Schmierfette und Schmieröle

…damit es wie geschmiert läuft

Kaum ein Gerät, das sich bewegende Teile enthält, kommt ohne Schmierstoffe aus, sei es das einfache Gleit-Scharnier an der Kühlschranktür, die Fahrradkette oder Kugellager in Rollen und Rädern. Doch was sind Schmierfette und Schmieröle? Wie sind diese chemisch aufgebaut und warum sind sie dazu in der Lage, Reibung zu reduzieren?

Was sind Schmierfette und Schmieröle?

Eine ganzheitliche Definition der Begriffe Schmieröl und Schmierfett ist aufgrund der Vielzahl der Zusammensetzungen und Anwendungsgebiete nicht möglich.

Schmieröle sind hydrophobe, viskose Flüssigkeiten mit einem hohen Siedepunkt, die sich nicht mit Wasser mischen lassen. Sie kommen als Schmiermittel zum Einsatz, beispielsweise zur Schmierung von Scharnieren, Kugellagern, Wellen, Ketten und anderen sich bewegenden Bauteilen in Maschinen.

Schmierfette und Gleitfette sind Suspensionen, also Stoffgemische aus einer flüssigen Phase, einem Schmieröl, und mindestens einer festen Phase. Nach der American Society for Testing and Materials International (ASTM International) handelt es sich bei Schmierfetten um Dispersionen mit hochviskoser Konsistenz, bei denen in einen flüssigen Stoff Verdickungsmittel eingearbeitet werden.

Zur Veränderung und Anpassung der gewünschten Eigenschaften dürfen auch andere Zusatzstoffe, also Additive, enthalten sein. Nach der DIN-Norm 51825 werden Schmierfette als beständige Schmierstoffe bezeichnet, die aus Ölen mineralischer oder synthetischer Herkunft und einem zugesetzten Dickungsmittel bestehen.

Eigenschaften und Struktur von Schmierölen

Die spezifischen Eigenschaften von Schmierfetten und Schmierölen sowie ihre Zusammensetzung können sehr unterschiedlich ausfallen.

Schmieröle können nach ihrer Herkunft in vier Typen eingeteilt werden: Pflanzliche Öle, tierische Öle, mineralische Öle und synthetische Öle, zu denen auch die Silikon‑Öle zählen. Den Großteil der eingesetzten Schmieröle machen jedoch die mineralischen, also erdölbasierten, und die synthetischen Öle aus. Diese können dann weiter nach ihrer Viskosität unterschieden werden.

Neben ihrer Herkunft können Schmieröle auch gemäß der vorgesehenen Verwendung eingeteilt werden. So werden sie in Motorenöle, Kettenöle und Öle für feinwerktechnische Geräte, beispielsweise Nähmaschinenöl oder Uhrenöl, aufgeteilt.

Eigenschaften wie die Viskosität, Dichte, Flammpunkt, Oxidationsstabilität und die Benetzungsfähigkeit von Schmierölen hängen stark von der Zusammensetzung ab. Die beispielsweise in Mineralölen enthaltenen Kohlenwasserstoffe können auf verschiedene Weisen miteinander Wechselwirken – dazu zählen hauptsächlich die induzierten Dipole und Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Die Art und Ausprägung dieser Wechselwirkungen sind wiederum abhängig von der jeweiligen chemischen Struktur der Kohlenwasserstoffe.

Beim Fließen, Schmieren und Verteilen des Schmieröls gleiten die Moleküle aneinander vorbei, was umso schwieriger ist, je größer die zwischenmolekularen Kräfte sind. Zwischen längerkettigen Kohlenwasserstoffmolekülen herrschen größere Anziehungskräfte als zwischen kürzerkettigen. Daher enthalten Schmieröle höherer Viskosität längerkettigere Kohlenwasserstoffe als andere Schmieröle.

Paraffinisches Schmieröl, in denen vornehmlich kettenförmige, gesättigte Kohlenwasserstoffe enthalten sind, hat eine niedrige Dichte, einen hohen Flammpunkt, eine gute Oxidationsstabilität, aber nur eine mittlere Benetzungsfähigkeit.

Olefinisches Mineralöl ist ein Gemisch aus kettenförmigen, aber einfach bis mehrfach ungesättigten Kohlenwasserstoffen. Diese Schmieröle weisen eine vergleichsweise mittlere Dichte, einen mittleren Flammpunkt und eine gute Oxidationsstabilität sowie Benetzungsfähigkeit auf. Aromatische Schmieröle, die ringförmige, aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten, haben neben einer hohen Dichte auch eine hohe Benetzungsfähigkeit. Im Vergleich zu den anderen Schmierölen weisen sie jedoch einen verhältnismäßig niedrigen Flammpunkt und eine schlechte Oxidationsstabilität auf.

Eigenschaften und Einteilung von Schmierfetten

Schmierfette oder Gleitfette sind, vereinfacht formuliert, Schmieröle, welche durch die Zugabe eines Dickungsmittels am Fließen gehindert werden und so ihre Schmierungswirkung am gewünschten Ort entfalten können. Wichtig dabei: Das als Grundöl eingesetzte Schmieröl sorgt für die eigentliche Schmierung. Schmierfette enthalten zwischen 70 bis 95 % Grundöl, 3 bis 30 % Verdickungsmittel und 0 bis 10 % Additive. Das zunächst flüssige Schmieröl wird also durch die Zugabe eines Eindickers in eine pastöse, hochviskose Masse überführt. Durch die Zugabe weiterer Additive und Wirkstoffe können weitere, spezielle Eigenschaften des Schmierfettes generiert werden, wie etwa die elektrische Leitfähigkeit.

Die eingesetzten Schmieröle als Grundöle bestimmen neben der Viskosität und Temperaturabhängigkeit die generellen Gebrauchs- und Schmiereigenschaften des Schmierfettes. Im Wesentlichen kommen dabei Mineralöle oder synthetisch hergestellte Schmieröle zum Einsatz. In selteneren Fällen werden auch pflanzliche Öle eingesetzt. Häufige Vertreter sind Polyolefine, Silikonöle wie Polydimethylsiloxan, Polyphenylether, Polyglykolöle und perfluorierte Polyetheröle.

Die Funktion des Verdickers besteht hauptsächlich darin, das Grundöl in einer pastösen Konsistenz zu binden und so die gewünschte Viskosität auszubilden. In dieser auch als Matrix bezeichneten Umgebung bleibt das Öl so lange enthalten bis es durch Bewegungen und Vibration – auch als Walken bezeichnet – sowie durch Temperaturänderungen an der zu schmierenden Stelle freigegeben wird.

Die Einteilung der Verdicker erfolgt in zwei Typen: Metall‑Seifen und Nichtmetall‑Seifen. Zu den Metall‑Seifen gehören unter anderem Aluminium-, Barium-, Calcium-, Lithium- und Natrium‑Seifen. Als Metallsalze verschiedener Fettsäuren sind Metallseifen aufgrund ihrer sowohl hydrophilen als auch hydrophoben Molekülstruktur in der Lage, die Moleküle der Schmieröle zu binden und nach und nach bei äußerer Einwirkung gezielt abzugeben. Zu den nichtmetallischen Verdickern zählen Bentonit, ein Gesteinsgemisch aus verschiedenen Tonmaterialien, Polyharnstoffe, Silikagel und Polytetrafluorethylen (PTFE).

Additive für Schmier- und Gleitfette

Neben dem Grundöl und dem Verdicker können Gleitfette auch noch weitere Additive enthalten, die dem Schmierfett weitere Eigenschaften verleihen können. Durch die Zugabe von Antioxidantien kann die Lebensdauer eines Schmierfettes verlängert werden, in dem oxidative oder thermische Auswirkungen abgemildert und so die zunehmende Verunreinigung durch lipophobe Bestandteile verhindert werden. Die Beimischung von Korrosionsinhibitoren erhöht den Korrosionsschutz durch die Ausbildung eines wasserdichten Schutzfilmes auf der zu schmierenden Oberfläche.

Weitere Additive können zudem die Haftfähigkeit des Schmierfettes erhöhen oder in die Lage versetzen, besonders schweren Stoßbelastungen standzuhalten. Im letzten Fall werden den Schmierfetten Festschmierstoffe wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Molybdänsulfid (MoS₂) oder Graphit zugesetzt. Übersteigt der Anteil an Festschmierstoffen einen Wert von 40 %, werden die Schmierfette auch als Pasten bezeichnet.

PTFE-Gleitfette bzw. PTFE-Gleitpasten gelten als Hochleistungsschmierstoffe für Anwendungen, die gute Gleiteigenschaften sowie hohe thermische und chemische Beständigkeit erfordern. PTFE-Schmierfette können bis +260 °C eingesetzt werden und bestehen aus gleichen Anteilen aus einem Basisöl, wie Silikonöl, sowie hochwertigem Polytetrafluorethylen-Mikropulver.

Wirkungsweise von Schmierfetten und Schmierölen

Der Einsatz von Schmierölen und Schmierfetten erfolgt dort, wo eine mechanische Abnutzung durch Reibung vermindert werden soll. Sich zueinander bewegende Metallteile sollen möglichst störungsfrei, möglichst reibungsarm und ohne große Temperaturzunahme laufen. Gleitfette, Schmierfette und Schmieröle tragen dazu bei, indem sie Wärme abführen und den Reibungskoeffizienten herabsenken.

Der Reibungskoeffizient beschreibt das Kraftverhältnis zwischen der Gewichtskraft und der Haltekraft sich zueinander bewegender Oberflächen. Durch einen Schmieröl-Film wird der Kontakt zwischen den Oberflächen und damit deren Haltekraft herabgesetzt. Der Reibungskoeffizient sinkt und die Bewegungen können reibungsarmer ablaufen. Die Wirkungsweise sowohl der Schmierfette als auch der Schmieröle ist identisch, da durch das Walken das Grundöl der Schmierfette freigesetzt wird. Schmieröle sind aufgrund ihrer wesentlich niedrigeren Viskosität jedoch besser in der Lage Wärme und Verunreinigungen abzuführen. Schmierfette hingegen weisen aufgrund ihrer pastösen Konsistenz und Additive eine erhöhte Haftfähigkeit und damit Verbleib an der Schmierstelle auf. Sie vermögen es außerdem, die Schmierstelle so nach außen hin abzudichten und schützen Maschinenteile so vor Korrosion und frühzeitigem Verschleiß.

Applikation von Gleitfetten und Ölen

Das Nachschmieren von Kleinteilen im Heimgebrauch ist meist mit einem Spatel und wenigen Handgriffen erledigt. Für die Applikation von Schmierfetten und Schmierölen im industriellen Maßstab bieten sich jedoch Zubehörartikel wie Fasspumpen und Schmierpistolen an. Diese können zusätzlich mit Schläuchen adaptiert werden, die die gezielte Verteilung der Schmierstoffe und den Anschluss an vorhandene Schmiernippel ermöglichen.

Die Wahl des richtigen Fettschlauchs bzw. Ölschlauchs ist insbesondere von der Zusammensetzung des Schmierstoffs abhängig. Gummielastische Kraftstoffschläuche aus Fluorkautschuk (FPM) oder Nitrilkautschuk (NBR) sind auch für viele Fette und Öle auf Mineralöl- und Silikonölbasis geeignet. Harte Kunststoffschläuche aus fluorierten Kunststoffen, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Perfluoralkoxy-Polymere (PFA), sind nahezu universell chemisch beständig und für die meisten Schmierstoffe gut geeignet. Letztere sind zwar flexibel, aber nicht gummielastisch.

Bild-Quellen: 
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Kugellager mit Schmierfett | © surakit – stock.adobe.com 
Schmierpistole und Schlauch | © dean – stock.adobe.com