Tribolex    Expertise, ervaring en creativiteit

 

Vaste smeermiddelen

 

In een aantal toepassingen is het niet mogelijk om vloeibare smeermiddelen of smeervetten te gebruiken. Vaste smeermiddelen kunnen dan soms uitkomst bieden.

Werkingsmechanisme

Vaste smeermiddelen hebben òf een zodanige opbouw dat ze een kristalrooster met een gelaagde structuur kennen òf ze bestaan uit zeer lange polymeermoleculen die soepel langs elkaar heen kunnen glijden. Voorbeelden van vaste smeermiddelen met een gelaagde structuur zijn grafiet en MoS₂. Producten op basis van polytetrafluoretheen (PTFE) bestaan uit lange polymeermoleculen. In de afbeelding hiernaast is de MoS₂ structuur te zien

Wanneer vaste smeerstoffen tussen twee ten opzichte van elkaar bewegende loopvlakken worden aangebracht, blijken ze normaalkrachten goed weerstand te bieden, terwijl tegelijkertijd afschuifkrachten weinig weerstand ondervinden. Daardoor ontstaat zowel een goed dragend vermogen als wrijvingsverlaging.

Aggreatietoestand

Vaste smeermiddelen worden in diverse vormen aangeboden:

• poeders
• gedispergeerd in een dragervloeistof
• geperst in blokken
• gedispergeerd in een thermohardende kunstof

In het laatste geval spreekt men van een glijlak.

Wijze van aanbrengen

Poeders kunnen zeer effectief zijn. Voorwaarde is wel dat ze op een schoon en oxidevrij oppervlak worden aangebracht door borstelen of trommelen. Dat betekent dat aanbrengen alleen goed kan geschieden tijdens het productiestadium van een apparaat of machine.

Dispersies kunnen ook later worden aangebracht, hetzij als enig smeermiddel, hetzij als aanvulling op tijdens gebruik verloren gegaan poeder of glijlak. Het aanbrengen gebeurt doordat de vaste smeerstof dankzij een dragervloeistof het te smeren oppervlak bereikt - waarna onder bepaalde omstandigheden (vacuum, hoge temperatuur, verdamping, ontleding van de dragervloeistof) het vaste smeermiddel achterblijft.

Deze methode is minder effectief dan aanbrengen in poedervorm, omdat het maar de vraag is of de dragervloeistof in staat is het gedispergeerde smeermiddel correct te distribueren. Bovendien zal in het algemeen geen schoon en oxidevrij oppervlak aanwezig zijn, zodat er sprake zal zijn van minder sterke hechting van het vaste smeermiddel aan het te beschermen loopvlak.

Glijlakken

Aanbrengen geschiedt door kwasten of dompelen, waarna er enige tijd (en/of hogere temperatuur) nodig is om de hars met daarin het vaste smeermiddel te laten uitharden. Het grote voordeel van een glijlak is dat het nauwkeurig aangebracht kan worden waar het nodig is en dat er een soort "voorraad" aan smeermiddel beschikbaar is voor de rest van het machineleven. Aanbrengen kan, net als bij poeders, alleen tijdens productie van een machine/onderdeel plaatsvinden.

In de afbeelding is te zien dat er ook bij een glijlak sprake is van inlopen, waarna pas het gladde oppervlak ontstaat.

Blokvorm

MoS₂ wordt soms gebruikt in blokvorm. Het blok drukt dan tegen een bewegend loopvlak en door wrijving wordt er smeerstof over gedragen naar het te smeren loopvlak. Men spreekt wel van "transfersmering". Het principe wordt soms ook toegepast bij wentellagers, door de kooi te impregneren met een vast smeermiddel.

In de afbeelding is een toepassing te zien bij een kraanbaan en een kalander.

Wanneer toepassen?

Vaste smeermiddelen worden toegepast wanneer vloeibare smeermiddelen of smeervetten niet kunnen worden ingezet.

Daar kunnen verschillende redenen voor zijn:

• temperatuurextremen (zeer hoge of juist zeer lage temperatuur)
• wanneer er alleen grenssmering en gemengde smering kan optreden als gevolg van de heersende belasting/snelheid combinatie tussen de loopvlakken
• toepassingen onder hoog vacuüm
• wanneer het gebruik van vloeistoffen of smeervetten op cosmetische bezwaren stuit

Het laatste is bijvoorbeeld het geval bij veel toepassingen in de automobielindustrie en bij allerlei huishoudelijke apparatuur.

Wanneer niet toepassen?

Er zijn ook toepassingen waar vaste smeermiddelen niet kunnen worden ingezet. Bijvoorbeeld als het smeermiddel moet bijdragen aan koeling van loopvlakken en machinedelen of aan afvoer van slijtagemateriaal. Omdat er geen circulatie plaats vindt, kunnen vaste smeerstoffen in dergelijke situaties niet worden gebruikt.

Inzet als smeermiddel of als additief?

Beide situaties dienen goed te worden onderscheiden. Gebruik als smeermiddel kan effectief zijn in sitaties waar een smeervet of smeervloeistof niet kan werken of niet gewenst is.

Het gebruik van een vaste stof als additief is iets geheel anders. Ten eerste zal de beschikbare hoeveelheid vaste stof betrekkelijk gering zijn en alleen daardoor al minder effect kunnen hebben. Verder kan de vaste smeerstof alleen effectief zijn in situaties waar grenssmering en gemengde smering optreedt, dus in situaties die de constructeur het liefst zo veel mogelijk vermijdt.

Het effect zal dus zowel in tijd als in omvang beperkt zijn. In theorie zou een vast smeermiddel als additief in bijvoorbeeld motorolie een beperkt nut kunnen hebben, in de praktijk omvat de aanloop- en uitloopfase slechts een zeer klein gedeelte van de totale draaitijd, zodat van een levensduur verlengend effect nauwelijks sprake zal zijn.

Achteraf toevoegen?

Er is ook een ander bezwaar tegen vaste smeerstoffen gedispergeerd in vloeibare smeermiddelen. Om de vaste stof in dispersie te houden, zal een deel van de dispersiecapaciteit van het vloeibare smeermiddel worden aangesproken - het vloeibare smeermiddel ziet de vaste smeerstof als een "verontreiniging".

Dat betekent dat er minder dispersiecapaciteit over blijft voor de opname van bijvoorbeeld roetdeeltjes, en dat zou tot kortere verversingstermijnen aanleiding kunnen zijn. Het is dus onverstandig om aan compleet geformuleerde smeermiddelen alsnog een of andere vaste stof toe te voegen.

Wanneer het voor een bepaalde toepassing zinvol zou zijn, dan dient de te gebruiken vloeistof reeds bij de formulering zodanig te zijn samengesteld dat aan alle te stellen eisen wordt voldaan. Achteraf toevoegen van een vaste smeerstof kan die delicate balans gemakkelijk verstoren en dient dus ontraden te worden.

Grafiet

Grafiet heeft op zich een vrij hoge wrijvingcoëfficient en is daardoor niet zonder meer een geschikt smeermiddel. Pas wanneer het gebruikt wordt in een vochtige atmosfeer heeft het een sterk wrijvingsverlagende werking. Normaliter is er in de atmosfeer voldoende vocht (damp) aanwezig om grafiet effectief te laten zijn. Bij hoogvacuümtoepassingen (zoals in de ruimtevaart) kan grafiet echter niet worden gebruikt.

Molybdeendisulfide

MoS₂ werkt in een vochtige omgeving niet goed. In een droge omgeving, bij hogere temperatuur en onder vacuüm werkt het zeer goed. Wanneer er zuurstof aanwezig is, kan er oxidatie optreden. Dat gaat gepaard met een forse verhoging van de wrijvingscoëfficient.

PTFE

Polytetrafluoretheen geeft een zeer lage mate van wrijving. Toepassing is beperkt tot temperaturen tot ca 300 °C, daarboven kunnen buitengewoon giftige dampen ontstaan. Gebruik bij hoge temperatuur is dus maar beperkt mogelijk.

Pasta's

In veel gevallen worden vaste smeerstoffen niet puur ingezet, maar gemengd met andere stoffen in de vorm van een pasta. Dat zijn stoffen die sterk aan een smeervet doen denken, maar het niet zijn. Ook pasta's kunnen in technische zin een “gel” zijn, een vloeistof met daarin fijn verdeelde vaste stof. De voor vetten kenmerkende synergie tussen indikker en vloeistof is hier echter niet aanwezig.

Naast de gebruikelijke vaste smeermiddelen worden in dergelijke pasta's ook metalen als koper en zink toegepast. Een voorbeeld van een smeerpasta is een smeermiddel voor ovenkettingen, bestaande uit een grote hoeveelheid grafiet gedispergeerd in een polyalkeenglycol. Wanneer de pasta wordt verhit, ontleedt de polyalkeenglycol zonder sporen of afzettingen achter te laten, het grafiet blijft achter als vast smeermiddel.