DE963984C - Verfahren zur Schmierung fester Metalloberflaechen bei hohen Betriebstemperaturen - Google Patents

Verfahren zur Schmierung fester Metalloberflaechen bei hohen Betriebstemperaturen

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DE963984C
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Stanley Scott Sorem
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Bataafsche Petroleum Maatschappij NV
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schmierung von sich relativ gegeneinander bewegenden festen Metalloberflächen bei hohen Betriebstemperaturen. Sie bezieht sich insbesondere auf die Hochtemperaturschmierung von Lagerflächen in Gasturbinenmotoren von Flugzeugen.
Es ist bekannt, daß die Schmierung von festen Metallagern, welche bei hohen Temperaturen arbeiten, infolge einer weitgehenden Oxydation, Korrosion, Verflüchtigung und ähnlichen Erscheinungen des
Schmiermittels schwerwiegende Probleme aufwirft, die nicht in dem Maße oder gar nicht in Erscheinung treten, wenn die Lager unter anderen, gewöhnlicheren Bedingungen arbeiten.
Bis jetzt waren alle Verbesserungsversuche darauf gerichtet, flüssige Schmiermittel mit besseren physikalischen Eigenschaften und erhöhter chemischer Stabilität für die Schmierung fester Metalloberflächen zur Verfügung zu stellen, beispielsweise für Metalllager bei höheren Temperaturen. Es wurde jedoch
709 514/260
bisher noch kein vollständig befriedigendes Schmiermittel entwickelt, welches einen ausreichenden Schutz der Metallagerflächen bei Temperaturen gewährleistet, wie sie in den Gasturbinenmotoren von Flugzeugen auftreten oder welche für andere, sich relativ gegeneinander bewegende feste Metalloberflächen geeignet sind, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten oder solchen ausgesetzt sind.
Es wurde nun gefunden, daß eine außerordentlich ίο überlegene Schmierung bei hohen Betriebstemperaturen erzielt werden kann, indem man zwischen die zu schmierenden Oberflächen eine Mischung aus einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas, z. B. Luft, und einer geringeren Menge eines organischen flüssigen Schmiermittels, welches nicht zur Abscheidung von Kohlenstoff neigt, in dampfförmigem Zustand einführt. Dabei soll das Verhältnis von Luftmenge zu Schmiermittelmenge zwischen 7 :1 und 10:1 liegen, während bei Verwendung von reinem Sauerstoff das Verhältnis zwischen Sauerstoff und Schmiermittel zwischen 7 : 5 und 2 :1 liegt.
Vorzugsweise werden hierzu Kohlenwasserstoffschmiermittel oder Kohlenwasserstoffgemische mit einem Endsiedepunkt unterhalb 232,2° verwendet. Es wurde gefunden, daß unterhalb des Verhältnisses von 7: ι in der Luft-Kohlenwasserstoff-Mischung bei hohen Temperaturen eine wesentliche Kohlenstoffbildung auftritt, während oberhalb eines Verhältnisses von 10:1 die Mischung dazu neigt, die Lager zu oxydieren, wobei die Oxydationsprodukte bei den hohen Temperaturen wiederum scheuernd wirkende Substanzen bilden. Jedoch kann dieses Verhältnis je nach der Neigung des verwendeten flüssigen Schmiermittels zur Kohlenstoffabscheidung und der Oxydationsbeständigkeit des Lagermetalls innerhalb der Grenzen von 7:1 bis. 10:1, bezogen auf Luft, bzw. ι: 5 bis 2: i, bezogen auf freien Sauerstoff, variiert werden.
An Stelle von Luft können andere freien Sauerstoff enthaltende gasförmige Substanzen Verwendung finden, beispielsweise andere Mischungen von freiem Sauerstoff und Stickstoff sowie auch Sauerstoff an sich. In einem solchen Fall muß das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenwasserstoff so angeglichen werden, daß das Verhältnis der beiden Komponenten dem Anteil des freien Sauerstoffs in den beschriebenen Luft-Kohlenwasserstoff-Mischungen entspricht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsweise der Erfindung wird die Schmierung von metallischen Oberflächen mittels der dampfförmigen Mischung bei hohen Temperaturen noch verbessert, indem man die Lageroberflächen mit einer Verbindung behandelt, welche auf diesen Oberflächen einen Überzug zu bilden oder mit ihnen zu reagieren vermag. Eine solche Verbindung soll wenigstens ein chemisch sauer wirkendes Element aus den Gruppen V bis VII des Periodischen Systems enthalten. Besonders wirksam für den angegebenen Zweck sind Phosphor, Schwefel, Selen und Tellur. Die Oberflächenverbindung kann in einer getrennten und andersartigen Verfahrensweise aufgebracht werden, beispielsweise durch Vorbehandlung mit einem geeigneten aktiven Mittel des sauren Elements, und/oder sie kann mittels der Schmierung zur Anwendung kommen, indem man beispielsweise das Mittel der dampfförmigen Schmiermischung zugibt.
Die Oberflächenverbindungen scheinen wenigstens zwei Funktionen auszuüben, die beide die Schmierung vorteilhaft beeinflussen. Sie erzeugen einerseits einen belastbaren Film, beispielsweise ein Metallphosphid oder -phosphat oder ein Metallsulfid, und sie verringern andererseits die unerwünschte Entstehung kohlenstoffhaltiger Niederschläge, indem sie anscheinend teilweise die schmierende Dampfmischung bei der erhöhten Temperatur vor der katalytischen Wirksamkeit des Lagermetalls schützen.
Diese chemische Vorbehandlung kann mittels der verschiedensten an sich bekannten Verfahren geschehen.
Die chemisch aktiven Substanzen, die auf den sich berührenden metallischen Oberflächen Schutzfilme bilden, können in gasförmigem, flüssigem oder festem Zustand verwendet werden. Gasförmig kommen z. B. zur Anwendung: Dämpfe von Schwefel, Schwefelwasserstoff, Schwefelkohlenstoff oder Chlor. Zur Verwendung in flüssigem Zustand eignen sich z. B. wäßrige Lösungen von Schwefelwasserstoff, Ammoniumpolysulfid, Natriumpolyselenid, Trinatriumphosphat, kolloidale Wasser- oder Ölsuspensionen von Schwefel, geschwefelten Ölen sowie von Dialkyl- go seleniden, ζ. B. Dilaurylselenid. Die Metalloberfläche kann auch mit einem festen Material bestäubt werden, beispielsweise mit Schwefelblumen, und anschließend erhitzt werden, so daß sich ein Sulfidfilm auf der Metalloberfläche bildet. Andere Verfahren zur Vorbehandlung der zu schmierenden Oberfläche bestehen im Erhitzen des Metalls in einem mineralischen Schmieröl, welches die folgenden Bestandteile enthält:
a) ein saures organisches Phosphat oder Phosphid,
z. B. Triäthylphosphat, Dilaurylphosphorsäure oder Tributylphosphid, und/oder
b) einen halogenierten Kohlenwasserstoff oder eine halogenierte organische Verbindung, beispielsweise Trichlorphosphonate, Trifluoressigsäure, chloriertes Naphthalin, Pentachlorphenol. Andere Verfahren zur Bildung von abriebfesten, das Festfressen verhindernden und verschleißbeständigen Filmen auf den zu schmierenden Oberflächen werden in dem Buch »Metal Coloring« von Hiorns, McMillian Company of London, beschrieben. Ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung der Schutzfilme besteht darin, die zusammengesetzte Maschine bei Temperaturen von etwa 200° in Gang zu setzen und dabei mit einem Schmiermittel zu schmieren, welches das ausgewählte Vorbehandlungsmittel enthält, beispielsweise ein ge- 115. schwefeltes Mineralöl mit etwa 1% Schwefel.
Eine wirksame Art, um ein abriebfestes Mittel in das Schmiersystem eines Motors einzuführen, besteht in der Verwendung eines schwefelhaltigen Öles als Schmiermittel oder als ein Teil des Schmiermittels, beispielsweise eines solchen mit 0,1 bis 1 % Schwefel.
Das dampfförmige Schmiermittel nach der Erfindung besteht aus einer Mischung von freiem Sauerstoff, der auch zusammen mit einem Inertgas zugeführt werden kann, und einem leichten, flüssigen, im wesentlichen kohlenwasserstoffhaltigen organischen
Material oder einer Mischung solcher Substanzen, welche einen Endsiedepunkt unterhalb der Betriebstemperatur der Lagerfläche, vorzugsweise unter etwa 232°, aufweisen und bei dieser Temperatur nicht zur Bildung kohlenstoffhaltiger oder scheuernd wirkender Niederschläge neigen. Das Verhältnis von Sauerstoff zu dem organischen Material in der dampfförmigen Schmiermittelmischung ist für den vorliegenden Zweck von größter Bedeutung. Es wurde gefunden, daß der Anteil an Sauerstoff so kontrolliert werden kann, daß eine Oxydation des organischen Materials in ausreichendem Maß stattfindet und doch eine Pyrolyse zu freiem Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Rückständen vermieden wird. Gleichzeitig wird eine wesentliche Oxydation zu Kohlendioxyd vermieden, und als Oxydationsprodukt wird im wesentlichen Kohlenmonoxyd erhalten, wodurch eine wirksame reduzierende Atmosphäre erzeugt wird und nur ein minimaler oxydativer Angriff auf die metallischen Lagerflächen stattfindet.
Der leicht verdampfbare organische Anteil des Schmiermittels sind vorteilhafterweise Kohlenwasserstoffe oder deren Mischungen vom paraffinischen und/oder naphthenischen Typ. Sie werden in einfächer Weise aus Erdölfraktionen hergestellt, indem man diese raffiniert, um beträchtliche Aromatenmengen zu entfernen. Doch können sie die natürlicherweise darin vorkommenden Schwefelverbindungen, wie Thiophene und Sulfide, sowie sauerstoffhaltige Verbindungen enthalten. Geeignetes Material dieser Art sind die leichten Kohlenwasserstofffraktionen, Naphthas und Leuchtöl usw., die auch modifizierende Zusatzstoffe enthalten können, beispielsweise Alkylnitrite oder -nitrate, Alkylsulfide und andere Sub-
stanzen, wie Amylnitrit oder Amylnitrat, Äthyldisulfid und Chlorpikrin.
Bei dem Betrieb von Düsenflugzeugen werden verdampfbare Produkte verwendet, welche zur Vermischung mit Luft u. dgl. für den erfindungsgemäßen Zweck besonders geeignet sind. Es sind dies spezielle Kohlenwasserstoffmischungen, welche auch 0,1 bis 0,4 0I0 Schwefel enthalten können. Ein besonders geeignetes Öl dieser Art hat die in der folgenden Tabelle angeführten charakteristischen Eigenschaften.
Tabelle I
Destillation
10% verdampft bei 97.8°
90% verdampft bei 207,8°
Endsiedepunkt 217,8°
Spez. Gewicht, °API 45 bis 55
Schwefelgehalt in % 0,4 (max.)
Dampfdruck nach Reid, psi ... 2 bis 3
Erstarrungspunkt —-60° (max.)
Aromatengehalt in Volumprozent 25 (max.)
Andere Materialien, die zur Bildung des gemischten Luft-Kohlenwasserstoff-Schmiermittels geeignet sind, 6υ sind Fraktionen der gebräuchlichen Schmieröle Nr. 1005 und 1010 für Flugzeuggasturbinen sowie Mischungen daraus, wobei diese Fraktionen einen Endsiedepunkt unterhalb 232° aufweisen sollen. Die Eigenschaften dieser Schmieröle sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
Tabelle II
Schmieröl 1005 Schmieröl 1010
Kinematische Vis
kosität in Centi-
stokes:
bei 37,8° 5 (min.) 10. (min.)
bei —53.9° 2600 (max.)
bei —40° 3000 (max.)
Fließpunkt (max.).. -56,7°
Flammpunkt (min.) 107,2° 129,5°
Grenztemperatur der
Tieftemperatur
stabilität -53.9° —53,9°
Die Schmiermittel können von natürlich vorkommenden oder synthetisch hergestellten Kohlenwasserstoffen stammen, beispielsweise aus der Polymerisation von Olefinen u. dgl. Auch Schmiermittel, die keine Kohlenwasserstoffe sind, aber nicht zur Abscheidung von Kohlenstoff neigen, beispielsweise organische, synthetische Schmiermittel, können verwendet werden. Diese Produkte können auch die üblichen Antioxydationsmittel enthalten, beispielsweise p-'N-Butylaminophenol, N, N'-Di-sec.-butylp-phenylendiamin, butyliertes 4-Methoxyphenol, 2, 6-Di-tert.-butyl-p-cresol, 2, 2'-Methylen-bis-(6-tert.-butyl-p-cresol), sowie Dispergiermittel von der Art polymerer Ester, Mittel zur Erhöhung der Öligkeit vom Fettsäuretyp, beispielsweise Ölsäure und Stearinsäure, milde Hochdruckzusatzmittel vom Schwefelphosphortyp u. dgl.
Die. schutzfilmbildenden Mittel können der dampfförmigen Schmiermischung aus Luft (Sauerstoff) und schmierender Substanz in Mengen von 0,001 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise von o,i bis 1 Gewichtsprozent, zugesetzt werden, so daß der Schutzfilm sich in situ bildet. Die Luft-Schmiermittel-Mischung mit oder ohne die schutzfilmbildenden Mittel kann auf die zu schmierenden Oberflächen aufgesprüht oder verdüst werden, so daß die gesamte Oberfläche von beispielsweise Getrieben und Lagern in einem dampfförmigen Schmiermittel eingehüllt oder davon bedeckt ist. Auch kann das Schmiermittel an jeder geeigneten Stelle in dem Luftstrom verdampft und diese Mischung zu der zu schmierenden Oberfläche geleitet werden.
Die Mischung aus Luft und flüssigem Schmiermittel kann als übliches nebelförmiges Schmiermittel während solcher Arbeitsperioden verwendet werden, wo die Maschinenteile sich auf Temperaturen unterhalb des 1-20 Endsiedepunktes des Schmiermittels befinden.
Um die Wirksamkeit der bei hohen Temperaturen arbeitenden Schmiervorrichtung zu zeigen, wurde der in der Zeichnung angegebene Apparat konstruiert. Hierbei werden Versuchsbedingungen nachgeahmt, wie sie in Gasturbinenmotoren von Flugzeugen im
Betrieb vorliegen. Die Vorrichtung besteht aus einem Lager, welches auf einer Spindel befestigt ist, deren Geschwindigkeit kontrolliert werden kann. Die Temperatur des Lagergehäuses wird mittels einer Heizeinrichtung auf jedem gewünschten Wert gehalten und mittels eines Thermoelementes und des zugeführten elektrischen Stromes kontrolliert. Das zu prüfende Schmiermittel wird in das System durch eine Zuführungsdüse eingespritzt. In der Zeichnung ist ι eine Zuführungsdüse für das Schmiermittel, 2 eine Antriebswelle, 3 ein Raum für einen Heizfinger, 4 ein Ablaß für den Schmiermittelsumpf, 5 ein radiales Kugellager, 6 eine Lagerspindel, 7 ein Beobachtungsfenster, 8 das äußere Lagergehäuse und 9 eine Zuführung für das Thermoelement.
Der Versuch wurde auf die folgende Art durchgeführt: Die Spindel wurde mit einer Geschwindigkeit 65 von 10 000 Umdrehungen pro Minute in Umlauf gesetzt und das Lager etwa 20 Minuten lang bei Zimmertemperatur eingelaufen. Das während dieser Einlaufzeit verwendete flüssige Schmiermittel kann ein gewöhnliches Öl für Flugzeuggasturbinenmotoren sein. 70 Nach der Einlaufzeit wurde das zu prüfende Schmieröl eingespritzt und die Heizung angestellt, wobei die Temperatur je Minute um etwa 2,8° erhöht wurde, bis 315,2° erreicht' waren. Der Betrieb des Lagers wurde bei 3150 fortgesetzt, bis ein Aussetzen 75 auftrat.
Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle III zusammengefaßt.
Tabelle III — Versuchsergebnisse
Zusammensetzung*) Zeit bis zum Aussetzen des Lagers
1. Trocken
2. Luft—Gas'turbinenöl 1005 für Flugzeuge im Verhältnis 7:1
3. Luft—Gasturbinenöl 1010 für Flugzeuge im Verhältnis 7:1
4· Luft—**) Turbinen- und Düsenmotoröl für Flugzeuge im Verhältnis 32:1
5. Luft—**) Turbinen- und Düsenmotoröl für Flugzeuge im Verhältnis 30:1 in Anwesenheit von
CS2
6. Luft—Gasturbinenschmieröl für Flugzeuge im Verhältnis 4:1
7. Luft—**) Turbinen- und Düsenmotoröl für Flugzeuge im Verhältnis 4:1
8. Luft—**) Turbinen- und Düsenmotoröl für Flugzeuge im Verhältnis 141
9. Mischung 7 mit einem Gehalt von 1,25% Triäthylphosphat
10. Mischung 8 mit einem Gehalt von 1,25 % Triäthylphosphat
11. Luft—**) Turbinen- und Düsenmotoröl für Flugzeuge im Verhältnis 7:1
12. Luft—**) Turbinen- und Düsenmotoröl für Flugzeuge im Verhältnis 10:1
13. Luft—**) Turbinen- und Düsenmotoröl für Flugzeuge im Verhältnis 7:1, kombiniert mit einem vorher mit Sulfid überzogenen Lager
14. Luft—**) Turbinen- und Düsenmotoröl für Flugzeuge im Verhältnis 7:1, kombiniert mit einem
vorher mit Phosphat überzogenen Lager ·
ι Minute
4 bis 5 Stunden, Ausfall infolge Kohlenstoffabscheidung
4 bis 5 Stunden, Ausfall wegen Kohlenstoffablagerung
3 Stunden, Ausfall infolge Scheuerwirkung
3 Stunden, Ausfall infolge Scheuerwirkung
5 bis 6 Stunden, Ausfall infolge Kohlenstoffablagerung
5 bis 6 Stunden, Ausfall infolge Kohlenstoffablagerung
5 bis 6 Stunden, Ausfall infolge Scheuerwirkung
5 bis 6 Stunden, Ausfall infolge Kohlenstoffablagerung
5 bis 6 Stunden, Ausfall infolge Scheuerwirkung
10 Stunden, Lager in gutem Zustand, Versuch abgebrochen
10 Stunden, Lager in gutem Zustand, Versuch abgebrochen
80 Stunden, Lager in ausgezeichnetem Zustand 85 Stunden, Lager in ausgezeichnetem Zustand
*) Bei der Versuchstemperatur befanden sich die Schmiermittel 4 bis 14 in gasförmigem Zustand. **) Vgl. Tabelle IV.
Tabelle IV — Eigenschaften des verwendeten Öls
Spez. Gewicht, 0API 46,2
Farbe 0
Dampfdruck nach Reid, kg bei 37,8° 113
Doktor-Test Neg.
Korrosion, Kupferstreifen (Air Well) .. bestanden
Wasserverträglichkeit unmischbar
Schwefelgehalt in Gewichtsprozent ... 0,20
Erstarrungspunkt —62,2°
Rückstand mg/100 ml (Air jet bei
204,4°) 4
Harzbildung mg/100 ml
(accel. 16 Stunden) 12
Aromaten, Volumprozent 11,5
Bromzahl 2,8
Verbrennungswärme BTU/lb. net 18,550
Inhibitor, Ib. pro 1000 bbl 2,1
Mercaptan-Schwefelgehalt in
Gewichtsprozent 0,0003
ASTM-Destillation
Anfangssiedepunkt 55,6 °
Endsiedepunkt 245,6 °
10% verdampft bei H5,6°
50% verdampft bei 190,0°
90 °/0 verdampft bei 222,2 °
Ausbeute in % 98,0
Rückstand in % 1,0
Verlust in % 1,0
Die erfindungsgemäßen Schmiermittel sind besonders geeignet für Kugellager und Wälzlager von Gasturbinenmotoren, wo die Betriebstemperaturen hoch sind. Sie können aber auch für die Schmierung der verschiedensten anderen Maschinen und Vorrichtungen verwendet werden, die bei hohen Temperaturen und Geschwindigkeiter, arbeiten. Das Schmierverfahren gemäß der Erfindung kann abgeändert werden, um anderen Bedingungen bei hoher Temperatur zu genügen, und es kann bei jeder mechanischen Vorrichtung zur Anwendung kommen, welche bei hohen Temperaturen, Geschwindigkeiten und Belastungen arbeitet, beispielsweise für Bandförderer und Hochofenförderanlagen.

Claims (14)

  1. Patentansprüche:
    i. Verfahren zur Schmierung fester Metalloberflächen bei hohen Betriebstemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen diese Oberflächen eine Mischung aus einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas und einem keine Kohlenstoffablagerungbildenden organischen flüssigen Schmiermittel in dampfförmigem Zustand eingeführt wird, wobei das Gewichtsverhältnis von Sauerstoff zu dem organischen flüssigen Schmiermittel zwischen 7 : 5 und 2 : 1 liegt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur der festen Metalloberflächen oberhalb 232° liegt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das organische flüssige Schmiermittel einen Endsiedepunkt unterhalb 232° hat.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das organische flüssige Schmiermittel ein Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffgemisch ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das organische flüssige Schmiermittel ein Gasturbinenöl ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den freien Sauerstoff enthaltende Gas Luft ist.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Luft zu dem organischen flüssigen Schmiermittel zwischen 7 : 1 und 10 : 1 beträgt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem durch Aufbringen einer Substanz, welche ein chemisch sauer wirkendes Element aus den Gruppen V bis VII des Periodischen Systems enthält, ein Schutzfilm auf den festen Oberflächen erzeugt wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Schutzfilm ein Sulfid, Selenid, Tellurid, Phosphat, Phosphid oder Halogenid ist.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz vor der Schmierung mit dem dampfförmigen Schmiermittel aufgetragen wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz in geringen Mengen in dem in dampfförmigem Zustand eingeführten flüssigen organischen Schmiermittel enthalten und gleichzeitig mit demselben aufgetragen wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz in dem dampfförmigen Schmiermittel in Mengen von 0,001 bis 5 Gewichtsprozent enthalten ist.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz Schwefel, Triäthylphosphat, Schwefelkohlenstoff oder Tetrachlorkohlenstoff ist.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel in Form eines schwefelhaltigen Schmieröls vorliegt.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
    © 609 707/331 11.56 (709 514/260 5.57)
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1043559B (de) * 1956-09-11 1958-11-13 Bataafsche Petroleum Verfahren zur Schmierung fester Metalloberflaechen bei hohen Betriebstemperaturen

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DE1043559B (de) * 1956-09-11 1958-11-13 Bataafsche Petroleum Verfahren zur Schmierung fester Metalloberflaechen bei hohen Betriebstemperaturen

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