Korrosionsinhibitoren und ZDDP im Zusammenspiel

Management Summary

ACTROMSERVICE betrachtet moderne Schmierstoffe als abgestimmte chemische Systeme. Gerade bei oberflächenaktiven Additiven reicht es nicht, die Wirkung einzelner Komponenten getrennt zu beurteilen. ZDDP als klassisches EP/AW-Additiv und Korrosionsinhibitoren konkurrieren beziehungsweise interagieren an derselben Metalloberfläche und beeinflussen dadurch Aufbau, Zusammensetzung und Schutzwirkung der tribologischen Grenzschicht.

Die ausgewerteten Forschungsdaten zeigen, dass sowohl Calciumsulfonat als auch Zinkcarboxylat die Grenzschichtbildung gegenüber ZDDP allein verlangsamen. Gleichzeitig unterscheiden sich die Mechanismen deutlich: Bei Calciumsulfonat wird Calcium früh in die Grenzschicht eingebettet; bei Zinkcarboxylat erscheinen zunächst vor allem Zink und Sauerstoff. Erst danach folgen die typischen ZDDP-Elemente Zink, Phosphor und Schwefel. Ein definierter Einlaufprozess vor der hohen Verschleissbelastung verbessert bei allen untersuchten Formulierungen den Schutz.

Abbildung 1 · ACTROM-Schaubild: Konkurrenz und Wechselwirkung oberflächenaktiver Additive an der Metalloberfläche.

1. Warum Additivwechselwirkungen entscheidend sind

Wälzlager benötigen gleichzeitig Schutz vor Reibung, Verschleiss und Feuchtigkeitskorrosion. Basisöle allein können diese Anforderungen nicht ausreichend abdecken. Deshalb werden Verschleissschutzadditive, Korrosionsinhibitoren und weitere Funktionsadditive kombiniert. Die entscheidende Frage ist jedoch, ob sich diese Komponenten an der Oberfläche ergänzen oder gegenseitig behindern.

ZDDP bildet unter Temperatur, Druck und Scherung eine reaktive tribologische Grenzschicht (TBL). Korrosionsinhibitoren wirken ebenfalls oberflächennah. Damit entsteht eine Additiv-Additiv- und Additiv-Oberflächen-Interaktion. Aus Sicht von ACTROMSERVICE ist genau diese Grenzflächenchemie ein zentraler Qualitätsfaktor moderner Schmierstoffformulierungen.

2. Untersuchte Formulierungen

Als Basis wurde ein mineralisches API-Group-I-Öl der Viskositätsklasse ISO VG 100 verwendet. Alle drei Prüföle enthielten 1,0 Gew.-% eines primären ZDDP mit C8-Alkylstruktur. Zwei Formulierungen wurden zusätzlich mit 0,5 Gew.-% eines Korrosionsinhibitors versetzt.

3. FE8-Prüfung und Einlaufkonzept

Der Verschleissschutz wurde auf einem axialen Wälzlagerprüfstand nach dem FE8-Prinzip bewertet. Verwendet wurde ein Axiallager 81212 mit 15 Wälzkörpern und PA66-Käfig. Die Versuchsserie trennt bewusst eine Einlaufphase mit höherer Drehzahl von einer anschliessenden verschleisskritischen Phase mit deutlich niedrigerer Drehzahl.

Abbildung 2 · Neu erstelltes ACTROM-Schema des FE8-Prüfprinzips und des eingesetzten Axiallagers.

Abbildung 3 · ACTROM-Ablaufdarstellung: definierter Einlauf vor der verschleisskritischen Prüfphase.

4. Analyse der tribologischen Grenzschicht

Zur Untersuchung der Grenzschicht wurde eine Elektronenstrahl-Mikroanalyse (EPMA) eingesetzt. Dabei erfolgte ein Linienscan über die gesamte Breite des Wälzkörpers mit einer Schrittweite von 140 µm und einem auf 20 µm defokussierten Elektronenstrahl. Die gemessenen Röntgenintensitäten wurden in elementspezifische Massenbelegungen überführt. Diese Massenbelegung dient qualitativ zur Beurteilung der eingebetteten Additivelemente und quantitativ als Mass für die TBL-Dicke.

5. Grenzschichtbildung während des Einlaufens

Bei ZDDP ohne Korrosionsinhibitor unterscheidet sich die nach 10 Stunden gebildete Grenzschicht nur noch wenig von derjenigen nach 80 Stunden. Sobald ein Korrosionsinhibitor ergänzt wird, verläuft die Entwicklung deutlich langsamer. Dies bestätigt, dass die CI-Komponenten die frühe Oberflächenreaktion beeinflussen.

Für ZDDP + Calciumsulfonat steigt die veröffentlichte Gesamt-Massenbelegung von 14,2 µg/cm² nach 10 Stunden auf 22,8 µg/cm² nach 80 Stunden. Beim ZDDP + Zinkcarboxylat-System wurden 3,2 µg/cm² nach 2 Stunden, 14,0 µg/cm² nach 10 Stunden und 21,9 µg/cm² nach 80 Stunden gemessen.

Abbildung 4 · Gemessene TBL-Gesamtmassenbelegung für die Korrosionsinhibitor-haltigen Formulierungen. Dargestellt sind ausschliesslich publizierte Zahlenwerte.

6. Unterschiedliche Einbettungsmechanismen

Calciumsulfonat: Calcium erscheint früh

Beim Calciumsulfonat-System wird Calcium bereits in der frühen Phase bevorzugt in die Grenzschicht eingebettet. Zwischen 10 und 80 Stunden nimmt die Calcium-Massenbelegung nicht weiter wesentlich zu, während Zink, Phosphor und Schwefel aus dem ZDDP-System weiter anwachsen. Daraus ergibt sich ein zweistufiger Mechanismus: zuerst starke Beteiligung des Korrosionsinhibitors, danach zunehmende Dominanz der ZDDP-Reaktionsprodukte.

Zinkcarboxylat: zunächst Zink und Sauerstoff

Beim Zinkcarboxylat-System besteht die nach zwei Stunden gebildete Grenzschicht überwiegend aus Sauerstoff und etwas Zink. In dieser frühen Phase sind praktisch noch keine ZDDP-typischen Phosphor- und Schwefelanteile eingebettet. Nach zehn Stunden treten dann erstmals Phosphor, Schwefel und zusätzliches Zink deutlich hinzu.

Abbildung 5 · ACTROM-Schichtenmodell der zeitlichen Einbettung: CI-Komponenten zuerst, ZDDP-Komponenten anschliessend.

7. Korrosionsschutz während der TBL-Bildung

Der Korrosionsschutz wurde mit einem angepassten Korrosionstest bewertet. Wälzkörper aus dem FE8-Versuch wurden 24 Stunden bei 60 °C in einer Öl-Wasser-Emulsion im Verhältnis 10:1 geprüft; die Emulsion wurde mit 1.000 min⁻¹ gerührt. Als Ölphase kam bewusst nur additivfreies Basisöl zum Einsatz. Dadurch wurde nicht der Korrosionsschutz des frischen Additivpakets, sondern ausschliesslich die Schutzwirkung der zuvor gebildeten tribologischen Grenzschicht bewertet.

Bei ZDDP allein änderte sich der Korrosionsschutz über die Einlaufdauer nur wenig. Mit Korrosionsinhibitor war der Schutz in der frühen TBL-Phase nach 2 und 10 Stunden besser als nach 80 Stunden. Dennoch lag der Korrosionsschutz der CI-haltigen TBL insgesamt unter dem von ZDDP allein. Eine Ausnahme bildet die nach 10 Stunden erzeugte TBL mit ZDDP + Zinkcarboxylat, die als gut bewertet wurde.

Abbildung 6 · Qualitative ACTROM-Zusammenfassung der publizierten Korrosionsbewertung über 2, 10 und 80 Stunden TBL-Bildung.

8. Einlauf verbessert Verschleiss- und Korrosionsschutz

Die entscheidende praktische Erkenntnis liegt im Vergleich der Verschleissprüfung mit und ohne vorgeschalteten Einlauf. Für alle drei Additivkombinationen verbessert ein definierter Einlauf den Verschleiss- und Korrosionsschutz deutlich. Bei den CI-haltigen Systemen bildet sich während des Einlaufens eine initiale Grenzschicht, die unter der anschliessenden hohen Verschleissbeanspruchung weiter wächst.

Beim Calciumsulfonat-System sinkt der Calciumanteil nach dem Verschleisstest, während Zink, Phosphor und Schwefel zunehmen. Das spricht dafür, dass die CI-Komponente unter harscher Belastung teilweise verdrängt wird und ZDDP die weitere TBL-Bildung dominiert. Beim Zinkcarboxylat-System wächst insbesondere der Phosphoranteil während der Verschleissphase weiter an.

Abbildung 7 · ACTROM-Wirkmodell: Der Einlauf schafft eine initiale TBL und verbessert dadurch die nachfolgende Schutzwirkung unter harscher Verschleissbelastung.

9. Was die Ergebnisse für die Schmierstoffentwicklung bedeuten

Aus Sicht von ACTROMSERVICE ist die Studie besonders relevant, weil sie zeigt, dass ein guter Korrosionsinhibitor nicht automatisch tribologisch neutral ist. Die Formulierungsleistung entsteht aus der zeitabhängigen Konkurrenz und Kooperation der oberflächenaktiven Komponenten. Daher sollten ZDDP, Korrosionsinhibitor und Einlaufbedingungen als gemeinsames System betrachtet werden.

Abbildung 8 · ACTROM-Praxismatrix der untersuchten Additivsysteme und ihres Verhaltens im Einlauf- und Verschleissprozess.

10. Fazit

Korrosionsschutz und Verschleissschutz dürfen bei der Entwicklung zinkhaltiger Schmierstoffe nicht getrennt voneinander betrachtet werden. Beide Funktionen greifen an derselben Oberfläche an und beeinflussen den Aufbau der tribologischen Grenzschicht. Die ausgewerteten Daten zeigen, dass Calciumsulfonat und Zinkcarboxylat die TBL-Bildung von ZDDP zwar verlangsamen, aber über unterschiedliche Mechanismen wirken.

Ein kontrollierter Einlaufprozess kann diese Wechselwirkungen gezielt nutzen: Bereits eine anfängliche Grenzschicht mit ersten ZDDP-Anteilen genügt, damit ZDDP unter anschliessender Verschleissbelastung weiter in die Schutzschicht eingebaut wird. Dadurch steigen Verschleiss- und Korrosionsschutz signifikant. Gleichzeitig bleibt ZDDP allein in der untersuchten Versuchsreihe die Referenz mit dem besten Korrosionsschutz der gebildeten TBL.

Technische Basis und redaktioneller Hinweis

Dieser ACTROM-Fachbericht ist eine eigenständige fachliche Aufbereitung und Einordnung veröffentlichter Forschungsdaten aus „Tribologie + Schmierungstechnik“, Volume 73, Issue 2/2026, DOI 10.24053/TuS-73-0010. Die Abbildungen und Tabellen wurden für diesen Bericht neu erstellt und sind keine Reproduktionen der Originalgrafiken. ACTROMSERVICE hat die dargestellten Versuche nicht selbst durchgeführt; die technische Bewertung und redaktionelle Einordnung dieses Fach