Tribologie en alles wat je moet weten over smeermiddelen

Tribologie of wrijvingskunde is de specialistische en veelzijdige wetenschap waar complexe onderwerpen als smering, wrijving en slijtage samenkomen. Peper en zout brengen de maaltijd op smaak! Basisoliën zijn op zichzelf zelden geschikt om als smeermiddel te dienen. Afhankelijk van de toepassing zijn additieven nodig om tot een geschikt smeermiddel met de juiste eigenschappen te komen. Zoals specerijen smaken kunnen versterken of toevoegen, kunnen additieven bepaalde eigenschappen van basisoliën versterken of zelfs ontbrekende eigenschappen toevoegen. Kortom, additieven zijn de specerijen van de smeermiddelenindustrie.
 

Basisolie

Basisolie is als de bouillon van een soep, het vormt een zeer belangrijke basis voor het eindproduct. Een pure bouillon is echter vaak weinig smaakvol. Pas na toevoeging van diverse kwaliteitsingrediënten volgens ambachtelijk recept ontstaat een smaakvol gerecht. Uiteraard zijn er vele variaties op dit thema mogelijk, variërend van een eenvoudige tomatensoep in een wegrestaurant tot een culinaire bouillabaisse Gruyère en Rouille van een toprestaurant. Kortom, afhankelijk van de gebruikte ingrediënten zijn verschillende smaken te creëren. Daarnaast bepalen ook de kwaliteit van de bouillon en de gebruikte ingrediënten mede de kwaliteit en smaak van de soep. Hetzelfde is min of meer van toepassing bij de productie van smeermiddelen. De pure basisolie is op zichzelf zelden geschikt om als smeermiddel te dienen. Afhankelijk van de te smeren toepassing zijn aanvullende additieven nodig om tot een geschikt kwaliteitssmeermiddel met de juiste eigenschappen te komen. Ook hierbij geldt dat de gekozen kwaliteit en soort basisolie sterk bepalend zijn voor de kwaliteit van het eindproduct.

Minerale basisoliën

Verreweg de grootste groep smeermiddelen is vandaag de dag nog steeds gebaseerd op minerale basisoliën. Verreweg de meeste 15W40 oliën heeft een minerale basisolie. Minerale olie wordt verkregen uit ruwe aardolie. Deze ruwe aardolie is een mengelmoes van verschillende fracties koolwaterstoffen, zand, water, zout en mineralen. Na een complex proces van distillatie (het scheiden van fracties) en raffinage (het zuiveren van fracties door ongewenste verontreinigingen te verwijderen) wordt minerale basisolie verkregen. Afhankelijk van de herkomst van de ruwe aardolie, als ook de verdere processen die minerale oliën nadien nog ondergaan, kunnen verschillende minerale basisoliën worden verkregen met elk hun specifieke eigenschappen. Ze kunnen worden ingedeeld naar hun samenstelling en naar hun viscositeitsklasse. Qua onderscheid naar samenstelling zijn de belangrijkste groepen minerale oliën onder te verdelen in de paraffinische en naftenische basisoliën. Paraffinische basisoliën worden verreweg het meest gebruikt vanwege hun goede allround eigenschappen en hun hoge natuurlijke viscositeitsindex. Naftenische basisoliën zijn veel zeldzamer en worden voornamelijk gebruikt in de industrie waar lage vloeipunten gewenst zijn.

Hydrocrack basisoliën

Hydrocrack basisoliën zijn hoogwaardige basisoliën met aanzienlijk gunstiger eigenschappen dan conventionele minerale basisoliën. Door paraffinische minerale basisoliën via complexe chemische processen te kraken in een waterstofatmosfeer, vindt isomerisatie plaats. De op deze manier gevormde iso-alkanen lijken in structuur en eigenschappen erg veel op vol-synthetische basisoliën op basis van poly-alpha-olefinen waardoor vooral de viscositeitsindex, de verdampingseigenschappen (lage vluchtigheid) en de oxidatiestabiliteit aanzienlijk beter zijn dan die van de oorspronkelijke minerale basisolie. Een goed voorbeeld van motorolie met een hydrocrack basis olie is de Helar SP 5W30. Verder zijn lagere viscositeiten mogelijk, is de oplosbaarheid van additieven uitmuntend en zijn hydrocrack oliën volledig compatible met de gebruikelijke afdichtingen. Door de uitstekende prijs-kwaliteitverhouding worden deze basisoliën dan ook steeds meer gebruikt voor de productie van hoogwaardige smeermiddelen in de automobielsector en de industrie.

Synthetische basisoliën

In tegenstelling tot minerale oliën, komen de grondstoffen voor synthetische basisoliën veelal niet vrij in de natuur voor. Door grondstoffen met een laag moleculair gewicht via complexe chemische processen te polymeriseren worden zeer hoogwaardige basisoliën verkregen met een hoog moleculair gewicht. Deze ingewikkelde chemische processen worden ook wel aangeduid als synthese, wat meteen de naam van deze groep basisoliën verklaart. Synthetische smeermiddelen worden dus vernoemd naar het productieproces en feitelijk zegt deze inmiddels mythisch geworden naam niets over de kwaliteit en eigenschappen van deze groep smeermiddelen, het is slechts een overkoepelende naam voor alle smeermiddelen die via een van de verschillende syntheseprocessen worden verkregen. Uit het laatste kan worden afgeleid dat er verschillende syntheten zijn met, afhankelijk van het productieproces, elk hun eigen specifieke eigenschappen en kenmerken. De meest gebruikte synthetische oliën zijn de polyalfa-olefinen (kortweg PAO’s), organische esters, fosfaatesters, polyalkeenglycolen en siliconen.

Synthetische smeermiddelen worden vooral toegepast in situaties waar minerale smeermiddelen tekortschieten, bijvoorbeeld ten aanzien van levensduur, koude temperatuureigenschappen, hoge temperatuurbestendigheid en viscositeitsindex. De 0W40 van Kroon Oil is hier een goed voorbeeld van. In de automobielsector zijn synthetische PAO’s het populairst. PAO basisoliën worden vaak toegepast bij de productie van hoogwaardige brandstofbesparende long life motoroliën en dito transmissieoliën. Dat wil niet zeggen dat genoemde motorolie en transmissie olie altijd volledig op basis van PAO’s zijn. Volledig op PAO-gebaseerde smeermiddelen worden binnen de automobielsector steeds zeldzamer omdat PAO’s behoorlijk kostbaar zijn. In situaties waar de fabriekseisen hoog zijn en waarbij de eerder genoemde minerale oliën en hydrocrack oliën niet afdoende zijn om deze hoge eisen te halen, worden PAO’s vaak gemengd met hydrocrack en/of minerale oliën om zodoende te kunnen voldoen aan de hoge eisen en tegelijkertijd de prijzen op een aanvaardbaar niveau te houden. Volledig PAO-gebaseerde smeermiddelen komen nog wel voor, maar alleen wanneer de fabriekseisen dusdanig hoog zijn dat niet kan worden volstaan met mengsels van hydrocracks en/of minerale oliën. Denk hierbij aan o.a. long life transmissieoliën van zeer zwaar belaste transmissies met hoge bedrijfstemperaturen of aan toepassingen in de autosport. Esters zijn synthetische basisoliën die kwalitatief nog beter zijn dan PAO’s en excelleren vooral op het gebied van thermische stabiliteit en smerende eigenschappen. Daarnaast staan esters erom bekend dat ze een zeer lage vluchtigheid en dito vloeipunt hebben en de viscositeitsindex van esters is hoog tot zeer hoog. De meeste esters zijn daarbij ook nog goed biologisch afbreekbaar en laag toxisch. Vanwege de zeer hoge prijzen worden synthetische esters voornamelijk ingezet voor specifieke toepassingen in de industrie. Denk hierbij o.a. aan biologisch afbreekbare hydraulische oliën en zeer hoogwaardige compressoroliën. Binnen de automotive sector worden esters vooral gebruikt in de autosport en als additive om bepaalde eigenschappen van eindformulaties verder te verbeteren. Synthetische polyalkeenglycolen (kortweg PAG) vinden voornamelijk hun toepassing binnen de industrie. PAG’s worden veel gebruikt in zeer zwaarbelaste tandwielkasten en wormwieloverbrengingen waar vaak koperlegeringen worden toegepast. PAG’s hebben een zeer sterk polair karakter en hebben daardoor een zeer sterke affiniteit tot metalen en koper in het bijzonder. Hierdoor blijft de smeerfilm uitstekend intact, ook bij extreem zware belastingen. PAG’s zijn niet te mengen met andere soorten basisoliën en de gebruikte afdichtingen moeten afgestemd zijn op het gebruik van PAG’s.

Additieven

Basisoliën zijn op zichzelf zelden geschikt om als smeermiddel te dienen. Afhankelijk van de toepassing zijn additieven nodig om tot een geschikt smeermiddel met de juiste eigenschappen te komen. Zoals specerijen smaken kunnen versterken of toevoegen, kunnen additieven bepaalde eigenschappen van basisoliën versterken of zelfs ontbrekende eigenschappen toevoegen. Kortom, additieven zijn de specerijen van de smeermiddelenindustrie.

Anti-oxidanten

Net als metalen kunnen ook smeeroliën oxideren. Koolwaterstoffen reageren met zuurstof uit de lucht waardoor uiteindelijk kettingreacties ontstaan. Zuren en polymeren (hele lange moleculen) zijn hiervan de reactieproducten. Dit proces noemen we ook wel verouderen. De smerende eigenschap van een geoxideerde olie gaat zienderogen achteruit door onder andere het verzuren en indikken van de olie. Hoge temperaturen, verontreiniging, (slijtage)metalen en water in de olie versnellen het oxidatieproces aanzienlijk. Anti-oxidanten vertragen de chemische reacties van het verouderingsproces en voorkomen het katalysatoreffect dat metalen hebben op het oxidatieproces. Hierdoor neemt de levensduur van de olie toe en dat maakt langere verversingstermijnen mogelijk.

Anti-corrosie additieven

Anti-corrosie additieven zijn veelal polaire stoffen met een uitstekende hechting aan metalen oppervlakken. Metalen componenten worden op deze manier voorzien van een dunne oliefilm die zich niet makkelijk laat verwijderen. Hierdoor ontstaat een zeer goede corrosiewerende werking omdat het gevormde beschermende laagje voorkomt dat water, zuurstof en agressieve zuren bij het metaal kunnen komen.

Anti-slijtage additieven

Anti-slijtage additieven hebben vaak een mild etsende werking en worden pas werkzaam bij hogere temperaturen. Hierdoor werken deze additieven alleen op plaatsen waar dat ook echt nodig is: bij metaal-op-metaal contact. Door de plaatselijke temperatuurverhoging, veroorzaakt door wrijvingswarmte, worden de anti-slijtage additieven actief door de reactie met het loopvlakmateriaal. Op deze manier ontstaat een laagje op de loopvlakken dat bij het over elkaar glijden van de loopvlakken ook weer heel eenvoudig wordt afgewreven. Hierdoor worden de loopvlakken gladder en wordt slijtage voorkomen.

Extreme Pressure dopes (EP dopes)

Net als andere anti-slijtage additieven werken EP dopes pas bij hogere temperaturen en alleen op plaatsen waar dat nodig is. Wanneer metaal-op-metaal contact onvermijdelijk is, lopen de temperaturen hoog op door de wrijvingswarmte. O.a. bij transmissieolie zijn EP dopes toegevoegd. Zo hoog zelfs dat de hoogste ruwheidstoppen van de loopvlakken aan elkaar kunnen lassen! De meeste EP dopes zijn zwavelhoudend. Bij hoge temperaturen reageert zwavel met ijzer tot ijzersulfide en vormt zo een plaatselijk laagje. Dit laagje verzwakt de gevormde lasjes waardoor die weer eenvoudig worden verbroken. Op deze manier wordt slijtage voorkomen. Er is daarmee veel gelijkenis met anti-slijtage additieven waardoor het maken van een duidelijk onderscheid niet altijd eenvoudig is. EP dopes worden vaak gebruikt in zwaar belaste toepassingen als transmissies en differentielen. Anti-slijtage additieven worden daarentegen vaker ingezet in lichter belaste toepassingen als hydraulische systemen en motoren.

VI-verbeteraar

Het nadeel van olie is dat de viscositeit daalt bij toenemende temperatuur en vice versa. De temperatuurafhankelijkheid van een olie wordt uitgedrukt in de viscositeitsindex: VI. Hoe hoger de VI, hoe constanter de viscositeit bij temperatuurverschillen. Daarom kiezen we het liefst voor smeermiddelen met een hoge VI. Als de VI van de basisolie niet hoog genoeg is, kunnen we deze verhogen met VI-verbeteraars. Deze additieven zijn veelal opgebouwd uit zeer grote moleculen, ook wel polymeren genoemd. Polymeren hebben de eigenschap dat ze bij lage temperaturen oprollen tot kleine bolletjes. In deze toestand hebben ze weinig tot geen effect op het stromingsgedrag van de olie. VI-verbeteraars worden pas werkzaam bij hogere temperaturen doordat de moleculen zich uitstrekken. Deze uitgestrekte moleculen belemmeren de stroming van de olie waardoor de viscositeit toeneemt. Smeermiddelen met toegevoegde VI-verbeteraars worden daarom minder dun bij hoge temperaturen.

Anti-schuim additieven

Er kan schuim ontstaan in smeermiddelen door luchtinsluiting en/of wanneer het in beroering wordt gebracht. Een ongewenst effect omdat schuimvorming een negatieve invloed heeft op onder andere de smeercapaciteit, samendrukbaarheid, koelend vermogen, responsiesnelheid en oxidatiestabiliteit van de olie. Toepassing van anti-schuim additieven voorkomt de vorming van een schuimlaag. Een belangrijke eigenschap van deze additieven is dat ze oplosbaar zijn in het smeermiddel en daarnaast een zeer lage oppervlaktespanning hebben. De minuscule druppeltjes anti-schuim additief zweven in de olie en functioneren als het ware als mini speldenprikjes die de luchtbelletjes lekprikken als ze met elkaar in aanraking komen.

Vloeipuntverlagers

Veel smeermiddelen zijn volledig of gedeeltelijk gebaseerd op paraffinische basisoliën. Bij lage temperaturen klonteren de paraffinekristallen samen tot grote kristallen waardoor de olie een vaste stof wordt. Vloeipuntverlagende additieven zorgen er in dat geval voor dat het product ook bij lage temperaturen voldoende vloeibaar blijft. De additieven vormen een dunne film om de paraffinekristallen waardoor ze niet samenklonteren en de olie ook bij lage temperaturen vloeibaar blijft.

Detergenten en Dispersanten

Detergenten en dispersanten zijn reinigende additieven. Ze voorkomen de vorming van onder andere kool- en lakaanslag op onderdelen door te zorgen dat vuildeeltjes niet kunnen samenklonteren. Daarnaast voorkomen ze afzetting van metalen deeltjes op metalen oppervlakken. Detergenten zijn vooral werkzaam bij hoge temperaturen en gaan lakvorming en koolaanslag op metalen onderdelen tegen. Dispersanten zijn juist werkzaam bij lagere temperaturen. Hun belangrijkste functie is het voorkomen van sludge en zwevend/klein houden van vuildeeltjes. Detergenten en dispersanten lijken erg op elkaar en daarom worden ze altijd in een adem genoemd.