Tribologie – womit beschäftigt sie sich und wo findet sie Anwendung?

Was ist Tribologie?

Tribologie wird definiert als die Wissenschaft und Technologie, die sich mit Oberflächen befasst, die in relativer Bewegung stehen und miteinander interagieren. Sie umfasst die Untersuchung von Reibungs-, Verschleiß- und Schmierphänomenen sowie der Wechselwirkungen an der Kontaktfläche zwischen sich berührenden Körpern. Zu diesen Prozessen gehören unter anderem die Kraftübertragung, die Umwandlung mechanischer Energie, physikalisch-chemische Veränderungen sowie mechanische Eingriffsphänomene, die sich aus der Morphologie und Topografie der Oberflächen ergeben.

Das zentrale Ziel der Tribologie ist das Verständnis von Oberflächenwechselwirkungen und damit die Fähigkeit, Probleme zu lösen und geeignete Lösungen zu finden. Dieses Fachgebiet ist interdisziplinär angelegt – es nutzt Kenntnisse aus den Bereichen Maschinenbau, Werkstoffkunde, Chemieingenieurwesen und vielen anderen. Ein derart umfassender Ansatz ist unerlässlich, um die komplexen physikalischen Phänomene, die in der Reibungszone ablaufen, vollständig zu erklären.

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Der Mechanismus der Reibung

Reibung ist per Definition der tangentiale Bewegungswiderstand zwischen zwei aneinanderliegenden Festkörpern. Die Größe dieses Widerstands ist eine Funktion der Materialien, der Geometrie und der Oberflächeneigenschaften der aneinanderliegenden Körper sowie der Betriebsbedingungen und der Umgebung. Dieser Mechanismus ist das Ergebnis physikalischer Wechselwirkungen, die vor allem auf mikroskopischer Ebene ablaufen.

Man unterscheidet:

• Kinetische (Bewegungs-)Reibung – Widerstand zwischen zwei Oberflächen, die sich berühren und relativ zueinander bewegen,
• Statische Reibung (Ruhereibung) – tritt beim Übergang vom Ruhezustand in die Bewegung sowie beim Anhalten der Bewegung auf. Im Allgemeinen größer als die kinetische Reibung.

Die Oberflächen von Körpern, selbst solche, die den Eindruck von idealer Glätte erwecken, sind auf molekularer Ebene voller Vertiefungen und Unebenheiten. Während der Bewegung blockieren und greifen diese ineinander, und die Überwindung dieser Barrieren erfordert die Zufuhr von externer Energie.

Ein weiteres Schlüsselphänomen im Zusammenhang mit Reibung ist die Adhäsion. An den tatsächlichen Kontaktpunkten der Körper entstehen intermolekulare Bindungen, darunter Van-der-Waals-Wechselwirkungen und Kapillarkräfte. Zudem werden während des Reibungsprozesses an den Oberflächen elektrische Ladungen erzeugt (triboelektrisches Phänomen). Diese Ladungen verstärken die Ionenkräfte der Oberflächen, was die Entstehung einer Adhäsionskraft begünstigt.

Es ist anzumerken, dass Reibung nicht nur an der Berührungsstelle zweier verschiedener Objekte auftritt, sondern auch innerhalb eines einzigen Körpers, wenn sich dessen Schichten oder Teilchen relativ zueinander bewegen. Dieses Phänomen wird als innere Reibung bezeichnet. Ihr Charakter hängt vom Aggregatzustand der Materie ab – in Gasen und Flüssigkeiten äußert sie sich als Viskosität (relativ geringe Kräfte), während sie in Festkörpern wesentlich stärker ist, was auf die geordnete Anordnung der Strukturelemente zurückzuführen ist.

Schmierstoffe als reibungsmindernde Substanzen

Die Schmierung ist eine grundlegende Methode, die bei der Wartung von Maschinen zur Herstellung von Produkten angewendet wird. Bei Gleitelementen wie Kolben-Zylinder-Systemen, Zahnrädern und Nocken ist die Schmierung zwischen zwei oder mehr Elementen unerlässlich, um einen reibungslosen Maschinenbetrieb zu gewährleisten.

Ein Schmiermittel ist eine Substanz, die darauf abzielt, die Reibung zwischen miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen zu verringern, was letztlich die bei der Bewegung dieser Oberflächen entstehende Wärme reduziert. Der Wirkmechanismus beruht darauf, die Trockenreibung (Festkörper) durch die innere Reibung einer Flüssigkeit mit niedriger Viskosität zu ersetzen oder eine dauerhafte Grenzschicht zu erzeugen.

Neben der Verringerung der Reibung trägt eine ordnungsgemäße Schmierung zu folgenden Punkten bei:

• Wärmeableitung,
• Geräuschreduzierung,
• Korrosionsschutz,
• einer wirksamen Abdichtung,
• Entfernung von Verunreinigungen.

Grundöl – der wichtigste Faktor zur Reibungsminderung

Grundöle sind Ausgangsstoffe für die Herstellung von Schmierstoffen, und ihre Eigenschaften haben einen enormen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und die Eigenschaften des Endprodukts, darunter Viskosität, Stabilität/Haltbarkeit und Tragfähigkeit.

Man unterscheidet fünf Hauptgruppen von Grundölen:

Gruppe I, II, III – Öle, die aus Erdöl gewonnen werden

Gruppe I umfasst die kostengünstigsten Öle, die durch einfache Lösungsmittelraffination gewonnen werden. Sie zeichnen sich durch eine Kohlenwasserstoffsättigung von < 90 % und einen Viskositätsindex von 80–120 aus. Grundöle der zweiten Gruppe werden im Hydrocracking-Verfahren hergestellt. Sie weisen bessere Eigenschaften auf als Öle der Gruppe I. Sie enthalten weniger Verunreinigungen und haben einen höheren Viskositätsindex. Öle der Gruppe III sind Produkte von höchster Reinheit, die einem tiefen Hydrocracking unterzogen wurden. Ihre Eigenschaften ähneln denen synthetischer Öle.

Gruppe IV – synthetische Öle

Sie zeichnen sich durch eine hohe thermische und oxidative Stabilität aus. Darüber hinaus weisen sie eine geringe Viskositätsschwankung über einen weiten Temperaturbereich auf.

Zu dieser Gruppe gehören Polyalphaolefine (PAO), die beliebte synthetische Kohlenwasserstoffe sind. Es handelt sich um Produkte der Polymerisation von Ethylen, das aus Erdöl durch das Cracken von Rohbenzin gewonnen wird. Dank ihrer vollständigen Sättigung (keine Doppelbindungen) sind diese Öle beständig gegen Oxidation und Zersetzung bei hohen Temperaturen.

Gruppe V – sonstige Grundöle

Diese Gruppe umfasst alle übrigen Grundöle, darunter Ester, Polyalkylenglykole (PAG) und Silikone. Zunehmend kommen auch pflanzliche Alternativen zu Mineral- und Synthetikölen zum Einsatz. Dabei handelt es sich hauptsächlich um natürliche Triglyceride wie beispielsweise Raps- oder Sonnenblumenöl.

Grundöle – das Angebot der PCC-Gruppe

Die PCC-Gruppe bietet eine ganze Reihe von Spezialgrundölen an, die in synthetischen Schmierstoffen verwendet werden. Diese Produkte kommen in Hydraulikflüssigkeiten, Bearbeitungsflüssigkeiten, Kompressoren, Industriegetrieben sowie in der Textilindustrie zum Einsatz.

Ein umfangreiches Produktangebot ist im Rahmen der Rokolub-Serie erhältlich. Dabei handelt es sich vor allem um:

• wasserlösliche Polyalkylenglykole (PAG) (Rokolub der Serie 50-B und Rokolub der Serie 60-D),
• nicht wasserlösliche Polyalkylenglykole (PAG) (Rokolub der Serie P-B und Rokolub der Serie PO-D),
• Phosphorsäureester (Rokolub der Serie FR I und Rokolub der Serie FR T).

AW- und EP-Additive sowie tribologische Reibungseigenschaften

In den in der Industrie verwendeten Ölen und Schmierstoffen sind Grundöle der Hauptbestandteil. Eine wichtige Rolle spielen Veredelungsadditive, die die natürlichen Eigenschaften der Grundöle verbessern.

Additive zur Verbesserung der Schmiereigenschaften sind chemische Verbindungen, die an tribochemischen Reaktionen beteiligt sind. Am häufigsten werden Additive zur Kontrolle von Verschleiß und Reibung eingesetzt. Sie kommen in Form von Verschleißschutzadditiven (AW) oder Reibungsminderungsadditiven (EP) vor.

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Verschleißschutzadditive (engl. Anti-Wear, AW)

AW-Additive sind Schmierstoffkomponenten, die chemisch mit der zu schützenden Metalloberfläche reagieren und eine Schutzschicht bilden, die das Metall unter Grenzschmierbedingungen vor Verschleiß schützt. Verschleißschutzadditive bilden eine Oberfläche, die weniger anfällig für Beschädigungen ist als das ungeschützte Grundmetall.

Zu den gängigen Arten von Verschleißschutzadditiven zählen unter anderem Zinkverbindungen (z. B. Zinkdialkyldithiophosphat, ZDDP), Molybdänverbindungen (z. B. Molybdändithiocarbamat) sowie Additive auf Phosphor- und Borbasis.

Die PCC-Gruppe hat AW-Additive im Angebot – dabei handelt es sich um Produkte aus der Rokolub AD-Serie (z. B. Rokolub AD 246 ultra).

Extremdruckadditive (engl. Extreme-pressure, EP)

Ihre Hauptaufgabe besteht darin, den Kontakt der Oberflächen bei extrem hohen Belastungen zu verhindern. Sie wirken chemisch auf Metalloberflächen ein und bilden eine Schutzschicht, die diese vor Festfressen und Verschleiß schützt. EP-Additive ermöglichen es dem Schmiermittel, kurzzeitig Drücke auszuhalten, die seine normale Belastbarkeit überschreiten, ohne dabei Schaden zu nehmen. Sie wirken in der Regel stärker und aggressiver als Verschleißschutzadditive.

Typische Beispiele für EP-Additive sind Verbindungen auf Schwefelbasis (z. B. geschwefelte Fette und Öle), Phosphorverbindungen (z. B. Phosphate, Thiophosphate) oder Substanzen wie Graphit und Molybdänsulfide.

Im Portfolio der PCC-Gruppe sind EP-Additive vor allem Produkte der EXOfos-Serie (z. B. EXOfos PA-080S, EXOfos PB-184).

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