Stunden)

2. Reibrad-Verfahren (Trockener Dreikörperabrasivverschleiß)

Bei diesem Prüfverfahren wird das Abrasivgut zwischen eine rotierende Scheibe und die angedrückte Probe gebracht, Bild 2. Die Scheibe kann aus Stahl, Aluminium oder gummiertem Stahl bestehen. Bei Verwendung einer Gummischeibe können die Partikel ausweichen, so dass sich eine relativ niedrige Beanspruchung ergibt. Hingegen wird bei Benutzung der metallischen Scheiben, aufgrund der niedrigen Elastizität, eine sehr hohe Beanspruchung erzeugt.

Dieses Verfahren wird aufgrund der sehr großen Beanspruchung meist zur Prüfung von Hartauftragsschweißungen sowie hochharten Werkstoffen benutzt. Jedoch ist hier Vorsicht gegenüber Temperaturerhöhungen geboten, da die Proben in der Grenzfläche durch große Wärmeentwicklung angelassen werden können. Aus diesem Grund kann mit feuchtem Abrasivgut gearbeitet werden.

Die Anlage im ISAF wurde entsprechend den Vorgaben, die in ASTM G 65-81 beschrieben sind, ausgelegt und aufgebaut. Hierbei wird ein Rad mit 229 mm Durchmesser und 12,7 mm Breite mit einer Drehzahl von 200 U/min angetrieben. Die Probe wird mit einer Normalkraft von 100 N an die Scheibe angepresst. Es wird trockener Abrasivstoff verwendet, im allgemeinen gerundeter Quarz der Größe 200 bis 425 µm, mit einer Durchflussrate von 250 bis 350 g/min.

Bild 2: Reibradverfahren

Methode A: Werkstoff mittlerer bis hoher Härte
Methode B: Kürzere Version von A
Methode C: dünne Beschichtungen
Methode D: Werkstoffe geringer Verschleißfestigkeit
Feststoffmassenstrom: 250 - 350 g/min
Feststoff: Gerundeter Quarzsand 200 - 425 µm
Reibräder: gummiert Shore Härte A58-62, Stahl, Aluminium, sonstige Werkstoffe

Bei der im ISAF aufgebauten Verschleißmaschine wird der Verschleißweg als Steuergröße direkt eingegeben. Die Hauptzeiten liegen dann zwischen 0,5 bis 30 min.

Probengröße:
1. rechteckig : 20 x 25-75 x 3-20 mm
2. mit besonderer Aufnahme Rundproben : bis Ø 18 mm
Versuchszeit (4309 m) : 30 min

3. Verschleißtopfverfahren (Dreikörperabrasivverschleiß)

Eine zylindrische Probe, bzw. rechteckige Proben auf paddelförmigen Probehaltern rotieren mittig oder exzentrisch in einem sich ebenfalls drehenden Behälter. Die Drehzahl des Behälters ist im Vergleich zu der der Probe klein. Die Probenachse liegt exzentrisch zur Behälterachse. Es herrscht überwiegend Abrasion vor.

Bild 3: Verschleißtopfverfahren

Die Verschleißintensität lässt sich durch Druck auf die Abrasivgutoberfläche oder Erhöhung der Geschwindigkeit variieren. Es können Korngrößen bis etwa 20 mm verwendet werden. Der Grad der Feuchtigkeit ist veränderbar und somit die Möglichkeit gegeben, auch tribochemische bzw. korrosive Einflüsse zu ermitteln. Bei den Versuchen ergibt sich im Allgemeinen ein erhöhter Einlaufverschleiß. Man lässt deshalb die Probenkörper solange laufen, bis sich ein über die Zeit gleichmäßiger Verschleiß, gemessen durch den Gewichtsverlust, einstellt.

Dieses Verfahren wird häufig bei der Verschleißprüfung mit losen Teilchen verwendet. Es lassen sich insbesondere auch natürliche Böden, Baustoffe also Kies feuchter Sand, Split etc. als Verschleißmittel einsetzen.

Probengröße:
Zylindrische Außenflächen bis Ø 80 mm
Rechteckproben 30 x 5-10 mm
Drehzahl n1: 600 U/min
Topf: Ø 200 x 190 mm
Beanspruchungswinkel: 0 bis 90° ( "Gleit- bis Prallverschleiß")
bei Rechteckproben Beanspruchungszeit nach kundenspezifischer Spezifikation
Rüstzeit: ca. 30 min

4.Schleifpapierverfahren (Zweikörperabrasivverschleiß)

Dieses Verfahren wird aufgrund seiner einfachen Durchführbarkeit häufig angewendet. Die Abrasivteilchen, scharfe ritzende Mineralkörner, sind auf dem Gegenkörper fest verankert (Schleifpapier) und werden in einer gleitenden Bewegung über den Probenkörper geführt. Während der Versuchsdauer sollte der Grundkörper stets über neues, unbenutztes Schleifpapier gefahren werden, Bild 4, und um seine Achse rotieren, um laufrichtungsabhängigen einseitigen Verschleißangriff zu unterbinden.

Bild 4: Schleifbandverfahren

Schleifgeschwindigkeiten: 0 bis 22 m/min
Probenrotation: bis 100 U/min
Verschleißweg (schleifbandabhängig): ca. 30 - 45 m/Band
Verschleißgut: schleifbandabhängig
Probendurchmesser: Ø 10 mm

5. Stift-Scheibe-Versuch (Gleitverschleiß bei Trockenreibung)

Bei diesem Verschleißversuch werden drei zylindrische Stifte gegen eine rotierende Scheibe, bzw. einen rotierenden Ring gepresst. Der Versuch erfolgt ungeschmiert. Der im Institut aufgebaute Prüfstand; Bild 5, entspricht einer Anordnung nach Siebel/Kehl. Während es Versuches kann durch Online-Drehmomentmessung zeitabhängig der Reibungskoeffizient µ bestimmt werden. Da sich bei dieser Prüfung die Proben relativ stark erwärmen können, insbesondere bei der hohen Gleitgeschwindigkeit oder hohen Lasten, kann mit Druckluft gekühlt werden.

Bild 5: Gleitverschleißprüfung

Verfahrensparameter:
Gleitgeschwindigkeit: VG1=2,3 m/sec / VG2=0,21 m/sec
Flächenpressung: 0,7 - 10 N/mm2 bei VG1 - 0,7 - 4 (5) N/mm2 bei VG2
Probengröße: Ø 8 x 10 - 15
Gegenkörper: nach Wahl, auch Auftragschweißungen
Verschleißweg: beliebig/ Zeit oder Wegsteuerung möglich

6. Stift-Rolle-Versuch

Bei diesem Versuch wird ein zylindrischer oder prismatischer Probekörper durch eine radial wirkende Kraft gegen eine mit konstanter Drehgeschwindigkeit rotierende Zylinderscheibe gepresst. Es entstehen an beiden Körpern unterschiedliche Beanspruchungs- und Erwärmungsverhältnisse. Abgesehen von der Einlaufphase ändert sich die nominelle Kontaktfläche im Versuch nicht. Der Versuch entspricht dem Taser-Abraser-Versuch. Es kann der Verschleiß bei trockener Gleitreibung bis 600°C und bei geschmierter Reibung bei RT ermittelt werden; Bild 6.

Bild 6: Stift-Rolle-Versuch

Verfahrensparameter:
Gleitgeschwindigkeit: VG= 0,8 - 1,3 m/sec (300 -500 U/min)
Flächenpressung: 0 - 12/7 N/mm2
Probengröße: Ø 4 x 10 - 15
Gegenkörper: nach Wahl, auch Auftragschweißungen
Verschleißweg: beliebig/ Zeit oder Wegsteuerung möglich