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.
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.
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.
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.
Bezeichnung | Art der Hauptkomponente |
---|---|
Paraffine | Kettenförmig, gesättigt |
Olefine | Kettenförmig, ungesättigt |
Naphthene | Ringförmig, gesättigt |
teilw. ungesättigte Naphtene | Ringförmig, ungesättigt |
Aromaten | Ringförmig, aromatisch |
Öltyp | Dichte | Flammpunkt | Oxidationsstabilität | Benetzungsfähigkeit |
---|---|---|---|---|
Parafinisches Mineralöl | niedrig | hoch | gut | mittel |
Olefinisches Mineralöl | mittel | mittel | gut | gut |
Aromatisches Mineralöl | hoch | niedrig | schlecht | hoch |
Typische Grundöle sind:
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:
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:
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:
Wichtige Kenngrößen bzw. Analysemethoden sind unter anderem die Folgenden:
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.
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.
Die Total Base Number (TBN), häufig auch nur Base Number (BN) oder auf Deutsch kurz Basenzahl genannt, zeigt die Fähigkeit eines Motorenöles auf saure Verbrennungsrückstände zu neutralisieren. Ihre Maßeinheit ist (mg KOH)/(g) und definiert die Menge an Kaliumhydroxid (KOH) in mg, die dem Neutralisationsvermögen der enthaltenen alkalischen Wirkstoffe in einem Gramm Schmierfett entspricht. Im Verbrennungsmotor kann es z. B. durch den Verbrennungsvorgang zur Bildung sauer reagierender Gase kommen, die neutralisiert werden müssen, wenn die Schmierung weiter gewährleistet werden soll. Daraus folgt, dass u. a. der Grad der Abnahme der Basenzahl im Betrieb eines Motors einen Hinweis auf einen fälligen Ölwechsel gibt.
Die Acid Number (AN), auf Deutsch Säurezahl, häufig auch Neutralisationszahl (NZ) genannt, gibt an, wie viel mg Kaliumhydroxid (KOH) nötig sind, um die in 1 g Öl enthaltenen freien Säuren zu neutralisieren. Diese können als Rückstände der Raffination enthalten sein. Die NZ wird unter anderem dann gemessen, wenn die Basenzahl nicht mehr bestimmt werden kann oder eine Messung keinen Sinn ergibt.
Weitere Kennwerte bzw. Eigenschaften von Schmierfetten und deren Bestimmung sind später im Artikel unter „Analysemethoden“ zu finden.
Schmierfette unterliegen keiner Haltbarkeit, die zentrale Eigenschaft bei der Dauer der Lagerung ist daher die Lagerfähigkeit bzw. die Weiterverwendbarkeit. In der Regel garantieren Hersteller für die angegebenen Daten für Zeiträume bis zu zwei Jahren, die Weiterverwendbarkeit wird darüber hinaus mit bis zu sechs Jahren angegeben. Damit ein Schmierfett seine Schmiereigenschaften bei der Lagerung nicht verliert, ist auf eine sachgerechte Lagerung zu achten. Die Schmierstoffe sollten möglichst im ungeöffneten Originalgebinde, trocken und lichtgeschützt und bei gemäßigten Temperaturen gelagert werden.
Neben Staub ist Wasser eine in Schmierfetten sehr häufig auftretende Verunreinigung. Wasser hat durch seine chemischen und physikalischen Eigenschaften direkt und indirekt massive Auswirkungen auf das Schmierfett.
Die Anwesenheit von Wasser im Schmierfett verursacht viele Probleme, u. a.:
Mögliche Ursachen für einen hohen Wassergehalt sind u. a.:
Der Wassergehalt eines Schmierfettes oder Öls kann z. B. durch die Karl-Fischer-Titration bestimmt werden. Auch ist der quantitative Einsatz der IR-Spektroskopie möglich, wenn ein Standard-Schmierfett bekannt ist (Vergleichen der Intensität der Absorptionsbanden).
Fremdpartikel (unter anderem Staub) können zu einem vorzeitigen Verschleiß an der Schmierstelle führen, in besonderem Maße können Kunststoffbauteile beschädigt werden.
Bei der Zumischung der Metallseifen kann es zu Produktionsfehlern kommen:
Diese wird in der Konsistenzkennzahl angegeben. Gemessen wird mit einem Penetrometer. Die Eindringtiefe eines Konus erlaubt die Zuordnung in eine Konsistenzklasse. Man unterscheidet Konsistenzen von 000 (fließend) bis 6 (hart). Die Konsistenzkennzahl wird auch als NLGI-Klasse nach DIN 51818 angegeben und kann in Ruh- oder Walkpenetration angegeben sein, wobei bei der Konsistenzmessung nach DIN ISO 2137 das Fett vor dem Messen nach Vorgaben einer Prüfanweisung gewalkt wird, um die Beanspruchung in einem Lager nachzuahmen.
NLGI | Walkpenetration | Konsistenz | Anwendungen |
---|---|---|---|
000 | 445…475 | fließend | Getriebe, Zentralschmierung |
00 | 400…430 | schwach fließend | Getriebe, Zentralschmierung |
0 | 355…385 | halbflüssig | Getriebe, Wälzlager, Zentralschmierung |
1 | 310…340 | sehr weich | Wälzlager |
2 | 265…295 | weich | Wälzlager, Gleitlager |
3 | 220…250 | mittelfest | Wälzlager, Gleitlager, Wasserpumpen |
4 | 175…205 | fest | Wälzlager, Wasserpumpen |
5 | 130…160 | sehr fest | Wasserpumpen, Blockfett |
6 | 85 … 115 | hart | Blockfett |
Schmierfette werden wie Schmieröle verwendet, um mechanische Reibung und Verschleiß zu mindern.
Schmierfette wirken durch einen Film, den sie zwischen den Schmierflächen aufbauen. So verhindert das Fett den direkten Kontakt der sich gegeneinander bewegenden Oberflächen. In der Praxis reicht dies allerdings nicht, um einen tragfähigen Schmierfilm aufzubauen, der die Reibungsflächen vollständig voneinander trennt.
Vorteile der Fettschmierung gegenüber der Ölschmierung:
Nachteile der Fettschmierung gegenüber der Ölschmierung:
Wenn keine Dauerfüllung vorgesehen und die Schmierstelle offen ist, werden Schmiernippel verwendet, um mit einer Fettpresse im Rahmen eines Wartungs- oder Schmierplans regelmäßig frisches Fett an die Schmierstelle bringen zu können. Altes Fett wird dabei mit seinen Verunreinigungen aus der Schmierstelle gedrückt und kann entfernt werden, sofern der sich an der Schmierstelle bildende Kragen aus altem Fett nicht als Abdichtung gegen eindringenden Staub und Schmutz erwünscht ist.
Eigenschaften verschiedener Fette
Fettart | Aussehen | Min. Temp. | Max. Temp | Kälteverhalten | Wasserbeständig | Dauerwalken | Korrosionsschutz | Tropfpunkt | Preis |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Ca-Metallseife | glatt, weich | −35 °C | +80 °C | gut | sehr gut | gut | schlecht | 80..100 °C | |
Na-Metallseife | faserig, weich | −30 °C | +120 °C | mäßig | unbeständig | mäßig | gut | 130..200 °C | |
Li-Metallseife | glatt, weich | −40 °C | +140 °C | gut | beständig | sehr gut | sehr schlecht | 170..220 °C | 1 |
Al-Metallseife | glatt, klar | −35 °C | +80 °C | gut | quillt auf | mäßig | sehr gut | ~ 120 °C | 3 |
Li/Pb-Fett | 0 °C | +75 °C | schlecht | beständig | schlecht | gut | ~ 90 °C | 1,5 | |
Ca/Pb-Fett | 0 °C | +75 °C | schlecht | beständig | schlecht | gut | ~ 90 °C | 1,5 | |
Ca-Komplex | glatt, weich | +180 °C | mäßig | sehr gut | mäßig | gut | > 240 °C | 0,9..1,2 | |
Li-Komplex | glatt, weich | + 180 °C | gut | gut | sehr gut | gut | > 240 °C | ||
Al-Komplex | glatt, weich | +180 °C | sehr gut | mäßig | gut | > 200 °C | 3..4 | ||
Silikonfett | glatt, weich | +320 °C | gut | beständig | mäßig | – | 30..50 |
Die Spalte Preis gibt ein ungefähres Verhältnis an, welches Lithium-Metallseife als 100 % annimmt.
Schmierfette, die in Kontakt mit Metallen kommen, müssen auch nach ihren Korrosionsschutzeigenschaften beurteilt werden.
Verschiedene Bestandteile von Ölen und Fetten können korrosiv auf Metalle wirken:
Fette schützen Oberflächen besser gegen Korrosion als die nur dünne Filme bildenden Öle und sind auch beständiger gegen Auswaschung. Die Schutzwirkung von Ölen lässt sich aber durch Inhibitoren deutlich verbessern.
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