Aufgaben der Schmierstoffe Grundöle, Festschmierstoffe, Additive Aufgaben und Eigenschaften 2004 1
Allgemeines Aufgaben und Eigenschaften 2004 2
KRAFTÜBERTRAGUNG WÄRMEABFUHR KORROSIONSSCHUTZ ABDICHTUNG UNSCHÄDLICHMACHEN VON FREMDSTOFFEN durch Druckfilm durch Reaktionsfilm nach außen, gegen sich selbst nach innen, gegen Verunreinigungen flüssige Verunreinigungen feste Verunreinigungen Aufgaben und Eigenschaften 2004 3
Verhalten gegenüber Dichtungs- und Konstruktionswerkstoffen sowie Anstrichen Schaumneigung Flüchtigkeit, Flüssigkeitsverbrauch Reibungsverhalten, Kraftstoffverbrauch (bei Motorenölen) Gebrauchsdauer, Schmierstoffwechselfristen Aufgaben und Eigenschaften 2004 4
Schmieröle Schmierfette Mineralöle Synthetische Flüssigkeiten Fette mit Seifenverdickern Fette mit Nicht- Seifenverdicker Unlegierte Öle Legierte Öle Unlegierte Flüssigkeiten Legierte Flüssigkeiten Fette mit Mineralöl als flüssige Phase Fette mit synthetischen Flüssigkeiten als flüssige Phase Fette mit Mineralöl als flüssige Phase Fette mit synthetischen Flüssigkeiten als flüssige Phase Aufgaben und Eigenschaften 2004 5
Trockenpulver Pasten Gleitlacke Kunststoffe Sprühhaftschmierstoffe mit Festschmierstoffen Bitumhaltige Schmierstoffe Öl-in-Wasser-Emulsion Wasser-in-Öl-Emulsion Flüssigkeiten Gase, z.b. Luft Wasser Flüssige Metalle Säuren, Laugen, Sonstige Aufgaben und Eigenschaften 2004 6
Verfügbare Schmierstoff-Komponenten Grundöle Mineralöle Syntheseöle Biologisch schnell abbaubare Öle Schmierfette Mineralölbasische Fette Synthesefette Festschmierstoffe Additive Aufgaben und Eigenschaften 2004 7
Mineralöle 2004 8
Struktur der Mineralöle Variationsmöglichkeit zwischen C und H ist groß Mineralöl ist keine exakt definierte Verbindung, sondern ein komplexes und heterogenes Gemisch. Grobe Einteilung der Kohlenwasserstoffe Kettenförmig, gesättigt (reaktionsträge) PARAFFINE Kettenförmig, ungesättigt (reaktionsfreudig) Ringförmig, gesättigt (reaktionsträge) Ringförmig, ungesättigt (reaktionsfreudig) Ringförmig, ungesättigt (sehr reaktionsfreudig) (Benzolring) OLEFINE NAPHTHENE NAPHTHENE ungesättigte AROMATEN Mineralöle 2004 9
Molekülstruktur beeinflusst chemische und physikalische Eigenschaften: Aggregatzustand Viskosität, Viskositäts-Temperatur-Verhalten Oxidationsstabilität Thermische Stabilität Ein Mineralöl wird als paraffinisch, naphthenisch, aromatisch bezeichnet, je nachdem welcher KW-Typ die Gesamt- Eigenschaften dominiert. Mineralöle 2004 10
Neue API- und ATIEL-Grundölklassen Gruppe Typ Gesättigte Verb. Schwefelgehalt Viskositäts- Index Bemerkungen I Konventionelle < 90 > 0,03 80 < IV < 120 Mineralöle I+ Konventionelle < 90 > 0,03 100 < IV < 120 Bessere CCS- und Mineralöle Noack-Werte II Unkonventionelle > 90 < 0,03 80 < IV < 120 Mineralöle II+ Unkonventionelle > 90 < 0,03 100 < IV < 120 Bessere CCS- und Mineralöle Noack-Werte III Hydrocracköle > 90 < 0,03 > 120 III+ Hydrocracköle?? > 140 Motoren- und Getriebeöle IV Syntheseöle PAOs V Syntheseöle Ester u.a. Gruppe II + bis 2010 auf dem Markt Nächste Klassifikation nur für Gruppe I+, II+, und III+-Öle SCHMIERFETTE UND IHRE ANWENDUNG Mineralöle 2004 11
Syntheseöle 2004 12
Gründe für die Wahl synthetischer Flüssigkeiten Gewünschte Eigenschaft lässt sich durch Additive nicht erreichen. Anforderung an gewünschte Eigenschaft lässt sich durch Additive nicht oder nicht wirtschaftlich erreichen Syntheseöle 2004 13
Vorteile synthetischer Flüssigkeiten Thermische Beständigkeit Oxidative Beständigkeit Viskosität-Temperatur-Verhalten Fließverhalten bei tiefen Temperaturen Flüchtigkeit (bei hohen Temperaturen) Temperatur-Einsatzbereich Strahlenbeständigkeit Schwerentflammbarkeit Nachteile synthetischer Flüssigkeiten Hydrolytisches Verhalten Korrosionsverfahren Verträglichkeit mit anderen Werkstoffen Verfügbarkeit Kosten Grundsätzlich in bestimmten Viskositätslagen Syntheseöle 2004 14
Polyalphaolefine Vorteile Gutes Fließverhalten b. tiefen Temperaturen Hohe thermische und oxidative Beständigkeit Niedrige Verdampfungsverluste bei hohen Temperaturen hoher Viskositätsindex Gutes Reibungsverhalten bei Mischreibung Mischbar mit Mineralölen und Estern Gute hydrolytische Beständigkeit Gutes Korrosionsschutzvermögen Nicht toxisch Nachteile Begrenzte biologische Abbaubarkeit Begrenzte Additiv-Löslichkeit Besonders geeignet für: Motorenöle Kompressorenöle Hydrauliköle Getriebeöle Schmierfette Nicht geeignet für Schnell biologisch abbaubare Öle Syntheseöle 2004 15
Polybutene Vorteile Nicht toxisch Sauber verbrennend ohne Rückstände Gute Schmierungseigenschaften Gute Korrosionsschutzeigenschaften Mischbar und verträglich mit Mineralöl Besonders geeignet für Zweitakt-Motorenöle Äthylen-Gaskompressorenöle Kühlschmierstoffe Schmierfette Drahtseilschmierstoffe Nachteile Geringe Oxidationsbeständigkeit Hohe Verdampfungsverluste Schlechtes Fließverhalten bei tiefen Temperaturen Niedriger Viskositätsindex Nicht geeignet für Alle Umlauf-Schmieröle Syntheseöle 2004 16
Diester und Polyester Vorteile Gute Oxidationsbeständigkeit Gutes Tieftemperatur-Fließverhalten Hoher Viskositätsindex Niedriger Verdampfungsverlust bei hohen Temperaturen Unbegrenzte Mischbarkeit und Verträglichkeit mit Mineralölen Gute Verschleiß- und Fressschutzeigenschaften Nicht toxisch Schnell biologisch abbaubar Nachteile Niedrige Viskositäten Begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen und Farben/Lacken Schlechte Hydrolysebeständigkeit Mäßige Korrosionsschutzeigenschaften Besonders geeignet für Flugturbinenöle Motorenöle Kompressorenöle Getriebe- und Hydrauliköle Kältemaschinenöle Schnell biologisch abbaubare Schmieröle Nicht geeignet für Anwendungen mit hohen Korrosionsschutzanforderungen Anwendungen mit Forderungen nach besonders hohen Viskositäten Syntheseöle 2004 17
Polyalkylenglykole Vorteile Hoher Viskositätsindex Ausgezeichnete Verschleiß- und Fresseigenschaften Ausgezeichnetes Reibungsverhalten (Stahl/Bronze) Gute Oxidationsbeständigkeit Gute Tieftemperatur-Fließeigenschaften Nicht toxisch Schnell biologisch abbaubar Besonders geeignet für Schneckengetriebeöle Schwerentflammbare Hydraulikflüssigkeiten Kompressorenöle Schnell biologisch abbaubare Schmieröle Textilmaschinenöle Kältemaschinenöle (Kfz) Kühlschmierstoffe Nachteile Nicht mischbar mit Mineralölen Schlechte Additiv-Löslichkeit Begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen und Farben/Lacken Nicht geeignet für Motorenöle Hochleistungsgetriebeöle Syntheseöle 2004 18
Phosphorsäureester Vorteile Schwer entflammbar Gute Oxidationsstabilität Gute Tieftemperatur-Fließeigenschaften Ausgezeichnete Verschleiß- und Fressschutzeigenschaften Hohe Strahlenbeständigkeit Nicht toxisch Schnell biologisch abbaubar Besonders geeignet für Schwer entflammbare Hydrauliköle (Hydraulik- und Lagerschmieröle in Kraftwerken) Gasturbinenöle Nachteile Mäßige Hydrolysebeständigkeit Mäßiges Korrosionsschutzverhalten Niedriger Viskositätsindex Begrenzte Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen Nicht mischbar mit Mineralölen Nicht geeignet für Alle anderen als oben genannten Anwendungen Syntheseöle 2004 19
Silikonöle (Siloxane) Vorteile Höchster Viskositätsindex aller Schmieröle Gute oxidative und thermische Beständigkeit Ausgezeichnete Tieftemperatur-Fließeigenschaften Niedrige Verdampfungsverluste Hohe chemische Beständigkeit Ausgezeichnete Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen Gute elektrische Eigenschaften Nachteile Schlechteste Schmierungseigenschaften aller Öle bei Mischreibung Nicht mischbar mit Mineralölen Keine Löslichkeit für Additive Besonders geeignet für Hochtemperatur- Hydraulikflüssigkeiten Spezielle Schmierfette Sonderschmierstoffe für chemische und elektrische Kontakte Nicht geeignet für Andere Anwendungen als oben erwähnt Aufgaben und Eigenschaften 2004 20
Biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe 2004 21
Anwendungsbeispiele für biologisch abbaubare Schmierstoffe und Arbeitsflüssigkeiten Außenbord-Zweitaktmotorenöle Kettensägenöle, Sägegatteröle Spurkranzschmierstoffe für Bahnen Entschalungsöle Seilschmierstoffe Schmierfette für LKW-Zentralschmieranlagen Hydrauliköle im Hoch-, Tief- und Tunnelbau sowie in der Forst- und Landwirtschaft Schmierstoffe für Kläranlagen, Wasserwehre und Schleusen Schmierstoffe in der Lebensmittelindustrie Schmierstoffe für Snowmobile und Skipistenpflegegeräte Bioöle 2004 22
Gesetzlicher Rahmen Allgemeines Gesetz und Regelwerke - Chemikaliengesetz - Abfallgesetz - Wasserhaushaltsgesetz Bioöle 2004 23
Wassergefährdung durch biologisch schnell abbaubare Grundöle Natürliche Ester (Pflanzenöle) Synthetische Ester Polyalkylenglykole WGK 1 Mineralöle WGK 1 keine Wassergefährdung Bioöle 2004 24
Die nicht wassermischbaren Basisöle, die heute für diese Schmierstoffgruppe zum Einsatz kommen, lassen sich wieder in zwei Gruppen unterteilen: Synthetische Ester - Ungesättigte Ester - Gesättigte Ester Natürliche Ester (Native Öle, vorwiegende Pflanzenöle) Bioöle 2004 25
Vergleich der chemisch/physikalischen Eigenschaften von biologisch abbaubaren Grundölen mit Mineralöl (Mittelwerte) Bioöle 2004 26
Biologische Abbaubarkeit von Grundölen (CEC-L-33-A-94 Test) 2 Aufgaben und Eigenschaften 2004 27
Anforderungen an biologisch abbaubare Schmierstoffe und Hydraulikflüssigkeiten 2 Aufgaben und Eigenschaften 2004 28
Festschmierstoffe 2004 29
Zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften flüssiger und pastöser Schmierstoffe Für Betriebsbedingungen, für die keine flüssigen oder Pastösen Schmierstoffe eingesetzt werden können - sehr kleine Geschwindigkeiten und Bewegungen (etwa oszillierende Bewegungen) - sehr hohe spezifische Belastungen - ungewöhnliche umgebende Atmosphären Festschmierstoffe 2004 30
Einsatzbereiche verschiedener Schmierstoffe Festschmierstoffe 2004 31
Die folgenden Stoffgruppen können mögliche Festschmierstoffe sein: - Bestimmte Gläser - Oberflächenreaktionsschichten, z.b. Oxid-, Sulphid-, Nitrid-, Phosphatschichten - Bestimmte weiche Metalle, z.b. Gold, Silber, Blei, Kupfer, Indium - Bestimmte weiche Nichtmetalle, z.b. Blei- und Eisensulphid, Bleioxid, Silberjodid - Bestimmte organische Stoffe, z.b. Polytetrafluoräthylen (PTFE), Amide, Imide - Bestimmte Stoffe mit Schichtgitterstruktur, z.b. Sulphide oder Selenide von bestimmten Schwermetallen (WS₂ WSe₂, MoS₂) oder Graphit Festschmierstoffe 2004 32
Systematische Übersicht der Festschmierstoffprodukte zur direkten Filmbildung Pulver Trockenschmierfilm Paste Mehrere Sorten unterschiedlicher Reinheit und Teilchengröße Festschmierstoffe als Pigment in Verschiedenen Bindemitteln, mit flüchtigen Trägerflüssigkeiten im Anlieferungszustand Anteigungen und Dispersionen in Mineralölen und Syntheseölen mit weiteren Additiven ca. 100 % 10 50 % 40 70 % Festschmierstoffe 2004 33
Systematische Übersicht der Festschmierstoffprodukte zur indirekten Filmbildung Öl Fett Lagerwerkstoff Kolloidale Suspensionen 1) In hochkonzentrierter Form als Zusatz zu Schmierölen (Konzentrate) 2) In geringer Konzentration in gebrauchsfertigen Schmierölen Pulver oder kolloidale Suspensionen in geringer Konzentration in gebrauchsfertigen Schmierfetten aller Arten Zusatz als schmierendes Pigment zu Gleitwerkstoffen aus verschiedenen Kunststoffen und Sinterwerkstoffen 1) 5 20 % 2) 1 % 3 10 % 5 50 % Festschmierstoffe 2004 34
Vorteile und Nachteile von Festschmierstoffen: Zu den Vorteilen gehören u.a. - sehr weiter Einsatztemperaturbereich - Verwendung im Vakuum möglich (gilt für MoS 2, aber nur bedingt für Graphit) - oft sehr beständig gegenüber aggressiven Medien - Einfachere Konstruktionen möglich, z.b. Abdichtung, durch Verzicht auf flüssige oder pastöse Schmierstoffe Festschmierstoffe 2004 35
Vorteil und Nachteile von Festschmierstoffen: Zu den Nachteile gehören u.a. - Kontinuierlicher Abrieb des Schmierfilms bei direkter Filmbildung und damit Dimensionsänderung - Problematische Nachschmierung bei direkter Filmbildung - Höhere Reibungsverluste bei Trockenreibung im Vergleich zur Flüssigkeitsreibung - Bei Verwendung als Wirkstoff (nicht öllöslich) ist Suspendierung nötig - Manchmal problematischer Korrosionsschutz, z.b. beim Einsatz von MoS 2. Festschmierstsoffe 2004 36
Charakteristische Eigenschaften von Festschmierstoffen Fesrschmierstoffe 2004 37
Grundlagen der Additive 2004 38
Die Zugabe von Additiven / Zusätzen / Wirkstoffen zu einem Grundschmierstoff wird auch als Legierung bezeichnet Hierunter versteht man die Zugabe (relativ) kleiner Mengen eines Stoffes zu einer großen Menge eines Grundstoffes, welche dessen Eigenschaften erheblich verändert Beispiel: Eisen + andere Elemente Stahl Die Eigenschaften des Schmierstoffs können in Auswahlwerte und Güterwerte unterteilt werden. Bei den Güterwerten kann zwischen Sekundär- und Primäreigenschaften unterschieden werden. Letztere sind charakteristisch für einen bestimmten Anwendungsfall Allgemeines 2004 39
Aufgabe der Additive Erzeugung von Eigenschaften, die der Grundschmierstoff nicht besitzt Verstärkung positiver Eigenschaften Abschwächung / Unterdrückung negativer Eigenschaften 2004 40
Wichtige Eigenschaften von Schmierstoffen und Betriebsstoffen Auswahlwerte Gütewerte Sekundäreigenschaften Primäreigenschaften Viskosität Dichte Flammpunkt Anilinpunkt Toxizität Asche Reibungsverhalten Viskosität/Temperatur-Verhalten Verschleißverhalten (Fressverhalten) Viskosität/Druck-Verhalten Einlaufverhalten Fließverhalten bei tiefen Temperaturen Detergent/Dispersant-Verhalten Fließverhalten bei hohen Temperaturen Entflammbarkeit Kälteverhalten Strahlenbeständigkeit Chemisches Verhalten (Korrosion, Angriff auf NE-Metalle) Beständigkeit (thermisch, oxidativ) Wasser und Luftabscheidevermögen Verträglichkeit mit Dichtungswerkstoffen Verkokungsneigung Verdampfungsverhalten Cloudpoint/Pourpoint Allgemeines 2004 41
Nicht durch Additive zu beeinflussende Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit Flüchtigkeit Strahlenbeständigkeit Paraffinausscheidung Luftabscheidevermögen Thermostabilität Gaslöslichkeit Kompressibilität 2004 42
Zu den wichtigsten Additivtypen gehören: Viskositätsindex-Verbesserer Oxidationsinhibitoren Korrosionsinhibitoren, Deaktivatoren Verschleiß- und Fressschutzwirkstoffe Reibungsveränderer Detergent-, Dispersantwirkstoffe Sonstige: Pourpointverbesserer, Schauminhibitoren, Haftverbesserer, usw. Allgemeines 2004 43
Haupttypen Neutralisatoren Schauminhibitoren Oxidationsinhibitoren Rostinhibitoren Korrosionsinhibitoren Anti-Wear (Verschleiß- Schutz)- Wirkstoffe Funktionen Neutralisation saurer Verbindungen, entstanden durch Verbrennung schwefelhaltiger Kraftstoffe oder weniger häufig durch Zersetzung bestimmter EP-Wirkstoffe Verringern Oberflächenschaum Verringern und verzögern Oxidation Typen: Inhibitoren, Metalldeaktivatoren, Metallposivatoren Verringern Rostbildung auf eisenhaltigen Oberflächen Typ A: Verringern Korrosion bleihaltiger Werkstoffe Typ B: Verringern Korrosion kupferhaltiger Werkstoffe Verringern abrasiven Verschleiß bei mäßig schweren Bedingungen, vor allem bei stationären Beanspruchungen 2004 44
Haupttypen Extrem-Pressure (Fress-Schutz)-Wirkstoffe Reibungsveränderer Detergent-Wirkstoffe Dispersant-Wirkstoffe Emulgatoren Pourpoint-Verbesserer Viskositätsindex- Verbesserer Haftverbesserer Funktionen Verringern Verschleiß und Fressen bei schweren Bedingungen, vor allem auch bei Stoßbelastungen Verringern Reibung bei Mischreibungs-Bedingungen Verringern der Entstehung von Ablagerungen bei hohen Temperaturen, z.b. in Verbrennungsmotoren Verhindern des Schlamm bei niedrigen Temperaturen, z.b. in Verbrennungsmotoren Zur Herstellung von Wasser-in-Öl oder Öl-in-Wasser- Emulsionen Herabsetzung des Pourpoints paraffinischer Öle Verringerung der Viskosität-Temperatur-Abhängigkeit Verringerung der Abtropf- oder Abschleuderneigung des Öls 2004 45
Typische Wirkstoffe zur Herstellung von Fertigprodukten Additivtypen Oxidationsinhibitoren VI-Verbesserer Pourpoint-Erniedriger Entschäumer Typische Vertreter Phenole Amine Zinkdithiophosphate Polymethacrylate Styrenbutadiencopolymere Olefincopolymere Polymethacrylate Polyester Phenol-/Naphthalin- Kondensationsprodukte Silicone Acrylate 2004 46
Typische Vertreter zur Herstellung von Fertigprodukten Additivtypen Rostinhibitoren Korrosionsinhibitoren Verschleißschutzwirkstoffe Detergents / Dispersants Typische Vertreter Metallsulfonate Aminphosphate Bernsteinsäurehalbester Zinkdithioiphosphate geschwefelte Verbindungen Zinkdithiophosphate Tricresylphosphate Schwefelträger Metallhaltige Sulfonate / Phenate Amide Amine 2004 47
Art der Maschinenanlagen Nahrungsmittelindustrie Ölhydraulik Dampf- und Gasturbinen Dampfmaschinen- Zylinder Luftverdichterzylinder Verwendete Wirkstoffe Keine Oxidationsinhibitoren Rostinhibitoren Verschleißschutz (AW)- Wirkstoffe Pourpoint-Verbesserer Viskositätsindex-Verbesserer Schauminhibitoren Oxidationsinhibitoren Rostinhibitoren Keine, eventuell Fettöle Oxidationsinhibitoren Rostinhibitoren Besondere Anforderungen Unbedenklich bei versehentlichem Genuss Geringstmögliche Viskositäts- Änderung mit der Temperatur Geringstmöglicher Verschleiß Stahl / Stahl Gutes Wasserabscheidevermögen Erhaltung des Ölfilms auf heißen Oberflächen ; Widerstand gegen Abwaschen durch Nassdampf Geringstmögliche Ablagerungsneigung 2004 48
Art der Maschinenanlagen Getriebe (Stahl / Stahl) Getriebe (Stahl / Bronze) Gleit- und Bettbahnen (Werkzeugmaschinen) Gekapselte Kältekompressoren Verbrennungsmotoren Verwendete Wirkstoffe Verschleiß-Schutzwirkstoffe Fress-Schutzwirkstoffe Oxidationsinhibitoren Schauminhibitoren Pourpoint-Verbesserer Reibungsverbesserer Oxidationsinhibitoren Reibungsverbesserer Haftverbesserer Keine Detergent-/Dispersant-Wirkstoffe Oxidationsinhibitoren Neutralisatoren Schauminhibitoren Verschleiß-Schutz-Wirkstoffe Korrosionsinhibitoren Besondere Anforderungen Besonderer Schutz gegen Abrieb und Fressen Herabsetzung von Reibung, Temperaturanstieg, Verschleiß und Oxidation Gleichförmiges Gleiten bei Niedrigen Geschwindigkeiten; Aufrechterhaltung eines Ölfilms Bei senkrechten Flächen Gute thermische Beständigkeit; Mischbarkeit mit Kältemitteln; Niedriger Fließpunkt 2004 49
Beabsichtigte Wirkung und mögliche Nebeneffekte von Wirkstoffkomponenten Additivtypen Entschäumer Rostinhibitoren Detergents / Dispersants Oxidationsinhibitoren VI-Verbesserer Verschleißschutzwirkstoffe Beabsichtigte Wirkung Schaumverhalten Rostschutz Detergier-/ Dispergierverhalten Alterungsverhalten Viskositäts- Temperaturverhalten Verschleißverhalten Möglicher Nebeneffekt Luftabscheidevermögen Demulgier-/ Verschleiß- Alterungsverhalten Demulgierverhalten Luftabscheidevermögen Schlammneigung Viskositätsverlust bei Scherung Alterungsverhalten Buntmetallverträglichkeit 2004 50
Schematische Darstellung einer Metalloberfläche Adsorbierte Gase und Wasser Oxide Bearbeitete Fläche Grundmetall 2004 51
2004 52
2004 53
2004 54
2004 55
Die Zukunft? Um der Gesetzgebung bei Auspuffgasen zu genügen, setzen viele OEMs auf eine Vielzahl von Katalysatoren - Phosphor und Schwefel vergiften einige Katalysatoren - Asche kann Diesel-Partikel-Filter (DPF) verstopfen So sieht die Zukunft aus: - Weniger P, S und Metalle bei Formulierungen - Weiterhin Bedürfnis nach Verschleißschutz - Neue Additive ohne S, P sowie weniger Asche 2004 56