Ablagerungsfreies Bearbeiten von Gehäusen aus Magnesium

In den Konstruktionsabteilungen der Automobilindustrie arbeitet man seit Jahren verstärkt daran, den klassischen Werkstoff Stahl durch leichtere Materialien wie Aluminium oder technische Kunststoffe zu ersetzen. Besonders interessant ist Magnesium, das rund ein Drittel leichter als Aluminium ist.

Technikhistoriker erinnern daran, dass Magnesium bereits in den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts auf vielfältige Weise industriell verwendet wurde, sein Einsatz nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs jedoch aus verschiedenen Gründen stark zurückging. Nur im legendären VW Käfer hatte es zur Herstellung der Kurbel- und Getriebegehäuse noch jahrelang Verwendung gefunden.

Magnesiumlegierung erfordert nur geringe Schnittkräfte

Magnesium ist mit seinem geringen spezifischen Gewicht das leichteste Metall, das sich für technische Anwendungen im industriellen Maßstab nutzen lässt. Dabei kommen in der Regel Magnesiumlegierungen zum Einsatz, weil reines Magnesium hinsichtlich der Gießbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und anderer Eigenschaften fertigungs- und anwendungstechnisch problematisch ist.

Der wichtigste Legierungszusatz ist Aluminium. In der gebräuchlichen Magnesium-Druckgusslegierung AZ91 beträgt der Anteil von Magnesium 89%, der von Aluminium 9%. Die Legierung lässt sich sehr gut gießen und ermöglicht die Herstellung von Gussbauteilen mit sehr filigraner Oberflächengestaltung.

Magnesium-Legierung lässt sich leicht spanend verarbeiten

Auch ihre spanende Verarbeitung ist vorteilhaft, weil der Werkstoff nur geringe Schnittkräfte erfordert und hohe Schnittgeschwindigkeiten erlaubt. Dadurch verringert sich der Werkzeugverschleiß erheblich. Die Werkzeugstandzeiten sind im Vergleich zur Aluminiumzerspanung bis zu zehnmal länger.

Außer diesen prinzipiell positiven Eigenschaften von Magnesiumlegierungen gibt es jedoch auch kritische Gesichtspunkte, die bei der industriellen Fertigung zu beachten sind. Dazu zählt vor allem die Explosionsgefahr, weil Magnesium leicht mit Wasserstoff reagiert.

Es muss deshalb bei der Nassbearbeitung mit Kühlschmierstoffemulsionen unbedingt vermieden werden, dass sich in der Anlage kritische Konzentrationen von Wasserstoff bilden. Ein weiteres Problem ist die Belastung der Emulsion durch den Eintrag von gelösten Magnesium-Ionen. Sie bewirken, dass die Wasserhärte stark ansteigt, was die Emulsion aufspaltet und unbrauchbar macht.

Magnesium verursacht hohen Aufwand bei Reinigung und Wartung

Ein gravierendes Problem stellt außerdem der Abrieb dar, durch den sich bei der Verwendung üblicher wassermischbarer Kühlschmierstoffe störende Ablagerungen auf den Werkzeugen und in der Maschine bilden. Dies verursacht einen sehr hohen Aufwand für Reinigung und Wartung.

Die Problematik hoher Ablagerungen betraf auch das Automobilzulieferunternehmen Kaiser, das seit über 25 Jahren auf die Zerspanung und Beschichtung von Metallbauteilen spezialisiert ist. Zu den Schwerpunkten gehört die Serienfertigung von Bremsscheiben und -trommeln sowie Kupplungs- und Getriebegehäusen aus Guss, Stahl, Aluminium und — mit stark wachsender Tendenz — aus Magnesium. Die automatisierte Magnesium-Teilefertigung mit über 60 verketteten Maschinen wurde im Jahr 2003 installiert.

Magnesium-Zerspanung im Hochleistungsbereich

Die Zerspanung findet im Hochleistungsbereich statt und erreicht Drehzahlen bis zu 16000 min—1. Um die Brand- und Explosionsgefahr auszuschließen, sind die Bearbeitungszentren entsprechend den Anforderungen der Berufsgenossenschaft mit modernsten Abluftanlagen und Maschinen-Brandschutzeinrichtungen ausgestattet.

Die Späne werden in eine große Presse abgeführt, wo sie verfestigt und damit unschädlich gemacht werden. In puncto Betriebssicherheit erreicht die Fertigung den höchstmöglichen technischen Standard.

Was ursprünglich jedoch schwer zu schaffen gemacht hat, waren die millimeterdicken Kalkablagerungen. Maschinen, Werkzeuge, Pumpen, Leitungen, Spaltsiebe – alles musste permanent gereinigt werden, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Der Aufwand war immens, das Wartungsteam ist oft kaum nachgekommen.

Verschleiß der Werkzeuge wurde reduziert

Ende des Jahres 2005 entschied sich Kaiser, die Anlagen mit einem neuen Kühlschmierstoff (KSS) von Henkel zu befüllen. Man hatte erfahren, dass Henkel mit der Reihe Multan bereits in der Aluminiumbearbeitung bemerkenswerte Erfolge erzielte.

Die auf einem patentierten Emulgatorkonzept basierenden Kühlschmierstoffe verfügen unter anderem über ausgezeichnete Spüleigenschaften. Dadurch gelingt es, die Späne sehr gut abzuführen, wodurch die Maschinen weniger verschmutzen und der Verschleiß von Werkzeugen reduziert wird.

Neuer wassermischbarer Kühlschmierstoff für die Magnesium-Bearbeitung

Um die Vorteile wassermischbarer Kühlschmierstoffe auch für die Bearbeitung von Magnesium zu nutzen, hat Henkel das neue Produkt Multan 73-30 MG entwickelt. Magnesiumlegierungen stellen besondere Anforderungen an einen wassermischbaren Kühlschmierstoff, was eine spezifische Rezeptur erforderlich macht.

Henkel-Chemiker haben dabei höchste Reinigungsleistung unter Erhaltung der Emulsionsstabilität als Hauptziel definiert. Tatsächlich übertraf der Wechsel des Kühlschmierstoffs die Erwartungen und führte zu den gewünschten Resultaten. Es bildeten sich auf Anhieb keinerlei Ablagerungen mehr und selbst vorhandene Ablagerungen wurden weggespült.

Zudem hat sich die Bearbeitungsqualität erhöht. Weil sich auch an den Werkzeugen keine Ablagerungen mehr bilden, gibt es praktisch keinen Ausschuss mehr.

Problem des hohen Filterverbrauchs gelöst

Positiv beurteilt werden auch der Service und die Problemlösungskompetenz des neuen Kühlschmierstofflieferanten. Anfängliche Geruchsbelästigungen, Stabilitätsprobleme und einen zu hohen Filterverbrauch hat Henkel in den Griff bekommen. Sehr hilfreich sind auch die professionellen Laborkapazitäten von Henkel.

Inzwischen ist Multan 73-30 MG seit über eineinhalb Jahren bei Kaiser erfolgreich im Einsatz. Der jährliche Kühlschmierstoffwechsel erfordert keinen großen Wartungsaufwand mehr. Anstatt der bisher viertägigen Reinigungsarbeiten an den Anlagen muss lediglich die alte Emulsion entsorgt und die neue eingefüllt werden.

Auch die Verbrauchswerte liegen mit einer Konzentration von nur 6% sehr günstig. Im Endeffekt erspart der neue Kühlschmierstoff einen erheblichen Aufwand an Personal, Material, Zeit und Kosten. Dazu bringt er mehr Sicherheit und Qualität in die Fertigung.

Dipl.-Chem. Brian-James Rothwell ist Produktmanager Kühlschmierstoffe und Reiniger der Henkel KGaA in 40191 Düsseldorf.