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Die Erfindung betrifft einen Kühlschmierstoff für die Bearbeitung
von Metallteilen, die zu besonders starker Korrosion neigen.
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Die Verwendung von Kühlschmierstoffen
ist in der Industrie und besonders in der spanabhebenden Metallbearbeitung
und auch bei der spanlosen Metallumformung in vielen Bereichen erforderlich. Viele
mechanische Bearbeitungsverfahren sind ohne Kühlschmierstoffe kaum durchführbar. Kühlschmierstoffe
dienen zur Verringerung der Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück. Diese
haben ferner die Aufgabe, den Verschleiß der Werkzeuge bei der Metallbearbeitung
zu vermindern. Darüber
hinaus haben Kühlschmierstoffe
auch die Aufgabe, die bei der mechanischen Metallbearbeitung durch
15 Reibung entstehende Wärme,
abzuführen,
die vorhandenen sehr hohen Drücke
bei Zerspanungsvorgängen
aufzunehmen und so für
die erforderliche Kühlung
während
des Bearbeitungsprozesses zu sorgen. Die gute Kühlwirkung der Kühlschmierstoffe
beruht hauptsächlich
auf den thermischen Eigenschaften des Wassers, insbesondere auf
seiner im Vergleich zu den Metallen verhältnismäßig hohen Wärmekapazität. Neben diesen Aufgaben haben
Kühlschmierstoffe
während
der mechanischen Bearbeitung für
einen ausreichenden Korrosionsschutz und für eine Abfuhr der Späne zu sorgen.
Aus diesem Grunde müssen Kühlschmierstoffe
unterschiedliche Eigenschaften besitzen, die abhängig sind vom Einsatzfeld und
den damit verbundenen Verfahrensparametern, wie beispielsweise Bearbeitungstemperaturen,
Schnittgeschwindigkeiten und der Art der verwendeten Materialien,
weshalb auch .Kühlschmierstoffe
in unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung eingesetzt werden.
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Kühlschmierstoffe
werden in der DIN 51 385 Nr. l nach ihrer Verwendung definiert und
eingeteilt. Dabei wird von nicht wassermischbaren von wassergemischten
Kühlschmierstoffen
unterschieden. Nach der DIN 51 385 wird unter den Begriffen "wassergemischt" der Endzustand des
fertigen Mediums meistens als Öl-in-Wasser-Emulsion und unter „wassermischbar" der Zustand des
Konzentrates verstanden.
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Im praktischen Sprachgebrauch erfolgt
jedoch meist die Einteilung nach wassermischbaren und nicht wassermischbaren
Kühlschmierstoffen. Kühlschmierstoffe
werden in der betrieblichen Umgangssprache auch als Bohremulsion,
Bohrmilch, Kühlmittel
oder auch als Schleifwasser bezeichnet. Durch die einsetzende Kühlwirkung
ist es möglich, die
erforderlichen Schneidgeschwindigkeiten zu erreichen. Die Schmierwirkung
der wassergemischten Kühlschmierstoffe
ist für
die meisten Bearbeitungsverfahren der spanabhebenden Fertigung ausreichend.
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Bekannt ist es, die Kühlschmierstoffe
im Umlaufverfahren an den einzelnen Maschinen einzusetzen, d.h.
jede Maschine hat einen separaten Behälter zur Aufnahme des Kühlschmierstoffes.
Es gibt jedoch auch technologische Abläufe und Verfahren bei denen
eine zentrale Einheit für
Kühlschmierstoffe
die Maschinen versorgt und die Aufbereitung und Reinigung verbrauchter
Kühlschmierstoffe übernimmt. Wassergemischte
Kühlschmierstoffe
werden üblicherweise
erst beim Verwender hergestellt. Dabei wird durch Vermischen eines
Konzentrates mit Betriebswasser der eigentliche Kühlschmierstoff
hergestellt, häufig
hat das Konzentrat eine Masse von etwa 5-20%des fertigen Kühlschmierstoffes.
Je nach Einsatzfeld oder technischem Erfordernis können aber auch
andere Konzentrationen zum Einsatz gelangen. Als Rohstoffe für Kühlschmierstoffe
werden üblicherweise
sog. Grundöle,
wie beispielsweise Mineralöle (bestehend
aus paraffinischen, naphthenischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen),
Polyethylen- Polypropylenglykolen und Fettsäureester benutzt. Als Fettsäureester
werden auch natürliche Öle, welche
beispielsweise Triglyceride dieser Fettsäuren sind, eingesetzt.
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Natürliche Ole können neben
den Triglyceriden weitere Bestandteile wie freie Fettsäuren, Eiweißstoffe,
Kohlenhydrate, Farbstoffe, natürliche
Inhibitoren wie Vitamin E oder Tocopherol und andere Substanzen
enthalten.
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Natürliche Öle enthalten üblicherweise
je nach Erzeuger und Art des Öls
in den Fettsäure
Komponenten unterschiedliche Mengen an ungesättigten Fettsäuren mit
einer oder mehreren Doppelbindungen im Molekül. Durch die in den Molekülen vorhandenen
Doppelbindungen besitzen diese Verbindungen eine gesteigerte Reaktionsfähigkeit,
mit anderen Verbindungen sich umzusetzen.
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Bekannt ist auch, dass ein Schutz
durch Additive nur begrenzt möglich
ist, was die leichte Abbaubarkeit der Fettöle, sehr stark reduziert. Beim
Einsatz in Wasser mischbaren Kühlschmierstoffen
muss durch verstärkte
Biozidzugabe der Kühlschmierstoff einerseits
mikrobiell resistent gemacht werden, andererseits muss auf Grund
der Hydrolyseempfindlichkeit Art und Menge der Emulgatoren stark
geändert
werden (
DE 19620 084
A1 ).
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Alle gebräuchlichen Kühlschmiermittel enthalten zur
Verbesserung ihrer anwendungstechnischen Eigenschaften eine Reihe
weiterer Substanzen. Zu diesen Stoffen gehören unter anderem Mittel zur
Entschäumung
der Kühlschmierstoffe,
verschiedene Arten von Detergenzien bzw. Emulgatoren, Stoffe zur
Verbesserung des Korrosionsschutzes, Substanzen zur Veränderung
der Viskosität,
Lösevermittler,
Antinebelzusätze,
Farbstoffe, Alterungsschutzstoffe, Festschmierzusätze, Entschäumer, polare
Zusätze
und zusätzliche
Stabilisatoren, die in besonderem Maße die Aufgabe haben, eine
Entwicklung von Mikroorganismen, welche die Funktion von Kühlschmierstoffen
erheblich beeinträchtigen
können,
in vorgeschriebenen Grenzen zu halten.
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Das kann auch beispielsweise dadurch
geschehen, das Substanzen den Kühlschmierstoffen zugesetzt
werden, die im Verlaufe von Monaten bestimmte biozide chemische
Stoffe, wie beispielsweise das Formaldchyd, abspalten, das sich
stabilisierend auf Kühlschmierstoffe
auswirkt.
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Bekannt sind auch Formaldehyd-Depotstoffe wie
Acetale, Aminale, Oxazolidine und Halbacetale von Formaldehyd mit
Amiden und heterocyclischen Verbindungen in Kühlschmierstoffen. Nachteilig
für den
Einsatz solcher Verbindungen ist jedoch, dass Diese Stoffe ein hohes
allergenes und auch toxisches Potential aufweisen. Der Einsatz Dieser
Formaldehyd abspaltenden Stoffe muss im Kühlschmierstoff in verhältnismäßig großen Mengenanteilen
erfolgen, so dass diese Stoffe folglich in den Rückständen der betreffenden Kühlschmierstoffe
in hoher Konzentration auftreten (
DE 196 20 084 A1 ).
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Bekannt sind auch Korrosionsinhibitoren
wie Borax, Natriumbenzoat und Aminseifen und als Anti-Nebel-Additive
wasserlösliche,
hochmolekulare Polymerverbindungen, wie Polyethylenoxid, Polyacrylamid
und Copolymere von Actylamid und/oder Methaciylamid mit ungesättigten
Carbonsäuren
mit 3 bis 5 C-Atomen (
DE
42 17 859 A1 ).
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Nachteilig ist allen bekannten Kühlschmierstoffen
gemeinsam dass die Vielzahl der unterschiedlichen in den Kühlschmierstoffen
eingesetzten chemischen Zusätze
bei unbedachtem Umgang z.B. durch Hautkontakt oder durch Einatmen
der bei der Anwendung entstehenden Aerosole und Dämpfe die Gesundheit
gefährden
kann. Da an Schneidspitzen der Bearbeitungswerkzeuge Span-Temperaturen
bis zu 1 000°C
auftreten können,
finden stoffliche Veränderungen
im Kühlschmierstoff
statt, das heißt
Bildung neuer Substanzen, siehe hierzu Offenlegungschrift
DE 4407 402 A1 .
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Diese Erscheinung zeigt sich bei
der praktischen Anwendung von Kühlschmierstoffen
insbesondere beim Fräsen,
Drehen, Bohren und Schleifen über
viele Jahre als problematisch. Mitarbeiter, die täglichen
Kontakt mit Kühlschmierstoffen
haben, erkranken an Hautbeschwerden. Dies sind hauptsächlichsten
Rötungen,
Jucken und Ekzeme der Haut. Selbst der Wechsel zu anderen Kühlschmierstoffen hatte
bislang zu keiner Änderung
dieser Situation geführt.
Reaktionen der Atemwege werden vereinzelt auch beobachtet. Selbst
bei ordnungsgemäßem Betrieb
handelsüblicher
Kühlschmierstoffe
ist es kaum möglich,
eine Verkeimung wassermischbarer Kühlschmierstoffe durch Mikroorganismen
(Bakterien, Pilze, Hefen) zu vermeiden. Diese Mikroorganismen sind
ubiquitär
vorhanden von können
durch Werkstücke,
Maschinen, Wasser, durch Hautkontakt über das Bedienerpersonal und
durch andere Verunreinigungen in die Kühlschmierstoffe gelangen.
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Mikroorganismen sind auf diese Weise
in wassergemischten Kühlschmierstoffen
stets vorhanden. Diese Mikroorganismen können jedoch durch ihre Vermehrung
und die Art ihrer Stoffwechselprodukte, die in den Kühlschmierstoff
abgegeben werden, die Funktion der Kühlschmierstoffe erheblich beeinflussen.
In Abhängigkeit
von der Stärke
der Besiedlung, gemessen in KBE/ml, kann es zur Bildung unangenehmer
Gerüche,
zur Verminderung des Korrosionsschutzes durch Rostbildung an Stahlwerkstücken oder
Weißrostbildung
an Aluminiumteilen, zum Absinken des pH-Wertes und anderen Veränderungen
kommen. Mit Wasser gemischte Kühlschmierstoffe
müssen
deswegen in bestimmten Zeitabständen
kontrolliert und systematisch durch Zusatz bzw. Ergänzung von
Einsatzstoffen und unter Durchführung
physikalischer Reinigungsmaßnahmen
in Abhängigkeit
vom Grad der 20 Verunreinigung gepflegt werden. Von einigen Mikroorganismen
in den bekannten Kühlschmierstoffen
ist bekannt, dass von ihren Stoffwechsel- und Abbauprodukten gesundheitlich
Gefährdungen
des Personals ausgehen können. Augenmerk
liegt deswegen auf opportunistisch pathogenen Keimen sowie auf allergischen
Wirkungen von Bakterien und Pilzen und der Vielzahl an Chemikalien,
die in den Kühlschmierstoffen
vorhanden sind.
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Die Anforderungen an den Korrosionsschutz durch
Kühlschmierstoffe
sind verhältnismäßig hoch, da
die bearbeiteten Teile vom Kühlschmierstoff üblicherweise
nicht separat befreit werden sondern üblicherweise in entsprechenden
Kästen
von noch anhaftenden Kühlschmierstoffen
abtropfen. Der Rostschutz muss zumindest bis zur nachfolgenden Bearbeitungsstufe
erhalten bleiben.
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Generell werden Korrosionsvorgänge an metallischen
Oberflächen
von Potentialen verursacht, deren Höhe sich entsprechend der elektrochemischen
Spannungsreihe (Normalpotentiale) der Metalle abschätzen lässt.
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Hinzu kommen viele andere äußere und
innere Faktoren, sowie kinetische kontrollierte Vorgänge, die
diese Potentiale in erheblichem Maße beeinflussen. Bei der Bearbeitung
von Verbundmaterialien wie beispielsweise Teilen aus Stahl und Aluminium sind
potentiometrische Untersuchungen geeignet, das Ausmaß der Korrosion
zu erfassen.
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Verbundmaterialien sind generell
durch die Korrosion in besonderem Maße betroffen, da sie zwei verschiedene
Metalle enthalten, die mechanisch fest miteinander verbunden sind
und so eine elektrische Spannung abgeben können sofern die beiden Metalle über einen
Elektrolyten miteinander verbunden sind. Das unedlere Metall von
beiden wird angegriffen und korrodiert im Laufe der Zeit rasch.
Zwischen den beiden Metallen bildet sich ein elektrisches Potential
heraus, welches dazu führt,
dass die Metalle in Abhängigkeit
von den Bedingungen schließlich
immer stärker
angegriffen und korrodiert werden, was schließlich sogar im Extremfall den
vollständigen
Zerfall des Verbundsystems zur Folge haben kann. Es kann auch zu
unerwünschten
Korrosionen an Metallteilen in den fertigen Erzeugnissen kommen.
Die Rostschutzwirkung der Kühlschmierstoffe
wird aber durch weitere Faktoren 15 beeinflusst. So hat die Qualität des für seine
Herstellung verwendeten Wassers einen erheblichen Einfluss. Die
vorherrschende Wasserhärte
aber auch im Wasser vorhandene Konzentrationen von Elektrolyt bildenden
Ionen, wie Chlorid, Sulfat, Nitrat, Nitrit und Ammonium, verschlechtern
die Rostschutzwirkung der eingesetzten Kühlschmierstoffe meist sehr
deutlich. Erschwerend kommt noch hinzu, dass bei längerem Einsatz
der Kühlschmierstoffe
eine zunehmende Verdunstung des Wassers generell nicht zu vermeiden
ist. Auf diese Weise steigen die Konzentrationen der oben aufgeführten Salz
bildenden Ionen im Kühlschmierstoff immer
weiter an. Auch bei der Pflege der Kühlschmierstoffe wird sogar
Wässer
mit z.T. erheblichen Salzgehalten zugesetzt. Aus diesem Grunde enthalten
Kühlschmierstoffe
häufig
Stoffe wie Alkanolamine oder deren Salze, Sulfonate, organische
Borverbindungen, Fettsäureamide,
Aminodicarbonsäuren,
Ester der Phosphorsäure
und Thiophosphorsäure,
DialkyldithiophosphOnate, Mono- und Dialkylarylsulfonate, heterocyclische
Verbindungen wie Benztriazole und weitere Verbindungen, die ein
Rosten bzw. die Korrosion der bearbeiteten Metalloberflächen verhindern
oder zumindest begrenzen sollen. Für die Verarbeitung von Stahl
können
diese Maßnahmen
durchaus geeignet sein.
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Werden jedoch neben Stahl noch edlere oder
unedlere Materialien im Sinne der elektrochemischen Spannungsreihe
verarbeitet, können
sehr schnell spontane Korrosionsvorgänge einsetzen, die besonders
in den Sommermonaten bei erhöhten Temperaturen
zu einem Problem führen
können. Stattfindende
chemischen Reaktionen an der Oberfläche der Metalle werden durch
Temperatursteigerungen zusätzlich
noch beschleunigt. Aus diesem Grunde erscheint eine Herstellung
von Kühlschmierstoffen
in Abhängigkeit
von den konkreten Einsatzfeldern und vom spezifischen Verwendungszweck
eines Kühlschmierstoffes
sehr sinnvoll.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Kühlschmierstoff
mit nachstehend genannten Eigenschaften zu schaffen.
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- – sehr
gute Kühl-
und Schmierwirkung für
Werkstück und
Werkzeug
- – sehr
guter Korrosionsschutz für
Stahl, für
Nichteisenmetalle und für
- – Verbundwerkstoffe
- – toxikologische
Unbedenklichkeit sowie gute Hautverträglichkeit für das
- – Bedienerpersonal
- – Vermeidung
von Schaumbildung hei den Bearbeitungsprozessen
- – hohe
Stand- und Benutzuugszeiten für
die Werkzeuge
- – Realisierung
hoher Arbeitsgeschwindigkeiten
- – hinreichende
thermische Stabilität
des Kühlschmierstoffes
- – Keine
lästige
Geruchsbildung bei längerer
Verwendung desselben
- – Besiedlung
des Kühlschmierstoffes
durch Mikroorganismen sollte nicht stattfinden
- – oder
in den zulässigen
Grenzen bleiben
- – Lackbeschichtungen
und Dichtungen sollen nicht angegriffen werden
- – Kühlschmierstoff
soll leichte herstellbar sein und gut aussehen
- – der
Kühlschmierstoff
soll aus ökologisch
unbedenklichen und leicht abbaubaren
- – Stoffen
bestehen
- – verbrauchte
oder verschüttete
Kühlschmierstoffe sollen
problemlos zu entsorgen sein
- – der
Kühlschmierstoff
soll möglichst
keine Gefahrstoffe enthalten
- – Späne und andere
feste Verunreinigungen sollten sich leicht daraus entfernen lassen
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie mit den
Ansprüchen.
angegeben gelöst.
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Es wurde überraschend gefunden, dass
solche gut einsetzbaren Kühlschmierstoffe
auch ohne die Vielzahl der bekannten chemischen Zusatzstoffe, wie
zum Stand der Technik genannt, realisierbar sind. Das Grundöl, welches
je nach Beschaffenheit für
den Einsatzfall aus Mineralölen,
bestehend aus paraffinischen, naphthenischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen,
synthetischen oder nativen Ölen
oder Fetten sich zusammensetzen kann, wird dazu mit Wasser, dem
eigentlichen Stoff der die Wärme
aus der Span abbebenden Bearbeitung aufnimmt, versetzt und mit einer
geringen Menge einer oberflächenaktiven
Substanz oder einem Gemisch verschiedener oberflächenaktiver Substanzen. Die oberflächenaktive
Substanz erfüllt
unter optimalen Bedingungen gleichzeitig zwei Aufgaben, nämlich den
Korrosionsschutz der eingesetzten metallischen Materialien bei der
Bearbeitung zu gewährleisten
und durch Reduktion der Oberflächenspannung
zu einer ausreichenden Benetzung der metallischen Oberflächen mit
Wasser während
der Bearbeitung zwecks Abfuhr der entstehenden Wärmemengen zu gelangen. Dazu
sind im Vergleich zu üblichen
Kühlschmierstoffen
nur sehr geringe Mengen oberflächenaktiver
Substanzen erforderlich. Eine Schaffung stabiler Emulsionen von
Grundöl
und Wasser ist dabei überraschenderweise
nicht erforderlich. Die in der Patentliteratur zu findenden Stabilisatoren
für Emulsionen
und die Verwendung von Lösungsvermittlern
sowie der Einsatz größerer Mengen
an Emulgatoren ist für
den praktischen Einsatz und für
einen zweckentsprechenden Gebrauch von Kühlschmierstoffen überhaupt
nicht notwendig. Die Schaffung stabiler Emulsionen in den Kühlschmierstoffen
ist für die
an Maschinen zur spanabhebenden. Bearbeitung meist üblichen
Anwendungen im niederen und mittleren Leistungsbereich offensichtlich
ein Vorurteil der Fachwelt, das zu einem erheblichen Einsatz unnötiger Mengen
an Chemikalien in den Kühlschmierstoffen
führt,
verbunden mit höheren
Kosten für
Anschaffung und Entsorgung, Problemen in dermatiologischer Hinsicht
für das
Bedienpersonal und möglichen Gefahren
für die
Umwelt im Havariefall.
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Erfindungsgemäß kann der Einsatz der Mengen
an Substanzen, die für
die Herstellung von Kühlschmierstoffen
erforderlich sind, ganz wesentlich reduziert werden. Beim Stehen
der erfindungsgemäßen Kühlschmierstoffe
bilden sich generell zwei Phasen. In der oberen Phase scheiden sich
vorwiegend die Grundöle
mit entsprechenden Anteilen der geringen Mengen gleichfalls oberfächenaktiver
Verbindungen. Ein 2-Phasensystem zur Anwendung in Kühlschmierstoffen
ist neu, Wird der Kühlschmierstoff
bewegt, z.B. durch einfaches Pumpen, Umschütteln oder Rühren, vereinheitlicht
er sich vorübergehend,
d.h. er hat dann das typisch milchige Aussehen eines Kühlschnierstoffes
und kann zweckentsprechend in den Maschinen für die Metallbearbeitung zum
Einsatz gelangen. Kommt der verwendete Kühlschmierstoff danach wieder
zur Ruhe, trennen sieh die Phasen nach einiger Zeit erneut, usw. Dieses
2-.Phasensystem hat deutliche Vorteile gegenüber den üblichen Kühlschmierstoffen.
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So kann auf den Einsatz von Entschäumern generell
verzichtet werden. Durch die spontane Phasentrennung in Grundöl und Wasser ändert sich die
Zusammensetzung an der Oberfläche
des Kühlschmierstoffes
leicht, was sehr effektiv der Schaumbildung entgegen wirkt und.
Schaumkronen zerfallen. Auch in diesem Falle wird. wieder eine gleiche
Wirkung im Kühlschmierstoff
ohne die Verwendung sonst technologisch, üblicher Zusatzstoffe erreicht. Vorteilhaft
ist daran weiterhin, dass beim längeren Stehen
die sonst unvermeidliche und spontan stattfindende langsame Verdunstung
des Wassers durch Abscheidung der Grundalphase an der Oberfläche reduziert
wird. Ein Verdunsten von Wasser durch eine auf der Oberfläche befindliche „Ölphase" hindurch ist kaum
möglich.
Des weiteren wird der Gasaustausch zwischen der umgebenden Luft
und dem Kühlschmierstoff
beim Stehen sehr stark reduziert bzw. nahezu vollständig unterbunden.
Dies hat für
die Stabilität
der Kühlschmierstoffe
unter praktischen Erfordernissen eine große Bedeutung. Bekanntermaßen kommen
Kühlschmierstoffe
durch die in der Umgebung ubiquitär vorhandenen Mikroorganismen ständig mit
diesen in Kontakt. Bakterien, Hefen und Pilze sind in derartigen
Mischungen stets enthalten. Diese können sich nur dann vermehren
und entwickeln, wenn die erforderlichen Bedingungen vorhanden sind.
Sauerstoff gehört
für aerobe
Mikroorganismen zu. den notwendigen Voraussetzungen. Luft ist in
der auf der Oberfläche
sich abscheiden Grundölphase
nur schwer löslich,
womit das Eindringen des Sauerstoff in das darunter sich befindende
Wasser praktisch unmöglich
wird. Hierauf beruht im übrigen eine
der starken Umweltbelastungen und ökologischen Schädigungen,
die durch herauslaufendes Öl auf
Flüssen,
Seen und Meeren verursacht wird. Bei dem erfindungsgemäßem Kühlschmierstoff
wird, jedoch die „sauerstofftsolierende" Wirkung durch das Öl zur Stabilisierung
der Kühlschmierstoffe
bewusst genutzt. Verwendet man Wasser, welches annähernd frei
ist von Stickstoffverbindungen wie beispielsweise Nitrat, Nitrit
und Ammonium, so können
Mikroorganismen, sofern entsprechende organische Nährstoffe und
die Makroelemente im Kühlschmierstoffen
vorhanden sind, keine Biomasse bilden und sich folglich auch nicht
25 vermehren. Diese Tatsache gilt uneingeschränkt für alle Mikroorganismen bis
auf stickstofffixierende phototrophe Bakterien, welche jedoch zur
Stickofffilterung aus der Luft und Licht als zusätzliche Energiequelle benötigen. Die
Behältnisse,
in welchen sich die Kühlschmierstoffe
befinden, sind in der Regel abgedeckt, stickstofffixierende Bakterien können sich
deswegen in den Behältnissen
der Kühlschmierstoffe
kaum entwickeln. Im Lehrbuch Hans G. SCHLÄGFL „Allgemeine Mikrobiologie" 1969, Georg Thieme
Verlag Stuttgart, heißt
es zu notwendigen Bedingungen für
das Wachstum der Mikroorganismen: „In größeren Mengen werden die Makroelemente
benötigt:
Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff Stickstoff, Schwefel, Phosphor,
Kalium, Calcium, Magnesium, Eisen.
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Im erfindungsgemäßen Kühlschmierstoff ist die Menge
am Makroelement Stickstoff durch. die Zubereitung und die Art der
verwendeten Einsatzstoffe möglichst
gering. Eine Konzentration von Stickstoff von 5 ppm sollte als Richtgröße im fertigen
Kühlschmierstoff
nicht überschritten
werden, optimal sind allerdings Konzentrationen unter 1 ppm. Stickstoff
ist bekanntlich das chemische Element, welches für den Aufbau der Zellstrukturen
aus Eiweiß unbedingt
erforderlich ist. Wird das Makroelement Stickstoff aus einem Medium
verbannt, so sterben die in diesem Medium vorhandenen Mikroorganismen
zwar nicht ab, entwickeln können
sich diese jedoch nicht.
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Auf einen Einsatz von bioziden Stoffen,
die eine Abtötung
der Mikroorganismen im Ktlhlschnierstoff zur Folge haben, kann aus
diesem Grunde verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung,
ohne den Einsatz allgemein üblicher
Stoffe für
die Herstellung von Kühlschmierstoffen
auszukommen, die im Grunde für
die eigentliche zweckentsprechende Wirkung an Werkstück und Maschine nicht
erforderlich sind.Hinzu kommt, dass einem Kühlschmierstoff zugesetzte biozide
Stoffe einen enormen Selektionsdruck auf die in einem Kühlschmierstoff
vorhandenen Mikroorganismen ausüben.
Einige wenige Mikroorganismen überleben schließlich dennoch
unter den Bedingungen in einem üblichen,
biozidhaltigen Kühlschmierstoff.
Sofern entsprechende andere Nährstoffe
noch vorhanden sind, können
sich die Mikroorganismen entwickeln und auch vermehren. Eine solche „Überlebensstrategie" der Mikroorganismen
führt zur
Bildung von Resistenzen gegenüber
eingesetzten Bioziden. Eine vorhandene Resistenz z.B. eines Bakteriums
kann auf artgleiche und in selteneren Fällen sogar auf artfremde Spezies
durch Austausch von Plasmiden zwischen, den Mikroorganismen untereinander übertragen
werden. Derartige biozidresistente Mikroorganismen entwickeln sich
in einem derartigen Kühlschmierstoff
langsam und geben Stoffwechselprodukte an den Kühlschmierstoff ab, die bei
Hautkontakt je nach Empfindlichkeit der Personen und der Vorschädigung der
Haut zu allergischen Reaktionen, Entzündungen, Jucken und zu Infektionen
auf der Haut und an anderen Stellen führen können. Ein weiterer Nachteil
biozidhaltiger Kühlschmierstoffe kommt
noch hinzu.Eine Behandlung von Infektionen auf der Haut und in anderen
Bereichen des menschlichen Körpers,
welche durch resistente Erreger hervorgerufen wurden, erweist sich
inzwischen in. vielen Fällen
aus medizinischer Sicht als zunehmend problematisch. Die infektiösen Keime
sind auf entsprechende Medikamente und viele Verordnungen des Arztes
unempfindlich geworden, die üblicherweise zur
Behandlung dienen sollen. Diese Problematik wird in ihrer Komplexität für die menschliche
Gesundheit noch bedeutsamer, wenn man die großen Mengen der eingesetzten
wassergemischter Kühlschmierstoffe
unter Zusatz biozider Stoffe berücksichtigt,
die derzeit weltweit verwendet werden. Ein bedeutsamer Sachverhalt, der
bei der Diskussion über
Infektionen besonders von Haut und Lunge bisher weitgehend außer Acht
gelassen wurde. Eine wissenschaftliche Erklärung der tiefer liegenden Ursachen
und Mechanismen einer solchen Entwicklung ist nicht der Gegenstand
der vorliegenden Erfindung, soll aber als wichtiger Sachverhalt
ausdrücklich
benannt sein.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlschmierstoffe
besteht darin, dass nennenswerte Konzentrationen an Nitrat und Nitrit,
die in den Kühlschmierstoffen
in bestimmten, regelmäßigen Zeitabständen zu
messen und gemäß TRGS 611
zu erfassen sind, bisher nicht nachgewiesen werden konnten. Die
ermittelten Konzentrationen dieser Stoffe lagen im. Bereich der
Nachweisgrenzen der verwendeten Analysenmethoden. Dieser Sachverhalt
kommt arbeitshygienischen Forderungen der Berufsgenossenschaften
sehr entgegen und schließt
die Bildung von Nitrosaminen, die als Ursache für eine Entstehung bestimmter
bösartiger
Krebserkrankungen erkannt wurden, praktisch.. aus.
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Hinzu kommt weiterhin, dass die Stabilität der erfindungsgemäßen Kühlschmierstoffe
auch ohne Zusatz von Bioziden, schlussfolgernd aus den obigen Ausführungen,
verhältnismäßig groß ist. Geruchsbelästigungen,
die auf eine Entwicklung von Mikroorganismen schließen lassen,
konnten bisher bei Einhaltung der Obergrenze für die angegebene Konzentration
an Gesamtstickstoff nicht festgestellt werden. Dazu müssen Maschinen,
Aggregate und die Kühlschmierstoffe
in regelmäßigen Zeitabständen analytisch
geprüft,
gepflegt und die mögliche Änderung
der Zusammensetzung der Kühlschmierstoffe im
Bedarfsfall durch Zugabe der erforderlichen Einsatzstoffe vorgenommen
werden. Der Einsatz des Anteils und der Art nativer oder synthetischer
Grundöle
im Kühlschmierstoff
ist davon abhängig,
welchen konkreten Belastungen der Kühlschmierstoff an den Maschinen
unterliegt. Ist beispielweise die Spanabhebung der Werkzeuge an
den Maschinen sehr fein, werden große Späne erzeugt, ist die mechanische Separation
einfach und wie lange erfolgt der Oberflächenkontakt und die Wechselwirkung
mit dem Span. Wie groß ist
die Oberfläche,
die durch den Kühlschmierstoff
im Bereich der Maschine und anderer Aggregate benetzt wird? Die
konkreten technischen Abläufe
müssen
geprüft
und die optimale Zusammensetzung für den konkreten Einsatzfall
im Rahmen. der Erfindung innerhalb der angegebenen Grenzen der Zusammensetzung
des Kühlschmierstoffes
ermittelt werden ggf. durch eine praktische oder experimentelle
Prüfung
30 im Labor . Die erfindungsgemäßen Kühlschmierstoffe
können
hergestellt werden in dem man zuvor Konzentrate aus Grundöl, wenig
Wasser, Emulgator und. gegebenenfalls einem Korrosionsschutzstoff
herstellt, dieses Konzentrat transportiert und an der zum Einsatz
des Kühlschmierstoffes
kommenden, Maschine mit Wasser auf die erfindungsgemäße Konzentration
unter Rühren
verdünnt
und nach Homogenisierung des Kühlschmierstoffes
ruhig zur Phasentrennung mindestens 8 Stunden stehen lasst. Dann
ist der Kühlschmierstoff
einsatzbereit. Verwendet werden nur jene Substanzen, die eben zur
Herstellung der Kühlschmierstoffe
notwendig sind, lassen sich dermatologische Probleme bei dem Nutzerpersonal
nahezu vollständig
vermeiden. Nach der DIN 51 360/2 wird die Korrosionsschutzwirkung
von wassergemischten Kühlschmierstoffen
geprüft,
in dem Gussspäne
auf Filterpapier mit dem zu untersuchenden Kühlschmierstoff benetzt werden.
Nach 2 Stunden können
dabei die Korrosionsabzeichnungen auf dem Filterpapier entsprechend
einer Vergleichsskala bewertet werden, wobei der Korrosionsgrad
von 0 bedeutet, dass keine Korrosion sichtbar ist. Diese Methode ist
auf Verbundmaterialien insbesondere auf solche, die potentiell hochkorrosive
Verbindung aus dem Verbund Aluminium-Stahl enthält, nicht anwendbar. Es wurde
eine potentiometrische Meßmethode
bearbeitet, die erlaubt, die Wirkung der Kühlschmierstoffe an den Metallen
sowohl einzeln als auch im Verbund zu prüfen. Die gewonnen Messreihen
ermöglichen die
Ableitung eines korrosionsrelevanten Potentials, dessen Höhe mit der
beobachteten Korrosion an den Materialien unmittelbar oder an den
betreffenden Verbundwerkstücken
gemessen, gut korreliert. Man gelangt zu quantitativen Messergebnissen
und kann so eine optimale Zusammensetzung des Kühlschmierstoffes für einen
konkreten Einsatzfall erarbeiten. Weiterhin können handelsübliche Kühlschmierstoffe
auf deren Korrosionswirkung in Bezug auf die einzusetzenden Materialien
hin geprüft
und untereinander verglichen werden. Darüber hinaus wird es sogar möglich, die
im praktischen Einsatz sich befindenden Kühlschmierstoffe zu untersuchen; man
kann abschätzen,
wie sehr diese sich im Vergleich zu. frisch zubereiteten. Kühlschmierstoff-Mischungen
nach Anwendung über
eine bestimmte Zeit hinweg verändert
haben und für
welchen. Zeitraum die betreffenden Kühlschmierstoffe ungefähr noch verwendbar
sein werden, bis schließlich
die Höhe des
korrosionsrelevanten Potent/als nicht mehr zu akzeptieren sein wird
bzw. wann der betreffende Kühlschmierstoff
entsorgt werden. muss, bevor die Korrosion in Erscheinung tritt.
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Nachstehend wird die Erfindung an
sechs Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Beispiel 1
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Man legt 96,48 kg Wasser vor und
gibt unter Rühren
0,52 kg einer 20 %igen, wäßrigen Lösung von
Kaliumstearat und anschließend
3,0 kg natürliches
Mischöl
mit einer Jodzahl von 5 129 zu. Man rührt kräftig bis sich die Komponenten
zu einer milchigen Mischung vereinheitlicht haben. Anschließend wird
der Rührer
abgestellt und man lässt
die Lösung ruhig
stehen. Innerhalb von Stunden haben sich 2 trübe Schichten gebildet. Nach
einem Tage ist die untere Schicht ziemlich klar geworden. Durch
leichtes Bewegen oder erneutes Rühren
der Mischung oder Umpumpen vereinheitlicht sich diese beiden Phasen: wieder
zur ursprünglichen
milchigen Mischung. Der Ansatz wurde zur Befüllung von Kühlschmierstoff einer Drehmaschine
eingesetzt. Diese Mischung zeigte gegenüber AlSn20Cu vs. Stahl (0,1%C)
bei 17,3° C
ein. Potential von -157 ± 3
mV und gegenüber AlSn20
Cu / Stahl (0,1 %C) vs. S.C.E. ein Potential von -418 ± 10 mV.
Eine Korrosion der eingesetzten Materialien durch Rost- oder Weißrostbildung
konnte sowohl an der Maschine als auch an den Werkstücken während. des
Einsatzes nicht festgestellt werden.. In regelmäßigen Abständen wurden die Potentiale
gemessen und die Zusammensetzung des ursprünglichen Kühlschmierstoffes durch Zugabe
der erforderlichen Komponenten wiederhergestellt und der Kühlschmierstoff
gepflegt. Die Konzentrationen an Nitrat und Nitrit betrugen während der
gesamten Einsatzzeit im. Kühlschmierstoff <0,1 m.g/l. (Nachweisgrenze).
Die gemessenen Keimzahlen. lagen unter den zulässigen Keimzahlen für Bakterien,
Hefen. und Pilze.
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Beispiel 2
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Man legt 6,5 kg Wasser vor und. gibt
unter Rühren
0,52 kg einer 20 %igen, wäßrigen Lösung von
Kaliumstearat und anschließend
3,0 kg natürliches
Mischöl
mit einer Jodzahl von 1.29 zu. Man rührt kräftig bis sich die Komponenten
zu einer milchartigen Mischung vereinheitlicht haben. Danach wird
die erhaltene Mischung unter Rühren
durch Verwendung eines elektrischen Motorrührwerkes in das Vorratsgefäß für einen
Kühlschmierstoff
einer Maschine mit 95 kg 30 Wasser gegeben. Man rührt etwa 15-25
Minuten hochtourig nach bis sich die resultierende milchige Mischung
vereinheitlicht hat. Anschließend
wird der Rührer
abgestellt und man lässt die
Lösung
ruhig stehen. Innerhalb von 8 Stunden haben sich 2 Schichten gebildet.
Nach einem Tage ist die untere Schicht ziemlich klar geworden. Durch leichtes
Bewegen oder erneutes Rühren
der Mischung oder Umpumpen vereinheitlicht sich diese beiden Phasen
wieder zur ursprünglichen
milchigen. Mischung. Der Ansatz kann nach einem Tage an Span abhebenden
Bearbeitungsmaschinen eingesetzt werden. Diese Mischung zeigte gegenüber AlSn20cu
vs. Stahl. (0,1 %C) bei 1.8,5° C
ein Potential von – 159 ± 4 mV
und gegenüber
AlSn20Cu/Stahl (0,1%C) vs. S.C.E. ein Potential von – 420 ± 12 mV.. Eine
Korrosion der eingesetzten Materialien durch Rost- oder Weißrostbildung
oder Korrosion an Werkstücken
bestehend aus Kupferlegierungen konnte sowohl an den Maschinen als
auch an bearbeiteten Formteilen und Verbundmaterialien während des Einsatzes
des Kühlschmierstoffes
nicht festgestellt werden. In regelmäßigen Abständen wurden die Potentiale
gemessen und die Zusammensetzung des ursprünglichen 10 Kühlschmierstoffes
durch Zugabe der erforderlichen Komponenten wiederhergestellt und
der Kühlschmierstoff
gepflegt. Die Konzentrationen an Nitrat und Nitrit betrugen während der
gesamten Einsatzzeit im Kühlschmierstoff <0,1 mg/l (Nachweisgrenze).
Die gemessenen Keimzahlen lagen unter den zulässigen Keimzahlen für Bakterien,
Hefen und Pilze.
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Beispiel 3
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Man legt 3 kg natürliches, pflanzliches Mischöl in einem
leeren Kühlschmierstoffbehälter einer
Maschine vor, gibt unter intensivem Rühren eine 20 %ige Lösung der
Kaliumsalze der C-16 bis (>20 gesättigten
Monocarbonsäuren
mit einem Anteil von 7,3% Kaliumoleat und 96 kg Wasser hinzu. Man
rührt die
Mischung 25 Minuten bis sich die gesamte Mischung zu einer einheitlichen
milchigen Mischung homogenisiert hat. Man lässt noch weitere 30 Minuten
Rühren
und stellt das Rühren
ab. Nach Stehen über
Nacht haben. sich 2 Phasen gebildet. Der Kühlschmierstoff ist jetzt gebrauchsfertig.
Man setzt die Pumpe zur Förderung
des Kühlschmierstoffes
an der Maschine in Betrieb. Das korrosionsrelevante Potential beträgt -496
mV vs. S.C.E., ermittelt durch eine Messreihe von Untersuchungen
an Aluminium und Stahl. Eine sichtbare Korrosion konnte auch nach längerem Gebrauch
selbst über
einen Zeitraum von 6 Monaten sowohl an Stahl als auch an Aluminium und
dessen Legierungen nicht festgestellt werden. In regelmäßigen Abständen wurden
die Potentiale gemessen und die Zusammensetzung des ursprünglichen
Kühlschmierstoffes
durch Zugabe der erforderlichen Komponenten wiederhergestellt und
der Kühlschmierstoff
gepflegt. Die Konzentrationen an Nitrat und Nitrit betrugen während der
gesamten Einsatzzeit im Kühlschmierstoff <0,1 mg/l (Nachweisgrenze). Die
Konzentration an Gesamtstickstoff betrug <1 ppm während der Zeit der Nutzung
des Kühlschmierstoffes.
Der pH-Wert wurde zwischen. 7,5 und. 8,5 gehalten. Die gemessenen
Keimzahlen lagen unter den zulässigen
Keimzahlen für
Bakterien, Hefen und Pilze.
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Beispiel 4
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Man legt 96 kg Wasser vor und gibt
unter Rühren
0,152 kg einer 14,76 %igen, wäßrigen Lösung von
Kaliumseife, 0,12 kg Natriunastearat und anschließend 1,0
kg Mineralöl
zu. Man rührt
kräftig bis
sich die Komponenten zu einer milchigen Mischung vereinheitlicht
haben. Anschließend
wird das Rühren
abgestellt und man lässt
die Lösung
ruhig stehen. innerhalb von 6. Stunden haben sich 2 Schichten gebildet.
Nach einem Tage ist die untere Schicht ziemlich klar geworden. Durch
leichtes Bewegen oder erneutes Rühren
der Mischung oder Umpumpen vereinheitlicht sich diese beiden Phasen wieder
zur ursprünglichen
milchigen Mischung. Der Ansatz ist anwendungsbereit und wurde zur
Befüllung
von Kühlschmierstoff
einer Fräßmaschine
eingesetzt. Das .korrosionsrelevante Potential beträgt -435
mV vs. S.C.E., ermittelt durch eine Messreihe von Untersuchungen an
AlSn20Cu und Stahl mit einem C-Anteil von 0,1 % Eine sichtbare Korrosion konnte
auch nach längerem
Gebrauch selbst über
einen Zeitraum von mehreren Monaten sowohl an Stahl als auch an
Aluminium und dessen Legierungen nicht festgestellt werden. In regelmäßigen Abständen wurden
die Potentiale gemessen. und die Zusammensetzung des ursprünglichen
Kühlschmierstoffes
durch Zugabe der erforderlichen Komponenten wiederhergestellt und
der Kühlschmierstoff
gepflegt. Die Konzentrationen. an Nitrat und Nitrit betrugen während der
gesamten Einsatzzeit im Kühlschmierstoff <0,1 mg/l (Nachweisgrenze).
Die Konzentration an Gesamtstickstoff betrug <0,5 ppm während der Zeit der Nutzung
des Kühlschmierstoffes. Der
pH-Wert wurde zwischen 7,5 und 8,5 gehalten.. Die gemessenen Keimzahlen
lagen unter den zulässigen
Keimzahlen für
Bakterien, Hefen und Pilze.
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Beispiel 5
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Man. legt zur Herstellung eines Konzentrates 5
kg Wasser vor und gibt unter Rühren
0,5 kg 30 einer 15,3 %igen, wäßrigen Lösung von
Kaliumseifen und anschließend
1,1 kg technisches Hydrauliköl
zu. Man rührt
kräftig
bis sich die Komponenten zu einer milchartigen Mischung vereinheitlicht
haben. Danach wird die erhaltene Mischung stehen gelassen und nach
einigen. Tagen zur Maschine transportiert. Unter Rühren wird
das Konzentrat durch Verwendung eines elektrischen Motorrührwerkes
in das Vorratsgefäß für einen
Kühlschmierstoff
einer Maschine mit 95 kg Wasser gegeben. Man rührt etwa 30 Minuten hochtourig
nach bis sich die resultierende milchige Mischung vereinheitlicht
hat. Anschließend
wird der Rührer
abgestellt und man lässt
die Lösung
ruhig stehen. Innerhalb von 13 Stunden haben sich 2 Schichten gebildet.
Nach einem Tage ist die untere Schicht ziemlich klar geworden. Durch
leichtes Bewegen oder erneutes Rühren
der Mischung oder Umpumpen vereinheitlicht sich diese beiden Phasen
wieder zur ursprünglichen
milchigen Mischung. Der Ansatz kann nach einem Tage an Span abhebenden
Bearbeitungsmaschinen eingesetzt werden. Eine Korrosion der eingesetzten
Materialien durch Rost- oder Weißrostbildung oder 10 Korrosion
an Werkstücken bestehend
aus Kupferlegierungen konnte sowohl an den Maschinen als. auch an bearbeiteten
Formteilen und Verbundmaterialien während des Einsatzes des Kühlschmierstoffes
nicht festgestellt werden. In regelmäßigen Abständen wurden die Potentiale
gemessen und die Zusammensetzung des ursprünglichen Kühlschmierstoffes durch Zugabe
der erforderlichen Komponenten wiederhergestellt und der Kühlschmierstoff
gepflegt. Die Konzentrationen an Nitrat und Nitrit betrugen während der
gesamten Einsatzzeit im Kühlschmierstoff <0,1 mg!1 (Nachweisgrenze. Die
gemessenen Keimzahlen lagen unter den zulässigen Keimzahlen für Bakterien,
Hefen und Pilze.
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Beispiel 6
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Man legt 87 kg Wasser vor und gibt
unter Rühren
0,22 kg einer 1 5%igen, wäßrigen Lösung von
Natriumstearat und anschließend
0,83 kg natürliches
Mischöl
mit einer Jodzahl von 112 zu. Man rührt kräftig bis sich die Komponenten
zu einer milchigen Mischung vereinheitlicht haben. Anschließend wird
der Rühren
abgestellt und man lässt
die Lösung ruhig
stehen. Innerhalb von 10 Stunden haben sich 2 trübe Schichten gebildet. Nach
einem. Tage ist die untere Schicht ziemlich klar geworden. Durch
leichtes Bewegen oder erneutes Rühren
der Mischung oder Umpumpen vereinheitlicht sich diese beiden Phasen
wieder zur ursprünglichen
milchigen Mischung. Der Ansatz wurde zur Befüllung von Kühlschmierstoff einer Drehmaschine
eingesetzt. Eine Korrosion der eingesetzten Materialien durch Rost- oder
Weißrostbildung
konnte sowohl an der Maschine als auch an den Werkstücken während des
Einsatzes nicht festgestellt werden. In regelmäßigen Abständen wurde die Zusammensetzung
des ursprünglichen
Kühlschmierstoffes
durch Zugabe der erforderlichen Komponenten wiederhergestellt und
der Kühlschmierstoff
gepflegt. Die Konzentrationen an Nitrat und Nitrit betrugen während der
gesamten Einsatzzeit im Kühlschmierstoff < 0,1 mg/l (Nachweisgrenze).
Die gemessenen Keimzahlen lagen unter den zulässigen Keimzahlen für Bakterien,
Hefen und Pilze. Der Gehalt an Gesamtstickstoff blieb während des
Einsatzes unter 0,6 ppm. Der pH-Wert wurde zwischen 7,5 und 9 gehalten.