Hochleistungsschmierstoffe: Wie EP-Additive die Belastbarkeit von Lagern erhöhen

Die Studie im Überblick

Das NLGI (National Lubricating Grease Institute) hat die Wirksamkeit verschiedener Additivierungen in Industriefetten systematisch untersucht. Im Zentrum stehen EP-Additive (Extreme Pressure), die unter hoher Last eine chemische Schutzschicht auf den Metalloberflächen bilden und so den direkten Metall-auf-Metall-Kontakt verhindern.

Die Ergebnisse sind quantitativ eindeutig: EP-additivierte Fette steigern die Tragfähigkeit des Schmierfilms um den Faktor 2 bis 4 gegenüber Fetten ohne EP-Additive. Diese Steigerung ist besonders relevant unter Bedingungen, bei denen der hydrodynamische Schmierfilm nicht mehr ausreicht: hohe Lasten, niedrige Drehzahlen, Stossbelastungen und häufige Start-Stopp-Zyklen.

Wie EP-Additive funktionieren

Der Wirkmechanismus von EP-Additiven ist chemisch, nicht physikalisch. Im Normalbetrieb ruht das Additiv inaktiv im Schmierfett. Erst wenn die Kontakttemperatur in der Berührzone zwischen Wälzkörper und Laufbahn einen kritischen Schwellenwert überschreitet (typisch ab 150 bis 200 Grad Celsius lokal), reagiert das Additiv mit der Metalloberfläche und bildet eine dünne Schutzschicht aus Metallsulfiden, Metallphosphaten oder Metallchloriden.

Diese Reaktionsschicht hat zwei entscheidende Eigenschaften:

• Niedrige Scherfestigkeit: Die Schicht lässt sich leichter abscheren als das darunterliegende Metall. Dadurch verringert sie die Reibung und verhindert Kaltverschweissungen (Fressen).
• Selbstheilung: Die Schicht wird bei jeder Überrollung teilweise abgetragen und sofort neu gebildet, solange Additiv im Schmierstoff vorhanden ist. Dieser Kreislauf funktioniert, bis das Additiv verbraucht ist.

Die gängigsten EP-Wirkstoffe sind Schwefel-Phosphor-Verbindungen (z. B. Zinkdialkyldithiophosphat, ZDDP), Sulfonate und chlorierte Paraffine. Die NLGI-Forschung zeigt, dass Schwefel-Phosphor-Systeme die breiteste Wirksamkeit bei industriellen Lageranwendungen bieten.

Wann EP-Additive wirken, wann sie schaden

Die NLGI-Studie macht eine wichtige Differenzierung, die in der Praxis häufig übersehen wird: EP-Additive sind nicht universell einsetzbar. Unter bestimmten Bedingungen können sie die Lageroberfläche chemisch angreifen und die Lebensdauer verkürzen.

EP-Additive sind besonders wirksam bei:

• Stossbelastungen und intermittierenden Lasten (Pressen, Brecher, Mühlen)
• Niedrigen Drehzahlen unter hoher Last (Schwerlastgetriebe, Drehwerke, Hubwerke)
• Häufigen Start-Stopp-Zyklen, bei denen der hydrodynamische Schmierfilm zusammenbricht
• Schwingender Bewegung mit kleinem Schwenkwinkel (Pendelgelenke, Kolbenbolzen), wo kein vollständiger Schmierfilm aufgebaut wird

EP-Additive können schaden bei:

• Hohen Drehzahlen und geringen Lasten (z. B. Spindellager in Werkzeugmaschinen): Die Kontakttemperaturen bleiben unter dem Aktivierungsschwellenwert, aber die Additive können durch katalytische Oxidation das Grundöl schneller altern lassen.
• Wälzlagern aus Nicht-Stahl-Werkstoffen: Keramikkugeln (Si3N4) oder hybride Lager reagieren anders auf die Additivchemie. NLGI empfiehlt hier spezifische Tests vor dem Einsatz.
• Empfindlichen Dichtungswerkstoffen: Bestimmte EP-Additive (insbesondere chlorierte Verbindungen) können Elastomerdichtungen angreifen und spröde machen.

Die vier Auswahlfaktoren

Die NLGI-Forschung definiert vier Kriterien, die bei der Schmierstoffauswahl systematisch geprüft werden müssen:

1. Lastprofil: Konstant, wechselnd oder stossartig. Bei konstantem Lastprofil und ausreichender Drehzahl bildet sich ein tragfähiger hydrodynamischer Schmierfilm, EP-Additive sind dann nicht zwingend nötig. Bei Stosslasten, bei denen der Film kurzzeitig zusammenbricht, sind EP-Additive die einzige Absicherung gegen Fressen.

2. Drehzahl: Der Drehzahlfaktor (n x dm, Drehzahl mal mittlerer Lagerdurchmesser) bestimmt, ob ein vollständiger Schmierfilm aufgebaut wird. Langsam laufende Lager (n x dm unter 50.000) arbeiten häufig im Bereich der Misch- oder Grenzschmierung und profitieren von EP-Additiven. Schnell laufende Lager (n x dm über 300.000) brauchen leichtlaufende Fette mit niedrigem Grundölviskositätsgrad, EP-Additive sind hier kontraproduktiv.

3. Temperatur: Die Betriebstemperatur bestimmt die erforderliche Tropfpunkt-Reserve des Fetts. Der Tropfpunkt muss mindestens 30 bis 50 Grad Celsius über der maximalen Betriebstemperatur liegen. Gleichzeitig beeinflusst die Temperatur die Aktivierung und den Verbrauch der EP-Additive: Je höher die Betriebstemperatur, desto schneller werden die Additive verbraucht, desto kürzer das Nachschmierintervall.

4. Umgebung: Feuchtigkeit beschleunigt die Korrosion und kann EP-Additive durch Hydrolyse zersetzen. Staub und Fremdpartikel wirken als Abrasiv und überfordern den Schmierfilm. Chemische Belastung (Säuren, Laugen, Lösungsmittel) kann den Verdicker angreifen und die Fettstruktur zerstören. Für jede dieser Belastungen gibt es spezifische Schmierstofflösungen, aber keine universelle.

Der häufigste Fehler: Universalfett für alle Schmierpunkte

Die NLGI-Studie bestätigt, was in der industriellen Praxis allgegenwärtig ist: Viele Betriebe verwenden ein einziges Universalfett für sämtliche Schmierpunkte im Werk. Das ist so, als würde man in ein Rennauto und einen Traktor dasselbe Motorenöl füllen.

Ein typisches Werk hat Schmierpunkte mit grundlegend unterschiedlichen Anforderungen: schnell laufende Elektromotoren neben langsam laufenden Schwerlastgetrieben, heisse Trocknungswalzen neben gekühlten Kompressoren, saubere Innenräume neben staubbelasteten Aussenanlagen. Ein einzelnes Fett kann unmöglich alle diese Bedingungen optimal abdecken.

Die Folge des Universalfett-Ansatzes: Manche Lager sind überadditiviert (EP-Additive, die sie nicht brauchen), andere sind unterversorgt (fehlende EP-Wirkung dort, wo sie nötig wäre). In beiden Fällen ist die Lebensdauer kürzer als mit dem richtigen Schmierstoff.

Einordnung aus der Praxis: 210+ Maschinendiagnosen

In unseren forensischen Diagnosen bei Maschinenprofiler ist die Schmierstoffauswahl einer der am häufigsten unterschätzten Einflussfaktoren auf die Anlagenlebensdauer. Die NLGI-Forschung liefert die technische Grundlage, aber die Realität im Werk sieht oft anders aus.

Typische Befunde aus unseren Diagnosen:

• Kein Schmierplan, der die Schmierstoffsorte pro Schmierpunkt definiert. Der Mechaniker verwendet das Fett, das in der Fettpresse ist. Ob es zum Lager passt, weiss niemand.
• Schmierstoffwechsel durch den Einkauf ohne Rücksprache mit der Instandhaltung. Ein günstigeres Produkt eines anderen Herstellers wird bestellt. Die Verträglichkeit mit dem bisherigen Fett wird nicht geprüft. Mischungen verschiedener Verdickertypen (z. B. Lithium mit Polyurea) können die Fettstruktur zerstören und zum Totalausfall führen.
• Keine Berücksichtigung der tatsächlichen Betriebsbedingungen. Das Herstellerdatenblatt gibt einen Temperaturbereich an. Ob dieser zur tatsächlichen Betriebstemperatur am Lager passt, wurde nie gemessen.

In keiner unserer 210+ Diagnosen liess sich ein wiederkehrender Lagerschaden allein auf die Komponente zurückführen. Die Schmierstoffauswahl ist Teil des Systems. Wer das Lager tauscht, ohne die Schmierung zu prüfen, repariert das Symptom und wartet auf den nächsten Ausfall.

Handlungsempfehlungen für Instandhaltungsleiter

1. Schmierstoffplan erstellen: Jeder Schmierpunkt braucht eine dokumentierte Zuordnung zu einem definierten Schmierstoff (Grundöl, Verdicker, Additivierung, NLGI-Klasse), einer Menge und einem Intervall. Die Herstellerangaben des Lagers und des Schmierstoffs sind der Startpunkt.
2. EP-Bedarf pro Schmierpunkt bewerten: Nicht jedes Lager braucht EP-Additive. Prüfen Sie für jeden Schmierpunkt: Lastprofil, Drehzahl, Temperatur, Umgebung. EP-Fette dort einsetzen, wo Grenzschmierung auftritt, und dort weglassen, wo sie nicht gebraucht werden.
3. Mischbarkeit sicherstellen: Bei jedem Schmierstoffwechsel die Verträglichkeit des neuen Fetts mit dem bisherigen prüfen (Verdickertyp, Grundöltyp). Im Zweifelsfall: altes Fett restlos entfernen, bevor das neue eingefüllt wird.
4. Nachschmierintervalle an die Betriebsbedingungen anpassen: Die Herstellerangabe gilt für Standardbedingungen. Höhere Temperaturen, Vibrationen, Feuchtigkeit oder Kontamination verkürzen das Intervall erheblich. Faustregeln: +15 Grad Celsius über der Referenztemperatur halbiert das Intervall.
5. Wenn dasselbe Lager zum wiederholten Mal ausfällt, liegt die Ursache nicht im Lager. Dann braucht es eine forensische Diagnose, die Schmierung, Ausrichtung, Montage und Betriebsbedingungen als System betrachtet.

Quelle

NLGI (National Lubricating Grease Institute). “Lubricating Grease Guide, EP and Anti-Wear Additives.” Technical Publications. https://www.nlgi.org/resources/technical-publications/