Schmierstoffe

An die Schmierstoffe werden viele Anforderungen gestellt. Wichtige Funktionen und Anforderungen werden nachfolgend aufgelistet. Ein Trend ist die Verwendung einheitlicher System-Kühl-Schmierstoffe in Systemen, wie sie beispielsweise in der Elektromobilität oder auch bei der Zerspanung Anwendung finden. Hier erfüllt der Schmierstoff neben mechanischen, tribologischen Anforderungen auch elektrische Anforderungen für die Kühlung der Leistungselektronik oder der Antriebe. Zudem bieten die Verwendung vorhandener Medien vielfältige Potentiale, wenn z.B. Wasser zur Verfügung steht in Schiffsantrieben oder zu verdichtende Medien wie Luft, Wasser oder Kraftstoffe/Wasserstoff bei Lüftern, Pumpentriebwerken oder Brennstoffzellen. Abschließend erhalten Sie einige Anwendungsbeispiele, von Systemen in denen vorhandene Medien auch gleichzeitig als Schmierstoffe verwendet werden.

 

Wichtige Funktionen und Anforderungen an die Schmierstoffe sind

• tragfähige Schmierfilme auf den Oberflächen bilden insb. um Spontanausfälle und Verschleißmechanismen zu vermeiden oder zumindest zu minimieren
• Wärme ableiten, Hot-Spots minimieren
• Partikel und Abriebsprodukte aus Kontakten ableiten (Dreikörperverschleiß)
• gegen äußere Verschmutzungen/Verunreinigungen abdichten, Verträglichkeit mit Werkstoffen/Support der Dichtungsfunktionen
• Laufgeräusche und Schwingungen dämpfen
• Werkstoffe vor Korrosion schützen
• Stabilität/geringe Veränderung des Schmierstoffs im Betrieb z.B. Oxidation, Katalyse, Wasseraufnahme
• Umwelt schützen, Umweltschutzanforderungen, Vorschriften, RoHS-Richtlinien erfüllen

 

 

Medien als Schmierstoffe bieten entscheidende Vorteile hinsichtlich Umweltschutz bzw. Reinigungsaufwand, Wartungs- und Abdichtungsaufwand

Die Verwendung vorhandener Medien als Schmierstoff bietet auf der Systemebene Vorteile, es ermöglicht wartungsfreie und umweltfreundlichere Systeme und die Verringerung der Anzahl an mitzuführenden Schmierstoffen. Im Bereich Automotive herrscht der Trend mit einer geringeren Anzahl von Schmierstoffen (wie Motorenöl, Getriebeöl) und Hilfsstoffen (wie Bremsflüssigkeit, Kühlflüssigkeit, Reinigungsflüssigkeiten) die erforderlichen Funktionen zu erfüllen. Nachfolgend einige Beispiele:

 

Vorhandene Kühl-Schmierstoffe oder zu verdichtende Medien

Die ersten Einspritzpumpen-Triebwerke wurden mit Schmierstoffen geschmiert. Dies ermöglichte gut geschmierte tribologische Kontakte.  Auf der Systemebene lag damit die Herausforderung das Triebwerk abzudichten, damit kein Öl in den zu verbrennenden Kraftstoff gelangt (Schadstoff und Abgas-Grenzwerte für die Euro-Einstufung) und umgekehrt, der Kraftstoff nicht die Schmierstoffe verdünnt.

Modernere Hochdruck-Einspritz-Pumpen (Diesel-Common-Rail-Pumpen) arbeiten unter Mediumschmierung. Der Dieselkraftstoff dient zunächst als Kühl-Schmierstoff, wird dann eingespritzt und sorgt für den Antrieb. Die tribologischen Kontakte in der Pumpe, sowohl die Wälzkontakte wie auch Gleitkontakte müssen mit Kraftstoff-Schmierung ihre Funktion erfüllen. Diese Mediumschmierung beeinflusst das Reibungsverhalten, die Verschleißmechanismen, wie auch die Werkstoffbeanspruchungen. Die nachfolgende Abbildung zeigt beispielhaft das Reibverhalten eines Wälzkontaktes (Kraftschluss-Schlupf-Verhalten) für verschiedene Medien und Temperaturen:

 

 

 

Auch andere Medien ermöglichen eine Mediumschmierung:

Luft oder Gase

Strömungsmaschinen (wie Turbolader im Autos) oder pneumatische Aktuatoren (wie Zahnarztbohrer) können auf Grund hoher Drehzahlen sogar auf Luft gelagert werden (bei entsprechenden Betriebszustand). Rührwerke oder Kompressoren bieten ebenfalls Möglichkeiten vorhandene Stoffe als Schmierstoffe zu verwenden.

Bei der spanenden Bearbeitung wird i.d.R. ein Kühl-Schmiermittel (Öl-Wasser Emulsion) verwendet. Im Trend liegt die trockene Bearbeitung ggf. unterstützt durch Luft oder Gase. In Umformprozessen werden die traditionellen Schmierstoffe, wenn möglich durch phasenübergangsänderte Schmierstoffe, „flüchtige Schmierstoffe“ ersetzt. Dabei kommen beim Umformen beispielsweise verdichtetes Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff zum Einsatz. Dadurch wird der Reinigungsaufwand erheblich reduziert, die Reinigung kann ggf. komplett entfallen.

 

Wasser

Wasser wird beispielweise bei Kehrmaschinen eingesetzt. Es reduziert die Reibung und damit den erforderlichen Kraftbedarf und den Verschleiß der Werkzeuge. Es dient dabei auch der Bindung von Staub, es reduziert die Staubaufwirbelung/die Staubbelastung.

Wasser wird in Offshore- und Marineanwendungen eingesetzt, zur Kühlung aber auch z.B. bei Gleitlagerungen von Schiffsantriebswellen. Zudem werden auch wasserbasierende Schmierstoffe in Getrieben untersucht. Herausfordernd bei Stahlwerkstoffen sind Themen wie die Wasserstoffversprödung, der Korrosionsschutz und die Tribokorrosion. So werden auch Keramiken als Werkstoffe eingesetzt.

Potentiale ergeben sich hinsichtlich sehr geringen Reibwerten, die sogenannte Superlubricity. Durch leicht scherbare atomare Bindungen werden Reibwerte im Bereich 1/1000 erreicht. Wasser hat zudem eine hohe thermische Wärmeleitfähigkeit.

 

Fette, Kontaktfett bzw. Contact Grease/Anti-Oxidant Grease

Fette sind eingedickte Schmierstoffe. Dadurch sind die leichter aufzubringen und bleiben auf Grund der Viskosität auch im Kontaktbereich.

Bei Verbindungen mit Aluminiumleitern werden spezielle Kontaktfette eingesetzt. Das Fett beeinflusst auch die Haft- und Gleitreibung zwischen Bauteilen und damit die Montage- und Betriebsbedingungen. Steckkräfte können deutlich reduziert werden, Schichtverschleiß und Fretting wird positive beeinflusst. Die Hauptfunktion des Fetts ist die Kontakteigenschaften, insbesondere die Langzeiteigenschaften zu verbessern, indem das Fett die Oxidation der Kontakte in den Übergangsbereichen minimiert. Ähnlich wie eine Beschichtung versiegelt es die Oberflächen und die Schnittstellen, wodurch das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit verhindert wird. Kontaktfette ermöglichen zudem geringere Übergangswiderstände in Kontakten und vergrößern damit die Strombelastbarkeit.

Herausfordernd in der Praxis sind die Montagebedingungen, das Handling, potentielle Streuungen im Prozess, das Thema Alterung des Schmierstoffes und Verunreinigung der umliegenden Bauteile durch kriechende oder auslaufende Stoffe. Zur Bewertung gibt es zeitgeraffte/beschleunigte Prüfmöglichkeiten. Ähnliche Herausforderungen ergeben sich auch für Wärmeleitpasten. Wärmeleitpasten verbessern die thermischen Übergangsbedingungen in Kontakten.

 

Schmierwachse, Gleitbeschichtungen

Schmierwachse, Gleitbeschichtungen sind eine umweltfreundliche Variante einer Schmierung und werden z.B. für die Eingrenzung der Streuungen der Reibung auf Schrauben aufgebracht. Durch die Beschichtung werden kleine und definierte Reibwertbereiche eingestellt und so auch beim drehmomentgesteuerten Anziehen kleinere Streuungen in der erzeugten Anpresskraft/der Normalkraft in der Verbindung erzielt. Eine geringe Streuung im Montagedrehmoment und eine geringe Streuung/ein definiertes Reibwertfenster sind Voraussetzungen für die Herstellung einer zuverlässigen Schraubverbindung.

 

Systeme die Schmierstoffe freisetzen, Trockenschmierstoffe

Zudem gibt es Systeme die Schmierstoffe freisetzten. Dazu gehört z.B. Quarz, dieser erzeugt unter Reibung eigenes Schmiermittel. Gesteine mit hohen Quarz-Anteilen gleiten auf Grund eines selbst produzierten Schmiermittels umso leichter aneinander vorbei, je höher die Geschwindigkeit der Bewegung ist. Ähnlich wird auch bei Trockeneisbahnen auf Grund der Beanspruchung ein Schmierstoff freigesetzt.

 

Zur Beurteilung der Einsetzbarkeit einer Mediumschmierung gehört bspw. die Ermittlung des Reibungsverhaltens und Bewertung der Konsequenzen fehlender Kühlwirkung oder fehlender Schmierstoff-Additive. Je nach Medium müssen auch Einflüsse wie Korrosion oder Wasserstoffversprödung der Werkstoffe berücksichtigt werden. Die Werkstoffe und Gefüge müssen auch unter tribologischer Beanspruchung beständig gegen die Medien, deren Bestandteile und Reaktionsprodukte gewählt werden.

Werden Schmierstoffe eingesetzt, gilt es auch die Schmierstoffgüte im Auge zu behalten. Eine Möglichkeit ist die Entnahme von Proben für die Analytik-Laboruntersuchung. Jedoch auch Sensoren für die Schmierstoffe in-situ-Diagnose werden stetig weiterentwickelt. Neuere Generationen verfügen über eine hinreichende Genauigkeit. Der Vorteil der Online-Sensoren liegt in der permanenten Datenaufzeichnung, wodurch bereits geringste Trendanstiege entdeckt werden. Die Messdaten stehen für die Datenverarbeitung, Digitalisierung und Industrie 4.0 zur Verfügung.

Weitere Details erhalten Sie gerne im persönlichen Gespräch Link zur Kontakt-Seite oder auch auf der Seite Mediumschmierung.