Schmieröl: Typen, Anwendungen und Leistung

Hintergrund

Seit der Römerzeit wurden verschiedene Flüssigkeiten, darunter Wasser, als Schmiermittel eingesetzt, um Reibung, Hitze und Verschleiß zwischen sich berührenden Maschinenteilen zu minimieren. Heute ist Schmieröl (Lubricating Oil) aufgrund seines breiten Anwendungsspektrums das am häufigsten verwendete Schmiermittel. Die zwei grundlegenden Kategorien sind mineralische und synthetische Öle. Mineralöle werden aus natürlich vorkommendem Erdöl (Rohöl) raffiniert. Synthetische Öle sind hergestellte Polyalphaolefine – hydrocarbonbasierte Polyglycole oder Esteröle.

Obwohl es viele Schmieröltypen gibt, werden mineralische Öle am häufigsten verwendet, da die Erdölförderung sie kostengünstig macht und umfangreiche Daten zu ihren Eigenschaften und Anwendungen vorliegen. Ein weiterer Vorteil mineralölbasierter Schmierstoffe ist ihre Herstellbarkeit in einem weiten Viskositätsbereich – Viskosität bezeichnet den Widerstand einer Substanz gegen das Fließen. Die Spanne reicht von niedrigviskosen Ölen (Kettenlänge ca. 200 Atomare Masseneinheiten) bis zu hochviskosen Schmierstoffen (bis 1000 AMU). Unterschiedliche Viskositäten können gemischt werden, um die Leistung für spezifische Anwendungen zu optimieren. Das gängige 10W-30-Motoröl beispielsweise kombinates niedrigviskoses Öl (für leichten Kaltstart) mit hochviskosem Öl (für besseren Motorschutz bei Betriebstemperatur).

Synthetische Schmierstoffe kamen erstmals in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz und werden meist für spezifische Anwendungen formuliert, für die Mineralöle ungeeignet sind – etwa bei extrem hohen Betriebstemperaturen oder wenn Feuerbeständigkeit gefordert ist. Dieser Artikel konzentriert sich auf mineralölbasiertes Schmieröl.

Rohstoffe

Schmieröle sind nur eine von vielen Fraktionen, die aus Rohöl gewonnen werden können. Rohöl tritt als gelblich-schwarzes, brennbares Gemisch aus Tausenden von Kohlenwasserstoffen (organische Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff) aus dem Bohrloch aus. Erdöllagerstätten entstanden vor etwa 400 Millionen Jahren durch Zersetzung winziger Pflanzen und Tiere. Klimatische und geographische Veränderungen führten zu unterschiedlichen Zersetzungsraten, weshalb Art und Anteil der entstehenden Kohlenwasserstoffe stark variieren – und damit auch die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Rohöle verschiedener Fundorte. So hat kalifornisches Rohöl eine Dichte von 0,92 g/ml, leichteres Pennsylvania-Rohöl 0,81 g/ml. Die relative Dichte (Verhältnis des Gewichts eines Stoffes zu gleichem Volumen Wasser) ist ein wichtiges Merkmal und liegt insgesamt zwischen 0,80 und 0,97 g/ml.

Je nach Anwendung werden dem raffinierten Öl Additive zugesetzt, um gewünschte physikalische Eigenschaften zu erzielen. Häufige Additive sind Metalle wie Blei oder Metallsulfide, die die Fähigkeit des Öls verbessern, Presspassung und Riefenbildung bei metallischem Kontakt unter extrem hohem Druck zu verhindern. Hochmolekulare Polymere verbessern die Viskosität und wirken der Verdünnung bei hohen Temperaturen entgegen. Nitrosamine dienen als Antioxidantien und Korrosionsinhibitoren, da sie Säuren neutralisieren und Schutzfilme auf Metalloberflächen bilden.

Herstellungsprozess

Schmieröl wird aus Rohöl gewonnen, das zunächst einem Vorreinigungsprozess (Sedimentation) unterzogen wird, bevor es in Fraktioniertürme gepumpt wird. Ein typischer hocheffizienter Fraktionierturm misst 7,6–10,6 m im Durchmesser und bis zu 122 m in Höhe, besteht aus hochwertigem Stahl zum Schutz vor korrosiven Verbindungen und ist innen mit einer aufsteigenden Reihe von Kondensatsammeltabletts ausgestattet. In dem Turm werden die Tausenden von Kohlenwasserstoffen im Rohöl durch fraktionierte Destillation getrennt. Während die Dämpfe aufsteigen, kühlen die verschiedenen Fraktionen ab, kondensieren und werden bei unterschiedlichen Temperaturen (je nach Siedepunkt) flüssig – je niedriger der Siedepunkt, desto höher steigt die Fraktion vor der Kondensation. Die Reihenfolge: Erdgas, Benzin, Kerosin, Heizöl, Schmierstoffe, Teer.

Sedimentation

• 1. Das Rohöl wird per Pipeline oder Tanker zur Raffinerie transportiert. Dort durchläuft es die Sedimentation, um Wasser und feste Verunreinigungen (Sand, Gestein) zu entfernen. Das Öl wird in große Lagertanks gepumpt, wo sich Wasser und Öl trennen und die Verunreinigungen absetzen.

Fraktionierung

• 2. Das Rohöl wird auf ca. 371 °C (700 °F) erhitzt. Bei dieser Temperatur zerfällt es in ein Gemisch aus heißem Dampf und Flüssigkeit, das in den ersten von zwei Fraktioniertürme gepumpt wird. Die heißen Kohlenwasserstoffdämpfe steigen auf, kühlen ab, kondensieren und werden in verschiedenen Ebenen gesammelt. In diesem Turm herrscht Normaldruck; etwa 80 % des Rohöls verdampfen.
• 3. Die verbleibenden 20 % werden erneut erhitzt und in einen zweiten Turm geleitet, in dem Vakuum den Siedepunkt des Restöls senkt, sodass es bei niedrigerer Temperatur verdampft. Schwere Verbindungen mit hohen Siedepunkten (Teer, anorganische Stoffe) verbleiben für weitere Verarbeitung.

Filtration und Lösungsmittelextraktion

• 4. Nach weiterer Verarbeitung zur Entfernung unerwünschter Verbindungen wird das in den beiden Türmen gesammelte Schmieröl durch mehrere Ultrafinfilter geleitet, die restliche Verunreinigungen entfernen. Aromaten – ein solcher Verunreiniger mit Sechskohlenstoffringen, die die Viskosität beeinträchtigen würden – werden in einem Prozess namens Lösungsmittelextraktion entfernt. Da Aromaten im Lösungsmittel besser löslich sind als die Schmierölfraktion, lösen sie sich beim Kontakt mit dem Lösungsmittel; nach Entfernen des Lösungsmittels können die Aromaten daraus zurückgewonnen werden.

Additive, Prüfung und Verpackung

• 5. Schließlich wird das Öl mit Additive versetzt, um die gewünschten physikalischen Eigenschaften (z. B. Tieftemperaturbeständigkeit) zu erhalten. Anschließend durchläuft das Schmieröl diverse Qualitätskontrolltests: Viskosität, relative Dichte, Farbe, Blitz- und Feuerpunkt. Öl, das den Standards entspricht, wird verpackt und vertrieben.

Qualitätskontrolle

Die meisten Anwendungen erfordern, dass Schmieröle harzfrei, blass, geruchlos und oxidationsbeständig sind. Über ein Dutzend physikalischer und chemischer Tests klassifizieren und bestimmen den Grad der Schmieröle. Gängige physikalische Tests messen Viskosität, relative Dichte und Farbe; chemische Tests prüfen Blitz- und Feuerpunkt.

Von allen Eigenschaften ist die Viskosität – der Widerstand des Öls gegen Fließen bei bestimmten Temperaturen und Drücken – wohl die wichtigste. Anwendung und Betriebstemperaturbereich bestimmen die richtige Viskosität. Ist das Öl zu zäh, behindert es die Bewegung der Metallteile; ist es zu dünn, wird es aus dem Spalt zwischen den Passflächen gedrückt und schmiert unzureichend. Der Saybolt-Universal-Viskosimeter ist das Standardgerät zur Bestimmung der Viskosität von Erdölschmierstoffen zwischen 21 und 99 °C (70–210 °F). Die Viskosität wird in Saybolt-Universalsekunden angegeben – die Zeit in Sekunden, die 50 ml Öl benötigen, um bei gegebener Temperatur durch eine kalibrierte Düse eines Saybolt-Bechers abzulaufen.

Die relative Dichte hängt vom Raffinationsverfahren und den Additiven (z. B. Blei für extreme Drücke und Kälte) ab. Die Farbe zeigt die Gleichmäßigkeit einer Sorte oder Marke an. Blitz- und Feuerpunkt variieren mit der Herkunft des Rohöls. Der Blitzpunkt ist die Temperatur, bei der ausreichend brennbare Dämpfe freigesetzt werden, um bei Flammenkontakt kurzzeitig zu entzünden. Der Feuerpunkt ist die höhere Temperatur, bei der der Öldampf nach Entzündung weiterbrennt.

Gängige Motoröle werden nach Viskosität und Leistung gemäß Spezifikationen der Society of Automotive Engineers (SAE) klassifiziert. Leistungsfaktoren umfassen Verschleißschutz, Ölabschlammbildung und Öleindickung.

Zukunft

Die Zukunft mineralölbasierter Schmieröle ist begrenzt, da die natürlichen Erdölvorräte endlich und nicht erneuerbar sind. Experten schätzen die gesamten gewinnbaren leichten bis mittleren Erdölreserven auf 1,6 Billionen Barrel, von denen bereits ein Drittel gefördert wurde. Daher werden synthetische Öle zunehmend an Bedeutung gewinnen, sobald die natürlichen Reserven zur Neige gehen – nicht nur für Schmieröl, sondern für alle Produkte der Erdölraffination.