Qualitätskontrolle von Gesenkschmiermitteln mit dem ...

Durch die Untersuchung
von wasserbasierten
Schmiermitteln mit
dem "Loebnitz-Test"
wird eine schnelle und
preiswerte Bewertung
der Produktqualität im
Wareneingang sowie in der
Schmiedelinie ermöglicht.
Bei der Qualitätsprüfung von Schmierstoffprodukten
können, nach den hier gemachten
Erfahrungen und den gewonnenen Ergebnissen,
beim Wareneingang mindestens drei
und im laufenden Betrieb mindestens zwei
Messungen nach dem Loebnitz-Test Aufschluss
über die Qualität des Schmiermittels
geben. Für diese Anzahl an Messungen kann
aufgrund der geringen Streuung im Vergleich
zur Referenztemperatur die Verwendbarkeit
festgestellt werden. Hohe Streuungen sowie
Abweichungen vom hinterlegten Referenzwert
bei den Werten der Netztemperatur T Lo
sind ein sicheres Indiz für Veränderungen des
Schmiermittels wie zum Beispiel das Absetzen
der Netzmittel aufgrund unangepasster
Lagerung oder Frost. Auch unterschiedliche
Konzentrationen des angemischten Schmiermittels
lassen sich somit erkennen, was dem
Anwender bei Problemen im Schmiedeprozess
die Fehlersuche erleichtert. Der Loebnitz-
Test ist ein schnelles und einfaches Verfahren
zur Überwachung der Schmierstoffqualität als
Vergleichstest innerhalb eines Schmiermittelprodukts;
der Test ist nicht geeignet zum
Vergleich der Schmiermittelfähigkeit zwischen
unterschiedlichen Schmierstoffen.
Einleitung
Gesenkschmierstoffe für Vertikalschmiedemaschinen
auf der Basis von Wasser kommen
aufgrund ihrer guten Kühl- und Schmiereigenschaften
in zahlreichen Variationen zum
Einsatz. Die Aufbringung erfolgt in jedem
Fall durch tröpfchenerzeugende Sprühsysteme,
die das Gesenk flächig benetzen. Durch
ein Verdampfen des Wassers wird die notwendige
Kühlung erzeugt, und die auf der
Oberfläche zurückbleibenden Feststoffe bilden
die verschleißmindernde Schmierschicht.
Insbesondere das Leidenfrost-Phänomen ist
in diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung.
Hierdurch kommt es für verschiedene
Schmierstoffe und schwankende
Schmierstoffkonzentrationen durch die
Dampfpolsterbildung beim Auftreffen des
Schmierstofftropfens auf die heiße Gesenkoberfläche
zu einer unterschiedlich langen
Kühldauer. Außerdem wird die Gesenkoberfläche
nicht oder nur unzureichend benetzt,
SPEKTRUM
Qualitätskontrolle von
Gesenkschmiermitteln
mit dem Benetzungstest
nach Loebnitz
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens,
Dipl.-Ing. Armin Küper, Hannover,
Dipl.-Ing. Michael Gulde, Hamburg und
Andreas Loebnitz, Essen
sodass kein Schmierfilm aufgebaut wird. Eine
charakteristische Temperatur zur Beschreibung
des Netzverhaltens ist diejenige Temperatur,
unterhalb der ein Benetzen der Oberfläche
gewährleistet ist.
Bild 1: Prüfgerät von Gesenkschmiermitteln nach A. Loebnitz
Zur Charakterisierung der eingesetzten
Schmierstoffe und zur laufenden Qualitätssicherung
im Schmiedebetrieb ist im Rahmen
eines Arbeitskreises im Industrieverband
Massivumformung durch die Fa. Schaaff &
Meurer GmbH ein Prüfverfahren entwickelt
worden, das durch experimentelle Untersuchungen
am Institut für Umformtechnik und
Umformmaschinen (IFUM), Hannover, charakterisiert
worden ist. Die für diesen Versuchsaufbau
charakteristische Temperatur
wird nach dem Erfinder des Tests, Andreas
Loebnitz, Netztemperatur T Lo genannt. Diese
Temperatur lässt allerdings keinen Rückschluss
auf die Schmierfähigkeit zweier unterschiedlicher
Schmierstoffe zu und soll in
diesem Stadium nur der fortlaufenden
Qualitätskontrolle dienen.
Versuchsaufbau und Durchführung
Der im Bild dargestellte Versuchsaufbau der
Fa. Schaaff & Meurer ermöglicht die reproduzierbare
Untersuchung der o. g. Phänomene
und entsprechender Einflussgrößen. Für die
tropfenweise Dosierung des Schmiermittels
auf die Probenoberfläche wird eine Spritze
mit Hilfe eines Linearaktors bedient. Aufgrund
des geregelten Vorschubs erfolgt eine
dosierte Abgabe des
Kühlschmiermittels
hinsichtlich Tropfengröße
und kinetischer
Energie. Die beheizte
Referenzoberfläche
ist geneigt, um das
Abgleiten der Flüssigkeit
auf einem eventuell
entstehenden
Dampfpolster zu gewährleisten.Hierdurch
wird eine Unterscheidung,
ob ein
Benetzen der Oberfläche
vorliegt oder
nicht, ermöglicht.
Die Temperatur
der Oberfläche wird vor der Durchführung des
Tests über einen Temperaturfühler wenige
Millimeter unterhalb der Substratoberfläche
auf eine Starttemperatur geregelt, die minimal
ca. 10 °C über der vermuteten Netztemperatur
TLo liegen sollte. Für erste Versuche zur Eingrenzung
dieses Bereichs sind hohe Starttemperaturen
im Bereich von 300°C zu
wählen. Wenn diese Temperatur erreicht ist,
wird die Heizpatrone abgeschaltet. Anschließend
fällt die Temperatur kontinuierlich aufgrund
der Abkühlung durch die teilweise
verdampfenden Tropfen. Einhergehend mit
sinkender Temperatur lässt der Einfluss des
Leidenfrost-Phänomens nach und die Kühlleistung
durch den steigenden Anteil verdampften
Mediums pro Tropfen steigt. Somit
fällt die Temperatur der Oberfläche kontinuierlich
ab, bis die Oberfläche benetzt wird und
der Wasseranteil des Tropfens schließlich
vollständig verdampft ist. Diese Temperatur
stellt die Netztemperatur für den jeweiligen
Schmierstoff dar.
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Für die Reproduzierbarkeit der Netztemperatur
T Lo ist neben der wiederholten Prüfung
des gleichen Mediums auch eine Reinigung
der benetzten Oberfläche nach jedem Durchgang
wichtig. Durch noch anhaftende
Schmiermittelreste von vorhergehenden Untersuchungen
kann die Verdampfung des
Kühlschmiermittels aufgrund von Keimbildungen
begünstigt und somit die Netztemperatur
T Lo zu höheren Temperaturen verschoben
werden. Auch Riefen oder grobe Unebenheiten
durch Fertigungsungenauigkeiten können
als Keimbildner wirken. Weiterhin sollte
der Werkstoff für die Referenzoberfläche
möglichst hart sein, um durch die Reinigung
mit einer Drahtbürste keine Riefen in die
Oberfläche einzubringen. Auch der Einsatz einer
haftungsmindernden Hartstoffbeschichtung
ist möglich, um die Verklammerung des
sich verfestigenden Schmierstoffs zu erschweren
und die anschließende Reinigung zu erleichtern.
Die Beschaffenheit bzw. Topographie
der Oberfläche hat jedoch keinen grundsätzlichen
Einfluss auf die Netztemperatur
T Lo .
Grundsätzliche Aussagen zum
Loebnitz-Test
Berührt ein Schmierstofftropfen bei einer
Temperatur oberhalb der Netztemperatur T Lo
die heiße Stahloberfläche, so rollt er auf dem
sich ausbildenden Gaspolster die geneigte
Ebene hinunter. Im Bild 2 ist die typische
Kugelform des Schmierstofftropfens beim
Abrollen dargestellt. Bei Erreichen der Netztemperatur
T Lo beginnt der Schmierstoff aus
dem Tropfen auf der heißen Stahloberfläche
zu haften und gleitet nicht auf der geneigten
Oberfläche hinab.
Weiterhin gibt es unterschiedliche Formen
des Benetzens für unterschiedliche Schmiermittel.
Einige Produkte netzen flächig und der
Graphitfilm wird gleichmäßig verteilt. Andere
Produkte bilden kleinere oder größere Punkte
auf der Oberfläche oder ziehen sich als Tropfen
zusammen. Diese Erscheinung trifft oft
bei Mitteln mit hoher Netztemperatur T Lo
sowie bei graphitfreien Mitteln auf.
Bild 2: Unterschiedliches Benetzungsverhalten für verschiedene Temperaturniveaus
Die Schmierstoffe können ferner ein charakteristisches
Verdampfungsbild des Tropfens
beim Auftreffen auf die heiße Stahloberfläche
ausbilden. Dieses kommt durch die individuelle
chemische Zusammensetzung so-
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2006
SPEKTRUM
wie den angesetzten Konzentrationsgrad im
wässrigen Medium zustande. Als Basis für die
untersuchten Gesenkschmierstoffe zeigt Wasser
für die Untersuchung daher die gleichmäßigsten
Benetzungstemperaturwerte. Für
reines Wasser liegt diese Temperatur bei ca.
176 °C und ist mit einer geringen Abweichung
von 0,6 % für fünf Wiederholungen sehr gut
reproduzierbar.
Auch der Anteil und die Zusammensetzung
der Additive im Schmiermittel haben Auswirkungen
auf die Netztemperatur. Je höher
ihr Anteil am Schmierstoff ist, desto produktspezifischer
wird das Verhalten beim Erreichen
der Temperatur T Lo . Der Schmierstofftropfen
rollt dabei kochend die schiefe Stahloberfläche
herab und verkleinert sich stetig.
Bei geringen Mischungsverhältnissen bzw.
geringerer Additivkonzentration ist die Netztemperatur
T Lo der
Schmierstoffe in der
Regel bis auf ca. 2 bis
3 °C reproduzierbar.
Ein Verdünnungsgrad
von 1:10 sollte nicht
unterschritten werden,
um die Reproduzierbarkeit
und Ablesegenauigkeit
zu gewährleisten.
Abweichungen im
Rahmen der ermittel-
ten Temperatur während
fünf Wiederholungen
liegen unter
anderem an der unpräzisen
Möglichkeit, die Temperatur schnell
genug zu erfassen, sowie an Störeinflüssen auf
der Stahloberfläche. Eine automatische Aufnahme
der Netztemperatur T Lo könnte die
Reproduzierbarkeit erhöhen.
Weiterhin wird der Zeitpunkt der Verdampfung
von anhaftenden festen Schmierstoffpartikeln
durch beginnende Schichtbildung, wie
oben beschrieben, beeinflusst. Bei schon vorhandenen
Schmierstoffablagerungen liegt die
Temperatur T Lo höher und unterstreicht somit
die Notwendigkeit für vergleichbare Zustände
zu Beginn jeder einzelnen
Untersuchung
hinsichtlich Starttemperatur,
Reinheit und
Neigung der Oberfläche,Vorschubgeschwindigkeit,Verdünnung
und Absetzdauer
des zu untersu-
chenden Mediums.
Nach unserer Meinung
beeinflusst ein
Konzentrationsunterschied
die Verdampfungsgeschwindigkeit im
Gegensatz zum Verdampfungspunkt nicht.
Chemische Bestandteile im Schmierstoff wie
Additive, die die Eigenschaften der Trägerflüssigkeit
verändern, können hingegen zu ei-
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ner Verschiebung des Verdampfungspunkts
und somit zu einer veränderten Netztemperatur
T Lo führen.
Ergebnisse
Zur statistischen Absicherung wurden mit
jeder Schmierstoffkonzentration fünf identische
Messungen durchgeführt. Außerdem
wurde die prozentuale Abweichung zwischen
der größten und der kleinsten gemessenen
Temperatur angegeben. Ferner wurden Besonderheiten,
die bei der Verdampfung des Tropfens
beobachtet wurden, beschrieben. Insgesamt
wurden Tests für elf unterschiedliche
Schmierstoffe mit jeweils zwei Konzentrationsgraden
durchgeführt. Aus den durchgeführten
Tests mit unterschiedlichen Schmierstoffen
in unterschiedlichen Verdünnungen
haben sich die folgenden Ergebnisse ergeben.
Bild 3: Loebnitz-Temperaturen für verschiedene Gesenkschmierstoffe
Quelle: IFUM
Insgesamt bewegt sich die Streubreite der
gemessenen Referenztemperaturen im Bereich
bis ca. 3 %. Aber auch deutlich höhere
Werte, bis zu 30 %, sind aufgetreten. Diese
hohen Abweichungen lassen sich im vorliegenden
Fall auf die Heterogenität des
Schmiermittels in Folge des Absetzens der
Schmiermittel erklären.
Der Einsatzbereich des vorgestellten Testverfahrens
liegt in vergleichenden Messungen
eines Kühlschmiermittels. Die Testergebnisse
zweier verschiedener Schmiermittelprodukte
sind nicht miteinander vergleichbar, da die
Netztemperatur T Lo vom Verdünnungsgrad
eines Schmiermittels abhängig ist und nicht
mit der maximalen Einsatztemperatur des
Schmiermittels gleichzusetzen ist.
Zur Bewertung und Untersuchung einer
Charge eines Schmiermittelprodukts ist als
Vergleichswert die Temperatur einer einwandfreien
Charge erforderlich. In den Versuchen
hat sich eine Temperaturabweichung von
± 3 % empirisch als Toleranzbereich herausgestellt.
Für größere Temperaturabweichungen
ist davon auszugehen, dass die Vergleichsproben
nicht identisch sind. Auch ist
eine Bewertung des Schmiermittels im Hinblick
auf die Ausbildung des Schmierfilms
und der Haftfähigkeit desselben bei ausreichender
Erfahrung möglich. ■