Feststoffschmierung

Festschmierstoffe kommen immer dann zur Anwendung wenn die Fluidschmierung (Öl / Fett) an Ihre Grenzen stößt.

Typische Anwendungsbereiche sind:

• Hohe Belastungen und niedrigen Drehzahlen, Schockbelastungen
• Aussetzbetrieb mit kurzen Laufzeiten und langen Stillstandszeiten
• Hohe Temperaturen bis 550°C
• Niedrige Temperaturen bis minus 180°C
• Vakuum, Hoch- und Ultrahochvakuum
• Aggressive Umweltbedingungen (Säuren / Laugen / bioaktive Substanzen)
• Hygiene und Reinheitsbedingungen
• •Radioaktive Strahlung

Feststoffschmierung versus Fluidschmierung

Ziel jeder Wälzlager Schmierung ist die Vollschmierung, die beiden Reibpartner sind vollständig voneinander durch einen Schmierfilm getrennt. Es liegt Flüssigkeitsreibung mit niedrigsten Reibmomenten und geringsten Verschleiß vor. Der Reibungskoeffizient µ ist abhängig von der Lagerbauart und beträgt zwischen 0,0015 (RKL) und 0,005 (AxNALA) bei rund 10% Belastung (C0/P = 10).

Bei Misch- oder Grenzreibung, bedingt durch hohe Lasten – langsame Drehzahlen – hohe Temperaturen, steigt die Reibung und der Verschleiß stark an. Reichen Additivierungen im Fett / Öl nicht mehr aus, können Feststoffe beigegeben werden.

Spätestens wenn die flüssigen Bestandteile des Schmiermittels keine Funktion mehr erfüllen können (bspw. bei Betriebstemperaturen über 260°C) ist meist nur mehr eine Feststoffschmierung möglich.

Die Feststoffschmierung hat immer höhere Reibwerte als Fluidschmierung, diese betragen zwischen 0,04 und 1 bei Normalatmosphäre. Die Reibwerte sind stark abhängig vom eingesetzten Festschmierstoff und deren Aufbringung (siehe Eigenschaften)

Relevante Festschmierstoffe und deren wichtigsten Eigenschaften

Schichtgitter Werksstoffe, Grafit und MoS₂

Grafit und MoS₂ zeichnen sich durch eine lamellenartige Schichtstruktur mit geringer Haftung zwischen den einzelnen Ebenen in Verschieberichtung aus. Senkrecht dazu besitzen diese aber eine hohe Druckfestigkeit.

Durch die gute Haftung zu metallischen Oberflächen können diese einfach eingebracht werden. Die Kombination mit einem relativ niedrigen Preis macht Schichtgitterwerkstoffe oft zur ersten Wahl.

Auf Grund der hervorragende Eigenschaften ist MoS₂ der am häufigsten eingesetzte Schichtgitter Schmierstoff.

Polymerschmier- und werkstoffe

Als Polymerschmierstoff wird meist PTFE eingesetzt. Aus PTFE in Kombination mit PFPE (Alkoxyflouröl) werden H1 Hochleistungsfette erzeugt, die bis 260°C (empfohlene Dauertemperatur < 200°C) als Fluidschmierung funktionieren, darüber hinaus bildet PTFE einen dünnen Festschmierstofffilm auf den Reibpartner.

Wir führen als Durolub G405 ein Hochleistungsfett, das bei Gebrauchsdauerprüfung auf einen FAG AN2 Prüfstand (6209C4/3kN/55min-1/270°C) eine über 60% höhere Standzeit erzielt hat.

Die Temperaturgrenzen von PTFE sind unbedingt einzuhalten, über 300°C zersetzt sich PTFE, es entstehen giftige Dämpfe und korrosive Abbauprodukte.

Als Konstruktionswerkstoffe, besonders für Käfige kommen Polyetheretherketone (PEEK) und Polyimid (PI) zum Einsatz. PEEK ist ein seit Jahren bewährter Werkstoff mit einem Einsatzbereichbis 260°C und sehr guter Verfügbarkeit.

PI ist ein absoluter Hochleistungswerkstoff mit einem Einsatzbereich bis 300°C (Spitze bis 400°C) und besten chemisch / physikalischen Eigenschaften.

Beide Materialien werden häufig mit anderen Festschmierstoffen kombiniert um die tribologischen Eigenschaften nochmals zu verbessern.

Weichmetalle

Für Wälzlagern werden vorwiegend Silber und Blei als galvanische Beschichtungswerkstoffe bzw. in Multi – Layer Schichten (CVD/PVD Aufbringung) eingesetzt. Typische Anwendungen sind Turbolader Lagerungen oder Anwendungen im Vakuum.

Weichmetalle werden nur bei sehr hochwertigen Anwendungen, zumindest mit kleiner Serie, eingesetzt.

Einbringung von Festschmierstoffen

Beim Einbringen der Festschmierstoffe ist darauf zu achten, dass:

• ein gleichmäßiger Schmierstofffilm über alle Reibpartner gewährleistet ist
• die Schmierstoffdicke nicht zu hoch ist, Schmierfilmdicken über max. 1,5µm ergeben keine bessere oder längere Schmierung, erzeugen aber im Regelfall Probleme (Abblätterung)
• eine kontinuierliche Nachschmierung gewährleistet ist, bspw. bei Transferschmierung

Einbringung mit Pulver / Pasten / Suspensionen

Beim sogenannten Einreibeverfahren wird der Trockenschmierstoff in Pulverform oder als Suspension / Paste in das Lager eingebracht und über eine langsame Drehbewegung im Lager verteilt.

Eine Reproduzierbarkeit der Schichtdichte ist schwierig, üblicherweise werden Schichtdicken zwischen 1 und 5µm aufgebracht. Deshalb ist das Einreibeverfahren nur geeignet für untergeordnete, einfache Lageranwendungen. Die Lager sollten eine hohe Lagerluft haben um ein Blockieren der Lager zu vermeiden.

Gleitlacke finden heute kaum mehr Verwendung. Die dicke Binderschicht wird abgerieben, das Lager läuft unruhig und die Lebensdauer ist gering.

Einbringung mit Polyglykolöl

Der Trockenschmierstoff wird als Mischung mit Polyglykolöl aufgebracht, Durolub G401 ist dabei auf Basis MoS₂  und  Durolub G402 auf Basis Grafit.

Das Polyglykolöl funktioniert bis 200°C als Fluidschmierung und hilft den Feststoff im Lager regelmäßig zu verteilen. Bei höheren Temperaturen verdampft das Polyglykolöl, es bildet sich ein Festschmierstofffilm auf den Reibpartner. Mit einer gezielt gesteuerten Einlaufphase lassen sich halbwegs konstante Schmierstoffdicken realisieren, die Ergebnisse werden reproduzierbar.

Dieses Verfahren ist ein Standard für Ofenwagenlagerungen, wobei Durolub S201 auf Basis G401 (MoS₂) und S202 auf G402 (Grafit) aufbaut.

Einbringung mit Alkoxiflouröl (meist PFPE)

hat sich in Kombination PTFE zu einem Standard entwickelt, Neben der H1 Zertifizierung, bietet diese Lösung die höchstmöglichen Betriebstemperaturen bei Fluidschmierung. Im Dauerbetrieb können die Fette bis 200°C eingesetzt werden, erst bei 260°C verdampft die Öl Phase und es liegt reine Trockenschmierung vor.

Transferschmierung (Durolub SLC bzw. Durolub SLC-V für Anwendungen in Vakuum)

Ein Mix aus Trockenschmierstoffen und einem hochtemperaturbeständigen Binder wird in den Lagerfreiraum eingebracht und anschließend thermisch behandelt. Nach dem Aushärten läuft der feste Schmierstoff Compound mit dem Käfig um und transferiert Schmierstoff zu den Wälzkörpern und den Laufbahnen (Transferschmierung).

Zu Betriebsbeginn liegt eine höhere Reibung vor, die sich laufend verringert bis sich eine ca. 1µm dicke, sauber ausgerichtete Feststoffschmierschicht an den Kontaktflächen gebildet hat. Durch die hohe Schmierstoffmenge haben SLV/SLC-V eine lange Gebrauchsdauer. Im Betrieb wird solange Schmierstoff transferiert bis der Schmierstoffvorrat zu Ende geht

Durolub SLC Lager können für Dauertemperaturen von minus 180°C bis 350°C eingesetzt werden, höhere Spitzentemperaturen verringern die Schmierleistung nicht, jedoch oxidiert der Schmierstoff schneller.

Durolub SLC Lager eignen sich für einfache Anwendungen (bspw. Ofenwagenlagerungen, Suffix S228) genauso wir für normale Anwendungen bis ndm 45.000.

Andere Lösungen für Transferschmierungen sind Käfige oder Käfigsegmente aus Festschmierstoffen gefertigt.

Einbringung mittels CVD/PVD Verfahren (insb. Sputtern)

Über diese Verfahren lassen sich extrem homogene Schichten aufbauen, die Ausrichtung insbesondere von MoS₂ lässt sich gut steuern bei sehr hohe Reinheit.

Die Schichtdicken lassen sich sehr gut zwischen 0,2µm und 1µm steuern – die Reproduzierbarkeit ist sehr hoch.

Mit Multilayer – Schichten, meist eine Kombination von Hartstoff- mit Triboschichten, können Eigenschaften gezielt eingestellt werden.

Die Verfahren sind teuer, üblicherweise werden diese Schichten auf Hochleistungswälzlagermaterial und hybrid mit Keramikwälzkörper eingesetzt.

Link Hochtemperatur Wälzlagermaterial und Grundlagen