Hydrauliköle und ihre Eigenschaften

Die naheliegende Antwort auf die Frage „Wozu ist das Öl da?“ lautet: zum Druck übertragen. Das stimmt – aber es ist nur eine von mehreren Aufgaben, die das Öl gleichzeitig übernimmt. In der Hydraulik wirkt die Flüssigkeit als nahezu inkompressibles Medium, das die an der Pumpe eingebrachte Kraft über das Pascal’sche Prinzip an den Verbraucher weiterleitet. Diese Druckübertragung ist Thema eines eigenen Beitrags zu den Hydraulik-Grundlagen; hier reicht der Kern: Das Öl gibt Druck praktisch verlustfrei weiter.

Spannend wird es bei den übrigen Aufgaben, die im Alltag mindestens genauso wichtig sind:

• Schmierung. Pumpen, Ventile und Zylinder haben bewegte Teile mit engsten Passungen. Das Öl bildet zwischen diesen Flächen einen tragenden Schmierfilm, der direkten Metallkontakt verhindert. Reißt dieser Film, läuft Metall auf Metall – mit Fress- und Verschleißschäden als Folge.
• Wärmeabfuhr. Jede Drosselung und jede innere Reibung erzeugt Wärme. Das durchströmende Öl nimmt diese Wärme auf und transportiert sie zum Tank oder zum Kühler. Ohne diesen Wärmetransport würde die Anlage örtlich überhitzen.
• Korrosionsschutz. Das Öl benetzt alle inneren Oberflächen und hält Feuchtigkeit von den blanken Stahlteilen fern. So wird Rost im Inneren der Anlage verhindert.
• Abdichten. An den feinen Spalten zwischen beweglichen Teilen – etwa im Pumpenelement oder am Steuerschieber eines Ventils – übernimmt das Öl selbst eine Dichtfunktion. Der dünne Ölfilm im Spalt begrenzt die innere Leckage.
• Schmutztransport. Abrieb, Alterungsrückstände und eindringende Partikel werden vom Öl mitgeführt und zum Filter transportiert, wo sie ausgeschieden werden.

Aus dieser Liste folgt eine einfache, aber wichtige Erkenntnis: Das Hydrauliköl ist kein beliebiges Beiwerk, sondern ein Konstruktionselement. Es wird genauso gezielt ausgewählt wie eine Pumpe oder ein Ventil – und eine falsche Wahl wirkt sich auf die ganze Anlage aus.

Wenn man nur einen einzigen Kennwert eines Hydrauliköls kennen dürfte, wäre es die Viskosität. Viskosität ist die Zähflüssigkeit eines Fluids – ein Maß für seine innere Reibung, also dafür, wie stark sich die Flüssigkeitsschichten beim Fließen gegeneinander wehren. Honig hat eine hohe Viskosität, Wasser eine niedrige. Ein Hydrauliköl liegt dazwischen, und sein genauer Wert ist sorgfältig auf die Anlage abgestimmt.

Man unterscheidet zwei Formen.

Die dynamische Viskosität (Formelzeichen η, gesprochen „eta“) beschreibt die innere Reibung direkt. Ihre Einheit ist Pascalsekunde:

Die kinematische Viskosität (Formelzeichen ν, gesprochen „nü“) ist die dynamische Viskosität bezogen auf die Dichte:

In der Praxis – und auf jedem Ölkennblatt – wird fast immer die kinematische Viskosität in mm²/s angegeben (früher als „Centistokes“, cSt, bezeichnet; 1 mm²/s = 1 cSt). Der Grund für die Bezugnahme auf die Dichte is anschaulich: Viele Messverfahren bestimmen, wie schnell das Öl unter seinem eigenen Gewicht durch eine genormte Düse läuft. Wie schnell es läuft, hängt sowohl von der inneren Reibung (η) als auch davon ab, wie schwer die Flüssigkeit ist (ρ). Teilt man die innere Reibung durch die Dichte, erhält man einen Kennwert, der das Fließverhalten unter Schwerkraft sauber beschreibt – genau das, was die kinematische Viskosität leistet.

Die Temperaturabhängigkeit ist der springende Punkt. Erwärmt sich ein Öl, wird es dünnflüssiger – die Viskosität sinkt. Kühlt es ab, wird es zäher – die Viskosität steigt. Dieser Zusammenhang ist stark ausgeprägt: Zwischen einem kalten Anlagenstart im Winter und dem betriebswarmen Zustand kann sich die Viskosität um ein Vielfaches ändern. Genau deshalb reicht un einzelner Viskositätswert nie aus, ohne die zugehörige Temperatur zu nennen. Ein Öl mit „46 mm²/s“ meint diesen Wert bei einer festgelegten Bezugstemperatur, nicht bei jeder beliebigen.

Warum ist dieser Wert so kritisch? Weil die Viskosität direkt über den Schmierfilm und die innere Leckage entscheidet – und beides geht in zwei Richtungen schief.

Ist die Viskosität zu niedrig (Öl zu dünn, etwa weil es zu heiß ist oder die falsche Sorte gewählt wurde), wird der tragende Schmierfilm in den Lagerstellen und Spalten zu dünn. Im Grenzfall reißt er ab, Metall läuft auf Metall – das sind die typischen Fress- und Verschleißschäden an Pumpen. Gleichzeitig steigt die innere Leckage: Dünnes Öl entweicht leichter durch die Spalte, der Leckölstrom nimmt zu, der volumetrische Wirkungsgrad sinkt. Die Anlage wird langsamer und wärmer, was das Öl weiter verdünnt – ein Kreislauf, der sich selbst verstärkt.

Ist die Viskosität zu hoch (Öl zu zäh, etwa beim Kaltstart), fließt das Öl träge. Die Pumpe muss es regelrecht ansaugen, und wenn es nicht schnell genug nachläuft, entsteht im Saugbereich Unterdruck mit Dampf- und Gasblasenbildung – die Vorstufe der Kavitation. Außerdem steigen die Reibungsverluste in den Leitungen, die Anlage verbraucht mehr Energie und erwärmt sich durch die innere Reibung zusätzlich.

Daraus folgt die zentrale Konstruktionsregel: Die Betriebsviskosität muss in einem Fenster liegen, das sowohl beim kalten Start als auch im warmen Dauerbetrieb weder zu hoch noch zu niedrig wird. Das richtige Öl trifft dieses Fenster über den gesamten Temperaturbereich der Anlage.

Damit man Öle überhaupt vergleichen und bestellen kann, sind die Viskositäten in Klassen eingeteilt. Die maßgebliche Einteilung erfolgt nach ISO-VG (Viscosity Grade), festgelegt in der ÖNORM EN ISO 3448. Jede Klasse ist nach ihrer kinematischen Viskosität bei der Bezugstemperatur 40 °C benannt. Ein Öl der Klasse ISO VG 46 hat also bei 40 °C rund 46 mm²/s, ein VG 32 rund 32 mm²/s, ein VG 68 rund 68 mm²/s.

Die gebräuchlichen Klassen für Hydrauliköle in der Industrie sind:

Die Auswahl der Klasse richtet sich nach der Betriebstemperatur und der Belastung der Anlage: Kühl laufende Anlagen und niedrige Umgebungstemperaturen sprechen für eine niedrigere Klasse, heiße und hoch belastete Anlagen für eine höhere. VG 46 ist in vielen Industrieanlagen die typische Standardwahl.

Die ISO-VG-Klasse beschreibt aber nur einen Punkt – die Viskosität bei 40 °C. Sie sagt nichts darüber, wie stark die Viskosität bei Temperaturänderung weg- oder zuläuft. Genau dafür gibt es den Viskositätsindex (VI), eine dimensionslose Kennzahl. Der VI beschreibt, wie flach oder steil die Viskositäts-Temperatur-Kurve verläuft:

• Hoher VI: flache Kurve – die Viskosität ändert sich über den Temperaturbereich nur wenig. Das Öl bleibt über einen weiten Bereich brauchbar.
• Niedriger VI: steile Kurve – die Viskosität fällt bei Erwärmung stark ab und steigt bei Kälte stark an. Das Öl ist nur in einem engen Temperaturfenster ideal.

Anschaulich heißt das: Zwei Öle können bei 40 °C exakt dieselbe Viskosität haben (also dieselbe ISO-VG-Klasse), sich aber bei Kälte und Hitze völlig unterschiedlich verhalten. Das Öl mit dem höheren VI behält bei hoher Temperatur mehr Tragfähigkeit und lässt sich bei Kälte leichter ansaugen.

Das folgende Diagramm zeigt zwei Öle gleicher 40-°C-Viskosität mit unterschiedlichem VI:

Auf der praktischen Seite begegnet einem die ISO-VG-Bezeichnung heute überall. Auf älteren Datenblättern und an älteren Maschinen tauchen aber teils noch ältere Klassifizierungen auf, die parallel weiterleben. Wer ein altes Hydraulikaggregat wartet, findet auf dem Typenschild oder im alten Handbuch mitunter nur eine solche alte Bezeichnung – in solchen Fällen hilft die Zuordnung über die VG-Klasse und die Ölart, das passende heutige Öl zu finden.

Die Viskosität ist der wichtigste, aber nicht der einzige Kennwert. Für die richtige Ölwahl und die Beurteilung im Betrieb spielen weitere Größen mit.

Dichte. Die Dichte (ρ) eines Mineralöls liegt typisch um 850 bis 900 kg/m³ – Öl ist also leichter als Wasser und schwimmt obenauf. Diese Tatsache hilft im Tank, weil eingedrungenes Wasser sich am Boden absetzt und dort abgelassen werden kann.

Kompressibilität. Hydrauliköl gilt als praktisch inkompressibel – das ist die Grundlage der Druckübertragung. „Praktisch“ heißt aber nicht „vollständig“: Unter hohem Druck lässt sich Öl um einen kleinen Prozentsatz zusammendrücken, und mitgerissene Luftblasen verstärken diesen Effekt deutlich. In der Praxis äußert sich das als „weiches“ oder federndes Verhalten von Zylindern. Ein Öl mit gut gelöster, nicht eingeschlossener Luft verhält sich hier deutlich steifer.

Flammpunkt. Der Flammpunkt ist die Temperatur, ab der sich die Öldämpfe entzünden lassen. Er ist ein Sicherheits- und Einstufungsmerkmal; bei normalen Mineralölen liegt er weit über der Betriebstemperatur.

Pourpoint (Stockpunkt). Das ist die tiefste Temperatur, bei der das Öl gerade noch fließt. Darunter wird es so zäh, dass es nicht mehr ansaugbar ist. Für Anlagen in kalter Umgebung ist der Pourpoint ein wichtiges Auswahlkriterium.

Luftabscheidevermögen und Schaumverhalten. Ein gutes Hydrauliköl lässt eingerührte Luft rasch wieder an die Oberfläche entweichen und neigt nicht zu stabilem Schaum. Schlechtes Luftabscheidevermögen führt zu schwammigem Anlagenverhalten und begünstigt Kavitation.

Wassergehalt. Wasser im Öl ist immer unerwünscht: Es fördert Korrosion, verschlechtert die Schmierung und beschleunigt die Alterung. Schon geringe Mengen sind kritisch.

Damit ein Öl all diese Anforderungen erfüllt, reicht das reine Grundöl nicht aus. Es werden Additive zugegeben – gezielt eingesetzte Zusätze, die einzelne Eigenschaften verbessern:

• Oxidationsinhibitoren verlangsamen die Alterung durch Sauerstoff und verlängern die Standzeit.
• Korrosionsinhibitoren legen einen Schutzfilm auf die Metalloberflächen.
• Verschleißschutz-Additive (oft als AW für „anti-wear“ oder EP für „extreme pressure“ bezeichnet) sorgen dafür, dass der Schmierfilm auch unter hoher Last und punktueller Belastung tragfähig bleibt.
• Schauminhibitoren unterdrücken die Schaumbildung.
• VI-Verbesserer sind langkettige Moleküle, die den Viskositätsindex anheben und so die Temperaturkennlinie flacher machen.

Die Buchstabenkürzel aus diesen Additiven tauchen direkt in den Ölbezeichnungen wieder auf – das ist die Brücke zum nächsten Kapitel.

Mit dem Wissen über Viskosität und Additive lassen sich die gängigen Ölarten einordnen. Für klassische Industriehydraulik dominieren die Mineralöl-Hydrauliköle, die nach ihren Eigenschaften und Additivpaketen in Gruppen eingeteilt sind. Die Kurzbezeichnungen folgen einem einfachen Aufbau – „H“ steht für Hydrauliköl, die nachfolgenden Buchstaben für die Additivierung:

In der überwiegenden Zahl stationärer Industrieanlagen ist HLP das Standardöl. Sobald ein weiter Temperaturbereich abgedeckt werden muss – etwa bei Außenanlagen oder mobiler Hydraulik – kommt HVLP mit seinem höheren Viskositätsindex zum Einsatz.

Neben den Mineralölen gibt es zwei weitere Gruppen, die in bestimmten Einsatzfällen vorgeschrieben oder sinnvoll sind:

Biologisch schnell abbaubare Flüssigkeiten kommen dort zum Einsatz, wo ein Ölaustritt die Umwelt gefährden würde – etwa in der Land- und Forstwirtschaft, an Wasserbaumaschinen oder in Schutzgebieten. Sie basieren auf synthetischen Estern oder pflanzlichen Ölen (gängige Kürzel sind HEES für synthetische Ester und HETG auf Basis pflanzlicher Öle).

Schwer entflammbare Flüssigkeiten werden überall dort verlangt, wo eine Brand- oder Explosionsgefahr besteht – etwa im Bergbau, in Gießereien oder in der Nähe heißer Prozesse. Eine verbreitete Gruppe sind wasserhaltige Flüssigkeiten (Kürzel HFC); sie verringern die Brandgefahr, verlangen aber besondere Aufmerksamkeit bei Viskosität und Materialverträglichkeit.

Bei der konkreten Auswahl eines Öls für eine Anlage führen ein paar Leitfragen zuverlässig zum Ziel:

• Welche Viskositätsklasse fordert der Anlagenhersteller, und passt sie zur Betriebstemperatur?
• Wie groß ist der Temperaturbereich – reicht HLP oder braucht es den hohen VI von HVLP?
• Bestehen Umweltauflagen (biologisch abbaubar) oder Brandschutzanforderungen (schwer entflammbar)?
• Wie hoch ist die Belastung – genügt der Standard-Verschleißschutz oder ist ein stärker additiviertes Öl nötig?

Eine Rolle spielt auch die Sauberkeit des Öls, beschrieben über Reinheitsklassen. Filtration und Reinheitsklassen sind jedoch primär Thema der Anlagenwartung und werden im eigenen Beitrag zu Sicherheit und Wartung in Hydraulikanlagen ausführlich behandelt; für die Ölauswahl genügt der Merksatz, dass selbst das beste Öl nur so gut ist wie seine Filterung.

Ein Hydrauliköl ist kein Bauteil für die Ewigkeit – es verändert sich im Betrieb. Die Lebensdauer hängt stark davon ab, wie das Öl gepflegt wird. Drei Veränderungen des Mediums selbst sind dabei zentral.

Oxidation. Unter dem Einfluss von Sauerstoff, Wärme und katalytisch wirkenden Metallspuren altert das Öl chemisch durch Oxidation. Es bildet säurehaltige Abbauprodukte und schließlich Schlamm- und Lackablagerungen. Erkennbar ist das an dunkler Verfärbung und einem strengen, sauren Geruch. Hohe Betriebstemperaturen beschleunigen die Oxidation drastisch – als Faustregel verdoppelt sich die Alterungsgeschwindigkeit mit jeder deutlichen Temperaturerhöhung. Die Oxidationsinhibitoren im Öl werden dabei nach und nach verbraucht; sind sie aufgebraucht, altert das Öl rapide.

Scherverlust der VI-Verbesserer. Die langen Molekülketten der VI-Verbesserer werden in engen Spalten und an Drosselstellen mechanisch zerschert. Mit der Zeit verlieren sie ihre Wirkung, der Viskositätsindex sinkt, und das Öl wird bei hoher Temperatur dünner als ursprünglich vorgesehen. Ein gealtertes HVLP-Öl verhält sich dann zunehmend wie ein Öl mit niedrigerem VI – die Temperaturstabilität, für die man eigentlich bezahlt hat, geht verloren.

Wasser- und Lufteintrag. Wasser gelangt durch Kondensation, undichte Kühler oder feuchte Umgebung ins Öl. Es fördert Korrosion und Oxidation und verschlechtert die Schmierung; oft erkennt man es an einer milchig-trüben Eintrübung. Luft wird über undichte Saugleitungen oder beim Befüllen eingetragen. Mitgerissene Luft macht die Anlage schwammig und begünstigt Kavitation. Die mechanische Zerstörung von Bauteilen durch Kavitation – vor allem an der Pumpe – ist ein Schadensbild, das im Beitrag zu den Hydraulikpumpen näher behandelt wird; aus Ölsicht zählt hier vor allem, dass schlecht entlüftetes oder schäumendes Öl diesen Effekt fördert.

Verschmutzung durch Feststoffe ist in der Praxis die häufigste Ausfallursache von Hydraulikanlagen überhaupt. Feine Partikel wirken wie Schmirgel in den engen Spalten und beschleunigen den Verschleiß. Die zugehörige Filtertechnik und die Reinheitsklassen sind Thema des Beitrags zu Sicherheit und Wartung in Hydraulikanlagen; für das Öl selbst gilt: Sauberkeit ist die wichtigste Voraussetzung für eine lange Standzeit.

Wie erkennt man, dass ein Öl gewechselt oder gepflegt werden muss? Erste Hinweise liefern die Sinne – dunkle Verfärbung, milchige Trübung, ein säuerlicher Geruch oder sichtbarer Schaum sind Warnzeichen. Verlässlicher ist die regelmäßige Ölanalyse: Eine Laboruntersuchung bestimmt Viskosität, Wassergehalt, Säurezahl und Partikelbelastung und zeigt damit den Zustand objektiv. So lässt sich ein Ölwechsel weder zu früh (Verschwendung) noch zu spät (Schaden) durchführen.