Kühlschmierstoff-Konzentration und Ansetzen der Mischung: Messung, Wasserqualität und Nachsatz

Die Konzentration ist die wichtigste Einzelgröße für die Leistung eines wassermischbaren Kühlschmierstoffs. Selbst bei richtig ausgewähltem Produkt liefert eine im falschen Verhältnis angesetzte Flüssigkeit ein schlechteres Ergebnis als ein falsch ausgewähltes Produkt. Dieser Ratgeber behandelt, warum die Konzentration kritisch ist, wie sie gemessen wird, in welcher Reihenfolge die Mischung angesetzt wird und wie die Nachsatzmischung berechnet wird. Der Vergleich der Produkttypen wird im Ratgeber zu den Kühlschmierstoffarten gesondert behandelt.

1. Warum die Konzentration kritisch ist

In einem wassermischbaren Kühlschmierstoff sorgt das Wasser für die Kühlung, das Konzentrat für Schmierung, Korrosionsschutz und mikrobiologisches Gleichgewicht. Die Konzentration ist der volumetrische Anteil des Konzentrats in der Mischung, und eine Abweichung erzeugt in beide Richtungen ein eigenes Problem.

Die gesundheitliche Seite ist kein zu vernachlässigender Punkt. NIOSH hat für Aerosole aus Metallbearbeitungsflüssigkeiten bei einer Arbeitszeit von bis zu 10 Stunden täglich und 40 Stunden wöchentlich einen empfohlenen Expositionsgrenzwert (REL) von 0,4 mg/m³ thorakaler Partikelfraktion als zeitgewichteten Mittelwert veröffentlicht; bezogen auf die Gesamtpartikelfraktion sind es 0,5 mg/m³. Für Aerosole aus Metallbearbeitungsflüssigkeiten besteht kein eigener zulässiger Expositionsgrenzwert (PEL) der OSHA; in der Praxis werden die 8-Stunden-PEL-Werte von 5 mg/m³ für Mineralölnebel und 15 mg/m³ für nicht anderweitig eingestufte Partikel zugrunde gelegt. Eine überkonzentrierte Mischung erhöht sowohl die Aerosolbelastung als auch das Risiko des Hautkontakts. Das Thema wird vollständig unter Arbeitsschutz und Sicherheit bei Metallbearbeitungsflüssigkeiten behandelt.

Entscheidender Punkt: Ein Konzentrationsproblem lässt sich nicht isoliert beurteilen. Eine zu niedrige Konzentration löst Bakterienwachstum aus, das Bakterienwachstum senkt den pH-Wert, ein niedriger pH-Wert zerstört den Korrosionsschutz. Das erste Glied der Kette ist nahezu immer die nicht gemessene Konzentration.

2. Typische Bereiche der Arbeitskonzentration

Die Konzentration richtet sich nach der Schwere der Bearbeitung. Mit steigendem Zeitspanvolumen, steigendem Kontaktdruck und zunehmender Klebneigung des Werkstoffs wächst der Schmierbedarf; demgegenüber genügt bei Bearbeitungen, in denen die Kühlung dominiert, eine dünnere Mischung.

Diese Bereiche sind in der Branche verbreitete Praxiswerte; verbindlich ist das technische Datenblatt des Produkts. Dass sich das von verschiedenen Herstellern für dieselbe Bearbeitung empfohlene Band um einige Punkte verschiebt, ist üblich, denn der Wirkstoffanteil im Konzentrat unterscheidet sich zwischen den Produkten deutlich.

Auch der Einfluss der Werkstoffgruppe ist zu berücksichtigen. Bei Titan- und Nickelbasislegierungen der ISO-Gruppe S sowie bei nichtrostenden Stählen der ISO-Gruppe M ist eine Annäherung an das obere Band üblich; der Ratgeber zu den ISO-Werkstoffgruppen vertieft diese Unterscheidung.

3. Messverfahren

3.1 Handrefraktometer und Brix-Ablesung

Das verbreitetste Verfahren im Betrieb ist das Handrefraktometer. Der Lichtbrechungsgrad einiger auf das Prisma gegebener Tropfen der Mischung wird abgelesen und das Ergebnis in der Brix-Skala ausgegeben. Diese Ablesung ist nicht unmittelbar die Konzentration.

Die tatsächliche Konzentration ergibt sich aus folgender Beziehung:

C (%) = Brix-Ablesung × Refraktometerfaktor

Der Refraktometerfaktor ist produktspezifisch und wird im technischen Datenblatt angegeben. Bei Emulsionen auf Basis reiner löslicher Öle liegt der Faktor nahe 1,0, die Ablesung kann also unmittelbar als Konzentration übernommen werden. Bei halbsynthetischen und synthetischen Produkten liegt der Faktor typischerweise im Band 1,5–2,5; in Herstellerdatenblättern findet sich bei einigen synthetischen Produkten ein Anstieg bis auf den Wert 3,0.

Rechenbeispiel: Liest das Refraktometer 3,2 Brix und beträgt der Faktor des Produkts 1,8, so ergibt sich als tatsächliche Konzentration 3,2 × 1,8 = 5,76 %. Dieselbe Ablesung bedeutet für ein Produkt mit dem Faktor 1,0 einen Wert von 3,2 %. Das Auslassen des Faktors führt dazu, dass eine vermeintlich 5,8-prozentige Mischung tatsächlich bei 3,2 % liegt; dieser Unterschied genügt, damit Korrosions- und Bakterienprobleme einsetzen.

Für eine korrekte Ablesung sind einige Voraussetzungen erforderlich: Die Probe hat Raumtemperatur und nicht Tanktemperatur zu haben, das Prisma ist vor jeder Messung mit Reinstwasser zu nullen, die Probe ist nicht aus dem Bodenschlamm des Tanks, sondern aus der umlaufenden Flüssigkeit zu entnehmen, und bei unscharfer Trennlinie ist in der Mitte der Linie abzulesen.

3.2 Die Grenze des Refraktometers

Das Refraktometer erfasst nicht nur das Konzentrat, sondern sämtliche in der Flüssigkeit gelösten und dispergierten Stoffe. In das System eingetragenes Hydraulik- und Bettbahnöl (Fremdöl), gelöste Salze und feine Metallpartikel erhöhen die Ablesung. Dass ein Refraktometer in einem gealterten Tank 7 % anzeigt, während der tatsächliche Konzentratanteil deutlich niedriger liegt, ist ein häufig anzutreffender Fall. Deshalb ist das Refraktometer ein Instrument zur Trendbeobachtung; im Zweifelsfall ist es mit einem zweiten Verfahren zu bestätigen. Herkunft und Entfernung des Fremdöls werden im Ratgeber zur Kühlschmierstoffpflege behandelt.

3.3 Titration, Säurespaltung und Leitfähigkeit

Bei der Säuretitration wird eine Probe bekannten Volumens mit verdünnter Salzsäurelösung unter Zusatz eines Indikators titriert, und aus dem verbrauchten Säurevolumen wird die Konzentration berechnet. Beim Verfahren der Säurespaltung wird die Probe angesäuert und bei hoher Temperatur stehen gelassen, sodass sich die Ölphase abscheidet; das abgeschiedene Volumen wird mit dem produktspezifischen Spaltfaktor multipliziert und so in die Konzentration umgerechnet. Da bei synthetischen Produkten keine abscheidbare Ölphase vorliegt, findet dieses Verfahren dort keine Anwendung; bei ihnen werden Titration oder Leitfähigkeit bevorzugt.

Automatische Dosieranlagen messen die Konzentration online und halten den Tank durch getrennte Dosierung von Konzentrat und Wasser im Zielband. In Betrieben mit vielen Tanks werden sie bevorzugt, weil sie Messfehler und den Faktor Mensch ausschalten; Herstellerplattformen bieten diese Anlagen zusammen mit einer Funktion zur Aufzeichnung und Berichterstattung an.

4. Reihenfolge beim Ansetzen der Mischung

Ein wassermischbarer Kühlschmierstoff ist eine Öl-Wasser-Emulsion, in der das Wasser die kontinuierliche Phase bildet. Damit diese Struktur entstehen kann, ist das Konzentrat ins Wasser zu geben. Wird Wasser auf das Konzentrat gegossen, entsteht eine inverse Emulsion, in der das Öl die kontinuierliche Phase bildet (Wasser-in-Öl statt Öl-in-Wasser). Eine inverse Emulsion ist instabil; sie erzeugt nach dem Rühren Entmischung, eine Ölschicht an der Oberfläche, Rückstände und eine geringe Kühlleistung.

In der Branche wird diese Regel mit der Abkürzung „OIL“ bezeichnet: Oil In Last, also das Öl zuletzt. Die Ausführung erfolgt in dieser Reihenfolge:

1. In den sauberen Tank wird das Wasser des Zielvolumens eingefüllt; die Wassermenge wird vorher berechnet.
2. Das Konzentrat wird bei laufendem Rühren in einem dünnen und stetigen Strahl ins Wasser gegeben. Es wird nicht auf einmal entleert.
3. Das Rühren wird fortgesetzt, bis die Mischung homogen erscheint.
4. Es wird mit dem Refraktometer überprüft und das Ergebnis dokumentiert.

Beim manuellen Mischen liefert der Einsatz eines Rührwerks oder einer Umwälzpumpe eine deutlich stabilere Emulsion als das Aufschütteln von Hand im Eimer. Mischer der Venturi-Bauart saugen das Konzentrat durch den vom Wasserstrom erzeugten Unterdruck an und mischen es in der turbulenten Zone; sie sind schnell und günstig. Verdrängerdosierpumpen hingegen spritzen das Konzentrat proportional zum Wasserdurchsatz ein und halten das Verhältnis auch bei schwankendem Wasserdruck. In beiden Anordnungen stellt sich die richtige Mischreihenfolge von selbst ein, da das Konzentrat in den Wasserstrom gegeben wird.

Sehr kaltes Wasser erschwert die Emulsionsbildung und verlangsamt die Verteilung des Konzentrats. Das Ansetzen der Mischung mit Wasser von Raumtemperatur wird bevorzugt.

5. Qualität des Ansetzwassers

Mehr als 90 Volumenprozent der Mischung sind Wasser; damit ist das Wasser der größte Einzelbestandteil der Mischung, und seine Qualität bestimmt das Ergebnis unmittelbar. Härte, Chlorid- und Sulfatgehalt des Wassers sind die drei zu überwachenden Punkte.

Die Umrechnung zwischen den Härteeinheiten erfolgt über die Beziehung 1 °dH ≈ 17,8 ppm CaCO₃. Das obige Band ist der in Herstellerveröffentlichungen häufig angegebene Komfortbereich; die Quellen decken sich besonders an der oberen Grenze nicht, und ein Teil von ihnen gibt einen deutlich engeren Bereich an. Deshalb wird als verbindlicher Wert die Tabelle zur Wasserqualität im technischen Datenblatt des Produkts selbst zugrunde gelegt.

Bei Umkehrosmose- (RO) und deionisiertem (DI) Wasser besteht ein zu beachtendes Gleichgewicht. Da diese Wässer von allen Salzen befreit sind, erscheinen sie als die „sauberste“ Option; weil die Härte jedoch nahe null liegt, steigt die Schaumneigung, und im Tank kann schwer beherrschbarer Schaum entstehen. Demgegenüber bieten dieselben Wässer einen Vorteil bei chloridreichem Leitungswasser und beim Ansetzen der Nachsatzmischung, da sie eine Chlorid- und Salzanreicherung verhindern; manche Produkte verlangen für die Langzeitstabilität unmittelbar weiches oder aufbereitetes Wasser. In der Praxis wird aufbereitetes Wasser entweder mit Leitungswasser verschnitten oder mit einem Härtebildner auf Calciumsalzbasis auf das Zielband gebracht. Bei sehr hartem Wasser wird hingegen die Enthärtung über einen Ionenaustauscher bevorzugt. Welcher Weg gewählt wird, hängt von den Anforderungen des Produkts an die Wasserqualität ab.

Entscheidender Punkt: Das Verdunsten des Wassers konzentriert die Härte im Tank auf. In einem Tank, der kontinuierlich mit hartem Leitungswasser nachgesetzt wird, steigt die Härte innerhalb von Wochen auf ein Vielfaches des Ausgangswerts; Bildung von Calciumseifen, Filterverstopfung und Korrosion sind die Folge dieser Anreicherung.

6. Tankbefüllung und Berechnung des Nachsatzes

6.1 Erstbefüllung

Bei der Erstbefüllung wird die Zielkonzentration unmittelbar umgesetzt. Wird ein Tank von 300 Litern mit dem Ziel 6 % befüllt:

VKonzentrat = VTank × CZiel = 300 × 0,06 = 18 L

VWasser = 300 − 18 = 282 L

Es werden also 282 Litern Wasser 18 Liter Konzentrat zugegeben. Die Berechnung über die Summe der Volumina beseitigt den Unterschied zwischen „18 Liter auf 282 Liter Wasser“ und „18 Liter auf 300 Liter Wasser“; Letzteres ergibt 5,7 %.

6.2 Warum sich die Nachsatzmischung (Make-up) unterscheidet

Aus dem Tank entstehen Verluste auf zwei Wegen. Wasser verdunstet und das Konzentrat bleibt zurück; die über Späne und Werkstücke ausgetragene Flüssigkeit ist dagegen die gesamte Mischung. Die Verdunstung überwiegt typischerweise gegenüber dem Austrag, weshalb die Konzentration im Tank mit der Zeit ansteigt. Wird der Verlust mit einer Mischung in Arbeitskonzentration ausgeglichen, steigt die Konzentration weiter an. Deshalb ist die Nachsatzmischung stets dünner.

Die erforderliche Nachsatzkonzentration wird über die Messung ermittelt:

CNachsatz = (VTank × CZiel − VRest × Cgemessen) / VNachsatz

Rechenbeispiel: In einem Tank von 300 Litern beträgt das Ziel 6 %. Nach einer Woche ist der Stand auf 250 Liter gefallen, das Refraktometer liest 4,4 Brix und der Faktor des Produkts beträgt 1,5.

• Gemessene Konzentration: 4,4 × 1,5 = 6,6 %
• Im Tank vorhandenes Konzentrat: 250 × 0,066 = 16,5 L
• Für 6 % in 300 Litern erforderliches Konzentrat: 300 × 0,06 = 18,0 L
• Fehlendes Konzentrat: 18,0 − 16,5 = 1,5 L
• Nachzufüllendes Volumen: 300 − 250 = 50 L
• Nachsatzkonzentration: 1,5 / 50 = 0,03 → 3,0 %

Der Nachsatz von 50 Litern wird also mit 48,5 Litern Wasser und 1,5 Litern Konzentrat in einem Verhältnis von 3,0 % angesetzt. Dass die Nachsatzmischung bei einer Arbeitskonzentration von 6 % mit dem halben Verhältnis angesetzt wird, ist die natürliche Folge dieser Berechnung.

In Herstellerveröffentlichungen werden für eine Arbeitskonzentration von 5 % als Nachsatzverhältnis unterschiedliche Bänder zwischen 1–2 % und 2,5–3 % angegeben. An diesem Punkt, an dem die Quellen auseinandergehen, ist es zuverlässiger, statt ein festes Verhältnis zu übernehmen, bei jedem Nachsatz die obige Berechnung mit dem Messergebnis durchzuführen. Verdunstungs- und Austragsrate ändern sich je nach Maschinentyp, Tankvolumen, Späneförderer und Hallentemperatur; ein einziges festes Verhältnis ist nicht für jeden Tank richtig.

7. Messhäufigkeit und Dokumentation

Der Wert der Messung ergibt sich daraus, dass sie regelmäßig durchgeführt und dokumentiert wird. Die britische HSE-Praxis legt für Metallbearbeitungsflüssigkeiten die folgende Ordnung zugrunde.

Die Ergebnisse der Eintauchnährböden werden von der HSE in drei Bänder eingeteilt: unter 10⁴ koloniebildenden Einheiten je Milliliter (KBE/mL) gilt als gute Kontrolle, 10⁴ bis 10⁶ KBE/mL als vertretbare Kontrolle, die eine Überprüfung und Maßnahmen erfordert, und 10⁶ KBE/mL und darüber als jene Stufe, auf der die Kontrolle verloren ist und der Tank entleert und gereinigt werden muss.

Das Dokumentationsformular hat mindestens folgende Felder zu enthalten: Datum, Maschinen-/Tanknummer, Füllstand, Brix-Ablesung, Refraktometerfaktor, berechnete Konzentration, pH-Wert, Menge des zugegebenen Wassers und Konzentrats, durchgeführte Maßnahme und die messende Person. Diese Aufzeichnungen ermöglichen sowohl die Trendanalyse als auch die Verwendung als Nachweis der Kontrolle bei Arbeitsschutzprüfungen. Die HSE weist darauf hin, dass die Messhäufigkeit verringert werden kann, wenn eine wirksame Dokumentationshistorie nachgewiesen wird.

In der Türkei fallen Bereitstellung, Kennzeichnung und Sicherheitsdatenblätter von Metallbearbeitungsflüssigkeiten unter die Kimyasalların Kaydı, Değerlendirilmesi, İzni ve Kısıtlanması Hakkında Yönetmelik (KKDİK-Verordnung, türkisches Pendant zu REACH) und die Maddelerin ve Karışımların Sınıflandırılması, Etiketlenmesi ve Ambalajlanması Hakkında Yönetmelik (SEA-Verordnung, türkisches Pendant zu CLP). Das Management der Exposition am Arbeitsplatz unterliegt den Bestimmungen des Gesetzes Nr. 6331 über Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit (6331 sayılı İş Sağlığı ve Güvenliği Kanunu) und der Kimyasal Maddelerle Çalışmalarda Sağlık ve Güvenlik Önlemleri Hakkında Yönetmelik (Verordnung über Gesundheits- und Sicherheitsmaßnahmen bei Tätigkeiten mit chemischen Arbeitsstoffen). Die Entsorgung der gebrauchten Flüssigkeit erfolgt im Rahmen der Atık Yönetimi Yönetmeliği (Abfallverordnung) über zugelassene Entsorgungsanlagen.

8. Häufige Fehler

• Auslassen des Refraktometerfaktors und Ansehen der Brix-Ablesung als unmittelbare Konzentration.
• Verwendung des Faktors eines anderen Produkts; der Faktor ist produktspezifisch, eine Typähnlichkeit genügt nicht.
• Nachsetzen ausschließlich mit Wasser oder ausschließlich mit einer Mischung in Arbeitskonzentration.
• Gießen von Wasser auf das Konzentrat.
• Unterlassenes Nullen des Prismas mit Reinstwasser und Messung mit heißer Probe.
• Probenahme vom Tankboden, aus der Zone des abgesetzten Schlamms.
• Durchführung der Messung ohne Dokumentation; ohne Aufzeichnung ist kein Trend erkennbar.

Die richtige Konzentration schlägt sich über ihre Wirkung auf Standzeit und Oberflächengüte unmittelbar in den Bearbeitungskosten nieder. Eine gemeinsame Betrachtung mit der Berechnung von Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl und Vorschub bei der Festlegung der Schnittparameter sorgt dafür, dass der von der Flüssigkeit erwartete Beitrag auch eintritt. Halbsynthetische Kühlschmierstoffoptionen sind in der Kategorie Chemie aufgeführt.

Quellen

• NIOSH — Criteria for a Recommended Standard: Occupational Exposure to Metalworking Fluids, DHHS (NIOSH) Publication No. 98-102 — cdc.gov/niosh/docs/98-102
• OSHA — Metalworking Fluids: Safety and Health Best Practices Manual — osha.gov/metalworking-fluids/manual
• HSE (UK) — Metalworking fluids: bacterial contamination and fluid quality checks — hse.gov.uk/metalworking
• UKLA / HSE — Good Practice Guide for Safe Handling and Disposal of Metalworking Fluids — ukla.org.uk
• Blaser Swisslube — Water quality is a key factor — blaser.com
• Master Fluid Solutions — Coolant Concentration Facts and Terminology (technisches Bulletin) sowie die Definitionen des Refraktometerfaktors in den Produktdatenblättern — masterfluids.com
• FUCHS — Cutting Fluids Manual: Collected Knowledge on Cutting Fluids for Metalworking — fuchs.com
• DIN 51385 — Schmierstoffe – Bearbeitungsmedien für die Umformung und Zerspanung von Werkstoffen – Begriffe (Definitionen wassermischbarer und nicht wassermischbarer Medien)