Massivumform-Schmierstoffe Massivumformung geht auch ohne Phosphat

Autor: Stéphane Itasse

Um die Umwelt zu schonen und Energie zu sparen, haben im Rahmen eines öffentlich geförderten Verbundprojektes ein Schraubenhersteller, ein Schmierstoffanbieter und ein Drahtwerk mit einem Hochschulinstitut die Entwicklung phosphatfreier Schichten für die Massivumformung in Angriff genommen – mit Erfolg.

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In der Massivumformung waren Phosphatschichten 60 Jahre lang Stand der Technik – jetzt geht es auch anders.
In der Massivumformung waren Phosphatschichten 60 Jahre lang Stand der Technik – jetzt geht es auch anders.
(Bild: Spax/Silvia Kriens)

Früher haben wir fast ausschließlich mit verkupfertem Draht gearbeitet“, berichtet Stefan Harke, der als Bereichsleiter bei Spax die Presserei und den Betriebsmittelbau verantwortet. Bis zu 50 Mio. Schrauben pro Tag stellt das Unternehmen in Ennepetal her – immer mit den gleichen hohen Qualitätsansprüchen.

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Vor etwa vier Jahren wollte Spax jedoch ganz auf Nachhaltigkeit setzen und entschloss sich zu einem gewagten Schritt: dem Einsatz von phosphatfreien Beschichtungen. „Die Entsorgung von Phosphatbädern, aber auch von Kupferbädern wird mit Reach früher oder später Probleme verursachen“, erwartet Harke. „Außerdem hätten wir uns mit einer Umstellung auf phosphatierte Drähte prozesstechnische Schwierigkeiten wie die Deltaferrit-Bildung ins Haus geholt.“ Darüber hinaus ist die Dephosphatierung der Drähte in der Produktion relativ kompliziert. Deshalb setzt der Schraubenhersteller nur in Ausnahmefällen noch phosphatierten Draht ein.

Phosphatfreier Schmierstoff muss bei der Massivumformung viel leisten

Doch die tribologischen Anforderungen an den Schmierstoff bei der Drahtumformung sind hoch. „Der Ölfilm darf nicht abreißen, weil sonst das Werkzeug beschädigt wird. Die Matrizen sind aus Hartmetall und entsprechend teuer, da ist eine lange Standzeit wichtig“, erläutert Harke. Für die Werkzeugstandzeit wiederum spielen der Schmierstoff und die Drahtbeschichtung eine zentrale Rolle.

„Den Wunsch nach einer phosphatfreien Halbzeugbeschichtung für die Massivumformung gab es in der Industrie schon seit vielen Jahren“, sagt Dr. Jens Ostrowski, Leiter Forschung und Entwicklung Prozessfluide/Umformtechnik des Schmierstoffherstellers Bechem in Hagen. Doch auch wenn die Entphosphatierung und die Entsorgung der Phosphatschlämme teuer sind – die Phosphatschichten sind seit 60 Jahren Stand der Technik und alle Teilnehmer in der Wertschöpfungskette sind darauf ausgerichtet. Dennoch gelang es, in einem Forschungsprojekt eine Alternative zu entwickeln. „Das ist eine grundsätzliche Angelegenheit. Sowohl für Spax als auch für uns gilt: Wir wollen den Stand der Technik definieren“, sagt Ostrowski.

Zwei wichtige Vorgaben zur Entwicklung der zinkphosphatfreien Beschichtung

„Ein Mikroskop macht sichtbar, was die Zinkphosphatierung so nützlich für den Umformprozess macht: Die raue Oberfläche bietet dem Schmierstoff genügend Taschen, um den Draht optimal zu benetzen“, erläutert der Bechem-Entwicklungsleiter die Rolle der Beschichtung. Für die Entwicklung eines Konzeptes zur zinkphosphatfreien Oberflächenbeschichtung des Halbzeugs waren nach seiner Auskunft im Forschungsprojekt zwei Vorgaben ausgearbeitet worden: Zum einen sollte das Gewicht der Beschichtung auf dem Draht reduziert werden, um den Abrieb bei der Verarbeitung und damit die Verschmutzung der Maschinen zu vermindern – das wiederum erhöht die Prozesssicherheit. Zum anderen sollte die Beschichtung nicht chemisch, sondern physikalisch auf der Oberfläche haften. „Das hat zwar Nachteile bei den ganz hohen Umformgraden, dafür lässt sich die Beschichtung aber leichter abreinigen“, sagt der Bechem-Experte. Als erfolgreich erwies sich schließlich ein wasserbasierter Schmierstoff, bei dem spezielle Wachsmischungen als Träger für die tribologisch wirksamen Festschmierstoffe aufgebracht werden. Erwärmt sich der Draht, verdampft das Wasser, die Wachsmischungen schmelzen – und der Schmierstoff bleibt auf der Drahtoberfläche zurück. „Die resultierende Schichtauflage ist dabei so dünn, dass sich der Draht anfühlt, als ob er nicht beschichtet wäre. Aber es funktioniert“, berichtet Ostrowski.

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