Schmierstoffe und Schmierstoffanwendungen der Zukunft

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1 Schmierstoffe und Schmierstoffanwendungen der Zukunft Hydraulikflüssigkeiten Dipl.-Ing. Wolfgang Bock Fuchs Petrolub AG, Mannheim In den vergangenen Jahren haben sich die Anforderungen an Schmierstoffe in vielen Anwendungsbereichen signifikant geändert. Aufgrund gestiegener technischer, ökonomischer und ökologischer Kriterien bzw. Anforderungen kommt, der thermisch-oxidativen Stabilität, der geringen Verdampfungsneigung und deren Einfluß auf die Umwelt und Arbeitswelt eine besondere Bedeutung zu. Innovative Entwicklungen, z.b. fluidtechnischer Bauteile und Systeme unter Einbeziehung neuester Werkstoffe und Schmierstoffe sowie modernster Elektronik, geben dem technischen Fortschritt neue Impulse. Schmierstoffe sind in all ihren unterschiedlichen Anwendungsbereichen eines der wichtigsten Elemente und sind als Maschinenelemente in die Planung, Projektierung und Inbetriebnahme von Anlagen-, Aggregate-, Motoren- Komponenten mit einzubeziehen. Die Entwicklung und Weiterentwicklung moderner Schmierstoffe und deren richtige Anwendung sind von erheblicher wirtschaftlicher Tragweite. Optimal den Aufgaben angepaßte Schmierstoffe (Basisflüssigkeit und Additive) bringen Energieeinsparungen, Reduzierung der Wartungsintervalle, Verschleißminimierung, Verlängerung der Maschinenstandzeiten, Verlängerung der Ölwechselintervalle (Lebensdauer) und damit verbunden erhebliche wirtschaftliche Einsparmöglichkeiten. 1 Trends der Zukunft Die Zunahme der Lebens- und Gebrauchsdauer von Schmierstoffen verbunden mit geringeren Ölvolumina, längeren Ölwechselintervallen und geringerem Schmierstoffverbrauch führt zu einer Zunahme der Beanspruchung der Schmierstoffe. Höhere Temperaturen verbunden mit kleineren Ölfüllungen und höheren Leistungsdichten führen dazu, daß die Leistungs- und Qualitätsanforderungen an Schmierstoffe stetig steigen. Im Auftrag des VDMA, der Fachgemeinschaft Fluidtechnik wurde 1997 eine Studie, "Die technologische Entwicklung der Fluidtechnik bis zum Jahr 2010", durchgeführt. Die Ergebnisse dieser "Delphi- Studie Fluidtechnik" zeigen zukünftige Anforderungen an Druckflüssigkeiten und Umlauföle, welche sich auf andere Schmierstoffgruppen leicht übertragen lassen. Die wichtigsten Trends der Zukunft im Bereich der Fluidtechnik sind: Zunahme der Leistungsdichte in Maschinen Drehzahl von Hydraulikpumpen und motoren wird um ca. 15% zunehmen Die Größe von Hydraulikkomponenten wie Pumpen und Motoren wird um ca. 20% abnehmen (Maschinen werden kompakter gebaut) Die Druckbereiche in wichtigen Anwendungsbereichen der mobilen und Stationär-hydraulik werden um ca % zunehmen Die Ölvolumina werden kleiner, die Ölumlaufzahl wird größer 1

2 Hohe Energieeinbringung in den Schmierstoff durch z.b. Magneten oder elektrische Felder, z.b. Servoventile Diese Streßfaktoren führen in der Regel zu einer Zunahme der (Betriebs)-Temperaturen. Somit ist nicht ausgeschlossen, daß thermische Grenzbereiche der zur Zeit im Einsatz befindlichen Schmierstoffe erreicht werden. Dies gilt vor allem für die im Markt befindlichen mineralölbasischen Schmierstoffe und Hydraulikflüssigkeiten. Hydraulikflüssigkeiten sind nach den Motorenölen die zweitwichtigste Schmierstoffgruppe. Innerhalb der Industrieschmierstoffe macht ihr Anteil ca. 30% bezogen auf den gesamten Schmierstoffverbrauch aus. Mineralölbasische Hydraulikflüssigkeiten haben dabei einen Anteil von ca %, schwerentflammbare Hydraulikflüssigkeiten von ca. 5%, und biologisch schnell abbaubare Flüssigkeiten und Spezialitäten von ca. 5%. Schmierstoffe in Europa: Jahr 2001 (Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Griechenland, Irland, Italien, Luxemburg, Österreich, Portugal, Spanien...) Industrieschmierstoffe % Metallbearbeitung 17,2 Korrosion 1,8 Fette 5,1 Getriebeöle (DIN ), ca. 6,0 Hydraulikflüssigkeiten, ca. 32,5 Maschinenöle 10,6 Turbinenöle 2,3 Isolieröle 5,6 Kompressorenöle 2,4 Andere 16,6 Total % ca to Industrieschmierstoffe Metalw orking Fluids Corrosion Preventives Greases Industrial Gear Oils (DIN ) Hydraulic Fluids Turbine Oils Compressor Oils Machine Oils Isolating Oils Others Hydraulikflüssigkeiten Vergleich: KFZ-Motorenöle: ca to KFZ-Getriebeöle: ca to Bild 1: Anteil unterschiedlicher Industrieschmierstoffgruppen am Gesamtverbrauch in Europa Hydraulikflüssigkeiten in Europa: Jahr 2001 Mineralölbasische Hydraulikflüssigkeiten Klassifizierung DIN 51524/ ISO z.b. HLP / HM HVLP/ HV Marktanteil ca % Schwerentflammbare Hydraulikflüssigkeiten HF Fluids, 7. Lux. Report z.b. HFA, HFB, HFC, HFDU ca. 5 % Synthetische Flüssigkeiten VDMA 24568/ ISO CD z.b. HEES, HEPG biologisch abbaubare Flüssigkeiten ca. 5 % ca % Grundöl 5-10 % Additive Bild 2: Verteilung der unterschiedlichen Hydraulikflüssigkeiten 2

3 2 Zusammensetzung von Hydraulikflüssigkeiten In der Regel bestehen Hydraulikflüssigkeiten aus einer Grundflüssigkeit, dem Grundöl, und mehreren chemischen Substanzen, den Additiven. Die Qualität und Leistung einer Hydraulikflüssigkeit ist abhängig von der Qualität des Grundöls und der Kombination von Additiven und Additivsystemen. Die Klassifikation / Einteilung von Hydraulikflüssigkeiten wird nach der Art des eingesetzten Grundöls unter Berücksichtigung der technischen und ökologischen Aspekte vorgenommen (Bild 3). Einteilung von Hydraulikölen (Kurzbezeichnungen der Schmierstoffe) Hydrauliköle hydrokinetische Anwendung Baumaschine hydrostatische Anwendung DIN ISO 6743/4 ATF Baumaschine HA HN Baumaschine Mobilhydraulik: UTTO, STOU Mineralölbasische Hydrauliköle Schwerentflammbare Hydrauliköle Biologisch schnell abbaubare Hydraulikflüssigkeiten Lebensmittelverträgliche Hydrauliköle DIN , ISO 6743/4 7. Lux. Bericht, ISO 6743/4, ISO/CD und DIN VDMA Blatt 24568, ISO 6743/4 und ISO/CD E FDA und USDA Einstufung DIN HL HLP HLPD HVLP HVLPD ISO/DIS HH HL HM HR HV HS HG HFAE HFAS HFB HFC HFDR HFDS HFDT HFDU HETG HEES HEPR wasserhaltig wasserfrei wasserunlöslich wasserlöslich HEPG USDA H1 Basis Weißöl Basis PAO USDA H2 Basis Weißöl Basis PAO Basis Mineralöl Bild 3 Einteilung von Hydraulikölen 3 Verbesserung der thermisch-oxidativen Stabilität von Schmierstoffen Optimierungen und Weiterentwicklungen führen meist zu einer Erhöhung der Leistungsdichte in Komponenten und Aggregaten. Es wird in der Zukunft ein Mehr an Leistung bzw. ein Mehr an Arbeit in immer kürzerer Zeit gefordert. Gleichzeitig werden Komponenten und Aggregate immer kompakter und kleiner. Außerdem werden aufgrund des stetig steigenden Wettbewerbs die Produktkosten optimiert. Früher wurde großzügig und sicher im Maschinenbau dimensioniert. Heute wird bei der Auslegung und Komponentenauswahl schon im frühen Stadium auf die Kosten geachtet und in vielen Bereichen "kostenoptimiert" konstruiert. Der Schmierstoff als eines der wichtigsten und komplexesten Maschinenelemente muß diesen sich verändernden Anwendungsbedingungen und Anforderungskriterien gerecht werden. Mehr Arbeit in kürzerer Zeit in kleineren Komponenten bedeutet für den Schmierstoff, daß die Ölvolumina kleiner, die Ölumlaufzahlen größer, die Energieeinbringung in den Schmierstoff höher werden. Damit kommt es zu einer Zunahme der thermischen und oxidativen Beanspruchung der Schmierstoffe. Als Faustregel gilt, daß bei 10 C Temperaturerhöhung sich die Reaktionsgeschwindigkeit, d.h. die Alterungsgeschwindigkeit verdoppelt und somit die Lebensdauer der eingesetzten Schmierstoffe verkürzt (im Grenzbereich halbiert) wird. Größerer thermischer und oxidativer Streß der Schmierstoffe 3

4 bedeutet Alterung und Veränderung. Auch veränderte, gealterte Schmierstoffe müssen die für die Anwendung notwendigen Reibungs- und Verschleißeigenschaften, die Benetzungseigenschaften und andere Schmierstoffeigenschaften gemäß den Anforderungskriterien der Anwendung erfüllen. Es sind jedoch in vielen Anwendungen bei der Verwendung von konventionellen mineralölbasischen Grundölen und den konventionellen Additivsystemen Grenzbereiche erreicht. Um den sich verändernden thermisch-oxidativen Anforderungen gerecht zu werden, kann bzw. muß anstatt auf die üblicherweise eingesetzten paraffinischen Solventraffinate auf halbsynthetische oder synthetische Grundöle wie z.b. Hydrocrack-(HC)-Grundöle, Polyalphaolefine und Ester zurückgegriffen werden. Nicht nur die Grundöle, sondern auch die Additive müssen den verschärften Umgebungs- und Betriebsbedingungen gerecht werden. Die Additive müssen unter erhöhter Temperaturbeanspruchung stabil bleiben. Die Löslichkeit der Additive und deren Alterungsprodukte in den Basisflüssigkeiten muß über einen langen Betriebszeitraum gegeben sein. Es darf zu keinen Additiv-Ablagerungen aufgrund der höheren Temperaturen kommen. 3.1 Alterungsverhalten TOST Test Das Alterungsverhalten von Hydraulikölen nach DIN wird gemäß DIN bestimmt (TOST Test). Die Zunahme der Neutralisationszahl (Bildung von sauren Reaktionsprodukten) nach Stunden Test darf maximal 2,0 mg KOH/g betragen. Die Neutralisationszahl dient als maßgebendes Beurteilungskriterium für den Alterungszustand der Flüssigkeit. Bild 4 zeigt die unterschiedlichen Leistungsniveaus von Hydraulikölen im TOST Test nach DIN Hoch detergierende HLPD- Hydrauliköle, z.b. Renolin MR 15 VG 46 und Hydrauliköle auf "synthetischer HC-Basis", z.b. Renolin ZNF 46 MC, Renolin MR 46 MC zeigen eine deutlich bessere Performance im Vergleich zu Standardqualitäten. Thermo- und Oxidationsstabilität von Hydraulikflüssigkeiten ASTM 943 (DIN 51587) TOST Test: 95 C, 3l O 2 /h, 300 ml Öl, 60 ml H 2 O, Grenzwerte DIN 51524: Anstieg der Neutralisationszahl um max. 2 mgkoh/g nach1000h Ergebnisse der Labortests, Anstieg der Neutralisationszahl um 2 mgkoh/g HLP 46 Min.Öl + Niedrige Add. 1200h HLPD 46 Min.Öl + Mittlere Add. 2300h HLPD 46 Min.Öl + Hoch Add. 3900h HLPD 46 Hydro-Crack Öl + Hoch Add. 4500h z.b. RENOLIN ZNF 46 MC, RENOLIN MR 46 MC Bild 4: Leistungsniveaus von Hydraulikölen im TOST Test nach DIN Alterungsverhalten RBOT Test Ein weiterer Alterungstest, der für Hydrauliköle, Turbinenöle und Industriegetriebeöle an Bedeutung gewinnt, ist der sogenannte RBOT-Test gemäß ASTM D (Standard Test Method for Oxidation Stability of Steam Turbine Oils by Rotating Pressure Vessel). Dieser Test stellt einen kombinierten 4

5 "Oxidations- und Hydrolyse-Stabilitäts-Test" dar. Eine definierte Menge Schmierstoff (50 g) wird zusammen mit 5 g H 2 O und Cu-Katalysator in einem Autoklaven mit Sauerstoff beaufschlagt (bei standard 150 C). Es wird die Zeit gemessen, in welcher ein Hydrauliköl den Sauerstoff im Autoklaven umsetzt. Hohe Standzeit (Minuten = Lebensdauer) ist gleichzusetzen mit guter Oxidationsbeständigkeit. Bild 5 zeigt die unterschiedliche Oxidationsbeständigkeit von Hydraulikölen in Abhängigkeit von der Temperatur. Thermo- und Oxidationsstabilität von Hydraulikflüssigkeiten RBOT Test (ASTM D 2272) Testbedingungen: 50g Öl, 5 ml H 2 O, 3 m Kupferdraht, O kpa, (Temp.: 150 C - Standard) Die Zeit wird gemessen bis der Sauerstoff im Autoclaven verbraucht ist Lifetime [min] HEES ungesättigt PLANTOSYN 3268 HEES 46 gesättigt, Cat BF1, O+K PLANTOSYN 46 HVI HEES 46 gesättigt, USDA-H1- Food Grade HLPD - ZAF USDA-H1 HLP / HM 46 HLPD / HM 46 min. Zn-free HEES 46 s aturated HEES 46 unsaturated Temperature [ C] Bild 5: Oxidationsbeständigkeit von Hydraulikölen in Abhängigkeit von der Temperatur 4 Verminderung der inneren und äußeren Reibung der Schmierstoffe Reibung führt zu einer Temperaturerhöhung des Schmierstoffes und damit zu einer Erhöhung der thermischen Beanspruchung. Diese führt zur Alterung des Schmierstoffs. Durch eine gezielte Schmierstoffauswahl kann man jedoch die inneren und äußeren Reibungskräfte in der Anwendung optimieren und damit das Temperaturniveau des Schmierstoffs absenken und die Lebensdauer erhöhen. Im allgemeinen werden durch die Verwendung von niedrigviskosen Ölen oder von Mehrbereichsölen in Verbindung mit reibsenkenden Additiven die inneren Reibungskräfte reduziert. Die Absenkung um eine Viskositätsklasse kann zu einer Absenkung der Ölsumpftemperatur um ca. 3-5 C führen. Durch die Verwendung synthetischer Grundöle lassen sich die stationären Ölsumpftemperaturen bei gleichen Betriebsbedingungen im Vergleich zu mineralölbasischen Schmierstoffen deutlich reduzieren. Reduzierte Reibung bedeutet außerdem eine Reduzierung von Verschleiß. Gerade im Kontakt Stahl - Elastomer-/Plastikmaterial kann durch niedrige Reibungskoeffizienten der Verschleiß vermindert, die Gefahr von Reibschwingungen reduziert und damit die Lebensdauer der Komponenten erhöht werden. Bild 6 zeigt den statischen Reibbeiwert von verschiedenen Hydraulikflüssigkeiten. Es zeigt sich, daß bei Verwendung von hoch detergierenden Hydraulikflüssigkeiten wie z.b. RENOLIN MR 15 im Ver- 5

6 gleich zu konventionellen HLP-/HM-Flüssigkeiten exzellente Reibbeiwerte erreicht werden. Auch synthetische, schnell abbaubare HEES-Fluide, z.b. Plantosyn 3268, weisen niedrige Reibbeiwerte auf. Statischer Reibbeiwert von Hydraulikflüssigkeiten Neigungstribometer, SKC-Gleittechnik 0,25 0,2 0,177 0,214 Reibbeiwert 0,15 0,1 0,146 0,13 0,088 bis 0,11 0,05 0 Renolin MR 15 VG 46 HLPDD 46 Renolin ZAF 46 D VG 46 ZAF - HLPD 46 RENOLIN B 20 VG 68 HLP 68 Renolin Lift 32 VG 32 HLPD 32 zinkhaltig zinkfrei zinkhaltig zinkfrei Plantosyn 3268 Plantohyd 68 S VG 68 HEES 68 Bild 6: Statischer Reibwert verschiedener Hydraulikflüssigkeiten Im FZG-Wirkungsgradtest wurden die Zahnreibungszahlen von unterschiedlichen Getriebe- / Hydraulikölen untersucht (Bild 7). Dabei zeigt sich, daß unter Last durch die Verwendung von synthetischen Schmierstoffen die Zahnreibungszahl (nach Ohlendorf) erheblich reduziert werden kann. Geringe Zahnreibungszahlen bedeuten Reduzierung der Reibung und damit verbunden Reduzierung der Ölsumpftemperaturen. Im FZG-Freßtest konnte bei Verwendung von synthetischen Getriebeölen, z.b. Ester, Polyalphaolefin und Polyglykol, eine Reduktion der Ölsumpftemperatur von bis zu 30 C nachgewiesen werden. Reduzierte Ölsumpftemperaturen bedeuten höhere Tragfähigkeit des Schmierfilms, reduzierte Ölalterung, Erhöhung der Lebensdauer des Schmierstoffs. FZG Wirkungsgradtest Bestimmung des Reibbeiwerts Zahnreibungszahlen nach Ohlendorf Industrieschmierstoffe, CLP / CKC DIN HLP / HM DIN (ISO VG 100, 220) ,08 Zahnreibungszahl [µm] , , , , , , ,01 (1) CLP-M Renolin CLP (2) CLP-E Plantogear S (3) CLP-PAO Renolin Unisyn CLP (4) CLP-M Renolin CLPF (5) CLP-PG Renolin PG ,00 40 C 70 C 100 C 120 C C C C C C C C C Bild 7: FZG Wirkungsgradtest 6

7 5 Reduzierung der Verdampfungsverluste niedrige Verdampfung Die niedrigmolekularen Bestandteile eines Mineralöls, welches aus Fraktionen unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe verschiedener Kettenlängen und Molekulargewichte besteht, können bei erhöhter thermischer Beanspruchung verdampfen. Dadurch erhöht sich in der Regel die Viskosität des Schmierstoffs. Gleichzeitig wird die Löslichkeit der Additive im Basisöl beeinflußt. Die Verdampfung ist praktisch für alle Schmierstoffgruppen von Bedeutung, wenn die Schmierstoffe bei höheren Temperaturen angewendet werden. Verdampfungsverlust von Grundölflüssigkeiten ISO VG 32 Noack, DIN : 1 Stunde, 250 C, 2 mbar Unterdruck 30 (ISO VG 32) Verdampfungs Verlust in % Alkylbenzenes Paraffinic Solvent Refined Oils VHVI Hydrocracked Oils Polyalphaolefines Polyolesters Rapeseed Oil Bild 8. Verdampfungsverlust von Grundölflüssigkeiten Bild 8 zeigt den Verdampfungsverlust nach Noack unterschiedlicher Basisflüssigkeiten. Die Siedekurve eines Hydro-Crack-Öls gegenüber einem mineralölbasischen Öl der ISO VG 32 ist im Bild 9 dargestellt. Synthetische Produkte (z.b. HC-, PAO-, Ester-Grundöle) zeichnen sich durch einen höheren Siedebeginn, ein höheres Siedeende, einen geringeren Verdampfungsverlust und einen engeren Siedeschnitt aus. Umweltauflagen sowie Auflagen bezüglich des Arbeitsschutzes fördern den Einsatz von verdampfungsarmen Basisflüssigkeiten. Bei der Schmierstoffentwicklung sind Grenzwerte in Bezug auf Emissionen, die durch den Schmierstoff verursacht werden, in Zukunft stärker zu beachten. 7

8 Verdampfungsverlust von Grundflüssigkeiten ISO VG 32 Mineral Oil SN 150: 16,1% Hydro-crack Oil: 7,6% Noack, DIN : 1 Stunde, 250 C, 2 mbar Unterdruck Bild 9: Verdampfungsverlust von Grundflüssigkeiten 6 Bessere Reinheitsklassen - Optimierung der Filtrierbarkeit von Schmierstoffen Sehr häufig werden die Grenzen der Brauchbarkeit eines Schmierstoffs nicht allein durch die Schmierstoffeigenschaften festgelegt, sondern durch feste (Partikel) oder flüssige (Wasser) Verunreinigungen begrenzt. Für eine hohe Ausfallsicherheit von Maschinenelementen ist die richtige Auswahl des eingesetzten Schmierstoffs von Bedeutung. Doch damit ist es nicht getan. Der Schmierstoff muß im laufenden Betrieb gepflegt werden, denn die Verschmutzung des Schmierstoffs reduziert die Lebensdauer von Maschinenelementen erheblich. Die zulässigen Verschmutzungs- und Reinheitsklassen von Hydraulik- und Umlaufölen sind nach ISO 4406 bzw. NAS 1638 definiert. In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen werden in Hydrauliksystemen z.b. folgende Reinheitsklassen empfohlen: Servohydraulik, ISO 4406: 13/10 Hochdruckhydraulik, ISO 4406: 15/12 Um diese Reinheitsklassen bei Betriebsbedingungen zu gewährleisten werden Filter unterschiedlicher Feinheit, Rückhalterate und Konstruktion eingesetzt. Hochleistungs-Filtersysteme stellen hohe Anforderungen an die Filtrierbarkeit des eingesetzten Schmierstoffs. Der Schmierstoff sollte über einen langen Zeitraum einen geringen Differenzdruck am Filter erzeugen. Sowohl Grundöl als auch Additive sollten selbst bei kleinen Filterfeinheiten von 3, 6 und 10 µ gut filtrierbar sein. Es darf zu keiner Filterblockade und damit Reduzierung der Filterstandzeiten kommen. Das Filtrationsverhalten der Produkte kann nur in speziellen Labor- und Prüfstandstests sowie Praxistests untersucht werden. Bild 10 zeigt den Aufbau eines dynamischen Multi Pass Filterprüfstandes. Mit diesem Prüfstand kann das Filtrationsverhalten von Hydraulik- und Umlaufölen untersucht werden. Eine Differenzierung der Meßergebnisse und Qualitäten ist sehr oft durch die gezielte Zugabe von 1% Wasser in den Hydraulikkreislauf möglich. Bild 11 zeigt den Differenzdruck-Verlauf unterschiedlicher zink- und aschefreier Hydrauliköle nach Zugabe von 1% Leitungswasser. Die Öle ZAF V bzw. ZAF VII zeigen selbst bei einer 8

9 Kontamination von 1% Wasser noch gutes Filtrationsverhalten (niedriger Differenzdruck über einen langen Zeitraum), z.b. Renolin ZAF B-Reihe, Renolin ZAF D-Reihe. Aufbau eines Filtrationsprüfstandes bei Fuchs Dynamischer Test - Multi Pass Test - Praxis relevante Aussagen Filtrationsverhalten mit Verschmutzung - Naßfiltration Filtration dient der Reduzierung von Partikeln und Verunreinigungen. Das eingesetzte Medium muß dabei filtrierbar sein Differenzdruckkurve über der Zeit - Filter Blocking geringer Differenzdruck am Filter ( max. 4 bar)! Hochdruckbereich DBV 1 T 1 Betriebsbedingungen: Ölvolumenstrom: 8,7 l/min Kontamination: 1% Wasser P 1 P 2 Tanktemp.: 65 C Zahnradpumpe M DBV 2 Filter H 3 H 2 P 3 Ölvolumen: 15 l Druck: 100 bar T2 Q 1 Differenzdruck: P2-P3 H 1 Versuchsdauer: 24 h Tank Optimierung des Filtrationsverhaltens von Produkten Bild 10: Aufbau eines dynamischen Multi Pass Filterprüfstandes Differenzdruck [bar] Aufbau eines Filtrationsprüfstandes bei Fuchs Dynamischer Test - Multi Pass Test - Praxis relevante Aussagen Entwicklung langzeitstabiler gut filtrierbarer Hydrauliköl-Rezepturen Vergleich des Differenzdrucks der zink- und aschefreien Hydrauliköle nach Zugabe von 1% Leitungswasser ZAF IV ZAF VI ZAF I ZAF II ZAF III ZAF II - HLPD ZAF I - HLP ZAF III - HLP ZAF IV - HLP ZAF VII - HLPD ZAF VI - HLP ZAF V - HLP 2 ZAF V = HLP : RENOLIN ZAF B-Reihe 1 0 ZAF VII = HLPD : RENOLIN ZAF D-Reihe RENOLIN ZAF B- / ZAF D-Reihen = gut filtrierbar! Zeit [min] Bild 11: Differenzdruck-Verlauf unterschiedlicher zink- und aschefreier Hydrauliköle nach Zugabe von 1% Leitungswasser 9

10 7 Hydrauliköle für Baumaschinen, Fahrzeuge und Arbeitsmaschinen Die Einsatzbedingungen für Hydrauliköle in Baumaschinen sind vielfältig. Meist arbeiten die Maschinen unter extremen Betriebsbedingungen. Da sie meist im Freien arbeiten, sind sie den Witterungsverhältnissen sowie sehr großen Temperaturschwankungen (Tag / Nacht, und den damit verbundenen Wechselklimabedingungen) und einer erhöhten Gefahr von Kontamination durch Partikel und Wasser ausgesetzt. Hydrauliköle für mobile Anwendungen müssen diesen Anforderungen gerecht werden. Seit Jahren zeichnet sich ein Trend hin zu Spezial-Hydraulikölen mit hohem Viskositätsindex (VI) für mobile Anwendungen ab. Es kommen auch verstärkt biologisch schnell abbaubare Flüssigkeiten für den Betrieb von Baumaschinen in umweltsensiblen Bereichen (Trinkwassergebieten, Wasserschutzgebieten) zum Einsatz. Früher wurden hoch polymerhaltige HVI-Hydrauliköle mit Mehrbereichscharakter mit einem Viskositätsindex von >180 (geringe Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur) verwendet. Die dort verwendeten Polymere scherten jedoch bei den harten Betriebsbedingungen ab, was einen Viskositätsabfall des Fluids bedeutete (Gefahr von Verschleiß). Es kamen auch sehr oft Einbereichs- Motorenöle, sogenannte Monograde HLP-HD Hydrauliköle zum Einsatz. Im Sommer verwendete man höherviskose Öle, im Winterbetrieb niedrigviskosere Öle. Mittlerweile werden für eine Vielzahl der Anwendungen Mehrbereichshydrauliköle auf Semisynthese- (Synthese-) Öl-Basis verwendet. Die dabei verwendeten Hydrocrack-Öle (HC-Öle) haben einen hohen Viskositätsindex (VI > 140, geringe Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur) und sind zudem absolut scherstabil, z.b. Renolin B 1030 MC, Renolin O+K 1030 MC, Renolin MR 46 MC. Darüber hinaus weisen sie eine exzellente thermische und oxidative Stabilität, sehr guten Verschleißschutz und sehr gute Filtrierbarkeit, sowie ein sehr gutes Tieftemperaturverhalten auf. Bei den biologisch schnell abbaubaren Druckflüssigkeiten in der Mobilhydraulik zeichnet sich ein Trend hin zu der Verwendung von gesättigten Estern ab, z.b. Plantosyn 3268, Plantosyn 46 HVI. Gesättigte, vollsynthetische Ester weisen eine sehr gute biologische Abbaubarkeit auf, sind mit Mineralölen im Prinzip mischbar und verträglich (VDMA-Richtlinien und sind zu beachten), haben eine exzellente thermische und oxidative Stabilität und einen exzellenten Verschleißschutz. Herstellerfreigaben (z.b. Cat BF1) liegen für diese Flüssigkeiten bereits vor. Partiell gesättigte, esterbasische Flüssigkeiten finden im Bereich der Nieder- und Mitteldruckhydraulik Verwendung. Sie weisen ebenfalls eine gute biologische Abbaubarkeit auf und stellen eine preisliche Alternative zu den gesättigten Estern dar. In der Mobilhydraulik stellen Universalöle, z.b. STOU Super Tractor Oil Universal, Traktorenöl für Motoren, Getriebe, nasse Bremsen und Hydraulik und UTTO Universal Tractor Transmission Oil, Traktorenöl für Getriebe, nasse Bremsen und Hydraulik eine wichtige Produktgruppe dar. Sie werden entsprechend den Herstellerspezifikationen eingesetzt. Sonderflüssigkeiten, z.b. schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeiten (z.b. Hydrotherm 46 M HFC 46, Plantoflux AT 46 S HFDU 46) kommen in Nischenanwendungen, z.b. im Bereich Mining zum Einsatz. Die Systeme müssen für diese Sonderflüssigkeiten entsprechend konzipiert sein. 10

11 Hydrauliköle für die Baumaschine Übersicht Mehrbereichs Hydrauliköle auf Hydrocrackölbasis (HVLPD 68: ISO VG , SAE 10W, 20W20, 30), VI > 140 z. B. Renolin B 1030 MC, Renolin O + K 1030 MC, Renolin MR 46 MC - exzellente Scherstabilität und Alterungsbeständigkeit Biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten auf Basis gesättigter Ester, z. B. Plantosyn 3268, Plantosyn 46 HVI (Herstellerfreigaben, z.b. Cat BF1, O+K) STOU Super Tractor Oil Universal, Traktorenöl für Motoren, Getriebe, nasse Bremen und Hydraulik Herstellerspezifikationen UTTO Universal Tractor Transmission Oil, Traktorenöl für Getriebe, nasse Bremsen und Hydraulik Herstellerspezifikationen Sonderflüssigkeiten, z. B. schwerentflammbare Hydrauliköle, (z.b. Hydrotherm 46 M - HFC, Plantoflux AT 46 S - HFDU), für Nischenanwendungen. Bild 12: Übersicht der wichtigsten Hydraulikflüssigkeiten für die Mobil-Hydraulik Ein wichtiges Auswahlkriterium für moderne Hydraulikflüssigkeiten für Baumaschinen ist neben der oxidativen und thermischen Beständigkeit und dem guten Verschleißschutz die Scherstabilität von Mehrbereichs-Hydraulikölen (HVI-Hydrauliköle, VI >140). Bild 13 zeigt die Scherstabilität von Hydraulikölen unterschiedlicher Basis. Polyalphaolefinbasische Hydrauliköle, z.b. Renolin Unisyn OL 46 sind absolut scherstabil. Gleiches gilt für gesättigte und partiell gesättigte HEES-Flüssigkeiten (biologisch schnell abbaubare Esterflüssigkeiten), z.b. Plantosyn Semisynthetische, synthetische Hydrocrack-Öle weisen ebenfalls einen sehr geringen Viskositätsabfall bei Scherung auf und gewährleisten dadurch die Verwendung als Mehrbereichs-Hydrauliköl bei wechselnden Temperaturbedingungen. Bild 13: Scherstabilität von HVI-Hydraulikölen 11

12 8 Höhere Schmierstoffkosten geringere Gesamtkosten Die Schmierstoffindustrie kann heute schon für viele Anwendungsbereiche Schmierstoffe für längere Lebensdauer und Lifetime-Schmierung anbieten. Schmierstoffe für längere Lebensdauer und Lifetime- Schmierung sind in der Regel auf Basis synthetischer Komponenten aufgebaut. Diese sind in der Regel deutlich teurer als konventionelle Schmierstoffe auf Mineralölbasis. Dieser Mehrpreis kann durch eine deutliche Anhebung der Lebensdauer um den Faktor 2 bis 4 im Vergleich zu Mineralöl und die damit verbundene Reduzierung der Serviceleistungen, der Betriebskosten, der Entsorgungskosten, der Ausfallkosten kompensiert werden. Die höheren Schmierstoffkosten müssen, um vergleichbar zu sein, in einen Gesamtkostenvergleich unter Berücksichtigung aller Parameter einbezogen werden. In vielen Anwendungen werden durch den Einsatz von synthetischen Basisflüssigkeiten die schmierstoffbezogenen Gesamtkosten des Systems deutlich reduziert. 9 Höhere Entwicklungskomplexität engere Zusammenarbeit Die Entwicklung und Einführung von Schmierstoffen für Lebensdauerschmierung ist nur in enger Zusammenarbeit zwischen den Schmierstoffherstellern, den Maschinenherstellern, den Komponentenherstellern und speziellen Hochschulinstituten möglich. Grundvoraussetzungen hierfür sind eine enge Zusammenarbeit, ein offener Informationsaustausch und ein gewisser Know-How-Fluß, der durch entsprechende Vereinbarungen geschützt sein muß. Darüber hinaus sind aufwendige Grundlagenuntersuchungen der "neuen Schmierstoffe" in Labors nötig, die noch in praxisnahen Prüfständen abgetestet werden müssen. Dies führt zu einer höheren Komplexität der zu prüfenden Parameter und damit verbunden zu höheren Kosten. Die Entwicklung eines auf das Aggregat, die Maschine abgestimmten speziellen Schmierstoffs führt weg von normungsfähigen Schmierstoffen hin zu Firmen- Entwicklungen bzw. Aggregate-Entwicklungen. Dies führt letztendlich auch zu einer Erhöhung der Produkt-Komplexität. Die Anzahl der Sonderprodukte wird steigen. Die Anzahl firmenspezifischer Lösungen wird zunehmen, wobei natürlich gewährleistet sein muß, daß die dort eingesetzten Schmierstoffe als Hochleistungs-Maschinenelement anzusehen sind. Quellen /1/ Amtliche Mineralölstatistik des BAW und MWV, Mineralölwirtschaftsverband, Germany, /2/ Europe Lube, Lubricants in Europe /3/ Delphi-Studie im Auftrag des VDMA / Fachgemeinschaft Fluidtechnik, March 1997; Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer, Lyoner Str. 18, D Frankfurt/Main, Germany. /4/ Mang, Theo; Dresel, Wilfried: Lubricants and Lubrication, Wiley-VCH, /5/ FUCHS Petrolub AG, Know How Transfer, Mannheim, Germany: Internal Reports; FUCHS Europe Schmierstoffe GmbH, Industrial Oils, Mannheim, Germany: Internal Reports. 12

13 /6/ Bock, W.; Bartels, T.: Reduzierung der Reibung durch gezielte Auswahl von Industriegetriebeölen, Paper presented during the "Antriebstechnisches Kolloquium ATK 2001", Aachen, Germany, May 2001, organized by the "Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME)" at the RWTH Aachen (University of Aachen), Aachen, Germany. /7/ DIN , Prüfung von Schmierstoffen, FZG-Zahnrad-Verspannungsprüfmaschine, April 1990; FUCHS Europe Schmierstoffe GmbH, Mannheim, Germany: Internal test reports of the mechanicaldynamic test field. /8/ Arno Kiechle, Mercedes Benz AG, Stuttgart, Germany, Dept. ZWT/PS: Cost Aspects of Cutting Fluid in Use, Translation of an article published in Mineralöltechnik No. 10, October 1996, ISSN No /9/ Prof. Dr. Theo Mang, Fuchs Petrolub AG, Mannheim, Germany: Future importance of base oils in lubricants, Paper presented at the "12. Internationales Kolloquium, Tribologie 2000 Plus", , Technische Akademie Esslingen, Postfach 1265, D Ostfildern, Germany. /10/ Prof. Dr. Theo Mang, Fuchs Petrolub AG, Mannheim, Germany: Voraussetzungen und Möglichkeiten der Schmierstoffe für die Langzeit- und Lebensdauerschmierung, Statement at the occasion of "Tribo- Talk", GFT-Tagung, 27 September 1999, Göttingen, Germany. /11/ Berechenbare Wirtschaftlichkeit und Sicherheit, Ölpflege mit System, Pall GmbH, Industrie-Hydraulik, Philip-Reis-Str. 6, D Dreieich, Germany. /12/ FAG Wälzlager, Technische Information, TI-No. WL 40-43: Verfeinerte Lebensdauerberechnung macht Leistungsreserven deutlich, FAG Kugelfischer Georg Schäfer AG, Postfach 1260, D Schweinfurt, Germany. Autor Dipl.-Ing. Wolfgang Bock Fuchs Petrolub AG Friesenheimer Straße 17, Mannheim Tel.: +49 (0)621/ Fax: +49 (0)621/ Internet: 13