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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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Bild
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Bild
: Shu
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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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Schunk Group
Rodheimer Straße 59
35452 Heuchelheim ¬ Deutschland
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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.
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