Schmierstoffe: Energiesparende & vor Verschleiß schützende Konstruktions­elemente

Hochleistungsprodukte der Tribologie

Schmierstoffe zur Reibungsverminderung gleitendender & rollender Elemente

Schmierstoffe sind bei weitem keine Erfindung moderner Industrie, – auch, wenn es durch die Beigabe zahlreicher Additive mittlerweile so anmuten könnte – sondern wurden bereits von unseren Vorfahren zur Reibungsverringerung genutzt. Auch der Begriff „Schmieren” hat historischen Ursprung und leitet sich ab vom mittelhochdeutschen Wort „smer”, d. h. von rohem Tierfett.

ln der heutigen Zeit umfasst die Bezeichnung „Schmierstoffe” sämtliche Produkte, die zur Schmierung und Reibungsverminderung gleitender und rollender Elemente eingesetzt werden. Aber auch in Zusammensetzung, Herstellung und Eigenschaften artverwandte Produkte werden den Schmierstoffen zugeordnet, selbst wenn sie als lsolier-Öle, Korrosionsschutzmittel oder Verfahrensöle als Hilfsmittel für industrielle Prozesse dienen. Der Schmierstoffanteil am gesamten Mineralölverbrauch beträgt weltweit durchschnittlich etwa 0,8%, in den Industrieländern rund 1%. Volkswirtschaftlich betrachtet kommt den Schmierstoffen jedoch eine weitaus größere Bedeutung zu, als ihr relativ geringer Anteil am Mineralölmarkt glauben lässt. 30% aller auf der Welt erzeugten Energie werden durch Reibung verbraucht, durch Verschleiß entstehen jährlich Verluste in Milliardenhöhe. Für Konstrukteure sind Schmierstoffe daher nicht nur notwendige Betriebsstoffe, sondern Konstruktionselemente, die helfen, die Energieeffizienz zu steigern, Maschinenstillstand zu vermeiden und die Kosten für Ersatzteile und Instandhaltung zu verringern. Die Entwicklung der Schmierstoffe wird daher durch intensive Forschung permanent vorangetrieben.

Welche Schmierstoffe gibt es?

Schmierstoffe lassen sich in Schmieröle und Schmierfette unterteilen, wobei die vom Erdöl abstammenden Schmieröle deutlich mehr genutzt werden als Schmierfette, die lediglich für ganz bestimmte Zwecke in der Industrie eingesetzt werden. Generell kommen Schmierstoffe für verschiedenste Aufgaben in der Automotive-Branche oder in der Industrie zum Einsatz. Dabei wird unterschieden in:

Automotive Schmierstoffe:

• Motorenöle
• Getriebeöle
• Bremsflüssigkeiten

Die Aufgaben automotiver Schmierstoffe sind vielfältig und dienen der Schmierung aufeinander gleitender Teile zur Verminderung von Reibung und Verschleiß, der Kühlung des Motors, der Abdichtung, dem Korrosionsschutz und der Druckübertragung.

Industrie Schmierstoffe:

• Hydraulikflüssigkeiten
• Getriebeöle
• Kompressorenöle
• Turbinenöle
• Korrosionsschutzprodukte
• Kühlschmierstoffe
• lsolieröle und Weissöle
• Schmierfette

Zu den Hauptaufgaben industrieller Schmierstoffe zählen eine weitgehende Minderung von Reibung und Verschleiß an Zahnflanken, die Verhinderung von Pittings und Micro Pittings und die Abführung entstehender Reibungswärme. Besonders verschärfend kommt hinzu, dass die Schmierstoffe auch unter extremen Temperatureinflüssen die Ausfallsicherheit der Maschinen gewährleisten müssen.

Basisflüssigkeiten für Schmierstoffe

Das Ausgangsprodukt sämtlicher Schmierstoffe – egal ob mineralölbasisch oder synthetisch – ist Rohöl, das in einer atmosphärischen Destillation in unterschiedliche Produkte fragmentiert und danach in weiteren Schritten von überschüssigen Begleitstoffen befreit wird. Je nach Verarbeitung entstehen als Grundöl entweder Mineralöl in unterschiedlicher Viskosität oder das sogenannte Hydrocrack-Mineralöl, wobei deutlich mehr Mineralöl-Raffinate hergestellt und verwendet werden als Hydrocrack Mineralöle.

Hydrocracköle

Hydrocracköle können sowohl auf Rohparaffin als auch auf Vakuumgasöl basieren. Sie heißen auch HC-Syntheseöle und zeichnen sich im Vergleich zu den Mineralölraffinaten durch einen wesentlich höheren Viskositätsindex (120 bis 150) und ein besseres Kälteverhalten (Pour Point bis -21 Grad C) aus.

Synthetische Basisflüssigkeiten (Polyalphaolefine, Ester)

Synthetische Öle werden in einem mehrstufigen chemischen Prozess durch die Verknüpfung spezieller Kohlenwasserstoffmoleküle hergestellt. Bei Syntheseölen kommen hauptsächlich Polyalphaolefine (PAO), häufig auch synthetische Kohlenwasserstoffe genannt, oder Ester in Frage. Die Herstellung synthetischer Basisflüssigkeiten ist aufwändiger als die Gewinnung mineralölbasischer Flüssigkeiten, so dass synthetische Öle wesentlich teurer als mineralische Öle sind, aber auf Grund ihres Herstellungsverfahrens auch viele Vorteile bieten.

Vorteile synthetischer Schmierstoffe

Synthetische Öle besitzen eine höhere Filmstärke als Mineralöle, d. h. auch bei hohen Temperaturen ist ihre Viskosität sehr hoch: Der Verschleißschutz ist deutlich höher, eine notwendige Zugabe von Viskositätsindex-Verbessern wird verringert und damit zugleich die Scherstabiliät optimiert. Aber auch bei äußerst niedrigen Temperaturen sind synthetische Öle durch ein sehr gutes Tieftemperaturverhalten den mineralischen Ölen überlegen und ermöglichen so bei Verbrennungsmotoren einen verbesserten Kaltstart und eine schnelle Durchölung der Motoren. Das Fehlen instabiler Komponenten sorgt für eine bessere Oxidations- und thermische Stabilität. Durch ihre geringe Flüchtigkeit und einen niedrigen Verdampfungsverlust sinken Öl- und Treibstoffverbrauch, eine höhere thermische Widerstandsfähigkeit gewährleistet eine bessere Motorensauberkeit und verlängerte Ölwechselintervalle.

Wichtige Kenndaten

• ViskositätDie wohl wichtigste Eigenschaft von Schmierölen ist die sogenannte Viskosität, die das Maß für die innere Reibung eines Öles beim Fließen ist. Sie ist temperaturabhängig: Bei niedriger Öltemperatur ist die innere Reibung groß und die Viskosität hoch. Je wärmer die Öltemperatur, desto geringer werden innere Reibung und Viskosität. Man unterscheidet zwischen der kinematischen und der dynamischen Viskosität, wobei sich die kinematische Viskosität aus der dynamischen Viskosität ableiten lässt, indem man diese durch die Dichte teilt.Alle Schmierstoffe werden gemäß der ISO-Viskositätsklassifikation eingeteilt. Die einzige Ausnahme bilden die Motoren- und Getriebeöle der Automotive Branche, die in SAE-Klassen eingeteilt werden. ln der ISO-VG (International Organisation for Standardization- Viscosity Grade) sind 18 Viskositätsklassen von 2 mm2/s bis 1500 mm2/s genormt und eine Mittelpunktsviskosität von 40°C vorgeschrieben, von der innerhalb einer Viskositätsklasse um 10% nach oben oder unten abgewichen werden darf.
• Viskositäts-Temperatur-Verhalten (Viskositätsindex)Je nach Öl können Viskositätsänderungen auf Grund steigender oder fallender Temperatur völlig unterschiedlich sein. Das Viskositäts-Temperatur-Verhalten wird durch eine dimensionslose Kennzahl, den sogenannten Viskositätsindex (VI) bezeichnet. Je höher der Viskositätsindex, desto geringer ist der Viskositätsabfall bei Temperaturzunahme.
• Viskositäts-Druck-VerhaltenDie Viskosität eines Öles ist nicht nur von der Temperatur, sondern auch von dem auf den Schmierfilm ausgeübten Druck abhängig. Dieses Merkmal ist besonders wichtig für tribologische Berechnungen, wenn Öle verschiedenster Basisflüssigkeiten zur Verfügung stehen.
• Schergefälle/ScherstabilitätBei Mehrbereichsölen mit enthaltenen Viskositätsindex-Verbesserer wird die Viskosität zusätzlich vom Schergefälle beeinflusst. Bei Einbereichsölen ohne Viskositätsindex-Verbesserer, den sogenannten newtonschen Flüssigkeiten, hat das Geschwindigkeitsgefälle keinen Einfluss auf die Viskosität.
• Pour PointDer Pour Point gibt die sogenannte Fließgrenze des Schmieröls an, die früher durch den Stockpunkt beschrieben wurde. Um den Pour Point zu bestimmen, wird nach wie vor der Stockpunkt ermittelt und danach zu diesem 3°C addiert.
• VerdampfungsverlustDer Verdampfungsverlust hängt ab von der Viskosität und vom Raffinationsgrad bei Mineralölen. Hydrocracköle weisen einen deutlich geringeren Verdampfungsverlust auf als konventionelle Mineralöle.

Schmierstoff-Additive (H3)

Additive werden den Schmierstoffen zugesetzt, um ihnen bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Art und Menge sollten präzise auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden, der Additivanteil kann dabei zwischen 1% und 30% liegen. Abhängig von ihrer Wirkweise lassen sich diese Zusätze in drei Arten unterteilen:

• Oberflächenschützende AdditiveHierzu zählen Detergents, Dispersants, Hochdruck- und Verschleiß-Schutz-Additive, Korrosions- und Rostschutzadditive, Reibwertveränderer und Oberflächen veredelnde Zusätze wie DuraGear® und PowerShot®, welche die in Aggregaten auftretende Reibung nutzen, um eine schützende Oberflächenschicht aus Silizium zu bilden. (Verlinkung auf Landingpage)
• Ölverbessernde AdditiveViskositätsverbesserer reduzieren einen potenziellen Viskositätsabfall bei Temperaturanstieg. Pour Point-Verbesserer wirken eher im tiefen Temperaturbereich und verzögern die Bildung von Paraffinkristallen, so dass das Öl auch bei tiefen Temperaturen länger fließfähig bleibt.
• Ölschützende AdditiveAlterungsschutzadditive, oder auch Oxidationsinhibitoren, verlangsamen die durch Sauerstoffzutritt, hohe Temperaturen und katalytisch wirkende Metalle verursachte Ölalterung. Ölalterungsprodukte werden zersetzt und schädliche Reaktionen beendet. Antischaummittel verändern die Oberflächenspannung des Öls und verhindern so die Bildung von stabilem Oberflächenschaum.

Schmierfette

Schmierfette sind feste, meistens mineralölhaltige Schmierstoffe, die in einem weiten Konsistenz,- bzw. Penetrationsbereich von flüssig bis talgartig fest hergestellt werden. Sie kommen dann zum Einsatz, wenn flüssige Schmierstoffe auf Grund ihrer Flüssigkeit nicht geeignet sind und beispielsweise bei Wälz- und Gleitlagern, offenen Getrieben, Drahtseilen oder Kettenantrieben von der Schmierstelle wegrinnen. Schmierfette bestehen zu 70 – 95% aus einem Basisöl, zu 3 – 30% aus Verdickern und zu 0 – 5% aus Additiven.