DE202009018507U1

DE202009018507U1 - Niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte Schmierstoffzusammensetzung

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Publication number: DE202009018507U1
Application number: DE202009018507U
Authority: DE
Original assignee: CARL BECHEM GmbH; Fraunhofer Institut fuer Verfahrenstechnik und Verpackung IVV
Current assignee: CARL BECHEM GmbH; Fraunhofer Institut fuer Verfahrenstechnik und Verpackung IVV
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2011-12-06
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: BRPI0908001A2; WO2009106359A1; EP2250244A1; DE102008011781A1

Abstract

Einphasige niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte Schmierstoffzusammensetzung mit einem mittleren Wassergehalt von > 80 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierstoffzusammensetzung mineralölfrei ist und mindestens einen polymeren Schmierstoff enthält, der im Temperaturbereich zwischen 10°C und 90°C wasserlöslich ist.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Tribologie, speziell den Aufbau und die Verwendungsmöglichkeiten von Schmierstoffen vorwiegend für die spanende Metallbearbeitung und zum Hochleistungsschleifen, insbesondere für die Hartmetallbearbeitung und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2008 011 781.1 vom 28. Februar 2008 in Anspruch.
Die DIN 51502 und speziell die DIN 51385 definieren allgemein Schmierstoffe und speziell Kühlschmierstoffe für die Metallbearbeitung:
Schmierstoff: Ein flüssiges, plastisch-festes, festes oder gasförmiges Medium, das die Aufgabe hat, bei gleitendem oder rollendem Kontakt zweier sich aufeinander bewegender Punkte, Linien oder Flächen Reibung und Verschleiß zu mindern. Nach DIN 51502 werden die Schmierstoffe in verschiedene stofflich unterscheidbare Gruppen eingeteilt.
Als Schmierstoffe im engeren Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere Stoffe oder Stoffgemische verstanden, die eine Reibungsverminderung der Basisflüssigkeit (hier: Wasser) bewirken, die zur Verbesserung der tribologischen Belastbarkeit eine Erhöhung des Flächendrucks um mindestens 10 N/mm², eine Erhöhung der spezifischen Flächenpressung um mindestens 1.000 N/cm² und/oder eine Erhöhung der Traglast um mindestens 1.000 N Gutlast, aufweisen. Diese Eigenschaften lassen sich mit dem Fachmann bekannten Verfahren bestimmen, so zum Beispiel mit Brugger-Verschleißprüfstand, Reichert-Reibverschleiß-Waage und Shell-Vier-Kugel-Apparat (VKA).
Kühlschmierstoff: Gemäß dieser Einteilung werden Kühlschmierstoffe als Öle S aufgelistet. Die DIN 51385 definiert diejenigen Stoffe als Kühlschmierstoffe, die zum Kühlen und Schmieren beim Trennen und teilweise beim Umformen von Werkstoffen, insbesondere von Metallen benutzt werden.
In der Gruppe der Kühlschmierstoffe werden die sog. wassermischbaren Kühlschmierstoffe (genannt Konzentrate), die vor der Anwendung mit Wasser gemischt werden und die Gruppe der sog. nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffe, die unverdünnt eingesetzt werden, beschrieben.
Die nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffe werden überwiegend aus Mineralölen oder Esterölen hergestellt, besitzen eine artgerechte, für die Verwendung als Schmierstoff zur Metallbearbeitung spezifische Viskosität, die üblicherweise zwischen V₄₀ ≤ 3 und 1.000 mm²/s bei 40°C Liegt. Wassermischbare Kühlschmierstoffe stellen in der anwendungsgemäßen wässrigen Verdünnung eine echte Lösung oder Emulsion mit der äußeren Phase Wasser dar. Diese wässrigen Verdünnungen weisen Viskositäten auf, die in Abhängigkeit der Konzentration des Konzentrates in Wasser Viskositäten von 0 < V₄₀ ≤ 3 mm²/s bei 40°C ergeben.
Die spanende Metallbearbeitung wird in der DIN 8580 (Trennen) gegliedert u. a. in die Verfahren:
• Zerspanen
Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik werden Fluide, mit einer Anwendungsviskosität von V₄₀ > 3 mm²/s zur Metallzerspanung auf Basis von nichtwassermischbaren Grundflüssigkeiten wie Mineralöl und Ester verwendet oder wassergemischte Kühlschmierstoffe mit einer Anwendungsviskosität von V₄₀ < 3 mm²/s bei 40°C.
Aufgrund der thermodynamischen Daten dieser Fluide ist die technisch nutzbare Kühlwirkung begrenzt auf die Verwendung niedrigviskoser Flüssigkeiten.
Schleifen gehört als 3. Untergruppe der Fertigungsverfahren (Trennen) nach DIN 8580 zur Gruppe des Zerspanens mit geometrisch unbestimmter Schneide (DIN 8589 T0):
Urformen
Umformen
Trennen: u. a. Schleifen mit rotierendem Werkzeug
Fügen
Beschichten
Stoffeigenschaften ändern
Dieses Fertigungsverfahren wird immer dann angewandt, wenn hohe Oberflächengüten des Werkstücks gefordert sind oder aufgrund der Werkstoffbeschaffenheit andere Bearbeitungsverfahren nicht geeignet sind. Typische Beispiele hierfür liefern die Herstellung von Werkzeugen und Zahnräder für den Getriebebau.
Nahezu ausschließlich wird unter Verwendung von Kühlschmierstoffen nach DIN 51385 geschliffen, deren Hauptaufgaben in der Kühlung des Prozesses, der Schmierung der Reibpartner und im Abtransportieren der Späne liegen.
Der Stand der Technik erlaubt bisher zur Zerspanung von Metallen und deren Legierungen nur die Verwendung von wässrigen, sehr gut kühlenden niedrigviskosen Kühlschmierstoffen bzw. nichtwässrigen, mittel- bis hoch viskosen, gering kühlenden Kühlschmierstoffen.
Beispiele, die den Stand der Technik beschreiben
Beispiel 1
Im Zuge der Herstellung von Zahnrädern für die Getriebefertigung gehören Finishprozesse wie Honen unter Verwendung von mineraölbasierten Kühlschmierstoffen mit einer Viskosität von V₄₀ ca. 10 mm²/s bei 40°C zur bisherigen Fertigungskette. Das frühzeitige Zusetzen der Honwerkzeuge, die aufwendige Reinigung der Zahnräder sowie die Temperaturentwicklung während des Prozesses bedeuten hohen Fertigungsaufwand neben den enormen Kosten für die Entfernung der Öldämpfe und -nebel, die Installation von Brand- und Explosionsschutzmaßnahmen sowie die damit verbundenen Versicherungsaufwendungen.
Beispiel 2
Hochwertige Vollhartmetallwerkzeuge werden überwiegend durch Schleifbearbeitung mit Diamant oder CBN-Schleifwerkzeugen hergestellt. Die Verwendung von mineralöl- oder esterbasierten nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen beschreibt hierbei den Stand der Technik. Als Maßstab für die Leistungsfähigkeit dieses tribologischen Konzeptes kann das Zeitspanvolumen Q'w (mm³/mms) angesehen werden. Für den vorstehend beschriebenen Fertigungsablauf sind bisher Q'w von 3–7 mm³/mms in der Fertigung stabil realisiert worden.
Die derzeitige Kenntnis unter Anwendung des grundlegenden Standes der Technik lässt für die spanende Metallbearbeitung folgende Regel erkennen: Bearbeitungsverfahren, die überwiegend hohe Anforderungen an die Kühlfähigkeit des Schmierstoffs stellen, werden vorzugsweise mit wassergemischten Kühlschmierstoffen realisiert, während Bearbeitungsverfahren, die überwiegend hohe Anforderungen an die Schmierfähigkeit des Schmierstoffs stellen, vorzugsweise mit viskositätseingestellten nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen beherrscht werden.
Es existiert somit keine Möglichkeit im Zuge von zerspanenden Metallbearbeitungsoperationen, die Kühlfähigkeit von Wasser mit der viskositätsnotwendigen Schmierfähigkeit von nichtwassermischbaren Basisfluiden zu verbinden.
Die derzeitige Kenntnis unter Anwendung des grundlegenden Standes der Technik lässt für das Schleifen folgendes Prinzip erkennen: Da bei diesem Bearbeitungsverfahren sehr hohe Temperaturen auftreten können (bis zu ca. 1.000°C) werden höchste Anforderungen an die Kühlfähigkeit des Schmierstoffs gestellt, somit vorzugsweise wassergemischte Kühlschmierstoffe eingesetzt, deren Hauptnachteil in der meist zu geringen Schmierfähigkeit zu sehen ist. Dieser grundlegende Widerspruch zwischen Kühlung und Schmierung wird dem Stand der Technik entsprechend dadurch versucht zu lösen, dass vorzugsweise mit niedrig viskosen nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen geschliffen wird.
Es existiert somit keine Möglichkeit für Schleifprozesse, die Kühlfähigkeit von Wasser mit der viskositäts-notwendigen Schmierfähigkeit von nichtwassermischbaren Basisfluiden zu verbinden.
Ziel der Erfindung ist es, Schmierstoffe für die Metallbearbeitung zur Verfügung zu stellen, die mittels stabil eingestellter Viskosität die Kühlwirkung von Wasser nutzt, um thermisch anspruchsvolle Bearbeitungsvorgänge mit wassermischbaren Schmierstoffen zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung gemäß Anspruch 1 eine einphasige, niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte Schmierstoffzusammensetzung mit einem mittleren Wassergehalt von > 80% vor, die Polymere enthält. Diese Zusammensetzung ist mineralölfrei und enthält einen polymeren Schmierstoff, der in den Temperaturbereich von 10°C bis 90°C wasserlöslich ist.
Bei diesen Polymeren handelt es sich vorzugsweise um übliche Verdickungsmittel, die nach dem Stand der Technik bisher nur zur Einstellung der gewünschten Viskosität einer Schmierstoffzusammensetzung eingesetzt wurden. Es war bislang aber unbekannt, dass diese Verdickungsmittel selber Schmierstoffeigenschaften aufweisen, d. h. dass diese Verdickungsmittel Schmierstoffe im Sinne der Erfindung darstellen. Daraus folgt, dass die erfindungsgemäßen Schmiermittelzusammensetzungen auf die notwendige Verwendung weiterer Schmierstoffe, d. h. anderer Schmierstoffe als die erwähnten Verdickungsmittel auskommen können. Die Verdickungsmittel können somit die einzigen Schmierstoffe in der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung sein.
Die Erfindung ermöglicht erstmalig Hochleistungswerkzeuge mit wasserbasierten Schmierstoffen schleiftechnisch so zu bearbeiten, dass deutlich höhere Leistungsdaten (bis ca. 30%) realisiert werden können. Überraschenderweise zeigen die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten nämlich bereits ohne jeglichen Zusatz von leistungsverbessernden Additiven eine deutliche bessere tribologische Leistung als Mineralöl und Wasser. Ein beispielhafter Vergleich ist in Tabelle 1 angegeben.
Mineralöl, als die üblicherweise eingesetzte Basisflüssigkeit von nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen, stellt den Bezugspunkt für die Entwicklung der erfindungsgemäßen neuen Basisflüssigkeit dar. Tribologische Prüfsysteme wie z. B. Reichert-Reibverschleiß-Waage, Brugger-Verschleißprüfstand und Shell-Vier-Kugel-Apparat, erlauben die Differenzierung hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften.
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Verwendungen der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung sind Gegenstand entsprechender neben- bzw. untergeordneter Ansprüche.
Der Einsatz von Schmierstoffen wird entscheidend mitbestimmt von seinen Fähigkeiten, u. a. die arbeitsmedizinische Belastung der Anwender zu minimieren, das Gefährdungspotential durch Brand und Explosion auszuschließen und geringste negative Auswirkung auf die Umwelt zu bieten.
Mineralöl- oder esterbasierte Kühlschmierstoffe belasten den Arbeitsplatz unvermeidlich mit Schmierstoffdämpfen und beaufschlagen die Werkstücke und das Umfeld mit gefährlichen Ölverschleppungen. Kühlschmierstoffe besitzen als Gefahrstoffe einen Luftgrenzwert, der als Summenwert aus Anteile des Dampfes und des Aerosols bestimmt wird. Als Leitsubstanz werden hier Kohlenwasserstoffe bestimmt.
Wenngleich die tribologische Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Flüssigkeiten nachgewiesen ist, zeigen diese überraschenderweise selbst bei extremer Verwirbelung im praktischen Einsatz (z. B. Schleifen) keinerlei Tendenz zur Vernebelung und Bildung von sicherheitsrelevanten rutschigen Belägen im Maschinenumfeld. Weithin besteht aufgrund der erfindungsgemäßen Zusammensetzung keinerlei Brand- und Explosionsgefahr. Aufgrund der völligen Mineralölfreiheit wird der Luftgrenzwert für Kühlschmierstoffe (10 mg/m³ Dampf und Aerosol) sicher eingehalten.
Für die betriebliche Praxis bedeuten diese Eigenschaften erhebliche Kosteneinsparungen, da weder spezielle Absaugungen noch Brandschutzanlagen nötig sind.
Wassergemischte Kühlschmierstoffe sind anfällig gegen mikrobiellen Befall durch Bakterien, Pilzen und Hefen. Um eine ökonomisch sinnvolle Gebrauchsdauer zu erzielen, müssen deshalb erhebliche Mengen an Bioziden (Bakterizide und Fungizide) zugegeben werden, die als wichtige Nebenwirkung u. a. allergische Reaktionen bei Menschen auslösen können.
Somit bestand eine weitere Aufgabe darin, einen wasserbasierten Schmierstoff zu entwickeln, der möglichst ohne Biozide weitgehende Bioresistenz aufweisen soll und in der betrieblichen Praxis somit nicht zu Geruchsbelästigung durch mikrobiellen Befall („Montagsgeruch”) führt.
Überraschenderweise zeigte sich, dass die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten eine außergewöhnliche biologische Stabilität aufweisen und bereits ohne den Zusatz von Bioziden zu langer Gebrauchsdauer fähig sind, ohne dass eine gravierende Veränderung der Eigenschaften wie z. B. der Viskosität deutlich wird.
In wässrigen Systemen, die mit metallischen Oberflächen im Kontakt stehen, besteht eine wesentliche Aufgabe darin, trotz des hohen Wassergehaltes der Arbeitsflüssigkeit, die vor Korrosion schützenden Inhaltsstoffe auf der Metalloberfläche so zu fixieren, dass ausreichender Korrosionsschutz gewährleistet ist. Die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten, denen wasserlösliche Korrosionsschutzkomponenten zugesetzt wurden, bilden einen flächendeckenden Film auf der Werkstückoberfläche, der überraschenderweise Korrosionsschutz bietet und dennoch leicht wieder abgewaschen werden kann.
Flüssigkeiten weisen eine substanzspezifische Viskosität auf, die durch Zugabe von speziellen Additiven anwendungsgerecht verändert werden kann; hierzu gehören vorwiegend Polymere (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie; Römps Lexikon der Chemie sowie Dieter Klamann „Schmierstoffe und verwandte Produkte", Herstellung, Eigenschaften, Anwendung; Verlag Chemie, Weinheim, 1982; S. 84 ff).
Bekanntermaßen wirken diese auch als sog. Viskositäts-Index-(VI)-Verbesserer bezeichneten Polymere sehr effektiv in nichtwassermischbaren Flüssigkeiten, wie z. B. Mineralölen und Esterölen.
Bei Verwendung von Wasser als polare Flüssigkeit hingegen werden wasserlösliche Polymere, wie z. B. Zellulosederivate, Zucker, Zuckerderivate, Polyvinylpyrrolidon-Verbindungen erfolgreich eingesetzt.
Viskose wässrige Fluide sind insbesondere dann als Kühlschmierstoffe technisch verwendbar, wenn weitere Anforderungen ebenfalls erfüllt werden, wie Korrosionsschutz gegenüber Eisen-, Aluminium- und Buntmetallen und ihren Legierungen, tribologische Wirksamkeit im Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück, Stabilität gegenüber mikrobieller Besiedlung, hohe Spül- und Netzwirkung zur Entfernung von Abrieb und Spänen aus der Zerspanungszone und Erfüllung aller Auflagen gemäß Europäischem Chemikalienrecht.
Durch das erfindungsgemäße Eintragen von Polymeren in Wasser werden Viskositäten von 2–46 mm²/s (40°C) erhalten, die die Einstellung der schmierstofftypischen ISO Viskositätsklassen nach ISO 3448 oder DIN 51 519 (ISO-Klassen von 2 bis 46) erlauben, wie in Tabelle 2 anschaulich gezeigt ist.
Je nach den verwendeten Mischungsverhältnissen und der Auswahl der geeigneten Additive können mit den erfindungsgemäßen Stoffgemischen alle üblichen ISO-Viskositätsklassen erzeugt werden. Überraschenderweise weisen die völlig wasserlöslichen Polymermischungen hohe Scherstabilität und Stabilität in Wasser auf und können unabhängig von der Temperatur hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Zugabe von Korrosionsschutz-, Schmierungs-, Verschleißschutzadditiven sowie Netzmitteln und Lösungsvermittlern sichert hierbei der viskosen Wasserlösung alle Eigenschaften zu, die zum Einsatz in der Metallbearbeitung nötig sind.
Die Polymere (Verdickungsmittel) zur Einstellung der Viskosität des Wassers, die erfindungsgemäß verwendet werden können, sind z. B.:

a) natürliche Polymere wie z. B. Polysaccharide des neutralen Scleroglucan-Typs mit Molgewichten von ca. 10⁵ Dalton (beispielsweise Biovis); anionische Polysaccharide mit Molgewichten größer 10⁶ Dalton vom Xanthan-Typ (beispielsweise NovoXan);
b) chemisch modifizierte Polymere auf Basis von Carboxymethylcellulosen, z. B. Natrium-Carboxymethylcellulose mit Viskositäten von 10–40.000 mP·s als 2%-ige Lösung in Wasser (z. B. Walocel-Typen CRT) polyanionische Cellulose mit Viskositäten von 25–5000 mP·s als 2%-ige Lösung in Wasser (z. B. Antisol FL-Typen); weiterhin Cellulose-Typen mit unterschiedlichen Substituenten wie DTKHV oder aH 75 (Handelsbezeichnungen);
c) synthetische Polymere wie der kationische Polyelektrolyt mit mittlerer Ladungsdichte (z. B. Zetag 7563 der Ciba-Geigy) und neutrale Polyvinylpyrrolidontypen mit Molgewichten von ca. 10⁵–10⁶ Dalton.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Verdickungsmitteln (Polymeren), die eine gute Löslichkeit in Wasser haben. Besonders bevorzugt sind diejenigen Polymere, die sich sowohl in kaltem wie auch warmen oder heissen Wasser löslich sind. Als Löslichkeit wird im Sinne der Erfindung folgendes verstanden: Der Eintrag des Polymers in entionisiertes Wasser ergibt eine klare, transparente, homogene Mischung mit proportional steigender Viskosität, die zeitunabhängig konstant bleibt. Diese Löslichkeit ist insbesondere auch bei etwa 10°C sowie 90°C gegeben.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden Verdickungsmittel eingesetzt, die eine Löslichkeit von mindestens 5 Gewichtsprozent des Verdickungsmittels in Wasser bei beliebiger Temperatur vorzugsweise auch bei 10°C sowie 90°C aufweisen und eine Viskosität der Schmiermittelzusammensetzung von bis zu 1.000 mm²/s erlauben, sofern sie als einzige Schmierstoffkomponente in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Salze modifizierter Cellulosen eingesetzt. Diese sind einerseits biologisch stabil und sind andererseits sehr gut wasserlöslich. Sie sind daher auch gut verarbeitbar. Beispiele möglicher modifizierter Cellulosen sind Carboxymethylcellulosen oder Heteroglukan-Strukturen. Besonders bevorzugt sind Salze von Carboxymethylcellulosen, so zum Beispiel das Natrium-Salz der Carboxymethylcelluose.
Die Menge der möglichen polymeren Verbindungen, die geeignet sind um die Viskosität des Wassers zu verändern, ist sehr groß. Folgende Kriterien sollten vorzugsweise erfüllt werden:

a) Wasserlöslichkeit bei Temperaturen von ca. 10–90°C.
b) Hohe Wirksamkeit des Verdickungsvermögens, d. h. geringe Einsatzmengen für die zu erreichende Viskosität.
c) Schmierfähigkeit in Wasser in Brugger-, Reichert- und VKA-Prüfverfahren (s. oben).
d) Hohe mikrobielle Stabilität.

Vorzugsweise ist neben dem Kriterium a) mindestens ein weiteres Kriterium erfüllt.
Die Anforderungen an die physikalischen, tribologischen und ökotoxikologischen Eigenschaften der geeigneten Verdickungsmittel führen zu folgendem bevorzugtem Eigenschaftsprofil: Das Verdickungsmittel sollte organisches Polymer, mit einer temperaturunabhängigen Löslichkeit von mindestens 50 g/1000 g Wasser sein, welches zu einer Viskosität von mindestens 1.000 mm²/s (40°C) führt, und eine tribologische Verbesserung des Lasttragevermögens der Zusammensetzung nach Brugger-, Reichert- und VKA von mindestens 10%, mindestens 20% oder vorzugsweise von mindestens 30% gegenüber mineralölbasierten Schmierstoffzusammensetzungen (siehe dazu beispielsweise Tabelle 1) sowie eine biologische Abbaubarkeit nach der Richtlinie „OECD-Guidline for testing of chemicals No. 301" von höchstens 5% nach 28 Tagen bewirkt.
Unter Berücksichtigung dieses bevorzugten Eigenschaftsprofils können erfindungsgemäß Verbindungen der folgenden Gruppe bevorzugt zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzt werden: natürlichen Polysaccharide vom Xanthan- und Scleroglucan-Typ und der Carboxymethylcellulose-Derivate, insbesondere deren Salze (z. B. Natrium-Salz).
Die Zusatzmengen der erfindungsgemäß eingesetzten wasserlöslichen Polymere zur Einstellung der Viskosität von Wasser liegen bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 5 Gew.-% der wässrigen Phase.
Zur Formulierung des erfindungsgemäßen einsatzfähigen Fluids zur Metallbearbeitung bedarf es ggf. des Zusatzes weiterer Komponenten und Additive. Beachtlich ist jedoch, dass die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung einphasig ist, d. h. alle darin enthaltenen Verbindungen wasserlöslich sind. Dies gilt auch für die funktionellen (also chemisch nicht-inerten) Additive, d. h. auch diese sind wasserlöslich. Dabei ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass chemisch inerte Additive wie zum Beispiel Pigmente in der Zusammensetzung enthalten sind.
So können der erfindungsgemäßen Zusammensetzung insbesondere die folgenden weiteren Komponenten zugesetzt werden:
Korrosionsschutz-Additive bis zu 5%:

Umsetzungsprodukte von Fettsäuren mit mindestens C8-Kettenlänge mit Alkanolaminen wie Monoethanolamin, Triethanolamin, Diglykolamin, Isobutanolaminen oder Hydroxiden wie Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid

Schmierfähigkeitsverbesserer (Lubricity Improver) bis zu 3%:

Wasserlösliche Esterverbindungen und polymere Ethylenoxid (EO)- bzw. Ethylenoxid/Polypropylenoxid (EO/PO)- basierte Glykolverbindungen

Hochdruck-Additive bis zu 3%:

Hierbei handelt es sich um wasserlösliche Phosphorsäurepartialester, neutralisierte geschwefelte Fettsäuren und -ester.

Verschleißschutzadditive bis zu 3%:

Wasserlösliche Phosphorsäurederivate insbesondere neutralisierte Phosphorsäurepartialesterderivate

Netzmittel und Emulgatoren bis zu 5%:

Fettalkoholethoxylate mit mindestens 5 Mol EO (Ethylenoxid) und Ethanolether

Schwermetallinhibitoren bis zu 1%:

auf Basis wasserlöslicher Triazol- und Thiadiazol-Derivate

Als besonders bevorzugte heterocyclische Stickstoffverbindungen mit einer besonders stark inhibierenden Wirkung können z. B. 1 H-Benzotriazol, 5-Methylbenzotriazol, 5-Carboxybenzotriazol, Benzothiazol, 2-Alkylbenzothiazol 2-Mercaptobenzothiazol, 2-Mercaptobenzothiazolsuccinsaure ingesetzt werden. Weitere bevorzugte heterocyclische Stickstoffverbindungen sind Benzimidazol, 2-Alkylbenzimidazol, 2-(5-Aminopentyl)benzimidazol, Benzoxazol und 2-Mercaptobenzoxazol. Heterocyclen mit Alkyl-Seitengruppen verringern die Wasserlöslichkeit und verbessern damit die Langzeitwirkung des Korrosionsinhibitors.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung weist neben dem Verdickungsmittel als Schmierstoffkomponente (bevorzugt als einzige Schmierstoffkomponente) üblicherweise mindestens einen Korrosionsinhibitor auf. Sofern die Zusammensetzung insbesondere auch für die Hartmetallbearbeitung eingesetzt werden soll, sollte sie ggf. noch mindestens einen Schwermetallinhibitor aufweisen.
Additive zur Verbesserung der biologischen Stabilität bis zu 0,5%:

Formaldehydabspaltende Verbindungen, insbesondere Hexahydrotriazinverbindungen, Methylbisoxazolidin-verbindungen; Heterocyclen, insbesondere Benzisothiazolinon-verbindungen, Natriumpyrithion und Isothiazolonverbindungen

Entschäumer bis zu 1%:

Modifizierte Siloxane oder Kieselsäurederivate

Im Rahmen der vorliegende Erfindung kann als eine weitere Schmierstoffkomponente zusätzlich mindestens ein mehrwertiger Alkohol vorgesehen sein, der vorzugsweise ausgewählt ist aus den Gruppen der Polyalkohole und Kohlenhydrate, besonders bevorzugt aus Alkandiolen und Alkantriolen, besonders bevorzugt Glycerin und den davon abgeleiteten Polyethern, sowie Glukose, Arabinose, Ribulose, Fructose und den davon abgeleiteten Oligo- und/oder Polysacchariden und deren Estern und Ethern. Die Menge des Polyalkohols bezogen auf die Zusammensetzung kann dabei mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, mindestens 30% oder mindestens 40% oder mehr betragen.
Die Verdickungsmittel (Polymer), insbesondere die Cellulosen wie Carboxymethylcellulosen (insbesondere Natrium-Carboxymethylcellulose) zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, können vorteilhafterweise in wässriger Form eingesetzt werden. Ganz besonders bevorzugt kommt die Carboxymethylcellulose, insbesondere die Natrium-Carboxymethylcellulose, in Form einer wässrigen Lösung oder Suspension, die unmittelbar aus der Modifikation bzw. Produktion des Polymers entnommen werden kann – und nicht ein getrocknetes Pulver der Cellulose – für die Herstellung der Zusammensetzung zum Einsatz.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung aus nicht getrocknetem modifiziertem Naturpolymer zeigt sich, dass sich die Viskosität der fertig gemischten Schmierstoffzusammensetzung, ggf. nach Zugabe der Additive, im Verlauf mehrerer Tage deutlich weniger ändert als dies der Fall ist, wenn ein trockenes Pulver verarbeitet wurde. Es ist somit bevorzugt, dass das Polymer nach seiner Modifikation direkt in der Schmierstoffherstellung verwendet wird, ohne dass es zuvor eine Trocknung durchlaufen hat.
Besonders vorteilhaft werden die verwendeten Lösungen unmittelbar aus dem Produktionsprozess der Verdickungsmittel, insbesondere modifizierten Naturstoffe entnommen und binnen weniger Tage zu einer Schmierstoffzusammensetzung verarbeitet. Durch die damit erreichte schnelle und homogenere Einstellung der Viskosität können zudem stabilere Verarbeitungseigenschaften erreicht werden. Durch die Verwendung eines Flüssigpolymers kann somit eine viskositätsstabilere Schmierstoffzusammensetzung erreicht werden.
Vorzugsweise sollte ein gewisser Restwassergehalt im Polymer nach der Modifikation nicht unterschritten werden, um die verbesserten Verarbeitungseigenschaften der Polymer-Wasser-Mischung zu erreichen. Besonders bevorzugt sollte der Wassergehalt des modifizierten Polymers nach der Modifikation nicht unter einen Wert von 5% abgesenkt werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann zwar das Verdickungsmittel als trockenes Pulver eingesetzt werden. Dann aber sollte es zum Beispiel bis zu 24 h vorab in Wasser quellen können, um die verbesserten Verarbeitungseigenschaften der Polymer-Wasser-Mischung zu erreichen. Damit können auch Mischungen erreicht werden, die nach ihrer Herstellung über einen längeren Zeitraum, d. h. über mehrere Tage viskositätsstabile Eigenschaften aufweisen.
Durch die verbesserte Viskositätsstabilität der Zusammensetzungen kann der Werkzeugverschleiß minimiert oder die Verarbeitungsqualität verbessert werden.
Beispiel 1
Die Herstellung eines Kühlschmierstoffs der ISO-Viskositätsklasse 5 mit der Viskosität 5 mm²/s bei 40°C erfolgt beispielhaft:
In 97% Wasser werden 1,2% Alkalisierungsmittel, z. B. Alkanolamin oder Alkalihydroxid mit 0,7% Korrosionsschutzsäuren versetzt und bis zur klaren
Umsetzung gerührt (ca. 1 Stunde). Danach werden Netzmittel, Lösungsvermittler, Schwermetallinhibitoren zugesetzt und das Reaktionsgemisch durch Zugabe von 0,6% Polymer (z. B. Antisol FL 30) auf die gewünschte Viskosität eingestellt.
Es resultiert eine klare, viskose Lösung mit einer mittleren Viskosität von 5,0 mm²/s bei 40°C und einem pH-Wert von 9,0–9,3.
Beispiel 2
Die Herstellung eines Kühlschmierstoffs der ISO-Viskositätsklasse 10 mit der Viskosität 10 mm²/s bei 40°C erfolgt beispielhaft:
In 96,5% Wasser werden 1,2% Alkalisierungsmittel, z. B. Alkanolamin oder Alkalihydroxid mit 0,7% Korrosionsschutzsäuren versetzt und bis zur klaren Umsetzung gerührt (ca. 1 Stunde). Danach werden Netzmittel, Lösungsvermittler, Schwermetallinhibitoren zugesetzt und das Reaktionsgemisch durch Zugabe von 0,75% Polymer, z. B. Antisol FL 100 auf die gewünschte Viskosität eingestellt.
Es resultiert eine klare, viskose Lösung mit einer mittleren Viskosität von 10,0 mm²/s bei 40°C und einem pH-Wert von 9,0–9,3.
Beispiel 3
Die Herstellung eines Kühlschmierstoffs der ISO-Viskositätsklasse 46 mit der Viskosität 46 mm²/s bei 40°C erfolgt beispielhaft:
In 93% Wasser werden 2,4% Alkalisierungsmittel mit 1.4% Korrosionsschutzsäuren versetzt und bis zur klaren Umsetzung gerührt (ca. 1 Stunde). Danach werden Netzmittel, Lösungsvermittler, Schwermetallinhibitoren zugesetzt und das Reaktionsgemisch durch Zugabe von 1,45% Polymer z. B. Walocel CRT 1000 auf die gewünschte Viskosität eingestellt.
Es resultiert eine klare, viskose Lösung mit einer mittleren Viskosität von 46,0 mm²/s bei 40°C und einem pH-Wert von 9,0–9,3.
Die neuartigen erfindungsgemäßen wasserbasierten, viskos eingestellten Kühlschmierstoffe erbringen in der betrieblichen Praxis deutlich höhere Leistungen in Hochleistungsschleifapplikationen verglichen zu sowohl konventionellen nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen als auch konventionellen wassergemischten Kühlschmierstoffen und erlauben erstmalig Zeitspanvolumina Q'w (mm³/mms) von ≥ 12 zu realisieren.
Dieses bedeutet die Verdoppelung der Produktivität bei der Herstellung von Werkzeugen ausschließlich durch Einsatz des erfindungsgemäßen wasserbasierten Schmierstoffs.
Ein Beispiel ist die Herstellung von Vollhartmetallwerkzeugen z. B. durch Nutenschleifen; Vergleichskriterien sind das Zeitspanvolumen Q'w (mm³/mms), die Anzahl der Nuten bis zum Abrichten der Schleifscheibe und der Verschleiß der Schleifscheibe. Hierbei wurden Werte erzielt, die in Tabelle 3 aufgelistet sind.
Mit dem neuartigen polymeren Schmierstoff werden Werte erzielt, die bisher weder mit konventionellen nichtwassermischbaren noch mit wassergemischten Kühlschmierstoffen erreicht werden konnten.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern im Rahmen der gesamten Offenbarung vielfach variabel. Tabelle 1

Tribologisches Prüfsystem	Wasser	Mineralöl (ISO-Viskositätsklasse)*			Erfindungsgemäße Flüssigkeit (ISO Viskositätsklasse)**
Tribologisches Prüfsystem	Wasser	10	22	46	10	22	46
Brugger: Flächendruck (N/mm²)	20,7	22,1	24,6	20,0	35,5	30,6	32,2
Reichert: Spez. Flächenpressung (N/cm²)	690	723	771	748	1.990	2.040	2.250
Shell-Vier-Kugel-Apparat: Gutlast (N)	< 1.000	< 1.000	< 1.000	< 1.000	1.800	1.800	1.800

()* ISO viscosity classification for industrial liquid lubricants acc. To DIN 51 519
()** Erfindungsgemäße Flüssigkeiten aus Kapitel 2, Beispiel 1, 2, 3 Tabelle 2

	Viskositäten (mm²/s) bei 40°C
ISO-Viskositätsklasse	mindest	maximal
2	1,98	2,42
3	2,88	3,52
5	4,14	5,06
7	6,12	7,48
10	9,00	11,0
15	13,5	16,5
22	19,8	24,2
32	28,8	35,2
46	41,4	50,6

Tabelle 3

	Konventionell mit nichtwassermischbarem Kühlschmierstoff	Erfindungsgemäßer polymerer Kühlschmierstoff
ISO-VG Klasse	7	7
	7,3 mm²/s	6,2 mm²/s
Aufbau des Schmierstoffs:
– Basisflüssigkeit	ca. 90% Mineralöl	ca. 94% Wasser ca. 0,7% Polymer
– Leistungsadditive	ca. 5% Ester ca. 2% Schwefeladditv	ca. 0,2% Phosphoradditiv
– Sonstige Additive	ca. 2% Posphoradditiv ca. 1% Korrosionsschutzadditiv Entschäumer	ca. 3% Korrosionsschutzaddive ca. 2% Lösungsvermittler ca. 0,1% Entschäumer
Anzahl Nuten	16	40
Verschleiß (mm)	0,08	0,08
Q'w (mm³/mms)	3–7	15

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008011781 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 51502 [0002]
DIN 51385 [0002]
DIN 51502 [0002]
DIN 51385 [0004]
DIN 8580 [0007]
DIN 8580 [0010]
DIN 8589 T0 [0010]
DIN 51385 [0012]
Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie; Römps Lexikon der Chemie sowie Dieter Klamann „Schmierstoffe und verwandte Produkte”, Herstellung, Eigenschaften, Anwendung; Verlag Chemie, Weinheim, 1982; S. 84 ff [0034]
ISO 3448 [0038]
DIN 51 519 [0038]
Richtlinie „OECD-Guidline for testing of chemicals No. 301” [0047]
DIN 51 519 [0072]

Claims

Einphasige niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte Schmierstoffzusammensetzung mit einem mittleren Wassergehalt von > 80 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierstoffzusammensetzung mineralölfrei ist und mindestens einen polymeren Schmierstoff enthält, der im Temperaturbereich zwischen 10°C und 90°C wasserlöslich ist.
Schmierstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung wenigstens einen Korrosionsinhibitor und mindestens einen Schwermetallinhibitor enthält.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierstoffzusammensetzung ein Salz einer modifizierten Cellulose als einzigen polymeren Schmierstoff enthält.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wasserlösliche Polymere im Bereich von 0,2 bis 15 Gew.-% der wässrigen Phase enthält.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu 5 Gew.-% Korrosionsschutzadditive enthalten sind, insbesondere auf Basis von neutralisierten Carbonsäuren mit mindestens C8-Kettenlänge vorzugsweise mit Alkanolaminen wie Monoethanolamin, Triethanolamin, Diglykolamin, Isobutanolamin, oder Hydroxiden wie Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, jeweils allein oder in Kombination.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wasserlösliche Schmierfähigkeitsverbesserer bis zu 3 Gew.-% enthalten sind, insbesondere wasserlösliche Esterverbindungen und/oder polymere Ethylenoxid- oder Ethylenoxid/Polypropylenoxid-basierte Glykolverbindungen.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wasserlösliche Hochdruck-Additive bis zu 3 Gew.-% enthalten sind, insbesondere wasserlösliche Phosphorsäurepartialester, neutralisierte geschwefelte Fettsäuren und/oder -ester.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wasserlösliche Verschleißschutzadditive bis zu 3 Gew.-% enthalten sind, insbesondere Phosphorsäurederivate, vornehmlich neutralisierte Phosphorsäurepartialesterderivate.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Netzmittel und/oder Emulgatoren bis zu 5 Gew.-% enthalten sind, insbesondere Fettalkoholethoxylate mit mindestens 5 Mol Ethylenoxid und Ethanolether.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schwermetallinhibitoren bis zu 1 Gew.-% enthalten sind, insbesondere solche auf Basis wasserlöslicher Triazol- und/oder Thiadiazol-Derivate, wobei beim Schleifen von Hartmetallwerkstoffen die Auslösung von Schwermetallionen verhindert wird.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Additive zur Verbesserung der biologischen Stabilität bis zu 0,5 Gew.-% enthalten sind, insbesondere Formaldehyd-abspaltende Verbindungen, vornehmlich Hexahydrotriazinverbindungen, Methylbisoxazolidinverbindungen, und/oder Heterocyclen, insbesondere Benzisothiazolinon-Verbindungen, Natriumpyrithion und/oder Isothiazolonverbindungen.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Entschäumer bis zu 1 Gew.-% enthalten sind, insbesondere modifizierte Siloxane und/oder Kieselsäurederivate.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass deren Schmierfähigkeit in Brugger-Verschleißschutzprüfungen spezifische Flächenpressungen ≥ 30 N/mm² und in Reichert-Verschleißschutzprüfungen Werte ≥ 2000 N/cm² beträgt.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass deren kinematische Viskosität einen Bereich von etwa 2 bis 1000 mm²/s bei 40°C abdeckt.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Komponente ein mehrwertiger Alkohol enthalten ist.
Schmierstoffzusammensetzung nach 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrwertige Alkohol ausgewählt ist aus den Gruppen der Polyalkohole und Kohlenhydrate, besonders bevorzugt aus Alkandiolen und Alkantriolen, besonders bevorzugt Glycerin und den davon abgeleiteten Polyethern, sowie Glukose, Arabinose, Ribulose, Fructose und den davon abgeleiteten Oligo- und/oder Polysacchariden und deren Estern und Ethern.
Schmierstoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich von bis zu 300°C nichtbrennbar ist.
Verwendung einer Schmierstoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 als wasserbasierter Kühlschmierstoff für die spanende Metallverarbeitung.
Verwendung einer Schmierstoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 als Hydraulik-, Getriebe- und/oder Bohrflüssigkeit.
Verwendung einer Schmierstoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 als wasserbasierte, viskose Kühlschmierstoffe für das Hochleistungsschleifen von Hartmetallwerkzeugen und Zahnrädern.