DE102011103215A1 - Verwendung von nanoskaligen Materialien in einer Zusammensetzung zur Verhinderung von Ermüdungserscheinungen im oberfläschennahen Gefüge von Antriebselementen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von nanoskaligen Materialien in einer Zusammensetzung, die zur Verhinderung von Ermüdungsschäden in Antriebselementen auf deren Oberflächen aufgetragen wird. Insbesondere werden durch diesen Auftrag die Oberflächen von Antriebselementen gegen die Bildung von Grauflecken (grey staining, surface fatigue, micro-pitting) und die Grübchenbildung geschützt. Das Auftreten von Ermüdungsschäden auf diesen Oberflächen wird dadurch verhindert oder vermindert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von nanoskaligen Materialien in einer Zusammensetzung, die zur Verhinderung von Ermüdungsschäden in Antriebselementen auf deren Oberflächen aufgetragen wird. Insbesondere werden durch diesen Auftrag die Oberflächen von Antriebselementen gegen die Bildung von Grauflecken (grey staining, surface fatigue, micro-pitting) und die Grübchenbildung geschützt. Das Auftreten von Ermüdungsschäden auf diesen Oberflächen wird dadurch verhindert oder vermindert.
  • Bei Antriebselementen kommt es im Falle von zu hohen mechanischen Belastungen zu zwei Arten von Schädigungen:
    • 1) Fressen und Verschleißen, bei denen die Schädigung von der Oberfläche der Kontaktflächen ausgeht.
    • 2) Ermüdungsschäden, die ihren Ausgang im Gefüge unterhalb der belasteten Flächen nehmen und letztendlich in Ausbrüchen, wie beispielsweise Pitting, Grauflecken, Grübchenbildung, enden.
  • Zur Verminderung von Verschleiß und Fressen gibt es eine Vielzahl von Additiven und Festschmierstoffen, die gut bekannt sind und vielfach eingesetzt werden.
  • Zur Unterbindung von Ermüdungsschäden sind nur sehr wenige wirksame Maßnahmen bekannt. Eine Maßnahme ist die Erhöhung der Schmierfilmdicke.
  • Ermüdungsverschleiß (Pitting) entsteht durch örtliche Überlastung des Werkstoffes durch periodische Druckbeanspruchung. Die Ermüdung des Werkstoffes wird durch Grauflecken (grey staining, surface fatigue, mirco-pitting) bzw. Grübchen auf der Oberfläche des Werkstoffes sichtbar. Es entstehen zunächst 20 bis 40 μm unterhalb der Oberfläche feine Risse im Metallgitter, die zu Materialausbrüchen führen. Die als Micro-pittings oder Graufleckigkeit bezeichneten kleinen mikroskopisch sichtbaren Ausbrüche auf der Zahnflanke, sind als mattgraue Bereiche zu erkennen. Bei Verzahnungen können praktisch in allen Geschwindigkeitsbereichen Grauflecken auf Zahnflanken beobachtet werden. Auch in Wälzlagern entstehen im Bereich des Gleitkontaktes sehr flache Ausbrüche als Grauflecken auf der Laufbahn Diese Zusammenhänge sind ausführlich in der DE 10 2007 036 856 A1 und der dort angegebenen Literatur beschrieben.
  • Zur Verbesserung der Viskositätseigenschaften werden in Schmiermitteln unterschiedliche Zusätze verwendet, um die oben genannten Schäden in Wälzlagern, Zahnrädern, Getrieben und dergleichen zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Hierbei sind die als Graufleckenbildung und die Grübchenbildung bezeichneten Ermüdungsschäden, diejenigen, die zu schwerwiegendsten Materialbeeinträchtigungen durch die entstehenden Risse gehören.
  • Zur Vermeidung dieser Ermüdungsschäden können folgende Maßnahmen ergriffen werden:
    • – Senkung der Kontaktkräfte,
    • – geeignete Auswahl des Schmiermittels,
    • – ausreichende Schmiermittelzufuhr,
    • – günstige Positionierung und Gestaltung der Schmierstellen,
    • – ermeidung von Zuständen ohne Schmierung.
  • Zur Vermeidung von Ermüdungserscheinungen wurden verschiedene Untersuchungen gemacht, unter anderem wurde versucht, die Schmierwirkung von Schmierstoffen durch Zugabe verschiedener Additive zu verbessern. Es wurden insbesondere Additive untersucht, mit denen die Reibung zwischen den Bauteilen verringert werden kann oder die eine verbesserte Viskosität aufweisen.
  • So beschreibt die DE-OS 1 644 934 Organophosphate als Additive in Schmiermitteln, die als Anti-Ermüdungsadditive zugesetzt werden.
  • Die bereits oben genannte DE 10 2007 036 856 A1 offenbart die Zugabe von Polymeren mit Estergruppen, die als Antifatigue-Additive in Schmiermitteln verwendet werden.
  • Aus der US 2003/0092585 A1 sind Thiazole als Anti-Pitting-Additive bekannt.
  • Die EP 1 642 957 A1 betrifft die Verwendung von MoS2 und Molybdändithiocarbamat, die als Additive in Harnstofffetten für Gelenkwellen Verwendung finden.
  • Die oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Additive, wie Organophosphate und Thiazole, sind als organische Stoffe thermisch nicht stabil. Darüber hinaus können sie unter den Betriebsbedingungen verdampfen oder können als klassische Anti-Wear-Additive vor allem mit den Metalloberflächen reagieren, d. h. sie reagieren überwiegend an den sich berührenden Rauhigkeitsspitzen ab, da dort durch die auftretenden Blitztemperaturen ausreichend Energie für eine chemische Reaktion mit der metallischen Reibschicht vorhanden ist. Sie können deshalb allenfalls untergeordnet als Anti-Pitting-Additive wirken. Festschmierstoffe, wie Molybdändisulfid haben dagegen aufgrund ihrer Dichte die Tendenz, sich aus Ölformulierungen abzusetzen und können außerdem korrosiv wirken. Da die Feststoffteilchen mit Teilchengrößen im μm Bereich eingesetzt werden, kommt es zu einer starken Beeinflussung des Fließverhaltens und einer Viskositätserhöhung sowie zu einem Abweichen vom newtonschen Fließverhalten. Dieses Verhalten verschlechtert die Verfügbarkeit des Additivs im Schmierspalt. REM Untersuchungen an den Oberflächen der metallischen Reibpartner zeigen, dass diese Strukturen bzw. Vertiefungen mit Abmessungen deutlich unterhalb 1 μm aufweisen. Diese Vertiefungen sind den μm großen Festschmierstoff Teilchen nicht zugänglich.
  • Ausgehend von dem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen, die auf die Oberflächen von Antriebselementen aufgetragen werden kann, um so die Ermüdungserscheinungen „Grauflecken” und „Grübchenbildung” auf diesen Antriebelementen zu verhindern oder vermindern. Die Zusammensetzung soll dabei keine flüchtigen organischen Verbindungen als Anti-Pitting-Additiv beinhalten und die Anti Pitting Additive sollen in einer flüssigen Phase mit newton'schem Fließverhalten vorliegen. Dadurch können sie in die oben beschriebene Strukturen bzw. Vertiefungen eindringen und dort das Metallgefüge verstärken.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend die Verwendung einer Zusammensetzung, die auf die Oberfläche der Antriebselemente aufgetragen wird, um Ermüdungserscheinungen zu verhindern oder zu vermeiden. Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch den Auftrag einer Zusammensetzung, die oberflächenmodifizierte Nanoteilchen und ein Trägermaterial enthält, die Ermüdungsschäden, wie Graufleckenbildung und Grübchenbildung verhindert oder vermieden werden.
  • Die in der Zusammensetzung enthaltenen oberflächenmodifizierten Nanopartikel sind oxidische Nanopartikel. Sie können ausgewählt werden aus Siliziumdioxid, Zinkoxid und Aluminiumoxid. Zur Oberflächenmodifizierung eignen sich insbesondere Oberflächenmodifizierungsreagenzien, wie Alkyl-, Aryl-, Alkylarylsilane mit mindestens 1 bis 3 dieser Alkyl-, Aryl. bzw. Alkylarylgruppen, die zusätzlich funktionale Gruppen, insbesondere Thiogruppen, Phosphatgruppen enthalten können und die einzeln oder in Kombination verwendet werden. Die optional vorhandenen Thio- oder Phosphatgruppen können zusätzlich eine Reaktion mit der zu schützenden Metalloberfläche eingehen. Bei der Oberflächenmodifizierung beträgt die Menge an Modifizierungsreagenz pro nm2 der Teilchenoberfläche 0,1 mit 5 Moleküle des Modifizierungsreagenz. Diese chemische Modifizierung bewirkt, daß die Nanopartikel in verschiedenen Grundölen monoteilig, d. h. ohne Aggregation vorliegen.
  • Es hat sich auch gezeigt, daß die Zusammensetzung Mischungen von Nanoteilchen enthalten kann, die sowohl voneinander verschieden sind und unterschiedlich Teilchengrößen aufweisen.
  • Die oberflächenmodifizierten Nanopartikel haben eine Teilchengröße von 10 nm bis kleiner 100 nm.
  • Das Trägermaterial wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mineralölen, synthetischen Kohlenwasserstoffen, Polyglykole, Ester und Esterverbindungen, PFPE, native Öle und Derivate von nativen Ölen, aromatenhaltige Öle wie Phenylether und deren Mischungen. Besonders bevorzugt als Trägermaterial werden Polygkykole, Ester und synthetische Kohlenwasserstoffe eingesetzt.
  • Die erfindungsgemäße Zusammensetzung, die die Nanoteilchen und das Trägermittel enthält, kann des weiteren in ein Schmiermittel eingearbeitet werden. Dieses Schmiermittel kann in Form von Fetten, Pasten, Ölen vorliegen und wird ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Schmieröl oder Gemischen von Schmierölen, Polyglykolen, Silikonölen, Perfluorpolyether, Mineralölen, Estern, synthetischen Kohlenwasserstoffen, Phenylethern, nativen Ölen und Derivate von nativen Ölen, organischen oder anorganischen Verdickern, insbesondere PTFE, Graphit, Metalloxiden, Bornitrid, Molybdändisulfid, Phosphaten, Silikaten, Sulfonaten, Polyimiden, Metallseifen, Metallkomplexseifen, Harnstoffen und deren Gemische, Festschmierstoffen wie Graphit, MoS2.
  • Besonders bevorzugt sind Zusammensetzungen, die als Konzentrat in einem der oben erwähnten Schmiermittel zum Einsatz gebracht werden.
  • Außerdem können lösliche Additive, insbesondere aromatische Amine, Phenole, Phosphate, sowie Korrosionsschutzmittel, Oxidationsschutzmittel, Verschleißschutzmittel, Mittel zur Reibungsminderung, Mittel zum Schutz gegen Metalleinflüsse, UV-Stabilisatoren in der Zusammensetzung vorhanden sein.
  • Die erfindungsgemäße Zusammensetzung besteht im allgemeinen aus 0,1 bis 40 Gew.-% oberflächenmodifizierten Nanopartikeln, insbesondere 2 bis 20 Gew.-%, sowie 99,9% bis 60% Gew.-% Trägermaterial.
  • Diese Zusammensetzung kann dann in ein beliebiges Schmiermittel eingebracht werden, sodass bezogen auf die Endformulierung von 0,1–10% Nanoteilchen, 99,9–90% Schmiermittel vorliegen.
  • Die nachfolgend beschriebenen Abbildungen zeigen:
  • 1: Teilchengrößenverteilung einer Charge von Levasil 200 N/30%
  • 2: Teilchengröße der SiO2 Dispersion, wobei die Teilchen mit dem Stöber Prozeß hergestellt und mit dyn. Lichtstreuung bestimmt wurden
  • 3: Teilchengröße der SiO2 Dispersion nach Funktionalisierung mit Butylsilan, die mit dyn. Lichtstreuung bestimmt wurde
  • 4: Teilchengrößenverteilung in Polyglykol
  • 5: Die rheologischen Eigenschaften der Nanoteilchen enthaltende Zusammensetzung basierend auf Polyglykol in Abhängigkeit vom Schergefälle
  • Die Herstellung von SiO2-Nanoteilchen ist beispielsweise beschrieben in: W. Stöber, A. Fink, Journal of Colloid and Interface Science 26, 62–69, 1968 oder in: Zichen Wang et al. Materials Letters 61, 2007, 506–510. Der Nachteil bei Verwendung des Stöber Prozesses bei der Herstellung ist, daß die entstehenden Dispersionen niedrige Gehalte an SiO2-Nanoteilchen aufweisen, in der Regel um 3% Massengehalt SiO2. Die Stabilität der Nanoteilchen und auch die Art der sich ausbildenden Teilchen wird dabei durch die Wahl der Reaktionsbedingungen, hier insbesondere des pH Wertes bestimmt.
  • Es gibt auch kommerzielle Quellen von nanoteiligen SiO2-Dispersionen. Unter dem Handelsnamen Levasil (Akzo Nobel, früher HC Starck) werden wäßrige Dispersionen mit Feststoffgehalten von bis zu 50% angeboten. Bei Levasil 200 N/30% handelt es sich beispielsweise um eine 30%ige Dispersion, die mit Ammoniak stabilisiert ist. Die Teilchengröße wird mit ca. 55 nm angegeben. Diese Größenverteilung wird durch das Diagramm in 1 bestätigt, die die Teilchenanalyse mit einem Malvern Zetasizer zeigt.
  • Ebenfalls von Akzo Nobel unter dem Handelsnamen Bindzil sind SiO2-Nanodispersionen mit Teilchengrößen um 10 nm und Feststoffgehalten bis 40% erhältlich, deren Oberflächen mit Epoxysilan modifiziert sind.
  • Die Herstellung der wäßrigen Dispersionen wird auch in der EP 1 554 221 B1 und der EP 1 554 220 B1 beschrieben.
  • Beispiel 1:
  • Verfahren zur Herstellung aus Tetraethylorthosilikat (CK-00323/2010), (Stöberverfahren)
  • In einem 2 l Dreihalskolben mit KPG Rührer und Rückflußkühler werden 612,4 g Ethanol, 113,47 g H2O dest, 21,67 g NH3 (25%) vorgelegt und auf Rückfluß erhitzt. Eine Lösung von 95,68 g Tetraethylorthosilikat in 156,77 g Ethanol wird langsam über einen Tropftrichter zugegeben. Nach Beendigung der Zugabe wird die Reaktionslösung für weitere 4 h unter Rühren am Rückfluß gehalten. Es entsteht eine opaleszierende Dispersion. Die mittlere Teilchengröße beträgt 52 nm, wie in 2 angegeben ist.
  • Beispiel 2:
  • Funktionalisierung der Oberfläche von Nanoteilchen mit einem Silanisierungsreagenz, die nach dem Stöberprozess (CK-02159/2010) hergestellt wurden
  • Laut Literatur, beispielsweise der Dissertation von M. Braun (Beiträge zur physikalisch-chemischen Charakterisierung funktionaler SiO2-Oberflächen, TU Chemnitz, 2009), sind zwischen 4 und 4,6 SiOH Gruppen pro nm2 auf SiO2-Oberflächen zu erwarten. Von Trialkoxyalkylsilanen oder Trialkoxyarylsilanen werden damit etwas mehr als ein Silan pro nm2 an Oberfläche der zu funktionalisierenden SiO2-Nanokugeln benötigt. Es können aber auch höhere oder niedrigere Silanmengen eingesetzt werden.
  • Bei der vertretbaren Annahme, daß es sich um kugelförmige Teilchen handelt, kann die Spezifische Oberfläche in m2/g berechnet werden: Oberfläche = 3000/(Durchmesser Nanokugeln in Nanometer)
  • Die in Beispiel 1 hergestellte Dispersion (277,87 g) wird auf 78°C unter Rückfluß und Rühren erhitzt. Nach Erreichen der Temperatur werden 1,66 g n-Butyltrimethoxysilan in einem Schuß zugegeben. Die Lösung wird weitere 8 h unter Rühren bei 78°C gehalten. 3 zeigt, daß die Teilchengrößenverteilung erhalten bleibt.
  • Beispiel 3:
  • Einarbeiten der funktionalisierten Nanoteilchen in Polyglykol
  • 83,11 g der Dispersion aus funktionalisierten Nanoteilchen nach Beispiel 2 werden gemeinsam mit 28,10 g wassermischbaren Polyglykol (Monomere Ethylenoxid und Propylenoxid; kinematische Viskosität 100 mm2/sec bei 40°C) im Rotationsverdampfer unter Erhitzen mit dem Ölbad auf 100°C und Anlegen eines Vakuums, beispielsweise mit einer Wasserstrahlpumpe, eingeengt. Es resultiert eine klare Flüssigkeit. Das hohe Verhältnis Dispersion zu Öl ist erforderlich, um bei der geringen Konzentration an SiO2-Teilchen, die in den Dispersionen, die im Stöber-Prozeß hergestellt werden, zugrunde liegt, Konzentrationen von 10% Nanoteilchen im Polyglykol herstellen zu können. Diese Dispersion kann ebenfalls per dynamischer Lichtstreuung vermessen werden, allerdings muß dazu durch Zugabe des Grundöles auf eine Konzentration von 1% SiO2 verdünnt werden. 4 zeigt, daß die Teilchengröße erhalten bleibt. Die Verbreiterung des Peaks läßt sich mit der höheren Viskosität des Polyglykols verglichen mit den Wasser/Ethanol Mischungen erklären.
  • Beispiel 4:
  • Rheologische Eigenschaften von modifizierten Nanoteilchen in Polyglykol
  • Entsprechend den vorangegangen Beispielen werden Polyglykoldispersionen hergestellt, die in allen Fällen auf der Dispersion des Beispiels 1 aufbauen. Als Silane wurden neben Butyltrimethoxysilan auch Phenyltrimethoxysilan und Triethoxy(octyl)silan verwendet. Es wurde mit einem Silan pro nm2 analog Beispiel 2 modifiziert. In allen Fällen resultieren klare Flüssigkeiten nach Umdispergieren. Tabelle 1 zeigt, daß die kinematische Viskosität nur geringfügig erhöht ist. Der Gehalt an SiO2 zeigt sich auch an der höheren Dichte. Tabelle 1
    CK 2982/10 CK 2983/10 CK 3048/10 CK 2186/09
    CK 2957/10 Stöber + Phenyltrimethoxysilane 10% in Polyglykol CK 2959/10 (Stöber mit Triethoxy(octyl)silan 10% in Polyglykol CK 3043/10 Stöber + n-Butyltrimethoxysilan 10% in Polyglykol RefPolyglykol
    10% Nanoteilchen SiO2, Phenylmodifiziert, in Polyglykol, ca. 100 mm2/sec 10% Nanoteilchen SiO2, Oktylmodifiziert, in Polyglykol, ca. 100 mm2/sec 10% Nanoteilchen SiO2, Butylmodifiziert, in Polyglykol, ca. 100 mm2/sec Referenz Polyglykol
    Aussehen klare Flüssigkeit klare Flüssigkeit klare Flüssigkeit klare Flüssigkeit
    Stabinger Viskosimeter Gerät von Anton Paar, Bestimmung der kinematischen Viskosität i. A. ASTM D 7042-04/ASTM D 4
    Viskosität 40°C (mm2/s) 116,05 103,5 117,32 103,79
    Viskosität 100°C (mm2/s) 22,927 20,698 24,098 21,074
    Vl 228,7 222,6 238,5 230,6
    Dichte 40°C (g/cm3) 1,0415 1,0409 1,0516 0,9877
    Dichte 100°C (g/cm3) 0,9953 0,9949 1,0058 0,9334
    Dichte 15°C (g/cm3) 1,057 1,0562 1,0669 1,0058
    schein. Dyn. Viskosität (mPa·s) 50 mm Kegel/Platte, Scherrate 300 sec–1 i. A. DIN 51810 235 210 225 196
  • In Tabelle 1 sind die Daten der 10%igen Dispersionen der mit Butylsilan, Octylsilan und Phenylsilan modifizierten Nanoteilchen in Polyglykol dargestellt.
  • Es wurde zusätzlich die dynamische Viskosität der Nanoteilchen-haltigen Öle in Abhängigkeit von der Scherrate mit einem Kegel Platte System am Rheometer bestimmt. Die Scherrate wird logarithmisch von 50 sec–1 bis 5000 sec–1 gesteigert. Bei den drei oben beschriebenen Dispersionen bleibt die dynamischen Viskosität unabhängig von der Scherrate, man beobachtet also ein newton'sches Fließverhalten. Im Gegensatz dazu zeigt eine 10% Dispersion von Aerosil OX 50 (Hydrophil pyrogene Kieselsäure BET 35–65 m2/g von der Firma Evonik, laut Herstellerangabe eine mittlere Primärteilchengröße von 40 nm und damit ähnlich den untersuchten Nanoteilchen) im identischen Polyglykol eine deutliche Abnahme der Viskosität mit der Scherung. Die Aerosil enthaltende Mischung (CK-0214/2010) zeigt damit eine ausgeprägte Abweichung vom newton'schen Fließverhalten, was mit einer Wechselwirkung der unmodifizierten Teilchen erklärt werden kann.
  • 5 zeigt die oben beschriebenen Versuchdaten in graphischer Form. Mit 214/2010 wird eine Zusammensetzung enthaltend 10% Aerosil OX 50 in Polyglykol bezeichnet.
  • Beispiel 5
  • Funktionalisierung und Umdispergieren ausgehend von Levasil 200 N/30% (CK 3051/2010) und CK 006/2011.
  • 404 g Levasil 200 N/30% werden unter Rühren auf etwa 85°C erhitzt. 395 g Ethanol und 11,78 g Butyltrimethoxysilan (entspricht etwa 5 Silanmoleküle pro nm2 Oberfläche) werden in einem Schuß zugegeben und ca. 1 h unter Rühren bei der Temperatur gehalten. Bereits in der Hitze bildet sich eine gelartige Konsistenz aus.
  • 21,06 g des Gels werden mit 81,89 g Polyglykolöl wie oben beschrieben umdispergiert. Es resultiert eine klare Flüssigkeit (ca. 3,8% SiO2). Tabelle 2
    CK 3051/10 CK 2186/09
    3,8% butylfunktionalisierte SiO2 Nanoteilchen in Polyglykolöl Reines Polyglykolöl
    Aussehen klare Flüssigkeit klare Flüssigkeit
    Stabinger Viskosimeter Gerät von Anton Paar, Bestimmung der kinematischen Viskosität i. A. ASTM D 7042-04/ASTM D 4
    Viskosität 40°C (mm2/s) 106,08 103,79
    Viskosität 100°C (mm2/s) 20,66 21,074
    Vl 221,2 230,6
    Dichte 40°C (g/cm3) 1,0442 0,9877
    Dichte 100°C (g/cm3) 0,9971 0,9334
    Dichte 15°C (g/cm3) 1,0599 1,0058
    schein. Dyn. Viskosität (mPa·s) 50 mm Kegel, Platte, Scherrate 300 sec–1 i. A. DIN 51810 231 196
  • Die Tabelle zeigt geringen Einfluß auf die rheologischen Eigenschaften durch die Nanoteilchen. Also auch Levasil als Nanoteichenquelle möglich.
  • Beispiel 6
  • Einfluß der Nanoteilchen auf Reibung und Verschleiß
  • Tabelle 3
    CK 2535/09 CK 2536/09
    Polyglykol, Polyglykol + 1% SiO2 butylfunktionalisiert, Teilchendurchmesser ca. 60 nm
    Viskosität Stabinger i. A. ASTM D 7042-04/ASTM D 4
    Stabinger Viskosität 40°C 237,0 240,8
    Viskosität 100°C 43,4 45,0
    Vl 240,1 245,0
    Dichte 40°C 1,040 1,046
    Dichte 100°C 0,996 1,000
    Dichte 20°C 1,055 1,061
    Rheometer Anton Paar Scheinbar dyn. Viskosität (mPa·s) 482 493
    Schwing-Reibverschleiß-Prüfung 50 N/30 s Einlauf, Kugel/Scheibe; geläppt; 130 N; 2,2 mm; RT; 24 Hz; 40 μl, 60 min SRV, i. A. DIN 51834
    Einlauf Reibzahl min 0,131 0,131
    Einlauf Reibzahl max 1,137 1,139
    Reibzahl min 0,12 0,12
    Reibzahl max 0,125 0,124
    Verschleißfaktor 46 80
    Kurvenbeschreibung ruhiger Kurvenverlauf Reibzahl bei 0,12 ruhiger Kurvenverlauf bei Reibzahl 0,13
    Vierkugelapparat Dauerverschleiß VKA Dauerverschleiß i. A. a. DIN 51350 T3, 800 N, Raumtemperatur, 1 h
    Kalottenduchmesser (mm) 0,73 0,99
    Vierkugelapparat Schweißkraft i. A. a. DIN 51350 T2
    Gutkraft (N) 1400 1800
    Schweißkraft (N) 1600 2000
    Kalottenduchmesser (mm) 3 12
  • Die Nanoteilchen haben einen geringen, vernachlässigbaren Einfluß auf die rheologischen Eigenschaften, beim VKA Dauerverschleiß ergibt sich eine leichte Verschlechterung. Im SRV wird der Verschleißfaktor etwas erhöht, der Reibwert bleibt gleich. Bei der Schweißkraft wird eine geringfügige Verbesserung beobachtet.
  • Die Wirkung auf Reibung und Verschleiß ist also abhängig von den Versuchsbedingungen und kann auch zu Verschlechterungen führen. Damit ist keine Wirkung als Anti-Wear-Additiv gegeben.
  • Beispiel 7
  • Wirkung der modifizierten Nanoteilchen in einer auf Polyglykol basierenden Getriebeölformulierung
  • Getriebeölformulierungen wurden mit 60 nm großen SiO2-Teilchen mit einer butyl-Oberflächenmodifizierung hergestellt. Dazu wurde eine 10% Dispersion der modifizierten Nanoteilchen in Polyglykol verwendet, die einfach in die Formulierung eingerührt werden kann, ohne besonderes Rührequipment bzw. -verfahren. Die Konzentration der Nanoteilchen in der Endformulierung beträgt 1%. Die Formulierung wurde in zwei Viskositätslagen (100 und 220 cst) hergestellt.
  • In Tabelle 4 sind die einzelnen untersuchten Zusammensetzungen zusammengestellt und mit CK 1790/10, 1200/10, 1858/10 und 1518/10 bezeichnet, die Angaben sind in Massenprozent. Bei CK 1790/10 und 1858/10 sind 1% Nanoteilchen enthalten. Tabelle 4
    CK 1200/10 CK 1790/10 CK 1518/10 CK 1858/10
    wassermischbares Polyglykol Monomere Ethylenoxid/Propylenoxid 94,15 84,15 94,15 84,15
    Antioxidantgemisch 3 3 3 3
    Antiwearadditiv, 2,3 2,3 2,3 2,3
    Korrosionschutzadditive, 0,305 0,305 0,305 0,305
    Antischaum, Silikonbasis 0,2 0,2 0,2 0,2
    10% Dispersion von butyl funktionalisierten SiO2 Nanoteilchen in Polyglykol Teilchengröße ca. 60 nm 10 10
  • Mit den oben beschriebenen Zusammensetzungen wurde nun untersucht, wie sich die Verwendung von Nanopartikeln im Hinblick auf die Graufleckentragfähigkeit auswirkt. Tabelle 5
    CK 1200/10 CK 1790/10 CK 1518/10 CK 1858/10
    Referenz Nano Referenz Nano
    Viskosität Viskositäts- und Dichtedaten
    V 40°C (mm2/sec) 236,7 238,7 98,3 106,5
    V 100°C (mm2/sec) 41,3 41,7 19,4 19,9
    Vl 230,0 230,5 220,4 211,1
    Dichte 40°C (g/ml) 1,042 1,046 1,026 1,032
    FZG-Graufleckenkurztest 2200 U/min. T = 90°C
    Gewichtsänderung Ritzel/Rad Gesamt 23 7 23 12
    Graufleckenfläche nach Schadstufe 7 (Mittel 3 Flanken 15,70% 2,50% 10% 2,90%
    Graufleckenfläche nach Schadstufe 9 (Mittel 3 Flanken 20% 4,50% 13,80% 5,20%
    Profilabweichung nach Schadstufe 7 (Mittel 3 Flanken) 3,3 μm 0 μm 1,8 μm 5,3 μm
    Profilabweichung nach Schadstufe 9 (Mittel 3 Flanken) 3,3 μm 0 μm 0 mm 5 μm
    SKS GFKT < KS 9 Graufleckenbildung ist kaum zu erwarten SKS GFKT < KS 9 Graufleckenbildung ist kaum zu erwarten SKS GFKT < KS 9 Graufleckenbildung ist kaum zu erwarten SKS GFKT < KS 9 Graufleckenbildung ist kaum zu erwarten
  • Wie aus Tabelle 5 ersichtlich, ist die Graufleckenbildung deutlich reduziert, wenn Nanopartikel in einem Polyglykol-Getriebeöl verwendet wird. Insgesamt läßt sich feststellen, daß durch die Nanopartikel die Graufleckentragfähigkeit durch die Verwendung der beiden Zusammensetzungen als Auftrag auf den Oberflächen der Antriebselemente ausgehend von einem guten Niveau (CK 1200/10 und CK 1518/10) nochmals deutlich verbessert wurde (CK 1790/10 und CK 1858/10).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DIN 51350 T3 [0047]
    • DIN 51350 T2 [0047]

Claims (13)

  1. Verwendung einer Zusammensetzung enthaltend oberflächenmodifizierte Nanopartikel und ein Trägermaterial, das auf die Oberflächen von Antriebselementen zur Verhinderung oder Verminderung von Ermüdungsschäden, insbesondere Grübchenbildung (pitting), Graufleckigkeit (grey staining, micro-pitting, surface fatigue) aufgetragen wird.
  2. Verwendung einer Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die oberflächenmodifzierten Nanopartikel oxidische Nanopartikel sind.
  3. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die oberflächenmodifizierten Nanopartikel ausgewählt werden aus Siliziumdioxid, Zinkoxid und Aluminiumoxid.
  4. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Oberflächenmodifizierung über Oberflächenmodifizierungsreagenzien, insbesondere Alkyl-, Aryl-, Alkylarylsilanen mit mindestens 1 bis 3 dieser Alkyl-, Aryl- und Alkylarylgruppen, die zusätzlich funktionale Gruppen, insbesondere Thiogruppen, Phosphatgruppen enthalten können, und die einzeln oder in Kombination verwendet werden und wobei die zusätzlichen funktionalen Gruppen mit Metalloberflächen reagieren können, bewirkt wird.
  5. Verwendung einer Zusammensetzunge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Menge an Modifizierungsreagenz pro nm2 der Teilchenoberfläche 0,1 mit 5 Moleküle des Modifizierungsreagenz beträgt.
  6. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zusammensetzung Mischungen von Nanoteilchen enthält, die sowohl verschiedene Substanzen als auch verschiedene Teilchengrößen aufweisen.
  7. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die oberflächenmodifizierten Nanopartikel eine Teilchengröße von 10 nm bis kleiner 100 nm aufweisen.
  8. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das in der Zusammensetzung vorhandene Trägermaterial ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus synthetische und native Esteröle, Polyglykole, synthetischen Kohlenwasserstoffölen.
  9. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zusammensetzung 0,1 bis 40 Gew.-%, insbesondere 2 bis 20 Gew.-% oberflächenmodifizierte Nanopartikel und 99,9 bis 60 Gew.-% Trägermaterial enthält.
  10. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Zusammensetzung in ein Schmiermittel ausgewählt aus der Gruppe der Fette, Pasten, Öle eingebracht wird.
  11. Verwendung einer Zusammensetzung nach Anspruch 10, wobei das Schmiermittel ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einem Schmieröl oder Gemischen von Schmierölen, Polyglykole, Silikonöle, Perfluorpolyether, Mineralölen, Esterölen, Kohlenwasserstoffölen, Phenyletherölen, nativen Ölen, Derivaten von nativen Ölen, einem organischen oder anorganischen Verdicker, insbesondere PTFE, Graphit, Metalloxiden, Bornitrid, Molybdändisulfid, Phosphaten, Silikaten, Sulfonaten, Polyimiden, Metallseifen, Metallkomplexseifen, Harnstoffen und deren Gemische, Festschmierstoffen wie Graphit, MoS2.
  12. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei in der Zusammensetzung des weiteren lösliche Additive, insbesondere aromatische Amine, Phenolen, Phosphaten, Schwefelträger sowie Korrosionsschutzmittel, Oxidationsschutzmittel, Verschleißschutzmittel, Mittel zur Reibungsminderung, Mittel zum Schutz gegen Metalleinflüsse, UV-Stabilisatoren vorhanden sind.
  13. Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die in einem Schmiermittel bezogen auf die Endformulierung in einer Menge von 0,1–10% Nanoteilchen, 99,9–90% Schmiermittel vorliegt.
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