Kühlschmierstoffe

Einleitung

Kühlschmierstoffe werden sowohl bei der spanabhebenden als auch bei der spanlosen Formgebung von Metallen eingesetzt. Eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst dabei die Wirtschaftlichkeit der Metallbearbeitung. Neben den Einflüssen die vom Material des Werkstücks, des Werkzeugs und der Werkzeugmaschine ausgehen, bewirken Kühlschmierstoffe in vielen Fällen eine wesentlich günstigere Rentabilität der Fertigungsprozesse. Es hängt natürlich immer von der richtigen Auswahl und der richtigen Anwendung ab, inwieweit die Fertigungszeit und die Fertigungskosten gesenkt werden können. So ist es von entscheidender Bedeutung, den wirtschaftlichen Wert eines Kühlschmierstoffes neben den gewiss wichtigen, technischen Eigenschaften in die Rentabilitätskalkulation mit einzubeziehen.

Aufgaben

Neben dem Abtransport der Späne (Spüleffekt) und dem temporären Korrosionsschutz besteht die Hauptaufgabe der Kühlschmierstoffe darin, die Schneidentemperaturen der Werkzeuge unter Kontrolle zu halten. Daher hat ein Kühlschmierstoff in der Kontaktzone zwei Hauptaufgaben :

 Kühlen und Schmieren
Kühlen, um die entstehende Wärme abzuführen, und Schmieren, um die Reibung zu vermindern. Daraus ergibt sich, dass bei abzuführenden sehr großen Wärmemengen, wie sie bei hohen Schnittgeschwindigkeiten entstehen, zweckmäßig wassergemischte Kühlschmierstoffe eingesetzt werden.

Nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe werden bei schwerer, langsamer Bearbeitung verwendet, bei der es hauptsächlich auf Schmierung und Reibungsverminderung ankommt.

Die Beurteilung, ob ein Kühlschmierstoff seine Aufgaben bei einem Fertigungsprozess optimal erfüllt, erfolgt im allgemeinen
 nach Werkzeugstandzeiten und
 nach Oberflächengüte sowie Maßgenauigkeit der bearbeiteten Werkstücke

Aufbau und Klassifikation

In der Norm DIN 51385 werden die Begriffe festgelegt, die bei der Anwendung von Kühlschmierstoffen benutzt werden sollen. Die Kühlschmierstoffe werden in zwei Gruppen unterteilt:

 Nicht wassermischbare Kühlschmierstoffe (Metallbearbeitungsöle, Neat Oils)
 Wassermischbare Kühlschmierstoffe (Soluble Fluids)

Die weitere (feinere) Unterteilung ist hier ersichtlich:
Für die Herstellung von Kühlschmierstoffen können die verschiedensten Basisflüssigkeiten eingesetzt werden,
entweder einzeln oder in Kombination untereinander.
Es sind dies
  • Konventionelle Mineralöle
  • Hydrocracköle
  • Pflanzliche und tierische Öle
  • Synthetische Flüssigkeiten (Polyalphaolefine, Ester, Polyglykole)

Nicht wassermischbaren Kühlschmierstoffe

Die Zusammensetzung der nicht wassermischbaren Kühlschmierstoffe richtet sich nach der Schwere der vorzunehmenden Operation. Unterschiedlichen Anforderungen kann mit verschiedenen Maßnahmen begegnet werden. Dies kann einerseits über die Viskosität gesteuert werden oder dann durch die Zugabe von Additiven.

Für einfache Bearbeitungsvorgänge werden meist Öle ohne Zusätze eingesetzt. Für mittelschwere Operationen - wie z.B. auf Automaten-Drehbänken - finden Öle mit Fettstoffen Verwendung. Schwere Bearbeitungsvorgänge wie z.B. Räumen erfordern ein niederviskoses, stark additiviertes Öl mit Hochdruckzusätzen auf der Basis von Chlor-, Phosphor- oder Schwefelverbindungen. Niederviskose Öle mit geringeren Anteilen an Additiven werden benötigt für das Schleifen oder Honen. Neben diesen sogenannten Hochdruckzusätzen (englisch als Extreme Pressure- oder abgekürzt EP-Additive bezeichnet), welche für eine genügende Leistung (Performance) des Metallbearbeitungsöls besorgt sind, werden aber auch noch Additive zum Alterungsschutz (Oxidationsinhibitoren), gegen Korrosion, Schaum- und Nebelbildung sowie allenfalls gegen einen zu starken Geruch verwendet.

Wassermischbare Kühlschmierstoffe

Diese sind wesentlich komplexer zusammengesetzt als die Metallbearbeitungsöle. Sie sind so konzipiert, dass sie vor der Verwendung dem Wasser zugegeben werden müssen.

Vielfach enthalten wassermischbare Schmierstoffe keine EP-Additive, aber sonst eine Vielfalt von anderen Additiven. Dazu zählen insbesondere :
  • Emulgatoren
  • Korrosionsinhibitoren
  • Stabilisatoren
  • Lösungsvermittler
  • Antischaummittel
  • Bakterizide / Fungizide
  • Geruchsüberdecker
  • Farbstoffe
Insbesondere der Emulgator spielt bei diesen Produkten eine wichtige Rolle. Da sich Öl und Wasser bekanntlich nicht mischen lassen, ist dieser Stoff quasi der Heiratsvermittler und sorgt für eine homogene Verbindung. Eine Emulsion besteht aus Öltröpfchen (Konzentrat), welche im Wasser suspendiert sind. Die Art bzw. der Typus der Emulsion ist ein kritischer Faktor bei der Beurteilung der Leistung einer Emulsion. Die Unterscheidung der wassergemischten Kühlschmierstoffe beruht deshalb hauptsächlich auf dem Ölgehalt. Dabei finden keine genormten Begriffe Verwendung, sondern Ausdrücke, wie sie sich in der Anwendungstechnik und beim Verbraucher in den letzten Jahren durchgesetzt haben.

Kühlschmierstofftyp

Mineralölgehalt

Konventionelle Kühlschmier-Emulsion
> 50 %
Mineralölarme Kühlschmier-Emulsion
5 - 50 %
Synthetische Kühlschmier-Lösung
0
Konventionelle wassergemischte Kühlschmierstoffe enthalten in der Regel über 50% Mineralöl. Die Öltröpfchen sind relativ groß - bis zu 5 μm - und diese Struktur führt zu einer milchigen Emulsion. Diese größeren Tröpfchen bewirken gute Schmiereigenschaften und können auch EP-Additive effizient unterstützen. Auf der anderen Seite tendieren solche Emulsionen zu geringerer Stabilität und verlangen eine bessere Überwachung.

Mineralölarme wassergemischte Kühlschmierstoffe sind eine Kombination zwischen einem konventionellen und einem vollsynthetischen Kühlschmierstoff. Diese Konzentrate weisen im allgemeinen Ölgehalte zwischen 5 und 50% auf, und nach dem Ansetzen mit Wasser entsteht eine klare bzw. opaleszierende Emulsion. Das durchscheinende Aussehen erlaubt ein genaues Beobachten präziser Bearbeitungsvorgänge, wie z.B. das Schleifen. Solche Formulierungen tolerieren im allgemeinen eine gewisse Kontamination mit Lecköl. Einige der als mineralölarm beschriebenen Typen sind eigentliche Mikroemulsionen mit Tröpfchengrößen um 1 μm.

Vollsynthetische wassergemischte Kühlschmierstoffe sind definitionsgemäß chemische Flüssigkeiten, welche kein Mineralöl enthalten. Es sind üblicherweise Lösungen, welche vollständig auf wasserlöslichen Chemikalien, inklusive synthetischen oder anderen Estern zur Gewährleistung der Schmierung, aufgebaut sind.

Anforderungen an Kühlschmierstoffe

Die Anforderungen an Kühlschmierstoffe sind in DIN-Normen festgelegt. In der DIN 51520 sind diejenigen für nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe und in der DIN 51521 diejenigen für wassermischbare Kühlschmierstoffe festgehalten. Auch die VDI-Richtlinie 3397, Blätter 1-3 gibt diesbezüglich wertvolle Hinweise.
An wassermischbare Kühlschmierstoffe werden - im Vergleich zu nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen - eine Reihe zusätzlicher Anforderungen gestellt.