Bei tribologischen Systemen ist es fast immer unumgänglich, zwischen die Reibpartner einen Schmierstoff zu bringen. Die Funktionsfähigkeit und die Lebensdauer hängen dann aber ganz wesentlich davon ab, ob der Schmierstoff auch an der geforderten Stelle verbleibt.
Die Schmierstoffvolumina welche in technischen Systemen eingesetzt werden, sind extrem unterschiedlich. In dem Getriebe einer Schiffsturbine können einige tausend Liter Schmieröl sein. Im Getriebe einer Armbanduhr genügt die unvorstellbar kleine Ölmenge von weniger als 8 Mikrolitern. 1 ml = 1000 Mikroliter.
Eine mittelgroße Freudenträne hat etwa 40 Mikroliter.
In Superpräzisions-Kugellagern, wie sie zum Beispiel in Drallrädern der Erdsatelliten eingesetzt werden, wird ein Milliliter Öl mit 1000 ml hochreinem n-Hexan verdünnt. Mit dieser Schmierstofflösung werden die Laufbahnen benetzt. Der nach dem Verdunsten des Lösungsmittels zurückbleibende Schmierfilm ist nur noch am Schimmer seiner Newtonschen Ringe zu erkennen. Die viskose Reibung einer größeren Schmierstoffmenge würde das Kreiselverhalten der Räder zu sehr beeinflussen. Die projektierte Lebensdauer dieser Kreisel beträgt etwa 10 Jahre. Solche, der Lageregelung dienenden Drallräder, können im Raum nie mehr nachgeschmiert werden. Fallen alle drei elektrisch angetriebenen Drallräder aus, gerät der Satellit in nicht mehr zu kontrollierendes Schlingern.
Das Hubble Space Teleskop soll bei der nächsten NASA-Mission neue Räder erhalten. Die „Monteure“ fliegen mit einem Space Shuttle ein und erledigen dann das und noch ein paar andere Kleinigkeiten, im Rahmen eines Weltraumspaziergangs!
Werden fettgeschmierte Gleitlager kontrolliert, überprüft der erfahrene Servicemechaniker immer erst den Fettkragen im Lagerspalt. Ist der noch schön sichtbar und hell, funktioniert das Lager einwandfrei. Das Nachpressen von frischem Fett schiebt natürlich auch alle Verschleißpartikel und Verschmutzungen aus dem Lager.
Ähnliches gilt beispielsweise für ölgeschmierte Sinterlager. Ist noch Öl im Lagerspalt erkennbar, läuft das Lager leise und ist leichtgängig. Sieht man einmal davon ab, dass durch Alterungsreaktionen das Öl verharzt sein könnte.
Silikonöle verwandeln sich bei Temperaturen von über 150 °C innerhalb von Tagen oder Wochen zu wunderschönem durchsichtigem Silikongummi. Hier hilft neben der visuellen nur noch die haptische Prüfung.
Das „Dasein“
Die wichtigste Eigenschaft eines Schmierstoffs ist nicht seine hochkomplexe Zusammensetzung sondern sein Dasein. (Sie sollten jetzt nicht gelacht haben!)
Das hört sich zwar bemerkenswert trivial an, ist aber eine unumstößliche und ganz wichtige Aussage. Denn selbst Handschweiß kann ein polymeres Gleitlager für viele Stunden Betrieb ausreichend schmieren! Aber eine Verzehnfachung der Schmierstoffmenge führt nicht automatisch zu einer Vervielfachung der Lebensdauer!
„Viel hilft viel“ ist tribologisch gesehen unsinnig. Interessanterweise wird aber in den allermeisten Produktionslinien immer hier und da noch ein zusätzliches Tröpfchen Öl oder ein Strich Fett verwendet. Es könnte ja doch helfen.
Das „Nicht – Dasein“
Ist kein Schmierstoff mehr da, läuft das Tribosystem trocken.
Geschmierte metallische Gleitlager können im hydrodynamischen Normalbetrieb Reibungszahlen von 0,01 und kleiner erreichen. Laufen sie trocken, steigt die Reibungszahl auf Werte nahe 1 an. Das ist eine Verhundertfachung. Natürlich ist damit auch die Reibleistung 100-mal höher. Verhältnis der entwickelten Reibleistung also 1:100.
Zur Veranschaulichung ein Vergleich: eine Glühbirne im Fahrradrücklicht hat etwa 1 Watt, ein dicker Lötkolben etwa 100 Watt Leistung, also 1:100.
Ein richtig dimensioniertes, geschmiertes Gleitlager hat selbst bei hohen Lasten nur wenige °C über Umgebungstemperatur. In der Mischreibung steigt die Lagertemperatur schnell auf etwa 80°C bis 150°C an. Der Trockenlauf kann dann bis zum Ausfall nur wenige Sekunden betragen.
Beim Verschleiß können die Unterschiede noch dramatischer sein: Ein gut geschmiertes Bronzelager kann 50 Jahre problemlos funktionieren. Im Trockenlauf rieseln schon nach wenigen Sekunden Abriebteilchen aus dem Lagerspalt. Lebensdauerverhältnisse 1:10 4 oder gar 1:10 6 sind ohne weiteres möglich.
Was beeinflusst das Dasein eines Schmierstoffs im Tribosystem?
Wir wollen hier nicht über Leckagen an undichten Dichtungen reden, sondern über Kräfte, die flüssige Schmierstoffe im Lagerspalt halten können.
Kann Öl vertrocknen?
Serviceleute in der Feinmechanik und Uhrentechnik haben immer wieder festgestellt, dass ehemals ausreichend gefüllte Lagerspalte leer geworden sind. Das Öl war offensichtlich weg, verschwunden, verdampft, vertrocknet.
Natürlich haben alle Flüssigkeiten und damit auch Schmierstoffe einen messbaren Dampfdruck. Außer Ionische Schmierstoffe, sagt man! Aber bei Normalatmosphäre ist der Volumenverlust durch Verdunstung so gering, dass er nicht zu Problemen führen dürfte.
Die Serviceleute haben aber absolut richtig beobachtet. Nur ist das Öl nicht vertrocknet sondern breitgelaufen.
Unter dem Begriff Breitlaufen (Spreading, Migration) versteht man das Kriechen und Benetzen von Schmierstoffen auf Festkörperberflächen. Dazu gibt es eine Reihe von einfachen aber wichtigen Zusammenhängen, die hier vorgestellt werden und die ohne großen Aufwand durch eigene Versuche nachvollzogen werden können!
? Wie verhält sich eine Flüssigkeit auf einer Oberfläche?
Es kommt zu einer Benetzung oder auch Entnetzung, die von verschiedenen Parametern beeinflusst wird.
Einflussparameter für das Benetzungsverhalten:
- Oberflächenspannung des Basisöles
- Oberflächenspannung des Festkörpers
- Sauberkeit der Oberfläche
- Ausbluten bei Fetten
- Textur der Oberfläche
- Rauhigkeit der Oberfläche
Die Viskosität und die Temperatur beeinflussen das zeitliche Verhalten.
Bild 9.01: Benetzungsverhalten
Im schwerelosen Raum zieht sich ein Flüssigkeitsvolumen zur Kugelform zusammen. Das wird durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit bewirkt. Die Astronauten führen das gerne vor und saugen dann den Flüssigkeitsball mit einem Strohhalm aus. Übrigens eines der wenigen absolut eindeutigen Experimente, die beweisen, dass diese Szene nicht im Studio gedreht wurde!
Kommt eine kleine tropfengroße Flüssigkeitskugel in den Kontakt mit einer Oberfläche, saugt sie sich dort fest (Wassertropfen) oder auch nicht (Quecksilber). Dabei spielt die Eigenschaft der Oberfläche aber eine entscheidende Rolle, Bild 8.02.
Bild 9.02 Wassertropfen auf einer imprägnierten Tischdecke
Bestehen die Tropfen auf der Tischdecke aus Rotwein, den man tunlichst fleckenlos entfernen möchte, sollten Sie niemals reiben. Nur tupfen oder vorsichtig aufsaugen. Reiben presst die Flüssigkeit in die Faserkapillaren der Tischdecke und der Rotweinfleck entsteht trotz der Imprägnierung.
Kommt ein Tropfen Mineralöl auf eine matte Oberfläche, entsteht ein Fettfleck, der immer größer wird, wenn genug Öl da ist
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Bild 9.04 |
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Bild 9.05 |
Normalerweise erfolgt das Breitlaufen radial, ohne Vorzugsrichtung
Bild 9.06 Polyglykolöl und Silikonöl.
Zustand einige Sekunden nach dem Aufsetzen der Tropfen auf einen Objektträger.
Macht man den Versuch mit Polyglykol (Oberflächenspannung 38 mN/m) auf einer sehr glatten Oberfläche, beispielsweise auf einem Spiegel, bleibt das Tröpfchen ortsfest und hoch aufgewölbt. Ein Silikonöl (Osp 21 mN/m) läuft breit.
Silikone sind so kriechfreudig, dass man damit ganze Fertigungsstätten unbemerkt kontaminieren kann. Das Quietschen von Schuhsohlen aus Gummi auf Fußbodenbelägen ist oft ein Anzeichen dafür.
Manche Betriebe, vor allem im Elektrobereich, haben daher striktes Verbot für Silikon ausgesprochen.
Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und die scheinbare Oberflächenspannung des Festkörpers konkurrieren miteinander. Ist die Festkörperoberflächenspannung deutlich größer, kommt es zum völligen Benetzen. Quecksilber benetzt gar nicht, sondert kullert der Schwerkraft folgend davon.
? Welche Rolle spielen Kapillarkräfte?
Verursacht durch Kohäsion und Adhäsion einer Flüssigkeit und dem Werkstoff steigt die Flüssigkeit in engen Röhren von selbst auf.
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Bild 9.08 |
Unterschiedliche Kapillardurchmesser, links, und unterschiedliche Oberflächenspannung, rechts.
Die Steighöhe der Flüssigkeit ist direkt abhängig vom Kapillardurchmesser. In einer sehr engen Kapillarröhre steigt Wasser viele Meter nach oben. Alle Pflanzen nutzen diesen Effekt. In einer Kapillare mit einem Millimeter Innendurchmesser steigt die Wassersäule kaum sichtbar. Wasser mit seiner sehr hohen Oberflächenspannung hat eine große Steighöhe, Mineralöl nur ein drittel davon. Je höher die Oberflächenspannung desto größer die Steighöhe.
Kaltes Wasser hat eine höhere Oberflächenspannung als heißes Wasser. Wenn man nach dem Duschen die Wände mit heißem Wasser abbraust, laufen alle Wassertropfen einfach ab.
Je enger eine Kapillare, desto größer ist ihre Saugkraft. Bringt man eine enge und eine weite Glaskapillare stirnseitig in Kontakt, saugt die enge die weite vollständig aus.
? Was geschieht mit ölgetränkten Sinterlagern, die man über Nacht auf ein
Fließpapier stellt?
Sie werden leer gesaugt.
? Warum passiert das nicht auf einer Glasplatte ohne Filterpapier?
Die Glasplatte hat im Gegensatz zum Fließpapier keine Kapillarkräfte, die Sinterlagerporen aber starke.
Hebt man die getränkten Sinterlager von der Glasplatte ab, sieht man dort jeweils einen benetzten Fleck. Denn zwischen Lagerstirnfläche und Glasplatte war auch ein enger Spalt.
Kapillarkräfte wirken also nicht nur in Röhren, sondern auch an parallelen Flächen.
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Bild 9.10 |
Klappt man zwei Flächen zusammen entsteht ein kapillaraktiver flächiger Spalt. Je mehr sich die Flächen annähern, desto größer wird die Kraft. Klappt man die Flächen auseinander, entsteht das Gegenteil.
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Bild 9.11
Versuch in einer Ecke.
Experiment mit zwei Objektträgern und gefärbtem Wasser. Sehr gut geht das auch mit Kaffee! |
Öl kriecht durch die Kapillarkräfte in einer Ecke innerhalb von wenigen Sekunden 15 Millimeter weit. Die Ecke darf aber nicht stark abgerundet sein.
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Bild 9.12
Das blau gefärbte Wasser kriecht immer dahin, wo der Spalt der beiden Objektträger am engsten ist. Die dem Spalt gegenüber liegenden Flächen werden trockengesaugt. |
Bild 9.13
Mit 2 gerade gebogenen Büroklammern und einem niedrigviskosen Mineralöl lässt sich der spaltweitenabhängige Kapillareffekt schön darstellen. Der Flüssigkeitstropfen bewegt sich immer dahin, wo er den enger werdenden Spalt „fühlt“. Er folgt also dem Gradienten.
? Gibt es eine Anti-Kapillarkraft?
Es sieht sehr danach aus. Das Gegenteil einer engen Kapillarröhre ist eine spitzige Nähnadel.
Bild 9.14 Öltropfen an Nadelspitze
Taucht man die Nadelspitze in Öl und zieht sie langsam heraus, -langsam ist sehr wichtig-, bleibt kein Öltropfen hängen. Macht man den Versuch mit einem beherzten Ruck, kann das Öl vikositätsbedingt nicht schnell genug nach unten abfließen. Jetzt brauchen Sie ein Vergrößerungsglas. Wenn Sie die Nadelspitze genau anschauen, werden Sie dort kein Öl finden. Der Tropfen sitzt etwa einen Millimeter höher.
Die Spitze scheint ihn abzustoßen. Übrigens: Mit einer Rasierklingenschneide funktioniert dieser Versuch nicht.
Bild 9.15 Kante stößt Wasser ab.
Die Abstoßungskraft ist so stark, dass Überstände von einigen Millimetern erreicht werden können.
An einer Kante entstehen "Antikapillarkräfte", welche die Flüssigkeit abstoßen. Die Kante darf aber nicht abgerundet sein.
Stößt man ein Weinglas um, fließt der Wein nur bis zur Tischkante.
Bild 9.16 Ölfluss ins Lager
In einem Gleitlager entsteht zwischen Welle und Lagerbohrung immer ein Spaltraum. Dieser Spaltraum hat hohe Kapillarkräfte und hält den flüssigen Schmierstoff fest. Dies gilt auch für ausblutendes Öl aus einem Fett.
Bei engen Spalten sind diese Kräfte so groß, dass eine Lebensdauerschmierung ohne Nachschmierung möglich ist. Beispiele sind Uhrwerke, Messgeräte, Elektrizitätszähler usw.
Will man das Kriechen des Öls aus einem Lager verhindern, ja sogar einen aktiven Ölfluss ins Lager erzielen, dann kann man die beschriebenen Effekte nutzen und den Lagerspalt so gestalten, dass das Öl in Richtung Lager einen sich verengende Spalt vorfindet.
Das Breitlaufen und Migrieren von Schmierstoffen kann zu beträchtlichen Problemen führen.
Typische Schadensprozesse
Schmierstoffmangel
durch Spreiten von Lagerschmierstoffen: In diesen Fällen kriecht der ölige Anteil des Schmierstoffs auf angrenzende Gehäuseoberflächen des Lagers und es kommt zeitabhängig zu deutlichem Schmierstoffverlust, der soweit gehen kann, dass das Lager trocken läuft und ausfällt. Es sind Beispiele bekannt, bei denen die zur Getriebeschmierung verwendeten Fließfette die gesamten Gehäuseinnenteile benetzten, es dadurch zu einer Reduzierung der eigentlichen Depotschmierung um über 80 % kam und dadurch die Baugruppen innerhalb eines Zehntels der geforderten Lebensdauer ausgefallen sind. Durch diese großen Schmierstoffmengen, die unkontrollierte und unerwünschte Kriechwege zurücklegen, kommt es zum zweiten typischen Schadensfall. Die Auswahl eines höherviskosen Produkts verhindert diesen Effekt nicht. Es verzögert ihn nur. Die Viskosität beeinflusst kaum die Oberflächenspannung.
Physikalisch-chemische Reaktionen
Die kriechenden Schmierstoffe erreichen Teile der Baugruppen, an denen sie gefährliche Veränderungen hervorrufen können. Solche Veränderungen können im Werkstoffumfeld oder im elektrischen Bereich auftreten. Im physikalisch/chemischen Bereich kommt es zu Wechselwirkungen des Schmierstoffs mit Werkstoffen, mit denen dieser Schmierstoff nicht kompatibel ist. Bei Thermoplasten zum Beispiel kann es bei amorphen Werkstoffen zu Spannungsrissbildung kommen. In diesem Fall führt der kriechende Schmierstoff bereits in extrem kleinen Mengen zum Beginn des spannungsrissbildenden Prozesses. Die Bauteile bekommen dort, wo deutliche Wanddickenunterschiede bestehen oder wo durch spritzgießtechnische Vorgänge Spannungen im Bauteil eingefroren sind, oberflächliche Risse, die soweit fortschreiten können, dass Teile der Baugruppen, beispielsweise Schnappverbindungen oder Platinenpfeiler, abbrechen. Eine vollständige Erklärung dieses Vorganges ist bisher noch nicht bekannt. Erschreckenderweise genügen bereits Ölmengen unter der heutigen Nachweisgrenze.
Neben diesem schlimmsten und gefährlichsten Fall der Beeinflussung von Werkstoffen kann es zum Quellen, Weichmachen oder zum Verspröden von Werkstoffen, Dichtungen, Lacken, Klebstoffen, usw. kommen. Hierzu sind jedoch erheblich größere Mengen an aufkriechenden Ölen notwendig.
Elektrische Probleme
Im Bereich elektrischer Komponenten gibt es mehrere Schädigungsmechanismen. Einer davon ist die unmittelbare Beeinflussung elektrischer Kontakte durch die Eigenschaft des Schmierstoffs. Wenn es zu Bildung von Kontaktfeuer kommt, wird der aufgezogene Schmierstoff zersetzt und es bilden sich Reaktionsprodukte mit teilweise katastrophalen Auswirkungen. Bürstenfeuer kann aber auch Schmierstoffreste wegbrennen und damit unschädlich machen. Klebrige Verschleißpartikel können Kommutatorspalte elektrisch leitfähig ausfüllen. Es besteht Brandgefahr. Kritisch sind Reaktionsprodukte bei Silikonölen, deren Abbauprodukte glasähnliche Überzugsschichten im mikroskopischen Kontaktbereich erzeugen. Silikonölhaltige Produkte sind vor allem deshalb gefürchtet, weil auch geringe Anteile über die Dampfphase auf Oberflächen übertragen werden können.
Beispiel: Potentiometerfehler
Auf Potentiometerbahnen, deren Schichtaufbau hochkomplex ist, führte ein Schmierstofffilm in Verbindung mit Verschleißprozessen zu bisher unbekannten Problemen. Alle Potentiometerbahnen und die dazugehörenden Schleifer sind so aufgebaut, dass ein gewisser Verschleiß erwünscht ist und die Bauelemente auf Abtrag konstruiert werden. Dieser Verschleiß führt zu einer definierten Sauberkeit der gleitenden Elemente und damit zu gleich bleibenden Kontaktwiderständen. Die dabei entstehenden Verschleißpartikelchen werden durch den Schleifer aus der eigentlichen Verschleißzone abgebürstet. Im Falle der durch Schmierstoff benetzten Oberfläche kommt es jedoch zur Verpastung des abgeriebenen Werkstoffs der Widerstandsbahn mit dem Schmierstofffilm. Die Partikel sind nicht mehr lose und vereinzelt sondern agglomerieren zu größeren Elementen, die so störend werden können, dass sie die Schleiferfinger abheben. Dieser Effekt kann zu einem nicht vorhersehbaren Totalausfall des Systems führen. In sicherheitsrelevanten Baugruppen, wie beispielsweise elektronischen Steuerelementen in Kraftfahrzeugen, kann dieser Effekt zu äußerst lästigen und gefährlichen Fehlfunktionen führen.
? Kann man die Oberflächenspannung eines Schmierstoffs nicht durch Additive
erhöhen, um die Probleme zu beseitigen?
Nein, jedenfalls nicht ohne die Schmierstoffeigenschaften dabei zu ruinieren.
? Wie kann das Breitlaufen von Ölen dann überhaupt verhindert werden?
Durch die Beschichtung der Festkörperoberfläche.
Bild 9.17 Öltropfen auf unbehandelter (unten) und epilamisierter Oberfläche (oben)
Bild 9.18 Blatt des Frauenmantel (Alchemilla vulgaris)
Epilamisierungprozess
Wie beschrieben, kann das Breitlaufen des Schmierstoffes sehr störend sein, weil der Schmierstoff dadurch unter Umständen die Reibstelle verlässt und Reibung und Verschleiß stark zunehmen können. Außerdem können durch physikalisch-chemische Reaktionen Bauteile und Funktionen zerstört werden.
? Kann das Breitlaufen oder Wegkriechen von Ölen auf Metallen oder Kunststoffen
wirkungsvoll verhindert werden?
Ja, durch eine ganz spezielle Behandlung der Oberfläche.
Ein wirkungsvolles Verfahren zur technischen Problemlösung des Kriechens ist das Epilamisieren. Bei der Epilamisierung wird die scheinbare Oberflächenspannung der Bauteile durch Aufbringung eines die Oberflächenspannung senkenden PTFE- ähnlichen Films erreicht. Das Wort „Epilamisieren“ ist abgeleitet vom griechischen Wort Epilam = „Häutchen“.
Bild 9.19 Breitlaufen auf unbehandelter Oberfläche
Bild 9.20 „Verhindertes Breitlaufen“ auf behandelter Oberfläche
Applikation und Vorteile:
- Tauchen, Sprühen, Stempeln
- Einfach und kostengünstig
- Nicht sichtbar
- Kein Einfluss auf sonstige Eigenschaften des Basiswerkstoffes
- Schichtdicke: ~0,01 bis 0,04µm (unsichtbar)
- Wirkung auf allen Werkstoffen (Metalle, Polymere, Glas, Saphir, etc.)
- Eingeschränkte Wirkung auf fluorierten Werkstoffen
Bild 9.21
Die Epilammoleküle bilden eine Fluorbürste mit ölabstoßenden Eigenschaften. Auf der "Bürste" kann Öl nicht mehr kriechen.
Durch das Epilamisieren von Bauteiloberflächen, die geschmiert werden sollen, kann Schmierstoffverlust oder Mangelschmierung verhindert werden. Auf epilamisierte Oberflächen können Schmierstoffe nicht aufkriechen. Dadurch bleiben sensible Bauelemente schmierstofffrei. Eine Kontamination oder Schädigung wird verhindert. |
