17 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 1/ 2025 FacHartikEl Reibmartensit: Unsichtbare Gefahr für Meißelwerkzeuge Dr.-Ing. Jens Kondratiuk Wenn die Leistung von Elektrowerkzeugen kontinuierlich gesteigert wird, kann unzureichende Schmierung zum Problem werden. Meißelbrüche sind die Folge. Hochleistungsschmierfette neuester Generation mit optimierter Zusammensetzung schaffen Abhilfe. Einleitung In der Bauindustrie sind Meißelanwendungen allgegenwärtig. Sie finden beim Abbau von Naturstein und insbesondere Beton Anwendung. Heutige Meißel sind Hochleistungsprodukte, die mit vorzeitlichen Werkzeugen aus Knochen, Geweih oder Kupfer nur noch den Verwendungszweck gemein haben. Der Ausfall solcher Spezialwerkzeuge verursacht Kosten und führt oft zu Verzögerungen im Projektablauf, da Ersatz nicht immer und überall verfügbar ist. Die effektive Schmierung von Meißelwerkzeugen ist ein entscheidender Faktor für deren Lebensdauer. Der Artikel beleuchtet die Hauptausfallursachen und Verschleißmechanismen, die im tribologischen System Werkzeugaufnahme/ Werkzeug auftreten können. Ferner werden die Anforderungen an Schmierfette für solche Anwendungen und die Methoden zur Schmierfettevaluierung behandelt. Verschleiß von Werkzeugen im Baustellenumfeld Geräte und Werkzeuge, die im rauen Baustellenumfeld verwendet werden, unterliegen einer Vielzahl von Beanspruchungen, die über die Lebensdauer zu verschiedenen Schädigungen führen können. Ein neuralgischer Punkt ist das tribologische System Dr.-Ing. Jens Kondratiuk Dr.-Ing. Jens Kondratiuk ist seit 2011 als Tribologie- Experte in der Konzernforschung bei der Hilti Aktiengesellschaft in Schaan, Liechtenstein, tätig. Seine Aufgabengebiete umfassen Prüfung und Entwicklung von dynamischen Dichtungssystemen, Werkstoff- und Beschichtungstribologie sowie die Entwicklung von Industrieschmierstoffen. Nach dem Studium der Verfahrenstechnik promovierte er an der Technischen Universität Dresden in Kooperation mit dem größten deutschen Stahlerzeuger im Themenkomplex der Oberflächentechnik und Umformtribologie. Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 1/ 2025 18 Fachartikel | Reibmartensit: Unsichtbare Gefahr für Meißelwerkzeuge Werkzeugaufnahme/ Meißel, wie in Abbildung 1 dargestellt. Zwischen der Werkzeugaufnahme und dem Meißel entsteht im Betrieb eine hochfrequente Relativbewegung, die durch verschiedene Bewegungsarten, insbesondere axiale und rotatorische Bewegungen oder eine Kombination beider, gekennzeichnet ist. Heutige Elektrowerkzeuge arbeiten typischerweise bei Frequenzen zwischen 20 und 90 Hertz. Dies bedeutet, dass bei einer Frequenz von zum Beispiel 60 Hertz und einer Amplitude des Meißels von 2 Millimetern im Arbeitspunkt beträchtliche Gleitwege zurückgelegt werden (in diesem Beispiel in einer Stunde 864 Meter). Bedingt durch die Systemtoleranzen und die Querkräfte, die in der Anwendung entstehen, bilden sich lokale Kontaktflächen, wie Abbildung 1 zu entnehmen ist, zwischen der Werkzeugaufnahme und dem Meißel, die hohen Belastungen unterliegen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn mit langen Werkzeugen gearbeitet wird, da hohe Biegemomente erzeugt werden können. Einer der offensichtlichsten Schädigungsmechanismen, die im betrachteten tribologischen System Abb. 1: Simulationsergebnis zu lokalen Flächenbelastungen für das tribologische System Werkzeugaufnahme/ Meißel in Abhängigkeit der Einzelschlagenergie (Quelle: Hilti AG) Abb. 2: Schematische und mikroskopische Darstellungen von Abrasion und Adhäsion (Quelle: Hilti AG) 19 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 1/ 2025 Fachartikel-|-Reibmartensit: Unsichtbare Gefahr für Meißelwerkzeuge auftreten, ist der abrasive Verschleiß. Sogenannter 2-Körper-Verschleiß tritt auf, wenn Rauheitsspitzen eines harten Materials in einen weichen Gegenkörper eindringen. Abrasiver Verschleiß äußert sich zumeist als Furchen in der verschlissenen Oberfläche (siehe Abbildung 2). Sind im tribologischen System abrasive Partikel im Zwischenmedium vorhanden, wie es im Baustellenumfeld durch harte, mineralische Stäube der Fall ist, spricht man von 3-Körper-Verschleiß. Bauteile, die abrasivem Verschleiß ausgesetzt sind, zeigen starke Änderungen in ihren Abmessungen durch Materialverlust. Um den Kundenwünschen nach mehr Produktivität (höhere Abbauleistung) gerecht zu werden, werden die Einzelschlagenergien der Elektrowerkzeuge kontinuierlich erhöht. Dies führt vermehrt zu einem weiteren Schädigungsmechanismus: dem adhäsiven Verschleiß. Die gesteigerten Einzelschlagenergien erzeugen hohe Flächenpressungen in den Kontaktpunkten zwischen den Reibpartnern, was zu plastischer Deformation der Rauheitsspitzen führt (siehe Abbildung 1). Hierdurch können Mikroverschweißungen entstehen, die infolge der Relativbewegung zu einem lokalen Materialversagen beziehungsweise Herauslösen oberflächennaher Teilchen führen. Dies verursacht einen Materialtransfer vom Grundauf den Gegenkörper oder umgekehrt. Die Schaffung neuer Oberflächen und das Lösen von Mikroverschweißungen in Kombination mit einer Aufrauhung beider Reibpartner erhöht die Reibung im System signifikant. Reibmartensit und Meißelbrüche Die Bildung von Reibmartensit steht in engem Zusammenhang mit adhäsivem Verschleiß. Es handelt sich bei diesem Phänomen um eine unerwünschte mikrostrukturelle Veränderung im oberflächennahen Bereich von Stahlteilen. Unzureichende Schmierung und die daraus resultierende erhöhte Reibung führen zu einem Anstieg der Kontakttemperatur. Diese kann lokal die Austenitisierungstemperatur des Stahlgefüges erreichen, was zu einer unkontrollierten Neuhärtung führt. Die so entstandene Phase nennt man daher Reibmartensit. Sie ist sehr hart und spröde und wird auch als weiße Schicht bezeichnet, da sie sich im metallografischen Schliff schlecht anätzen lässt (siehe Abbildung 3). Die weiße Zone kann beträchtliche Dicken von über 100 Mikrometer aufweisen. Darunter befindet sich eine Schicht aus angelassenem Martensit, der eine deutlich geringere Härte aufweist, wie der Härteverlauf in Abbildung 3 zeigt. Warum erhöht die Anwesenheit von Reibmartensit das Risiko für Meißelbrüche? Zum einen entstehen durch die Werkstoffüberschiebungen durch adhäsiven Verschleiß an der Oberfläche lokale Kerben, zum anderen resultieren ungünstige Eigenspannungszustände aus der Martensitneubildung, die das Riss- Abb. 3: Lichtmikroskopische Darstellung von Reibmartensit in der Nähe des Bruchausgangs eines gebrochenen Meißels inklusive einer Härteverlaufsmessung (Quelle: Hilti AG) Abb. 4: Im Bereich des Einsteckendes gebrochene Stockermeißel (Quelle: Hilti AG) Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 1/ 2025 20 Fachartikel | Reibmartensit: Unsichtbare Gefahr für Meißelwerkzeuge wachstum begünstigen. Die im Betrieb auftretenden Biegewechselbelastungen führen zu einem Wachstum der mikroskopisch kleinen Anrisse, was letztlich zum Bruch des Meißels führt (siehe Abbildung 4). In zahlreichen internen Untersuchungen konnte Reibmartensit als Hauptursache für das Versagen von Meißeln identifiziert werden. Auch wenn Premiumwerkzeughersteller heute alle werkstofftechnischen Maßnahmen wie spezielle Wärmebehandlungsverfahren, optimierte Werkstoffe und das Einbringen von Druckeigenspannungen einsetzen, bekämpfen diese Maßnahmen nur die Symptome. Schmierungstechnische Maßnahmen Effektive Schmierung ist die zentrale Maßnahme zur Vermeidung von Reibmartensit, da sie die Ursache - hohe Reibung - direkt angeht. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie zum Beispiel Feststoffschmierung in unterschiedlichen Applikationsformen wie Gleitlacke oder Festschmierstoff blöcke, die im Kontakt mit dem tribologischen Reibpartner stehen und so einen kontinuierlichen Übertrag auf das Werkzeug gewährleisten. Diese Lösungen bieten Vorteile hinsichtlich der Handhabung und sind grifftrocken, wodurch weniger Staub gebunden wird. Leider zeigen solche Systeme eine zu geringe Abriebfestigkeit oder mechanische Stabilität. Daher bleibt die Fettschmierung als wichtige und erprobte Option. Schmierfette bestehen aus verschiedenen Bestandteilen, die in Tabelle 1 dargestellt sind. Die Leistungsfähigkeit hängt sowohl von der korrekten Zusammensetzung, auf die im Folgenden eingegangen wird, als auch von den Nachschmierintervallen und der korrekten Applikation ab. Schließlich kann auch der beste Schmierstoff seine Wirkung nur entfalten, wenn er an der Reibstelle vorhanden ist. Wie lässt sich nun ein Schmierfett für die Anwendung zielgerichtet auswählen? Aus der Art der Abdichtung des zu schmierenden tribologischen Systems, der Bewegung und der wirkenden Belastung lassen sich grundsätzliche Anforderungen an die verschiedenen Fettbestandteile ableiten. Von besonderer Bedeutung ist die Bewegung des Meißels in der Werkzeugaufnahme, da sich infolge der Kurzhubbewegung mit häufigem Richtungswechsel kein dauerhafter, konstanter Schmierfilmauf bau einstellt, wie man es zum Beispiel von einem Gleitlager kennt. Für diese Anwendung ist den meisten Technikern die Stribeck- Kurve zur Veranschaulichung der verschiedenen Reibungszustände bekannt. Diese kann im diskutierten Fall als Beispiel dienlich sein, um besser zu verstehen, welche Formulierungsbestandteile ein leistungsfähiges Schmierfett für Meißelanwendungen aufweisen sollte. Da in den Umkehrpunkten der Meißelbewegung die Gleitgeschwindigkeit null ist, befindet sich das System häufig in der sogenannten Grenzreibung. Hier sind Extreme-Pressure-Additive und/ oder Festschmierstoffe entscheidende Bestandteile, um die Reibung zu verringern und dadurch adhäsiven Verschleiß zu vermeiden (siehe Abbildung 5). Um diese Anforderung ideal zu erfüllen, können sich auch gewisse Verdickersysteme, die sogenannte inhärente Extreme-Pressure-Eigenschaften aufweisen, als vorteilhaft erweisen. Überdies kommt dem Verdicker eine weitere Bedeutung zu, da das hier diskutierte offene tribologische System nicht über eine Abdichtung verfügt. Aus diesem Grund muss das formulierte Fett eine höhere Konsistenz aufweisen als beispielsweise ein Fett für ein geschlossenes Getriebe. Besonders geeignet sind Schmierfette mit einer Konsistenz der NLGI-Klasse 1 bis 2. Eine weitere Eigenschaft, die durch den Verdicker gesteuert wird, ist der Tropfpunkt des Schmierfetts. Der Tropfpunkt ist die Temperatur, bei der das Bestandteil Typischer Gehalt Funktion Beispiele Grundöl 70-85 % Basis des Schmierfetts, entscheidend für die Schmierfähigkeit. Es hilft, Reibung zu reduzieren und Wärme abzuleiten. Entscheidet wesentlich über die biologische Abbaubarkeit Mineralöle, synthetische Öle (PAO, Ester) Verdicker 5-30 % Verleiht dem Fett seine Konsistenz, hält das Öl an Ort und Stelle. Steuert die Ölabgabe. Kann Verschleißschutzaufgaben übernehmen Lithiumseifen, Calciumseifen, Polyharnstoffe, Kieselgele Additive bis 10 % Verbessern die Eigenschaften des Grundöls, bieten Schutz vor Oxidation, Verschleiß und Korrosion Antioxidantien, Verschleißschutzadditive, Korrosionsinhibitoren Festschmierstoffe bis 10 % Verbessern die Schmierfähigkeit unter extremen Bedingungen Grafit, Metallsulfide, Metalloxide, PTFE Tab. 1: Hauptbestandteile von Schmierfetten UVK Verlag - Ein Unternehmen der Narr Francke Attempto Verlag GmbH + Co. KG Dischingerweg 5 \ 72070 Tübingen \ Germany \ Tel. +49 (0)7071 97 97 0 \ info@narr.de \ www.narr.de BUCHTIPP In einer Zeit, in der Nachhaltigkeit und Umweltschutz zu den zentralen Herausforderungen unserer Gesellschaft zählen, bietet diese Studie wertvolle Einblicke und praxisnahe Empfehlungen. Sie beleuchtet, wie Unternehmen Nachhaltigkeitsüberlegungen in ihre Projektmanagementprozesse integrieren und welche Rolle die SDGs dabei spielen. Mit einer detaillierten Analyse und fundierten Ergebnissen zeigt die Untersuchung auf, welche Fortschritte bereits erzielt wurden und wo noch Handlungsbedarf besteht. Die „Projektportfolio Sustainability Monitor 2024“-Studie untersucht den Status quo der Berücksichtigung von Nachhaltigkeit als Kriterium im Projektportfoliomanagement deutscher Unternehmen. Im Fokus steht dabei insbesondere die Integration der UN Sustainable Development Goals (SDGs). Ziel der Studie ist es zu erfassen, welche Bedeutung Nachhaltigkeitskriterien in der Projektselektion und -priorisierung haben und wie sich dies in der Einbindung der SDGs sowie in der Einhaltung relevanter Nachhaltigkeitsgesetze zeigt. GPM Deutsche Gesellschaft für Projektmanagement e. V. Projektportfolio Sustainability Monitor 2024 Studie in der deutschen Unternehmenspraxis mit Fokus auf die UN Sustainable Development Goals GPM Science 1. Au age 2024, 96 Seiten €[D] 65,00 ISBN 978-3-381-13061-0 eISBN 978-3-381-13062-7 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 1/ 2025 22 Fachartikel | Reibmartensit: Unsichtbare Gefahr für Meißelwerkzeuge Fett von einem pastösen in einen flüssigen Zustand übergeht und somit die definierte Konsistenz verliert. Er ist ein wichtiger Indikator für die thermische Stabilität und die obere Einsatzgrenze des Schmierfetts. Aufgrund der hohen Temperaturen im Bereich der Werkzeugaufnahme ist es daher nicht zweckmäßig, Einfachseifenverdicker zu verwenden, da deren Tropfpunkt unter 200 °C liegt. Bei der Wahl der Grundöltype und ihrer Viskosität ist im Wesentlichen auf die Temperaturstabilität, das Nachfließverhalten und die biologische Abbaubarkeit zu achten. Hier bieten sich dem Schmierfettentwickler zahlreiche Möglichkeiten, wenngleich die Grundölviskosität nicht zu hoch gewählt werden sollte, um ein gutes Nachfließen mit frischen Additiven in den Kontakt und eine niedrige Reibung sicherzustellen. Prüfmethodik Für die Bewertung der Schmierleistung unterschiedlicher Formulierungskonzepte können verschiedene Prüfmethoden angewendet werden. Zur Auswahl einer Formulierung ist es zweckmäßig, Tests mit geringerem Aufwand zuerst durchzuführen, um die Anzahl der Kandidaten für aufwendige Systemtests auf ein sinnvolles Minimum zu reduzieren. > 4-Kugel-Apparat: Die Aussagekraft dieses Tests wird in Fachkreisen zu Recht kontrovers diskutiert. Jedoch eignet sich der Versuch, um eine erste Indikation über das Vorhandensein einer Extreme- Pressure-Additivierung zu erhalten. Ferner kann er vor allem für die Qualitätskontrolle in der Serienfertigung Anwendung finden. > Hochlast-Schwingungs-Reibungs-Verschleißtest: Dieser Test bewertet die Tragfähigkeit von Schmierstoffen unter hohen Kontaktdrücken bei niedriger Frequenz, sodass sich das Prüfsystem dauerhaft im Mischreibungsbereich befindet. Der Prüfstand wurde speziell auf die Anforderungen bei Hilti gebaut und ermöglicht es, in einer für derartige Prüfungen üblichen und sinnvollen Probenkonfiguration (Zylinder auf Platte) Hertzsche Pressungen bis 2,6 Gigapascal darzustellen (siehe Abbildung 6). Standardmäßig werden die Versuche bei Raumtemperatur und 120 °C mit Frischfett sowie künstlich gealtertem Schmierfett durchgeführt. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit der Additivierung sowie die thermische Beständigkeit des Schmierfetts analysiert werden. Abb. 6: Prüfaufbau Zylinder auf Platte (Quelle: Hilti AG) > Schwingungs-Reibungs-Verschleißtest: Dieser Test analysiert die Verschleißschutz- und Reibungseigenschaften von Schmierstoffen bei hohen Frequenzen von über 50 Hertz, um die Stoßfrequenzen in der Anwendung zu simulieren. Nachteilig bei diesem Test ist, dass die auf kommerziell erhältlichen Prüfständen erreichbare Flächenpressung in der Zylinder-Platte-Konfiguration nur etwa 1 Gigapascal beträgt. Mit dieser Prüfung können die Grundöleigenschaften, wie der ideale Viskositätsbereich und das Nachfließverhalten, analysiert werden. Abb. 5: Schematische Darstellung der Stribeck-Kurve (Quelle: Hilti AG) tiven und nachhaltigen Vermittlung von (Fach-)Wissen Bausteinen zur effekmit den wichtigsten verlag.expert Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 1/ 2025 24 Fachartikel | Reibmartensit: Unsichtbare Gefahr für Meißelwerkzeuge > Meißelprüfstand: Eine Prüfung von ausgewählten Schmierfettfavoriten unter realen Anwendungsbedingungen im Meißelprüfstand ist unerlässlich, da sich hier die Leistungsfähigkeit des Schmierstoffs unter hochfrequenter Stoßbelastung evaluieren lässt. Diese Stoßbelastung ist in kommerziell erhältlichen Tribometern nicht darstellbar. In den Meißeltests lassen sich unter anderem geeignete Verdickersysteme oder Festschmierstoffgehalte am besten bewerten. Als Messgrößen beziehungsweise Bewertungskriterien dienen im Wesentlichen die Temperaturentwicklung nahe einer kritischen Kontaktstelle Werkzeugaufnahmemeißel sowie die Befundung der Oberflächen nach dem Versuch. Es zeigt sich, dass nicht ideal zusammengesetzte Schmierstoffe bei identischer NLGI-Klasse bereits nach zehn bis 25 Minuten dauerhaften Meißelbetriebs einen starken Anstieg der Temperatur zeigen. Dies signalisiert das Auftreten von adhäsivem Verschleiß, welcher im Nachgang durch metallografische Analysen zweifelsfrei nachgewiesen werden kann. Ideal auf die Anwendung abgestimmte Schmierstoffformulierungen zeigen demgegenüber bei doppelter Prüfzeit eine gleichförmige Temperaturentwicklung und in der nachgeschalteten Analyse keine Anzeichen von adhäsivem Verschleiß oder Reibmartensitbildung in der Kontaktzone, wie in Abbildung 7 dargestellt ist. Schlussfolgerung Die Leistungssteigerung von Meißelgeräten erfordert eine effektive Schmierung, um übermäßigen Verschleiß und Meißelbrüchen durch Reibmartensitbildung vorzubeugen. Ein wesentlicher Hebel ist die Applikation von Hochleistungsschmierfetten mit an die Anwendung angepasster Zusammensetzung. Besonders geeignet sind Verdickersysteme, die intrinsische Extreme-Pressure-Eigenschaften und hohe Tropfpunkte mitbringen. Ferner ist eine leistungsfähige Verschleißschutzadditivierung von Bedeutung, um die Kontakttemperaturen unter Stoßbelastung im Grenz- und Mischreibungsbereich zu senken. Diese Kombination hat sich als die beste Lösung für Meißelanwendungen erwiesen, sodass signifikante Verbesserungen hinsichtlich des Verschleißschutzes und der Reibmartensitprävention erreicht werden können. »« Eingangsabbildung: © littlewolf1989 - stock.adobe.com Abb. 7: Temperaturentwicklung nahe Kontaktbereich Meißel/ Werkzeugaufnahme und metallografische Analyse nach dem Versuch (Quelle: Hilti AG)