5. Voiteluaineet: Voitelurasvat

Voitelurasvoilla on vakiintunut asema toiseksi yleisimpänä voiteluaineryhmänä voiteluöljyjen rinnalla. Voitelurasvat ovat rakenteeltaan paksunnettuja öljyjä, erotuksena paksuista öljyistä. Nykyaikainen voitelurasva koostuu perusöljystä ja siihen huonosti liukenevasta, hienojakoisesta paksuntimesta. Näiden kahden peruskomponentin ohella voitelurasva sisältää sen suorituskykyyn, kestoikään ja esimerkiksi väriin vaikuttavia lisäaineita. Nämä yhdessä perusöljyn ja paksuntimen muodostaman kokonaisuuden kanssa määräävät voitelurasvan koostumuksen ja ominaisuudet. 

Vanhahtava nimitys vaseliini (lat. petrolatum) tarkoittaa n. 40–45°C sulamislämpötilan omaavaa hiilivetysekoitusta, jota käytetään mm. eräiden kellojen erikoisvoiteluaineiden osana. Voitelurasvojen ominaisuuksia ja käyttöä kehitetään kansainvälisesti jatkuvalla tutkimuksella ja testauksella. 

Voitelurasvalla voidaan toteuttaa kustannustehokkaalla tavalla käytännön tarpeita vastaavia paikallisia voitelujärjestelmiä. Tribologisessa mielessä voitelurasvat eivät tuo mukanaan etuja voiteluöljyihin nähden. Voitelurasvojen voitelumekanismit ovat huonommin tunnettuja kuin öljyjen, osittain voitelurasvan jäykkyyden mukana tulevien reologisten eli virtausteknisten rajoituksien takia. Rasvavoidellun vierintälaakerin voitelukalvo on yleensä ohuempi kuin vastaavan öljyvoidellun laakerin. Rasvan paksunnin osallistuu voitelemiseen, mutta on samalla pehmeisiin epäpuhtaushiukkasiin rinnastettava komponentti. 

Voitelurasvojen kulutus on niin globaalisesti kuin Suomessakin voiteluöljyjen menekkiä huomattavasti suppeampi. Tämä johtuu mm. pienistä rasvantäyttötilavuuksista ja pitkistä käyttöjaksoista. Rasvavoitelua sovelletaan lukuisiin erityyppisiin tärkeisiin kohteisiin, joista kriittisimpiin kuuluvat vierintälaakerit, joissa on suuri pintapaine ja varsin ohut voitelukalvo. Suurin osa kaikista maailman vierintälaakereista on rasvavoideltuja: joko kertavoideltuja, keskusvoideltuja tai jaksottaisesti uusintavoideltuja. Uusintavoitelussa uusi rasva syrjäyttää kulutetun rasvan sekä siihen kerääntyneen kosteuden, lian ja kulumisjätteen. Tämä osittain korvaa sen, että voitelurasva ei ole suodatettavissa käytön aikana. 

Koska voitelurasva koostuu ainakin kahdesta faasista, laadunvarmistuksessa ja toiminnallisessa testauksessa joudutaan käyttämään useita toisiaan täydentäviä testausmenetelmiä. Seuraavassa mainitaan niistä keskeisimmät. 

Voitelurasvan voitelukykyä voidaan määrittää mm. erilaisilla ASTM- ja DIN-standardien mukaisilla laakerikokeilla tai nelikuulakokeella. 

Voitelurasvan jäykkyys mitataan yleensä vatkattuna kartiotunkeumakokeella ja ilmoitetaan NLGI-luokkana. Luokka NLGI 2 edustaa keskijäykkää voitelurasvaa. Näennäisviskositeetti mitataan pumppauskokeella. Jäykkyys alhaisessa lämpötilassa on erikseen määritettävissä vääntömomenttikokeella. Paksuntimen pehmeneminen korkeissa lämpötiloissa ilmenee tippumispistekokeesta. Rasvalle voidaan erikseen suorittaa höyrystymiskoe. Rasvan mekaaninen stabiilisuus on määritettävissä tunkeumakokeella käytön jälkeen tai mm. "rolling test" -kaksoislieriökoelaitteella. 

Voitelurasvan kykyä vastustaa poispeseytymistä testataan vesipesukokeella, ja korroosionestokyky on mitattavissa mm. Emcor-kokeella. Rasvan hapettumisenkestoa voidaan mitata staattisissa olosuhteissa tai standardoiduilla laakerikokeilla. Kuparikorroosiokokeella selvitetään, missä määrin voitelurasva aiheuttaa korroosiota kuparin pintaan. 

Perusöljyn ja paksuntimen välinen suhde on määritettävissä öljynerotuskokeella tai dialyysilla. Voitelurasvan kemiallisen koostumuksen analysoimiselle sekä rasvaan sekoittuneiden epäpuhtaushiukkasten määrittämiselle on olemassa joukko menetelmiä, joista monet on standardoitu. 

Perusöljy muodostaa pääosan rasvan koostumuksesta (tyypillisesti n. 90 %), ja sillä on suuri merkitys rasvan voiteluominaisuuksiin. Rasvan valinta lähteekin yleensä siitä periaatteesta, että rasvan perusöljyn viskositeetin on oltava yhtä suuri kuin vastaavantyyppiseen öljyvoideltuun kohteeseen valittavan voiteluöljyn viskositeetti. Rasvan jäykkyys, johon perusöljyn lisäksi vaikuttaa paksuntimen tyyppi ja osuus, valitaan voitelukohteen perusolosuhteiden (geometria, voitelutapa, värähtelyt ym.) mukaan. 

Voitelurasvan perusöljynä voidaan käyttää sekä mineraaliöljyjä että synteettisiä öljyjä, käyttötarkoituksesta riippuen. Suurin osa teollisuudessa käytettävistä rasvoista perustuu edelleen mineraaliöljyihin, mutta synteettisiin voiteluaineisiin perustuvat rasvat yleistyvät erityisesti kylmissä ja kuumissa käyttökohteissa. Synteettiset perusöljyt tarjoavat parempaa suorituskykyä nimenomaan paremman viskositeetti-indeksinsä ja kylmissä oloissa paremman juoksevuutensa ansiosta. Silikoniöljypohjaiset rasvat sekä fluoriöljypohjaiset rasvat sallivat korkeamman, yli 200 °C:n käyttölämpötilan. 

Synteettisten rasvojen yleistymistä rajoittaa lähinnä niiden mineraaliöljyyn perustuvia rasvoja korkeampi hinta. Tietyt synteettiset, erityisesti esteriperustaiset, rasvat saattavat lisäksi olla aggressiivisia elastomeereille, mikä rajoittaa eräiden rasva- ja tiivisteyhdistelmien käyttöä. 

Litiumsaippuarasvat muodostavat valtaosan nykyisin käytetyistä voitelurasvoista. Litiumsaippuarasvoilla on useita hyviä ominaisuuksia, kuten erinomainen leikkautumisenkestävyys, hyvä lämpötilankesto, hyvät tiivistysominaisuudet, natriumsaippuarasvaa parempi vedenkestävyys ja korroosionestokyky, ja ne tarjoavat hyvät mahdollisuudet vaikuttaa ominaisuuksiin lisäaineistuksella. 

Kalsiumsaippuarasva on perinteisempi voitelurasvatyyppi, jonka parhaita puolia ovat alhaiset valmistuskustannukset ja hyvät ominaisuudet vettä vastaan; se ei helposti emulgoidu veden kanssa, mikä ansiosta se ei peseydy pois voitelukohteesta. Kalsiumsaippuarasvat kestävät suhteellisen hyvin myös kylmiä olosuhteita, mutta niiden maksimikäyttölämpötila on rajoitettu n. 90 °C:n tasolle. 

Natriumsaippuarasva on toinen, aikaisemmin suosittu metallisaippuarasvatyyppi. Natriumsaippuarasvan käyttö on viime vuosikymmenien aikana vähentynyt sen vesiliukoisuuden sekä ominaisuuksien muuntelumahdollisuuksien vähäisyyden vuoksi. 

Kompleksipaksuntimiin perustuvat rasvat kehitettiin alun perin kestämään korkeampia toimintalämpötiloja kuin mihin perinteiset saippuarasvat kykenivät. Kompleksisaippuarasvojen käyttö on yleistymässä vaativissa voitelukohteissa. Vedenkesto on saippuarasvoja parempi. Kaupallisissa kompleksirasvoissa käytetyt paksuntimet ovat kalsium-, litium- tai alumiinikomplekseja, ja tämäntyyppisillä rasvoilla päästään n. 150–170 °C:n käyttölämpötiloihin. 

Orgaaniset paksuntimet, jotka eivät ole saippuoita, ovat yleensä polyureakuituja, jotka muodostuvat isosyanaattien ja aminien välisissä reaktioissa, tai hienojakoista polytetrafluorietyleeniä (PTFE). Tällaisilla paksuntimilla toteutetuilla rasvoilla on yleensä hyvät veden- ja lämmönkesto-ominaisuudet, jonka ansiosta rasvalle saavutetaan pitkä elinikä vaativissakin olosuhteissa. Polyurearasvoja käytetäänkin eräiden kertavoideltujen laakerien voiteluaineena, jolloin rasvaa ei lisätä tai vaihdeta laakerin elinaikana. 

Polyurearasvojen pumpattavuusominaisuudet ovat saippuarasvoja huonommat, mikä rajoittaa niiden käyttöä keskusvoitelujärjestelmissä. Toinen polyurearasvojen käyttöä rajoittava tekijä on hinta, joka on selvästi saippuarasvoja korkeampi. Eräät kaupalliset PTFE-paksuntimella ja fluoriöljyllä toteutetut voitelurasvat sallivat jopa 250 °C:n käyttölämpötilan. Näidenkin voitelurasvojen käyttöä rajoittaa niiden korkea hinta. 

Epäorgaanisista paksuntimista tärkein on bentoniittisavi, johon perustuvien rasvojen paras ominaisuus on laaja käyttölämpötila-alue. Tämä johtuu kyseisten rasvojen kyvystä vastustaa olomuotomuutoksia; niiltä puuttuu sulamispiste kokonaan. Bentoniittirasvojen valmistaminen on kuitenkin kallista, mistä syystä niitä käytetään vain erikoissovelluksissa, joissa niiden kuumansietokykyä todella tarvitaan. Toinen, erikoissovellutuksiin käytetty ei-saippuarasva on silikonirasva, jonka paksuntimena on silikageeli ja perusöljynä esimerkiksi silikoniöljy. 

Perusöljyn ja paksuntimen ohella voitelurasvan toimintaan vaikuttavat voimakkaasti siinä olevat lisäaineet, joita lisätään rasvoihin, samoin kuin voiteluöljyihin, lähinnä voiteluominaisuuksien ja rasvan eliniän parantamiseksi. Voitelurasvatilavuudet ovat yleisesti ottaen pienemmät kuin vastaavaan kohteeseen käytettävät voiteluöljytilavuudet, ja voitelurasvalta vaadittu toiminnallinen käyttöikä on monessa tapauksessa pitempi kuin vastaavien voiteluöljyjen vaihtoväli, mikä monesti johtaa suurempaan lisäaineistustarpeeseen voitelurasvoilla. 

Lisäaineiden valintaan vaikuttavat useat seikat, kuten suorituskyvyn parantaminen, yhteensopivuus pääkomponenttien ja muiden lisäaineiden kanssa, ympäristönäkökohdat, väri ja hinta. 

Saippuarasvojen paksuntimissa olevat metalliatomit toimivat toisinaan katalyytteinä hapettumisreaktioissa, joten voitelurasvan kohdalla hapettuminen saattaa olla suurempi ongelma kuin voiteluöljyn tapauksessa. Samoin joissakin tapauksissa lisäannostus korroosionestoaineita saattaa olla tarpeen, koska paksuntimen lisäämisellä on taipumus heikentää perusöljyn omia korroosionesto-ominaisuuksia. 

Raskaimmin kuormitettuihin kohteisiin käytettäviin rasvoihin lisätään usein kiinteitä voiteluaineita, joiden tarkoituksena on parantaa rasvan suorituskykyä ääriolosuhteiden aiheuttamissa rajavoitelutilanteissa. Laajan suosion saavuttaneisiin voitelurasvoihin kuuluvat molybdeenidisulfiidirasvat (MoS₂-rasvat), jotka ovat rakenteeltaan mineraaliöljypohjaisia tai synteettisiä voitelurasvoja, joihin on lisätty hienojakoista MoS₂-jauhetta kiinteäksi voiteluaineeksi. Grafiitti on toinen kiinteänä voiteluaineena käytetty lisäaine. 

Perusöljyn ja saentimen ohella voitelurasvan toimintaan vaikuttavat voimakkaasti siinä olevat lisäaineet, joita lisätään rasvoihin, samoin kuin voiteluöljyihin, lähinnä suorituskyvyn (voiteluominaisuudet, elinikä) parantamiseksi. 

Lisäaineista on ehkä syytä todeta joitakin nimenomaan rasvojen lisäaineistukseen liittyviä erityispiirteitä. Saippuoita sisältävien rasvojen saentimissa olevat metallit toimivat toisinaan katalyytteinä hapettumisreaktioissa, joten voitelurasvan kohdalla hapettuminen saattaa olla suurempi ongelma kuin voiteluöljyn tapauksessa. Samoin joissakin tapauksissa lisäannostus korroosionestoaineita saattaa olla tarpeen, koska saentimien lisäämisellä on taipumus heikentää perusöljyn omia korroosionesto-ominaisuuksia. Raskaimmin kuormitetuissa kohteissa käytettäviin rasvoihin lisätään usein myös kiinteitä voiteluaineita (molybdeenidisulfidi, grafiitti), joiden tarkoituksena on parantaa rasvan suorituskykyä ääriolosuhteissa.