Kühlschmierstoffe

Immer wenn es bei der Metallzerspanung um die Verbesserung von Standzeiten und Oberflächengüten geht, kommen Kühlschmiermittel zum Einsatz.
Wir bieten sowohl wasserlösliche Kühlschmiermittel als auch Schneidöle (insbesondere zur Ergebnisoptimierung beim Gewindeschneiden) an.

Wassermischbare Kühlschmierstoffe

Aufbau wassermischbarer Kühlschmierstoffe

Kühlschmierstoffe werden bei der spangebenden und spanlosen Formung zum kühlen (Wasser), schmieren (Öl) und zur Entfernung von Metallabtrag eingesetzt.
Der Verschleiß soll gesenkt werden und die Wärme (bis 1000°C) soll verringert werden. Bei langsamen, schweren Bearbeitungen, die eine hohe Schmierung und Reibungsverminderung erfordern, werden vorwiegend reine Öle verwendet. Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und hoher Wärmeentwicklung erfordern primär Kühlwirkung. Hier lassen sich die besten Ergebnisse durch wässrige Kühlschmierstoff- Emulsionen oder -Lösungen erreichen.

Kühlschmierstoff-Konzentrate werden zur Ausbildung einer stabilen Emulsion mit oberflächenaktiven Stoffen (Emulgatoren) additiviert, die durch Absenkung der Grenzflächenspannung zwischen der Öl- und Wasserphase eine Verteilung
der Öltröpfchen im Wasser ermöglichen. Weitere wichtige Komponenten sind anionaktive Emulgatoren (Korrosionsschutz) und/oder nichtionogene Emulgatoren (geringere Empfindlichkeit gegen Wasserhärte). Zusätzlich werden
Alkohole als Lösungsvermittler, Antischaummittel, Bakterizide und Haftzusätze beigemischt. Der nichtwassermischbare Kühlschmierstoff kommt mit weniger Einzelkomponenten aus als der wassermischbare Kühlschmierstoff, da der Faktor Wasser mit all seinen Einflußparametern entfällt.

Der größte Teil der wassermischbaren Kühlschmierstoffe wird in Form von Emulsionen eingesetzt, also als Produkt mit starker Kühlung und zusätzlicher Schmierwirkung im Zerspanungsprozess. Vor allem bei Schleifoperationen ist Schmierwirkung aber häufig nicht notwendig. Hier steht der Korrosionsschutz, gutes Freispülen der Schleifscheiben und optimales Schaumverhalten im Vordergrund. In diesen Fällen werden häufig Klarsicht-Schleifmittel eingesetzt, die auch als synthetisch oder mineralölfrei bezeichnet werden. Sie bilden stabile Lösungen und gestatten eine Beobachtung des Schleifprozesses.

Die geeignete Auswahl der Grundflüssigkeit und die ausgewählte Zumischung von Additiven dient der Optimierung der Kühlschmierstoffe nach folgenden Gesichtspunkten:

Als Grundflüssigkeit für Metallbearbeitungsschmierstoffe werden in großem Umfang (ca. 65-70%) Mineralöle verwendet. Mineralöle bestehen aus einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffverbindungen verschiedenster Strukturen. Eine Alternative zu Mineralölen stellen natürliche/synthetische Ester und Polyalphaolefine (PAO) dar.

Dem biologischen Abbauverhalten kommt eine entscheidende Rolle bei der Umweltverträglichkeit zu. Die Wassergefährdungsklasse vieler Ester ist wegen der guten biologischen Abbaubarkeit und der geringen Toxizität (auch gegen Wasserorganismen) nach Test WGK 1. Dadurch sind sie bei großen Lagerbehältern den Mineralölen (WGK 2) deutlich überlegen.

Lagerung und Anmischen von Kühlschmierstoffen
Lagerung:

Kühlschmierstoffe sollten in normal temperierten, geschlossenen Räumen gelagert werden. Auf jeden Fall müssen sie vor direkter Sonneneinstrahlung und Frost geschützt werden. Allerdings wird die Lagerung von Kühlschmierstoffen nicht nur durch technischen Anforderungen bestimmt. Zunehmend wird dem Grundwasser- bzw. Gewässerschutz eine besondere Stellung eingeräumt. Dies gilt sowohl für die Konzentrate, als auch für die wassergemischten Kühlschmierstoffe im Einsatz. Das
Wasserhaushaltsgesetz (WHG) aus dem Jahre 1986 bildet die gesetzliche Rechtsgrundlage für alle Fragen im Zusammenhang mit wassergefährdenden Stoffen und Zubereitungen. Die dort festgelegten Rahmenbedingungen werden durch eine Reihe weiterer Vorschriften interpretiert oder ergänzt, u.a. sind dies:

  • Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen und    über Fachbetriebe (VAwS)
  • Verwaltungsvorschrift für wassergefährdende Stoffe (VwVwS)
  • Anforderungskatalog an Anlagen zum Lagern, Abfüllen, Umschlagen
    (LAU-Anf.-Kat.)
  • Anforderungskatalog an Anlagen zum Herstellen, Behandeln, Verwenden
    (BVAnf.- Kat.)

Anmischen und Verdünnen

Bei Kühlschmierstoff-Emulsionen liegt der Wasseranteil meist über 90%, für Lösungen über 95%. Die Wasserqualität beeinflusst daher in relativ hohem Maße die Funktionalität der Produkte im Anwendungszustand. Da häufig Leitungswasser zum Anmischen von Kühlschmierstoff-Konzentraten verwendet wird, können notwendige Angaben vom zuständigen Wasserwerk erfragt werden.

Zu hartes Anmischwasser kann dazu führen, dass die enthaltenen Härtebildner mit anionischen Emulgatoren zu Kalkseifen reagieren. Sie bilden auf der Emulsionsoberfläche weißliche Abscheidungen, die je nach Ausmaß zu Ablagerungen auf Werkstücken und Werkzeugen führen können. Solches Anmischwasser (ab ca. 20°d) ist zweckmäßig zu enthärten. Gegebenenfalls kann mit vollentsalztem Wasser nachkonserviert werden. Liegt das Anmischwasser allerdings unter 10°d kann die Emulsion oder Lösung zum Schäumen neigen. Hier sollte Aufhärter oder Entschäumer eingesetzt werden.

Der optimale pH-Wert des Ansetzwassers liegt bei 7. Ein pH-Wert des Ansetzwassers unter 6 ist als kritisch anzusehen, da dieser unter Umständen den pH-Wert der Kühlschmierstoff-Emulsion beim Frischansatz mehr oder weniger stark absinken läßt. Dies kann zu einem verminderten Korrosionsschutz und einer Instabilität der Emulsion führen.

Hohe Chloridgehalte des Anmischwassers (ab ca. 250 ppm) wirken sich negativ auf das Korrosionsschutzverhalten aus. Auch in Folge von Wasserverdunstung und Kühlschmierstoff - Nachdosierung kann eine Anreicherung von Chloridgehalten auftreten. Gegebenenfalls ist in solchen Fällen die Verwendung von vollentsalztem Wasser zur Kühlschmierstoff-Nachdosierung erforderlich.

Da in Gebrauchtemulsionen Nitrit im Wesentlichen durch Abbau von Nitrat entsteht, macht es Sinn, auch den Nitratgehalt zu begrenzen, um diese Reduktion so weit wie möglich zu unterdrücken.

Das Anmischen der Emulsion sollte, wenn möglich, mit Hilfe automatischer Mischgeräte erfolgen. Alternativ kann die Kühlschmieremulsion durch langsames Eingießen des Kühlschmierstoffes in vorgelegtes Wasser - nicht umgekehrt - unter gleichzeitigem gründlichen Umrühren bis zur restlosen Emulgierung des aufschwimmenden Öles angesetzt werden.

MERKREGEL: ‘Öl in Wasser’

Die Konzentration der Emulsion wird durch das Konzentrat und den Bearbeitungsvorgang bestimmt. Die notwendigen Angaben entnehmen Sie bitte unseren Produktbeschreibungen oder wenden Sie sich an unsere Mitarbeiter.

Kühlschmierstoff - Messungen

Die regelmäßige Kontrolle des Kühlschmierstoffes im Betrieb ist eine wichtige Voraussetzung für die Prozeßsicherheit und die Sicherheit der Mitarbeiter, nicht zuletzt auch für günstige Kühlschmierstoff-Kosten und geringen Werkzeugverschleiß. In den vergangenen Jahren wurde dies durch verschiedene Vorschriften verstärkt:

Die regelmäßige Kontrolle des wassergemischten Kühlschmierstoffes sollte folgende Punkte umfassen:

Die ermittelten Prüfergebnisse sind in Wartungsblättern, Prüfbüchern oder Maschinenkarteien festzuhalten und für wassermischbare Kühlschmierstoffe 3 Jahre, für nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe 2 Jahre aufzubewahren.

Die Durchführung der Pflegemaßnahmen kann die Standzeit der Kühlschmierstoffemulsion wesentlich verlängern. Werden Konzentratkosten von 6 DM/Liter, eine Konzentration von 5%, Entsorgungskosten von 65 Pfennig, ein Kühlschmierstoffbehälter von 250 Liter und KSS-Wechselkosten von 150 DM/Wechsel zu Grunde gelegt, ergeben sich je nach Kühlschmierstoffeinsatz pro Jahr folgende Einsparpotentiale.

Bei starker, maschinenbedingter Verschmutzung der Emulsion durch Metallabrieb und eingetragener Fremdöle kann die Aufbereitung der Emulsion die Standzeit wesentlich verlängern (s.a. Kap. VII Aufbereitung).

Konzentration

Mineralölhaltige Kühlschmier-Emulsionen können während des Betriebes ausmagern (Kühlschmierstoff wird über Späne und bearbeitete Teile ‘ausgetragen’). Daher müssen ‘ausgemagerte’ Emulsionen mit entsprechend ‘fetten’ Emulsionen ergänzt
werden. Bei höheren Betriebstemperaturen kann es allerdings auch zu verstärktem Verdunsten von Wasser kommen, gleichbedeutend mit einer Aufkonzentration des Kühlschmierstoffes.

Die Konzentrationsbestimmung kann mit Hilfe eines Handrefraktometer in kurzer Zeit ermittelt werden. Hierzu werden einige Tropfen der zu untersuchenden Emulsion bzw. Lösung zwischen zwei Prismengläser getropft. Anhand einer Hell-Dunkel-
Grenze ist der Brechungsindex der Emulsion abzulesen. Dieser Wert kann mit Hilfe des Kühlschmierstoffspezifischen Refraktometerfaktors in die jeweilige Konzentration umgerechnet werden.

Messwert in Brix * Refraktometerfaktor = Kühlschmierstoffkonzentration

Um Messfehler zu vermeiden, ist es unbedingt erforderlich, zuerst einen Null-
Linienabgleich mit Wasser durchzuführen. Auch die Größe der Öltröpfchen (Dispersität) beeinflusst den Brechungsindex. Während des Gebrauchs werden die Emulsionen zusehends gröber dispers. Dies hat einen zu niedrigeren Meßwert zur Folge. Abhilfe schafft die Zugabe von 0,1 - 0,2% Stützemulgator, um die Emulsion feindispers zu stellen.

pH-Wert

Der pH-Wert ist eine der wichtigsten Größe, die eine Aussage über den Gebrauchszustand eines Kühlschmierstoffes ermöglicht. Der pH-Wert gibt die Wasserstoffionen-Konzentration einer Substanz an. Bei einem pH-Wert von 7 verhalten sich Flüssigkeitenneutral. Alkalische Medien besitzen einen pH-Wert größer 7, saure einen pH kleiner 7.

Der normale pH-Wert für Emulsionen liegt zwischen 8,0 und 9,3. Bei aminhaltingen Kühlschmierstoffen gilt ein pH-Wert von 8,5 als untere Grenze, ab der sich seine funktionalen Eigenschaften rapide verschlechtern. Aminfreie Kühlschmierstoffe können heute schon problemlos mit pH-Werten bis 8,0 gefahren werden. Fällt der Wert unter 8 sollte nachkonserviert werden (evtl. ist die Emulsion auszutauschen), da sich das Korrosionsschutzvermögen und die Emulsionsstabilität deutlich verschlechtern. Zudem wird die Bildung von N-Nitrosaminen bei niedrigen pH-Werten begünstigt (vgl. TRGS 611). Andererseits ist ein Ansteigen des pH-Wertes über den Ausgangswert z.B. durch Einschleppung alkalischer Reiniger zu vermeiden, da die Gefahr von Hautirritationen erheblich ansteigt.
Der pH-Wert kann für betriebliche Verhältnisse mit hinreichender Genauigkeit durch Eintauchen eines Indikatorpapiers bestimmt werden.

Mikroorganismen

Mikroorganismen, Bakterien, Pilze oder Hefen haben einen großen Einfluss auf die Standzeit und auf die Hautverträglichkeit einer Emulsion. Niedrige Keimzahlen bedeuten demnach ein minimiertes Gefährdungspotential und vergleichsweise geringe Kosten durch eine maximierte Emulsions-Standzeit. Berufsgenossenschaften empfehlen die regelmäßige Messung der Keimzahl mittels Dip slides sowie Biozidzugabe oder Wechsel der Kühlschmierstoff-Emulsion, wenn die Keimzahl größer als 106 KBE/ml (KBE: Kolonie bildende Einheiten) ist. Die Bildung von Keimen kann durch Anwesenheit verschiedener Stoffe, die hemmend oder abtötend wirken, beeinflusst werden. Allerdings kann eine zu hohe Konservierung zu Hautirritationen seitens des Konservierungsmittel führen. Besonders wichtig ist daher die Philosophie der Prävention in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten der Anlage vor Ort:

Emulsion sauber halten.

  • Die Emulsion sollte in regelmäßigen Abständen von Spänen und sonstigen   
  •     Verunreinigungen gereinigt werden.
  • Verwendung biostabiler Kühlschmierstoffe (meist auf Basis von   
  •    Borsäureverbindungen).
  • Eintauchobjektträger (dip-slides) als Keimindikatoren einsetzen: Evtl. ist eine
  •    Zugabe von Konservierungsmitteln sinnvoll.

Kühlschmierstoffe im Einsatz

Rostschutz

Zu den wichtigsten Funktionen eines Kühlschmierstoffes gehört es, einen sicheren Korrosionsschutz für die Werkstücke, die Maschinen und die Werkzeuge zu gewährleisten. Ein Schutz von Korrosion kann auf zwei Wegen erreicht werden:

  • Physikalisch durch Bildung einer schützenden Deckschicht (z.B. Öl oder Farbe),
  • Chemisch durch Passivierung der Metalloberfläche und Polarisation.

Bei wassergemischten Kühlschmierstoffen ist der Einfluss des Wassers zu neutralisieren. Dabei ist die Frischemulsion oder Lösung in der Regel problemlos. Bei Einhaltung der produktspezifischen Soll-Konzentration kann man von einem einwandfreien Rostschutz ausgehen. Bei Gebrauchtemulsionen können sich verschiedene Einflüsse negativ auswirken:

Der pH-Wert fällt zu stark ab. Mögliche Ursachen: Einschleppung saurer  Bestandteile, z.B. durch phosphatierte Teile, Flüchtigkeit primärer Amine, starke mikrobielle Belastung.

Chloride oder andere Salze werden eingeschleppt und reichern sich an.

Grundsätzlich ist zu beachten, dass wassermischbare Kühlschmierstoffe immer nur einen temporären Rostschutz erbringen können, da der nach dem Verdunsten des Wassers auf den Teilen oder der Maschine verbleibende Film wiederum Feuchtigkeit
aus der Luft aufnehmen kann. Kritisch für den Korrosionsschutz auf der Maschine sind auch Bereiche, wo sich Dampfphasen bilden, ohne dass eine ständige Benetzung durch den Kühlschmierstoff erfolgt.
Mittelfristiger Rostschutz wird durch Eintauchen der Werkstücke
.

Hautschutz

Trotz geschlossener Metallbearbeitungsmaschinen lässt sich der Kontakt von Haut und Kühlschmierstoff nicht immer vermeiden. In seltenen Fällen kann es zu Hautirritationen kommen. Daher sollten im Vorfeld notwendige Voraussetzungen für einen effizienten Hautschutz erfüllt werden. Hier ergeben sich drei Ansatzpunkte:

A) Die Kühlschmieremulsion sollte sauber gehalten und gefiltert werden.
Überwachung und Kontrolle der Flüssigkeiten sollte eingehalten werden: Stabilität, Konzentration und pH-Wert Arbeitskleidung: Putzlappen, die zur Reinigung von Werkstücken und Maschinen dienen, dürfen nicht zum Abwischen der Hände benutzt werden. Hände nicht in der Emulsion waschen!

B) Verwendung von aminfreien Kühlschmierstoffen, da diese einen niedrigeren durchschnittlichen pH-Wert besitzen und eine niedrige Pufferkapazität (ggü. pHVeränderungen) besitzen.

C) Hautschutz und Hautpflege: Hände mit fetthaltigen, wasserunlöslichen Hautschutzsalben vorbeugend einreiben.

Werkzeugmaschine

Kühlschmierstoff und Werkzeugmaschine sind zwei wichtige Faktoren im Produktionsprozess, die zusammenpassen müssen, sonst sind Störungen und unnötige Kosten vorprogrammiert.

Kühlschmierstoffmenge

Wichtig ist eine entsprechend der Maschinenleistung hinreichend große Kühlschmierstoffmenge im Umlauf, also auch ein entsprechend ausgelegtes Behältervolumen. Das Mindest- Behältervolumen errechnet sich nach der Formel:

Behältervolumen (m³) = effektiver Volumenstrom (m³/h) der Pumpe / Umwälzzahl (1/h)

Die Umwälzzahl gibt die Anzahl der theoretischen Umwälzungen der Füllung pro Stunde an. Sie liegt bei wassermischbaren Kühlschmierstoffen bei 6-10.

Dichtungsverträglichkeit

Die Dichtungswerkstoffe der Werkzeugmaschine müssen so ausgelegt sein, daß sie mit den üblichen Kühlschmierstoffen verträglich sind. Bei mineralölhaltigen Kühlschmierstoffen reichen im allgemeinen Standard-Werkstoffe aus Basis Acrylnitril-
Butadien-Kautschuk (NBR) aus.

Mineralölfreie oder halbsynthetische Kühlschmierstoffe, z.B. esterbasische Produkte, erfordern zumeist Sonderwerkstoffe auf der Basis Fluorkautschuk (FPM) oder Perfluorkautschuk (FFKM) bzw. hydriertem Nitrilkautschuk (HNBR).

Maschinenanstriche

Die Werkzeugmaschinen sollte mit Zweikomponentenlacken, also lösungsmittelfreien oder lösungsmittelarmen Epoxidharzen und Polyurethanen mit chemisch oder thermisch vernetzen Bindemitteln, lackiert sein. Dies gilt für Grundierung sowie
Deckanstrich bei einwandfreier Vorbehandlung durch Sandstrahlen, Entfetten, Phosphatieren o.ä.

Kühlschmierstoffsysteme/ Multifunktionsöle

Bei niedrigen Befüllungskosten der Maschinen besitzen Kühlschmieremulsionen hervorragende Kühlwirkung, einen geringen Schmierstoffaustrag und ein niedriges Brandrisiko. Dennoch werden sich wassermischbare Kühlschmierstoffe langfristig
nur durchsetzen können, wenn bei geringerem Wartungs- und Pflegeaufwand die Wechselintervalle verlängert werden können.

Der Eintrag von Fremdöl in den Kühlkreislauf führt zu Leistungseinbußen bei der Oberflächengüte und der Werkzeugstandzeiten, zudem werden der Pfegeaufwand und die Kühlschmierstoff-Wechselkosten erhöht. Unvermeidbare Lecköle aus der Hydraulikanlage der Werkzeugmaschine erhöhen die Bakterienanfälligkeit und das Gesundheitsrisiko der Kühlschmieremulsion.

Die Betrachtung der angewandten Schmierstoffe einer Werkzeugmaschine als ein miteinander verknüpftes System führte zu der Entwicklung von Multifunktionsölen für die Metallbearbeitung. Kühlschmieremulsionen mit hohem Fremdöleintrag können
durch speziell entwickelte Schmierstoffe ersetzt werden.

 

 

 
 
 

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Sicherheitsdatenblätter mit Informationen für den Gebrauch nach REACH, finden sie hier.