Magnetfeld, Bild: akf - Fotolia

Im Bann des Magneten: Metallteilchen in Nanogröße sorgen in magnetischen Flüssigkeiten für höhrere Viskosität, sobald ein Magnetfeld wirkt. Bild: akf - Fotolia

Das bleibt hängen

Magnetische Flüssigkeiten werden heute schon in Nischenanwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel in Drehdurchführungen. Ob diese Schmierstoffvariante auch bei Wälzlagern und Getrieben traditionelle Schmierstoffe verdrängen kann, wird die Zukunft zeigen. Die erste Serienanwendung für flüssigkristallbasierte Schmierstoffe wird aller Voraussicht die Sinterlagerschmierung sein. Hier reichen schon kleine Schmierstoffmengen aus, sodass der zuzeit noch hohe Preis keine Markteintrittsbarriere ist.

Die Idee, das Fließverhalten einer Flüssigkeit durch Zugabe kleiner Eisenteilchen und Magnetkraft zu verändern, ist schon rund 150 Jahre alt. Lange Zeit bekamen Ingenieure jedoch die Verklumpung von Miniatur- Metallteilchen nicht in den Griff. Der Durchbruch gelang etwa 1965 durch die Entwicklung speziell zusammengesetzter Trägerflüssigkeiten. Magnetische Flüssigkeiten sind seit diesem Zeitpunkt auch für die Industrie von Interesse.

Magnetische Flüssigkeiten sind kolloidale Dispersionen, die aus einer Trägerflüssigkeit, magnetisierbaren Teilen und diversen Zusätzen bestehen. Diese sind durch grenzflächenaktive Zusätze so modifiziert, dass zwischen den Teilchen ein Mindestabstand von fünf Nanometer entsteht. Werkstoff für die Magnet-Nanoteilchen, die eine Länge von 20 Nanometer haben, kann zum Beispiel Magnetit (Fe3O4) sein. Als Trägerwerkstoffe kommen Kohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe oder auch Wasser in Frage.

Lange Nanoketten verhindern das Wegfließen

Bei den magnetischen Flüssigkeiten beruht die Schmier- oder Dichtwirkung auf dem Anlegen eines Magnetfeldes. Ohne das Magnetfeld verhalten sich magnetisierbare Flüssigkeiten wie gewöhnliche Flüssigkeiten. Erst durch das einwirkende Magnetfeld verbinden sich die Metallteilchen zu langen Ketten, dies erhöht die Viskosität und verhindert das Wegfliesen.

Grundsätzlich können mit magnetischen Flüssigkeiten Wälzlager, Getriebe und auch Gleitlager geschmiert werden. Dass magnetische Schmierstoffe bei Wälzlagern durchaus interessant sind, haben Versuche am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb an der TU Berlin gezeigt. Bei höherer Magnetfeldstärke stellten die Forscher einen geringeren Lagerbuchsenverschleiß fest.

Anders sieht es bei den sogenannten Magnetofluiden aus. Sie werden zum Trennen von ganz unterschiedlichen Materialien verschiedener Dichte genutzt. Wird ein Stoffgemenge in eine Magnetflüssigkeit eingebracht, welche sich zwischen den Polen eines Elektromagneten befindet, so schweben in Abhängigkeit der Dichte bestimmte Werkstoffe, andere fallen zu Boden. Mit diesem Verfahren lassen sich Bunt- und Edelmetalle geschredderter Autoteile zurückgewinnen – eine umweltgerechte Entsorgungstechnologie.

Ferrofluids sind heute schon Serienschmierstoffe

 Mit Magnetfluid geschmierte Drehdurchführung, Bild: Ferrotec Europe
Die mit Magnetfluid geschmierten Drehdurchführungen von Ferrotec bieten viele Vorteile: lange Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit, prozesssicherer bei Hochvakuumbedingungen, geeignet für hohe Geschwindigkeiten, drehstarre Drehmomentübertragung, keine Relaxationsundichtigkeit, geschmeidiges Drehverhalten. Bild: Ferrotec Europe

Ein Beispiel für ein serienreifes Produkt unter den magnetisierbaren Schmierstoffen sind Ferrofluide. Ein Ferrofluid ist eine magnetisierbare Flüssigkeit. Im Gegensatz zu magnetorheologischen Flüssigkeiten (MRF) ändert sich die Viskosität nur minimal mit dem Magnetfeld. Ferrofluids verhalten sich mit und ohne Magnetfeld wie eine Newtonsche Flüssigkeit. Streng genommen handelt es sich eher um eine superparamagnetische Flüssigkeit, da Ferrofluide im Gegensatz zu Ferromagnetika keine Hysterese zeigen.

Eine bewährte Serienanwendung mit Ferrofluids sind Vakuumdrehdurchführungen. Führend auf diesem Gebiet ist Ferrotec Europe in Unterensingen. Wichtige Komponenten dieses Systems sind das Ferrofluid, ein Permanentmagnet, ein Polstück und eine magnetisch permeable Welle. Die Lebensdauer einer Ferrofluid-Dichtung hängt von der Anwendung ab; viele dieser Komponenten kommen auf Einsatzzeiten von über zehn Jahren ohne Wartung. Weitere Anwendungsgebiete für Ferrofluid-Dichtungen sind zum Beispiel schnelllaufende Plattenlaufwerke oder Wellendurchführungen in der chemischen Industrie.

Zum Abdichten von Flüssigkeiten sind Ferrofluide aber ungeeignet, selbst dann, wenn man zwei nicht mischbare Stoffe kombiniert, wie zum Beispiel ein Ferrofluid im Öl gegen Wasser. Der Grund dafür liegt in den engen Spalten bei Dichtungsanwendungen, in denen bei einer Relativbewegung hohe Schergeschwindigkeiten auftreten und es so zur Vermischung kommt.