Schmierfette sind halbflüssige Schmierstoffe, die aus einem Schmieröl, einem Eindicker und verschiedenen Zusätzen oder Wirkstoffen (Additiven) bestehen.
In der Regel bestehen Schmierfette aus ca. 80 % Schmieröl, ca. 5 % bis 10 % Eindicker und ca. 10 % bis 15 % Additiven. Der Eindicker ist bei den gängigsten Fetten eine Leicht- bzw. Alkalimetallseife, diese bildet ein schwammartiges Gerüst, das die Öltröpfchen umschließt. Je nach Temperatur, Zeit und Beanspruchung (Scherung) wird das Schmieröl mehr oder weniger schnell freigesetzt. Diesen Vorgang nennt man auch „Ausbluten“. So kann ein Schmierfett auch am Rande eines Tribokontaktes die Reibstelle mit Öl versorgen.
Neben der Schmierung sollen Schmierfette in der Regel auch einen Schutz vor Korrosion bieten, was in der Regel durch Additive erreicht wird. Zum Schutz vor dem Trockenlaufen bei erhöhter Temperatur werden auch Trockenschmiermittel zugesetzt.
Durch die Auswahl entsprechender Öle, Eindicker und Additive lassen sich die Eigenschaften der Schmierfette für die unterschiedlichsten Anwendungen optimieren. So gibt es Fette für hohe oder besonders tiefe Temperaturen, für Anwendungen im Vakuum, besonders wasserbeständige und wetterfeste, besonders druckfeste oder kriechfähige, lebensmittelechte oder besonders haftfähige Fette.
Definitionen Unter Schmierfetten versteht man physikalisch Suspensionen aus Schmierölen, Eindickern und verschiedenen Zusätzen oder Wirkstoffen. Nach der DIN 51825 sind Schmierfette konsistente Schmierstoffe, die aus Mineralöl und/oder Syntheseöl sowie einem Dickungsmittel bestehen. Laut ASTM sind Schmierfette feste bis halbflüssige Stoffe, die durch Dispersion eines Eindickungsmittels in einem flüssigen Stoff entstehen. Andere Zusatzstoffe, die besondere Eigenschaften verleihen, dürfen enthalten sein.
Aufbau, Struktur und Eigenschaften In der Regel bestehen Schmierfette aus 65–95 % Schmieröl (Grundöl), 3–30 % Eindicker und 0–10 % Additiven. Die Suspension aus Grundöl und Verdicker bezeichnet man auch als Grundfett.
Grundöle Über das Grundöl wird die Viskosität und die Temperaturabhängigkeit des Schmierfettes festgelegt, wozu auch die Additive der Grundöle beitragen. So bewirken VI-Verbesserer (Additive des Grundöls), wie sich die Viskosität bzw. der Viskositätsindex bei höheren Temperaturen entwickelt.
Es werden folgende Grundöltypen unterschieden: Mineralöle, Syntheseöle und in Abweichung zur DIN 51825 ebenso pflanzliche Öle und tierische Fette (s. u. Staufferfett, calciumhydroxid-verseift).
Eine grobe Einteilung von Kohlenwasserstoffen in mineralölbasierten Schmierölen ist in der folgenden Tabelle dargestellt. Ein Mineralöl wird als paraffinisch, naphthenisch oder aromatisch bezeichnet, je nachdem welcher Typ von Kohlenwasserstoffen die Gesamteigenschaften dominiert.
+Einteilung von MineralölenBezeichnungArt der HauptkomponenteParaffineKettenförmig, gesättigtOlefineKettenförmig, ungesättigtNaphtheneRingförmig, gesättigtteilw. ungesättigte NaphteneRingförmig, ungesättigtAromatenRingförmig, aromatisch +Eigenschaften der paraffinischen, naphthenischen und aromatischen Mineralölen im einfachen Vergleich zueinander.ÖltypDichteFlammpunktOxidationsstabilitätBenetzungsfähigkeitParafinisches MineralölniedrighochgutmittelOlefinisches MineralölmittelmittelgutgutAromatisches Mineralölhochniedrigschlechthoch
Typische Grundöle sind:
Alkylierte Naphthaline (AN) Chlortrifluorethylene (CTFE) Esteröle Mineralöle, auch synthetische Multialkylierte Cyclopentane (MAC) Polyalphaolefine (PAO) Polyphenylether (PPE) Polyglykolöle (PG) Perfluorierte Polyetheröle (PFPE) Silikonöle
Eindicker Eindicker, auch Verdicker genannt, sind der wesentlichste Bestandteil von Schmierfetten. Sie dienen dazu, den schmierfetttypischen Aggregatzustand, also die Struktur des Schmierfettes, zu vermitteln. Der Verdicker bildet die Matrix, in der das Grundöl eingelagert wird. Durch Walken tritt das Öl aus der Matrix aus und gelangt an die Schmierstelle. Die Menge des schmierenden Öls, welches aus dem Fett austritt und an der Schmierstelle wirkt, wird über die Art des Verdickers gesteuert. Eine zu steife Matrix könnte eine Mangelschmierung bewirken, wird dagegen zu viel Öl abgegeben, verliert das Fett zu schnell seine Schmierfähigkeit, weil die Matrix zerstört wird und das Öl abläuft. Ein geeignet gewählter Verdicker kann in Ruhephasen das Öl teilweise wieder aufnehmen.
Schmierfette mit verschiedenen Verdickern können nicht in jedem Fall miteinander vermischt werden, da die Eindicker untereinander nicht immer verträglich sind und sich bei Kontakt in ihren Eigenschaften beeinflussen (z. B. kann sich der Tropfpunkt verändern, weil das Seifengerüst zusammenbricht).
Vermischung verschiedener Schmierstoffe ist eine der Hauptursachen für Anlagenprobleme. Eine Mischbarkeit (zwei Stoffe sind dann mischbar, wenn sie sich vollständig ineinander lösen) zweier Schmierfette lässt nicht zwangsläufig auf deren Verträglichkeit (zwei Schmierfette sind dann verträglich, wenn sie sich in ihren Eigenschaften bei Mischung nicht beeinflussen) schließen.
Verdicker bestehen meist aus Alkali- und Erdalkalisalzen von Fettsäuren (diese Schmierfette bezeichnet man als Metallseifenfette) und/oder anderen Stoffen. Häufig verwendete Verdicker sind:
Aluminiumseife, Aluminiumkomplexseife – Aluminium-Komplexseifenfette sind sehr wasserbeständig, gut förderbar und sehr hitzebeständig. Sie halten Betriebs-Temperaturen von ca. −30 °C bis 160 °C aus. Bariumseife, Bariumkomplexseife – Barium-Komplexseifenfette (Bariumsalze, d. h. mit Bariumhydroxid verseifte Mischungen verschiedener, meist organischer Fettsäuren) haben eine gute Wasser- und Dampfbeständigkeit, gute Korrosionsschutzeigenschaften, ein hohes Lasttragevermögen und einen hohen Tropfpunkt. Sie sind für tiefe und hohe Temperaturen geeignet und werden häufig in schnell laufenden Wälzlagern verwendet. Calciumseife, Calciumkomplexseife – Calcium-Komplexseifenfette (Calciumsalze, d. h. mit Calciumhydroxid verseifte Mischungen verschiedener, meist organischer Fettsäuren) haben gute Korrosionsschutzeigenschaften, sind wasserbeständig und haben ein hohes Lasttragevermögen. Lithiumseife, Lithiumkomplexseife – Lithiumfette (Lithiumsalze einer Fettsäure oder eines Fettsäuregemisches) werden oft als Mehrzweckfett verwendet. Einfachseifen haben ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und werden im Temperaturbereich −20 °C bis 120 °C eingesetzt. Lithium-Komplexfette haben mit ca. −30 °C bis 150 °C einen erweiterten Temperaturbereich. Natriumseife, NatriumkomplexseifeHans Beyer und Wolfgang Walter: Organische Chemie. 22. Auflage. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1991, ISBN 3-7776-0485-2, S. 247. – Natrium-Komplexseifenfette (Natriumsalze, d. h. mit Natriumhydroxid verseifte Mischungen verschiedener, meist organischer Fettsäuren) besitzen ein gutes Emulgierverhalten und werden hauptsächlich als Getriebefließfette verwendet. PTFE Anorganische Verdicker (Bentonit) Polyharnstoff Silika
Metallseifenfette Metallseifenfette enthalten als Verdicker die sogenannten Metallseifen (Salze von Fettsäuren mit den Oxiden bzw. Hydroxiden von Metallen). Verwendet werden Metalloxide und -hydroxide von Lithium, Natrium, Calcium, Barium, Aluminium, Zink und Blei. Die Chemie der Metallseifenbildung bietet bei der Auswahl der Basen und Fettsäuren eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten:
Einfachseifenfette: Enthalten als Verdicker die sogenannten einfachen Metallseifen, sie bestehen aus einer Basen- und einer Fettsäureart. Komplexseifenfette: Enthalten als Verdicker die sogenannten Metallkomplexseifen, sie bestehen aus einer Base, einer Fettsäure und einer typischen Nichtfettsäure (z. B. Essigsäure). Gemischtseifenfette: Enthalten als Verdicker ein Gemisch von unterschiedlichen einfachen Metallseifen.
Additive Additive sind Stoffe, die einem Produkt Eigenschaften geben, die es ohne diese Additive nicht oder nur unzureichend hätte. Additive in Schmierfetten müssen sich mit dem Eindickersystem gut vertragen, damit das Fett nicht erweicht oder verhärtet. So lassen sich durch geeignete Additive zum Beispiel positive Eigenschaften wie den Verschleißschutz verbessern oder unerwünschte Eigenschaften wie die Alterung des Grundöls abmildern.
Additive lassen sich in folgende Kategorien einteilen:
Antioxidantien: Steigerung der Widerstandsfähigkeit gegen Alterung durch unvermeidliche oxidative und/oder thermische Belastungen an der Schmierstelle. Durch Oxidation können Säuren und ölunlösliche Bestandteile entstehen, die Verunreinigungen bilden, welche sich auf der Schmierstelle absetzen können. Verteilen sich die Oxidationsprodukte im Schmierfett steigt oft die Viskosität an. Verwendete Antioxidantien sind phenolische oder aminische Radikalfänger. Metalldesaktivatoren: Kupfer und seine Verbindungen sind Katalysatoren für die Bildung von Peroxiden und tragen damit zur Oxidation bei; Buntmetalldesaktivatoren sind z. B. Heterocyklen, die die Kupferoberfläche passivieren. Korrosionsinhibitoren: Wirken ähnlich wie Buntmetalldesaktivatoren, bilden einen für Feuchtigkeit undurchlässigen Schutzfilm auf der Metalloberfläche, der die Oberfläche vor Korrosion schützt (sog. Deckschichtbildner). Korrosionsinhibitoren neutralisieren saure Reaktionsprodukte aus dem Additivabbau oder der Oxidation des Grundöls. So wird ein korrosiver Angriff auf das Buntmetall abgeschwächt oder verhindert. Bezieht sich die Wirkung gezielt auf eisenhaltige Metalle oder Stahl, spricht man auch von Rostinhibitoren. Korrosionsinhibitoren sind Metallseifen verschiedener Säuren, wie zum Beispiel Sulfonate, Naphthenate, Carboxylate, Alkyl-Bernsteinsäurederivate, Aminphosphate oder partielle Polyolester. Extreme-Pressure-Additive: Deckschichtbildner, oberflächenaktive Substanzen Verschleißschutz-Zusätze: Verschleißreaktionen, wie z. B. Flüssigkeits- und Mischreibung, werden durch Triboreaktionen verhindert. Festschmierstoffe: Häufig Stoffe mit Schichtstruktur (z. B. Graphit oder Molybdändisulfid), wirken sich in Mischreibungsgebieten, bei kleinen und oszillierenden Bewegungen und bei sehr hohen oder niedrigen Umgebungstemperaturen positiv auf die Schmierung aus. Festschmierstoffe wirken nicht bei hydrodynamischer Schmierung. Schmiermittel mit über 10 % Festschmierstoffgehalt werden häufig als Paste kategorisiert. Haftzusätze: Langkettige polare Polymere, die dem Fett eine erhöhte Haftfähigkeit auf der zu schmierenden Oberflächen verleihen. Farbstoffe
Kenngrößen mini|Fettkneter bzw. Schmierfettwalker zum Walken des Schmierfetts, 3D-Modell.
Wichtige Kenngrößen bzw. Analysemethoden sind unter anderem die Folgenden:
Schmierfettspezifische Kenngrößen Konuspenetration Unter der Konuspenetration eines Schmierfettes versteht man die Eindringtiefe eines Standardkonus unter definierten Bedingungen nach DIN ISO 2137. Die Messung der Eindringtiefe eines Konus erlaubt die Zuordnung in eine Konsistenzklasse (in NLGI-Klassen).
Es wird zwischen der Ruhe- und der Walkpenetration unterschieden, die Walkpenetration wird nach dem Walken des Schmierfetts in einem Fettkneter bzw. Schmierfettwalker gemessen.
Tropfpunkt Der Tropfpunkt gibt die Temperatur an, bei der eine kleine Schmierfettmenge unter definierten Prüfbedingungen einen lang ziehenden Tropfen bildet und aus dem Prüfgerät heraustropft. Das Schmierfett verflüssigt sich durch das Auflösen des Seifengerüstes (d. h. des Verdickers). Die Übertragbarkeit des Tropfpunktes auf Praxiseigenschaften ist oft schwierig.
Basenzahl