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Jun 06, 2023

Alles über Schmierstoffadditive

Die Schmierstoffadditivtechnologie ist ein kompliziertes Geschäft, da sie mehrere unterschiedliche Chemikalien umfasst. Oftmals kann ein Additiv mit einem anderen Additiv negativ interagieren, da beide um das Additiv konkurrieren

Die Schmierstoffadditivtechnologie ist ein kompliziertes Geschäft, da sie mehrere unterschiedliche Chemikalien umfasst. Oft kann ein Additiv mit einem anderen Additiv negativ interagieren, da beide um die gleiche Fläche auf Substratoberflächen konkurrieren. Eine solche Wechselwirkung kann dazu führen, dass die gewünschten Eigenschaften der Additive aufgehoben werden.

Umgekehrt kann die Verwendung verschiedener Additivchemikalien mitunter einen positiven synergistischen Effekt auf die Leistung haben. Daher ist das Verständnis der komplexen Chemie und Wechselwirkungen verschiedener Schmierstoffadditive von entscheidender Bedeutung für die richtige Formulierung eines Hochleistungsfetts, das den Anforderungen einer Anwendung entspricht.

Einige der wichtigsten Additive, die in Formulierungsfetten verwendet werden, sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1. Was ist in Ihrem Fett enthalten? Diese Tabelle zeigt die Eigenschaften einiger gängiger Fettzusätze. Quelle: Nye Lubricants Inc.

Viele synthetische Schmierstoffe, insbesondere Schmieröle auf Kohlenwasserstoffbasis, unterliegen einem Sauerstoffabbau. Dieser Oxidationsprozess, der durch die Bildung reaktiver freier Radikale und Peroxide ausgelöst wird, ist in vielen Anwendungen die Hauptursache für die Ölverdickung und die Bildung von Schlamm und Lack.

Die zerstörerische Oxidation von Öl kann als ein zyklischer Prozess beschrieben werden, der die Initiierung, Ausbreitung sowie Verzweigung und Beendigung umfasst (Abbildung 4). Sofern der Zyklus nicht unterbrochen oder beendet wird, setzt die Oxidation fort, bis das Öl oder Fett nicht mehr verwendbar ist.

4. Den Kreislauf durchbrechen. Primäre Antioxidantien (AOs) reagieren mit den sehr reaktiven Radikalen und verlangsamen den Abbau, indem sie die sich selbst ausbreitenden Radikalketten aufbrechen. Sekundäre AOs reagieren mit vorhandenen reaktiven Peroxiden und unterbrechen den Oxidationszyklus. Mit freundlicher Genehmigung von Nye Lubricants Inc.

Antioxidantien sind Additive, die die Lebensdauer eines Schmierstoffs verlängern sollen, indem sie die Oxidationsbeständigkeit des Grundöls erhöhen. Antioxidantien ermöglichen den Betrieb von Schmierstoffen bei höheren Temperaturen, als dies ohne sie möglich wäre.

Es gibt zwei Arten von Antioxidantien: primäre und sekundäre. Primäre Antioxidantien bestehen typischerweise aus aromatischen Aminen und gehinderten Phenolen. Sekundäre Antioxidantien bestehen typischerweise aus Phosphiten und bestimmten schwefelhaltigen Verbindungen wie Thioethern und Thioestern. Jede Art von Antioxidans hat eine andere Funktion zur Hemmung der Oxidation.

Der Oxidationsprozess beginnt mit der Initiationsphase, in der freie Radikale gebildet werden. Primäre Antioxidantien sind „Radikalfänger“, die während der Ausbreitungsphase schnell mit den freien Radikalen reagieren und den Abbauprozess verlangsamen, indem sie neue, stabilere Radikale bilden.

Sekundäre Antioxidantien reagieren mit Peroxiden, die häufig vorhanden sind, wenn das Schmieröl mit Sauerstoff reagiert. Diese Antioxidantien sind dafür verantwortlich, den Kreislauf zu unterbrechen und die Verzweigung und weitere Ausbreitung zu verhindern. Am häufigsten verwenden Fettformulierer eine Kombination aus primären und sekundären Antioxidantien, um den Schutz des Öls vor oxidativem Abbau zu maximieren.

Ein Experte des Massachusetts Institute of Technology behauptet, dass hohe Reibung und Verschleiß zu einer Ressourcenverschwendung von insgesamt mehr als 6 % des Bruttosozialprodukts führen. Daher können Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkungen von Reibung und Verschleiß viel Geld sparen.

Es gibt verschiedene Arten mechanischer Verschleißmechanismen, die in einem Schmiersystem auftreten können, darunter adhäsiver Verschleiß, abrasiver Verschleiß, Lochfraß und Abplatzungen. Verschleißschutzadditive sind ein notwendiger Bestandteil von Schmierstoffen, die für Anwendungen vorgesehen sind, die solchen Schäden ausgesetzt sind.

Verschleißschutzadditive lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Hochdruckmittel und Verschleißschutzmittel. Hochdruck- und Verschleißschutzadditive wirken beide, indem sie durch eine Reaktion auf der Metalloberfläche eine Schutzbarriere bilden.

Verschleißschutzadditive werden im Allgemeinen unter milden Bedingungen mit geringer Belastung und hohen Geschwindigkeiten verwendet, um die Rate kontinuierlichen und mäßigen Verschleißes zu reduzieren. Das Additiv trägt zur Beschichtung der Anwendungsoberfläche bei, um das Metall im Laufe der Zeit vor Abnutzung zu schützen. Gängige Beispiele für Antiverschleißadditive sind Triarylphosphate und Zinkdialkyldithiophosphat.

Hochdruckadditive werden normalerweise bei höheren Belastungen, hohen Temperaturen und niedrigen Geschwindigkeiten eingesetzt, um einen katastrophalen Ausfall oder ein Festfressen der Anwendung zu verhindern. Gängige Beispiele für Hochdruckadditive sind Molybdändisulfid, Graphit, geschwefelte Olefine und Dialkyldithiocarbamat-Komplexe.

Unter Korrosion versteht man die zerstörerische Veränderung eines Metalls durch eine chemische oder elektrochemische Reaktion zwischen dem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung und Schwächung der Eigenschaften des Metalls führt. Korrosion ist ein Prozess, keine Eigenschaft. Alle Metalle außer den Edelmetallen sind unter atmosphärischen Bedingungen instabil, wodurch sie in ihre oxidierte Form umgewandelt werden können. Es gibt zwei Hauptarten von Korrosion: elektrochemische Korrosion und chemische Korrosion.

Bei der elektrochemischen Korrosion handelt es sich um die Reaktion von Eisenmetallen (auf Eisenbasis) oder deren Legierungen in einem zweistufigen Prozess in Gegenwart eines Elektrolyten, meist Wasser oder Feuchtigkeit. Das Ergebnis dieser Reaktion wird allgemein als Rost bezeichnet.

Rostschutzmittel können einer Formulierung zugesetzt werden, um die Korrosion von Eisenlegierungen zu verlangsamen. Rostschutzmittel wirken, indem sie physikalisch auf der Metalloberfläche adsorbieren und so die Metalloberfläche vor den Auswirkungen von Wasser, Säuren und Luft schützen.

Chemische Korrosion beinhaltet den Angriff aggressiver chemischer Spezies wie Säuren, Basen und Schwefel. Dies ist häufig das Ergebnis der Oxidation von Kohlenwasserstoffen und schwefelhaltigen Additiven oder Additivnebenprodukten auf einer Metalloberfläche oder Metalloxidschicht, was zur Bildung von ionischen metallischen oder oxidierten metallischen Verbindungen führt. Im Gegensatz zur elektrochemischen Korrosion erfordert die chemische Korrosion keinen Elektrolyten wie Wasser und kann sowohl in organischen als auch in wässrigen Umgebungen auftreten.

Die Zugabe von Korrosionsinhibitoren zu einem Schmiermittel trägt dazu bei, den Zersetzungsprozess von Nichtedelmetallen zu verlangsamen. Die Inhibitoren bilden einen inaktiven Film auf der Metalloberfläche, indem sie mit Metallionen an der Oberfläche einen Komplex bilden. Einige Korrosionsadditive neutralisieren korrosive Säuren, die aus Öl und Additivabbaunebenprodukten entstehen.

Zur Messung der Wirksamkeit von Additivpaketen gibt es mehrere Testmethoden. Zur Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit wird am häufigsten ein Druckdifferenzkalorimeter verwendet. Der Test misst die Fähigkeit eines Öls oder Fetts, der Oxidation in einer sehr anspruchsvollen, sauerstoffreichen Hochdruckumgebung bei erhöhten Temperaturen zu widerstehen. Je länger es dauert, bis eine exotherme Reaktion abläuft, desto besser ist die oxidative Stabilität.

Eine gängige Technik zur Messung von Reibung und Verschleiß ist der Vier-Kugel-Verschleißtest. Bei diesem Test wird eine Stahlkugel gegen drei stationäre, geschmierte Kugeln gedreht (Abbildung 5). Die Ergebnisse werden als Verschleißspuren an den stationären Kugeln dargestellt, die zusammen mit dem Reibungskoeffizienten gemessen und gemittelt werden.

5. Vier-Kugel-Verschleißtest. Schmierstoffe werden getestet, indem eine Last von 40 Kilogramm (kg) auf die obere Kugel gelegt und diese 60 Minuten lang bei 75 °C mit 1.200 Umdrehungen pro Minute (U/min) gegen drei stationäre, geschmierte Kugeln gedreht wird. Anschließend werden Abnutzungsnarben gemessen. Mit freundlicher Genehmigung von Nye Lubricants Inc.

Eine andere Möglichkeit, Reibung und Verschleiß zu messen, ist die Verwendung eines Schwingungs-, Reibungs- oder Verschleiž-Instruments. Die Methode misst die physikalischen Wechselwirkungen zwischen einem Schmierstoff und zwei oder mehr festen Oberflächen in rotatorischer oder linearer Schwingungsbewegung.

Die Fähigkeit eines Fettes, Korrosion zu verhindern, wird am häufigsten mit dem Kupferkorrosionstest getestet. Bei diesem Test wird ein Kupferstreifen in Fett getaucht und 24 Stunden lang in einen Ofen gelegt. Das Band wird dann visuell mit einem Korrosionsstandard verglichen und mit einer Bewertung versehen (Abbildung 6). Es gibt mehrere andere Methoden zur Korrosionsmessung, darunter den Nebelsprühtest, das Verfahren zur Bewertung der Korrosionsrate, den Lagerkorrosionstest und den EMCOR-Test.

6. Kupferkorrosionstest. Für diesen Korrosionstest muss ein Kupferstreifen in Fett getaucht und 24 Stunden lang bei 100 °C oder 150 °C in einen Ofen gelegt werden. Der Streifen wird dann mit einem Standard, wie dem hier gezeigten, verglichen und bewertet. Mit freundlicher Genehmigung von Nye Lubricants Inc.

Die Forschungs-, Entwicklungs- und Anwendungslabore von Nye Lubricants sind in der Lage, alle diese Tests durchzuführen. Nye-Ingenieure können mit Kunden zusammenarbeiten, um Testmethoden anzupassen, um gewünschte Anwendungen bestmöglich zu simulieren. Dadurch wird sichergestellt, dass das gewählte Schmiermittel den erforderlichen Schutz bietet. ■

—Anthony Grossi, PhD, ist Technologiedirektor bei Nye Lubricants Inc.

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