Wisura Fuchs

Ausnutzung der Tribologie fürs Umformen, Stanzen und Feinschneiden

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Allgemein bekannt ist, dass rostfreie Stähle von einer Chrom- / Nickeloxidschicht, je nach Legierung in wechselnden Verhältnissen, bedeckt sind. Bei anderen Metallqualitäten wird angenommen, dass Oxide auf der Metalloberfläche vorhanden sind, die (je nach Literaturquelle) mal flächendeckend und mal inselförmig angenommen werden. Öfter ist auch über so genannte „(re)aktive Zentren“, um die die Additive bei der Adsorption konkurrieren, berichtet worden. Diese „reaktiven Zentren“ sollen „beweglich“ sein, das heißt sie sind auf einer diskreten Metalloberfläche nicht ortsfest. Leider ist die Literaturlage zum letzten Punkt sehr nebulös. Wirkliche Einblicke auf und in den atomaren Aufbau von Metalloberflächen sind erst mit modernen analytischen Methoden zum Beispiel SIMS (Sekundärionenmassenspektroskopie) und SNMS (Sekundärneutralteilchen-Massenspektroskopie) möglich. Dabei wurde die Existenz von Hydroxy-Gruppen (-OH) nachgewiesen. Diese OH-Gruppen sind an Metall gebunden. Eine relativ „frische“ Oberfläche ist überwiegend mit Hydroxiden bedeckt, die sich mit der Zeit und in Abhängigkeit des Metalls selbst in Oxide umwandeln. Additive können also nur mit Oxiden, Hydroxid-Gruppen beziehungsweise Metall-Ionen wechselwirken. Generell können die Additive nach ihrem Aufbau in drei große Gruppen unterteilt werden, Additive die bevorzugt Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können (Sauerstoffhaltige Moleküle, zum Beispiel Alkohole, Ester), ionische (zun Beispiel saure Phosphorsäurester, Carbonathaltige-Additive) und nichtionische Stoffe (zum Beispiel Chlorparaffine, Polysulfide). Die ionischen Additive werden sicher bevorzugt mit den Metall-Ionen korrespondieren. Die nichtionischen Additive sollten in der Lage sein, sich sowohl mit den Oxiden, als auch mit den Hydroxid-Gruppen zu arrangieren.

Nun ist es wohl an der Zeit eine Erklärung zu geben, warum unterschiedlich additivierte Produkte in der Praxis auch ohne Bildung einer Reaktionsschicht funktionieren und deutliche unterschiedlich Leistungen zeigen können. Das „neue“ Modell geht konsequent von der Vorstellung aus, dass Stahl (Kohlenstoffstahl) mit Hydroxiden und Oxiden und dass rostfreier Stahl mit einer festhaftenden Oxidhaut bedeckt ist. Wie schon eingangs erwähnt sind chemische Reaktionen mit Oxiden kaum möglich. Trotzdem funktionieren Schmierstoffe auf beziehungsweise mit diesen Oberflächenstrukturen. Letztlich sind die Metalloberfläche oder besser gesagt die auf ihr vorhandenen Strukturen für die Art der Wechselwirkung mit dem Schmierstoff beziehungsweise den darin enthaltenen Additiven verantwortlich. Es verhält sich wie mit einem Schlüssel und einem Schloss, entweder passen beide zueinander oder eben nicht. Übertragen auf Additive und Metalloberflächen heißt das, dass bestimmte Klassen von Additiven nur mit bestimmten chemischen Strukturen auf der Metalloberfläche optimal zusammen passen. Sind diese Strukturen nicht vorhanden oder schon blockiert, ist das Additiv im Schmierstoff nahezu wirkungslos. Nach den oben beschriebenen Ergebnissen sind die drei, im „neuen“ Modell postulierten, (Re)aktionswege möglich:

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Additive und Oberflächen müssen zusammen passen

  • Mechanismus 1: Wasserstoffbrückenbindungen (ausserhalb der Metallbearbeitung für viele Vorgänge in der Natur verantwortlich, zum Beispiel das Wasser flüssig ist; Geckos auch auf sehr glatten Oberflächen laufen können ecetera)
  • Mechanismus 2: Ionische Wechselwirkungen (liegen zum Beispiel auch in Kochsalz vor)
  • Mechanismus 3: Adsorption

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