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Schmiermaterialien

[367] Schmiermaterialien, Schmiermittel (greases, unguents [smears]; enduits, graisses, oings; materielle d'untura), haben den Zweck, die unmittelbare Berührung aneinander gleitender Maschinenteile zu verhindern und den Reibungswiderstand auf ein Mindestmaß herabzudrücken.

Der angestrebte Zweck wird möglichst vollkommen erreicht, wenn die S. sowohl in physikalischer als auch in chemischer Hinsicht bestimmten Anforderungen, die durch die jeweilige besondere Verwendung bedingt sind, entsprechen.

Ein gutes S. muß die Eigenschaft haben, an den zu schmierenden Körpern zu haften und in ihre Poren einzudringen. Die Adhäsion des S. an den Körperflächen muß größer sein als die eigene Kohäsion. Der Flüssigkeitszustand (Viskosität) des S. soll derart sein, daß der eigene Reibungswiderstand möglichst gering wird, eine gleichförmige Verteilung des S. in dünnen Schichten erfolgt, jedoch ein Verdrängen und Ausquetschen durch den vorhandenen Druck und unter dem Einfluß der durch die Reibung entstehenden Wärme nicht stattfindet. Das S. darf bei fortgesetztem[367] Gebrauch weder verdunsten, noch sich verdicken oder gar verharzen, es muß seine Schmierfähigkeit unverändert beibehalten und darf die Maschinenteile nicht angreifen.

In der ersten Zeit des Eisenbahnbetriebs wurde zum Schmieren der Lokomotiven fast durchgehends Olivenöl und Unschlitt und zum Schmieren der Wagenlager eine aus Unschlitt, Palm- oder Rüböl, Soda und Wasser oder eine aus mit Bleioxyd verseiftem Rüböl und Wasser hergestellte Starrschmiere verwendet. Diese Schmiere wurde jedoch in den Fünfzigerjahren auf den deutschen und teilweise auch auf den österreichischen Bahnen trotz mancher Vorteile, die ihre Verwendung bot, nach und nach verlassen und wurde für die Wagenlager Ölschmierung eingeführt, da der bei der Starrschmiere bei niedriger Temperatur vorhandene größere Reibungswiderstand einen zu bedeutenden Einfluß auf die Ausnutzung der Zugkraft ausübte. Je nach den Preisverhältnissen wurden dafür die verschiedensten Pflanzenöle (Olivenöl, Rüböl, Rizinusöl, Harzöl u.s.w.) in Verwendung genommen.

Veranlaßt durch den gesteigerten Bedarf an S. tauchten wohl Öle auf, die durch trockene Destillation der mineralischen Kohle gewonnen wurden; sie konnten sich aber, weil sie bei höheren Temperaturen zu leichtflüssig wurden, nicht behaupten.

Erst nachdem es gelungen war, durch Verarbeitung der bei der Petroleumraffinerie gewonnenen Rückstände billige und brauchbare Schmieröle zu erzeugen, sind diese Mineralöle beim Wagenschmieren (zuerst bei den österreichischen Bahnen im Jahre 1861) in größerem Maß zur Verwendung gelangt.

Die damit erzielten günstigen Ergebnisse, der damalige hohe Preis des Rüböls und der gleichzeitige Preisrückgang für Mineralöle, als Folge der gesteigerten Petroleumerzeugung, haben die weitere Einführung des Mineralöls derart begünstigt, daß seit Anfang der Siebzigerjahre dieses S. auf den meisten Bahnen des VDEV. eingeführt wurde und gegenwärtig allgemein zur Schmierung der Achsen in Verwendung steht. Auf den englischen, französischen, belgischen und italienischen Bahnen hat sich die Starrschmiere für Wagenlager länger gehalten. Jetzt ist aber auf dem ganzen europäischen Festland fast ausschließlich Mineralöl in Gebrauch, ebenso in Nordamerika, wo früher Walratöl benützt wurde.

Nicht im gleichen Maße wie bei der Wagenlagerschmierung hat das Mineralöl bei der Lokomotivschmierung Eingang gefunden. Es lag dies einerseits an den verhältnismäßig hohen Preisen der besseren Mineralöle, deren Verwendung daher zur Schmierung der kalten Lokomotivteile keine besonderen Vorteile bot, anderseits an dem Umstand, daß die Beschaffenheit dieser S. noch keine derartige war, um das zur Schmierung der Kolben und Schieber allgemein benützte Rüböl verdrängen zu können.

Seitdem aber in der Herstellung der Zylinderöle weitere Fortschritte gemacht wurden, was auch mit der Wahl besonders geeigneter Rohölsorten zusammenhing, und weiters auch die Schmiervorrichtungen den neuen Materialien angepaßt wurden, haben die Mineralöle auch bei der Schmierung der unter Dampf gehenden Maschinenteile die pflanzlichen und tierischen Öle bzw. Fette beinahe vollständig verdrängt.

Die Gründe für die Bevorzugung der Mineralöle sind in der wirtschaftlichen Seite und gleichzeitig auch in den wesentlich günstigeren Eigenschaften gelegen.

Die pflanzlichen und tierischen Öle bzw. Fette – der chemischen Zusammensetzung nach Glyzerinester der höheren Fettsäuren – sind verhältnismäßig leicht zersetzlich, neigen zur Säurebildung und gehen meist bei niedrigeren Temperaturen in den salbenartigen Zustand über, ein Umstand, der für die praktische Verwendung mit verschiedenen Unannehmlichkeiten verbunden ist.

Demgegenüber lassen sich aus dem Erdöl S. in allen Abstufungen, vom dünnsten Maschinenöl bis zum zähflüssigsten Zylinderöl, kältebeständig und widerstandsfähig gegen überhitzten Dampf, für fast alle Zwecke der Technik in einwandfreier Beschaffenheit herstellen.

Das Ausgangsmaterial für die Erzeugung der Mineralöle ist das rohe Erdöl (Rohöl, Naphtha). Durch Destillation werden aus diesem die leichter flüchtigen Bestandteile – Benzin und Petroleum – entfernt, worauf der verbleibende Rückstand auf Schmieröle verarbeitet werden kann.

Durch weitere Destillation, in neuerer Zeit mittels überhitzten Dampfes und gleichzeitiger Anwendung starken Vakuums, wird eine Zerlegung in verschiedene Fraktionen vorgenommen, die entweder für sich oder nach Mischung untereinander für Schmierzwecke verwendet werden können.

In vielen Fällen wird eine Reinigung der einzelnen Fraktionen mit konzentrierter Schwefelsäure unter gleichzeitigem Einblasen von Luft und nachherigem Waschen mit Laugen bzw. Wasser zur Entfernung von Harzbestandteilen u. dgl., Erzielung hellerer Farbe durchgeführt.

Für untergeordnete Schmierzwecke werden auch undestillierte Rückstände je nach der Beschaffenheit des Rohöls mit oder ohne Reinigung verwendet.[368]

Der chemischen Zusammensetzung nach bestehen die Mineralöle aus verschiedenen hoch siedenden Kohlenwasserstoffen, vorwiegend Gliedern der Methanreihe und Naphthenen, sowie den stark ungesättigten Reihen angehörend. Diese einzelnen Gruppen (Reihen) unterscheiden sich außer durch die molekulare Anordnung hauptsächlich durch das Verhältnis der Anzahl der Kohlenstoffatome zur Anzahl der Wasserstoffatome, das bei obigen Reihen sich folgendermaßen darstellt:

C_nH_{2n + 2}, C_nH_2n, C_nH_2n-2.

Alle Glieder einer solchen Reihe sind nach einer dieser Formeln aufgebaut und zeigen mit zunehmender Kohlenstoffatomzahl größeres spezifisches Gewicht und höheren Siedepunkt. In geringerer Menge finden sich in den Mineralölen auch aromatische Kohlenwasserstoffe und als Nebenbestandteile auch sauerstoff-, stickstoff- und schwefelhaltige Verbindungen. Je nach dem Rohmaterial, aus dem die Mineralöle hergestellt werden, enthalten diese vorwiegend die Glieder der einen oder der andern Reihe und demgemäß ändern sich auch die physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Die Anforderungen, die seitens der Eisenbahnverwaltungen an die S. gestellt werden, kommen in den Lieferungsbedingnissen folgendermaßen zum Ausdruck.

Bedingnisse für die Lieferung von Mineralschmierölen für Maschinen und Wagen.

[369] Bedingnisse für die Lieferung von Zylinderöl.

[370] Zum Schmieren der reibenden Teile bei Stellwerken, Sicherungsanlagen u.s.w. werden ebenfalls reine Mineralöle, teils mit einer Viskosität von 10–20 (bei 20°) und wenn erforderlich auch kältebeständig, teils von der Beschaffenheit der Wagenöle, benützt.

Von den pflanzlichen und tierischen Ölen und Fetten, die selten für sich allein, meistens mit Mineralöl gemengt noch manchmal Verwendung finden, verdienen die folgenden Erwähnung:

Rüböl oder Rübsenöl, Rapsöl, Kohlsaatöl oder Huile de colza und Huile de navette, Rapse Oil, sind Samenöle der verschiedenen Brassicaarten (Kohl- und Rübenraps), die in ihren Eigenschaften fast vollständig übereinstimmen und ohne weitere Rücksicht auf Abstammung häufig miteinander gemengt als Rüböl in den Handel kommen. Rüböl hat bei 15° C ein spezifisches Gewicht von 0∙913 bis 0∙917, ist meistens bei 0° talgartig und ist bei 15° C 16–18mal dickflüssiger als Wasser. Es wird aus den Samen auf mechanischem Weg durch Auspressen oder auf chemischem Weg durch Ausziehen mittels Schwefelkohlenstoffs gewonnen. Im rohen Zustand ist das Rüböl zum Schmieren wenig geeignet, da es Schleimteile in großer Menge enthält, die nach kurzem Gebrauch die Schmierdochte und Schmierkanäle verlegen. Die Entfernung der Schleimteile erfolgt durch Behandlung mit geringen Mengen von Schwefelsäure, nachheriges Waschen mit warmem Wasser und Filtrieren.

Olivenöl (Baumöl) wird aus der ausgereiften Olive durch Pressen gewonnen, ist ein vortreffliches S., das sich an der Luft nur wenig verändert, findet aber wegen seines hohen Preises nur in den südlicheren Ländern, wo es mit dem entschleimten und entsäuerten Rüböl in Wettbewerb treten kann, Verwendung.

Rindstalg (Unschlitt) wird aus den in der Bauchhöhle der Rinder angesetzten Fetten gewonnen, schmilzt bei 42∙5–46° und besteht aus ³/₄ Teilen Palmitin und Stearin und ¹/₄ Teil Olein. Der Rindstalg wird gegenwätig fast nur mehr zum Tränken der Stopfbüchsenpackung, insofern diese aus Hanfzöpfen hergestellt wird, verwendet. Früher wurde der Rindstalg zur Herstellung der Starrschmiere und mit Öl versetzt zum Schmieren des Mechanismus gebraucht.

In den Zylindern und Schieberkästen finden sich häufig pechähnliche harte Rückstände, die aus Kohle, Eisenoxyd, Aschebestandteilen, asphaltartigen Produkten und unverändertem Schmieröl bestehen. Die mineralischen Bestandteile dieser Verkrustungen werden hauptsächlich bei der Leerfahrt aus der Rauchkammer angesaugt, während die organischen als Oxydationserzeugnisse des Mineralöls, das besonders bei Vorhandensein größerer Mengen ungesättigter Kohlenwasserstoffe zu Verharzungen neigt, anzusehen sind.

In letzter Zeit werden bei mehreren Bahnverwaltungen Versuche mit einer Öl- und Graphitschmierung durchgeführt, die den Zweck haben soll, die Reibung in den Lagern weiter zu vermindern und gleichzeitig den Verbrauch an S. herabzudrücken. Auch wird der Öl-Graphit-Schmierung nachgerühmt, daß im Fall einer im Betrieb vorkommenden Verringerung der Ölzufuhr der Graphit die Schmierung weiter besorgt, so daß die Gefahr eines Ausschmelzens des Lagers bedeutend hinausgeschoben wird.

Der Graphit – es gelangt nur künstlicher, nach dem Acheson-Verfahren hergestellter zur Verwendung – wird durch besondere Behandlung in die Form einer beständigen Emulsion gebracht, von der den Ölen etwa ½ – 2% zugesetzt werden. Über die Zweckmäßigkeit dieses neuen S. liegen zurzeit noch keine abschließenden Urteile vor.

Der Verbrauch an S. beträgt für Wagen im großen Durchschnitt für je 1000 Achskm etwa 0∙2–0∙3 kg. Dies entspricht bei einer Jahresleistung[371] eines 2achsigen Güterwagens von rd. 16.000 Wagenkm einem jährlichen Bedarf von 6–10 kg für einen Wagen. Für Lokomotiven samt Tender beträgt der Verbrauch je nach der Größe, Bauart und Dienstleistung etwa 10–20 g für einen Lokomotivkm; davon entfallen für die Lokomotiv- und Tenderachsen je nach ihrer Zahl 3–8 g, für den Mechanismus 3–5 g und für die Zylinder 4–7 g. Bei einer Jahresleistung von 40.000 Lokomotivkm kann der jährliche Bedarf an S. für eine Lokomotive samt Tender bzw. für eine Tenderlokomotive mit 400–800 kg angenommen werden.

Untersuchung der S.

Für die Beurteilung der S. kommen verschiedene physikalische und chemische Prüfungsarten in Anwendung, die vorerst ihre Eignung für bestimmte Verwendungszwecke und weiters die Reinheit bzw. Unveränderlichkeit im Betrieb festzustellen haben. Die Untersuchung beschränkt sich im allgemeinen auf die Bestimmung der Zähflüssigkeit, des Flammpunktes, der Dichte, und bei Ölen, die bei niedrigeren Temperaturen Verwendung finden, auch auf Kältebeständigkeit, ferner auf die Ermittlung des Säuregehaltes, die Prüfung auf etwa vorkommende mechanische Verunreinigungen sowie auf das Vorhandensein von Asphalt, harzigen Bestandteilen und etwa beigemengten fremden Fetten und Ölen.

In einzelnen Fällen – Wahl der S. für besondere Zwecke, Nachweis von Verfälschungen u.s.w. – können noch weitere physikalische und chemische Untersuchungsmethoden zur Entscheidung herangezogen werden. Die Ermittlung der Zähflüssigkeit hat, da diese hauptsächlich für die Eignung des S. im mechanischen Sinne in Betracht zu ziehen ist, große Bedeutung. Da die Bestimmung des absoluten bzw. spezifischen Wertes der Zähigkeit, dessen Angabe in den in der Physik üblichen Maßsystemen erfolgt, schwieriger durchzuführen ist, sind für technische Zwecke eigene Vorrichtungen in Verwendung, mit deren Hilfe die Zähflüssigkeit der S. bei verschiedenen Temperaturen rasch und einfach festgestellt werden kann.

Im Deutschen Reich, in Österreich-Ungarn und in einigen anderen Ländern des europäischen Festlandes ist der Zähflüssigkeitsmesser nach Engler in Benutzung.

Diese Vorrichtung (Abb. 225) besteht aus einem flach gebauten, mit Deckel versehenen Gefäß A, welches von einem mit Wasser oder Öl gefüllten Heizbad B umgeben ist. Durch den Boden der beiden Behälter ist ein 20 mm langes, durch einen Stift b verschließbares Ablaufröhrchen aus Platin geführt. Das zu untersuchende Öl wird in das Auslaufgefäß, das zur genauen Einstellung auf das Volumen von 200 cm³ an der Seitenwand 3 Markenspitzen enthält, eingefüllt und mit Hilfe eines verschiebbaren Ringbrenners, eines Rührers ED und zweier Thermometer, von denen das eine in den Ölraum und das andere in das Heizbad taucht, auf die Versuchstemperatur gebracht. Das durch das Röhrchen ausfließende Öl wird in einem mit Marken versehenen Kolben aufgefangen. Die Auslaufzeit von 200 cm³ Öl bei der Versuchstemperatur – in Sekunden gemessen – geteilt durch die Auslaufzeit von 200 cm³ Wasser (bei 20°) gibt das Maß der Zähflüssigkeit, in »Engler-Graden« ausgedrückt, an. In anderen Ländern sind ähnliche Vorrichtungen in Gebrauch, so das Redwoodsche Viskosimeter (England), das Lamansky-Nobelsche – neben dem Englerschen – (Rußland), das Barbeysche (Frankreich), das Sayboldsche (Amerika).

Der Flammpunkt, d.i. die Temperatur, bei welcher ein Öl brennbare Dämpfe zu entwickeln beginnt, wird bei Eisenbahnölen meistens im offenen Tiegel ermittelt. Zur Erzielung gleichmäßiger Ergebnisse sind seit neuerer Zeit zweckmäßige Versuchsanordnungen nach Marcusson in Verwendung. Bei einzelnen Bahnverwaltungen werden die Flammpunktbestimmungen mit dem geschlossenen Pensky-Martensschen Apparat ausgeführt.

Die mit diesem Prober erzielten Ergebnisse fallen der großen Empfindlichkeit für leichtflüchtige[372] Öle halber niedriger aus als die im offenen Tiegel ermittelten.

Im Anschluß an die Bestimmung des Flammpunktes kann noch die des Brennpunktes vorgenommen werden, d.h. es wird die Temperatursteigerung so weit fortgesetzt, bis auf Annäherung der Zündflamme die Oberfläche des Öls ununterbrochen brennt.

Diese beiden Untersuchungen, deren Ergebnisse als Maßstab für die Feuergefährlichkeit der Öle angesehen werden können, lassen sich noch durch die Ermittlung der bei mehrstündigem Erhitzen auf bestimmte Temperaturen verdampfenden Ölmengen ergänzen.

Die Bestimmung der Dichte hat untergeordnetere Bedeutung und dient hauptsächlich für Vergleichsproben. Meistens gelangen dazu Aräometer zur Benutzung, seltener wird die Dichte im Pyknometer ermittelt.

S., deren Verwendung bei niedrigeren Temperaturen in Aussicht genommen ist, müssen auf Kältebeständigkeit geprüft werden. Entweder ist festzustellen, bei welcher Temperatur das Öl aus dem flüssigen in den salbenartigen Zustand übergeht (einfaches Reagensglasverfahren) oder es ist die zahlenmäßige Angabe des Fließvermögens der Öle in der Kälte zu erproben. Letztere Untersuchung, die für Wagenöle bei den deutschen Bahnen eingeführt ist, wird mit dem Apparat von Holde (U-Rohr-Methode) vorgenommen.

Der Säuregehalt der S. wird durch einfache Titration der alkoholischen Auszüge der Öle mit Normallauge ermittelt.

Mechanische Verunreinigungen werden durch deren Unlöslichkeit in Benzol erkannt, während harte Asphalte beim Behandeln des Öls mit Normalbenzin als Rückstand bleiben. In beiden Fällen können die unlöslichen Bestandteile durch Filtration abgeschieden und zur Wägung gebracht werden.

Zylinderöle minderer Beschaffenheit enthalten öfters kleine Mengen verseifbarer Öle oder Fette. Der Nachweis derselben, ebenso die Bestimmung anderweitiger Zusätze (Graphit) oder Verfälschungen erfordert aber ein gut eingerichtetes chemisches Laboratorium.

Für die Wahl des S. erscheint es besonders wertvoll, die praktische Verwendbarkeit oder die Schmierfähigkeit mit Hilfe von Ölprobiermaschinen festzustellen. Die zahlreichen Ausführungen, die davon bestehen, haben aber den Erwartungen nicht entsprochen. Sollen geeignete S. für bestimmte Verhältnisse ausgesucht werden, so ist es nur möglich, Versuche mit den in der Praxis üblichen Lagern unter genauer Berücksichtigung von Druck, Geschwindigkeit u.s.w. vorzunehmen und hernach die physikalischen und chemischen Eigenschaften des im mechanischen Sinne am besten geeigneten S. zu bestimmen.

Literatur: Großmann, Die Schmiermittel. Kreidel, Wiesbaden 1909. – Höfer, Das Erdöl und seine Verwandten. Braunschweig 1912. – Holde, Die Untersuchung der Kohlenwasserstofföle und Fette sowie der ihnen verwandten Stoffe. Springer, Berlin 1913. – Mitteilungen aus dem kgl. Materialprüfungsamt. – Petroleum, Zeitschrift für die gesamten Interessen der Petroleumindustrie und des Petroleumhandels. – Rupprecht, Die Schmiermittel. Jänecke, Hannover 1912.

Wittig.

Abb. 225.