Kühlschmierstoffe: Zusammensetzung und Inhaltsstoffe

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Solange die Geschwindigkeiten bei der Metallbearbeitung von der Muskelkraft begrenzt waren, spielte die Wärmeentwicklung eine untergeordnete Rolle. Als einfache Maschinen das Leben erleichterten, reichten Pflanzenöle und tierische Fette aus, die Reibung zu reduzieren. Die heutigen Bearbeitungsgeschwindigkeiten verlangen Kühlschmierstoffe, deren Zusammensetzung der Inhaltsstoffe außer Grundölen eine Reihe von Zusätzen enthält. Dadurch entstehen viele unterschiedliche komplexe kohlenwasserstoffhaltige Gemische, die an die speziellen Fertigungsverfahren angepasst sind.

Grundöle

Die Grundöle oder Basisöle bilden in der Zusammensetzung der Inhaltsstoffe den Hauptbestandteil der nicht wassermischbaren und der Konzentrate für wassermischbare Kühlschmierstoffe. Ihre Aufgabe besteht in der Herabsetzung der Reibung. Dadurch verringert sich die Wärmeentwicklung bei der Bearbeitung und der Verschleiß der Werkzeuge. Die Schmierung ist außerdem eine Voraussetzung dafür, dass die jeweiligen Anforderungen an die Oberflächengüte erreicht werden.

Basisöle werden aus Erdöl, aus Pflanzenöl oder aus synthetischen organischen Verbindungen gewonnen. Zunehmende Bedeutung haben GTL-Öle, die in mehreren Prozessstufen aus Erdgas hergestellt werden.

Mineralöle

Mineralöle sind in ihrer Zusammensetzung verhältnismäßig preiswerte Schmierstoffe. Aus Erdöl, Kohle oder Erdgas entstehen hauptsächlich kettenförmige und ringförmige gesättigte Kohlenwasserstoffe mit acht bis zwölf Kohlenstoffatomen im Molekül. In der Chemie sind sie als Alkane, Isoalkane oder Zykloalkane bekannt. Diese Stoffe sind recht reaktionsträge. Sie behalten ihre chemischen Eigenschaften unter normalen Umgebungsbedingungen lange Zeit bei.

Werden die Mineralöle durch Veredelung (Raffination) von Erdöl gewonnen, enthalten sie viele Verunreinigungen aus dem Rohstoff. Wesentlich sauberer sind die GTL-Öle. Die Buchstaben GTL sind die Anfangsbuchstaben der englischen Wörter Gas To Liquid (Gas zu Flüssigkeit), die sich auf die Herkunft dieser Stoffe beziehen. Die Herstellung ist mit einem höheren Aufwand verbunden. Deshalb sind GTL-Öle preisintensiver als Mineralöle aus Erdöl. GTL-Öle werden vor allem als Inhaltsstoffe in nicht wassermischbaren Kühlschmierstoffen eingesetzt.

Pflanzenöle

Öle aus nachwachsenden Rohstoffen sind Nahrungsmittel. Die in ihnen enthaltenen ungesättigten Fettsäuren sind wertvolle Nährstoffe, die gerne chemische Verbindungen mit Reaktionspartnern aller Art eingehen. Naturgemäß sind diese Öle biologisch abbaubar. Sie neigen zum Verharzen und werden durch Oxidationsprozesse schnell ranzig. Das alles spricht gegen die Verwendung von Pflanzenölen in Kühlschmierstoffen. Um sie dennoch zu diesem Zweck einsetzen zu können, sind aufwändige Prozesse für die Aufbereitung und der vermehrte Einsatz von Bioziden erforderlich. Die Verwendung erfolgt hauptsächlich als nichtwassermischbares Kühlschmiermittel.

Die Begrenztheit der Erdöl- und Gasvorkommen zwingt allerding dazu, Alternativen zu suchen. Deshalb wird verstärkt an der Entwicklung von Inhaltsstoffen für Kühlschmiermittel aus nachwachsenden Rohstoffen gearbeitet. Dabei werden sich neue Verfahren ergeben, die die Nachteile ausgleichen.

Synthetische Basisstoffe

Einige organische chemische Verbindungen haben ähnliche Eigenschaften wie Mineralöle. Dabei handelt es sich vor allem um Ester, die sich aus Alkoholen und organischen Säuren zusammensetzen. Alkohole erkennt man an einer oder mehreren OH-Gruppen im Molekül. Organische Säuren haben eine COOH-Gruppe (O= Sauerstoff, H=Wasserstoff, C=Kohlenstoff). Diese Gruppen reagieren miteinander und bilden stabile chemische Verbindungen. Da diese Inhaltsstoffe in der Regel wasserlöslich sind, eignen sie sich besonders als Grundlage für die Zusammensetzung von wassermischbaren Kühlschmierstoffe.

Zusatzstoffe

Die Liste von Zusatzstoffen (Additive) ist nahezu unendlich lang. Die Additive werden benötigt, um die Kühlschmierstoffeigenschaften so zu beeinflussen, dass diese für spezielle Einsatzzwecke genutzt werden können. Eine Übersicht lässt sich am besten anhand der beabsichtigten Wirkung der Additive erstellen.

Alterungsschutzstoffe

Die Alterung von Ölen lässt sich in den meisten Fällen auf die Wirkung des Sauerstoffs in der Luft zurückführen. Er geht besonders bei hohen Temperaturen mit Ölmolekülen chemische Verbindungen ein, die häufig fest sind. In Form von Schlamm setzen sie sich in Behältern und Rohrleitungen ab. Dabei stören sie den Kühlschmierstoffkreislauf und verringern das zur Verfügung stehende Volumen.

Alterungsschutzstoffe verringern die Oxidation indem sie entweder den Sauerstoff abfangen, die Oxide zersetzen oder ihm zuvorkommen. Im letztgenannten Fall setzen sie sich an die Stellen, an denen der Sauerstoff angreifen kann.

Konservierungsstoffe

Besonders in wassergemischten Kühlschmierstoffen und in nichtwassermischbaren Schmiermitteln  aus Pflanzenölen können sich Bakterien und Pilze vermehren. Durch Konservierungsstoffe (Biozide), die in die Zusammensetzung einfließen, werden die Mikroorganismen abgetötet oder ihr Wachstum verlangsamt.

Die Biozide sind in ihrer Zusammensetzung meistens Gemische aus unterschiedlichen Wirkstoffen, die ein breites Spektrum an Mikroorganismen abdecken. Wichtig ist, dass der Gehalt an Konservierungsstoffen genau den Anwendungsvorschriften entspricht. Zu geringe Konzentrationen dieser Inhaltsstoffe führen dazu, dass die Kleinstlebewesen resistent werden. Zu große Konzentrationen rufen bei den Menschen, die damit umgehen,  gesundheitliche Belastungen hervor.

Haftverbesserer

Die Haftverbesserer sorgen hauptsächlich in nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen für einen stabilen Ölfilm auf den Werkzeugen und Werkstoffen. Sie verhindern, dass das Öl zu schnell abläuft oder davonspritzt. In wassermischbaren Schmierstoffen werden Zusätze mit dieser Wirkung als Netzmittel bezeichnet.

Antinebelzusätze

Antinebelzusätze verringern den Dampfdruck der Kühlschmiermittel und beeinflussen ihr Fließverhalten. Sie tragen deutlich zur Verringerung der Bildung von gesundheitsschädlichem Ölnebel bei.

Hochdruckzusätze

Hohe Drücke können zum Verschweißen von Metallteilen führen. Durch Hochdruckzusätze, die auch EP-Additive genannt werden, wird diese Störung verhindert. EP leitet sich vom englischen Begriff „extreme pressure“ ab. Diese Additive gehören zu den bedenklichen Inhaltsstoffen in Kühlschmiermitteln. Sie beruhen auf Schwefel-, Phosphor- oder Chlorverbindungen, die gesundheitsschädlich sind und strengen gesetzlichen Regeln unterliegen.

Emulgatoren

Emulgatoren ermöglichen die Vermischung von Wasser mit wasserunlöslichem Mineralöl. Die Wirkungsweise besteht im Aufbau der Moleküle, die ein wasserabweisendes (hydrophob) und ein wasseranziehendes (hydrophil) Ende haben. Damit halten sie jeweils ein Ölmolekül und ein Wassermolekül fest.

Korrosionsschutzmittel

Wassergemischte Kühlschmierstoffe können zur Korrosion der Werkstücke und Werkzeuge führen. Korrosionsschutzmittel bilden Schichten auf den Oberflächen, die das Einwirken von Wasser blockieren.

Schaumunterdrücker und Entschäumer

Beim Verspritzen und Umwälzen von Kühlschmiermitteln können sich Gasblasen bilden. Diese Gasblasen sind bei dickflüssigen (hochviskosen) Ölen besonders fein verteilt und stabil. Schaum verhindert den Kontakt von Werkstück und Werkzeug, erschwert die Kühlung und fördert die Oxidation. Außerdem kann er zum Überlaufen des Schmiermittels führen. Entschäumer setzen die Oberflächenspannung der Flüssigkeiten herab und zerstören dadurch die feinen Häute, die die Gasteilchen umschließen.

Kühlschmierstoffe – die richtige Zusammensetzung der Inhaltsstoffe ist wichtig

Die genaue Zusammensetzung der Kühlschmierstoffe gehört zu den Betriebsgeheimnissen der Hersteller. Sind Inhaltsstoffe sicherheitstechnisch von Bedeutung, werden sie und ihre Eigenschaften in den vorgeschriebenen Sicherheitsdatenblättern aufgelistet. Ansonsten geben die Produzenten Informationen über die Eignung der Kühlschmiermittel für bestimmte Verfahren und Werkstoffe heraus und weisen auf die Wirkung der enthaltenen Additive hin.

Neben der primären Zusammensetzung der Kühlschmiermittel, die im Auslieferungszustand vorliegt, werden von den Herstellern sekundäre Inhaltsstoffe angeboten. Dazu zählen Biozide, Entschäumer, Antinebelzusätze und pH-Wert-Regulatoren, die im Betrieb verbraucht werden oder die Prozessgrößen in den benötigten Bereich bringen.