Wie Schmierung die Metallbearbeitung verbessert: Eine tribologische Perspektive

Rolle der Schmierung bei Metallbearbeitungsprozessen

Um die Rolle der Schmierung bei Metallbearbeitungsprozessen zu verstehen, ist Kenntnis der Tribologie der Schmierung erforderlich. Die Tribologie umfasst die Grenzreibung, die mit nahezu allen Metallbearbeitungsoperationen verbunden ist. Sie entsteht durch die Relativbewegung zweier benachbarter Flächen unter Druck. Bei Metallbearbeitungsprozessen wird die Relativbewegung zwischen Walzen und Werkstück durch die Oberflächengeschwindigkeitsdifferenz der Walzen verbessert.

Reibung

Reibung spielt eine wichtige Rolle bei Metallbearbeitungsprozessen. Sie ist definiert als der Widerstand gegen relative Bewegung zweier sich berührender Körper. Es handelt sich um einen energieverzehrenden Prozess, der zu einem Temperaturanstieg an der Grenzfläche führt und bei übermäßiger Reibung Oberflächenschäden verursachen kann. Sie beeinflusst auch die Verformung im Metallbearbeitungsprozess. Nach frühesten Theorien entsteht Reibung durch das Ineinandergreifen zweier rauer Flächen, die aneinander vorbeigleiten. Tatsächlich wird Reibung durch eine Vielzahl von Variablen verursacht: Belastung, Geschwindigkeit, Temperatur, die Materialien des Gleitpaars und die verschiedenen Effekte von Flüssigkeiten und Gasen an der Grenzfläche.

Die am weitesten akzeptierte Reibungstheorie basiert auf der resultierenden Adhäsion zwischen den Spitzen der kontaktierenden Körper. Unabhängig von der Glätte der Flächen berühren sie sich nur an einem Bruchteil ihrer scheinbaren Kontaktfläche. Die Last wird somit von wenigen Spitzen getragen, was zu hohen Normalspannungen an den Spitzenkontakten führt. Bei geringen Lasten sind die Kontaktspannungen rein elastisch. Mit steigender Last – wie sie in der Metallbearbeitung auftritt – kann es zur elastischen Verformung der Spitzen und zur Bildung adhäsiver Bindungen (Mikroschweißungen) kommen.

Einflussfaktoren auf Adhäsionsbindungen

Art und Festigkeit der adhäsiven Bindung hängen ab von: (i) gegenseitiger Löslichkeit und Diffusion der Kontaktflächen, (ii) Temperatur und Kontaktzeit, (iii) Art und Dicke von Oxidfilmen oder Verunreinigungen an der Grenzfläche, (iv) Vorhandensein eines Schmierfilmes.

Bei sauberen, frisch erzeugten Flächen (z. B. durch Schneiden oder bei großen Flächenvergrößerungen in der Umformung) und ohne Verunreinigungen oder Schmierfilm ist die Bindungsfestigkeit durch Kaltdruckschweißen hoch. Folglich ist die Scherfestigkeit der Kontaktstellen hoch, und damit auch die Reibung. Werden Verunreinigungen oder Schmierstoffe zugeführt, oder bilden sich Oxidschichten (was in manchen Fällen nur Sekunden dauert), sinkt die Bindungsfestigkeit, da keine starke Bindung mehr gebildet werden kann. Die Reibung nimmt ab.

Temperaturerhöhung durch Reibung

Die Reibungskraft erhöht die Oberflächentemperatur. Der Temperaturanstieg steigt mit: (i) Geschwindigkeit, (ii) Reibungskoeffizient, (iii) abnehmender Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärmekapazität der Materialien. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto größer der Wärmestrom in den Werkstückkörper. Je höher die spezifische Wärmekapazität, desto geringer der Temperaturanstieg. Der Temperaturanstieg kann ausreichen, um die Grenzfläche zu schmelzen, Phasenumwandlungen, Eigenspannungen und Oberflächenschäden (metallurgischer Brand) zu verursachen.

Verschleiß

Verschleiß ist definiert als Verlust oder Abtrag von Material von einer Oberfläche. Er kann unter verschiedenen Bedingungen auftreten: (i) trockener oder geschmierter Verschleiß, (ii) Gleit- oder Rollkontaktverschleiß, (iii) Verschleiß durch Bruch oder (iv) Verschleiß durch plastische Verformung. Es gibt vier grundlegende Verschleißarten: (i) Adhäsionsverschleiß, (ii) Abrasiver Verschleiß, (iii) Ermüdungsverschleiß, (iv) Korrosiver Verschleiß. In der Metallbearbeitung sind meist die ersten drei relevant. Der letzte Typ kann auch durch Walz-Werkstück-Wechselwirkungen in Gegenwart von Flüssigkeiten und Gasen auftreten – hier sind適切な Schmierstoffchemien je nach Walzenmaterial zu wählen, um übermäßigen korrosiven Walzenverschleiß zu vermeiden.

Adhäsionsverschleiß

Entsteht durch Scheren der Kontakte beim Gleiten. Bei starken Bindungen (saubere Grenzflächen, hohe Lasten, ausreichende Kontaktzeit) erfolgt der Bruch entweder oberhalb oder unterhalb der Grenzfläche der Spitzen. Der Riss bildet und propagiert sich meist im weicheren Metall. Bei wiederholter Belastung wird das übertragene Teilchen zum losen Verschleißteilchen. In schweren Fällen spricht man von Galling, Scuffing oder Fressen. Voraussetzung für Adhäsionsverschleiß ist eine Affinität (Reaktivität) zur Adhäsion und zum Schweißen zwischen den Gleitflächen. Der schwerste Fall tritt zwischen zwei sauberen Flächen unter hoher Normallast im Vakuum auf. Die Hauptaufgabe eines wirksamen Schmierstoffs ist die Verringerung der Schweißtendenz der Spitzen, entweder durch Trennen der Flächen mit einem Schmierfilm oder durch Reduzierung der Grenzflächenscherfestigkeit durch Bildung von Verbindungen mit geringer Scherfestigkeit via chemischer Reaktionen. Oberflächenfilme sind bei Adhäsionsverschleiß von großer Bedeutung. Neben dem Schmierfilm sind Flächen fast immer mit Oxidschichten, Verunreinigungen und adsorbierten Gasen oder Flüssigkeiten bedeckt. Diese Filme verringern die Grenzflächenscherfestigkeit erheblich. Der in der Praxis beobachtete Verschleiß ist daher meist geringer als theoretisch ohne diese Filme. Oxidfilme spielen eine signifikante Rolle bei Reibung und Verschleiß. Der Effekt hängt von der relativen Rate ab, mit der Oxidschichten beim Gleiten zerstört werden und sich neu bilden. Ist die Zerstörungsrate hoch, sind die Flächen schlecht geschützt und der Verschleiß hoch.

Abrasiver Verschleiß

Beim abrasiven Verschleiß wird Material durch Kratzen, Schlieren und Mikrosplitter von der Oberfläche entfernt. Je weicher das Material, desto höher die abrasive Verschleißrate. Auch bei höherer Last steigt die Verschleißrate. Abrasiver Verschleiß kann als Zwei- oder Dreikörperverschleiß auftreten. Beim Dreikörperverschleiß besteht der dritte Körper aus Verschleißteilchen oder anderen harten Verunreinigungen (z. B. im Schmierstoff aufgebaute Partikel), die zwischen den Gleitflächen eingeschlossen sind. Dieser Mechanismus wird auch erosiver Verschleiß genannt. Er ist in Metallbearbeitungsprozessen und bei der Instandhaltung von Anlagen wichtig. Zur Verringerung von Oxid-, Metallspäne- oder anderen Metallpartikelansammlungen sind periodische Inspektion, Filtration oder Schmierstoffwechsel notwendig.

Ermüdungsverschleiß

Ermüdungsverschleiß (auch Oberflächenermüdung oder Oberflächenbruchverschleiß) resultiert aus zyklischer Belastung der Grenzfläche zwischen Walzen und Werkstück. Risse entwickeln sich über Zeit durch einen Ermüdungsmechanismus, ausgelöst durch mechanische Kräfte oder thermische Spannungen (thermische Ermüdung). In beiden Fällen wird Material von einer Oberfläche (meist dem Werkzeug) durch Ausbrechen oder Grübchenbildung abgetragen, wobei sich Risse unter der Oberfläche vereinigen. Bei Ermüdungsverschleiß spielt Schmierung eine komplexe Rolle. Schmierstoffe reduzieren Reibung und damit die Spannungen, die Ermüdungsbruch verursachen können. Andererseits, wenn ein Riss durch irgendeinen Mechanismus entsteht, dringt die Flüssigkeit durch Oberflächenspannung in den Riss ein. Bei nachfolgenden Belastungszyklen wird die Flüssigkeit eingeschlossen und entwickelt, da inkompressibel, hohen hydrostatischen Druck in der Rissöffnung, der den Riss weiter in den Werkzeugkörper fortpflanzt. Grübchenbildung tritt z. B. an ungeschmierten Grenzflächen nicht auf, es sei denn, chemischer Angriff findet statt.

Schmiermechanismen

Offensichtlich können Reibung und Verschleiß reduziert oder eliminiert werden, indem die Gleitflächen voneinander getrennt gehalten werden. Während dies bei Maschinenelementen wie geschmierten Gleitlagern oder Luftlagern leicht erfüllbar ist, erlauben die in der Metallbearbeitung auftretenden Lasten, Geschwindigkeiten und die Geometrie von Werkzeug-Werkstück-Grenzflächen meist nicht ohne weiteres die Existenz eines Schmierfilms. Schmierstoffe dienen auch als Kühlmittel zur Ableitung der durch Reibung oder Walzen erzeugten Wärme und zum Abspülen von Partikeln wie Eisenoxid und Schlieren. Die primäre Funktion der applizierten Flüssigkeit ist jedoch das Schmieren, daher wird der Begriff „Kühlmittel“ normalerweise nicht verwendet. Die wichtigsten Schmiermechanismen für den Walzprozess sind:

Dickfilm- (hydrodynamische) Schmierung

Bei dieser Schmierung (auch Volumenfilm-Schmierung) werden die beiden Flächen vollständig durch einen kontinuierlichen Flüssigkeitsfilm getrennt. Die Filmdicke beträgt ca. das 10-fache der Oberflächenrauheit der sich paarenden Flächen. Der Flüssigkeitsfilm kann hydrostatisch (durch Einfangen des Schmierstoffs) oder, allgemeiner, durch den Keileffekt der Gleitflächen in Gegenwart eines viskosen Fluids an der Grenzfläche erzeugt werden. Daher sind bei dieser Schmierungsart die Bulk-Eigenschaften des Schmierstoffs (insbesondere Viskosität) wichtig, chemische Effekte auf die Metalloberflächen sind nicht signifikant. Bei Dickfilm-Schmierung sind die Lasten meist gering und die Geschwindigkeiten hoch. Der Reibungskoeffizient ist sehr niedrig, typischerweise 0,001 bis 0,02. Es tritt kein Verschleiß auf, außer durch Fremdmaterial (Dritter Körper), das in das Schmiersystem gelangt. Diese Schmierungsart tritt in Metallbearbeitungsprozessen (einschließlich Walzen) normalerweise nicht auf, außer in isolierten Bereichen an Werkzeug-Werkstück-Grenzflächen mit hochviskosen Schmierstoffen und hohen Betriebsgeschwindigkeiten.

Gemischte Schmierung

Die Filmdicke der Dickfilm-Schmierung kann verringert werden durch: (i) Viskositätsabfall (z. B. durch Temperaturerhöhung), (ii) Geschwindigkeitsabfall, oder (iii) Laststeigerung. Die Flächen rücken näher zusammen, und die Normallast zwischen Werkzeug und Werkstück wird teils durch Metall-Metall-Kontakt der Spitzen, teils durch den Flüssigkeitsfilm in hydrodynamischen Taschen in der Oberflächenrauheit getragen. Dies wird als gemischte Schmierung oder Dünnfilm- bzw. quasi-hydrodynamisches Regime bezeichnet. Die Filmdicke liegt unter dem Dreifachen der Oberflächenrauheit. Der Reibungskoeffizient kann bis ca. 0,4 ansteigen (Kräfte und Leistungsaufnahme steigen erheblich), und Verschleiß kann signifikant sein. Es gibt eine optimale Rauheit für effektive Schmierstoffeinkapselung, empfohlen oft 15 µm. Die hydrodynamischen Taschen dienen auch als Reservoirs zur Versorgung der schmierstoffarmen Bereiche an der Grenzfläche.

Grenzschmierung

Bei der Grenzschmierung haftet ein dünner Schmierfilm physikalisch an den Flächen durch molekulare Kräfte (z. B. van-der-Waals-Kräfte) oder chemische Kräfte (Chemisorption). Typische Grenzschmierstoffe sind Öle, Fettöle, Fettsäuren und Seifen. Grenzfilme bilden sich schnell auf sauberen Flächen, auch wenn die Reaktivität bei manchen Materialien wie Titan und Edelstahl sehr gering ist. In solchen Fällen kann die Schmierung durch Bildung von Grenzfilmen auf der Werkzeugoberfläche statt auf der Werkstückoberfläche verbessert werden. Ein wichtiger Unterschied: Im Gegensatz zur Volumenfilm-Schmierung, wo die Bulk-Eigenschaften (z. B. Viskosität) entscheidend sind, sind bei der Grenzschmierung die chemischen Aspekte des Schmierstoffs und seine Reaktivität mit den Metalloberflächen wichtig, Viskosität spielt eine sekundäre Rolle. Im Grenzschmierbereich liegt der Reibungskoeffizient typischerweise zwischen 0,1 und 0,4, abhängig von Festigkeit und Dicke des Grenzfilms. Grenzschmierung wird häufig in Metallbearbeitungsoperationen wie dem Walzen beobachtet und angewendet. Die Verschleißrate hängt von der Rate ab, mit der Filme durch Abreiben oder Desorption infolge übermäßiger Temperaturen zerstört werden. Wird der schützende Grenzfilm zerstört, steigen Reibung und Verschleiß meist stark an. Die Haftung und Festigkeit dieses Films ist somit ein entscheidender Faktor für die Wirksamkeit der Grenzschmierung. Der Einfluss von Druck, Geschwindigkeit und Viskosität auf die Filmdicke ist ebenfalls zu beachten.

Hochdruck- (EP-) Schmierung

Bei der EP-Schmierung wird die Metalloberfläche durch irreversible chemische Reaktionen chemisch aktiviert. Diese Reaktionen, an denen Schwefel, Chlor und Phosphor im Metallbearbeitungsfluid beteiligt sind, bilden Salze auf den sich paarenden Metalloberflächen. Diese Oberflächen verhindern oder verringern das Schweißen der Spitzen an der Grenzfläche selbst unter hohem Werkzeug-Werkstück-Kontaktdruck. Daher der Begriff „Extreme Pressure“. Zudem reduzieren diese Oberflächenfilme aufgrund ihrer geringen Scherfestigkeit die Reibung. Mit steigender Temperatur können diese Filme jedoch zerfallen; die Zersetzungstemperatur hängt vom jeweiligen EP-Additiv (einzeln oder in Kombination, z. B. Schwefel und Chlor) und der Metalloberflächen-Zusammensetzung ab. Beim Filmzerfall tritt Metall-Metall-Kontakt auf, mit nachfolgendem Anstieg von Reibung und Verschleiß. Die Schutzfilme aus Sulfaten und Chloriden bilden sich jedoch auf sauberen, neuen Flächen relativ leicht wieder. Luft, Sauerstoff, Feuchtigkeit und Wasser spielen wichtige Rollen bei der EP-Schmierung.

Elastohydrodynamische (EHD) und plastohydrodynamische (PHD) Schmierung

Bei der Metallbearbeitung können Durchbiegungen und Verformungen der Werkzeuge durch die im Prozess auftretenden Spannungen entstehen. Es wurde gezeigt, dass aufgrund des endlichen Elastizitätsmoduls von Stählen diese Durchbiegungen ausreichend umfangreich sein können, um die Geometrie der Werkzeug-Werkstück-Grenzfläche zu verändern, was Spannungen, Kontaktflächen, Geometrie und Druckverteilung beeinflusst. Daher der Begriff „elastohydrodynamisch“. Ein weiterer Faktor ist die Viskositätserhöhung (bis hin zur Verfestigung) von Schmierstoffen unter Druck. Dies fördert die Entwicklung hydrodynamischer Filme und erhöht die Filmdicke. Eine Erweiterung der EHD ist die „plastohydrodynamische“ Schmierung. Hierbei wird der Schmierstoff in den sich verengenden Spalten an den Walz-Werkstück-Grenzflächen eingezogen oder eingeschlossen. Dadurch entwickelt sich ein Volumenfilm mit starkem Abfall von Reibung und Verschleiß. Diese Phänomene sind besonders wichtig bei Prozessen mit konzentrierten Kontakten wie dem Kaltwalzen dünner Bänder, wegen des Einflusses kleiner Änderungen der relativen Grenzflächenabmessungen auf Kräfte und Verformungsgeometrie.

Rolle von Oberflächenspannung und Benetzung

Zusätzlich zur Viskosität der Schmierstoffe und ihren chemischen Eigenschaften in der Reaktion auf Werkstück- und Werkzeugmaterialien spielen Oberflächenspannung und Benetzung eine wichtige Rolle bei der Schmierung. Benetzung ist ein der Oberflächenspannung zugeordnetes Phänomen, das ein Ausdruck der Oberflächenenergie ist. Die Benetzungscharakteristik eines Schmierstoffs wird bestimmt durch die Qualität seiner Ausbreitung als kontinuierlicher Film auf der Werkstückoberfläche – ein wichtiger Aspekt der Schmierung. Es kann Situationen geben, in denen erwünscht ist, dass der Schmierstoff in einem bestimmten Bereich der Werkzeug-Werkstück-Grenzfläche verbleibt. Beispiel: In einer Uhr wird ein nicht migrierender (nicht benetzender) Schmierstoff für den Drehpunkt benötigt. Die Form eines Flüssigkeitstropfens (z. B. Metallbearbeitungsschmierstoff) auf einer festen Metalloberfläche hängt von den Grenzflächenspannungen zwischen Metall, Fluid und Luft ab. Der Winkel, den der Tropfenrand mit der Oberfläche bildet, heißt Benetzungswinkel. Je kleiner der Benetzungswinkel, desto besser die Benetzungseigenschaften der Flüssigkeit. Die Benetzung in Metallbearbeitungsflüssigkeiten wird durch Zugabe von Benetzungsmitteln (z. B. Alkohole, Glycole) oder durch Erhöhen der Temperatur verbessert. Auch eine Erhöhung der Oberflächenrauheit verbessert die Benetzung.

Es zeigt sich, dass die Schmierung in der Metallbearbeitung verschiedene Mechanismen umfasst, die abhängen von: (i) der Chemie der Werkzeug-Schmierstoff-Werkstück-Grenzfläche, (ii) der Schmierstoffapplikationsmethode, (iii) der Prozessgeometrie, und (iv) der Betriebsmechanik. Auch der Schmiermodus variiert häufig während des Metallbearbeitungszyklus, abhängig von Änderungen der Walzgeschwindigkeit sowie der Verformungsmenge und der damit verbundenen Drücke und Spannungen.

Auswahl von Schmierstoffen

Derzeit werden fünf verschiedene Kategorien von Metallbearbeitungsschmierstoffen für Operationen an verschiedenen Oberflächen und Materialien eingesetzt. Der gewählte Schmierstoff muss gute Produktivität gewährleisten und die von Behörden auferlegten Umweltauflagen erfüllen. Die fünf Typen sind: (i) verdunstende Verbindungen, (ii) chemische Lösungen (Synthetische), (iii) Mikroemulsionen (Halbsynthetische), (iv) Makroemulsionen (lösliche Öle), und (v) mineralölbasierte Schmierstoffe. Die reaktiven physikalisch-chemischen Eigenschaften jeder Gruppe werden unten beschrieben. Ein Vergleich findet sich in Tabelle 1.

Verdunstende Verbindungen (Vanishing Oils)

Diese weit verbreiteten Schmierstoffe sind in ihren physikalischen Eigenschaften flexibel. Die Benetzungsfähigkeit kann an die Schwere des Bearbeitungsprozesses angepasst werden. Die Trocknungsrate lässt sich (abhängig vom verdunstenden Träger) steuern. Für schwere Anwendungen können EP-Additive zugesetzt werden für zusätzlichen Werkzeug- und Werkstückschutz. Verdunstende Schmierstoffe werden meist nicht vom Werkstück gereinigt und erfordern meist kein Entfetten. Applikation per Rollenbeschichter oder luftlosem Sprühverfahren. Sie sind nicht zur Rezirkulation geeignet. Ideal für lackierte, beschichtete, Vinyl- und verzinkte Oberflächen sowie NE- und FE-Materialien. Oft bietet derselbe Spezialschmierstoff nicht nur Prozessschmierung, sondern auch langfristigen Rostschutz durch den aufgebrachten Film.

Chemische Lösungen (Synthetische)

Eine der am schnellsten wachsenden Schmierstofffamilien. Ökonomisch, umweltverträglich, einfach zu handhaben, ideal für beschichtete, verzinkte, kaltgewalzte Stähle und teils Edelstahl. Erlauben einfaches Schweißen ohne Vorreinigung und eignen sich für Nachbearbeitung wie Stanzen, Abscheren, Bohren und Gewindeschneiden. Homogene Gemische aus festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen, vollständig gelöst in einem Lösungsmittel. Enthalten kein Öl, nur wasserlösliche Korrosionsinhibitoren, Benetzungsmittel, Schmierstoffe (komplexe Ester), Biozide (Fungizide), Entschäumer, teils EP-Additive. Verschiedene Typen verfügbar: Seifenlösungen für schwere Bearbeitung, EP-Typen für hochfeste Legierungen, nichtionische Typen für Aluminium und beschichtete Stahlkomponenten. Applikation per Rollenbeschichter, Sprühen oder in geeigneten Rezirkulationssystemen.

Mikroemulsionen (Halbsynthetische)

Ideal für verzinkte, warm- und kaltgewalzte sowie Edelstähle, wenn herausragendes Spülen, Kühlen und verbesserte Schmiereigenschaften gefordert sind. Liefern Filmschfestigkeit durch Kombination von Emulgatoren, wasserlöslichen Korrosionsinhibitoren, Benetzungsmitteln, organischen und anorganischen Salzen, teils EP-Additiven. Dispergierte Partikelgröße: 0,01–0,06 mm. Meist durchscheinend oder transparent. Kleine Partikelgröße ermöglicht exzellente Penetration und Kühlung. Applikation per Sprühen, Rollenbeschichten oder Flutkühlsystem.

Makroemulsionen (Lösliche Öle)

Enthalten einen ölbasisierten Schmierstoff (Mineral- oder Legierungsöl) als suspendierte Tröpfchen, dispergiert mit Emulgatoren. Die emulgierten Öltröpfchen sind groß genug, um dem Gemisch ein milchiges (manchmal durchscheinendes) Aussehen zu verleihen. Die Schmierwirkung kann der dispergierten Phase nahekommen. Emulsionen können mit höheren EP-Additiv- oder Barrierefilmgehalten (Polymere, Fette etc.) für schwere Bearbeitung formuliert werden. Meist milchig-weiß. Einsatz bei schweren Umformprozessen wie Rollprofilieren von Trägerprofilen, Regalen, Automobil- und Möbelkomponenten.

Mineralölbasierte Metallbearbeitungsschmierstoffe

Bieten die breiteste Auswahl an chemischen und physikalischen Schmierstoffeigenschaften. Primärer Träger ist das Mischöl (variierende Viskositäten). Für zusätzliche physikalische Eigenschaften können Additive wie Fette, Polymere, Benetzungsmittel zugesetzt werden. Falls nötig, chemische EP-Additive (Schwefel, Chlor, Phosphor). In Sonderfällen Additive für Rostschutz. Auch Reinigungsförderer für leichtere Reinigung möglich. Selektiver Einsatz in Metallbearbeitungsprozessen. Kosmetische Edelstahlteile und schwere Umformteile können mineralölbasierte Schmierstoffe erfordern.

Tabelle 1: Vergleich von Metallbearbeitungsschmierstoffen
Nr.	Funktion	Verdunstende Verbindungen	Chemische Lösungen (Synthetisch)	Mikroemulsionen (Halbsynthetisch)	Makroemulsionen (Emulsion)	Ölbasiert (Lösungen)
1	Reibung zwischen Walze und Werkstück reduzieren	3	3	3	2	1
2	Wärme durch plastische Verformung, die auf die Walze übertragen wird, reduzieren	1	1	2	2	5
3	Verschleiß und Galling zwischen Walze und Werkstück durch chemische Oberflächenaktivität reduzieren	4	1	2	2	4
4	Spülwirkung zur Verhinderung von Schmutzaufbau auf Walzen	1	1	2	3	4
5	Nachfolgende Prozesskosten (Schweißen, Lackieren) minimieren	1	1	2	4	5
6	Schmierung unter Hochdruck-Grenzbedingungen bereitstellen	4	3	3	2	1
7	Polster zwischen Werkstück und Walze zur Reduzierung von Adhäsion und Aufschweißen	4	4	3	2	1
8	Nicht-färbende Eigenschaften zum Schutz der Oberflächenqualität	1	1	2	3	5
9	Umweltprobleme (Luftverunreinigung, Entsorgung) minimieren	4	1	2	3	5
Hinweis: 1 = Am effektivsten, 5 = Am wenigsten effektiv.

Additive für Schmierstoffe

Schmierstoffeigenschaften werden durch Additive modifiziert und für spezifische Anwendungen geeignet gemacht. Additive können Schmiereigenschaften verbessern, Metalloberflächen schützen und weitere Funktionen erfüllen. Rost- oder Korrosionsinhibitoren sind häufig Nitrate oder Phosphate. EP-Additive sind Schwefel-, Chlor- oder Phosphorverbindungen. EP-Additive reduzieren das Kaltpressschweißen von Metallen unter Druck und verhindern Metall-„Aufbau“, können aber Schmiereigenschaften verringern. Additive wie Ester, Tierfette und Fettsäuren werden Ölen zugesetzt, um die Oberflächenspannung zu senken oder die Benetzung zu verbessern. Synthetische Schmierstoffe werden mit Phosphorverbindungen oder anderen Chemikalien modifiziert, um als Schmierdetergentien zu wirken. Die reduzierte Oberflächenspannung ermöglicht dem Schmierstoff, den Kontaktbereich gleichmäßiger und schneller zu erreichen.

Applikationsmethoden

Es gibt üblicherweise vier Methoden zur Schmierstoffapplikation: (i) Tropfen, (ii) Rollenbeschichter, (iii) Rezirkulationssysteme, (iv) Luftloses Sprühen. Jede Methode hat ihre Vorteile:

Tropfen

Chemische Lösungen, lösliche Öle und verdunstende Verbindungen können mit einem Tropfschmierer in Kombination mit einem Abstreifer (Filzpad, offenzelliger Schaum, Teppichmaterial, Packung) appliziert werden. Tropfschmierer allein liefern nicht ausreichend einen adäquaten, kontinuierlichen Schmierfilm. Der Vorratsbehälter muss groß genug für mindestens 1–2 Stunden Schmierstoffvorrat sein. Schmierstoff kann auf das Band oder auf die oberen und unteren Walzen appliziert werden.

Rollenbeschichter

Besteht aus einem kleinen beweglichen Tank und Pumpeinheit, die einen Abstreifkopf oder eine Walze mit Schmierstoff versorgen. Filmdicke und Schmierstoffmenge sind kontrollierbar, Überschuss fließt in den Vorrat zurück. Bei beschichteten oder polierten Materialien sind Polyurethan- oder Neoprenwalzen ratsam, um Kratzer zu vermeiden. Stahlwalzen können auf beschichteten Oberflächen Probleme verursachen. Rollenbeschichter allein erzeugen oft nicht genug Schmierfilm, um bei Aluminium, Verzinktem und Warmband entstehende Partikel auszuspülen. Ein zusätzlicher Sprühkopf in kritischen Bereichen kann Abhilfe schaffen. Bei Band mit „Wölbung“ (Crown) schmiert die Walze nur die Hochlagen, Randbereiche bleiben ungeschmiert. Ähnliches bei welligem Band. Eine weiche Walze kann sich der Wölbung oder Welligkeit anpassen.

Rezirkulationssysteme

Bei dickerem Material und kalt-/warmgewalztem Stahl (insbesondere mit Zunder) ist das Rezirkulationssystem meist der beste Ansatz. Hier müssen ausreichende Schmierstoffmengen nicht nur die Werkzeuge schützen, sondern auch Zunder und Metallfeinpartikel vom Werkzeug in den Vorrat spülen. Prallbleche, Absetzbecken und Filter helfen, große Mengen Verunreinigungen und Metallfeinpartikel aufzufangen und das Kühlmittel relativ sauber zu halten. Magnete sind äußerst hilfreich, um den rezyklierten Metallanteil minimal zu halten.

Luftlose Sprühsysteme

Diese Systeme werden effektiv als Hilfsaggregate an spezifischen Bearbeitungsstationen eingesetzt, zum Nachschmieren an kritischen Prozesspunkten und für Schneidwerkzeugschmierung. Sie funktionieren gut mit Löslichen Ölen, leichten Ölen und verdunstenden Verbindungen und sind zuverlässig. Das Sprühmuster kann rund oder fächerförmig sein. Durch verschiedene Sprühmuster eignen sie sich präzise für Punktschmierung – entweder Werkstück vor Werkzeugeintritt oder im Werkzeug selbst. Moderne luftlose Sprühsysteme erzeugen keinen Nebel oder Dunst (kein Overspray). Sie können gezielt auf einen Zielbereich im Werkzeug gerichtet und zeitlich mit dem Maschinenzyklus synchronisiert werden.