Elementbestimmung, Öl und Kraftstoff Reinheitsklassen

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Bestimmung der Reinheitsklassen nach der SAE AS4059

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Verunreinigungen im Öl sind, besonders für Hydrauliksysteme, einer der größten Risikofaktoren. Ab 1960 beschäftigte sich die Luftfahrt mit dieser Problematik und legte mit der NAS (National Aerospace Standard) 1638 Richtlinien für die Reinheit von Hydraulikfl üssigkeiten fest. Die NAS 1638 wurde schon bald von anderen Industriebereichen übernommen. Dem damaligen Stand der Technik entsprechend konnten allerdings nur Partikel gezählt werden, die größer als 5 µm waren. Die gestiegenen Drücke in Hydraulikanlagen forderten zunehmend bessere Passgenauigkeiten der Maschinenelemente und immer feinere Filtersysteme. Damit stiegen die Anforderungen an die Reinheit eines Öls. Aus diesem Grund wurde die neue SAE AS4059 entwickelt. Unternehmen, die über die neueste Generation von Partikelzählern verfügen, geben bereits heute die Reinheitsklassen nach dieser Norm an.

Als 1964 die NAS 1638 definiert wurde, war absolute Betriebssicherheit für die Luft- und Raumfahrt das auslösende Moment. Bis dahin gab es keine Methoden, mit denen die Reinheit der verwendeten Öle mit Hilfe von automatischen Zählgeräten bestimmt werden konnte. Schon bald griffen andere Industrieunternehmen die damals neue und einzige Richtlinie auf. Die NAS 1638 wurde schon bald auch in Europa genutzt. Hier wurde 1977 die erste Fassung der ISO 4406 verabschiedet. Die Zählung nach NAS kann nur von automatischen Zählern durchgeführt werden. Bei der Reinheit wird in 5 Klassen unterschieden. Die Zählung nach ISO erlaubt neben der Automaten-Zählung mit Angabe von 3 Reinheitsklassen auch eine manuelle Auszählung und eine Zuordnung zu 2 Reinheitsklassen anhand von Rückständen auf dem Filterpapier. Mangels verfügbarer Zählgeräte setzte sich damals in Europa die ISO Norm durch.

Die NAS 1638 – Vorreiter bei der Bestimmung von Reinheitsklassen

Mit der NAS 1638 wurden 5 Reinheitsklassen definiert. Die Partikel werden in 5 Größenklassen differentiell gezählt: 5-15, 15-25, 25-50, 50-100 µm und >100 µm.

Angegeben werden nur die Partikelzahlen, die tatsächlich in einer Klasse vorhanden sind. Die Partikel werden also nicht addiert wie bei der ISO 4406. Jedem Größenbereich wird nach der Partikelzählung eine Reinheitsklasse von 00 bis 12 zugeordnet. Die abschließende Gesamtbeurteilung erfolgt durch die Angabe der schlechtesten dieser 5 NAS Zahlen. Seit der Definition der NAS 1638 wurden immer feinere Filter in den Hydrauliksystemen eingesetzt. Die Anzahl der Partikel >50 µm, ja selbst >15 µm sank dadurch deutlich. Die NAS 1638 mit ihren 5 relativ „großen“ Größenklassen entsprach oft nicht mehr der Realität.

Die ISO 4406 – differenzierte Klassifizierung kleinerer Partikelgrößen

Folgerichtig wurde besonders durch die europäischen Filter- und Anlagenbauer, mit der ISO 4406 eine weitere Richtlinie festgelegt. In ihrer Fassung von 1977 sah sie eine Klassifizierung von Partikelgrößen >5 µm und >15 µm vor, weil zu diesem Zeitpunkt hochauflösende Lasersensoren noch nicht verfügbar waren und häufig auch noch die Partikel, die auf einem gerasterten Filterpapier vorhanden waren, von einem erfahrenen Techniker mit Hilfe von Mikroskopen nur in klein (5µ) und groß (15µ) unterschieden werden konnten.

1999 wurde die ISO 4406 überarbeitet. Mit neuen Lasersensoren konnten nun auch kleine Partikel so gut ausgewertet werden, dass auch Partikel ab 2 µm dargestellt werden konnten. Seit 1999 werden nach der ISO 4406 drei Klassen >4µ, >6 µ und >14µ angegeben, wenn mit einem Zähler ausgewertet wird. Wenn die Partikel manuell auf einem Filter gezählt werden, können nach wie vor nur 2 Reinheitsklassen (>6µ und >14µ) angegeben werden. Bei der ISO-Partikelzählung erfolgt die Angabe der Partikel kumulativ, d.h. in der Anzahl der Partikel >5µ sind auch die Partikel > 15 µ enthalten. Die in einer Ölprobe gezählten Partikel werden gemäß Tabelle 1 auf 100 ml bezogen und jeweils pro Größenklasse einer Reinheitsklasse zugeordnet.

Tabelle 1: Reinheitsklassen nach ISO 4406

Anzahl Partikel pro 100 ml

Ordnungszahl

Mehr als

bis einschließlich

250.000.000
130.000.000
64.000.000

 
250.000.000
130.000.000

> 28
28
27

32.000.000
16.000.000
8.000.000

64.000.000
32.000.000
16.000.000

26
25
24

4.000.000
2.000.000
1.000.000

8.000.000
4.000.000
2.000.000

23
22
21

500.000
250.000
130.000

1.000.000
500.000
250.000

20
19
18

64.000
32.000
16.000

130.000
64.000
32.000

17
16
15

8.000
4.000
2.000

16.000
8.000
4.000

14
13
12

1.000
500
250

2.000
1.000
500

11
10
9

130
64
32

250
130
64

8
7
6

16
8
4

32
16
8

5
4
3

2
1
0

4
2
1

2
1
0

Die ISO-Reinheitsklasse wird als zusammengesetzte Zahl, wie z.B. 21/18/17, angegeben. Die erste Zahl bezieht sich auf die Partikel >4µm, die mittlere Zahl auf Partikel >6µm und die rechte Zahl auf die großen Partikel >14µm.

Ein Teststaub für die Kalibrierung des Partikelzählers

Automatische Partikelzähler (APC für Automatic Particle Counter bzw. OPZ für Optische Partikel Zähler) wurden ab etwa 1960 eingesetzt. Die Größenverteilung von Schmutzpartikeln in Hydrauliksystemen war oft die Veranlassung für eine genaue Ölanalyse mit der Bestimmung von Verschleißmetallen, Wasser und anderen Verschmutzungen, die Auswirkung auf Störungen von Hydrauliksystemen und deren Komponenten hatten. Ganz besonders wichtig war die exakte Kalibrierung der Partikelzähler. Zur Kalibrierung der ISO- und auch der NAS-Partikelzähler wurde ein Staub ausgewählt, der in ein vollsynthetisches Flugzeug-Hydrauliköl eingerührt wurde. Dieser ACFTD (Air Cleaner Fine Test Dust) Silizium-Staub wurde mehr als 25 Jahre verwendet, bis der Hersteller 1992 die Produktion einstellte.

Ein neuer Teststaub, der „ISO Medium Test Dust“ (ISO MTD) musste also gefunden und neu definiert werden. Dieser MTD-Staub hatte eine andere Verteilung der Partikel, deshalb musste das Kalibrierverfahren der Zähler und das Auswerteverfahren umgestellt werden. Während die alte Kalibrierung für den ACFTD-Staub die Partikelgröße als die längste Ausdehnung eines Partikels (längste Diagonale) definierte, bestimmte die mit ISO MTD erforderliche Kalibrierung den Durchmesser eines flächengleichen Kreises als Partikelgröße.

Damit sich aber die in vielen Vorschriften aufgeführten Reinheitsklassen nicht änderten, wurden die über die Diagonalen ermittelten Partikelgrößen auf die über flächengleiche Kreise berechneten Werte neu defi niert. So entspricht die Anzahl der ACFTD Testtaub ermittelten Partikel von einer Größe von >5µm der bei der heutigen MTD-Kalibrierung gebräuchlichen Anzahl von Partikeln von >6µm. Die Reinheitsklasse ist dann in beiden Fällen die gleiche.

Die SAE AS4059 löst die NAS 1638 ab

Die NAS 1638 ist heute nicht mehr zeitgemäß. Bereits 1988 wurde deshalb in der “SAE“, der „Society of Automotive Engineers” von deren Arbeitsausschuss „The Engineering Society for Advanced Mobility on Land, Sea, Air and Space International“ die erste Fassung der AS4059 (AS steht für „Aerospace Standard“) formuliert und konsequent weiterentwickelt. Heute wird daher oft von der „SAE Norm für Partikelzählung“ gesprochen, obwohl damit eigentlich die von der SAE herausgegebene AS4059 gemeint ist. Die neue Norm soll zum Jahresbeginn 2005 die NAS 1638 komplett ablösen obwohl sie noch nicht endgültig verabschiedet ist.

  • Die Einführung der AS4059 zur Bestimmung der Reinheitsklassen bringt entscheidende Vorteile mit sich:Es werden auch kleinere Partikel als die 5µ gezählt nämlich Partikel die bis >1 µm nach der alten NAS bzw. >4 µm nach der AS 4059 „klein“ sind.
  • Die Kalibrierung mit dem MTD-Staub für die automatischen Partikelzähler wird endgültig identisch sein und ist in der ISO 11171 neu geregelt.
  • Die Werte werden, wie bei der ISO, in kumulierter Form (alle Partikel >4 µm; alle Partikel > 6 µm) zusammengezählt.
  • Es wird eine weitere Klasse „000“ mit noch höherer Reinheitsstufe eingeführt, die allerdings für den Bereich der industriellen Hydrauliköle nur bei ganz großen Partikeln erreicht werden dürfte.

Tabelle 2: Reinheitsklassen nach SAE AS 4059

 

maximal zulässige Anzahl von Partikeln pro Reinheitsklasse pro 100 ml

Kalibrierung
nach NAS 1638

> 1 µm

>5 µm

>15 µm

>25 µm

>50 µm

>100 µm

Kalibrierung
nach AS 4059

>4 µm

>6 µm

> 14 µm

>21 µm

> 38 µm

>70 µm

Größencode

A

B

C

D

E

F

Klasse 000

195

76

14

3

1

0

Klasse 00

390

152

27

5

1

0

Klasse 0

780

304

54

10

2

0

Klasse 1

1.560

609

109

20

4

1

Klasse 2

3.120

1.220

217

39

7

1

Klasse 3

6.520

2.430

432

76

13

2

Klasse 4

12.500

4.860

864

152

26

4

Klasse 5

25.000

9.730

1.730

306

53

8

Klasse 6

50.000

19.500

3.460

612

106

16

Klasse 7

100.000

38.900

6.920

1.220

212

32

Klasse 8

200.000

77.900

13.900

2.450

424

64

Klasse 9

400.000

156.000

27.700

4.900

848

128

Klasse 10

800.000

311.000

55.400

9.800

1.700

256

Klasse 11

1.600.000

623.000

111.000

19.600

3.390

512

Klasse 12

3.200.000

1.250.000

222.000

39.200

6.780

1.024

Partikelzahlen, Reinheitsklassen – die neue ISO 4406 und die NAS 1638

Ausfälle von hydraulischen Systemen werden zu etwa 80% durch Verunreinigungen des Hydraulikmediums verursacht. Deshalb ist neben den Grundeigenschaften wie Viskosität und Verschleißschutz besonders die Reinheit des Hydrauliköls für einen störungsfreien und verschleißarmen Betrieb der Anlagen entscheidend. Der Verschmutzungsgrad des Öls wird bestimmt durch Größe und Anzahl der im Öl vorhandenen Partikel.

Einer hohen Reinheit des Öls kommt große Bedeutung zu. Dies gilt besonders für Hydraulikanlagen und alle Schmiersysteme, in denen Druck und Geschwindigkeit des Übertragungs- oder Abdichtmediums eine bedeutende Rolle spielen. Eine höhere Reinheit des Öls wirkt sich auch positiv auf eine verlängerte Standzeit von Wälzlagern und Getrieben sowie auf eine geringere Öloxidation aus.

Harte Partikel wie Staub, Farbteilchen und Verschleißmetalle wirken abrasiv. Weiche Partikel entstehen meist durch gealterte Öl-Additive. Sie können sich in klebriger Form an den Komponenten oder Filtern anlagern und ihre Funktion einschränken.

Die Partikelzählung bestimmt pro 100ml Öl die Anzahl pro Größenklasse von Partikeln, die sich im Lasersensor als Schatten darstellen lassen. Dabei wird nicht nach Art (weich oder hart) und Form der Partikel (lang oder rund) unterschieden.

Zur vereinfachten Beurteilung des Verschmutzungsgrades erfolgt eine Einteilung in sogenannte "Reinheitsklassen". Dabei werden zunächst Anzahl und Größe der Partikel bestimmt. Anhand der Partikelanzahl erfolgt dann die Zuordnung in eine Reinheitsklasse. Die Verfahren zur Bestimmung der Ölreinheit und die Zuordnung der Reinheitsklassen sind in der ISO 4406 und der NAS 1638 definiert.

Reinheitsklassen nach ISO 4406

Die neue ISO 4406 sieht eine Klassifizierung mit den Partikelgrößen > 4 µm, > 6 µm und > 14 µm vor. Die ISO-Partikelzahlen sind kumulativ, d. h. die für > 6 µm angegebene Partikelanzahl setzt sich zusammen aus allen Partikeln >6 µm plus den Partikeln >14 µm.

Anhand der Partikelzahlen, Reinheitsklassen nach ISO/NAS, ÖlreinheitTabelle 2 werden die in 100ml Öl pro Größenklasse gezählten Partikel einer Reinheitsklasse zugeordnet und die ISOReinheitsklasse als zusammengesetzte Zahl in der Form wie z.B. 21/18/13 angegeben.

Statistisch wurde ermittelt, dass die Abweichung zwischen den ISO-Normen alt und neu maximal eine Reinheitsklasse beträgt. Bei der Umstellung wird sich bei Trendanalysen in der Angabe der Reinheitsklassen kaum etwas ändern.

Die alte ISO 4406 sieht eine Angabe der Partikelanzahl in 2 Klassen vor (>5µ und >15µ), der ISO-Entwurf (1991) in 3 Klassen (>2µ, >5µ und >15µ).

Reinheitsklassen nach NAS 1638

Die Bestimmung der Reinheitsklassen nach NAS (National Aerospace Standard) ist auf die Anforderungen an moderne Hydraulikanlagen von Luftfahrzeugen zurückzuführen. Im Vergleich zur ISO-Norm werden bei der NAS 1638 auch Partikel unterschieden, die größer als 15 µm sind.

Gemäß NAS 1638 werden Partikel in 5 Größenklassen gezählt und für jeden Größenbereich wird entsprechend der Tabelle 3 eine Reinheitsklasse von 00 bis 12 zugeordnet.

Als NAS-Klasse wird jedoch nur die größte (schlechteste) der 5 Einzelklassen (z.B. 9) angegeben. Die Zählmethode ist differentiell, d.h. es wird die Partikelanzahl genannt, die tatsächlich in einer Klasse vorhanden ist. Gezählt werden Partikel je 100 ml Öl in der Größe von 5-15, 15- 25, 25-50, 50-100 µm und > 100 µm.

Mindestreinheitsklassen gemäß Herstellern

In Abhängigkeit vom Betriebsdruck und der im Hydraulik-Kreislauf verwendeten Bauelemente schreiben Pumpen-, Ventil- oder Maschinen-Hersteller eine Reinheitsklasse vor, die das Öl mindestens für einen störungsfreien Betrieb haben sollte.

Wenn keine Vorschriften vorhanden sind, können die Angaben aus der Tabelle 1 als Richtwerte dienen.

Die Kalibrierung entscheidet – Messung nach NAS oder der neuen ISO 4406

Seit über 25 Jahren wurde ein bestimmter Teststaub (ACFTD = Air Cleaner Fine Test Dust) zur Kalibrierung von automatischen Partikelzählgeräten eingesetzt.

Diese Kalibrierung liegt der alten ISO 4406 zu Grunde. 1992 wurde die Produktion dieses Teststaubes durch die Firma AC Rochester (früher AC Spark Plug Company, USA) eingestellt. Die Folge war, dass man versuchte einen neuen Teststaub zu entwickeln, der eine ähnliche Größenverteilung wie der ACFTD-Staub aufweist.

Seit Ende 1997 sind in der ISO 12103-1 vier verschiedene Teststäube genormt. Von diesen vier Teststäuben hat man einen ausgewählt, um ihn zur Kalibrierung von automatischen Partikelzählgeräten und für Multipass-Tests der Filterlieferanten einzusetzen. Er nennt sich ISO MTD (ISO Medium Test Dust nach ISO 12103- A3). Er ist als reiner Test-Staub und als Suspension von ISO MTD in Hydrauliköl (MIL-H-5606) über das National Institute of Standards and Technology der USA (NIST) zu beziehen.

In Folge der Änderung des Teststaubes wurde auch das Kalibrierverfahren angepasst. Während die bisherige ACFTD-Kalibrierung (ISO 4402) als Partikelgröße die längste Ausdehnung verwendet, definiert die neue Kalibrierung mit ISO-MTD (ISO 11171) als Partikelgröße den Durchmesser eines flächengleichen Kreises. Die Folge ist, dass bei Messungen mit einem Partikelzähler für die alte und die neue Norm jeweils eine andere Kalibrierung und Berechnung verwendet werden müssen. Damit ist pro untersuchter Schmierstoffprobe aber jeweils nur noch eine Messung nach der neuen ISO 4406 oder nach NAS möglich.

Der OELCHECK Extra-Tip für Praktiker

Frischöle sind nicht gleichzeitig auch "reine" Öle. Normalerweise wird das Öl im Produktionsprozess nicht feinstgefiltert. Auch werden neue Fässer meist vor der Verwendung nicht gespült, sie können also, wie auch die für Hydrauliköle oft eingesetzten wiederaufbereiteten (recycelten) Fässer, noch Rückstände enthalten. Da zusätzlich beim Abfüllen, Umfüllen und Transportieren Partikel eingeschleppt werden ist die ISO-Reinheitsklasse selten besser als 21/19/14. Es ist daher immer sinnvoll, eine Hydraulikanlage direkt über ein geeignetes Filtergerät zu befüllen.

Tabelle 1: Empfohlene Mindestreinheitsklassen

Komponente

Klasse nach ISO 4406

Servohydraulische Anlagen, Servoventile

mindestens 17/14/11

Proportional- und Hochdruckhydraulik (p>160 bar)

mindestens 19/16/13

Nieder- und Mitteldruckhydraulik (p<160 bar)

mindestens 21/18/13

Flügelzellen- und Kolben-Pumpen / Motoren

mindestens 18/16/13

Getriebe Pumpen / Motoren

mindestens 20/17/14

Biohydraulik

mindestens 19/17/13

Tabelle 2: Reinheitsklassen nach ISO 4406

Anzahl Partikel pro 100 ml

Ordnungszahl

Mehr als

bis einschließlich

250.000.000
130.000.000
64.000.000

 
250.000.000
130.000.000

> 28
28
27

32.000.000
16.000.000
8.000.000

64.000.000
32.000.000
16.000.000

26
25
24

4.000.000
2.000.000
1.000.000

8.000.000
4.000.000
2.000.000

23
22
21

500.000
250.000
130.000

1.000.000
500.000
250.000

20
19
18

64.000
32.000
16.000

130.000
64.000
32.000

17
16
15

8.000
4.000
2.000

16.000
8.000
4.000

14
13
12

1.000
500
250

2.000
1.000
500

11
10
9

130
64
32

250
130
64

8
7
6

16
8
4

32
16
8

5
4
3

2
1
0

4
2
1

2
1
0

Tabelle 3: Reinheitsklassen nach NAS 1638

Filterklasse

Teilchen pro 100 ml [µm]

5 –15

15 – 25

25 – 50

50 –100

>100


0

125
250

22
44

4
8

1
2

0
1

1
2

500
1.000

89
178

16
32

3
6

1
1

3
4

2.000
4.000

356
712

63
126

11
22

2
4

5
6

8.000
16.000

1.425
2.850

253
508

45
90

8
16

7
8

32.000
64.000

5.700
11.400

1.012
2.052

180
360

32
64

9
10

128.000
256.000

22.800
45.600

4.050
8.100

720
1.140

128
256

11
12

512.000
1.024.000

91.200
182.000

16.200
32.400

2.880
5.760

512
1.024

Fragestellungen rund um den Kraftstoff

OELCHECK ist seit 1991 im deutschsprachigen Raum das führende Labor für Schmierstoffanalysen. Neben mehreren hundert Hydraulik- und Getriebeölen, Schmierfetten und Industrieschmierstoffen untersuchen wir Tag für Tag mehr als 100 Proben aus Motoren, wie sie u. a. in Fahrzeugen, Bau- und Landmaschinen oder BHKWs eingesetzt werden. Aus diesem Kreis wenden sich vermehrt Kunden an uns, die ihre Motorenprobleme mit Kraftstoff in Verbindung bringen.

Obwohl sich OELCHECK in erster Linie auf Schmierstoffanalysen spezialisiert hat, werden auch Proben von Kraftstoffen im Zusammenhang mit besonderen Fragestellungen untersucht. Allerdings prüfen wir nicht, ob ein Kraftstoff der angegebenen EN oder DIN-Norm entspricht. Wir führen also keine Untersuchungen im Zusammenhang mit der Qualitätssicherung im Zusammenhang mit Liefergarantien auf der Basis solcher Normen durch.

Wir sind aber in der Lage, anhand von Veränderungen der typischen Raffinerie-Ausgangswerte in meisten Fällen zu beurteilen, ob die Kraftstoffproben ungewöhnlich stark verunreinigt oder unzulässig hoch vermischt sind.

In der Tabelle haben wir häufig gestellte Fragen den von uns empfohlenen Analysensets, deren Umfang zur Beantwortung dieser Fragen erforderlich ist, gegenübergestellt.Eine Übersicht über die Prüfverfahren für die verschiedenen Set-Nummern finden Sie unter Analysensets.

Elementbestimmung mit der Atom-Emissions-Spektroskopie (AES)

Die Bestimmung der Elemente wird zu Recht als das Rückgrat der Ölanalyse bezeichnet. 20 bis 30 Metalle werden gleichzeitig im Öl gemessen. Diese liefern eine Vielzahl von Informationen über Verschleiß, Additive und Verunreinigungen. Deswegen wird jede Schmierstoffprobe im OELCHECK-Labor akribisch auf metallische Elemente analysiert.

Die AES ist Bestandteil eines jeden OELCHECK-Analysensets. Die Tabelle gibt einen Überblick der am häufigsten nachgewiesenen Elemente und verweist auf deren mögliche Herkunft.

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Quelle


ÖlChecker Winter 2008, Seite 6 - 7
ÖlChecker Sommer 2006, Seite 4
ÖlChecker Winter 2004, Seite 10 f.
ÖlChecker Sommer 2003, Seite 6/7
ÖlChecker Sommer 2000, Seite 6/7
ÖlChecker Frühjahr 1999, Seite 7