Graphit und seine Bedeutung für Maschinenlager. Von Bergwerksdirektor F. W. Landgräber. LANDGRÄBER, Graphit und seine Bedeutung für Maschinenlager. Die fortschreitende Erkenntnis der Lagerforschung strebt neben billigen Lagermetallen gleichzeitig auch Verbesserungen in betriebstechnischer Hinsicht an, um geringen Anschaffungspreis mit höchster technischer Vollkommenheit zu vereinen. Da zur Lösung dieses Problems die bisherigen metallurgischen Mittel nicht ausreichten, mußten neue Wege beschriften werden: auf der Suche nach Metallen mit höchsten Gleiteigenschaften wandte man sich, gestützt auf die inzwischen gesammelten Erfahrungen der Schmiertechnik, dem Graphit zu. Dieser Weg konnte grundsätzlich als aussichtsreich bezeichnet werden, wenngleich die Verarbeitung von Graphit zu einem brauchbaren Lagermetall auch lange Zeit nicht gelang. Die zweifelsfrei erwiesenen, sehr günstigen schmiertechnischen Eigenschaften des Graphites ließen jedoch weitere Versuche lohnend erscheinen, und so wurden die Bestrebungen nach dieser Richtung fortgesetzt, bis eine gleichmäßige Verteilung des Graphits gelang. In gitterartiger Struktur liegen die feinen Graphitteile an, in der sie fest umschließenden eutektischen Masse eingebettet. Diese eigenartige Zusammensetzung verleiht dem Metall eine gewisse Aufsaugefähigkeit für die Aufnahme von Schmiermittel, das bei Oelmangel durch Ausschwitzen wieder zu Schmierung des Zapfens abgegeben wird. Der eingelagerte Graphit gibt dem Gittermetall eine ganz besondere Gleitfähigkeit, wie sie eben nur bei Graphit in geeigneter Verarbeitung zu erwarten ist. Die Laufflächen von Lagerschale und Zapfen erhalten, sofern nicht vollkommene Schmierung vorliegt, in Kürze einen äußerst feinen Graphitspiegel von hochgradiger Politur. Dadurch wird die Tragfähigkeit beträchtlich erhöht, so daß ein solches Lager bei allmählichem Einlaufen auch bei reiner Flüssigkeitsreibung noch sehr hohe Belastungen bei kleinstem Schmiermittelverbrauch zu tragen vermag. Druckfestigkeit und Härte der Gittermetalle sind trotzdem hohen Ansprüchen gewachsen; so beträgt z.B. die Druckfestigkeit des Gittermetalles, Marke L, 1080 kg/cm2, bei einer Brinellhärte von 34 kg/cm2. Bei fünffacher Sicherheit, auf den Festigkeitswert bezogen, können also Lagerdrucke bis zu 250 kg/cm2 aufgenommen werden. Die hervorragende Gleitfähigkeit ist wohl das wesentliche Merkmal dieses Metalles. Der bei halbflüssiger und halbtrockender Reibung auftretende Gleitwiderstand ist so gering, daß sogar völliger Schmiermittelmangel eine Zeitlang aufgenommen werden kann. Versuche fielen sehr günstig aus. So wurde bei sämtlichen Lagern 5 Minuten nach Betriebsbeginn die Oelzufuhr abgestellt, nach einiger Zeit bei einigen Metallen jedoch wieder erneut angestellt, teils um Fressen zu verhüten, teils um den Einfluß erneuter Schmiermittelzufuhr zu studieren. Nach 55 Minuten Versuchsdauer, also 50 Minuten nach Abstellung der Schmierung, betrug die Erwärmung beim Regelmetall 40°, beim 60prozentigen Zinnweißmetall 92°, während das im gleichen Lager verwandte Gittermetall N nur 21° Temperaturerhöhung aufwies. – Das Ersatzmetall hatte bereits nach 30 Minuten gefressen. Bei einem anderen Versuch wurde eine hohe Welle künstlich beheizt, bis das Schmieröl verdampfte. Eine Betriebsstörung trat hierbei nicht ein. Darauf wurde die Beheizung gesteigert, bis das Lagermetall schmolz und tropfenweise ablief. Nach Abstellen der Wärmezufuhr lief die Welle unter voller Belastung ohne Unterbrechung weiter, bis sie wieder ihre normale Betriebstemperatur angenommen hatte. Erst hiernach wurden die Lager aufgenommen. Die Besichtigung ergab, daß die Versuchsmaschine keinen Schaden genommen hatte: Lager und Welle waren spiegelblank. – Diese Gewaltprobe läßt erkennen, daß Gittermetall sich auch unter ganz abnorm ungünstigen Betriebsbedingungen (sehr hohen Temperaturen) als äußerst widerstandsfähig und betriebssicher erweist. Das Wesen der Maschinenschmierung und den Wert der Schmiermittel meinte, nach Dr. Klarnus,die Wissenschaft, und zwar bis vor mehreren Jahren ganz allgemein, durch rein mechanische Gesetze erklären zu können, nämlich durch die Gesetze der Flüssigkeitsbewegung (Hydrodynamik). Nach diesen Gesetzen sollte für den Wert jedes Schmiermittels, für seine Schmierfähigkeit und seine Schmierergiebigkeit ausschließlich die Zähigkeit (Viskosität) des Schmiermittels maßgebend sein. Außer der Viskosität brauchen nur noch Angaben über den Entflammungspunkt, den Erstarrungspunkt, über die chemische Reinheit (Gehalt an Asphalt, Teer, Harz, Wasser, Säure, Asche usw.) und über die chemische Unveränderlichkeit eines Schmiermittels vorhanden zu sein, um nach der früheren Auffassung das betreffende Schmiermittel als restlos gekennzeichnet ansehen zu können. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß alle diese Größen, mit Ausnahme der Viskosität, nur darüber etwas aussagen, welche Eigenschaften ein Schmiermittel nicht haben darf, damit es nicht etwa unter bestimmten Bedingungen Störungen während des Gebrauches hervorrufe. Aber die Ausschaltung von offensichtlichen Fehlern reicht ja noch lange nicht aus, um die Güte eines Materials zu verbürgen. Die Frage z.B., ob man durch unzweckmäßige oder zu radikale Behandlung in den Mineralölraffinerien den Schmierwert der Oele manchmal beeinträchtigt, wurde in früheren Jahren nur selten aufgeworfen. In der Frage der „Reinheit“ geht man auch heute noch in der Praxis vielfach soweit, ganz äußerliche Merkmale der Schmiermittel, wie ihren Farbton und ihre Klarheit als sicherste Bürgschaft für besondere Schmierfähigkeit anzusehen. Aber vor zwei Jahren angestellte Untersuchungen haben deutlich gezeigt, daß das „schönste“ Oel auch bei zweckmäßig gewählter Viskosität trotzdem ein minderwertiges Schmiermittel sein kann und daß es auf dem Markte vermutlich sehr viele solche „zu Tode gereinigte“ Oele gibt. Jedes Schmiermittel hat bekanntlich die Aufgabe, die aneinandergleitenden Schmierflächen voneinander zu trennen. Dies erfolgt in der Weise, daß das Schmiermittel zwischen den beiden Metallflächen eine äußerst dünne Schmiermittelschicht, den sogenannten Schmiermittelfilm ausbildet. An die Haltbarkeit dieses hauchdünnen Films werden nun während des Schmiervorgangs sehr hohe Ansprüche gestellt. Zerreißt er an einzelnen Stellen, so kommen die beiden aneinandergleitenden Metallflächen in unmittelbare Berührung, die Reibung steigt dadurch auf ein Vielfaches des ursprünglichen Betrages mit der Wirkung, daß die Schmierstelle sich erwärmt oder sogar heiß läuft oder sich festfrißt. Jede Schmierfläche, auch die durch sorgfältigste Bearbeitung geglättete, zeigt unter dem Mikroskop beträchtliche Rauhigkeiten, und zwar Vorsprünge, Kratzer, Riefen und andere Unebenheiten. Zerreißt der Oelfilm, so werden offenbar zunächst diese Rauhigkeiten der beiden Gleitflächen in unmittelbare metallische Berührung kommen. Die Oelhaut kann auch hinausgepreßt werden oder durch Verdampfung verschwinden. Steigt die Belastung, die z.B. auf einem Lager ruht, über eine gewisse Grenze, so ist der Film dieser Beanspruchung nicht gewachsen und er zerreißt. Da in den letzten Jahren immer größere und schwere Maschinen gebaut werden müssen, uni den erhöhten Ansprüchen des modernen Betriebes zu genügen, z.B. in der elektrotechnischen Industrie, so ist es sehr oft dem Konstrukteur heute nicht möglich, die Ausmaße der Schmierstellen im gleichen Verhältnis zu vergrößern, wie die Belastung der Maschine größer geworden ist. So kömmt es, daß in vielen Maschinen und gerade in den modernsten Maschinen der Schmiermittelhaut eine ganz besonders große Widerstandskraft zugemutet wird. Sehr hoch sind naturgemäß die Ansprüche an diesen dünnen Oelfilm auch bei abgearbeiteten Maschinen mit nicht mehr völlig einwandfreier Beschaffenheit der Metalloberflächen, ebenso bei noch nicht eingelaufenen Maschinen Aber auch jede andere Maschine ist wechselnden Beanspruchungen unterworfen. Bei dem Anlaufen z.B. eines Lagers ruht zunächst die Welle mit ihrer ganzen Schwere und der auf ihr ruhenden Last unmittelbar auf der Lagerschale, also Metall gegen Metall. Das gleiche gilt beim Stoppen und bei jedem sonstigen Wechsel der Belastung und der Tourenzahl, ebenso wenn sich die Oelzufuhr aus irgendeinem Grunde auch nur vorübergehend verringert oder gar ganz versagt. Die zarte Schmierschicht ist also ein äußerst empfindliches Gebilde, dessen kleinste Aenderung erhöhte Reibung und daher erhöhten Kraftbedarf verursacht. Das Gefährliche ist, daß jede solche Störung sich selbst steigert, und daß aus dem anfänglichen kleinen Uebel sich binnen weniger Minuten ein Heißlaufen und Festfressen der Schmierflächen entwickeln kann, welche nicht nur die Maschine stillegen, sondern bekanntlich mit sehr schweren Beschädigungen der Maschinenteile verbunden sein können. Die Kernfrage des Schmierproblems ist also darin zu suchen, die dünne Schmiermittelhaut möglichst widerstandsfähig zu machen und sie an den zu schmierenden Metallflächen durch möglichst starke Kräfte festzuheften. Wählt man an Stelle von leichtflüssigen Schmierölen dickflüssige, erhöht also nur die Viskosität der verwendeten Schmiermittel, so wird die Oelhaut wohl druckbeständiger, ohne aber an den Metallflächen fester verankert zu sein. Das gesteckte Ziel wird nur teilweise erreicht und der eventuell gewonnene Vorteil wieder teilweise dadurch aufgehoben, daß schwerflüssigere Oele eine höhere innere Reibung haben und daher mehr Kraft verzehren. Nun wurden vor zwei Jahren wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt, welche in einwandfreier Weise ergaben, daß verschiedene Oelsorten tatsächlich mit sehr verschiedener Festigkeit an Metallflächen haften. Aber die Instrumente, mit deren Hilfe man (und zwar mittels Wärmemessungen) bisher Oelsorten des Handels nach ihrer Benetzungsfähigkeit mit zuverlässiger Sicherheit auswählen kann, sind leider sehr empfindlich, recht teuer und ihre Handhabung schwierig. Der zweite Weg hingegen, nämlich die Schmiermittel durch geeignete Veränderung der Metalloberflächen an diese fester anzuheften, ist ohne Schwierigkeiten zu beschreiten und durch eingehende Laboratoriums- und Betriebsversuche an Maschinen und durch glänzende Betriebserfahrungen erprobt. Graphit ist der Stoff, welcher wie kein anderer alle Oele und die anderen Schmiermittel an den metallischen Oberflächen verankert. Die Anwendung von Graphit in der Schmiertechnik ist altbekannt. Aber wie in den meisten Fällen, in denen die Praxis auf sich allein gestellt bleibt, wurde auch hier das richtig herausgefundene Hilfsmittel in unzweckmäßiger, ja oft schädlicher Weise angewendet. Graphit ist ein ausgesprochener Sonderling unter den chemischen Stoffen. Selbst der weichste Gips ist viel härter als Graphit. Durch jedes Metall wird Graphit geritzt, Graphit selbst greift aber kein Metall an. Ferner ist Graphit stets, auch dann, wenn man ihn fälschlich „gestaltlos“ oder „amorph“ nennt, in schuppenförmigen Kristallen ausgebildet. Dieser Schuppenform verdankt er seine Fähigkeit, an allen Unterlagen erstaunlich festzuhaften. Die Graphitschüppchen nehmen nämlich durch den leisesten Druck eine Parallelstellung zur Unterlage an, legen sich also ganz flach und dicht an sie an. Zwischen den Graphitschuppen und den Metalloberflächen scheinen aber noch Anziehungskräfte besonderer Art, sogenannte Adsorptionskräfte, zu wirken, welche den Graphit besonders festhalten. Die Graphitschuppen besitzen ferner eine außerordentliche Spaltbarkeit. Diese Eigenschaft verleiht dem Graphit eine Geschmeidigkeit und Gleitfähigkeit, die ihn wie keinen anderen Stoff befähigt, sich den allerfeinsten Unebenheiten einer Unterlage anzuschmiegen. Man hat also im Graphit einen festen Stoff mit leichter Fließbarkeit vor sich, der sich unter Wirkung höherer Drucke ähnlich wie eine Flüssigkeit verhalten muß. Die wichtigste Eigenschaft von Graphit ist aber seine Fähigkeit, alle Arten von Oelen mit einer so hohen Kraft an sich zu binden wie sonst kein anderer fester Stoff. Messungen, die jüngst ausgeführt wurden, ergaben, daß Oele an Graphit sieben- bis zehnmal so fest haften als an metallischen Flächen. Graphit ist der ideale Vermittler zwischen Oel und Metall. Graphit vereinigt in sich daher in einzigartiger Vollständigkeit alle jene Eigenschaften, die erforderlich sind, um ein Schmiermittel an einer metallischen Gleitfläche zu verankern. Es ist nur noch nötig, die richtige Anwendungsform für ihn zu finden. Vielfach bringt man Graphit direkt in den Schmierflächen, indem man ihn in Schmiernuten z.B. von Lagerschalen hineinpreßt oder Lagerschalen aus Gemischen von Graphit und Metall herstellt. Diese Anwendungsform hat den Fehler, daß die Graphitnuten bald abgeschliffen sind und keinen Graphit mehr hergeben, ebenso wie er auch aus Graphit-Metallegierungen oberflächlich bald herausgelöst ist, so daß der benötigte Nachschub an Graphit nach einiger Zeit aufhört. Auch handelt es sich bei dieser Anwendungsform stets nur um grobgemahlenen Graphit, der infolge seiner Größe gar nicht imstande ist, bis in die feinsten Schmierspalten einzudringen, welche sich zwischen den aneinandergleitenden Metallflächen befinden und meist nicht weiter als 1/1000 bis 5/1000 mm sind. Denselben Fehler hat eine zweite Anwendungsform, die darin besteht, daß man grob- oder feingemahlenen Graphit einfach mit dem Oel vermengt. Selbst die Teilchen des feingemahlenen Graphits sind noch lange nicht klein genug, um mit dem Oel in die engsten Spalten fließen zu können. Einfach aufgeschwemmter, mit Oel nun mechanisch gemischter Graphit wird sich an ungelegenen Stellen niederschlagen und wird dorthin, wo man ihn am nötigsten braucht, nur in den seltensten Fällen gelangen. Am nötigsten braucht man den Graphit aber dort, wo die Schmiermittelschicht zwischen den Gleitflächen am engsten ist und wo daher die Gefahr am größten ist, daß Metall und Metall sich unmittelbar berühren und dadurch zu raschem Anstieg der Reibung, zu starken Erwärmungen, Heißlaufen und Abnutzungen Anlaß geben. Um dem Graphit die nötige Haltbarkeit in flüssigen Schmiermitteln zu verleihen und ihm den Eintritt auch in die haarfeinen Kanäle zu eröffnen, mußte die Aufgabe gelöst werden, ihn so zu zerkleinern, daß die Größe seiner Teilchen sich bereits den Ausmaßen der Oelmoleküle zu nähern beginnt. Diese wichtige Aufgabe ist auf physikalisch-chemischem Wege technisch, gelöst worden. Solche Graphite, deren Teilchen z.B. durchschnittlich nur 0.0001 mm groß sind, heißen kolloide Graphite. Der außerordentlichen Feinheit seiner Teilchen verdankt der Kolloidgraphit die Fähigkeit, sich in den Schmierölen kolloidal aufzulösen und in ihnen haltbar zu sein. Der Graphit behält seine Schuppenform trotz der außerordentlichen Kleinheit der Teilchen bei, ebenso seine Schmiegsamkeit, Weichheit und Fließbarkeit. Er wird von dem Schmiermittel dank seiner kolloiden Feinheit bis in die engsten Poren und Spalten mitgeführt und hat dort Gelegenheit, die Rauhigkeiten, Vorsprünge und Kratzer, welche selbst die sorgfältigst polierten Metallflächen aufweisen, auszufüllen, dadurch die Gleitflächen auszuebnen und zu glätten, sie mit einer festhaftenden, hauchdünnen Graphithaut zu überziehen und an dieser Graphithaut das Schmiermittel zu verankern. Die Ausebnung der Rauhigkeiten und die Graphitisierung der Metallflächen erfordert eine gewisse Zeit, nach welcher sich erst die Wirkungen des Graphits zeigen, und zwar durch ruhigen, stetigen und glatten Gang der Maschine, durch Verminderung der Reibungsverluste und damit durch Erhöhung des Wirkungsgrades, durch Ersparnis an Kraft und Herabsetzung der Reibungswärme. Der Kolloidgraphit braucht sich keineswegs in dicker Schicht auf den Gleitflächen abzulagern, sondern es genügt schon ein dünnes Häutchen, dessen Bestand natürlich durch stetigen Nachschub von neuem Kolloidgraphit gewährleistet sein muß. Die durch den Kolloidgraphit um ein Vielfaches erhöhte Haftfestigkeit der Schmieröle an den Gleitflächen gestattet, die Beanspruchung der Schmierstellen zu erhöhen, den lastenden Druck zu steigern, dünnflüssigere Oele anzuwenden, die Umdrehungszahl zu erniedrigen, ohne daß die Oelhaut zerreißt oder herausgepreßt wird. Man braucht also auch bei Maschinenteilen, die außerordentlich hohen Belastungen oder Temperaturen ausgesetzt sind, oder bei Schwankungen der Belastungen, beim Anlaufen und Stoppen der Maschinen, beim Versagen der Oelzufuhr nicht mehr grobe Störungen des Betriebes, Abnutzungen der Schmierflächen und Beschädigungen der ganzen Maschine zu befürchten. Denn selbst wenn jetzt die Schmiermittelhaut zerreißt, verdampft oder weggepreßt wird, tritt der Graphit als Schmiermittel an den gefährdeten Stellen in Wirksamkeit und betätigt sich als ein festes Schmier mittel mit den Fließeigenschaften einer Flüssigkeit. Diese Graphithaut kann durch keine Temperatur zerstört werden, da Graphit selbst bei Temperaturen über 1000° noch vollständig unverändert bleibt. Aber auch im ungestörten Betriebe erlaubt die festere Verankerung des Schmiermittels, die Oelzufuhr zu vermindern und, wie Versuche und Praxis lehren, den Oelbedarf auf ein Drittel bis die Hälfte und mehr gegenüber einer Schmierung ohne Kolloidgraphit zu vermindern. Da ferner die neuesten Messungen gezeigt haben, daß auch Schmieröle, welche blankes Metall nur. schlecht benetzen, an graphitierten Flächen ebenso fest haften wie Schmieröle, die an und für sich an blanken Metallen gut haften, wird es möglich, mit Hilfe von Kolloidgraphit auch mit Oelen einwandfrei zu schmieren, welche bei graphitfreier Schmierung minderwertig oder unbrauchbar wären. Je mehr bei den schweren modernen Maschinen die Beanspruchungen der Schmierstellen wachsen, desto dringlicher ist es, unsere Schmiermittel leistungsfähiger zu machen. Ferner ist es heute, wo jede Beschädigung der Maschine, jede Verschwendung von Kraft und Hilfsstoffen mehr denn je vermieden werden muß, Aufgabe jedes rationellen Betriebes, auf bewährter Grundlage auch das Schmierungswesen zu modernisieren und dadurch an Unkosten für Reparaturen und für Amortisation zu sparen und die Beaufsichtigung durch Vergleichmäßigung des Betriebes zu vereinfachen. Die erforderlichen Zusätze von Kolloidgraphit sind äußerst gering und daher erfordert die Veredelung der Schmiermittel nur geringe Kosten. Im Durchschnitt genügt ein ständiger Zusatz von nur 0,1 bis 0,3 v. H. von Kolloidgraphit zu den Schmiermitteln. Die Spuren von Kolloidgraphit verändern die äußerliche Beschaffenheit der Schmiermittel nur wenig, beeinflussen ihre Zähigkeit praktisch nicht und verdunkeln die an sich gleichgültige Färbung der Oele nur wenig. Daß die Anwesenheit einer so winzigen Menge von Kolloidgraphit ausreicht, uni jene Veredelung unserer Schmiermittel zu bewerkstelligen, erinnert an die Veredelung unserer Nahrungsmittel durch die winzigen Mengen von Vitaminen, so daß man den Kolloidgraphit den „Lebensstoff“ unserer Schmierung nennen kann.