⚙️ EP-Eigenschaften von Schmierstoffen — 4-Kugel-Test

Petrochemie ASTM D2783

Übersicht

Der Vierkugeltest (Four-Ball EP Test) ist eines der grundlegenden tribologischen Verfahren zur Bewertung der Fähigkeit flüssiger Schmierstoffe, extreme Belastungen zu übertragen. Bei hohen Pressungen, wenn der Schmierfilm reißt, reagieren EP-Additive (extreme pressure) chemisch mit der Metalloberfläche und bilden Schutzschichten (Eisensulfide, -chloride, -phosphate), die einen direkten Metall-Metall-Kontakt und das Fressen verhindern.

Das Verfahren ASTM D2783 betrifft ausschließlich flüssige Schmierstoffe (Öle). Für Schmierfette (greases) wird das analoge Verfahren ASTM D2596 angewendet. Der Test ermöglicht die Unterscheidung von Schmierstoffen mit niedrigen, mittleren und hohen EP-Eigenschaften, was bei der Auswahl von Schmierstoffen für Zahnradgetriebe, hochbelastete Lager, unter hohem Druck arbeitende Hydrauliksysteme und spanende Werkzeugmaschinen entscheidend ist.

Die Ergebnisse des 4-Kugel-Tests werden in den Spezifikationen von Getriebeölen (API GL-4, GL-5), Hydraulikölen (DIN 51524 HLP), Ölen für Werkzeugmaschinen (ISO 6743-7) sowie Kühlschmierstoffen gefordert. Die Prüfung wird von Raffinerielaboren, Schmierstoffherstellern (Shell, Fuchs, Lotos Oil) und akkreditierten tribologischen Laboren durchgeführt.

Das Gerät für den 4-Kugel-Test wird von den Firmen Stanhope-Seta (Seta-Shell Four Ball Tester), Falex Corporation und Rtec Instruments hergestellt. Die typische Konfiguration umfasst eine rotierende Aufnahme für eine obere Kugel und einen feststehenden Behälter für drei untere Kugeln, die in das geprüfte Öl eingetaucht sind.

Prinzip der Methode

Eine Stahl-Wälzlagerkugel (ø 12,7 mm, AISI 52100, Härte 64–66 HRC) in einer rotierenden Aufnahme wird gegen drei identische, feststehende Kugeln gedrückt, die in Tetraederanordnung liegen und in das geprüfte Öl eingetaucht sind. Der EP-Test wird in einer Serie von 10-Sekunden-Läufen bei konstanter Drehzahl (1 760 ±40 U/min) durchgeführt, wobei die axiale Last in den aufeinanderfolgenden Läufen schrittweise erhöht wird (von ~80 bis 800 kgf). Nach jedem Lauf wird der Durchmesser der Verschleißkalotte an den drei unteren Kugeln gemessen. Ermittelt werden: (1) Schweißkraft (Weld Point) — die Last, bei der die Kugeln verschweißen; (2) letzte Last ohne Fressen (Last Non-Seizure Load — LNSL); (3) Last-Verschleiß-Index (Load-Wear Index — LWI) — berechnet aus den gemittelten Verschleißkalotten bei allen Lasten.

Anwendungen

• Klassifizierung von Getriebeölen (API GL-1 bis GL-5)
• Bewertung von Hydraulikölen HLP (DIN 51524 Teil 2)
• Auswahl von Ölen für Zahnradgetriebe (Stirnrad-, Kegelrad-, Schneckengetriebe)
• Prüfung von Kühlschmierstoffen für die spanende Metallbearbeitung
• Qualitätskontrolle von Ölen mit EP-Additiven (Schwefel, Phosphor, Chlor)
• Entwicklungsarbeiten an neuen Schmierstoffformulierungen (F&E)
• Bewertung von Ölen für Schraubenverdichter und Wälzlager

Schlüsselparameter

Norm

Normnummer

ASTM D2783-21

Titel (PL)

Oznaczanie właściwości przeciwzatarciowych (EP) płynów smarowych — Metoda czterech kulek

Title (EN)

Standard Test Method for Measurement of Extreme-Pressure Properties of Lubricating Fluids (Four-Ball Method)

Schritt-für-Schritt-Verfahren

1. Vorbereitung der Kugeln

   4 neue Kugeln AISI 52100 in Petroleum, danach in Aceton waschen. An der Luft trocknen. Oberfläche nicht mit bloßen Händen berühren (Handschuhe!). Kugeln sind Einwegteile — nicht wiederverwenden.

   ⏱ Zeit: 10 min

2. Einbau der unteren Kugeln

   3 Kugeln im Kugeltopf in Form eines gleichseitigen Dreiecks anordnen. Spannring festziehen. Geprüftes Öl (~10 mL) einfüllen, sodass die Kugeln eingetaucht sind.

   ⏱ Zeit: 5 min

3. Einbau der oberen Kugel

   Die 4. Kugel in der rotierenden Aufnahme (Spannzange, collet) befestigen. Von Hand festziehen. Rundlauf prüfen — max. 0,02 mm.

   ⏱ Zeit: 3 min

4. Einstellen der ersten Last

   Last auf 80 kgf einstellen (nach Tabelle ASTM D2783 — Lastreihe: 80, 100, 126, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 620, 800 kgf). Lastmechanismus verriegeln.

   ⏱ Zeit: 2 min

5. Prüflauf

   Motor starten (1 760 U/min). Laufdauer: 10 s. Nach 10 s anhalten. Last entlasten. Kugeltopf herausnehmen.

   ⏱ Zeit: 10 s

6. Messung der Verschleißkalotten

   Die 3 unteren Kugeln herausnehmen. Durchmesser der Verschleißkalotte unter dem Mikroskop messen (2 senkrecht zueinander stehende Messungen an jeder Kugel, insgesamt 6 Messungen). Mittelwert berechnen.

   ⏱ Zeit: 10 min

7. Weitere Laststufen

   Kugeln durch neue ersetzen. Test bei der nächsthöheren Last aus der Tabelle wiederholen. Fortsetzen, bis die Kugeln verschweißen (Blockieren des Rotors, plötzlicher Anstieg des Drehmoments).

   ⏱ Zeit: 60–90 min

8. Erfassung des Verschweißens

   Die Last, bei der die Kugeln verschweißen = Weld Point. Die letzte Last, bei der kein Fressen auftrat = LNSL (Last Non-Seizure Load).

   ⏱ Zeit: 5 min

9. Berechnung des LWI

   Load-Wear Index nach der ASTM-Formel berechnen: LWI = Σ(Fi × di) / n, wobei Fi = Last [kgf], di = Verschleißfaktor, n = Anzahl der Läufe. Ergebnis in kgf.

   ⏱ Zeit: 10 min

10. Berichterstattung

    Ergebnis: LWI = XX kgf, Weld Point = YYY kgf, LNSL = ZZZ kgf. Mit den Anforderungen der Spezifikation vergleichen (z. B. API GL-5: Weld Point ≥315 kgf).

    ⏱ Zeit: 5 min

Erforderliche Geräte und Apparatur

Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien

Arbeitsschutz und Sicherheit

• Rotierende Teile — Einzugsgefahr, Hände während des Laufs vom Rotor fernhalten
• Kugeln nach dem Test — sehr heiß (EP-Reibung), nicht mit bloßen Händen berühren
• Petroleum und Aceton — entzündbar, Arbeit fern von Zündquellen
• EP-Öle — können Schwefel-, Phosphor- und Chlorverbindungen enthalten — reizend, Schutzhandschuhe
• Schutzbrille verpflichtend — mögliche Absplitterung von Metallspänen

Häufige Fragen