VSI - Verband Schmierstoff Industrie e.V.

Was ist ein Kühlschmierstoff?

Kühlschmierstoffe werden in der DIN 51385: „Schmierstoffe - Bearbeitungsmedien für die Umformung und Zerspanung von Werkstoffen - Begriffe“ beschrieben.

Flüssigkeit, Varianten:

Hauptbestandteil: Grundöl

  • Mineralöl
  • Synthetische Kohlenwasserstoffe
  • „unkonventionelle Flüssigkeiten“: Ester, Glykole etc.

Hauptbestandteil: Wasser

  • Hergestellt aus Konzentrat und Wasser, gemischt beim Anwender (ca. 95% Wasser, 5% Konzentrat)

Wird Kühlschmierstoff überhaupt benötigt?

Die Alternative wäre Trockenbearbeitung und Minimalmengenschmierung (MMS)

  • „Eine wirtschaftliche Trockenbearbeitung mit und ohne MMS erfordert Anpassung von Werkzeug, Schneidstoff, Maschine und Prozess.“*
  • Eher eine langfristige umzusetzende Option in der Serienfertigung.

„Bei vielen Bearbeitungsoperationen, insbesondere bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe, ist ein Verzicht auf Kühlschmierstoffe nicht möglich.“*

*Zitate: RWTH/WZL

KSS-Mengen

  • Frühindikator für die Wirtschaft zeigt Bedeutung, die der KSS nach wie vor für den Produktionsprozess hat
  • BIP vs. Kühlschmierstoffumsatz

Metallbearbeitungsflüssigkeiten (EU)

KSS-Kosten

  • Die KSS Kosten betragen 8-16% der Produktionskosten
  • Zum Vergleich: Werkzeuge 3-5%, Sonstige: 80%

Die KSS Kosten sind höher als die für Werkzeug. Dies sollte für erhöhte Aufmerksamkeit sorgen!

Kühlen und Schmieren

Wie der Name schon sagt, bestehen die wesentlichen Funktionen eines Kühlschmierstoffes in

  • Kühlen - Erhalt des Gefüges in den Randschichten von Werkzeug und Werkstoff, hohe Bearbeitungsgenauigkeit,
  • Schmieren - Verringert die Reibung durch Schmieren, vermindert Verschleiß des Werkzeugs, das Erwärmen des Werkstücks und den Energiebedarf, aber auch
  • Korrosionsschutz  - für Maschine und Werkstück, Entfernen der Späne (Spülwirkung).

Eigenschaften von Wasser und Öl

Die Schmiereigenschaften des Wassers können verbessert werden, die Kühlwirkung von Öl nicht.

KSS als Werkzeug: Kühlen vs. Schmieren

Der KSS begleitet die Bearbeitung

Wasser und Öl

Wassergemischte KSS

  • enthalten emulgiertes Öl
  • Kühlen und Spülen sehr gut
  • relativ preiswert
  • u. U. Nährboden für Bakterien & Pilze
  • u. U. Korrosionsprobleme
  • begrenzte Lebensdauer und hoher Pflegeaufwand

Nicht wassergemischte KSS

  • Grundstoff ist Schmierstoff
  • guter Korrosionsschutz
  • keine Keimprobleme
  • lange Lebensdauer
  • geringere Wartungskosten
  • hohe Beschaffungskosten
  • relativ hohe Entsorgungskosten
  • begrenzte Kühl- und Spülwirkung

KSS und die Metallbearbeitung

Kühlschmierstoffe sind wie Material, Werkzeug und Maschine integraler Bestandteil der Metallbearbeitung

VDI Richtlinien (Blatt 3035, 3397) beschreiben Anforderungen an Maschine und KSS, von Experten entwickelt und laufend überarbeitet:

  • 3035: Gestaltung von Werkzeugmaschinen, Fertigungsanlagen und peripheren Einrichtungen für den Einsatz von Kühlschmierstoffen
  • 3397, Blatt 1: Kühlschmierstoffe für spanende und umformende        Fertigungsverfahren
  • 3397, Blatt 2: Pflege von Kühlschmierstoffen für die Metallbe- und verarbeitung
  • 3397, Blatt 3: Entsorgung von Kühlschmierstoffen
  • 3397, Blatt 4: Mikrobiologie in Kühlschmierstoffen (wird z. Zt. erstellt)

VDI-Richtlinie 3035 - Gestaltung von Werkzeugmaschinen, Fertigungsanlagen und peripheren Einrichtungen für den Einsatz von Kühlschmierstoffen

  • Auslegung des Kühlschmierstoffkreislaufes : Gestaltung/Anordnung von Behältern (Rein-, Schmutz-, Rückpump-, Sedimentations- und Filterbehälter), Zu- und Rückflusswegen, Pumpen usw.
  • Hinweise zur Werkstoffauswahl: Vermeidung bestimmter Metalle, Verwendung z.B. von Pulverlacken, Beschichtungen für die Metalloberflächen, Empfehlungen zur Klebstoffauswahl, Übersicht zur Beständigkeit von häufig verwendeten Kunststoffen gegenüber den KSS,  Hinweise zum Einsatz von Gleitbahnwerkstoffen und Gleitbahnschmierstoffen usw.
  • Arbeitsschutz- und Umweltschutzeinrichtungen: Absaugung, Abscheider etc.

VDI-Richtlinie 3397, Blatt 1- Aufgaben und Arten der KSS

  • Kühlschmierstoff-Aufgaben Kühlen, Schmieren sowie Spülen und Transportieren
  • Kühlschmierstoff-Arten nach DIN 51385 und von Multifunktionsölen
  • Basisöle und Zusätze für nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe
  • Basisöle und Zusätze für wassermischbare Kühlschmierstoffe
  • Gesetze und Verordnungen zu KSS

VDI-Richtlinie 3397, Blatt 2 - Pflege von Kühlschmierstoffen für die Metallbe- und -verarbeitung

  • Überwachung
  • Mechanisch/Physikalische Pflege
  • Temperieren
  • Chemisch/Physikalische Maßnahmen
  • KSS-Wechsel
  • Brandschutz

VDI-Richtlinie 3397, Blatt 3: Entsorgung von Kühlschmierstoffen

  • Gesetzliche Rahmenbedingungen
  • Behandlung von unbrauchbaren und verbrauchten KSS
  • Fremdentsorgung

KSS und Gesundheit

Zahlreiche Regelungen betreffen den sicheren Umgang mit dem Kühlschmierstoff. Besonders hervorzuheben sind:

  • BGR 143: Umgang mit Kühlschmierstoffen. Hier sind die wichtigsten Regeln zum verantwortlichen Umgang mit KSS besonders unter Arbeitsschutzaspekten zusammengefasst.
  • VKIS-VSI-IGM Liste: Enthält Stoffe, die aus verschiedenen Gründen (Verbote, Beschränkungen technischer und toxikologischer Natur) in KSS nicht, mit Einschränkungen oder nur nach Deklaration verwendet werden sollten.

Eine Übersicht zu diesen Themen gibt es hier.

Zusammenfassung

Die Auswahl des KSS ist integraler Bestandteil des Systems

  • Werkzeug
  • Maschine
  • Bearbeitungsverfahren
  • Material und
  • Mensch

KSS sind aus technischer und arbeitsmedizinischer Sicht bestens definiert. Unzureichende Beachtung des KSS wird bestraft mit

  • Werkzeugverschleiß
  • Ungenügender Produktqualität
  • Korrosion und Schäden an der Werkzeugmaschine und
  • Gesundheitsproblemen

Probleme

Kühlschmierstoffe und Borsäure

Borsäure ist eine schwache Säure, deren Salze in Form von Boraten in großer Menge in der  Erdkruste vorkommen. Das Element Bor ist lebensnotwendig (essentiell) und kommt in vielen Lebensmitteln (z.B. Milch, Milchprodukten, Obst, Nüssen und Gemüse) sowie im Trinkwasser vor; Äpfel Kaffee und Wein enthalten vergleichsweise große Mengen an Borverbindungen. Borate werden seit über 100 Jahren gefördert und verarbeitet. Borsäure und Borate werden in sehr großen Mengen in einer Vielzahl von Anwendungen wie z. B. Arzneimittel, Keramik, Glas, Waschmittel und - als Düngerhilfsmittel - in der Landwirtschaft verwendet. Sie wurden sehr lange als kaum gefährlich betrachtet und seit Generationen sicher eingesetzt.

Borsäure wird u. a. auch als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Korrosionsinhibitoren verwendet, die häufig in wassermischbaren Kühlschmierstoffen (KSS) zum Einsatz kommen.

Einstufung der Borsäure und Borate

Trotz erheblicher Bedenken von Industrie und Anwendern, basierend auf jahrzehntelanger Erfahrungen und sicheren Verwendung von Borsäure, beschlossen die EU-Behörden, Borsäure und Natriumborat einzustufen als „Reproduktionstoxisch, Kategorie 1B".

Die Kennzeichnungsvorschriften für Borsäure ab dem 1. Dezember 2010 sind nachfolgend zusammengefasst:

- Einstufung:Reproduktionstoxisch 1B; H360FD
- Kennzeichnung:Piktogramm GHS08
- Signalwort:Gefahr
- Gefahrenhinweis:Kann die Fruchtbarkeit beeinträchtigen

Für Borsäure ist der Grenzwert für die Einstufung eines Kühlschmierstoffs 5,5% (Masse), was bedeutet, dass nur solche Schmierstoffe, die 5,5% oder mehr freie Borsäure enthalten, wie oben angegeben einzustufen sind.

Darüber hinaus soll die Borsäure in den Anhang XIV REACH (SVHC-Liste) aufgenommen werden. Dies würde bedeuten, dass die Verwendung von Borsäure für die Herstellung von Kühlschmierstoffen zugelassen werden müsste.

Bestimmung freier Borsäure mittels 11B-NMR-Spektroskopie

Die quantitative Bestimmung freier Borsäure im üblichen, alkalisch abgepufferten Kühlschmierstoffkonzentrat ist schwierig, weil chemische Methoden das Gleichgewicht stören und zu falschen Ergebnissen führen. Deshalb wurde - basierend auf bereits vorliegenden Ergebnissen von zwei KSS-Herstellern - die 11Bor-NMR-Spektroskopie ausgewählt.

Der VSI und die DGUV haben eine Handlungshilfe entwickelt, die diese Messmetholde erläutert und Hinweise zur sicheren Handhabung und Verwendung der Borsäure gibt. 

Diese Methode dient seit Jahrzehnten der Strukturaufklärung organischer wie anorganischer Verbindungen, und es gibt eine Vielzahl von Veröffentlichungen, in denen der Gehalt freier Borsäure neben den unterschiedlichsten Borsäureverbindungen (Ester, Salze, Komplexe) in Abhängigkeit verschiedener Rahmenbedingungen bestimmt wurde.

In einer repräsentativen Untersuchung wurden 52 Proben von KSS Konzentraten von 5 verschiedenen Herstellern untersucht. Von den Herstellern wurden folgende Daten als relevant angegeben bzw. ermittelt:

1. Eingesetzte Menge Borsäure, rezepturtechnisch

2. Eingesetzte Menge Alkanolamin

3. Eingesetzte Menge Mineralöl/Esteröl

4. pH-Wert Konzentrat

Aus den Spektren wurde die Menge an freier Borsäure ermittelt. Es konnte festgestellt werden, dass nur in einer der 52 KSS Konzentratproben der Gehalt an freier Borsäure mit 5,6 % knapp oberhalb des Grenzwertes von 5,5 % lag. Diese Probe liegt mit 18 % Borsäure (rezepturtechnisch) oberhalb typischer Gehalte. Für alle 52 Proben wurde der „Index" = Quotient aus freier geteilt durch rezepturtechnisch eingesetzter Borsäure ermittelt. Dieser liegt produkt- und herstellungsspezifisch zwischen 0,08 und 0,5. Eine prognostizierte Abhängigkeit allein vom pH-Wert des Konzentrates ist nicht feststellbar.

Befund: In 51 KSS-Konzentratproben liegen die Gehalte an freier Borsäure unterhalb der Grenze von 5,5 % und führen somit nicht zu einer Kennzeichnung. Die rezepturtechnischen Borsäuregehalte lagen dabei zwischen ca. 6 und 18 %.

Weitere Hinweise zur Borsäure können auch dem UKLA-Positionspapier entnommen werden.

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