Die Hertz’sche Pressung – relevant auch bei Beschichtungen.

Jeder, der mit gewölbten Bauteile zu tun hat, die unter Last gegeneinander reiben, kennt das Problem: Fressen bzw. Pitting und daraus resultierend das Versagen der Bauteile durch Verschleiß.

Die Ursache hierfür ist eine physikalische Größe, die der deutsche Physiker Heinrich Hertz beschrieb und die nach ihm benannt wurde: die Hertz‘sche Pressung. Sie beschreibt die maximale Spannung, die in der Mitte der Berührungsfläche zweier elastischer Körper mit gewölbter Oberfläche herrscht. Sie hängt von der Kraft, mit der die beiden Körper aufeinander gepresst werden, von ihrem Elastizitätsmodul und von ihren Krümmungsradien ab. Durch Elastizität der Körper an der Berührungszone entsteht eine Abflachung und dadurch eine Berührungsfläche in beiden Körpern mit einer charakteristischen Spannungsverteilung, die sogenannte Flächenpressung.

Die Hertz’sche Pressung spielt eine wichtige Rolle bei der Berechnung, Auslegung bzw. Schadensuntersuchung von Wälz- und Gleitlagern, Zahnradflanken, Radreifen, Schienen der Bahn sowie bei Verschraubungen (Kräfte zwischen dem Kopf einer Schraube und dem zu verschraubenden Teil, aber auch zwischen den Gewindeflanken)

Eine sehr wichtige Tatsache geht meist gerne im hektischen Alltag der Techniker unter: Das Spannungsmaximum tritt nicht an der Körperoberfläche, sondern in einer charakteristischen Tiefe unterhalb der Berührungsfläche auf.

Zusammenhang zwischen Hertz’sche Pressung und Beschichtungen:

  • Pittingbildung bzw. Fressen (z. B. Kaltverschweißung) sind die Folgen einer Überschreitung der maximalen Hertz’schen Pressung. Durch geeignete Beschichtungen können diese Schäden vermieden werden.
  • Beschichtet man eines der beiden sich berührenden Bauteile mit einer Hartstofflegierung wird nicht nur die Höhe der Hertz’sche Pressung, sondern auch die Fressneigung im Kontakt deutlich reduziert, weil dann sich zwei ungleiche Werkstoffpaarungen berühren. Noch bessere Ergebnisse könnten erzielt werden, wenn beide sich berührenden Bauteile mit der gleichen von ISOTEC eigens gegen Fressen entwickelten Hartstofflegierung aus Wolfram und Tantal beschichtet werden würden. So vermeidet man die Gefahr, dass das Bauteil mit geringerer Härte sich durch Reibung an Bauteil mit höherer Härte abnutzt (Opferbauteil-Effekt).
  • Durch gezielte Steuerung des Traganteils der Beschichtung wird Energie der max. Hertz’sche Pressung teilweise abgefedert.
  • Durch Wahl der passenden Schichtdicke kann die Energie der maximalen Spannung innerhalb einer harten Schicht abgefangen werden und so wird die Gefahr des Fressens vermieden. Diese Vorgehensweise wird ähnlich, wie beim Härten jedoch mit einem „Schichtwerkstoff“, der eine wesentlich höhere Härte als das bloße Härten erreicht, realisiert.
  • Durch gezielte Steuerung der Schichttopographie kann das Gleitverhalten der sich berührenden Bauteile so eingestellt werden, dass der sogenannte Stick-Slip-Effekt nicht auftreten kann. Das Risiko des Beginns von Fressen wird von vorn herein deutlich reduziert.

 

Kurz: Durch den Einsatz moderner Werkstoffe in Kombination mit innovativen Beschichtungstechniken schafft man über die gängigen Verfahren, wie Einsatz-, Flamm- oder Induktionshärtung, hinaus die hochbelasteten Bauteile durch eine geeignete Hartstoffbeschichtung vor einem Ausfall, bedingt durch Überschreitung der maximalen Hertz’schen Pressung, zu schützen.

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