Dieser Beitrag soll helfen, einen Einblick in die Grundöle und die Möglichkeiten heutiger Umformöle zu geben.

Anders als im Zahngetriebe oder bei der Zerspanung treten bei der Umformung große plastische Verformungen des Werkstückes auf, die im Werkzeug ihr Gegenlager finden. Mit fortschreitender Kaltumformung steigen Zugfestigkeit, Härte und Streckgrenze des Werkstücks. Der Umformschmierstoff hat die anspruchsvolle Aufgabe, nicht nur als Pufferzone zu fungieren, sondern auch Wärme und Verschmutzung abzuführen. Um diesen Anforderungen entsprechen zu können, werden Umformöle sehr aufwendig und komplex formuliert und bestehen zu ca. 30-95% aus Grundölen und zu 5-70% aus Additiven. Bereits hierdurch wird der sehr große chemische Unterschied seitens möglicher Formulierungen ersichtlich. Traditionell finden ölbasierte Umformöle Anwendung. Neuartige Esteröle bieten erhebliche Potentiale seitens Performance – Arbeitssicherheit – Umwelt.

Aufbau der Umform-Schmierstoffe

Ein Großteil der bei der Kaltumformung eingesetzten Umformöle wurden historisch auf Basis von Mineralölen hergestellt. Etwa seit 1980 werden auch synthetische Öle in der Metallbearbeitung eingesetzt. Zunächst bildet ein Grundöl den Grundbaustein. Je nach Herstellverfahren unterscheidet man konventionelle, durch Raffination aus Rohöl gewonnene Mineralöle oder in chemischen Verfahren hergestellte Syntheseöle. Das American Petroleum Institute (API) hat Grundöle in fünf Kategorien eingeteilt [1]. Die ersten drei Gruppen werden aus Rohöl raffiniert und bezeichnen mineralische Grundöle.

Gruppe I: Zu dieser Gruppe gehören die am wenigsten behandelten Öle paraffinischer oder naphtenischer Natur, zumeist durch Vakuumdestillation hergestellt. Gruppe I-Grundöle haben einem erhöhten Anteil an Aromaten und weniger als 90% gesättigter Komponenten. Der Schwefelgehalt liegt bei >0,03%. Die Öle der Gruppe I lösen sich relativ leicht auf und haben einen Viskositätsindex zwischen 95 bis 105. Verwendet werden sie hauptsächlich für einfache Getriebe- und Hydrauliköle. Hochviskose Qualitäten werden besonders für Anwendungen in Industrieschmierstoffen mit guten Temperatur- und Lastvermögen eingesetzt. Der Anteil an Gruppe I-Grundölen wird sich zukünftig jedoch stark zugunsten der Gruppe II und III Grundöle verlagern.

Gruppe II: Grundöle der Gruppe II, mit mehr als 90% gesättigter Komponenten, durchlaufen ein mildes Hydrocracking (Hydroion und eine katalytische Entparaffinierung) Der Schwefelgehalt liegt bei ≤0,03%. Verunreinigungen werden entfernt und diese Öle hierdurch klar und hell in der Farbe. Der Viskositätsindex liegt bei 95 bis 120. Diese Öle haben eine verbesserte Oxidationsstabilität und ein besseres Verdampfungsverhalten und hohen Flammpunkt. Sie werden für moderne, mineralische Motorenöle verwendet.

Gruppe III: Grundöle der Gruppe III werden einem vollständigen Hydrocracking, Hydroisomerisierung und Hydrodesulfurierung und einer erweiterten Entparaffinierung unterzogen und erreichen somit die höchste Stufe der Mineralölraffination. Dieser längere Prozess ist darauf ausgelegt, ein reineres Grundöl zu erreichen. Diese Öle zeichnen sich durch eine sehr gute Oxidationsstabilität aus und haben einen Viskositätsindex über 120. Sie werden auch für synthetische und teilsynthetische Schmierstoffe verwendet.

Gruppe IV: Bei der Gruppe IV handelt es sich um chemisch hergestellte, synthetische Grundstoffe, sogenannte Polyalphaolefine (PAO's). Diese sind stabil und einsetzbar bei hohen und tiefen Temperaturen sowie bei Feuchtigkeit. Polyalphaolefine haben eine hervorragende Alterungs- und Oxidationsstabilität und einen Viskositätsindex über 140.

Gruppe V: Alle weiteren Produktgruppen an Grundölen werden in der Gruppe V zusammengefasst. Hierunter fallen auch die Esteröle für die immer wichtiger werdenden biogenen Schmierstoffe aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen. Die ersten einfachen ungesättigten Esteröle haben diese Grundöle vor ca. 20 Jahren stark mit negativen Schlagzeilen aufgrund schlechter Performance belegt. Heutige synthetische Esteröle haben eine hohe Oxidationsstabilität und eine sehr niedrige Verdampfungsquote (auch niedriger als PAO's). Themen wie Hydrolyse- oder Säureneigung spielen in der Praxis keine Rolle mehr. Die für die Massivumformung so wichtige Umformleistung, die bei diesen Esterölen herausragend ist, unterstreicht die herausragende Performance dieser Produktgruppe für diese Anwendung.

Die herausragenden Eigenschaften der Esteröle für die Kaltmassiv- und Blechumformung basieren auf:

• erhöhten Haftungseigenschaften: Ein starker und anhaltender Schmier- und Trennfilm haftet bipolar auf Werkzeug und Werkstück.
• minimierten Verdampfungsverlusten/Rauchbildung und erhöhter Alterungsstabiliät: Die stabilen Molekülketten und deren Polarität hemmen Vercracken, Verdampfen und Oxidieren.
• intrinsischen Reinigungseigenschaften: Saubere Ölkreisläufe und gute Filtrierbarkeit durch hohes Dispergiervermögen.
• Nachhaltigkeit und Bio-(Umform)-Schmierstoffe: Esteröle bilden oft die Grundlage für Eco-Designed-Products / nachhaltige Rezepturen

Bewertung

Die Bewertung der umfassenden Nachhaltigkeit kann mittels Lubriscore erfolgen. Die Bewertung eines Bio-(Umform)-Schmierstoffes auf dessen Umweltverträglichkeit erfolgt zumeist nach OECD 301. Für die Kaltmassivumformung bieten die pflanzenbasierten Esteröle der EXTRUGLISS GREEN-Reihe diese Performance, sind 3-mal effizienter als klassische mineralölbasierte Fließpressöle und ermöglichen die Umformung schwierigster Werkstücke bei gleichzeitiger Verbesserung der Werkzeugstandzeit. Hervorzuheben sind zudem die positiven Eigenschaften seitens Mensch – Maschine – Umwelt!

Bei der Blechumformung sind die Anforderungen an den Umformschmierstoff auch beeinflusst durch die unterschiedlichen Reibungsverhältnisse, speziell auch bei großflächigen Automobilteilen. Durch geeignete Schmierstoffe in den Bereichen Ziehkantenrundung und Niederhalter/Ziehring wird Reibung reduziert und beeinflusst positiv die Oberflächenbeschaffenheit am Werkstück sowie die nötige Umformleistung. Eine gute Schmierung der Stempel, speziell der Radien/Rundungen, vermindert den Werkzeugverschleiß und sichert eine hohe Werkstückqualität.

Hohe Taktzeiten und Anforderungen seitens Entfettung, Lackhaftung aber auch Arbeits- und Umweltschutz erweitern die Rezepturen. Hier sind die esterbasierten Stanz- und Umformöle der NEAT GREEN-Reihe innovativ.

Ölwartung und Pflege

Thermische Belastungen, mechanische Scherspannungen und chemische Reaktionen strapazieren das Umformöl und lassen es altern. Verunreinigungen durch Fremdöle (Maschinenschmieröl, Hydrauliköl, Ziehöl,…), Fette und Reinigungsmittel oder auch Wasser führen zu diversen Reaktionen und Instabilitäten. Mechanische Verunreinigungen (Metallabrieb, Staub,…) belasten das Umformöl zusätzlich.

Die regelmäßige Ölwartung und Pflege sowie begleitende Ölanalysen geben dem Anwender einen Statusbericht zum Zustand und der Leistungsfähigkeit des Umformöls und helfen, evtl. notwendige Maßnahmen zu planen und die Nutzungsdauer der Umformöle zu maximieren.

Zusammenfassung

Durch ein gutes Zusammenwirken und Optimieren aller Fertigungsfolgen können moderne Umformöle helfen, das Teilespektrum von anderen Herstellungsverfahren hin zur Kaltumformung positiv zu verlagern. So können zuvor warm umgeformte Werkstücke bei gewissen Geometrien (z.B.: Achszapfen, Getriebewellen, Hohlwellen,...) nun auch kalt umgeformt werden und somit Kosteneinsparungen erreichen. Alternativ zur Zerspanung finden wir beispielsweise beim Kaltfließpressen von Zahnrädern sehr interessante und anspruchsvolle Massivumformungen seitens Technik und Umformöl. Moderne und speziell angepasste Umformöle unterstützen die Fertigungstechnik zudem bei der Erweiterung klassischer Verfahrensgrenzen auch hin zur Near-net-shape-Fertigung.

Verbesserungen am Werkstück seitens der Oberflächenbeschaffenheit aber auch Spannungsverhalten können ebenso durch einen passenden Umformschmierstoff erzielt werden, wie Erhöhungen von Werkzeugstandzeiten und Reinigungsintervallen, sowie eine saubere und optimierte Arbeitsumgebung.

Literatur:

[1] (API 1509, Anhang E 03.2015)

www.api.org/~/media/files/certification/engine-oil-diesel/publications/anne-rev-03-25-15.pdf

www.condat-schmierstoffe.de