Maskinlager smörjs vanligtvis med olika oljor. Men idag hamnar fortfarande stora mängder av dessa oljor i miljön. Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM har utvecklat en metod som i framtiden kommer att göra det möjligt att smörja glidlager med vatten, ett mycket mer miljövänligt tillvägagångssätt.

Lager smörjs vanligtvis med mineraloljebaserade smörjmedel, förhindrar slitage på lagret från metall på metallkontakt. I Tyskland, cirka en miljon ton smörjmedel används varje år. Tillverkningen, applicering och bortskaffande av olja är en belastning för miljön.

Att introducera vattenbaserade smörjmedel skulle gynna miljöskyddet mycket. Men tills nu, det faktum att metalldelar korroderar när de kommer i kontakt med vatten har varit ett stort hinder. En arbetsgrupp vid Fraunhofer IWM i Freiburg har lyckats använda tillsatser för att byta vatten på ett sådant sätt att det kan användas som smörjmedel någon gång i framtiden. Detta innebar en dubbel framgång för Dr. Tobias Amann och hans kollegor vid Fraunhofer IWM:först, den uppnådda smörjningen är mycket bättre, eftersom vatten inte är lika trögflytande som olja. Andra, korrosion förhindras.

Forskarna utvecklade detaljerna i sin process med hjälp av ett glidlager, ett lager som liknar en ring som omger en roterande stålaxel. Ringen är gjord av flera lager strukturerade från utsidan till insidan enligt följande:en hylsa som omger lagret, ett lager av aluminium och ett lager av sintrad metall som omger själva axeln. Tricket är att det inre sintrade skiktet genomkorsas av en liten kanal som låter vatten strömma mellan den roterande axeln och det yttre aluminiumskiktet. Denna direkta koppling är avgörande i den elektrokemiska processen, baserat på det faktum att en elektrisk spänning uppstår mellan en basmetall som aluminium och en mer ädel metall som järn, även utan att behöva applicera någon form av externt elektriskt fält.

Förvandlar vatten till smörjmedel

Forskarna använder denna elektriska spänning som uppstår mellan aluminiumet i glidlagret och järnet i axeln för att förvandla vattnet till ett smörjmedel. "Vi blandar det som kallas joniska vätskor i vattnet, " förklarar Dr. Tobias Amann. "De joniska vätskorna är flytande salter som innehåller anjoner och katjoner." Dessa joner ordnas om i det elektriska fältet och samlas sedan på insidan av den sintrade metallringen på ett sådant sätt att deras ändar pekar uppåt, mot den roterande axeln. Detta bildar ett slags galvaniskt genererat skyddsskikt som skaftet kan glida på.

Forskargruppen har redan visat processens lönsamhet. Amann och hans team letar just nu efter partners inom industrin med vilka de planerar att ytterligare optimera de joniska vätskorna. "En utmaning är att axelns rörelse genererar värme som får vattnet att avdunsta, " säger vetenskapsmannen. "Nu letar vi efter joniska flytande blandningar som hämmar avdunstning."

Effektivare elmotorer

Jon-vattenblandningen är bättre för miljön än olja, och det hjälper också till att göra glidlager ännu effektivare. Amann fortsätter, "Schaktet glider bättre när det är fuktat med vatten. Detta minskar energiförbrukningen jämfört med operationer som använder betydligt mer trögflytande olja." Dessutom, korrosion undviks. Normalt reagerar syret i vattnet med stål som innehåller järn, i slutändan resulterar i rost. Det elektriska fältet förhindrar att detta händer.

I två projekt tillsammans med sina kollegor vid universitetet i Freiburg, båda offentligt finansierade av Baden-Württembergs ekonomiministerium, Arbete och bostäder, experterna på Fraunhofer IWM utvecklade ännu mer än glidlagret med dess elektrokemiska interna funktion. De designade också en ny mätanordning, kallas en in situ tribometer, kan övervaka metalliskt slitage och friktionsvärden direkt på glidlagret under drift. Hittills har det bara varit möjligt att mäta slitaget på ett lager genom att demontera lagret innan man bedömer och mäter ytorna. Detta är mycket tidskrävande:"Vår nya tribometer gör det nu möjligt att mäta slitage på plats, inte bara göra det lättare att utveckla genomförbara vattenbaserade smörjmedel, men också att kontinuerligt övervaka lager, " påpekar Amann.

Ny tillämpning av en bekant princip inom katodiskt korrosionsskydd

Vattensmörjmedlet i galvaniskt kopplade glidlager utvecklat av Fraunhofer IWM är en ny tillämpning av en sedan länge känd princip:aktivt katodiskt korrosionsskydd, som fungerar utan extra el. Detta trick förhindrar rost och korrosion av metaller som kommer i kontakt med vatten. Det som kallas en offeranod, en mindre ädel metall, införs i den vattenhaltiga miljön. Denna anod löses långsamt, emitterar joner i vätskan i processen och skapar ett litet flöde av elektroner mot metallen som ska skyddas, fungerar som en katod. Ett negativt laddat skyddsskikt utvecklas sedan på metallytan, förhindrar rost såväl som tribokorrosion. Detta beror på att positivt laddade katjoner från den joniska vätskan eller vattensmörjmedlet samlas på denna negativt laddade yta.

Ett negativt laddat skyddsskikt utvecklas sedan på metallytan, förhindrar rost såväl som tribokorrosion. Detta beror på att positivt laddade katjoner från den joniska vätskan eller vattensmörjmedlet samlas på denna negativt laddade yta.