Analyse von Schmierfetten

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Wälz- und Gleitlager, Tripodegelenke und offene Zahnrad-Getriebe – die meisten von ihnen werden mit einem Fett geschmiert. Allein bei den Wälzlagern mit ihren vielen verschiedenen Bauformen sind davon über 80 % betroffen. Fällt allerdings ein Lager aus, ist in 75 % aller Fälle das Schmierfett mit im Spiel. Es ist dann zum Beispiel verunreinigt, ausgeblutet, oxidiert und gealtert, mit Verschleißpartikeln belastet oder einfach in zu geringer Menge vorhanden. – Wer aber, dank der Schmierfett-Analysen von OELCHECK, über den Zustand des jeweiligen Schmierfetts informiert ist, kann rechtzeitig gegensteuern und Ausfälle vermeiden.

Bei mehr als 10 % der bis zu 2.000 täglich bei OELCHECK analysierten Proben handelt es sich um Schmierfette, die genauso gründlich und aussagekräftig wie Öle, Kühlmittel und Kraftstoffe beurteilt werden. Dabei ist die Analyse von Schmierfetten aufgrund der geringen Probemengen keine Selbstverständlichkeit – weltweit sind dazu nur wenige Labore in der Lage. Eines davon ist OELCHECK! Wir verfügen über Laborgeräte, die nach unseren Wünschen modifiziert wurden, und über eine langjährige Erfahrung bei der Beurteilung von Fettproben.

Kurz erklärt: Schmierfette

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Wenn eine Schmierstelle nicht perfekt mit Öl versorgt werden kann, kommt in der Regel ein Schmierfett zum Einsatz. Schmierfette müssen aber nicht nur für eine optimale Schmierung sorgen, sondern oft auch die Schmierstellen abdichten und bewegte Teile vor Verschleiß und Verunreinigungen schützen. Sie sollen Stoßbelastungen abdämpfen und sich im Idealfall für eine Lebensdauerschmierung eignen. Fette sind aber keine Alleskönner. Im Gegensatz zu Ölen sind sie nicht in der Lage, hohe Temperaturen, Verunreinigungen sowie Verschleißpartikel von der Reibstelle abzuführen. Hergestellt werden Schmierfette durch das Einrühren eines flüssigen Grundöls in ein geeignetes Verdickungsmittel. Meist werden Additive und fallweise auch Festschmierstoffe zugesetzt. Schmierfette enthalten 70-95 % Grundöl, 3-30 % Verdickungsmittel, 0-10 % Additive und maximal 10 % Festschmierstoffe.

Das Grundöl als Hauptbestandteil eines Fetts bestimmt wesentlich dessen Schmier- und Gebrauchseigenschaften. Als Grundöle werden mineralölbasische, synthetische und teilweise auch pflanzliche Öle eingesetzt. Die Verdickertypen werden unterteilt in Metallseifen (z.B. Lithium, Natrium, Calcium, Barium, Aluminium) und Nicht-Metallseifen (z.B. Bentonit, Polyharnstoff, Silicagel). Als Grundölträger bauen sie eine vernetzte, schwammartige Struktur auf. Diese hält das Öl fest und kann es kontrolliert an die Schmierstelle abgeben. Bestimmte Eigenschaften eines Schmierfetts werden mit Additiven noch verstärkt bzw. gezielt modifiziert. Muss ein Fett unter besonders schweren Bedingungen arbeiten oder über Notlaufeigenschaften verfügen, werden ihm außerdem Festschmierstoffe, wie z.B. Graphit Molybdändisulfid (MoS2) oder PTFE (Teflon) zugesetzt. Enthält ein Fett mehr als 40 % Festschmierstoffe, wird es als Paste bezeichnet.

Ihr Ass bei der Lagerschmierung – OELCHECK Schmierfett-Analysen

  • entdecken frühzeitig Lagerverschleiß und dessen Ursachen
  • unterscheiden zwischen mechanischem und korrosivem Verschleiß
  • warnen rechtzeitig vor Oxidation und Alterung des Schmierstoffs
  • weisen Verunreinigungen und deren Herkunft nach
  • erkennen Vermischungen mit anderen Fetten
  • helfen bei der Optimierung von Schmiermengen und Nachschmierintervallen.

Schmierfett-Analysen von OELCHECK tragen erheblich zur Betriebssicherheit bei und wirken sich positiv auf die Wartungskosten aus.

All-inclusive Analysensets – Für alle Anwendungen, alle Fragestellungen

Für die Untersuchung von Schmierfetten stehen die praktischen OELCHECK all-inclusive Analysensets zur Verfügung. Die in den Sets 1 und 2 enthaltenen Untersuchungsparameter liefern jedoch nur Werte, die sich zur Beurteilung von Frischfetten und Trendanalysen eignen. Bei der Analyse von Gebrauchtfett nach Set 3, 4 oder 5 werden zusätzliche Untersuchungen durchgeführt, so dass die OELCHECK-Tribologen eine umfassende Beurteilung abgeben können. Die Sets 3 und 5 sind speziell auf die jeweiligen Anwendungen und Fragestellungen abgestimmt. Die OELCHECK-Tribologen beraten Sie hier gern!

Set 1 – Die Elemente

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Nach der visuellen Beurteilung und der Fotografie des Probengefäßes sowie des mit Fett gefüllten Schlauchs bzw. des Deckels führen wir für jede Schmierfettprobe eine Bestimmung von über 20 Elementen durch. Neben Verschleiß- und Verunreinigungspartikeln werden auch die bereits im Frischfett vorhandenen Wirkstoffe und Additive betrachtet. Mit einer Atom-Emissions-Spektroskopie (AES) nach dem Rotrode-Verfahren, bei der eine geringe Fettmenge auf ein „Funkenrädchen“ aufgetragen wird, werden bis zu 21 Elemente quantitativ bestimmt und in mg/kg (ppm) im Laborbericht angegeben. Die Werte werden in die drei Kategorien Verschleißelemente, Verunreinigungen und Additive, gegliedert:

  • Typische Verschleißelemente:

Eisen, Chrom, Zinn, Kupfer, Blei, Nickel, Aluminium, Molybdän, Zink sowie etwaige Anteile von Vanadium, Titan, Silber, Antimon, Mangan und Wolfram. Erhöhte Eisen- und Chromwerte deuten zum Beispiel auf Verschleiß eines Wälzlagers hin; Kupfer und Zink auf Verschleiß eines Messing-Lagerkäfigs.

  • Typische Verunreinigungen:

Silizium, Kalzium, Natrium, Kalium, Aluminium, Cadmium und Wismut. Vor allem Silizium (Staub) und Kalzium (Kalk) können als Ablagerungen von hartem Wasser Verschleiß begünstigen. Natrium stammt eventuell aus Salzwasser und kann korrosiven Verschleiß verursachen.

  • Typische Additive, Verdickeranteile:

Lithium, Magnesium, Kalzium, Phosphor, Zink, Barium, Silizium, Aluminium, Molybdän und Bor. Ihre Werte werden mit denen des Frischfettes verglichen. Eine Veränderung gegenüber der vorherigen Probe oder dem Frischfett kann auf eine Vermischung oder einen Leistungsabfall des Fettes hinweisen.

Set 2 – Set 1 + Eisenpartikel + IR-Spektroskopie

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OELCHECK bestimmt im Rahmen dieses all-inclusive Analysensets 2 nicht nur die im Set 1 vorhandenen Elemente, sondern weist mit dem PQ-Index (Particle Quantifier Index) auch noch die kleinsten Eisenteilchen nach, die noch magnetisierbar sind. Die AES kann größere Partikel als 2 μm nicht so stark anregen, dass sie reproduzierbar angezeigt werden. Der PQ-Index erfasst dagegen sämtliche im Fett enthaltene Partikel, die noch auf einen Magneten reagieren. Die OELCHECK-Tribologen kennen die Zusammenhänge des in ppm festgestellten Eisengehalts und des PQ-Index und können eindeutige Aussagen zum Zustand des jeweiligen Lagers treffen.

  • Ein hoher Eisenwert und ein relativ niedriger PQ-Index lassen z.B. Korrosion vermuten. Rostpartikel sind kaum magnetisch aber so klein, dass sie mit der AES gemessen werden können.
  • Ein hoher PQ-Index bei gleichzeitig niedrigem AES-Wert deutet auf Verunreinigungen oder Materialermüdung hin.

Außerdem werden ab Set 2 der Grundöltyp und seine Veränderung durch Wasser oder Temperatur mit der FT-IR Spektroskopie ermittelt. Das Grundöl ist mit einem Anteil von mehr als 80% Hauptbestandteil eines Schmierfetts. Das thermische Verhalten und die oxidative Beständigkeit des Grundöls sind ausschlaggebend für den Temperatureinsatzbereich des Fetts sowie teilweise auch dessen Alterungsverhalten. Die FT-IR (Fourier-Transform Infra-Rot) Spektroskopie nutzt die Tatsache, dass die in einem Schmierstoff vorhandenen Moleküle aufgrund ihrer typischen Bindungsform das Infrarotlicht bei bestimmten Wellenlängen unterschiedlich stark absorbieren. Mittels der Fourier-Transformation werden die Werte lesbar und die Molekülschwingungen können in einem FT-IR-Diagramm dargestellt werden. Je nach Molekülverbindung entstehen dabei „Peaks“ bei entsprechenden Wellenzahlen. Beim Vergleich des FT-IR-Diagramms eines gebrauchten Schmierstoffs mit dem seiner frischen Variante sind bei bestimmten Wellenzahlen die Abweichungen der Peaks zu erkennen. Die OELCHECK Tribologen können daraus eindeutige Rückschlüsse ziehen. Die FT-IR-Spektroskopie liefert ihnen Hinweise:

  • ob das untersuchte Fett ein mineralölbasisches oder synthetisches Grundöl enthält
  • ob ein anderer Fetttyp eingesetzt wurde als vermutet
  • wenn Fette vermischt oder mit einem falschen Fett nachgeschmiert wurden
  • auf einen möglichen Additivabbau, falls ein Fett Hochdruckzusätze, z.B. auf Zink-Phosphor-Basis enthält
  • auf einen etwaigen Wassereintrag von über 1%
  • ob ein mineralölbasisches Fett durch eine zu hohe Temperaturbelastung oder versäumte Nachschmierung oxidiert und gealtert ist. Beim Einsatz von esterbasischen Komponenten kann die FT-IR-Spektroskopie allerdings keine eindeutigen Angaben über dessen Oxidation liefern, weil die im Ester vorhandenen Sauerstoffmoleküle infrarotes Licht im gleichen Wellenzahlbereich absorbieren, wie die Sauerstoff-Doppelbindungen, die durch Oxidation entstehen. In diesem Fall stößt die FT-IR-Spektroskopie an ihre Grenzen. Als Alternative zeigt dann ein RULER-Test im OELCHECK-Labor, ob ein solches Fett oxidiert ist.

Set 3 – Set 2 + Quantitativer Wassergehalt

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Dringt zu viel Wasser in ein Schmierfett ein, muss häufiger nachgeschmiert werden. Allerdings ist dies das kleinste Problem. Denn wenn das Fett dem Wasser nicht standhält, verändert sich das Seifengerüst und das Fett wird weich und suppig. Oft halten die Dichtungen das weiche Fett nicht zurück und es wird ausgewaschen. Ist ein Fett mit zu viel Wasser belastet, drohen Rost und Korrosion und damit Lagerschäden.

Bei Schmierstellen mit hohen Relativbewegungen tritt häufig wasserbedingte Kavitation auf. Die all-inclusive Schmierfettsets 3 bis 5 beinhalten alle die Ermittlung des genauen Wassergehalts in ppm mittels Titration nach dem aufwändigen Karl-Fischer Verfahren! Ist zu viel Wasser (mehr als 150 ppm) im Fett, kann dies gravierende Auswirkungen haben. Bei der KF-Untersuchung wird eine kleine Fettmenge in ein hermetisch abgeschlossenes Gefäß eingewogen. In einem Laborofen wird dann das Wasser bei 120 °C langsam aus dem Fett ausgetrieben. Das ausgedampfte Wasser wird mit Stickstoff über eine Hohlnadel in ein Titriergefäß geleitet. Hier reagiert es elektrochemisch mit einer speziellen Lösung.

Über den Wendepunkt der Titrierkurve kann der Wassergehalt des Fetts exakt in ppm (mg/kg) angegeben werden. Die OELCHECK-Tribologen betrachten bei der Beurteilung der Analysenergebnisse auch den Wassergehalt und die mit der AES ermittelten Werte der Elemente im Zusammenspiel. Daraus können sie oft erkennen, ob es sich um Kondensat, Regen-, Leitungs- oder Salzwasser handelt. Der Kunde vor Ort kann so dem Eindringen des Wassers leichter ein Ende bereiten. Um „hartes“ Leitungswasser handelt es sich meist, wenn ein Fett mit Kalzium, Kalium, Natrium und/oder Magnesium verunreinigt ist. Oft ist Wasser dann beim Hochdruckreinigen eingedrungen. Sind die vorstehend genannten Elemente nur in geringer Konzentration im Gebrauchtfett vorhanden, handelt es sich in der Regel um „weiches“ Kondens- oder Regenwasser. Überwiegt der Natriumanteil deutlich, handelt es sich wahrscheinlich um Salzwasser.

Set 4 – Set 3 + Restölgehalt/Ausbluttest

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Ausbluten – dieser Begriff lässt auch für ein Schmierfett nichts Gutes ahnen! Blutet ein Fett aus, verliert es die für das Schmieren wesentlichen Anteile seines Grundöls. Ist in einem gebrauchten Fett zu wenig Öl enthalten, können die Auswirkungen dramatisch sein. Bei der Herstellung eines Schmierfetts wird einem aufgekochten Verdickungsmittel, der „Seife“, ein Grundöl zugegeben. Der Verdicker hält mit seiner schwammartigen Struktur das Grundöl fest. Erst an der Schmierstelle gibt er es langsam ab. Läuft das Öl aber zu schnell und unkontrolliert aus der Verdickerstruktur aus, spricht man vom „Ausbluten“ eines Fetts. Es trocknet aus und kann seine Schmierungsaufgaben nicht mehr erfüllen. Verliert ein Fett zu viel Grundöl, macht sich dies in der Praxis oft erst einmal dadurch bemerkbar, dass der Dichtungsbereich stark verölt und Fett häufiger nachgeschmiert werden muss. In diesem Fall ist umgehend eine Untersuchung des Fetts mit einem all-inclusive Set 4 zu empfehlen. Es umfasst zusätzlich zu den im Set 1-3 enthaltenen Analysenverfahren auch die Bestimmung des Restölgehalts. Im OELCHECK-Labor wird dafür die Fettprobe sechs Stunden lang konstant auf 60 ˚C erwärmt. Anschließend wird ermittelt, wie viel Gewichtsprozent seines Grundöls das Verdickergerüst während dieser Zeit verloren hat. Anschließend wird der Wert des Frischfetts mit dem des gebrauchten Fettes verglichen. Aus den Ergebnissen können in der Regel folgende Rückschlüsse gezogen werden:

  • Der Grundölverlust zwischen 5 und 25%:

Das Fett kann ohne Änderung der Nachschmierintervalle weiter eingesetzt werden.

  • Der Grundölverlust deutlich höher als 25%:
    • Das Fett ist nicht mehr leistungsfähig. Um Schäden vorzubeugen, müssen umgehend die Ursachen ermittelt werden.
    • Das Fett ist wegen zu hoher Drehzahlen, Belastungen oder Vibrationen einfach ungeeignet. Seine Temperaturbeständigkeit ist zu niedrig.
    • Es wurden Fehler beim Handling gemacht. Die Nachschmiermenge war zu gering. Es wurden unverträgliche Fette vermischt. Das Fett wurde zu lange eingesetzt oder nicht nachgeschmiert. Meist ist das Grundöl dann auch oxidiert bzw. gealtert.
    • Das Fett ist mit Wasser, Säuren oder Laugen verunreinigt.
  • Der Grundölverlust unter 5%: Wenn extrem wenig Grundöl aus dem Gebrauchtfett austritt, ist auch dies kein gutes Zeichen. Oft ist das Fett dann bereits durch starkes Ausbluten trocken geworden. Die Lagerstelle „verhungert“. Es muss also schnellstens nachgeschmiert oder auch die Nachschmierintervalle verkürzt werden. Außerdem ist zu prüfen, ob das eingesetzte Fett für den Einsatz grundsätzlich geeignet ist.

Set 5 – Set 4 + Penetrationszahl

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Konuspenetration - Konus über Fett ...
... und nach 5 Minuten

Mit dem all-inclusive Schmierfettset 5 können die OELCHECK-Tribologen den Zustand von Fett und geschmiertem Element umfassend beschreiben. Das Set 5 baut auf den Untersuchungen der vorherigen Sets auf und wird ergänzt durch die Bestimmung der Konsistenz über die Penetrationszahl. Die Konsistenz kennzeichnet die mehr oder weniger hohe Steifigkeit von Schmierfetten. Nach der Klassifikation der amerikanischen NLGI (National Lubricating and Grease Institute) werden Schmierfette neun Konsistenzklassen zugeordnet. Daraus lässt sich zum Beispiel gleich erkennen, ob ein Fett leicht in einer Zentralschmieranlage förderbar ist. Während seines Gebrauchs kann sich die Konsistenz eines Fetts aber auch ändern. Ist es deutlich fester oder weicher geworden, droht Gefahr für das damit geschmierte Element. Im Untersuchungsumfang des all-inclusive Analysensets 5 ist daher die Bestimmung der Penetrationszahl und damit der Konsistenz enthalten.

NLGI-Klassen Penetrationszahl Konsistenz bei Raumtemperatur
000 445 - 475 Sehr flüssig
00 400 - 430 Flüssig
0 355 - 385 Halbflüssig
1 310 - 340 Sehr weich
2 265 - 295 Weich
3 220 - 250 Mittelfest
4 175 - 205 Fest
5 130 - 160 Sehr fest
6 85 - 115 Äußerst fest

Bei der Ermittlung der Penetrationszahl dringt ein genormter Konus in eine bestimmte Menge Fett ein. Zu Beginn berührt die Konusspitze die Fettoberfläche nur. Dann dringt der Konus tiefer ein. Seine nach 5 Sekunden erzielte Eindringtiefe wird in 0,1 mm gemessen. Sie ergibt die Penetrationszahl. Über sie wird die Konsistenzklasse des Fetts ermittelt. Je weicher das Fett ist, desto tiefer dringt der Konus ein. Die Penetrationszahl ist hoch, die NLGI-Klasse niedrig. OELCHECK vergleicht die Konsistenzklassen bzw. Penetrationszahlen von Gebrauchtfett und dem entsprechenden Frischfett. Daraus ergeben sich folgende Schlussfolgerungen:

  • Gestiegene Penetrationszahl = weichere Konsistenz = niedrigere NLGI-Klasse:
    • Das Fett ist eventuell mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit verunreinigt.
    • Vermischung mit einem Fett, das einen unterschiedlichen Verdicker- oder Grundöl-Typ hat.
    • Das Fett wurde zu hohen Belastungen ausgesetzt und wurde mechanisch geschert.
  • Gesunkene Penetrationszahl = festere Konsistenz = höhere NLGI-Klasse:
    • Das Fett ist mangels Nachschmierung oder durch Ausbluten fester geworden.
    • Die Belastung mit Vibrationen oder auch der Temperatureinsatzbereich waren zu hoch.
    • Die Zentralschmieranlage fördert mit zu hohem Druck, der Leitungsquerschnitt ist zu klein.



Quelle


OelChecker Winter 2018, Seiten 4 - 6