Beschichtungsverfahren Anlauf,

Durch chromfreie Beschichtungsverfahren haben Zylinderstangen heute teils andere Oberflächen-Topografien. - (Bild: Trelleborg Sealing Solutions)

Die Wechselwirkung zwischen Dichtungen und ihren Gegenlaufflächen ist grundlegend für die Funktionalität von Hydrauliksystemen. Dabei muss die Beschaffenheit der Gegenlauffläche (meist der Kolbenstange), insbesondere deren Rauigkeit exakt beschrieben werden, weil diese maßgeblich die Energieeffizienz und das Verschleißverhalten der Dichtung beeinflusst.

„Wir haben in praktischen als auch theoretischen Untersuchungen unter den Aspekten Reibung und Verschleiß gezielt weitere Kennwerte wie die reduzierte Spitzenhöhe Rpk und die reduzierte Riefentiefe Rvk berücksichtigt [...].“

Mandy Wilke, Senior Management Global Technical Management bei Trelleborg Sealing Solutions

Seit dem Verbot von Chrom VI setzen Unternehmen alternative Beschichtungsverfahren wie das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) und das Laserauftragsschweißen mit Nickel- oder Kobaltlegierungen ein. Die Eigenschaften der dabei entstehenden Oberflächen-Topografien unterscheiden sich signifikant von denen der bisher gängigen Chrom-Beschichtungen.

Die Unterschiede in der Beschaffenheit der Oberfläche können die Schmierfilmbildung erheblich beeinflussen und die Leistung des Hydrauliksystems reduzieren oder optimieren. Die Empfehlungen, die Dichtungshersteller für Oberflächen heute geben, wurden meist für Chromoberflächen erarbeitet und eignen sich gegebenenfalls nicht optimal für die neuen Beschichtungsarten beziehungsweise deren Oberflächen-Topografien.

Wie beschreibt man Rauheit treffend?

Dichtwirkung Grafik, Bild Trelleborg Sealing Solutions
Die Dichtwirkung an Zylinderstangen hängt von der Dichtung ab, der Gegenlauffläche und dem Schmierstoff. - Bild Trelleborg Sealing Solutions

Durch die Rauigkeit wird die Tribologie zwischen der Gegenlauffläche, der Dichtung und dem Schmierstoff beeinflusst. Zu deren Beschreibung wird meist der Mittenrauwert Ra angegeben, der – vereinfacht ausgedrückt – den Mittelwert von Spitzen und Tiefen im Profil einer Oberfläche angibt.

Außerdem wird oft die gemittelte Rautiefe Rz angegeben. Diese ergibt sich, indem der vertikale Abstand der größten Spitze zur größten Tiefe auf fünf Segmenten der Messstrecke erfasst und der Mittelwert dieser vertikalen Abstände berechnet wird. Es handelt sich also in beiden Fällen um Mittelwerte, die nicht die Extremwerte sichtbar machen.

Die Oberflächenstruktur beeinflusst die Wirksamkeit der Schmierung.

Leckage am Zylinder,
Leckage an einem Zylinder: Zusätzliche Kennwerte helfen bei der genaueren Beschreibung der tribologischen Verhältnisse. - (Bild: kittisak-stock.adobe.com)

HVOF-Beschichtungen sind in der Regel aber hart und verändern sich im Gegensatz zu weicheren Chrom-Beschichtungen im Betrieb nicht nennenswert. Spitzen werden also durch den Betrieb deutlich weniger geglättet. Daher sind hier die Extremwerte des Rauigkeitsprofils von großer Bedeutung für die tribologischen Eigenschaften des Systems.

Mandy Wilke, Senior Management Global Technical Management bei Trelleborg Sealing Solutions erforscht seit Jahren die Zusammenhänge zwischen Oberflächenbeschaffenheit von Gegenlaufflächen und ihrer Funktion. Sie erklärt: „Wir haben in praktischen als auch theoretischen Untersuchungen unter den Aspekten Reibung und Verschleiß gezielt weitere Kennwerte wie die reduzierte Spitzenhöhe Rpk und die reduzierte Riefentiefe Rvk berücksichtigt, um die tribologischen Verhältnisse besser zu beschreiben.“

Für die Optimierung von Hydrauliksystemen mit modernen Beschichtungen empfiehlt es sich zudem, die Materialanteilkurve Rmr zu betrachten. Der Wert Rmr wird aus dem gefilterten Rauheitsprofil erstellt. Um die relevanten Kennwerte zu ermitteln, wird die Kurve in drei Bereiche eingeteilt: die reduzierte Riefentiefe Rvk, die reduzierte Spitzenhöhe Rpk sowie den Kernbereich Rk.

Durch die Angabe von Ober- und Untergrenzen kann die Topografie der mit den verschiedenen Verfahren erzeugten Beschichtungen so charakterisiert werden, dass Unterschiede, die einen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften der Gegenlaufflächen haben, auch erkennbar werden. Damit ist es Herstellern möglich, ihre Systeme besser auf die Beschaffenheit der Gegenlaufflächen abzustimmen.

Auf einen Blick

Während zur Charakterisierung von chrombeschichteten Kolbenoberflächen eine Beschreibung mit den bekannten Kennwerten wie dem Mittenrauwert Ra, der gemittelten Rautiefe Rz und dem Materialtraganteil ausreichte, erfordern die aktuellen Alternativen eine deutlich differenziertere Betrachtung. Trelleborg Sealing Solutions hat in prak­tischen und theoretischen Untersuchungen von Reibung und Verschleiß weitere Kennwerte wie die reduzierte Spitzenhöhe Rpk, die reduzierte Riefentiefe Rvk und die Materialanteilkurve Rmr berücksichtigt, um die tribologischen Verhältnisse besser zu beschreiben.

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