EP2250244A1 - Niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte schmierstoffzusammensetzung - Google Patents

Niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte schmierstoffzusammensetzung

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EP2250244A1
EP2250244A1 EP09713978A EP09713978A EP2250244A1 EP 2250244 A1 EP2250244 A1 EP 2250244A1 EP 09713978 A EP09713978 A EP 09713978A EP 09713978 A EP09713978 A EP 09713978A EP 2250244 A1 EP2250244 A1 EP 2250244A1
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EP
European Patent Office
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water
lubricant composition
composition according
lubricant
soluble
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09713978A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Dwuletzki
Manfred Müller
Peter Eisner
Andreas Malberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CARL BECHEM GMBH
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Braunschweig
Original Assignee
Carl Bechem GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Braunschweig
Fraunhofer Institut fuer Verfahrenstechnik und Verpackung IVV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Application filed by Carl Bechem GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Technische Universitaet Braunschweig, Fraunhofer Institut fuer Verfahrenstechnik und Verpackung IVV filed Critical Carl Bechem GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C10N2040/22—Metal working with essential removal of material, e.g. cutting, grinding or drilling

Definitions

  • the invention relates to the field of tribology, especially the structure and uses of lubricants mainly for metal cutting and high-performance grinding, especially for carbide machining and takes the priority of the German patent application 10 2008 011 781.1 from February 28, 2008 to complete.
  • the DIN 51502 and especially the DIN 51385 generally define lubricants and especially cooling lubricants for metalworking:
  • Lubricant A liquid, plastic-solid, solid or gaseous medium which has the task of reducing friction and wear when sliding or rolling contact between two points, lines or surfaces moving together. According to DIN 51502, the lubricants are divided into different groups that can be differentiated.
  • Lubricants in the narrower sense of the present invention are understood in particular as meaning substances or substance mixtures which bring about a reduction in the friction of the base fluid (here: water) which, in order to improve the tribological load capacity, increases the surface pressure by at least 10 N / mm 2 , an increase in the specific surface pressure by at least 1,000 N / cm 2 and / or an increase in the load by at least 1,000 N good load.
  • base fluid here: water
  • VKA Shell four-ball apparatus
  • Cooling lubricant According to this classification, cooling lubricants are listed as oils. DIN 51385 defines those substances as cooling lubricants which are used for cooling and lubricating during separation and partly during forming of materials, in particular of metals.
  • the non-water-miscible cooling lubricants are predominantly produced from mineral oils or ester oils, have a species-specific, for use as a lubricant for metalworking specific viscosity, which is usually between V 40 ⁇ 3 and 1000 mm 2 / s at 40 0 C.
  • Water-miscible cooling lubricants are in the aqueous dilution according to the application a true solution or emulsion with the outer phase of water. These aqueous dilutions have viscosities which, depending on the concentration of the concentrate in water, have viscosities of 0 ⁇ V 40 ⁇ 3 mm 2 / s at 40 ° 0 C result.
  • fluids having an application viscosity of V 40 > 3 mm 2 / s are used for metal cutting based on non-water-miscible base fluids such as mineral oil and esters or water-mixed cooling lubricants having an application viscosity of V 40 ⁇ 3 mm 2 / s at 40 0 C.
  • Forming Forms Cutting including grinding with a rotating tool
  • This manufacturing method is always used when high surface quality of the workpiece is required or other processing methods are not suitable due to the nature of the material. Typical examples of this are the manufacture of tools and gears for gearbox construction.
  • High-quality solid carbide tools are mainly produced by grinding with diamond or CBN grinding tools.
  • the use of mineral oil- or ester-based non-water-miscible cooling lubricants describes the state of the art.
  • the time-wasting volume Q ' w (mm 3 / mms) can be considered.
  • Q'w of 3-7 mm 3 / mms have been stably realized in manufacturing up to now.
  • the aim of the invention is to provide lubricants for metalworking available that uses stabilized viscosity by the cooling effect of water to improve thermally demanding machining operations with water-miscible lubricants.
  • the invention according to claim 1 proposes a single-phase, low-viscosity to high-viscosity adjusted water-based lubricant composition having an average water content of> 80%, which contains polymers.
  • This composition is mineral oil-free and contains a polymeric lubricant that is water-soluble in the temperature range from 10 0 C to 9O 0 C.
  • These polymers are preferably conventional thickeners, which were previously used according to the prior art only for adjusting the desired viscosity of a lubricant composition.
  • these thickeners themselves have lubricant properties, ie that these thickeners are lubricants in the context of the invention. It follows that the lubricant compositions according to the invention can rely on the necessary use of other lubricants, ie lubricants other than the mentioned thickeners.
  • the thickening agents may thus be the only lubricants in the lubricant composition according to the invention.
  • the invention makes it possible for the first time to machine high-performance tools with water-based lubricants such that significantly higher performance data (up to about 30%) can be realized.
  • significantly higher performance data up to about 30%
  • the liquids according to the invention already show a significantly better tribological performance than mineral oil and water even without any addition of performance-enhancing additives.
  • An exemplary comparison is given in Table 1.
  • Mineral oil as the commonly used base liquid of non-water-miscible cooling lubricants, constitutes the reference point for the development of the novel base liquid according to the invention.
  • Tribological test systems such as e.g. Reichert friction wear balance, Brugger wear test stand and shell four-ball apparatus allow differentiation in terms of tribological properties.
  • lubricants are decisively influenced by his abilities, i.a. to minimize the occupational health burden of the users, to exclude the risk potential through fire and explosion and to offer the least negative impact on the environment.
  • Cooling lubricants have as hazardous substances an air limit, which is determined as a sum value from portions of the vapor and the aerosol. As a lead substance hydrocarbons are determined here.
  • Water-mixed coolants are susceptible to microbial attack by bacteria, fungi and yeasts.
  • biocides bactericides and fungicides
  • significant amounts of biocides must be added, which may be an important side effect u.a. cause allergic reactions in humans.
  • Another object was to develop a water-based lubricant that should have as far as possible without biocides extensive bioresistance and thus in practice does not lead to odor nuisance by microbial infestation ("Monday odor").
  • the liquids according to the invention have exceptional biological stability and are capable of long useful life even without the addition of biocides, without any significant change in the properties, such as e.g. the viscosity becomes clear.
  • liquids according to the invention form a surface-covering film on the workpiece surface, which surprisingly offers protection against corrosion and can nevertheless easily be washed off again.
  • Liquids have a substance-specific viscosity, which can be changed by application of special additives; These include predominantly polymers (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Römps Lexikon der Chemie and Dieter Klamann “Lubricants and Related Products", Production, Properties, Application, Verlag Chemie, Weinheim, 1982, pp. 84 ff).
  • VI improvers are very effective in non-water-miscible liquids, e.g. Mineral oils and ester oils.
  • water-soluble polymers such as cellulose derivatives, sugars, sugar derivatives, polyvinylpyrrolidone compounds are used successfully.
  • Viscous aqueous fluids are technically usable in particular as cooling lubricants, if further requirements are also met, such as corrosion protection against iron, aluminum and non-ferrous metals and their alloys, tribological effectiveness in the contact between tool and workpiece, stability against microbial colonization, high flushing - and mesh effect to remove abrasion and chips from the cutting zone and fulfill all obligations under European Chemicals Law.
  • inventive entries of polymers in water viscosities of 2 are - 46 mm 2 / s was obtained (40 0 C), which allow the adjustment of the lubricant typical ISO viscosity grades according to ISO 3448 or DIN 51 519 (ISO-classes of 2 to 46), as shown in Table 2 clearly.
  • the completely water-soluble polymer blends have high shear stability and stability in water and can be prepared independently of the temperature.
  • the polymers (thickeners) for adjusting the viscosity of the water which can be used according to the invention are, for example:
  • a) natural polymers such as polysaccharides of the neutral scleroglucan type with molecular weights of about 10 5 daltons (for example Biovis); anionic polysaccharides having molecular weights greater than 10 6 daltons of the xanthan type (for example NovoXan);
  • carboxymethylcelluloses for example sodium carboxymethylcellulose with viscosities of 10-40,000 mP s as a 2% solution in water (eg Walocel grades CRT) polyanionic cellulose with viscosities of 25-5000 mP-s as 2% solution in water (eg Antisol FL types); also cellulose types with different substituents such as DTKHV or aH 75 (trade names); c) synthetic polymers such as the medium charge cationic polyelectrolyte (eg Zetag 7563 from Ciba-Geigy) and neutral polyvinylpyrrolidone types with molecular weights of about 10 5 - 10 6 daltons.
  • medium charge cationic polyelectrolyte eg Zetag 7563 from Ciba-Geigy
  • neutral polyvinylpyrrolidone types with molecular weights of about 10 5 - 10 6 daltons.
  • thickeners polymers which have good solubility in water.
  • polymers which are soluble in both cold and warm or hot water.
  • solubility is understood to mean the following: The entry of the polymer into deionized water results in a clear, transparent, homogeneous mixture with proportionally increasing viscosity, which remains constant over time. This solubility is given especially also at about 1O 0 C and 90 0 C.
  • thickeners are used which have a solubility of at least 5 percent by weight of the thickener in water at any temperature, preferably also at 10 0 C and 90 0 C and allow a viscosity of the lubricant composition of up to 1,000 mnrWs, if they are the only Lubricant component can be used in the composition of the invention.
  • salts of modified celluloses are used.
  • these are biologically stable and, on the other hand, are very soluble in water. They are therefore also easy to process.
  • modified celluloses are carboxymethylcelluloses or heteroglucan structures. Particular preference is given to salts of carboxymethylcelluloses, for example the sodium salt of carboxymethylcellulose.
  • At least one further criterion is met.
  • the thickener should be organic polymer having a temperature-independent solubility of at least 50 g / 1000 g of water, resulting in a viscosity of at least 1,000 mm 2 / s (4O 0 C), and a tribological improvement of the load carrying capacity of the Brugger, Reichert and VKA compositions of at least 10%, at least 20% or preferably at least 30% compared with mineral oil-based lubricant compositions (see for example Table 1) and biodegradability according to the Guideline "OECD Guidline for testing of Chemicals no. 301 "of no more than 5% after 28 days.
  • compounds of the following group can preferably be used for the production of the composition according to the invention: xanthan and scleroglucan type natural polysaccharides and carboxymethylcellulose derivatives, in particular their salts (for example sodium salt).
  • the additional amounts of the water-soluble polymers used according to the invention for adjusting the viscosity of water are preferably in the range from 0.2 to 5% by weight of the aqueous phase.
  • the lubricant composition of the invention is single phase, i. all compounds contained therein are water-soluble. This also applies to the functional (that is, chemically non-inert) additives, i. These are also water-soluble. However, it is not excluded that chemically inert additives such as pigments are included in the composition.
  • Reaction products of fatty acids with at least C8 chain length with alkanolamines such as monoethanolamine, triethanolamine, diglycolamine, isobutanolamines or hydroxides such as potassium hydroxide, sodium hydroxide
  • Wear protection additives up to 3%: Water-soluble phosphoric acid derivatives, in particular neutralized phosphoric acid ester derivatives
  • Heavy metal inhibitors up to 1%: based on water-soluble triazole and thiadiazole derivatives
  • heterocyclic nitrogen compounds having a particularly strong inhibitory effect z For example, 1 H-benzotriazole, 5-methylbenzotriazole, 5-carboxybenzotriazole, benzothiazole, 2-alkylbenzothiazole, 2-mercaptobenzothiazole, 2-mercaptobenzothiazole succinic acid are used. Further preferred heterocyclic nitrogen compounds are benzimidazole, 2-alkylbenzimidazole, 2- (5-aminopentyl) benzimidazole, benzoxazole and 2-mercaptobenzoxazole. Heterocycles with alkyl side groups reduce water solubility and thus improve the long-term effect of the corrosion inhibitor.
  • composition according to the invention usually has at least one corrosion inhibitor in addition to the thickener as lubricant component (preferably as sole lubricant component). If the composition is also to be used in particular for hard metal processing, it should possibly also have at least one heavy metal inhibitor.
  • Formaldehyde-releasing compounds especially hexahydrotriazine compounds, methyl bisoxazolidine compounds; Heterocycles, in particular benzisothiazolinone compounds, sodium pyrithione and isothiazolone compounds
  • At least one polyhydric alcohol may additionally be provided as a further lubricant component, which is preferably selected from the groups of polyalcohols and carbohydrates, particularly preferably from alkanediols and alkanetriols, particularly preferably glycerol and the polyethers derived therefrom, as well as glucose, arabinose , Ribulose, fructose and the derived oligo- and / or polysaccharides and their esters and ethers.
  • the amount of the polyalcohol based on the composition may be at least 10%, preferably at least 20%, at least 30% or at least 40% or more.
  • the thickeners in particular the celluloses such as carboxymethylcellulose (in particular sodium carboxymethylcellulose) for the preparation of the compositions according to the invention, can advantageously be used in aqueous form.
  • carboxymethylcellulose especially the sodium carboxymethylcellulose, in the form of an aqueous solution or suspension, which can be removed directly from the modification or production of the polymer - and not a dried powder of cellulose - is used for the preparation of the composition ,
  • the viscosity of the ready-mixed lubricant composition changes significantly less over the course of several days than is the case when a dry powder has been processed. It is thus preferred that the polymer, after its modification, is used directly in the production of lubricant without it having previously undergone drying.
  • the solutions used are particularly advantageously removed directly from the production process of the thickeners, in particular modified natural substances, and are processed to a lubricant composition within a few days.
  • the resulting fast and more homogeneous adjustment of the viscosity also enables more stable processing properties to be achieved.
  • a more viscous lubricant composition can thus be achieved.
  • a certain residual water content should not be exceeded in the polymer after the modification in order to achieve the improved processing properties of the polymer-water mixture. More preferably, the water content of the modified polymer after the modification should not be lowered below 5%.
  • the thickener can be used as a dry powder. But then, for example, it should be allowed to swell up to 24 hours in advance in order to achieve the improved processing properties of the polymer-water mixture. It is thus also possible to achieve mixtures which, after their preparation over a relatively long period, i. have viscosity-stable properties over several days.
  • the improved viscosity stability of the compositions can minimize tool wear or improve workmanship.
  • example 1 The improved viscosity stability of the compositions can minimize tool wear or improve workmanship.
  • alkalizing agent e.g. Alkanolamine or alkali hydroxide with 0.7% anticorrosive acids
  • alkalizing agent e.g. Alkanolamine or alkali metal hydroxide with 0.7% anti-corrosive acids and stirred until clear reaction (about 1 hour). Thereafter, wetting agents, solubilizers, heavy metal inhibitors are added and the reaction mixture is added by adding 0.75% polymer, e.g. Antisol FL 100 adjusted to the desired viscosity.
  • the new water-based, viscous adjusted coolants invention provide in operational practice significantly higher performance in high-performance grinding applications compared to both conventional non water-miscible coolants and conventional water-miscible cutting fluids, allowing for the first time removal rates Q 'w (mm 3 / mms) to realize of ⁇ 12th This means doubling the productivity in the production of tools solely by using the water-based lubricant according to the invention.
  • Comparative criteria are the Q'w (mm 3 / mms), the number of grooves to dressing the grinding wheel and the wear of the grinding wheel. In this case, values were obtained, which are listed in Table 3.
  • novel polymeric lubricant achieves values that could previously not be achieved with conventional non-water-miscible or water-mixed cooling lubricants.

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Abstract

Einphasige niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte Schmierstoffzusammensetzung mit einem mittleren Wassergehalt von > 80 Gew.%, wobei die Schmierstoffzusammensetzung mineralölfrei ist und einen polymeren Schmierstoff enthält, der eine Wasserlöslichkeit bei Temperaturen von ca. 10-90°C aufweist.

Description

K Ö N I G • S Z Y N K A • T I L M A N N ■ vo n R E N E S S E
P A T E N T A N W Ä L T E • P A R T N E R S C H A F T
2. März 2009 50282 K
Carl Bechern GmbH
Weststraße 120, 58089 Hagen
"Niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte Schmierstoffzusammensetzung "
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Tribologie, speziell den Aufbau und die Verwendungsmöglichkeiten von Schmierstoffen vorwiegend für die spanende Metallbearbeitung und zum Hochleistungsschleifen, insbesondere für die Hartmetallbearbeitung und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2008 011 781.1 vom 28. Februar 2008 in Anspruch.
Die DIN 51502 und speziell die DIN 51385 definieren allgemein Schmierstoffe und speziell Kühlschmierstoffe für die Metallbearbeitung:
Schmierstoff: Ein flüssiges, plastisch-festes, festes oder gasförmiges Medium, das die Aufgabe hat, bei gleitendem oder rollendem Kontakt zweier sich aufeinander bewegender Punkte, Linien oder Flächen Reibung und Verschleiß zu mindern. Nach DIN 51502 werden die Schmierstoffe in verschiedene stofflich unterscheidbare Gruppen eingeteilt.
Als Schmierstoffe im engeren Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere Stoffe oder Stoffgemische verstanden, die eine Reibungsverminderung der Basisflüssigkeit (hier: Wasser) bewirken, die zur Verbesserung der tribologischen Belastbarkeit eine Erhöhung des Flächendrucks um mindestens 10 N/mm2, eine Erhöhung der spezifischen Flächenpressung um mindestens 1.000 N/cm2 und/oder eine Erhöhung der Traglast um mindestens 1.000 N Gutlast, aufweisen. Diese Eigenschaften lassen sich mit dem Fachmann bekannten Verfahren bestimmen, so zum Beispiel mit Brugger- Verschleißprüfstand, Reichert-Reibverschleiß-Waage und Shell-Vier-Kugel-Apparat (VKA).
Kühlschmierstoff: Gemäß dieser Einteilung werden Kühlschmierstoffe als öle S aufgelistet. Die DIN 51385 definiert diejenigen Stoffe als Kühlschmierstoffe, die zum Kühlen und Schmieren beim Trennen und teilweise beim Umformen von Werkstoffen, insbesondere von Metallen benutzt werden.
In der Gruppe der Kühlschmierstoffe werden die sog. wassermischbaren Kühlschmierstoffe (genannt Konzentrate), die vor der Anwendung mit Wasser gemischt werden und die Gruppe der sog. nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffe, die unverdünnt eingesetzt werden, beschrieben.
Die nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffe werden überwiegend aus Mineralölen oder Esterölen hergestellt, besitzen eine artgerechte, für die Verwendung als Schmierstoff zur Metallbearbeitung spezifische Viskosität, die üblicherweise zwischen V40 ≤ 3 und 1.000 mm2/s bei 400C liegt. Wassermischbare Kühlschmierstoffe stellen in der anwendungsgemäßen wässrigen Verdünnung eine echte Lösung oder Emulsion mit der äußeren Phase Wasser dar. Diese wässrigen Verdünnungen weisen Viskositäten auf, die in Abhängigkeit der Konzentration des Konzentrates in Wasser Viskositäten von 0 <V40 ≤ 3 mm2/s bei 400C ergeben.
Die spanende Metallbearbeitung wird in der DIN 8580 (Trennen) gegliedert u.a. in die Verfahren:
• Zerspanen
Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik werden Fluide, mit einer Anwendungsviskosität von V40 > 3 mm2/s zur Metallzerspanung auf Basis von nichtwassermischbaren Grundflüssigkeiten wie Mineralöl und Ester verwendet oder wassergemischte Kühlschmierstoffe mit einer Anwendungsviskosität von V40 < 3 mm2/s bei 400C.
Aufgrund der thermodynamischen Daten dieser Fluide ist die technisch nutzbare Kühlwirkung begrenzt auf die Verwendung niedrigviskoser Flüssigkeiten.
Schleifen gehört als 3. Untergruppe der Fertigungsverfahren (Trennen) nach DIN 8580 zur Gruppe des Zerspanens mit geometrisch unbestimmter Schneide (DIN 8589 TO):
Urformen Umformen Trennen: u.a. Schleifen mit rotierendem Werkzeug
Fügen
Beschichten
Stoffeigenschaften ändern
Dieses Fertigungsverfahren wird immer dann angewandt, wenn hohe Oberflächengüten des Werkstücks gefordert sind oder aufgrund der Werkstoffbeschaffenheit andere Bearbeitungsverfahren nicht geeignet sind. Typische Beispiele hierfür liefern die Herstellung von Werkzeugen und Zahnräder für den Getriebebau.
Nahezu ausschließlich wird unter Verwendung von Kühlschmierstoffen nach DIN 51 385 geschliffen, deren Hauptaufgaben in der Kühlung des Prozesses, der Schmierung der Reibpartner und im Abtransportieren der Späne liegen.
Der Stand der Technik erlaubt bisher zur Zerspanung von Metallen und deren Legierungen nur die Verwendung von wässrigen, sehr gut kühlenden niedrigviskosen Kühlschmierstoffen bzw. nichtwässrigen, mittel- bis hoch viskosen, gering kühlenden Kühlschmierstoffen.
Beispiele, die den Stand der Technik beschreiben
Beispiel 1
Im Zuge der Herstellung von Zahnrädern für die Getriebefertigung gehören Finishprozesse wie Honen unter Verwendung von mineraölbasierten Kühlschmierstoffen mit einer Viskosität von V40 ca. 10 mm2/s bei 400C zur bisherigen Fertigungskette. Das frühzeitige Zusetzen der Honwerkzeuge, die aufwendige Reinigung der Zahnräder sowie die Temperaturentwicklung während des Prozesses bedeuten hohen Fertigungsaufwand neben den enormen Kosten für die Entfernung der öldämpfe und -nebel, die Installation von Brand- und Explosionsschutzmaßnahmen sowie die damit verbundenen Versicherungsaufwendungen.
Beispiel 2
Hochwertige Vollhartmetallwerkzeuge werden überwiegend durch Schleifbearbeitung mit Diamant oder CBN-Schleifwerkzeugen hergestellt. Die Verwendung von mineralöl- oder esterbasierten nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen beschreibt hierbei den Stand der Technik. Als Maßstab für die Leistungsfähigkeit dieses tribologischen Konzeptes kann das Zeitspanvolumen Q'w (mm3/mms) angesehen werden. Für den vorstehend beschriebenen Fertigungsablauf sind bisher Q'w von 3-7 mm3/mms in der Fertigung stabil realisiert worden. - A -
Die derzeitige Kenntnis unter Anwendung des grundlegenden Standes der Technik lässt für die spanende Metallbearbeitung folgende Regel erkennen: Bearbeitungsverfahren, die überwiegend hohe Anforderungen an die Kühlfähigkeit des Schmierstoffs stellen, werden vorzugsweise mit wassergemischten Kühlschmierstoffen realisiert, während Bearbeitungsverfahren, die überwiegend hohe Anforderungen an die Schmierfähigkeit des Schmierstoffs stellen, vorzugsweise mit viskositätseingestellten nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen beherrscht werden.
Es existiert somit keine Möglichkeit im Zuge von zerspanenden Metallbearbeitungsoperationen, die Kühlfähigkeit von Wasser mit der viskositätsnotwendigen Schmierfähigkeit von nichtwassermischbaren Basisfluiden zu verbinden.
Die derzeitige Kenntnis unter Anwendung des grundlegenden Standes der Technik lässt für das Schleifen folgendes Prinzip erkennen: Da bei diesem Bearbeitungsverfahren sehr hohe Temperaturen auftreten können (bis zu ca. 1.0000C) werden höchste Anforderungen an die Kühlfähigkeit des Schmierstoffs gestellt, somit vorzugsweise wassergemischte Kühlschmierstoffe eingesetzt, deren Hauptnachteil in der meist zu geringen Schmierfähigkeit zu sehen ist. Dieser grundlegende Widerspruch zwischen Kühlung und Schmierung wird dem Stand der Technik entsprechend dadurch versucht zu lösen, dass vorzugsweise mit niedrig viskosen nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen geschliffen wird.
Es existiert somit keine Möglichkeit für Schleifprozesse, die Kühlfähigkeit von Wasser mit der viskositäts-notwendigen Schmierfähigkeit von nichtwassermischbaren Basisfluiden zu verbinden.
Ziel der Erfindung ist es, Schmierstoffe für die Metallbearbeitung zur Verfügung zu stellen, die mittels stabil eingestellter Viskosität die Kühlwirkung von Wasser nutzt, um thermisch anspruchsvolle Bearbeitungsvorgänge mit wassermischbaren Schmierstoffen zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung gemäß Anspruch 1 eine einphasige, niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte Schmierstoffzusammensetzung mit einem mittleren Wassergehalt von > 80% vor, die Polymere enthält. Diese Zusammensetzung ist mineralölfrei und enthält einen polymeren Schmierstoff, der in den Temperaturbereich von 100C bis 9O0C wasserlöslich ist.
Bei diesen Polymeren handelt es sich vorzugsweise um übliche Verdickungsmittel, die nach dem Stand der Technik bisher nur zur Einstellung der gewünschten Viskosität einer Schmierstoffzusammensetzung eingesetzt wurden. Es war bislang aber unbekannt, dass diese Verdickungsmittel selber Schmierstoffeigenschaften aufweisen, d.h. dass diese Verdickungsmittel Schmierstoffe im Sinne der Erfindung darstellen. Daraus folgt, dass die erfindungsgemäßen Schmiermittelzusammensetzungen auf die notwendige Verwendung weiterer Schmierstoffe, d.h. anderer Schmierstoffe als die erwähnten Verdickungsmittel auskommen können. Die Verdickungsmittel können somit die einzigen Schmierstoffe in der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung sein.
Die Erfindung ermöglicht erstmalig Hochleistungswerkzeuge mit wasserbasierten Schmierstoffen schleiftechnisch so zu bearbeiten, dass deutlich höhere Leistungsdaten (bis ca. 30%) realisiert werden können. Überraschenderweise zeigen die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten nämlich bereits ohne jeglichen Zusatz von leistungsverbessemden Additiven eine deutliche bessere tribologische Leistung als Mineralöl und Wasser. Ein beispielhafter Vergleich ist in Tabelle 1 angegeben.
Mineralöl, als die üblicherweise eingesetzte Basisflüssigkeit von nichtwassermischba- ren Kühlschmierstoffen, stellt den Bezugspunkt für die Entwicklung der erfindungsgemäßen neuen Basisflüssigkeit dar. Tribologische Prüfsysteme wie z.B. Reichert-Reib- verschleiß-Waage, Brugger-Verschleißprüfstand und Shell-Vier-Kugel-Apparat, erlauben die Differenzierung hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften.
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Verwendungen der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung sind Gegenstand entsprechender neben- bzw. untergeordneter Ansprüche.
Der Einsatz von Schmierstoffen wird entscheidend mitbestimmt von seinen Fähigkeiten, u.a. die arbeitsmedizinische Belastung der Anwender zu minimieren, das Gefährdungspotential durch Brand und Explosion auszuschließen und geringste negative Auswirkung auf die Umwelt zu bieten.
Mineralöl- oder esterbasierte Kühlschmierstoffe belasten den Arbeitsplatz unvermeidlich mit Schmierstoffdämpfen und beaufschlagen die Werkstücke und das Umfeld mit gefährlichen ölverschleppungen. Kühlschmierstoffe besitzen als Gefahrstoffe einen Luftgrenzwert, der als Summenwert aus Anteile des Dampfes und des Aerosols bestimmt wird. Als Leitsubstanz werden hier Kohlenwasserstoffe bestimmt.
Wenngleich die tribologische Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Flüssigkeiten nachgewiesen ist, zeigen diese überraschenderweise selbst bei extremer Verwirbelung im praktischen Einsatz (z.B. Schleifen) keinerlei Tendenz zur Vernebelung und Bildung von sicherheitsrelevanten rutschigen Belägen im Maschinenumfeld. Weithin besteht aufgrund der erfindungsgemäßen Zusammensetzung keinerlei Brand- und Explosionsgefahr. Aufgrund der völligen Mineralölfreiheit wird der Luftgrenzwert für Kühlschmierstoffe (10 mg/m3 Dampf und Aerosol) sicher eingehalten. Für die betriebliche Praxis bedeuten diese Eigenschaften erhebliche Kosteneinsparungen, da weder spezielle Absaugungen noch Brandschutzanlagen nötig sind.
Wassergemischte Kühlschmierstoffe sind anfällig gegen mikrobiellen Befall durch Bakterien, Pilzen und Hefen. Um eine ökonomisch sinnvolle Gebrauchsdauer zu erzielen, müssen deshalb erhebliche Mengen an Bioziden (Bakterizide und Fungizide) zugegeben werden, die als wichtige Nebenwirkung u.a. allergische Reaktionen bei Menschen auslösen können.
Somit bestand eine weitere Aufgabe darin, einen wasserbasierten Schmierstoff zu entwickeln, der möglichst ohne Biozide weitgehende Bioresistenz aufweisen soll und in der betrieblichen Praxis somit nicht zu Geruchsbelästigung durch mikrobiellen Befall („Montagsgeruch") führt.
Überraschenderweise zeigte sich, dass die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten eine außergewöhnliche biologische Stabilität aufweisen und bereits ohne den Zusatz von Bioziden zu langer Gebrauchsdauer fähig sind, ohne dass eine gravierende Veränderung der Eigenschaften wie z.B. der Viskosität deutlich wird.
In wässrigen Systemen, die mit metallischen Oberflächen im Kontakt stehen, besteht eine wesentliche Aufgabe darin, trotz des hohen Wassergehaltes der Arbeitsflüssigkeit, die vor Korrosion schützenden Inhaltsstoffe auf der Metalloberfläche so zu fixieren, dass ausreichender Korrosionsschutz gewährleistet ist. Die erfindungsgemäßen Flüssigkeiten, denen wasserlösliche Korrosionsschutzkomponenten zugesetzt wurden, bilden einen flächendeckenden Film auf der Werkstückoberfläche, der überraschenderweise Korrosionsschutz bietet und dennoch leicht wieder abgewaschen werden kann.
Flüssigkeiten weisen eine substanzspezifische Viskosität auf, die durch Zugabe von speziellen Additiven anwendungsgerecht verändert werden kann; hierzu gehören vorwiegend Polymere (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie; Römps Lexikon der Chemie sowie Dieter Klamann „Schmierstoffe und verwandte Produkte", Herstellung, Eigenschaften, Anwendung; Verlag Chemie, Weinheim, 1982; S. 84 ff).
Bekanntermaßen wirken diese auch als sog. Viskositäts-Index-(VI)-Verbesserer bezeichneten Polymere sehr effektiv in nichtwassermischbaren Flüssigkeiten, wie z.B. Mineralölen und Esterölen.
Bei Verwendung von Wasser als polare Flüssigkeit hingegen werden wasserlösliche Polymere, wie z.B. Zellulosederivate, Zucker, Zuckerderivate, Polyvinylpyrrolidon-Ver- bindungen erfolgreich eingesetzt. Viskose wässrige Fluide sind insbesondere dann als Kühlschmierstoffe technisch verwendbar, wenn weitere Anforderungen ebenfalls erfüllt werden, wie Korrosionsschutz gegenüber Eisen-, Aluminium- und Buntmetallen und ihren Legierungen, tribologische Wirksamkeit im Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück, Stabilität gegenüber mi- krobieller Besiedlung, hohe Spül- und Netzwirkung zur Entfernung von Abrieb und Spänen aus der Zerspanungszone und Erfüllung aller Auflagen gemäß Europäischem Chemikalienrecht.
Durch das erfindungsgemäße Eintragen von Polymeren in Wasser werden Viskositäten von 2 - 46 mm2/s (400C) erhalten, die die Einstellung der schmierstofftypischen ISO Viskositätsklassen nach ISO 3448 oder DIN 51 519 (ISO-Klassen von 2 bis 46) erlauben, wie in Tabelle 2 anschaulich gezeigt ist.
Je nach den verwendeten Mischungsverhältnissen und der Auswahl der geeigneten Additive können mit den erfindungsgemäßen Stoffgemischen alle üblichen ISO-Viskositätsklassen erzeugt werden. Überraschenderweise weisen die völlig wasserlöslichen Polymermischungen hohe Scherstabilität und Stabilität in Wasser auf und können unabhängig von der Temperatur hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Zugabe von Korrosionsschutz-, Schmierungs-, Verschleißschutzadditiven sowie Netzmitteln und Lösungsvermittlern sichert hierbei der viskosen Wasserlösung alle Eigenschaften zu, die zum Einsatz in der Metallbearbeitung nötig sind.
Die Polymere (Verdickungsmittel) zur Einstellung der Viskosität des Wassers, die erfindungsgemäß verwendet werden können, sind z.B.:
a) natürliche Polymere wie z.B. Polysaccharide des neutralen Scleroglucan-Typs mit Molgewichten von ca. 105 Dalton (beispielsweise Biovis); anionische Polysaccharide mit Molgewichten größer 106 Dalton vom Xanthan-Typ (beispielsweise NovoXan);
b) chemisch modifizierte Polymere auf Basis von Carboxymethylcellulosen, z.B. Nat- rium-Carboxymethylcellulose mit Viskositäten von 10-40.000 mP s als 2%-ige Lösung in Wasser (z.B.Walocel-Typen CRT) polyanionische Cellulose mit Viskositäten von 25- 5000 mP-s als 2%-ige Lösung in Wasser (z.B. Antisol FL-Typen); weiterhin Cellulose- Typen mit unterschiedlichen Substituenten wie DTKHV oder aH 75 (Handelsbezeichnungen); c) synthetische Polymere wie der kationische Polyelektrolyt mit mittlerer Ladungsdichte (z.B. Zetag 7563 der Ciba-Geigy) und neutrale Polyvinylpyrrolidontypen mit Molgewichten von ca. 105- 106 Dalton. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Verdickungsmitteln (Polymeren), die eine gute Löslichkeit in Wasser haben. Besonders bevorzugt sind diejenigen Polymere, die sich sowohl in kaltem wie auch warmen oder heissen Wasser löslich sind. Als Löslichkeit wird im Sinne der Erfindung folgendes verstanden: Der Eintrag des Polymers in entionisiertes Wasser ergibt eine klare, transparente, homogene Mischung mit proportional steigender Viskosität, die zeitunabhängig konstant bleibt. Diese Löslichkeit ist insbesondere auch bei etwa 1O0C sowie 900C gegeben.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden Verdickungsmittel eingesetzt, die eine Löslichkeit von mindestens 5 Gewichtsprozent des Verdickungsmittels in Wasser bei beliebiger Temperatur vorzugsweise auch bei 100C sowie 900C aufweisen und eine Viskosität der Schmiermittelzusammensetzung von bis zu 1.000 mnrWs erlauben, sofern sie als einzige Schmierstoffkomponente in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Salze modifizierter Cellulosen eingesetzt. Diese sind einerseits biologisch stabil und sind andererseits sehr gut wasserlöslich. Sie sind daher auch gut verarbeitbar. Beispiele möglicher modifizierter Cellulosen sind Carboxymethylcellulosen oder Heteroglukan-Strukturen. Besonders bevorzugt sind Salze von Carboxymethylcellulosen, so zum Beispiel das Natrium-Salz der Carboxymethylcelluose.
Die Menge der möglichen polymeren Verbindungen, die geeignet sind um die Viskosität des Wassers zu verändern, ist sehr groß. Folgende Kriterien sollten vorzugsweise erfüllt werden:
a) Wasserlöslichkeit bei Temperaturen von ca. 10-900C. b) Hohe Wirksamkeit des Verdickungsvermögens, d.h geringe Einsatzmengen für die zu erreichende Viskosität. c) Schmierfähigkeit in Wasser in Brugger-, Reichert- und VKA-Prüfverfahren (s. oben). d) Hohe mikrobielle Stabilität.
Vorzugsweise ist neben dem Kriterium a) mindestens ein weiteres Kriterium erfüllt.
Die Anforderungen an die physikalischen, tribologischen und ökotoxikologischen Eigenschaften der geeigneten Verdickungsmittel führen zu folgendem bevorzugtem Eigenschaftsprofil: Das Verdickungsmittel sollte organisches Polymer, mit einer temperaturunabhängigen Löslichkeit von mindestens 50g/1000g Wasser sein, welches zu einer Viskosität von mindestens 1.000mm2/s (4O0C) führt, und eine tribologische Ver- besserung des Lasttragevermögens der Zusammensetzung nach Brugger-, Reichert- und VKA von mindestens 10%, mindestens 20% oder vorzugsweise von mindestens 30% gegenüber mineralölbasierten Schmierstoffzusammensetzungen (siehe dazu beispielsweise Tabelle 1) sowie eine biologische Abbaubarkeit nach der Richtlinie „OECD- Guidline for testing of chemicals No. 301" von höchstens 5% nach 28 Tagen bewirkt.
Unter Berücksichtigung dieses bevorzugten Eigenschaftsprofils können erfindungsgemäß Verbindungen der folgenden Gruppe bevorzugt zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingesetzt werden: natürlichen Polysaccharide vom Xanthan- und Scleroglucan-Typ und der Carboxymethylcellulose-Derivate, insbesondere deren Salze (z.B. Natrium-Salz).
Die Zusatzmengen der erfindungsgemäß eingesetzten wasserlöslichen Polymere zur Einstellung der Viskosität von Wasser liegen bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 5 Gew.- % der wässrigen Phase.
Zur Formulierung des erfindungsgemäßen einsatzfähigen Fluids zur Metallbearbeitung bedarf es ggf. des Zusatzes weiterer Komponenten und Additive. Beachtlich ist jedoch, dass die erfindungsgemäße Schmierstoffzusammensetzung einphasig ist, d.h. alle darin enthaltenen Verbindungen wasserlöslich sind. Dies gilt auch für die funktionellen (also chemisch nicht-inerten) Additive, d.h. auch diese sind wasserlöslich. Dabei ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass chemisch inerte Additive wie zum Beispiel Pigmente in der Zusammensetzung enthalten sind.
So können der erfindungsgemäßen Zusammensetzung insbesondere die folgenden weiteren Komponenten zugesetzt werden:
Korrosionsschutz-Additive bis zu 5%:
Umsetzungsprodukte von Fettsäuren mit mindestens C8-Kettenlänge mit Alkanolami- nen wie Monoethanolamin, Triethanolamin, Diglykolamin, Isobutanolaminen oder Hydroxiden wie Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid
Schmierfähigkeitsverbesserer (Lubricity Improver) bis zu 3%:
Wasserlösliche Esterverbindungen und polymere Ethylenoxid (EO)- bzw. Ethylen- oxid/Polypropylenoxid (EGVPO)- basierte Glykolverbindungen
Hochdruck-Additive bis zu 3%:
Hierbei handelt es sich um wasserlösliche Phosphorsäurepartialester, neutralisierte geschwefelte Fettsäuren und -ester.
Verschleißschutzadditive bis zu 3%: Wasserlösliche Phosphorsäurederivate insbesondere neutralisierte Phosphorsäurepar- tialesterderivate
Netzmittel und Emulgatoren bis zu 5%:
Fettalkoholethoxylate mit mindestens 5 Mol EO (Ethylenoxid) und Ethanolether
Schwermetallinhibitoren bis zu 1%: auf Basis wasserlöslicher Triazol- und Thiadiazol-Derivate
Als besonders bevorzugte heterocyclische Stickstoffverbindungen mit einer besonders stark inhibierenden Wirkung können z. B. 1 H-Benzotriazol, 5-Methylbenzotriazol, 5- Carboxybenzotriazol, Benzothiazol, 2-Alkylbenzothiazol, 2-Mercaptobenzothiazol, 2- Mercaptobenzothiazolsuccinsaure ingesetzt werden. Weitere bevorzugte heterocyclische Stickstoffverbindungen sind Benzimidazol, 2-Alkylbenzimidazol, 2- (5-Aminopen- tyl) benzimidazol, Benzoxazol und 2-Mercaptobenzoxazol. Heterocyclen mit Alkyl-Sei- tengruppen verringern die Wasserlöslichkeit und verbessern damit die Langzeitwirkung des Korrosionsinhibitors.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung weist neben dem Verdickungsmittel als Schmierstoffkomponente (bevorzugt als einzige Schmierstoffkomponente) üblicherweise mindestens einen Korrosionsinhibitor auf. Sofern die Zusammensetzung insbesondere auch für die Hartmetallbearbeitung eingesetzt werden soll, sollte sie ggf. noch mindestens einen Schwermetallinhibitor aufweisen.
Additive zur Verbesserung der biologischen Stabilität bis zu 0,5%:
Formaldehydabspaltende Verbindungen, insbesondere Hexahydrotriazinverbindungen, Methylbisoxazolidin-verbindungen; Heterocyclen, insbesondere Benzisothiazolinon- verbindungen, Natriumpyrithion und Isothiazolonverbindungen
Entschäumer bis zu 1%:
Modifizierte Siloxane oder Kieselsäurederivate
Im Rahmen der vorliegende Erfindung kann als eine weitere Schmierstoffkomponente zusätzlich mindestens ein mehrwertiger Alkohol vorgesehen sein, der vorzugsweise ausgewählt ist aus den Gruppen der Polyalkohole und Kohlenhydrate, besonders bevorzugt aus Alkandiolen und Alkantriolen, besonders bevorzugt Glycerin und den davon abgeleiteten Polyethern, sowie Glukose, Arabinose, Ribulose, Fructose und den davon abgeleiteten Oligo-und/oder Polysacchariden und deren Estern und Ethern. Die Menge des Polyalkohols bezogen auf die Zusammensetzung kann dabei mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, mindestens 30% oder mindestens 40% oder mehr betragen. Die Verdickungsmittel (Polymer), insbesondere die Cellulosen wie Carboxymethylcel- lulosen (insbesondere Natrium-Carboxymethylcellulose) zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen, können vorteilhafterweise in wässriger Form eingesetzt werden. Ganz besonders bevorzugt kommt die Carboxymethylcellulose, insbesondere die Natrium-Carboxymethylcellulose, in Form einer wässrigen Lösung oder Suspension, die unmittelbar aus der Modifikation bzw. Produktion des Polymers entnommen werden kann - und nicht ein getrocknetes Pulver der Cellulose - für die Herstellung der Zusammensetzung zum Einsatz.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung aus nicht getrocknetem modifiziertem Naturpolymer zeigt sich, dass sich die Viskosität der fertig gemischten Schmierstoffzusammensetzung, ggf. nach Zugabe der Additive, im Verlauf mehrerer Tage deutlich weniger ändert als dies der Fall ist, wenn ein trockenes Pulver verarbeitet wurde. Es ist somit bevorzugt, dass das Polymer nach seiner Modifikation direkt in der Schmierstoffherstellung verwendet wird, ohne dass es zuvor eine Trocknung durchlaufen hat.
Besonders vorteilhaft werden die verwendeten Lösungen unmittelbar aus dem Produk- tionsprozess der Verdickungsmittel, insbesondere modifizierten Naturstoffe entnommen und binnen weniger Tage zu einer Schmierstoffzusammensetzung verarbeitet. Durch die damit erreichte schnelle und homogenere Einstellung der Viskosität können zudem stabilere Verarbeitungseigenschaften erreicht werden. Durch die Verwendung eines Flüssigpolymers kann somit eine viskositätsstabilere Schmierstoffzusammensetzung erreicht werden.
Vorzugsweise sollte ein gewisser Restwassergehalt im Polymer nach der Modifikation nicht unterschritten werden, um die verbesserten Verarbeitungseigenschaften der Polymer-Wasser-Mischung zu erreichen. Besonders bevorzugt sollte der Wassergehalt des modifizierten Polymers nach der Modifikation nicht unter einen Wert von 5% abgesenkt werden.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann zwar das Verdickungsmittel als trockenes Pulver eingesetzt werden. Dann aber sollte es zum Beispiel bis zu 24 h vorab in Wasser quellen können, um die verbesserten Verarbeitungseigenschaften der Polymer-Wasser-Mischung zu erreichen. Damit können auch Mischungen erreicht werden, die nach ihrer Herstellung über einen längeren Zeitraum, d.h. über mehrere Tage viskositätsstabile Eigenschaften aufweisen.
Durch die verbesserte Viskositätsstabilität der Zusammensetzungen kann der Werkzeugverschleiß minimiert oder die Verarbeitungsqualität verbessert werden. Beispiel 1
Die Herstellung eines Kühlschmierstoffs der ISO-Viskositätsklasse 5 mit der Viskosität 5 mm2/s bei 400C erfolgt beispielhaft:
In 97% Wasser werden 1 ,2 % Alkalisierungsmittel, z.B. Alkanolamin oder Alkalihydroxid mit 0,7 % Korrosionsschutzsäuren versetzt und bis zur klaren
Umsetzung gerührt (ca. 1 Stunde). Danach werden Netzmittel, Lösungsvermittler, Schwermetallinhibitoren zugesetzt und das Reaktionsgemisch durch Zugabe von 0,6 % Polymer (z.B. Antisol FL 30) auf die gewünschte Viskosität eingestellt. Es resultiert eine klare, viskose Lösung mit einer mittleren Viskosität von 5,0 mπrVs bei 400C und einem pH-Wert von 9,0-9,3.
Beispiel 2
Die Herstellung eines Kühlschmierstoffs der ISO-Viskositätsklasse 10 mit der Viskosität 10 mm2/s bei 4O0C erfolgt beispielhaft:
In 96,5% Wasser werden 1 ,2 % Alkalisierungsmittel, z.B. Alkanolamin oder Alkalihydroxid mit 0,7 % Korrosionsschutzsäuren versetzt und bis zur klaren Umsetzung gerührt (ca. 1 Stunde). Danach werden Netzmittel, Lösungsvermittler, Schwermetallinhibitoren zugesetzt und das Reaktionsgemisch durch Zugabe von 0,75 % Polymer, z.B. Antisol FL 100 auf die gewünschte Viskosität eingestellt.
Es resultiert eine klare, viskose Lösung mit einer mittleren Viskosität von 10,0 mm2/s bei 400C und einem pH-Wert von 9,0-9,3.
Beispiel 3
Die Herstellung eines Kühlschmierstoffs der I SO- Viskositätsklasse 46 mit der Viskosität 46 mm2/s bei 40°C erfolgt beispielhaft:
In 93% Wasser werden 2,4 % Alkalisierungsmittel mit 1.4 % Korrosionsschutzsäuren versetzt und bis zur klaren Umsetzung gerührt (ca. 1 Stunde). Danach werden Netzmittel, Lösungsvermittler, Schwermetallinhibitoren zugesetzt und das Reaktionsgemisch durch Zugabe von 1 ,45 % Polymer z.B. Walocel CRT 1000 auf die gewünschte Viskosität eingestellt.
Es resultiert eine klare, viskose Lösung mit einer mittleren Viskosität von 46,0 mm2/s bei 40°C und einem pH-Wert von 9,0-9,3.
Die neuartigen erfindungsgemäßen wasserbasierten, viskos eingestellten Kühlschmierstoffe erbringen in der betrieblichen Praxis deutlich höhere Leistungen in Hochleistungsschleifapplikationen verglichen zu sowohl konventionellen nichtwasser- mischbaren Kühlschmierstoffen als auch konventionellen wassergemischten Kühlschmierstoffen und erlauben erstmalig Zeitspanvolumina Q'w (mm3/mms) von ≥ 12 zu realisieren. Dieses bedeutet die Verdoppelung der Produktivität bei der Herstellung von Werkzeugen ausschließlich durch Einsatz des erfindungsgemäßen wasserbasierten Schmierstoffs.
Ein Beispiel ist die Herstellung von Vollhartmetallwerkzeugen z.B. durch Nutenschleifen; Vergleichskriterien sind das Zeitspanvolumen Q'w (mm3/mms), die Anzahl der Nuten bis zum Abrichten der Schleifscheibe und der Verschleiß der Schleifscheibe. Hierbei wurden Werte erzielt, die in Tabelle 3 aufgelistet sind.
Mit dem neuartigen polymeren Schmierstoff werden Werte erzielt, die bisher weder mit konventionellen nichtwassermischbaren noch mit wassergemischten Kühlschmierstoffen erreicht werden konnten.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern im Rahmen der gesamten Offenbarung vielfach variabel.
Tabelle 1
()*ISO viscosity Classification for industrial liquid lubricants acc. 1 To DIN 51 519 0**Erfindungsgemäße Flüssigkeiten aus Kapitel 2, Beispiel 1 , 2, 3
Tabelle 2
Tabelle 3

Claims

"Patentansprüche"
1. Einphasige niedrigviskos bis hochviskos eingestellte wasserbasierte Schmierstoffzusammensetzung mit einem mittleren Wassergehalt von > 80 Gew.%, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierstoffzusammensetzung mineralölfrei ist und mindestens einen polymeren Schmierstoff enthält, der im Temperaturbereich zwischen 100C und 900C wasserlöslich ist.
2. Schmierstoffzusammensetzung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung wenigstens einen Korrosionsinhibitor und mindestens einen Schwermetallinhibitor enthält.
3. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierstoffzusammensetzung ein Salz einer modifizierten Cellulose als einzigen polymeren Schmierstoff enthält.
4. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wasserlösliche Polymere im Bereich von 0,2 bis 15 Gew.% der wässrigen Phase enthält.
5. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu 5 Gew.% Korrosionsschutzadditive enthalten sind, insbesondere auf Basis von neutralisierten Carbonsäuren mit mindestens C8- Kettenlänge vorzugsweise mit Alkanolaminen wie Monoetha- nolamin, Triethanolamin, Diglykolamin, Isobutanolamin, oder Hydroxiden wie Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, jeweils allein oder in Kombination.
6. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wasserlösliche Schmierfähigkeitsverbesserer bis zu 3 Gew.% enthalten sind, insbesondere wasserlösliche Esterverbindungen und/oder polymere Ethylenoxid- oder Ethylenoxid/Polypropylenoxid- basierte Glykolverbindungen.
7. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wasserlösliche Hochdruck- Additive bis zu 3 Gew.% enthalten sind, insbesondere wasserlösliche Phosphorsäurepartial- ester, neutralisierte geschwefelte Fettsäuren und/oder -ester.
8. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wasserlösliche Verschleißschutzadditive bis zu 3 Gew.% enthalten sind, insbesondere Phosphorsäurederivate, vornehmlich neutralisierte Phosphorsäurepartialesterderivate.
9. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Netzmittel und/oder Emulgatoren bis zu 5 Gew.% enthalten sind, insbesondere Fettalkoholethoxylate mit mindestens 5 Mol Ethylenoxid und Ethanolether.
10. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schwermetallinhibitoren bis zu 1 Gew.% enthalten sind, insbesondere solche auf Basis wasserlöslicher Triazol- und/oder Thiadiazol- Derivate, wobei beim Schleifen von Hartmetallwerkstoffen die Auslösung von Schwermetallionen verhindert wird.
11. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Additive zur Verbesserung der biologischen Stabilität bis zu 0,5 Gew.% enthalten sind, insbesondere Formaldehyd- abspaltende Verbindungen, vornehmlich Hexahydrotriazinverbindungen, Methyl- bisoxazolidinverbindungen, und/oder Heterocyclen, insbesondere Benzi- sothiazolinon- Verbindungen, Natriumpyrithion und/oder Isothiazolonverbin- dungen.
12. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Entschäumer bis zu 1 Gew.% enthalten sind, insbesondere modifizierte Siloxane und/oder Kieselsäurederivate.
13. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass deren Schmierfähigkeit in Brugger- Verschleißschutzprüfungen spezifische Flächenpressungen ≥ 30 N/mm2 und in Reichert- Verschleißschutzprüfungen Werte ≥ 2000 N/cm2 beträgt.
14. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass deren kinematische Viskosität einen Bereich von etwa 2 bis 1000mm2/s bei 4O0C abdeckt.
15. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Komponente ein mehrwertiger Alkohol enthalten ist.
16. Schmierstoffzusammensetzung nach 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrwertige Alkohol ausgewählt ist aus den Gruppen der Polyalkohole und Kohlenhydrate, besonders bevorzugt aus Alkandiolen und Alkantriolen, besonders bevorzugt Glycerin und den davon abgeleiteten Polyethem, sowie Glukose, Arabinose, Ribulose, Fructose und den davon abgeleiteten Oligo- und/oder Polysacchariden und deren Estern und Ethern.
17. Schmierstoffzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich von bis zu 3000C nichtbrennbar ist.
18. Verwendung einer Schmierstoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 als wasserbasierter Kühlschmierstoff für die spanende Metallverarbeitung.
19. Verwendung einer Schmierstoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 als Hydraulik-, Getriebe- und/oder Bohrflüssigkeit.
20. Verwendung einer Schmierstoffzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 als wasserbasierte, viskose Kühlschmierstoffe für das Hochleistungsschleifen von Hartmetallwerkzeugen und Zahnrädern.
21. Verfahren zur Herstellung einer Schmierstoffzusammensetzung enthaltend mindestens einen polymeren Schmierstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der polymere Schmierstoff in wässriger Form verwendet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierstoffzusammensetzung einphasig und wässrig ist.
23. Verfahren nach den Ansprüchen 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem polymeren Schmierstoff kein weiterer Schmierstoff verwendet wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem polymeren Schmierstoff um modifizierte Cellulose oder deren wasserlösliche Salze handelt.
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