Spanende Fertigung Feindispers und langzeitstabil

Der Werkstoff Magnesium gewinnt aufgrund seines geringen Gewichtes immer mehr an Bedeutung. Im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie Stahl und Aluminiumlegierungen ist die Zerspanung von Magnesium, insbesondere mit wassergemischten Kühlschmierstoffen, recht problematisch. ...

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Der Werkstoff Magnesium gewinnt aufgrund seines geringen Gewichtes immer mehr an Bedeutung. Im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie Stahl und Aluminiumlegierungen ist die Zerspanung von Magnesium, insbesondere mit wassergemischten Kühlschmierstoffen, recht problematisch. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Magnesium leicht mit Wasser reagiert. Dabei bilden sich Wasserstoffgas und gelöste Magnesiumsalze. Aus der Wasserstoffentwicklung resultiert eine beachtliche Brandgefahr und die gelösten Magnesiumsalze rufen Ablagerungen an Werkzeugen hervor. „Normale“ wassermischbare Kühlschmierstoffe, die beim Zerspanen von Stahl und Aluminiumlegierungen problemlos einsetzbar sind, haben sich beim Zerspanen von Magnesiumlegierungen als ungeeignet gezeigt. Außer der bereits erwähnten Wasserstoffentwicklung und den Ablagerungen an Werkzeugen führt die Belastung durch die Magnesiumsalze sehr rasch zu einer Spaltung der Kühlschmierstoffemulsion.Wasserstoffbildung ist stark reduziertBei der laborseitigen Entwicklung eines wassermischbaren Kühlschmierstoffes ist es häufig problematisch, Einflüsse und Gegebenheiten in der Praxis in den Labormaßstab zu übertragen. Das Auflösen von elementarem Magnesium, die daraus resultierende Aufsalzung und spätere Spaltung einer Kühlschmierstoffemulsion konnte hingegen mühelos im Labor nachvollzogen werden. Dazu wurden Magnesiumspäne entfettet, getrocknet und die zu prüfenden Kühlschmierstoffemulsionen damit versetzt. Im Anschluss wurden diese Abmischungen in offenen Glasgefäßen über mehrere Wochen hinweg bei Raumtemperatur gelagert. Täglich erfolgte nach intensivem Umrühren des Emulsion/Magnesium-Gemisches eine Messung der pH- und Leitwerte der Emulsionen. Bei „normalen“ Kühlschmierstoffemulsionen, also mineralölhaltigen Produkten, die mit Erfolg beim Zerspanen von Stahl und Leichtmetalllegierungen Verwendung finden, wurde bereits nach wenigen Tagen ein starker Anstieg der pH-Werte und Leitwerte festgestellt. Der Anstieg der Messwerte ist auf die Bildung von gelösten Magnesiumsalzen zurückzuführen. Gleichzeitig bildet sich Wasserstoffgas, das aus den Emulsionen entweicht. Die Bestimmung der Gasmenge ist etwas aufwändig, weshalb darauf verzichtet worden ist. Zeitgleich mit der Aufsalzung der Emulsionen nahm die Emulsionsstabilität der untersuchten Produkte kontinuierlich ab. Nach relativ kurzer Zeit war bei einigen Kühlschmierstoffemulsionen bereits eine Emulsionsspaltung zu beobachten. Diese Stabilitätsprüfungen waren die Ausgangsbasis für umfangreiche Entwicklungsarbeiten im Zentrallabor der Chemischen Werke Kluthe. Im Anschluss wurde im ersten Schritt versucht, bestehende Kühlschmierstoffformulierung durch Inhibitorzusätze derart zu modifizieren, dass die Bildung von Magnesiumsalzen und Wasserstoffgas gehemmt und dadurch eine bessere Emulsionsstabilität erzielt wird. Nach wenigen Versuchsreihen wurde jedoch festgestellt, dass damit nur minimale Verbesserungen erzielt werden konnten und dass eine grundsätzlich neuartige Zusammensetzung des Kühlschmierstoffes erforderlich ist.Die Entwicklungsarbeiten führten schließlich zu der Kühlschmierstoffformulierung mit der Bezeichnung Hakuform 70-73 MG. Dieses Produkt basiert auf einer Mineralöl-Esteröl-Kombination und ist borfrei. Bei den erwähnten Stabilitätstests wurden mit diesem neuen Kühlschmierstoff hervorragende Resultate erzielt. Die Bilder 1 und 2 zeigen, dass die pH-Werte und Leitwerte bei diesem Kühlschmierstoff deutlich geringer ansteigen als bei einem typischen Allround-Kühlschmierstoff. Die Bildung von elementarem Wasserstoff ist dementsprechend stark reduziert. Die mit Magnesiumspänen versetzte Kühlschmierstoffemulsion lag nach einer Lagerdauer von drei Monaten noch absolut stabil vor.Bei einem Metall verarbeitenden Unternehmen in Österreich werden eine Vielzahl von Bearbeitungsmaschinen, in denen vornehmlich Magnesium zerspant wird, aus einer 36-m3-Zentralanlage mit Kühlschmierstoffemulsion versorgt. Weil keine speziellen wassermischbaren Kühlschmierstoffe für die Magnesiumzerspanung zur Verfügung standen, wurde die Zentralanlage ursprünglich mit einem normalen Kühlschmierstoff befüllt. Die sich daraus ergebenden Probleme waren gravierend. Nach kurzer Einsatzdauer war die Emulsion bereits derart instabil, dass kontinuierlich Additive und Stabilisatoren zugesetzt werden mussten. Bedingt durch die starke Aufsalzung der Emulsion sind massive Ablagerungen an den Bearbeitungswerkzeugen aufgetreten, die häufig einen Maschinenausfall zur Folge hatten. Ablagerungen an Werkzeugen wurden abgebautAufgrund der positiven Resultate, die im Labormaßstab und in einzelbefüllten Bearbeitungsmaschinen mit dem neuen Kühlschmierstoff erzielt worden sind, wurde die Zentralanlage mit diesem Kühlschmierstoff befüllt. Nach einer Einsatzdauer von mehr als einem Jahr sind inzwischen alle Beteiligten, sowohl der Anwender als auch der Kühlschmierstofflieferant, von den überaus positiven Eigenschaften des Kühlschmierstoffes ein wenig überrascht. Die Kühlschmierstoffemulsion bleibt absolut stabil und sehr feindispers. Die Spüleigenschaften der Emulsion sind derart ausgeprägt, dass salzartige Ablagerungen an den Bearbeitungswerkzeugen aus der Vergangenheit inzwischen nahezu vollständig abgebaut worden sind. Wöchentliche Untersuchungen der Emulsion zeigten in den ersten Monaten einen Anstieg der Leitwerte und der Magnesiumkonzentrationen in der Emulsion. Mittlerweile haben sich jedoch konstante Werte eingestellt. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass nach Erreichen einer bestimmten Grenzkonzentration die Magnesiumsalze ausfallen. Diese rufen jedoch keine Ablagerungen an den Bearbeitungswerkzeugen hervor, sondern werden über die Filtrationseinrichtungen und Separatoren größtenteils abgetrennt. Bei sorgfältiger Pflege der Emulsion und kontinuierlicher Abtrennung der ausgefallenen Magnesiumsalze sind mit dem Kühlschmierstoff Hakuform 70-73 MG Emulsionsstandzeiten von mehr als einem Jahr zu erreichen.