FacHartikEl EP-Additive verbessern die Nachhaltigkeit von Kühlschmierstoffen Wilhelm Rehbein, LANXESS Deutschland GmbH EP-Additive Nahezu alle modernen Kühlschmierstoffe enthalten EP-Additive, um Werkzeuge und Werkstücke unter den extremen Bedingungen der Metallbearbeitung vor adhäsivem Verschleiß zu schützen. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei allen Zerspanungs- und Umformverfahren, bei denen eine starke Reibung, hohe Flächenpressungen und Temperaturen auftreten. Ohne EP-Additive würden sich Werkzeuge deutlich schneller abnutzen, die Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstücke würde sich verschlechtern und die Produktivität sinken. Die Hauptfunktion der EP-Additive besteht darin, einen Schutzfilm auf den Metalloberflächen zu bilden, der den direkten Metall-auf-Metall-Kontakt verhindert. Dieser Film reduziert Reibung und Verschleiß, insbesondere im Grenzreibungsbereich, in dem der Schmierfilm zu dünn ist, um die Oberflächen vollständig zu trennen. Die gängigsten EP-Additiven sind Chlorparaffine (CLP) und schwefelhaltige Verbindungen (Schwefelträger). Auch phosphorhaltige Verbindungen werden gelegentlich als EP-Additive bezeichnet, jedoch verhindern diese primär den abrasiven Verschleiß und werden daher meist zu den Verschleißschutzadditiven gezählt. Chlorparaffine Chlorparaffine sind gesättigte, polychlorierte Kohlenwasserstoffe mit einer Kettenlänge von etwa 10 bis 30 Kohlenstoffatomen und einem Chlorgehalt von etwa 35 bis 70 %. Seit fast 100 Jahren werden chlorierte Paraffine als EP-Additive in Kühlschmierstoffen eingesetzt, um adhäsiven Verschleiß insbesondere bei der Metallbearbeitung zu reduzieren. Chlorierte Paraffine werden nach der Anzahl der Kohlenstoffatome in ihren Molekülen klassifiziert: kurzkettig (SCCPs, C 10 - C 13 ), mittelkettig (MCCPs, Wilhelm Rehbein Senior Manager Application Technology LANXESS Deutschland GmbH, BU Lubricant Additives Business (LAB), Mannheim, Germany Education: Reutlingen University, Graduate Engineer, Applied Chemistry University of Leipzig, Specialist Engineer, Chemical Analysis and Spectroscopy Career: 1988-2011: R&D Manager at a medium sized lubricant manufacturer, Germany Since 2011: Senior Manager Application Technology, LANXESS Deutschland GmbH, Germany Work profile: Application Technology Manager at LANXESS LAB. Development of guideline formulations and additive packages for metalworking applications. Research projects. Technical support for Southeast Asia, Japan and South Korea. More than 35 years of experience in formulation and maintenance of metalworking fluids and industrial lubricants. 11 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 12 Fachartikel | EP-Additive verbessern die Nachhaltigkeit von Kühlschmierstoffen C 14 - C 17 ), langkettig (LCCPs, C 18 - C 20 ) und sehr langkettig (VCCPs, C> 20 ). Chlorparaffine sind schlecht biologisch abbaubar; SCCPs und MCCPs sind sowohl akut als auch chronisch sehr giftig für Wasserorganismen, bioakkumulierbar und persistent in der Umwelt. Sie reichern sich in der Nahrungskette von Mensch und Tier an und sind mittlerweile in Wasser, Boden, Klärschlamm sowie in vielen Lebewesen, im menschlichen Fettgewebe und in Muttermilch nachweisbar. Da SCCPs zudem potenziell krebserregend und fortpflanzungstoxisch sind, ist ihre Verwendung in Kühlschmierstoffen in der EU seit 2002 verboten. Aktuelle Bestrebungen, etwa von der ECHA und der UN-Stockholm-Konvention, zielen darauf ab, auch die Verwendung von MCCPs stark einzuschränken. Auch Behörden in Südkorea, Japan und Kanada planen Verbote oder Einschränkungen. Langfristig werden ähnliche Maßnahmen auch für LCCPs erwartet. Eine Bewertung von VCCPs ist derzeit nicht absehbar. Aufgrund ihrer hohen Viskosität und begrenzten Löslichkeit in Basisölen sind sie jedoch nur bedingt als Additive in Kühlschmierstoffen geeignet. In vielen Negativlisten der verarbeitenden Industrie sind Chlorparaffine nur dann in Kühlschmierstoffen erlaubt, wenn sie technisch unbedingt notwendig sind (z. B. bei der Umformung von Edelstahl). Chlorparaffine in der Metallbearbeitung CLPs werden in Kühlschmierstoffen als EP-Additive eingesetzt, um adhäsiven Werkzeugverschleiß unter hoher mechanischer Belastung zu verhindern. Im ersten Schritt lagern sich die polaren Moleküle der Chlorparaffine an der Metalloberfläche an und bilden einen reibungsmindernden Film. Eine verbreitete Theorie besagt, dass sich in einem zweiten Schritt bei ausreichender mechanischer oder thermischer Belastung durch eine chemische Reaktion zwischen den Chloratomen und der Metalloberfläche eine sehr dünne Schicht aus Metallchloriden (siehe Abb. 1) bildet. Aufgrund ihrer salzartigen Struktur ist diese Schicht deutlich weniger scherstabil als das eigentliche Metallgefüge. Somit wird Kaltverschweißung oder das Anhaften des Werkstückmaterials am Werkzeug verhindert, was sonst zum Ausbrechen größerer Partikel aus den Oberflächen von Werkzeug und Werkstück führen würde. Chlorparaffine wirken in der Metallbearbeitung insbesondere bei niedrigen Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Bei höheren Geschwindigkeiten, die meist auch zu höheren Temperaturen an Werkzeug und Werkstück führen, zersetzen sie sich und bilden Chlorwasserstoff, wodurch der Werkzeugverschleiß erhöht wird. In Gegenwart von Wasser oder hoher Luftfeuchtigkeit besteht die Gefahr der Hydrolyse. Die dabei entstehende Salzsäure kann Werkzeuge, Werkstücke und die gesamte Werkzeugmaschine korrodieren. Im Vergleich zu anderen EP-Additiven ist der Einkaufspreis für chlorierte Paraffine relativ gering. Die Entsorgungskosten sind jedoch in vielen Regionen hoch, da sie in speziellen Hochtemperaturverbrennungsanlagen verbrannt werden müssen, um die Bildung giftiger Dioxine zu verhindern. Schwefelträger Als lang bewährte Alternative zu chlorierten Paraffinen werden geschwefelte Kohlenwasserstoffe sowie geschwefelte synthetische oder natürliche Ester als EP-Additive eingesetzt. Diese sogenannten Schwefelträger enthalten 2 bis 5 Schwefel-atome, die eine Brücke zwischen den Kohlenwasserstoff- oder Esterstrukturen der Moleküle bilden (Abb. 2). Sind 3 oder mehr Schwefelatome in der Schwefelbrücke vorhanden, so wird der Schwefelträger als „aktiv“ be- Abb. 1: Bildung von Adsorptions- und Reaktionsschichten durch EP-Additive CONSISTENT SOLUTIONS FROM A TRUSTED PARTNER Performance and consistency are more important than ever. And so is Ergon’s long-term commitment to reinvesting in technologies and integrated logistics — especially as the industry evolves and chemistries shift. You can rely on the consistency of our HyGold Solutions to meet your naphthenic and paraffinic base oil needs. Give us a call to learn more about how Ergon is refining the definition of service for the base oil industry. ergonspecialtyoils.com North & South America +1 601 933 3000 Europe, Middle East, Africa + 32 2 351 23 75 Asia + 65 6329 8040 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 14 Fachartikel | EP-Additive verbessern die Nachhaltigkeit von Kühlschmierstoffen zeichnet. Aktiver Schwefel wird bei 150°C aus dem Schwefelträgermolekül freigesetzt und kann mit Metalloberflächen wechselwirken. Sein Anteil im Schwefelträger wird gemäß ASTM D1662 bestimmt. Ähnlich wie Chlorparaffine bilden Schwefelträger in der Theorie eine Schutzschicht aus Metallsulfiden, die Kaltverschweißung zwischen Werkzeug und Werkstück effektiv verhindert. Aufgrund ihrer hohen Polarität können geschwefelte Ester zusätzlich, auch bei geringer mechanischer oder thermischer Belastung, die Reibung zwischen Metalloberflächen reduzieren. Schwefelträger sind in verschiedenen Molekülstrukturen verfügbar, die sich in Polarität und Aktivität unterscheiden und so gezielt an die Anforderungen spezifischer Bearbeitungsprozesse angepasst werden können. Ihre Leistung erstreckt sich über einen weiten Temperaturbereich, von langsamen Bearbeitungen bis hin zu Hochgeschwindigkeitsprozessen. Ihre Wirksamkeit kann durch synergetische Kombinationen mit überbasischen Calciumsulfonaten, Polycarboxylaten oder anderen polaren Verbindungen weiter verbessert werden. Bei schweren Zerspanungsprozessen wie Räumen oder Tief bohren verhindern Schwefelträger die Bildung langer Späne, die das Werkzeug beschädigen oder blockieren könnten. Dies wird erreicht, indem sich Metallsulfidschichten auf den Spanoberflächen bilden, die die Späne spröder machen und leichter brechen lassen. Moderne Schwefelträger sind hell in der Farbe, geruchsarm und mit nahezu allen in Schmierstoffen verwendeten Additiven kompatibel. Für ihre Entsorgung sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich. Hinsichtlich der Toxizität für Mensch und Umwelt sind sie deutlich günstiger als chlorierte Paraffine. Im Gegensatz zu chlorierten Paraffinen unterliegen Schwefelträger keinen Kennzeichnungspflichten gemäß GHS oder Gefahrstoffverordnung. Viele Schwefelträger bestehen tatsächlich zu über 50 % aus nachwachsenden Rohstoffen wie pflanzlichen Ölen oder deren Methylestern. Viele von ihnen eignen sich sogar für den Einsatz in Schmierstoffen, die die Anforderungen des EU-Umweltzeichens und des USamerikanischen Vessel General Permit erfüllen. Tribologische Prüfungen Die Leistungsfähigkeit von Schwefelträgern und Chlorparaffinen wurde mit Hilfe von tribologischen Prüfmethoden und Feldversuchen an Werkzeugmaschinen verglichen. Tapping Torque Test Bei diesem Labortest werden Gewinde geschnitten oder geformt. Das dabei aufgewendete Drehmoment wird in Abhängigkeit von der Prüfdauer aufgezeichnet und zur Evaluierung der Kühlschmierstoffformulierungen verwendet (Abb. 3). Da es sich bei diesem Test um reale Gewindeschneidbzw. -formprozesse handelt, sind die Ergebnisse sehr gut auf die reale Metallbearbeitung übertragbar. Abb. 3: Gewindeschneiden in Edelstahl mit verschiedenen KSS-Formulierungen Abb. 2: Strukturen von Schwefelträgern 15 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 Fachartikel-|-EP-Additive verbessern die Nachhaltigkeit von Kühlschmierstoffen Versuche zum Gewindeschneiden in Edelstahl V4A (1.4401) wurden mit einem unbeschichteten Gewindeschneider mit einem Durchmesser von 4 mm bis zu einer Tiefe von 6 mm bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 800 U/ min durchgeführt. Die zu prüfenden Additive waren in einem Gruppe I, ISO VG 46 Mineralöl gelöst. Beim Test eines Gewindeschneidöles, welches 5 % mittelkettiges Chlorparaffin mit einem Chlorgehalt von 50 % enthielt, wurden ein mittleres Drehmoment von 152 N/ cm sowie ein maximales Drehmoment von 261 N/ cm registriert. Das Gewindeschneiden in Edelstahl mit den beschriebenen Parametern war nicht möglich mit einem Versuchsschmierstoff, welcher 5 % langkettiges Chlorparaffin mit einem Chlorgehalt von 42 % enthielt. In gleicher Weise kam es zu Werkzeugbrüchen bei der Erprobung von Formulierungen, die 5 % überbasisches Calciumsulfonat bzw. 5 % inaktives, geschwefeltes Olefin mit einem Schwefelgehalt von 20 % enthielten. Mit 5 % eines aktiv geschwefelten Olefins mit 40 % Schwefelgehalt hingegen war das Gewindeschneiden möglich, das resultierende mittlere Drehmoment betrug 166 N/ cm, das maximale Drehmoment 255 N/ cm. Mit einer für die Zerspanung von Edelstahl gebräuchlichen Kombination von 2,5 % überbasischem Calciumsulfonat und 2,5 % aktiv geschwefeltem Olefin konnte das Drehmoment weiter auf 148 N/ cm bzw. 232 N/ cm reduziert werden. Eine weitere Verringerung von mittlerem und maximalem Drehmoment wurde mit einer Formulierung erzielt, welche 5 % eines speziellen Schwefelträgers enthielt, basierend auf einer geschwefelten Mischung von Olefinen und Triglyceriden. Gegenlauffräsen Beim Gegenlauffräsen bewegen sich die Schneiden des Fräsers beim Zerspanungsprozess entgegen der Vorschubrichtung. Der Kraftaufwand der Werkzeugmaschine und damit die Anforderungen an die EP- und Verschleißschutzeigenschaften eines Metallbearbeitungsöles sind signifikant höher als beim Gleichlauffräsen. In einem ersten Versuch wurde ein Metallbearbeitungsöl mit einer kinematischen Viskosität von 16 mm²/ s, welches 15 % mittelkettiges Chlorparaffin mit 50 % Chlorgehalt enthielt, bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten geprüft (Abb. 4). Bei ansteigender Schnittgeschwindigkeit nimmt die Standzeit des Fräsers drastisch ab. Dieser Effekt wird durch die thermische Zersetzung des Chlorparaffins bei den mit steigender Schnittgeschwindigkeit ansteigenden Temperaturen an Werkstück und Werkzeug verursacht. Der dabei entstehende Chlorwasserstoff korrodiert die Werkzeugoberfläche und führt so zu gesteigertem Werkzeugverschleiß. In einem zweiten Schritt wurde der Einfluss verschiedener Schwefelträger auf die spezifische Schnittkraft und den Werkzeugverschleiß, zunächst bei einer Schnittgeschwindigkeit von 28 m/ min. getestet (Abb. 5). Die Konzentration der Schwefelträger betrug dabei mit 5 % nur 1/ 3 der beim Chlorparaffin verwendeten Dosierung. Die beste Balance zwischen Schnittkraft und Kolkverschleiß wurde bei diesem Test mit einem speziellen EP-Additiv, basierend auf einer geschwefelten Mischung von Olefinen und Triglyceriden, erzielt. Anschließend wurde das Verschleißverhalten des MCCP-haltigen Öles der Formulierung mit 5 % des speziellen Schwefelträgers gegenübergestellt (Abb. 6). Da der Werkzeugverschleiß beim Test des den speziellen Schwefelträger enthaltenden Metallbearbeitungsöls bei niedriger Schnittgeschwindigkeit etwas höher war, wurde zusätzlich noch eine Formulierung getestet, welche neben den Schwefelträger 1 % eines Verschleißschutzadditives enthielt. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten kam die Reaktivität des Anzeige  Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 16 Fachartikel | EP-Additive verbessern die Nachhaltigkeit von Kühlschmierstoffen Schwefelträgers voll zum Tragen und übertraf auch ohne weitere Zusätze deutlich die Leistung des Chlorparaffins. Einpresstest Der Einpresstest simuliert die tribologischen Bedingungen von Feinschneid- oder Massivumformprozessen. Ein überdimensionierter Stempel aus Wälzlagerstahl mit einem Durchmesser von 30,1 mm wird mit einer Normalkraft von bis zu 300 kN in eine Matrize aus Vergütungsstahl mit einem inneren Durchmesser von 30,0 mm gepresst (Abb. 7). Dabei entsteht eine radiale Flächenpressung von bis zu 180 MPa. Der Verlauf der effektiv aufgewendeten Presskraft wird aufgezeichnet und dient der Beurteilung der Schmierstoffe bzw. ihrer Fähigkeit, Reibung und Adhäsion zu verringern. Je geringer die effektive Reibkraft ist, umso besser ist die Leistung der geprüften Schmierstoffe bei Massivumform- oder Feinschneidprozessen. Auch in diesem Versuch wurde zunächst ein Umformöl auf der Basis eines Gruppe I, ISO VG 220 Mineralöls geprüft, welches 40 % mittelkettiges Chlorparaffin mit einem Chlorgehalt von 50 % enthielt (Abb. 8). Nach Versuchsende wurden adhäsive Anlagerungen des Matrizenmaterials am Stempel gefunden. Ein weiterer Test erfolgte mit einer Mischung, die 20 % eines schwefelvernetzten, öllöslichen Polymers enthielt, welches neben EP-Eigenschaften auch einen extrem druckstabilen Schmierfilm bildet. Zusätzlich wurden noch 3 % eines metallfreien Dithiophosphates zugegeben. Mit dieser Formulierung wurde die bei der Prüfung des chlorparaffinhaltigen Umformöls Abb. 4: Gegenlauffräsen mit einem chlorhaltigen Metallbearbeitungsöl Abb. 5: Test verschiedener Schwefelträger beim Gegenlauffräsen Abb.6: Vergleich MCCP mit Schwefelträger basierend auf Triglycerid/ Olefin 17 Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 Fachartikel-|-EP-Additive verbessern die Nachhaltigkeit von Kühlschmierstoffen aufgewendete maximale Presskraft um ca. 25 % unterschritten. Nach dem Einpressversuch wurde keine Adhäsion am Stempel oder an der Matrize festgestellt. Zusammenfassung Schwefelträger wirken als EP-Additive bei der Metallbearbeitung in ähnlicher Weise wie Chlorparaffine, zeigen im Vergleich zu diesen aber eine Reihe von Vorteilen: > Sie bewirken exzellente Ergebnisse selbst in Metallbearbeitungsprozessen mit hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Diese Leistung kann durch synergistische Kombinationen mit anderen Additiven oftmals weiter gesteigert werden. > Schwefelträger sind mit unterschiedlichen Reaktivitäten und molekularen Strukturen erhältlich und dadurch optimal anpassbar an die Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen. > Sie verursachen keinen erhöhten Werkzeugverschleiß bei hohen Bearbeitungs-geschwindigkeiten bzw. Temperaturen. > Die Leistung von Chlorparaffinen als EP-Additive hingegen verschlechtert sich mit steigender Bear- Abb. 7: Schema des Einpresstests Mit Motorenölen, Getriebeölen und Mehrbereichsölen von TotalEnergies reduzieren Sie langfristig Ihre Betriebskosten. Lassen Sie sich von unserem Außendienst vor Ort zum kostensparenden Einsatz von TotalEnergies Schmierstoffen beraten. Ihr persönlicher Ansprechpartner: Mathias Krause · (0162) 1333 458 mathias.krause@totalenergies.com totalenergies.de Erhöhen Sie Ihre Energieeffizienz Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 6. Jahrgang · 4/ 2025 18 Fachartikel | EP-Additive verbessern die Nachhaltigkeit von Kühlschmierstoffen beitungsgeschwindigkeit, bedingt durch ihre chemische Zersetzung. > Schwefelträger haben ein deutlich günstigeres toxikologisches und ökotoxikologisches Profil als Chlorparaffine, ihre Entsorgung erfordert keine über die Entsorgung von Altölen hinausgehenden Maßnahmen. Viele Schwefelträger basieren darüber hinaus zu mehr als 50 % auf nachwachsenden Rohstoffen und tragen damit zu einer gesteigerten Nachhaltigkeit von Schmierstoffformulierungen bei. Daher ist es möglich, durch die Verwendung optimal geeigneter Schwefelträger und durch ihre Kombination mit anderen Additiven, die Eigenschaften von Kühlschmierstoffen exakt an die Bedürfnisse der jeweiligen Metallbearbeitungsprozesse anzupassen und die Leistung chlorhaltiger Schneid- und Umformöle noch zu übertreffen. »« Eingangsabbildung: © andov - stock.adobe.com Abb. 8: Prüfung zweier Umformöle im Einpresstest Buchtipp UVK Verlag - Ein Unternehmen der Narr Francke Attempto Verlag GmbH + Co. KG Dischingerweg 5 \ 72070 Tübingen \ Germany \ Tel. +49 (0)7071 97 97 0 \ info@narr.de \ www.narr.de Im Buch wird die Frage erörtert, wie sich die moderne, globale Gegenwartsgesellschaft und damit auch das Alltagsleben von Individuen sowie institutionalisierter Politik, Wirtschaft und Bildung bei zunehmender Entkopplung von Intelligenz und individuellem Bewusstsein verändert und weiter verändern wird. Dabei wird die sich beschleunigende technologische Entwicklung nicht einfach nur als Ursache gesehen, sondern es wird der Druck der multiplen Gegenwartskrisen auf soziale Systeme und ihre weitere Entwicklung berücksichtigt. Frank H. Witt Künstliche Intelligenz: Transformation und Krisen in Wirtschaft und Gesellschaft 1. Au age 2025, 222 Seiten €[D] 24,90 ISBN 978-3-381-13071-9 (print) ISBN 978-3-381-13072-6 (eBook) DOI 10.24053/ 9783381130726 Anzeige