Logo PTB

Temperaturen und Funkenentstehung bei Trockenreibung zwischen metallischen Reibpartnern

03.11.2009

Bei Fehlfunktionen von explosionsgeschützten mechanischen Geräten kann eine reibende Berührung von sich gegeneinander bewegenden Teilen nicht ausgeschlossen werden. Erreicht die Kontaktzone eine hinreichend hohe Temperatur, können die abgetragenen Partikel mit dem Luftsauerstoff verbrennen. Sowohl die hohen Oberflächentemperaturen als auch die mechanischen Funken können dabei eine potenzielle Zündquelle für explosionsfähige Atmosphären sein.

Bei der Verwendung von mechanischen Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen muss das Wirksamwerden von Zündquellen sicher vermieden werden. Typische Zündquellen sind mechanische Funken und heiße Oberflächen, die bei Fehlerzuständen als Folge der Trockenreibung sich bewegender Teile gleichzeitig auftreten. Dabei können kurzzeitig Temperaturen von einigen hundert Grad erreicht und damit die Zündtemperaturen der meisten explosionsfähigen Gemische überschritten werden. Als Funken werden Partikel bezeichnet, deren Oberflächentemperatur die der Reibstelle deutlich übersteigt. Verantwortlich hierfür ist eine Oxidation des Partikelmaterials, für die das Partikel auf eine ausreichende Starttemperatur erwärmt werden muss. Dies setzt zunächst eine heiße Oberfläche an der Reibstelle voraus. Daher ist eine thermische Betrachtung der Reibsituation im Zusammenhang mit der Funkenentstehung von elementarem Interesse. Ein Kriterium für die Funkenentstehung, basierend auf dem Produkt aus der auf den Reibpartnern lastenden Kraft und ihrer Relativgeschwindigkeit, wurde von Bartknecht vor einigen Jahren angegeben. Dabei wird jedoch die mit der Funkenentstehung einhergehende Bildung einer heißen Oberfläche an der Reibstelle weitgehend ausgeklammert. Um diesen Umstand zu verbessern, wurden Reibversuche mit verschiedenen Stahlsorten in einer Versuchsanordnung aus einem feststehenden Stift und einer rotierenden Scheibe durchgeführt. Ziel ist es, alte und neue Versuchsergebnisse mit theoretischen Ansätzen aus dem Bereich der Tribologie und Thermodynamik zu verbinden und dadurch Fortschritte in Richtung eines integrierten Zündquellenmodells für heiße Oberflächen zu erreichen.

Hochlegierte Edelstähle, wie 1.4541, können unter ähnlicher Belastung durch eine Kombination aus Flächenpressung und Relativgeschwindigkeit ebenso Funken bilden wie herkömmliche Kohlenstoffstähle. Die schlechtere Wärmeleitung des Edelstahls führt zu einer erheblichen Kompensation der niedrigen Zündfähigkeit des Werkstoffes. Während herkömmlicher Kohlenstoffstahl viele Funken bildet, entstehen bei hochlegierten Edelstählen nur vereinzelte. Im Falle der Edelstähle werden deutlich höhere Oberflächentemperaturen erreicht als im Falle der Kohlenstoffstähle. Aus der Reibstelle heraus gedrücktes, am Stift haften bleibendes Material vergrößert dabei die heiße Oberfläche. Dies ergibt eine bisher eventuell nicht hinreichend beachtete Zündgefahr durch heiße Oberflächen insbesondere für Edelstahl bei längeren Kontaktzeiten.

Für eine ausreichende Funkenbildungswahrscheinlichkeit bei Stählen ist eine gewisse Mindesttemperatur im Stift notwendig, die bis zu einer gewissen Tiefe aufrechterhalten bleiben muss. In Übereinstimmung mit der Literatur konnten Werte ab   400 °C für die Temperatur in der Stiftmitte des Kohlenstoffstahls ermittelt werden. Für hochlegierte Edelstähle liegt der Wert bei 650 °C (Abb. 1). Diese in der Stiftmitte gemessenen Temperaturen sind nicht die Maximaltemperaturen und sind in sicherheitstechnischer Hinsicht daher nicht als maximale Oberflächentemperaturen zu verstehen. Die theoretische Betrachtung der Erwärmung lässt eine Extrapolation der Messwerte auf andere Reibsituationen zu und kann tendenziell auch Ergebnisse aus anderen Versuchsaufbauten erklären. Für eine abschließende sicherheitstechnische Bewertung sind weiter gehende Untersuchungen, insbesondere Zündversuche, nötig.  

Toni Ott, Felix Welzel, Michael Beyer, Claus-Peter Klages: Temperaturen und Funkenentstehung bei Trockenreibung zwischen metallischen Reibpartnern. In: CIT 81 (2009) 159-165

Abbildung 1: Zeitliche Temperaturentwicklung in der Mitte der Reibstelle und Einsatz der Funkenbildung.

 

Ansprechpartner:

F. Welzel, AG 3.73, felix.welzel(at)ptb.de