Wisura Fuchs Ausnutzung der Tribologie fürs Umformen, Stanzen und Feinschneiden

Autor / Redakteur: Joachim Schulz / M.A. Frauke Finus

Tribologie, die Lehre von Reibung, Verschleiß und Schmierung ist keine „graue Theorie“, sondern sehr hilfreich, wenn es Verbesserungen und damit Kosteneinsparungen in technischen Prozessen geht. Die Tribologie macht auch um die Blechumformung, das Stanzen und das Feinschneiden keinen Bogen. Der nachfolgende Artikel soll einige Aspekte hierzu beleuchten.

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Ein wesentlicher Aspekt der Tribologie ist die Frage nach den Zusammenhängen und der Vorhersagbarkeit von Phänomenen im Bereich der Metallbearbeitung. Welcher Schmierstoff führt bei welcher Kombination von Werkzeug- und Werkstückmaterial zum optimalen Ergebnis?
Ein wesentlicher Aspekt der Tribologie ist die Frage nach den Zusammenhängen und der Vorhersagbarkeit von Phänomenen im Bereich der Metallbearbeitung. Welcher Schmierstoff führt bei welcher Kombination von Werkzeug- und Werkstückmaterial zum optimalen Ergebnis?
(Bild: Fuchs Wisura)

Ein wesentlicher Aspekt der Tribologie ist die Frage nach den Zusammenhängen und der Vorhersagbarkeit von Phänomenen im Bereich der Metallbearbeitung. Welcher Schmierstoff führt bei welcher Kombination von Werkzeug- und Werkstückmaterial zum optimalen Ergebnis. Optimal in Hinsicht auf Ökologie (minimale Belastung von Mensch und Umwelt) und Ökonomie (maximale Werkzeugstandzeit und Ausbringung pro Zeiteinheit) sowie Vermeidung von Schädigung der bearbeiteten Metalloberflächen. Die Beeinflussung der zukünftigen Eigenschaften eines Bauteils als Folge der Vorbehandlung ist heute von zentraler Bedeutung für dessen Lebensdauer.

Aber fangen wir vorne an, warum werden überhaupt Schmierstoffe in der Umformung benötigt? Die wesentlichen Gründe für den Einsatz von Schmierstoffen sind: eine sichere Trennung von Werkzeug und Werkstück; möglichst lange Werkzeugstandzeit; definierte Werkstückoberfläche und vor allem Minimierung von Verschleiß, denn mit der ersten Adhäsion beziehungsweise dem ersten Verschleiß setzt ein eigendynamischer Prozess ein. Darüber hinaus sollte der Schmierstoff auch eine zuverlässige Schmierung der Werkzeugaktivelemente garantieren und aus Sicht des Arbeit- und Umweltschutz unproblematisch sein.

Aber ein Schmierstoff ist kein „Wunder- oder Allheilmittel“, er ist nicht in der Lage schlecht konstruierte beziehungsweise schlecht gefertigte Werkzeuge zu verbessern, Stellungsfehler im Werkzeug auszugleichen, ungenügende oder mangelhafte Beschichtungen ausgleichen und schon gar nicht vorgeschädigte Werkzeuge bzw. deren Oberflächen zu „heilen“.

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Was der Schmierstoff aber unbedingt können sollte, ist, dass er perfekt zum Gesamtprozess passt, das heißt:

  • Aufbringen des Schmierstoffs - Beölung der Werkstücke
  • Stanzen / Feinschneiden / Umformung (eventuell mit erneuter Zwischenbeölung)
  • Nachbehandlung der gefertigten Teile (Reinigung / Schleifen / Gleitschleifen)

Das optimale Aufbringen des Schmierstoffs beinhaltet, dass Schmierstoff und Applikationstechnik zueinander passen, also die Viskosität, die für den Umform- oder Stanzprozess notwendig ist, auch mit der Anlage gleichmäßig, ökonomisch, ökologisch (kein Vernebeln der Umgebung) und vor allem reproduzierbar in der notwendigen Schichtdicke aufgetragen werden kann. Ziel ist in jedem Fall eine Trennung der Metalloberflächen von Werkzeug und Werkstück über den gesamten Umformprozess zu gewährleisten. Nach erfüllter Aufgabe darf der Schmierstoff nicht zu Korrosionserscheinungen führen und sollte einfach zu entfernen sein.

Der Schmierstoff muss zum Gesamtprozess passen

Doch nicht nur eine gleichmäße Schmierstoffschicht in der für den Prozess optimalen Viskosität erbringt hohe Werkzeugstandzeiten, vielmehr spielt die physikochemische Wechselwirkung der Schmierstoffe und der darin enthaltenen Additive eine oft unterschätzte Rolle. Ein entscheidender Aspekt in diesem Wechselspiel ist dabei die Metalloberfläche selbst, d.h. wie diese chemisch aufgebaut ist. Letztlich handelt es sich bei den Schmierstoffen um chemische Gemische, die als (Re)aktionspartner die Metalloberfläche haben. Bisher wurde und wird diesem Umstand wenig bis gar keine Rechnung getragen. In der Fachliteratur der letzten 70 Jahre wird ein Modell gepflegt, dass nur sehr begrenzte Aussagen zulässt, wie sich ein Schmierstoff in der Metallbearbeitung verhält. Dieses „alte“ Modell geht von chemisch homogenen (meist mit Oxiden bedeckten) Metalloberflächen aus und definiert die Bildung von Reaktionsschichten. Das ist schon ein kleiner Widerspruch in sich, da Oxide eher reaktionsträge sind. Ganz besonders prekär wird die Lage, wenn versucht wird, diese „Erkenntnisse“ in Simulationsmodelle, wie sie derzeitig oft verwendet werden, mit einzubeziehen. Mit einfachen Reibungskoeffizienten, ermittelt auf tribologischen Testmaschinen, führte bisher keine Simulation zu brauchbaren Ergebnissen hinsichtlich des Schmierstoffs.

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Allgemein bekannt ist, dass rostfreie Stähle von einer Chrom- / Nickeloxidschicht, je nach Legierung in wechselnden Verhältnissen, bedeckt sind. Bei anderen Metallqualitäten wird angenommen, dass Oxide auf der Metalloberfläche vorhanden sind, die (je nach Literaturquelle) mal flächendeckend und mal inselförmig angenommen werden. Öfter ist auch über so genannte „(re)aktive Zentren“, um die die Additive bei der Adsorption konkurrieren, berichtet worden. Diese „reaktiven Zentren“ sollen „beweglich“ sein, das heißt sie sind auf einer diskreten Metalloberfläche nicht ortsfest. Leider ist die Literaturlage zum letzten Punkt sehr nebulös. Wirkliche Einblicke auf und in den atomaren Aufbau von Metalloberflächen sind erst mit modernen analytischen Methoden zum Beispiel SIMS (Sekundärionenmassenspektroskopie) und SNMS (Sekundärneutralteilchen-Massenspektroskopie) möglich. Dabei wurde die Existenz von Hydroxy-Gruppen (-OH) nachgewiesen. Diese OH-Gruppen sind an Metall gebunden. Eine relativ „frische“ Oberfläche ist überwiegend mit Hydroxiden bedeckt, die sich mit der Zeit und in Abhängigkeit des Metalls selbst in Oxide umwandeln. Additive können also nur mit Oxiden, Hydroxid-Gruppen beziehungsweise Metall-Ionen wechselwirken. Generell können die Additive nach ihrem Aufbau in drei große Gruppen unterteilt werden, Additive die bevorzugt Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können (Sauerstoffhaltige Moleküle, zum Beispiel Alkohole, Ester), ionische (zun Beispiel saure Phosphorsäurester, Carbonathaltige-Additive) und nichtionische Stoffe (zum Beispiel Chlorparaffine, Polysulfide). Die ionischen Additive werden sicher bevorzugt mit den Metall-Ionen korrespondieren. Die nichtionischen Additive sollten in der Lage sein, sich sowohl mit den Oxiden, als auch mit den Hydroxid-Gruppen zu arrangieren.

Nun ist es wohl an der Zeit eine Erklärung zu geben, warum unterschiedlich additivierte Produkte in der Praxis auch ohne Bildung einer Reaktionsschicht funktionieren und deutliche unterschiedlich Leistungen zeigen können. Das „neue“ Modell geht konsequent von der Vorstellung aus, dass Stahl (Kohlenstoffstahl) mit Hydroxiden und Oxiden und dass rostfreier Stahl mit einer festhaftenden Oxidhaut bedeckt ist. Wie schon eingangs erwähnt sind chemische Reaktionen mit Oxiden kaum möglich. Trotzdem funktionieren Schmierstoffe auf beziehungsweise mit diesen Oberflächenstrukturen. Letztlich sind die Metalloberfläche oder besser gesagt die auf ihr vorhandenen Strukturen für die Art der Wechselwirkung mit dem Schmierstoff beziehungsweise den darin enthaltenen Additiven verantwortlich. Es verhält sich wie mit einem Schlüssel und einem Schloss, entweder passen beide zueinander oder eben nicht. Übertragen auf Additive und Metalloberflächen heißt das, dass bestimmte Klassen von Additiven nur mit bestimmten chemischen Strukturen auf der Metalloberfläche optimal zusammen passen. Sind diese Strukturen nicht vorhanden oder schon blockiert, ist das Additiv im Schmierstoff nahezu wirkungslos. Nach den oben beschriebenen Ergebnissen sind die drei, im „neuen“ Modell postulierten, (Re)aktionswege möglich:

Additive und Oberflächen müssen zusammen passen

  • Mechanismus 1: Wasserstoffbrückenbindungen (ausserhalb der Metallbearbeitung für viele Vorgänge in der Natur verantwortlich, zum Beispiel das Wasser flüssig ist; Geckos auch auf sehr glatten Oberflächen laufen können ecetera)
  • Mechanismus 2: Ionische Wechselwirkungen (liegen zum Beispiel auch in Kochsalz vor)
  • Mechanismus 3: Adsorption

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Mechanismus 1 und 2 finden an ein und derselben Molekülgruppe (Hydroxide) statt und stehen somit in einer gewissen Konkurrenz (antagonistischer Effekt) bzw. beide Mechanismen unterstützen sich zumindest nicht gegenseitig. Liegen auf einer Metalloberfläche sowohl Hydroxidgruppen und oxydische Gruppen vor, sollten sich Mechanismus 1 und 3 beziehungsweise Mechanismus 2 und 3 gegenseitig unterstützen, das heißt da sich die Mechanismen 1 und 3 beziehungsweise Mechanismus 2 und 3 jeweils mit unterschiedlichen Gruppierungen arrangieren, sollte ein synergistischer Effekt zu beobachten sein.

Die häufig diskutierte Frage der Temperatur

Eine weitere Frage ist, wie viel Zeit einem Additivmolekül in der Metallbearbeitungsflüssigkeit bleibt, im eigentlichen Prozess der Metallbearbeitung mit der Metalloberfläche in Wechselwirkung zu treten. Deshalb sollte, wenn über Wechselwirkung von Additiven nachgedacht wird, stets die zu Verfügung stehende Zeit einkalkuliert werden. Metallbearbeitungsprozesse sind mehr oder weniger schnell, das heißt die für chemische Reaktionen von Additiven aus Flüssigkeiten mit Metalloberflächen ist relativ kurz. Auch die hohen Temperaturen haben nur geringen Einfluss. Eine durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit von 60 m/min vorausgesetzt bedeutet, dass 1 mm Oberfläche 1 ms im Eingriff ist, wenn das Werkzeug einen Querschnitt von 1 mm hat. In einer ms entsteht also 1 mm frische Oberfläche. Oder um es auf die Größenordnung „Nano“ zu beziehen, 1000 nm sind bei der oben genannten Bearbeitungsgeschwindigkeit genau eine millionste Sekunde im Eingriff. Die Zeit die einem Schmierstoffadditiv-Molekül zur Verfügung steht ist also eher kurz.

Praktiker könnten jetzt sicher einwenden, dass die Temperaturen in der Metallbearbeitung sehr hoch sind und chemische Reaktionen auch deutlich schneller ablaufen können. Diese Aussage stimmt auf den ersten Blick. Deshalb ist die Frage nach den Temperaturen, die bei der Berührung von zwei Flächen auftreten können, und die Zeitdauer dieser „erhöhten“ Temperatur eine der in der Tribologie am meist diskutierten Fragen. Zum einen gehen viele davon aus, das Additive von Schmiermitteln eine Aktivierungsenergie benötigen, um mit der Metalloberfläche zu reagieren. Zum anderen sollte aber in Betracht gezogen werden, dass Reaktionsschichten, wenn sie denn überhaupt entstehen, nur bis zu ihrem Schmelzpunkt wirksam sind. Hohe Temperaturen bewirken auf der anderen Seite aber etwas ganz anderes. Jeder, der schon mal mit einer heißen Bratpfanne zu tun hatte, kennt den Effekt, dass ein Öltropfen in dieser Situation nichts eiligeres zu tun hat, als sich aus der heißesten Zonen (Mitte der Pfanne) in kältere Gefilde, also an den Rand zu bewegen. Dieser Effekt (Maragoni-Effekt) wird von Herrn Stehr eingehend in seinem Buch „Die Bratwurst und der Lagerschaden“ eingehend beschrieben. Von diesen neuen Theorien ausgehend gelang es der Fuchs Wisura GmbH eine neue Generation von Feinschneidölen zu konzipieren, frei von Chlorparaffinen und klassischen Schwefeladditiven. Die ersten Tests erfolgten bei der Feintool Technologie AG in Lyss, schon auf dem Kundenwerkzeug. Das Ergebnis war überraschend, gleich beim ersten Mal gelang es die neuen rein theoretischen Erkenntnisse zur Wechselwirkung von Additiven mit Metalloberflächen in der Praxis positiv bestätigt zu bekommen. Auch der Uhrenhersteller zeigte sich zufrieden und führte das neue Produkt als Standardsorte in sein Unternehmen ein. Verbrauchsvolumina in der Uhrenindustrie sind gering. So wurde nach weiteren Absatzmöglichkeiten gesucht. Es stellte sich heraus, dass das neue Produkt nicht nur zum Feinschneiden, sondern auch für die Umformung geeignet ist. Durch seine hohe Leistungsdichte ist es auf der einen Seite möglich auch schwer umzuformende Materialien, wie rostfreie Edelstähle, zu verformen. Auf der anderen Seite werden aber empfindliche Metalle, wie Buntmetalle oder Aluminium, nicht verfärbt.

Zahlreiche weitere Einsatzfälle in der Praxis bestätigten, dass die konsequente Anwendung und Ausnutzung von tribologischen Erkenntnissen zu deutlich höheren Werkzeugstandzeiten führt und damit ein ökonomisch wichtiger Faktor ist.

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