DE19807802B4

DE19807802B4 - Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten, die Kieselsäureester enthalten, als Schmiermittel für Dampfkraftmaschinen mit Gleitpaarungen

Info

Publication number: DE19807802B4
Application number: DE19807802A
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr.-Ing. Woydt
Original assignee: TEA GmbH; TEA GmbH Technologiezentrum Emissionsfreie Antriebe
Current assignee: TEA GMBH TECHNOLOGIEZENTRUM EMISSIONSFREIE ANTRIEB
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2018-02-27
Also published as: DE19807802A1

Abstract

Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten mit in Lösung gehaltenen Additiven als Schmiermittel für Dampfkraftmaschinen mit Gleitpaarungen, welche mit gegenüber Heißwasserdampf als degradationsfest eingestuften Werkstoffen mit Oxid- und/oder Hydroxidschichten ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Heißdampf löslicher, schmierend wirkender Kieselsäureester enthalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten mit in Lösung gehaltenen Additiven gemäß dem Hauptanspruch der Erfindung.
Vorbekannt sind gattungsgemäße wässrige Flüssigkeiten durch die Schrift DE 27 34 906 C3 , sie sind mit in Lösung gehaltenen Additiven für eine Anwendung als Schmiermittel u. a. für die Metallbearbeitung versehen. Sie weisen bis zu 3 Gew.-% Ölbestandteile und 90–99 Gew.-% Wasser auf und sind auf einen pH-Wert im Bereich von 7,5 bis 9,5 eingestellt.
Es werden ein oder mehrere, im wesentlichen wasserunlösliche Extremdruckmittel – E.P.-Mittel – z. B. chlorierte aliphatische Kohlenwasserstoffe, organische Sulfide und Polysulfide, phosphorsulfurierte Kohlenwasserstoffe, Phosphorester, Metallthiocarambamate und Phosphorodithionsäuresalze von Metallen der Gruppe II eingesetzt. Die vorbeschriebenen Zusammensetzungen sind einerseits wegen ihres Zerfalls unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen und andererseits wegen ihrer bei üblichen Temperaturbedingungen in Gehäusen und Zylindern von Kraftmaschinen nicht gewährleisteten Lösbar- und Dispergierbarkeit in Wasser nicht anwendbar.
Vorbekannt ist durch die Schrift DE 32 25 000 A1 eine Arbeitsflüssigkeit für hydraulische Einrichtungen sowie für eine Anwendung bei der Metallbearbeitung mit überwiegendem Wasseranteil. Sie enthält Additive für Korrosionsschutz, pH-Wert-Regulierung sowie wasserlösliche oder wassergelöst dispergierbare, vorzugsweise synthetische Schmiermittel auf Silikonbasis. Es sind genannt: Hexyl-(4-methyl-2-pentoxy)disiloxan, Poly(methyl)siloxan, Poly(methylphenyl)siloxan.
Vorbekannt sind durch die Schrift DE 27 14 657 C3 Hydraulikflüssigkeiten auf der Grundlage von ca. 90–95 Gew.-% flüssigen Silanen bzw. Siloxanen, die als Kraftübertragungsmittel, z. B. in Kraftfahrzeugbremsanlagen, eingesetzt werden. Gleichzeitig erfüllen sie Schmierfunktionen für die Bremszylinder.
Eine Einstellung der Viskosität erfolgt durch anteilige Mischung folgender Silane bzw. Siloxane: ClCH₂CH₂CH₂SiO_3,2 (CH₃)₂SiO (CH₃)₃SiO_1,2
Weiterhin weist die Hydraulikflüssigkeit Anteile von 5–10 Gew.-% Chlorendate und von 0,25 bis 0,5 Gew.-% EP-Additiven auf.
Weiterer Stand der Technik findet sich in DE 749 500 A sowie EP 0 819 789 A1 .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung für eine wässrige Flüssigkeit mit in Lösung gehaltenen Additiven zur Verfügung zu stellen, die in Expansionskraftmaschinen bei Temperaturen bis 850°C und Drücken von 100 bar eine Schmierung von Gleitpaarungen unterschiedlicher Materialien sowie einen Korrosionsschutz an Maschinenelementen sichert und dabei chemisch nicht verändert wird. Beim Verschleppen der wässrigen Flüssigkeit in einen mit Wasser betriebenen Arbeitsmittelkreislauf sollen keine Ablagerungen auftreten. Weiterhin sollen nur umweltverträgliche Stoffe eingesetzt werden, so dass sich beispielsweise Stoffgruppen mit Halogenen und Fluor verbieten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung gemäß dem geltenden Hauptanspruch gelöst.
Die erfindungsgemäße Verwendung der reibungs- und verschleißmindernden Additive ist in der Lage, auf den Werkstoffoberflächen eine monomolekulare Schicht auszubilden, welche während der tribologischen Beanspruchung die Scherung aufnimmt und als EP-/AW-Additiv wirkt. Dadurch werden bei Aufeinandergleiten von Flächen tribologisch bedingte Materialabtragungen direkt an der Werkstoffoberfläche vermieden und zur Reaktionsschicht verlagert. Sobald die Reaktionsschicht abgerieben ist, wird sie durch die chemische Reaktion der Werkstoffoberfläche mit den Additiven sofort wieder neu gebildet. Diese Regeneration der von den Additiven gebildeten Gleitschicht auf den Werkstoffoberflächen gleitbelasteter Maschinenelemente wird durch hohe Temperaturen und Drücke unterstützt. Einzelheiten zu den Zusammenhängen und den Varianten gemäß der Unteransprüche werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung tritt die Flüssigkeit mit den Oberflächen in den Reibstellen je nach Temperatur und Druckbeanspruchung im Reibungszustand der Misch-/Grenzreibung und/oder Hydrodynamik in Wechselwirkung. Sie leitet Wärme von Reibungsverlusten und aus dem Arbeitsprozess ab. Entscheidend für ihre Lebensdauer ist, dass die für den Korrosionsschutz sowie die tribologisch relevanten Additive thermisch bis zu Temperaturen von 850°C und Drücken von 100 bar stabil sind. In den thermodynamischen Kreisprozess verschleppte Funktionsflüssigkeit darf nicht im Motor agglomerieren oder Zersetzungsprodukte hinterlassen, die ihren vorzeitigen Wechsel bedingen.
Sämtliche gegenüber Heißwasserdampf als degradationsfest eingestuften unterschiedlichen Werkstoffe weisen Oberflächen mit einer Oxid- und/oder Hydroxidschicht auf.
Die wässrige Flüssigkeit enthält deshalb einen als in Heißdampf löslichen, schmierend wirkenden Stoff, Kieselsäureester (Tetraorganooxysilane), wobei der Wasseranteil mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise jedoch zwischen 70 und 80 Gew.-%, beträgt.
Verschiedene Additive werden benötigt,

– um jedem der unterschiedlichen Wirkstoffe der Bauteile das jeweils wirksame Additiv mit dem Schmiermittel zuzuführen und
– um zwischen 80°C und 850°C chemische Reaktionen bei dem jeweiligen Druckniveau an den im Reibkontakt stehenden Oberflächen zu gewährleisten.

Die schmierenden Stoffe bilden durch chemische Reaktion mit den Sauerstoffatomen der Oxid- und/oder Hydroxidschichten von Reibflächen durch Bindung und Anlagerung stetig eine neue Oberfläche. Dieser Vorgang läuft bevorzugt an den Reibstellen ab, weil dort Blitztemperaturen bis zu 1000°C oberhalb der Umgebungstemperatur auftreten. Bei den genannten Temperatur- und Druckbedingungen laufen die Reaktionen unkatalysiert ab.
Enthaltene feste, in Koloidform dem Wasser dispersiert zugesetzte Gelbildner formieren sich auch unter den hydrothermalen Bedingungen an der Oberfläche der Tribosysteme zu Gelen. Das Quellvermögen der Gele verbessert den Viskositäts-Index (V), dies wirkt sich wegen der geringen Viskosität von Wasser positiv auf das Schmiervermögen auswirkt. Bei Anwendung von Siliziumtetraethoxid bzw. Tetraethoxysilan im Wasser entstehen Si-O-Si-Netzwerke (Gele) auf den Oberflä chen der Si-Keramiken durch Hydrolyse und anschließende Kondensation und bilden hierdurch Reaktionsschichten.
Auch bilden sich in gleicher Weise Si-O-Ti-Netzwerke aus.
Ebenso können Tetraorganooxysilane (Organo-Kieselsäure-Ester) an den reaktiven Si-OH-Bindungen einer SiC-Oberfläche chemisch fest angebunden werden. Durch Reaktionen zwischen den Kieselsäure-Ester-Molekülketten entsteht eine silanisierte Oberfläche, die die reibungsbelasteten Bauteile vor Verschleiß schützt.
Die Silane und Siloxane wirken auf keramischen Oberflächen als EP-/AW-Additiv, sie stabilisieren zusätzlich den pH-Wert im basischen Bereich und senken die Oberflächenspannung von Wasser.
Die erfindungsgemäße Verwendung der Funktionsflüssigkeit weist eine Langzeitstabilität auf. Beim Verschleppen von Bestandteilen in den Kreisprozess bedingen Druck und Temperatur, eine Polymerisation oder Depolymerisation der Silan- und Siloxan-Verbindungen. Die höhermolekularen Verbindungen, die bis etwa 300°C aus niedermolekularen Verbindungen polymerisierten, depolymerisieren oberhalb von 350°C bis 400°C. Bedingt durch diese alternativen chemischen Reaktionen verbrauchen sich die Additive als Wirksubstanzen nicht.

Claims

Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten mit in Lösung gehaltenen Additiven als Schmiermittel für Dampfkraftmaschinen mit Gleitpaarungen, welche mit gegenüber Heißwasserdampf als degradationsfest eingestuften Werkstoffen mit Oxid- und/oder Hydroxidschichten ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Heißdampf löslicher, schmierend wirkender Kieselsäureester enthalten ist.
Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kieselsäureester Tetraethoxysilan ist.
Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasseranteil mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise jedoch zwischen 70 und 80 Gew.-%, beträgt.
Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Gele auf der Basis von Silizium-, Zirkonium-, Titanium-, Vanadium- und Chromium-Kationen sowie Mischungen aus diesen enthalten sind.
Verwendung von wässrigen Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,5 bis 10 Gew.-% Mittel für Korrosionsschutz, zur Passivierung von Nichteisenmetallen und pH-Wert-Stabilisierung aufweisen.