Kühlschmiermittel in der Metallbearbeitung

In der Metallbearbeitung kann es heiß hergehen – Metall wird auf viele hundert Grad erhitzt, es wird gebohrt, gefräst und gesägt und bei all dem soll es möglichst wenig Reibungsverluste geben. Damit es “wie geschmiert” läuft, nutzt die Metallbearbeitung ganz besondere Schmierstoffe, die ihren Ansprüchen gerecht werden. Denn ein Kühlschmierstoff soll gleichzeitig kühlen und schmieren. Was diese Schmierstoffe ausmacht und wie viel Know-how sich dahinter verbirgt, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Was sind Kühlschmierstoffe?

Kühlschmiermittel müssen zwei Anforderungen gleichzeitig erfüllen – sie müssen kühlen und schmieren. Um diese Vorgaben zu erfüllen, ist ein komplexes Schmiermittelgemisch notwendig. Die Basis dafür ist aber immer die gleiche. Ausgangstoffe sind entweder Mischungen auf Mineralölbasis, die zum Beispiel Paraffinöle oder Öle mit mehr oder weniger hohem Anteil an naphtenischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen enthalten. Alternativ werden synthetische Öle als Basis eingesetzt. Man unterscheidet außerdem nach der DIN 51835 zwei verschiedene Typen von Schmierstoffen: wassermischbare und nichtwassermischbare Kühlschmiermittel. Diese haben eine unterschiedliche Zusammensetzung und kommen für verschiedene Bearbeitungsmethoden in der Metallverarbeitung zum Einsatz.

Warum Kühlschmiermittel in der Metallbearbeitung wichtig sind

In der Metallbearbeitung wird gefräst, gesägt, gedreht oder gebohrt und an manchen Stellen wird es richtig heiß. So kann sich ein Werkstück punktuell schon einmal auf einige hundert Grad Celsius erhitzen, was Auswirkungen auf das Werkstück, aber auch die bearbeitende Maschine hat. Das Werkstück kann sich verziehen, Maschine und Werkzeug werden stark beansprucht, verschleißen früher, die Lebensdauer wird herabgesetzt – am Ende steigen die Kosten. Hier kommen maßgeschneiderte Kühlschmierstoffe zum Einsatz. Sie reduzieren Werkzeugverschleiß und verbessern die Qualität der Werkstücke – indem sie dafür sorgen, dass im Bearbeitungsprozess die Reibung verringert und die entstehende Wärme effektiv abgeführt wird. Außerdem sorgen sie durch Spülen und den Wegtransport von Feststoffen, wie Spänen, die während des Bearbeitungsvorgangs am Metall entstehen, dass Werkzeug wie Werkstück vor Schäden an der Oberfläche geschützt werden.

Genauer hingeschaut – wie wirken Kühlschmierstoffe

Das beste Mittel um Metall zu kühlen wäre Wasser. Allerdings kann es Korrosion auslösen und hat keine Schmierwirkung, weshalb es als alleiniges Kühlmittel in der Bearbeitung von Metall nicht in Frage kommt. Aber als Bestandteil von bestimmten Kühlschmierstoffen erhöht es deren Kühlwirkung. Darunter versteht man dessen Fähigkeit, Wärme abzuführen. Wie gut ein bestimmter Schmierstoff Metall kühlen kann, hängt von seiner spezifischen Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Verdampfungswärme ab. Für Wasser sind alle drei Werte hoch, weshalb Kühlschmierstoffe mit höherem Wasseranteil generell besser Metall kühlen.

Schmieren und Spülen schützt Werkstoffe und verbessert den Prozess

Kühlschmiermittel sollen nicht nur kühlen, sondern müssen gleichzeitig die Reibung zwischen der bearbeitenden Maschine beziehungsweise dem Werkzeug und dem Werkstück vermindern. Im Idealfall der sogenannten Vollschmierung hat der Schmierstoff eine niedrige Viskosität. Es bildet sich ein Schmierfilm zwischen den Komponenten, der die Reibung stark herabsetzt. Der Verschleiß an den Bearbeitungswerkzeugen ist geringer und durch das Schmieren wird die Oberflächenqualität des Werkstücks verbessert.

Während der Bearbeitung von Metall entstehen Metallspäne und andere Verunreinigungen. Das Kühlschmiermittel hat hier eine dritte Funktion als Spül- und Reinigungsmittel. Die während der Bearbeitung entstandenen Späne und anderen Feststoffe, die sich in der Bearbeitungsphase bilden, werden abtransportiert. Auch dadurch wird ein frühzeitiger Verschleiß von Werkzeugen und Maschinen durch Beschädigungen und Störungen im Betriebsablauf verhindert. Zweitens garantiert das Spülen und permanente Reinigen eine reine Oberfläche des Werkstücks und Korrosion, die durch Risse oder Beschädigungen der Metalloberfläche ausgelöst werden könnte, wird effektiv verhindert.

Für jede Anwendung der geeignete Kühlschmiermitteltyp

Die Metallbearbeitung kennt eine Vielzahl an Bearbeitungsverfahren, die unterschiedliche Herausforderungen an die eingesetzten Kühlschmiermittel stellen. So entstehen bei Verfahren, wie Gewindeschneiden, Verzahnen oder Tiefbohren hohe Temperaturen und an die Kühlwirkung des eingesetzten Kühlschmierstoffs werden hohe Ansprüche gestellt.

Bei anderen Verfahren, wie dem Drehen, Schleifen oder Sägen sollte man das Metall auch kühlen, aber die Schmierwirkung steht im Vordergrund.

Bevor ein Kühlschmiermittel ausgesucht wird, sind das Einsatzverfahren und die genauen Verfahrensparameter genau zu definieren. Danach kann man entscheiden, ob wassermischbare oder nichtwassermischbare Kühlschmiermittel besser geeignet sind.

Wassermischbare Kühlschmierstoffe

Den größten Anteil an Kühlschmierstoffen machen die wassermischbaren aus. Laut einer Studie des VDI zählen rund 90 % aller Kühlschmiermittel zu den wassermischbaren [1]. Diese auch unter der Bezeichnung “Bohrmilch” oder “Bohremulsion” bekannten Hilfsstoffe werden als Konzentrat angeliefert und anschließend vom Hersteller mit Wasser verdünnt. Dabei werden an das “Ansetzwasser” hohe Ansprüche gestellt. Es darf nur eine sehr geringe Keimzahl aufweisen, sollte von höchster Reinheit sein, um im späteren Prozess keine Verunreinigungen einzuschleppen oder durch zu hohe Keimzahlbelastung umzukippen.

Bei den wassermischbaren Schmiermitteln unterscheidet man zwei Varianten. Die erste Variante – wassermischbare mineralölhaltige Kühlschmiermittel – enthält eine Mischung aus Mineralölen. Je nach Anwendung sind verschieden hohe Anteile von paraffinhaltigen, naphtenischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffe enthalten. Dazu kommen Emulgatoren, die nach Zugabe von Ansatzwasser, eine “Öl-in-Wasser-Emulsion” bilden.

Die zweite Variante – wassermischbare vollsynthetische Kühlschmiermittel – enthält synthetische Öle, wie Polyolefine, Polyglykole, Alkylbenzole oder Carbonsäureester. Es gibt auch schon nachhaltige Varianten, die Öle auf der Basis nachwachsender Rohstoffe einsetzen, beispielsweise Rapsöle oder Rapsmethylester. Diese Schmierstoffe bilden gemeinsam mit Wasser eine stabile Emulsion. Schmiermittel auf der Basis von synthetischen Ölen können in den verschiedensten Bereichen der Metallbearbeitung eingesetzt werden. Generell wird diese Art von Kühlschmierstoffen für Prozesse eingesetzt, bei denen die Kühlung von besonderer Wichtigkeit ist.

Nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe

Unter der Bezeichnung Schneid- oder auch Bohröle sind die nichtwassermischbaren Kühlschmiermittel zu finden. Diese enthalten als Basis die bereits genannten Mineralöle und werden immer dann eingesetzt, wenn die Schmierwirkung im Vordergrund steht. Dabei kann durch die Zusammensetzung der Mineralöltypen Einfluss genommen werden auf die Wärmeleitfähigkeit oder Viskosität des Schmierstoffs. Typische Bearbeitungsverfahren sind das Fräsen, Drehen, Schleifen oder auch Sägen von Metall.

Additive und Zusätze

Kühlschmierstoffe enthalten nicht nur die Basiskomponenten Wasser und mineralisches bzw. synthetisches Öl, sondern eine Vielzahl an Additiven, die die Eigenschaften beeinflussen. Dazu gehören Antioxidantien, die vor Alterungsprozessen schützen und Biozide, die die Besiedelung des Kühlschmiermittels durch Bakterien verhindern sollen. Korrosionsinhibitoren verhindern, dass sich Rost auf der Oberfläche des Metalls bildet – sowohl auf dem Werkstück wie dem Werkzeug. Silikonpolymerisate werden zugesetzt, um die Bildung von Schaum zu unterdrücken, was vor allem bei Emulsionen wichtig ist. Denn während der Metallverarbeitung können sich durch Einblasen von Gas, durch heftiges Schütteln oder Rühren Bläschen im Schmiermittel bilden. Dieser Schaum kann sehr beständig sein, auch wenn sich beispielsweise in einem hochviskosen Öl klein verteilte Luftblasen bilden. Auf die Metallverarbeitung hat er negative Folgen, denn er ist ein guter Isolator und nicht mehr geeignet, um das Metall zu kühlen. Außerdem wird die Schmierwirkung herabgesetzt und durch die Vielzahl der Luftbläschen in der Nähe des Metalls wird die Korrosion gefördert. Weitere Komponenten, die die Haftfähigkeit der Metallteile verbessern oder die Reibung zwischen den Metalloberflächen verringern, sind ebenfalls häufig Bestandteil von Kühlschmierstoffen.

Einige Zusätze werden auch erst in der Bearbeitungsphase zugesetzt. Das eingesetzte Ansatzwasser sollte einen bestimmten Härtegrad aufweisen und um diesen einzustellen, werden Härteregulierer zugegeben. Gleiches gilt für den pH-Wert, der mit einem pH-Wertregulierer eingestellt wird. Antinebelzusätze verhindern, dass sich in der Bearbeitungsphase feinverteilte Flüssigkeitströpfchen bilden. Deren Unterdrückung ist einmal aus Brandschutzgründen wichtig, da feinverteilte Öltröpfchen bei den herrschenden Betriebsbedingungen eine potentielle Brandgefahr darstellen. Zweitens sind diese Aerosole lungengängig und daher aus Gründen des Gesundheitsschutzes ebenfalls zu unterdrücken.

Die Metallbearbeitung kennt viele Verfahren. Kühlschmierstoffe sind sehr vielfältig und können passgenau in jedem Prozess eingesetzt werden.

 

Quellen:

[1] https://industrie.de/technik/vdi-zre-legt-vergleichsstudie-zu-kuehlschmierstoffen-vor/