Grundlagen zum Verschleiß in der Kunststoffverarbeitung

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1. Einleitung

Die Bezeichnung "Tribologie" kennzeichnet ein multidisziplinäres Arbeitsgebiet, das sich aus den drei Teilgebieten Reibung, Verschleiß und Schmierung zusammensetzt. Wissenschaftlich gesehen befasst sich die Tribologie mit Vorgängen, die an Oberflächen bzw. in oberflächennahen Bereichen von relativ zueinander bewegten Körpern ablaufen. Alle technischen Systeme, in denen Reibungs- und Verschleißprozesse ablaufen, bezeichnet man als tribologische Systeme. Die Bauteile und die stofflichen Partner, aus denen das betrachtete System besteht, bezeichnet man als die Elemente des Tribosystems. Kennzeichnend für ein tribologisches System sind zum einen Strukturgrößen wie Konstruktion, Werkstoffpaarung und Schmierung und zum anderen auf das System einwirkende äußere Beanspruchungsgrößen wie zeitlicher Verlauf der wirkenden Kräfte, Reibung, Gleitgeschwindigkeit und Temperatur. Nach DIN 50 320 werden die Elemente eines Tribosystems als Grundkörper, Gegenkörper, Zwischenstoff und Umgebungsmedium bezeichnet (Abb. 1). Sie charakterisieren mit ihren Eigenschaften und Wechselwirkungen, zu denen im Wesentlichen auch die Verschleißmechanismen gehören, die sog. Struktur eines tribologischen Systems.

Abb.1 Struktur eines tribologisches Systems.

Dabei bezeichnet man das Bauteil, dessen Verschleißverhalten von größtem Interesse ist, als Grundkörper, während der korrespondierende Reibpartner, der sowohl ein Bauteil als auch ein Stoff oder Stoffgemisch sein kann, als Gegenkörper charakterisiert wird. Der Zwischenstoff ist von seiner Funktion her nicht klar definiert. Er kann, wenn es sich z. B. um einen Schmierstoff handelt, verschleißhemmend oder aber wie im Fall von Partikeln, die als Verschmutzung in den Reibkontakt gelangen, verschleißfördernd wirken. Auch das Umgebungsmedium hat in vielen Fällen einen bedeutenden Einfluss auf den Verschleiß von Grund- und Gegenkörper. Bei den meisten tribologischen Systemen ist es die Umgebungsluft, es kann sich aber auch um Flüssigkeiten oder Gase handeln. Handelt es sich um entsprechend empfindliche Systeme, kann beispielsweise schon die Änderung von Lufttemperatur oder -feuchte deutliche Einflüsse auf das Verschleißverhalten haben.

Bei jedem Verschleißvorgang werden die von außen auf das tribologische System wirkenden Eingangsgrößen (Beanspruchungskollektiv) über die Struktur des Systems in Nutzgrößen umgewandelt, wobei Reibung und Verschleiß als Verlustgrößen auftreten. Reibung und Verschleiß sind demnach spezifische Reaktionen eines komplexen Systems. Einem Werkstoff allein kann deswegen kein bestimmter Verschleißwiderstand oder eine Reibungszahl zugeordnet werden. Solche Aussagen lassen sich immer nur für ein gesamtes tribologisches System treffen.
Um den Zusammenhang zwischen Einflussgrößen und Systemreaktionen zu beschreiben, muss das tribologische System analysiert werden. Eine Systemanalyse beginnt mit der Abgrenzung der Bauteile, deren Verschleißverhalten von Interesse ist, zu den übrigen Komponenten einer Maschine. Im zweiten Schritt wird eine Unterteilung der in der Struktur enthaltenen Bauteile und stofflichen Bestandteile in die Elemente des tribologischen Systems vorgenommen. Zur Klärung der in einer Plastifiziereinheit vorgehenden Verschleißvorgänge wird in Abschnitt 2.3. eine Systemanalyse des tribologischen Systems Kunststoffplastifiziereinheit durchgeführt.

2.Verschleiß in der Kunststoffverarbeitung

In der Kunststoffverarbeitung werden zahlreiche Fertigungsverfahren angewendet, wobei die unterschiedlichsten Verschleißvorgänge auftreten. Als Verschleiß bezeichnet man dabei nach DIN 50 320 fortschreitenden Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch tribologische Beanspruchung, d.h. durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers". Verschleiß ist keine Stoffeigenschaft, sondern eine Werkststoffpaarungseigenschaft und äußert sich im Auftreten von submikroskopischen, mikroskopischen oder makroskopischen losen Verschleißpartikeln, sowie in Stoff- und Formänderungen von Oberflächenschichten bei tribologisch beanspruchten Werkstoffen.

Der in einem speziellen Fertigungsverfahren auftretende Verschleiß resultiert immer aus einer komplexen Beanspruchung der Werkstoffoberflächen, welche sich aus mechanischen, thermischen und chemischen Komponenten zusammensetzt. Da Verschleiß in der Regel mit örtlich begrenzten hohen Energieumsätzen verbunden ist, sind besonders die sog. Urformverfahren wie Spritzgießen und Extrudieren von Verschleißschäden betroffen. Technische Verschleißvorgänge sind dadurch gekennzeichnet, dass unter den herrschenden Betriebsbeanspruchungen meistens mehrere Verschleißmechanismen in gekoppelter Form auftreten und sich gegenseitig synergistisch verstärken. Dies ist für die Lebensdauer von Werkzeugen und Bauteilen und damit für die Wirtschaftlichkeit eines Fertigungsverfahrens von großer Bedeutung. Hieraus ergibt sich eine direkte Zielvorgabe für die Verschleißforschung: Verschleiß durch Entwicklung und Auswahl von geeigneten Werkstoffen und Schutzschichten weitgehend zu unterbinden oder wenigstens zu minimieren.

2.1.Verschleißarten

Die Unterscheidung der Verschleißvorgänge nach der Art der tribologischen Beanspruchung und der beteiligten Stoffe wird durch die Definition verschiedener Verschleißarten möglich. Hauptkriterien für die Einteilung sind dabei die vier Elementar-Bewegungsformen Gleiten, Rollen, Stoßen und Strömen. Durch die Kombination der am Verschleiß beteiligten Elemente mit der Bewegungsform erhält man die Verschleißart, die häufig zu einer kurzen Kennzeichnung des Verschleißvorgangs benutzt wird. Mit diesem Gliederungsprinzip wird versucht, die unübersehbare Vielfalt von Tribosystemen in einzelne Systemgruppen zusammenzufassen. Der übergeordnete Charakter dieses Gliederungsprinzips ist daran zu erkennen, dass bei gleicher Verschleißart verschiedene Verschleißmechanismen allein oder in Kombination miteinander auftreten können.

Besonders schwierig wird die Einordnung von praktischen Verschleißfällen, wenn mehrere Verschleißarten und -mechanismen miteinander kombiniert auftreten.

2.2.Verschleißmechanismen

Alle Verschleißvorgänge können als Wechselwirkungen der an einem tribologischen System beteiligten Elemente (Werkstoffe, Zwischenstoff und Umgebungsmedium) mit dem von außen wirkenden Beanspruchungskollektiv aufgefasst werden. Welche speziellen Wechselwirkungen dabei in einem betrachteten System auftreten, hängt von den Eigenschaften aller beteiligten Komponenten ab. Nach DIN 50 320 lassen sich Verschleißschäden in Abhängigkeit von den beim Verschleißvorgang ablaufenden physikalisch-chemischen Prozessen verschiedenen Hauptmechanismen zuordnen.

• Abrasion (Mikrozerspanung)
  • Bildung von losen Verschleißpartikeln infolge ritzender Beanspruchung durch harte Pigmente, Füllstoffe oder Verstärkungsmittel in der Formmasse.
• Adhäsion (Kaltverschweißungen, Fressen)
  • Metallischer Kontakt zwischen Grund- und Gegenkörper und infolgedessen Bildung von adhäsiven Haftverbindungen mit nachfolgender Abscherung von Werkstoffpartikeln aus den aufeinandergleitenden Werkstoffoberflächen.
• Oberflächenzerrüttung (Ermüdungsverschleiß)
  • Abtrennung von mikroskopischen und makroskopischen Teilchen aus der Werkstoffoberfläche durch triboinduzierte Ermüdung und Rissbildung in Oberflächenbereichen von Grund- und Gegenkörper bei mechanischer oder thermischer Wechselbeanspruchung
• Tribochemische Reaktionen (Schichtverschleiß)
  • Chemische Reaktion von Werkstoffoberflächen mit Bestandteilen der Formmasse oder des Umgebungsmediums infolge tribologisch bedingter Aktivierung unter Bildung von Reaktionsprodukten oder -schichten.

Neben diesen Mechanismen tritt zusätzlich noch Korrosionsverschleiß auf. Die Korrosion ist in DIN 50 320 nicht enthalten, weil diese auch in ruhenden Systemen, d. h. ohne jede Relativbewegung der Elemente eines Tribosystems, auftreten kann. Nach DIN 50 900 ist Korrosion die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion dieses Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. In der Kunststoffverarbeitung wird Korrosion hauptsächlich durch den chemischen Angriff des verarbeiteten Kunststoffs bzw. durch dessen Abbauprodukte auf die metallische Werkstoffoberfläche oder durch bei der Verarbeitung korrosiv wirkender Additive, wie z.B. Flammschutzmittel, verursacht.

2.3.Das tribologische System Kunststoff-Plastifiziereinheit

Die Konfektionierung von Thermoplasten zu Formmassen sowie deren Verarbeitung zu Halbzeugen und Fertigteilen erfolgt heute zum überwiegenden Teil mit Extrudern und Spritzgießmaschinen. Bei diesen Maschinen findet die Förderung, Homogenisierung und Plastifizierung der Kunststoff-Formmasse in Schnecken / Zylindersystemen, den sog. Plastifiziereinheiten, statt. Aber auch die auf anderen Maschinen verarbeiteten Formmassen sind vorher schon durch solche Systeme aufbereitet worden. In erster Näherung durchlaufen die meisten Kunststoffrohstoffe mindestens einmal eine Plastifiziereinheit. Will man das dieser Art der Verarbeitung zu Grunde liegende Tribosystem Kunststoff-Plastifiziereinheit näher charakterisieren, so ist es zunächst sinnvoll, eine Plastifiziereinheit als Ganzes zu betrachten. Von der losen, mit Luft durchsetzten Schüttung im Einfülltrichter über die kompaktierte Formmasse im Feststoffbereich, den zweiphasigen Zustand Feststoff-Schmelze in der Umwandlungszone bis hin zur plastifizierten Formmasse in der Ausstoßzone und im Werkzeug, treten in einer Plastifiziereinheit sehr unterschiedliche Betriebs- und Stoffzustände auf Charakteristisches Merkmal dieser Art der Kunststoffverarbeitung ist es, dass die Formmasse beim Durchgang durch die Plastifiziereinheit ihre physikalischen Eigenschaften und damit auch ihre den Fördervorgang bestimmenden tribologischen Eigenschaften gravierend verändert. Das auf die Elemente des Tribosystems Kunststoff-Plastifiziereinheit wirkende Beanspruchungskollektiv wird damit stark ortsabhängig. Entsprechend dieser verfahrenstechnisch komplexen Situation lassen sich die bei der Verarbeitung stattfindenden verschleißrelevanten Vorgänge nur deuten, wenn man die Plastifiziereinheit in verschiedene Verarbeitungszonen (Einzugs-, Umwandlungs-, Ausstoßzone) unterteilt. Werden die Grenzen des jeweils betrachteten tribologischen Teilsystems so eng gefasst, dass die Verfahrensparameter näherungsweise als konstant angesehen werden können, so lassen sich die stattfindenden Verschleißvorgänge einzelnen Zonen zuordnen. In Abhängigkeit von der Wirkfläche zwischen Schnecke und Zylinder lassen sich die auftretenden Verschleißschäden weiterhin zwei Tribosystemen zuordnen:

• Schneckenkanal / freie Zylinderwand
• Schneckensteg / korrespondierender Teil der Zylinderwand

Eine komplette Zusammenstellung der in einer Plastifiziereinheit möglichen Verschleißarten und -mechanismen bietet Bild 2. In den anderen Broschüren wird auf die Verschleißvorgänge in diesen Tribosystemen näher eingegangen.

Bild 2: Bei der Kunststoffverarbeitung mögliche Verschleißarten und -mechanismen