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Graphit-e Spannende Technik aus der PraxisReibung und Schmierstoffe

REIBUNG UND SCHMIERSTOFFE

Mit geschmierter Kette fällt das Radfahren leichter.

Perfekte Schmierung – damit alles rund läuftFahrradketten, Motoren und auch die Gelenke in unserem Körper müssen gut geschmiert sein, um einwandfrei zu funktionieren. Meist sorgen Öle oder Fette für eine reibungsarme Bewegung, doch es gibt auch wässrige und sogar trockene Schmiersto� e.

Lisa hat es eilig, denn in einer Viertelstunde beginnt ihr Gitarrenunterricht. Sie schnallt sich das Instrument auf den Rücken,

steigt aufs Fahrrad – und nach wenigen Metern springt ihr die Kette runter. So ein Mist, das schmierige Ding will sie jetzt

nicht anfassen. Also kehrt sie um und nimmt das Rad ihrer Schwester. „Wow, fährt das super“, stellt Lisa fest. Kein Wunder,

neulich erst hat ihre Schwester die Kette geölt.

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Für Türscharnier, Tretlager und Transrapid: Gleitlager, Wälzlager und MagnetlagerAls Lager bezeichnen Maschinenbauer Elemente, die bewegte Bauteile führen und ihnen so nur bestimmte Bewegungen möglich machen. Lager lassen sich grob einteilen in Gleitlager und Wälzlager: In Gleitlagern berühren sich die Bauteile entweder direkt oder werden mehr oder weniger durch einen Schmiersto� getrennt wie in Türscharnieren oder menschlichen Gelenken. In Wälzlagern hingegen trennen Kugeln oder Rollen die Reibpartner. Da Roll- reibung kleiner ist als Gleitreibung, müssen Wälzlager weniger oder gar nicht geschmiert werden. Wälzlager stecken zum Beispiel im Tretlager eines Fahrrads.Ein Lager der besonderen Art ist das Magnetlager. In ihm werden die Bauteile durch mag-netische Kräfte auf Abstand gehalten. Da ein Magnetlager keinerlei Abrieb erzeugt, eignet es sich besonders für den Einsatz in Umgebungen, in denen Staub vermieden werden muss, etwa in Reinräumen zur Produktion von Computerchips. Auch in der Vakuumtechnik bieten sich Magnet-lager an, denn bei konventionellen Lagern verdampft das flüssige Schmiermittel im Vakuum. Magnet-lager sind wartungsarm, da sie kaum verschleißen und nicht geschmiert werden müssen. Allerdings benötigen die üblicherweise dafür verwendeten Elektromagneten eine externe Strom-zufuhr. Auf dem Prinzip eines Magnet- lagers basieren auch Magnetschwebe- bahnen wie der Transrapid.

In Wälzlagern befinden sich Kugeln (links) oder Rollen (rechts) zwischen den Reibpartnern.

Mit etwas Öl fällt nicht nur Radfahren leichter. Auch Maschinen, Lager und Getriebe müssen

geschmiert werden, damit sie möglichst reibungsarm laufen. Reibung tritt immer auf, wenn

sich zwei Materialien berühren. Am größten sind Reibungse�ekte zwischen Festkörpern.

Selbst wenn deren Oberflächen mit bloßem Auge glatt aussehen, ähneln sie mikroskopisch

betrachtet einem Gebirge mit vielen Höhen und Tiefen. Bei Berührung können sich die

Spitzen und Täler ineinander verhaken, und zwar um so mehr, je näher sich die Materialien

kommen, je stärker der eine Körper auf den anderen drückt. Die Verzahnung erfolgt dabei

nicht rein mechanisch, sondern beruht auch auf Wechselwirkungen zwischen den Atomen

der beiden Oberflächen.

Ohne Reibung herrscht Chaos

Neben der Anpresskraft und der Bescha�enheit der Materialien beeinflussen auch die

Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und viele andere Faktoren die Reibung. Auch die

Geschwindigkeit, mit der sich zwei Körper relativ zueinander bewegen, spielt eine Rolle.

So ist die Haftreibung in Ruhelage in der Regel größer als die Gleitreibung. Man merkt das

zum Beispiel beim Schieben einer schweren Kiste: Zunächst bekommt man sie kaum vom

Fleck, aber einmal in Bewegung gesetzt, gleitet sie leichter.

Sobald wir uns oder etwas anderes bewegen, müssen wir Reibungswiderstände über-

winden – und das kostet Energie. Beim Schieben der Kiste oder beim Radfahren setzen wir

diese Energie in Form von Körperkraft ein; beim Autofahren wiederum verbrauchen wir

Benzin oder einen anderen Kraftsto�. Reibung erscheint uns daher oft hinderlich, doch ohne

sie herrschte ein ziemliches Chaos: Möbel, parkende Autos und überhaupt alle abgestellten

Gegenstände würden bei geringster Schieflage oder beim kleinsten Windstoß wegrutschen,

Fahrzeugräder drehten beim Anfahren sofort durch und wir könnten keinen Fuß trittfest vor

den anderen setzen.

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Schmiermittel gegen Überhitzung und Verschleiß

In vielerlei Hinsicht ist Reibung durchaus praktisch. Gegen

kalte Hände etwa hilft es, wenn wir unsere Handflächen

kräftig aneinander reiben. Auch die Bremsen eines Fahrzeugs

nutzen Reibungse�ekte – dass sie dabei heiß werden können,

ist hingegen eine unerwünschte Begleiterscheinung.

Physiker erklären die Wärmeentwicklung damit, dass Reibung

mechanische in thermische Energie, also in Wärmeenergie,

umwandelt. Auch hier hilft ein Blick in die atomare Welt, um

das Phänomen zu verstehen: Wärmeenergie ist kinetische

Energie, die in der Bewegung von Atomen steckt. In einem

Festkörper sind die Atome zwar in einer gewissen Position

fixiert, aber trotzdem ständig in Bewegung, da sie mit den

Nachbaratomen nicht starr, sondern wie über Federn verbun-

den sind. Je stärker die Atome eines Materials schwingen,

umso größer ist seine Wärmeenergie.

Wenn ein Festkörper über einen anderen gleitet, werden die

Atome an den Materialoberflächen ein Stück weit aus ihrer

Position gezerrt. Beim Zurückschnellen schwingen sie, ver-

gleichbar einer gezupften Gitarrensaite, heftig um ihre

Ausgangslage und steigern so die Wärmeenergie des Materials.

Schmiermittel legen sich als dünner Film zwischen die

Reibpartner. Sie verhindern das „Verhaken“ der Oberflächen

ganz oder zumindest teilweise und damit auch die Gefahr der

Überhitzung. Für viele technische Anwendungen sind Schmier-

sto�e unentbehrlich. Im konventionellen Automotor etwa, wo

sich ein Kolben ständig in einem Zylinder auf und ab bewegt,

kommt es ohne Motorenöl zum sogenannten Kolbenfresser:

Fehlt die Schmierschicht, wird der Metallkolben so heiß, dass

er mit dem Zylinder verschmilzt. Da sich der Kolben durch die

Erhitzung stärker ausdehnt als der gekühlte Zylinder, frisst er

sich förmlich in ihn hinein. Der Motor fällt dann schlagartig aus.

Zum Glück warnen moderne Autos mit Leuchtsignalen und

Pieptönen vor dem Ölmangel.

Ein anderer E�ekt von Reibung ist der Verschleiß. Denn so wie

eine Gitarrensaite bei zu kräftigem Ziehen reißen kann,

können die Wechselwirkungen zwischen den Reibpartnern

dazu führen, dass sich Atome aus dem Festkörper lösen.

Verschleiß sieht man auch den Kettenritzeln von Lisas Fahrrad

an: Die Zacken sind schon abgenutzt, sodass sie die Kette

nicht mehr optimal halten.

REIBUNG UND SCHMIERSTOFFE

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Sintermetalle: Schmiersto�e in den PorenSchmiermittel verschwinden im Lauf der Zeit wie von alleine. Sie setzen sich an Stellen ab, wo sie gar nicht benötigt werden, tropfen herunter oder verdampfen allmählich. Nachschmieren ist nicht immer so einfach wie bei der Fahrradkette, denn oft sind die bewegten Teile in Geräten und Maschinen eingebaut. In diesen Fällen bieten sich – als Alternative zu selbstschmierenden Elementen aus Graphit oder verwandten Werksto�en (siehe Seite 6) – Bauteile aus Sintermetallen an. Sie besitzen viele kleine Poren, die Schmiermittel speichern können. Aus Sintermetallen werden zum Beispiel Gleitlager hergestellt. Dafür wird Metallpulver in eine entsprechende Form gepresst und anschließend erhitzt, wobei die Pulverteilchen an ihren Berührungspunkten miteinander verschmelzen. Sowohl der Druck als auch die Temperatur werden so gewählt, dass aus dem Pulver kein massives Metallbauteil entsteht, sondern eine Art fester Schwamm mit vielen Löchern, deren Durchmesser weniger als ein hundertstel Millimeter betragen. Die Sinterbauteile werden mit Öl getränkt, wobei sich der Schmiersto� in den Poren ablagert. Die fertigen ölgefüllten Sinterlager fühlen sich nicht fettig an, hinterlassen aber auf Löschpapier oder einem anderen saugenden Untergrund einen Schmiermittelabdruck. Alternativ können die Poren auch mit einem trockenen Schmiersto� wie Graphit gefüllt werden.

Schunk verarbeitet jedes Jahr mehr als 10.000 Tonnen Metallpulver zu Sinterlagern und anderen Formteilen. Als Metallpulver werden entweder Eisen, eine Eisen-Kupfer-Mischung oder Bronze (Kupfer-Zinn-Legierung) eingesetzt. Die daraus hergestellten Sinterbauteile sind teils ziemlich klein und extrem passgenau. Schunk produziert mit dieser Technik zum Beispiel Lager für Computerlüftungen, die nur wenige Millimeter messen.

Die mikroskopische Aufnahme eines Sinter- metalls zeigt die vielen kleinen Poren (schwarz),

die Schmiermittel speichern können.

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Die Natur schmiert auch mit Wasser

Nicht nur für Motoren und andere Maschinen, auch in der Natur sind Schmiersto�e unentbehr-

lich. Während künstliche Schmiermittel meist aus Erdöl hergestellt werden, schmieren sich

natürliche Systeme – vom menschlichen Hüftgelenk oder Auge bis zur Schnecke, die über den

Asphalt kriecht – oft mit Wasser. Die wässrigen Schmiermittel enthalten allerdings noch allerlei

Biomoleküle, zum Beispiel Substanzen, die Wasser dickflüssiger machen. Das ist notwendig,

denn wegen seiner geringen Viskosität wird Wasser unter Belastung leichter weggedrückt als Öl.

Wässrige Schmiermittel sind für einige technische Anwendungen eine Alternative zu Mineral-

ölen, aber ihr Einsatzbereich ist beschränkt: Metallteile etwa korrodieren bei ständigem

Kontakt mit Wasser. Niemand würde daher auf die Idee kommen, eine Fahrradkette mit Wasser

zu schmieren. Außerdem eignet sich Wasser nur in einem engen Temperaturbereich als Schmier-

sto�. Und da sich Bakterien und Pilze in Wasser besser als in Öl vermehren, gammeln wässrige

Schmiermittel schneller. Als umweltfreundliche Alternative zu Mineralölen bieten sich daher

eher Pflanzenöle an. Fahrradkettenöle, Motorenöle und Schmiersto�e für viele andere Anwen-

dungen gibt es schon auf Pflanzenbasis, etwa aus Sonnenblumenöl.

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Die Schnecke produziert ihren eigenen Schmiersto�, der ihr die

Fortbewegung erleichtert.

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REIBUNG UND SCHMIERSTOFFE

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Trockene Schmiermittel

Eine besondere Herausforderung ist die Schmierung bei

hohen Temperaturen. „In Öfen und anderen heißen Anlagen

kann man keine herkömmlichen Schmieröle verwenden, da

sie sich in der Hitze zersetzen“, sagt Christian March von der

Schunk Group in Heuchelheim. March ist Experte für Bauteile

aus Kohlensto�materialien, die sich selbst schmieren – ganz

ohne Öl. Sie enthalten Graphit, ein Material aus vielen

dünnen Kohlensto�schichten, die sich wie die Blätter eines

Papierstapels leicht verschieben lassen. Graphit, aus dem

auch Bleistiftminen bestehen, ist eigentlich ein brüchiger

Werksto�, der sich wegen seiner Schichtstruktur schnell

abreibt. Für die Herstellung von selbstschmierenden Bau-

teilen hat Schunk ein spezielles Verfahren entwickelt, mit

dem sich stabile Graphitmaterialien produzieren lassen.

Koks, Ruß, Kunstharze, teils auch Metalle und andere

Zusätze verleihen den Bauteilen die nötige Festigkeit.

Schunk stellt aus den graphithaltigen Werksto�en unter

anderem Gleitlager für Hochtemperaturanlagen her.

„In industriellen Backöfen etwa kommen solche Bauteile

zum Einsatz, da die Graphitmaterialien hitzebeständig sind

und keine gesundheitsschädlichen Substanzen enthalten“,

erklärt March.

Ein weiterer Vorteil von Kohlensto�materialien ist, dass sie

nicht korrodieren. Gegenüber Wasser und aggressiven

Chemikalien sind sie beständiger als die meisten Metalle.

Lager und Dichtungen von Wasserpumpen und Anlagen

in der Chemieindustrie bestehen daher häufig aus selbst-

schmierenden Kohlensto�materialien.

So funktioniert die trockene SchmierungBei Schmiersto�en denkt man meist an Öle oder Fette. Doch es gibt auch trockene feste Schmiermittel wie Graphit, Molbydänsulfid (chemische Bezeichnung MoS2) und Polytetrafluorethylen (PTFE, auch bekannt als Teflon).Graphit ist eine Erscheinungsform von reinem Kohlensto�, in der die Kohlensto�atome planare Schichten aus Sechsringen bilden. Die Atome innerhalb dieser Schicht sind über starke kovalente Bindungen verknüpft. Zwischen den einzelnen Schichten aber herrschen nur schwache Anziehungskräfte, deswegen lassen sie sich leicht gegenei-nander verschieben. Darauf beruht die Schmierkraft von Graphit. Molybdänsulfid, eine Verbindung aus Schwefel und dem Übergangsmetall Molybdän, ist ebenfalls aus nur schwach zusammengehaltenen Schichten aufgebaut.Die Schmierwirkung von Polytetrafluorethylen beruht auf einem anderen Prinzip: Der Kunststo� besteht aus Kohlensto�etten, bei denen an jedem Kohlensto�atom zwei Fluoratome hängen. Die Bindung zwischen Fluor und Kohlensto� ist ziemlich stark. Die Fluoratome schirmen die Kohlensto�atome gegen Wechselwirkungen mit ande-ren Sto�en ab und sind zudem selbst ziemlich reaktionsträge. Das zusammen führt dazu, dass kaum etwas an PTFE haften bleibt und Reibungse�ekte äußerst gering sind. PTFE nutzt man unter anderem auch für Antihaftbeschich-tungen von Bratpfannen.Lager oder andere Bauteile können mit Graphit, Molybdänsulfid oder PTFE beschichtet oder komplett daraus her-gestellt werden. Auch als Sprays oder als Zusatz in Schmierölen werden die Trockenschmiersto�e verwendet. Sie lassen sich auch miteinander kombinieren. Die Feststo�schmiere für Motor- und Fahrräder von Schunk beispiels-weise enthält Graphit und PTFE.

Struktur von PTFE

Kohlensto�

Fluor

Struktur von Graphit

Kohlensto�

schwache Bindung

starke Bindung

}

Fettfreie Schmierung für Schienenfahrzeuge, Motor- und Fahrräder

Trockene Schmiersto�e auf Graphitbasis gibt es auch für Schienenfahrzeuge, deren

Räder durch sogenannte Spurkränze auf den Schienen gehalten werden. Vor allem in

Kurven reiben die Spurkränze gegen die Schienen – das quietscht nicht nur laut,

sondern führt auch zum Verschleiß. Schmieröle sind in diesem Fall eher ungünstig, da

sie auf die Räder gelangen können und dann das Anfahren sowie Bremsen beeinflussen.

Schunk hat daher eine trockene Spurkranzschmierung entwickelt, bei der ein graphit-

haltiger Festschmiersto� in Form eines Stiftes direkt auf dem Spurkranz aufsetzt und

ihn während der Fahrt automatisch schmiert.

Für Motorräder hat Schunk eine trockene Kettenschmierung in Form einer graphithal-

tigen Schiene entwickelt. Sie wird so in die Kettenführung eingebaut, dass die Kette

darüber gleitet und sich einen passgenauen Weg schleift. Dabei reibt sie Schmiersto�

ab, der sich auf der gesamten Kette verteilt. Wasser wäscht die dünnen Schmier-

sto�plättchen zwar ab, aber durch den ständigen Neuauftrag ist die Kette auch bei

Regen gut geschmiert. Nach mehreren tausend Kilometern müssen die Schmierstücke

erneuert werden.

Für Fahrräder wurde die Feststo�schmierung in Form eines Graphitritzels entwickelt,

das eine Leitrolle im Schaltwerk ersetzt. „Das ist aber noch eine Nischenanwendung“,

sagt Schunk-Experte March. Praktisch ist die trockene Kettenschmiere auf jeden Fall.

Lisa etwa hätte sie schmutzige Hände erspart. Ihre Fahrradkette hat sie gleich nach

dem Gitarrenunterricht wieder aufgezogen. Das ging flott – schneller als das Hände-

waschen danach.

Statt Kettenöl: Feststo�schmierung für Fahrräder in Form eines

Graphitritzels, das statt einer Leitrolle im Schaltwerk des

Fahrrads eingebaut wird.

Spurkranzschmierung bei Schienenfahrzeugen: Der Schmierstift setzt direkt

auf dem Spurkranz der Räder auf.

Spurkranz

Schiene

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<Feststo�schmierung für Motorräder: Eine Schiene aus einem

graphithaltigen Material wird so in der Ketten-

führung montiert, dass sich die Kette

automatisch schmiert.

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Ein Schunk-Mitarbeiter stellt sich vor: Christian March

Christian March, Jahrgang 1983, hat in Gießen Abitur gemacht und

dort von 2004 bis 2008 an der Technischen Hochschule Mittelhessen,

die damals noch Fachhochschule Gießen-Friedberg hieß, Maschi-

nenbau studiert. Seine Diplom-Arbeit fertigte er in Stuttgart in der

Automobilbranche an. Bei Schunk arbeitet er seit Ende 2008. Bei

der Schunk Kohlensto� technik in Heuchelheim kümmert sich March

um die technische Beratung im Vertrieb: „Ich bin die Schnittstelle zu

unseren Kunden und sorge mit dafür, dass die Bauteile, die sie bei

uns in Auftrag geben, ihren Vorstellungen entsprechen.“ Zusammen

mit seinen Kollegen erstellt March außerdem Broschüren zu Schunk-

Produkten, plant Messeauftritte und schult Mitarbeiter. Innerhalb von

Schunk hat er Kontakt mit Kollegen aus allen möglichen Abteilungen.

„Spannend ist auch, dass unsere Kunden aus vielen verschiedenen

Branchen stammen, von der Nahrungsmittel- bis zur Luftfahrt-

industrie“, sagt March. Diese Vielseitigkeit gefällt ihm an seinem Job

besonders.