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PFPE Schmierstoffe für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt2019-02-19T14:07:48+02:00

PFPE Schmierstoffe für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Blog picture 01 - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of Chemours)
Blog picture 02 - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of Chemours)

Luft- und Raumfahrtanwendungen stellen die mitunter größten Anforderungen an Schmierungssysteme. Im Vergleich zu Automobilanwendungen beispielsweise sind die Einsatztemperaturbereiche, bei denen ein Schmierstoff funktionieren muss, erheblich größer. Militärische Luftfahrtapplikationen können unter anderem sogar noch extremere Bedingungen erfordern, wie etwa lange Lagerfähigkeit.

Steve Johnston, Technical Service Manager Lubricants, The Chemours Company, führt dazu folgendes Beispiel an:

“Stellen Sie sich ein Flugzeug vor, das in Saudi-Arabien bei einer Umgebungstemperatur von etwa 50 °C auf der Startbahn steht. Wenn das Flugzeug seine Reiseflughöhe erreicht hat, beträgt die Außentemperatur ungefähr -55 °C. In Nähe der Flugzeugmotoren können Betriebstemperaturen von >200 °C erreicht werden, mit Potential von weiteren 50-100 °C Soak-Back.“

Krytox Perfluorpolyether Schmierstoffe (PFPEs)

Perfluorpolyether Schmierstoffe (PFPEs) kamen erstmals 1965 unter dem Markennamen Krytox bei kommerziellen Luftfahrtanwendungen zum Einsatz und werden seitdem fortwährend von The Chemours Company hergestellt. Das ist nicht verwunderlich angesichts ihrer ausgezeichneten Eigenschaften wie thermische Stabilität, chemische Neutralität und niedriger Dampfdruck bei sehr geringem Molekulargewicht.

PFPEs bestehen elementar nur aus Kohlenstoff, Fluor und Sauerstoff mit unterschiedlichen Anteilen von Kohlenstoff und Sauerstoff mit verschiedenen Eigenschaften. Im Vergleich zu anderen Schmiermitteln sind PFPEs am wenigsten gebräuchlich und am teuersten.

Blog picture 03 - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of Steve Johnston / Chemours)

(Mit freundlicher Genehmigung von Steve Johnston/Chemours.)

Das liegt daran, dass die Lieferkette für PFPEs verglichen mit anderen Schmierstoffen viel komplexer und kapitalintensiver ist. Das Rohöl, die daraus gewonnenen Monomere und die synthetischen Schmierstoffe aus diesen Monomeren werden in Milliarden Kilogramm pro Jahr produziert.

Zur Herstellung von Krytox hingegen wird Calciumfluorid (Fluorspar) in Fluorwasserstoffsäure (Flusssäure) umgewandelt. Aus dieser Säure werden dann Fluorchlorkohlenwasserstoffe produziert, die wiederum zu Tetrafluorethylen (TFE) oder Hexafluorpropylen (HFP) umgewandelt werden. PFPEs werden dann direkt aus diesen Monomeren hergestellt oder mit Hilfe zusätzlicher Monomere.

Bei jedem dieser Schritte verringert sich das Produktionsvolumen, sodass sich in Verbindung mit den zusätzlichen Verarbeitungsprozessen der Preis erhöht. Dadurch begrenzen sich die Anwendungsmöglichkeiten, bei denen PFPEs konkurrenzfähig eingesetzt werden können, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt.

„Es gibt sehr gute Gründe dafür, warum Spezialschmierstoffe für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt-Technologie tendenziell hochpreisiger sind“, sagte Bob Moffett, Technical Service Sr. Consultant bei The Chemours Company. „Diese Produkte erfordern – auf Jahre gerechnet – oftmals aufwendige und umfangreiche Entwicklungsarbeit, wobei für die Anwendungen im Allgemeinen sehr geringe Mengen, manchmal nur einige Kilogramm pro Jahr benötigt werden.“

Die wichtigsten Eigenschaften von PFPEs

Blog picture 04 - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of Steve Johnston / Chemours)

(Mit freundlicher Genehmigung von Steve Johnston/Chemours.)

Komponentenausfälle bei Luft- und Raumfahrt-Anwendungen können katastrophale Auswirkungen haben. Diese betreffen dann nicht nur die Kapitalkosten der Teile selbst, sondern auch zusätzliche Reparaturkosten sowie potentielle Sicherheitsrisiken, die daraus resultieren. Volatilität ist bei Raumfahrt-Anwendungen ein besonders wichtiger Faktor, da der Schmierstoff auch im Vakuum funktionsfähig sein muss. Viele Anwendungen in der Raumfahrt erfordern Schmierstoffe für die gesamte Lebensdauer der Komponenten, weil es keine Möglichkeit zu Nachschmierungen gibt.

“Viele Schmierstoffe, die für Flugzeuge zum Einsatz kommen, könnten auch für alltäglichere terrestrische Anwendungen verwendet werden, wobei diese Anwendungen dann einige wesentliche Leistungsmerkmale mit denen in der Luft- und Raumfahrt üblichen gemeinsam hätten“, sagte Bob, „wie etwa höchstes Leistungsvermögen- oft auch in direkter Verbindung mit Sicherheit – unter äußerst anspruchsvollen Bedingungen.“

Es gibt einige wesentliche Eigenschaften, wodurch Krytox-Schmierstoffe besonders gut für Aerospace-Anwendungen geeignet sind.

  • Sie brennen nicht und sind nicht verbrennungsfördernd, selbst in flüssigem oder gasförmigem Sauerstoff
  • Die unterschiedlichen Krytox Produktvarianten decken einen breiten Temperaturbereich von -75 °C bis +360 °C kontinuierlich ab, mit Temperaturspitzen von mehr als 400 °C.
  • Krytox Schmierstoffe sind beständig gegenüber aggressiven Chemikalien und besitzen eine lange Lebensdauer ohne kohlenstoffhaltige Ablagerungen zu hinterlassen.
  • Mit ihrer hohen Schichtdicke bieten sie Schutz unter schwerer Belastung und bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
  • Sie sind kompatibel mit den meisten Elastomeren, Polymeren und einer Vielzahl von Metallen. Zusätzlich sind sie ungefährlich, ungiftig, nicht reglementiert und vollständig chemisch inert.

Herstellung und Test von Krytox Fetten

Blog picture 05 und 08 - F-35 cutaway - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of USAF / Samuel King Jr. / Steve Johnston / Chemours)

(Mit freundlicher Genehmigung von Steve Johnston/Chemours.)

Die Rezeptur von Krytox-Fetten besteht allgemein aus drei Basisstoffen: Krytox PFPE-Öl, Teflon Polytetrafluoräthylen (PTFE) Pulver und unterschiedlichen Additiven. Diese Additive enthalten Anti-Verschleiß- oder Anti-Korrosions-Compounds wie Natriumnitrat, Compounds für Extremdruck-Bereiche wie Molybdändisulfid, sowie weitere Additive, die auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind.

Krytox Fette werden mit zahlreichen Industriestandard-Verfahren getestet, darunter ASTM D-3336 und SKF ROF+ Prüfmethoden, um die Lebensdauererwartung von Schmierfetten zu bewerten.

Die erste Methode erfolgt an einem mit 10.000 oder 20.000 rpm rotierenden SAE No. 204 Lager bei erhöhter Testtemperatur. Mit Hilfe von CRC-Spindeln werden dem Lager eine Radialbelastung von 15 lbs (67N) und eine Axialbelastung von 5-15 lbs (22-67 N) zugefügt. Für die erforderliche Testtemperatur beträgt ein Prüfzyklus 20 Stunden Laufzeit und wird danach 4 Stunden abgeschaltet. Das Testergebnis zeigt die kumulierten Betriebsstunden an, bei denen das Lager läuft, ohne den Motorüberlastungspunkt, das Grenzdrehmoment oder das Temperaturlimit zu überschreiten.

Unten sehen Sie die Ergebnisse des ASTM D-3336 Tests an einem Krytox Fett im Vergleich mit einem Standard–Lagerfett für Elektromotoren:

Blog picture 06 - ASTM D3336 - Grease Life in Ball Bearings - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of Steve Johnston / Chemours)

Der ASTM D3336 Test bewertet die Beständigkeit und Lebensdauer von Fetten in Kugellagern bei hohen Geschwindigkeiten und Temperaturen. Diese Ergebnisse beziehen sich auf ein leicht belastetes 6204 Lager bei 10.000 rpm. Der Testzyklus lief 20 Stunden mit einer darauf folgenden Ruhephase von 4 Stunden . (Mit freundlicher Genehmigung von Steve Johnston/Chemours.)

 

Die SKF ROF+ Lagerfett-Testmethode bezieht sich auf den Betrieb von fünf Gruppen von zwei Lagern. Es können unterschiedliche Lagertypen und –größen bei Geschwindigkeiten zwischen 5.000 und 25.000 rpm und einer Raumtemperatur von bis zu maximal 230 °C eingesetzt werden. Die pneumatische Belastung der Lager kann auf 50-900 N radial und 100-1100 N axial eingestellt werden. Die Lager werden bis zum Versagen betrieben unter Berücksichtigung der statistischen Weibull-Verteilung nach nur einem Test.

Unten sehen Sie die Ergebnisse des SKF R0F+ Testverfahrens an 6204 Kugellagern mit einem Krytox-Fett im Vergleich zu einem Standardfett:

Blog picture 07 - Results from SKF R0F+ bench bearing life test - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of Steve Johnston / Chemours)

Ergebnisse des SKF R0F+ Lebensdauer-Prüfstandtests an 6204 Lagern bei 10.000 rpm und 177 °C. (Mit freundlicher Genehmigung von Steve Johnston/Chemours.)

Typische Luftfahrtanwendungen für PFPE Schmierstoffe

Perfluorpolyether werden in vielzähligen

  • Sauerstoffsystem-Kopplungen, Ventile, Regler und Dichtungen
  • Flüssigbrennstoff-Raketentriebwerke und Ground Support-Systeme
  • Instrumente, Gyroskope und Kardanringe
  • Dichtungen, Ventile und Pneumatik
  • Lager
  • Leitspindeln und Kugelgewindetriebe
  • Elektro-mechanische Aktoren
  • Antriebskeilwellen-Verbindungen
  • Wälzlager, Motoröltanks
  • Nichtleitender Schmierstoff zur Abdichtung elektrischer Leitungen
  • IR Sensoren und Optik

Daneben gibt es mehrere spezielle Anwendungsbeispiele von Krytox Fetten:

  • Krytox 283AD Fett wird für die Triebwerkstarter-Keilwelle in PW 400-Serienmotoren eingesetzt und ist das einzige Produkt, das für diese Anwendung spezifiziert ist. Krytox 250AD Fett ist zugelassen für Hydraulik- und Kraftstoffpumpen-Keilwellen an PW Motoren für die Flugzeugtypen A330, A340 und A380. Chemours arbeitet zurzeit außerdem mit einem großen OEM an der nächsten Generation fettgeschmierter Treibstoffpumpen-Keilwellen.
  • Krytox AGL683 Fett wurde speziell für elektromechanische Antriebslager, Getriebe und Kugelgewindetriebe entwickelt. Es ist für den Einsatz in Kabinenklimatisierungs- und Stickstofferzeugungsanlagen zugelassen. Dieses leichte halbflüssige Schmierfett dient der Lebensdauerschmierung bei Temperaturen von -70 °C bis +180 °C. Dabei ist es mit Additiven gegen Reibverschleiß und Korrosion ausgestattet und speziell für Anlaufdrehmomente bei Niedrigtemperaturen konzipiert worden.
  • Krytox AGL829 Fett wurde als feuerfestes Schmierfett für Schubumkehr-Antriebe entwickelt, um damit externe Feuerlöschdecken zu ersetzen. Das leichte Getriebefett dient speziell als Sealed-for-Life Schmierstoff für Tieftemperatur-Anwendungen (-60 °C), die hoher Vibration und hohen Lasten ausgesetzt sind.
  • Die Fette der Krytox XHT-BD Serie sind für Anwendungen bei extrem hohen Temperaturen bestimmt und basieren auf dreifach fluorierten, hoch viskosen Basisölen mit einem nicht-schmelzenden Verdicker mit großem Haftvermögen. Krytox XHT-BDX ist für O-Ringe und flexible Kupplungen in Umweltkontrollsystemen konzipiert, welche die durch Motoren erzeugte Heißluft zur Enteisung von Tragflächen und Heck steuern. Die Komponenten in diesen Bereichen unterliegen dabei regelmäßig Temperaturen von 315 °C.
Blog picture 05 und 08 - F-35 cutaway - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of USAF / Samuel King Jr. / Steve Johnston / Chemours)

F-35 Cutaway. (Mit freundlicher Genehmigung von Charles R. Davis/USAF.)

Einer der interessantesten Anwendungsbereiche für PFPE Schmierstoffe ist die F-35 Short Takeoff /Vertical Landing (STOVL) Variante. Hierbei werden die Krytox Extremtemperatur-Schmierstoffe für Abluftleitungs-Lager, Antriebsräder und Aktoren eingesetzt, die regelmäßig eine Betriebstemperatur von 320 °C übersteigen. Die F-35 liefert außerdem ein Beispiel für den Gebrauch von PFPE Schmierstoffen, um die Leistung von üblicherweise ungeschmierten Materialien zu verbessern, wie etwa die variablen Vespel Flügelbürsten im F-35 Hubgebläse.

PFPE Schmierstoffe in der Luft- und Raumfahrt

Fehler oder Ausfälle bei Luft- und Raumfahrt-Anwendungen sind keine Option, zumal die Betriebsbedingungen in diesem Bereich sehr schwierig sein können. Unzureichende Schmierung oder Schmiermittel, die nicht in der Weise funktionieren wie sie sollen, können längere Standzeiten bei der Flugzeugwartung sowie Komponentenausfälle zur Folge haben.

“Beim Transport von Crewmitgliedern und Passagieren sind Betriebsstörungen- oder Ausfälle am Flugzeug keine Option.“ sagte Chad Warriner, Technical Service Engineer, The Chemour Company. „Die Zuverlässigkeit und Leistung eines Flugzeugs muss nahezu 100 % betragen. Mit einer fast perfekten Zuverlässigkeit kommen auch Betriebs- und Wartungskosten ins Spiel, denn längere Schmierungsintervalle bedeuten kürzere Standzeiten und weniger Produktivitätsverlust. Die dadurch gewonnenen Einsparungen können wiederum an die Kunden zurückgegeben werden.“

Blog picture 05 und 08 - F-35 cutaway - Krytox - Aerospace Applications for PFPE Lubricants (Image courtesy of USAF / Samuel King Jr. / Steve Johnston / Chemours)

F-35 STOVL beim Abheben auf der Eglin Air Force Base. (Mit freundlicher Unterstützung von USAF/Samuel King Jr.)

Die Kombination von thermischer Stabilität, chemischer Reaktionsträgheit und der Kapazität für niedrige Dampfdrücke bei sehr niedrigen Molekulargewichten macht Krytox Schmierstoffe ideal für den Einsatz bei einer Reihe von zivilen und militärischen Anwendungen. Von Motorlagern und Treibstofftankventilen bis hin zu Gleitrollen an Kampfjet-Kabinendächern und Sitzeinstellmechanismen, beim Fliegen führt kein Weg an Krytox vorbei.

Für mehr Informationen zu Krytox-Schmierstoffen

Chemours hat diesen Beitrag gesponsert. Alle Aussagen stammen von Ian Wright.
Originalbeitrag von DGE  Smart Specialty Chemicals zu finden unter: https://dge-europe.com/aerospace-applications-for-pfpe-lubricants/