Einleitung: Die entscheidende Rolle von Schmierstoffen in thermischen und metallumformenden Industrien

In verschiedenen Industriebereichen wie Druckguss (Die Casting), Aluminiumguss, Schmieden (Forging), Extrusion und sogar bestimmten spanenden Bearbeitungsverfahren entscheidet der Einsatz eines geeigneten Schmierstoffs über den Erfolg einer Produktion oder das Auftreten schwerwiegender Prozessfehler.

Schmierstoffe sind nicht nur für die Vermeidung von Anhaftungen der Schmelze verantwortlich, sondern müssen auch:

• die Werkzeugtemperatur kontrollieren

• die Reibung reduzieren

• den Werkzeugverschleiß minimieren

• die Qualität des Endprodukts verbessern

• Energieverbrauch und Produktionszeit senken

Unter allen Arten von Schmierstoffen haben wasserbasierte Schmierstoffe eine besondere Bedeutung erlangt. Sie sind nicht nur leistungsstark, sondern bieten auch bedeutende ökologische und wirtschaftliche Vorteile.

In diesem Artikel werden alle wissenschaftlichen, industriellen und praktischen Aspekte wasserbasierter Schmierstoffe untersucht – mit einem Detaillierungsgrad, der üblicherweise nur in akademischen Quellen oder technischen Katalogen großer Hersteller zu finden ist.

Kapitel 1: Was sind wasserbasierte Schmierstoffe? – Genaue wissenschaftliche Definition

Wasserbasierte Schmierstoffe sind Emulsionen oder Suspensionen, bei denen Wasser als Träger (Carrier) oder als kontinuierliche Phase dient.
Aktive Stoffe wie:

• Graphit

• Bornitrid (BN)

• Siliziumdioxid (SiO₂)

• Aluminiumoxid (Al₂O₃)

• Molybdändisulfid (MoS₂) – in bestimmten Formulierungen

• Emulgatoren und Binder

werden in Wasser dispergiert, sodass ein stabiles Gemisch entsteht.

Diese Struktur ermöglicht:

• die Bildung eines gleichmäßigen Films auf dem Werkzeug

• reduzierte Anhaftung der Schmelze

• geringeren Werkzeugverschleiß

• gleichmäßige Kühlung

Daher haben wasserbasierte Schmierstoffe ölbasierte Systeme in modernen Druckguss-, Kokillenguss- und Warmumformungsanlagen nahezu vollständig ersetzt.

Kapitel 2: Chemische Struktur wasserbasierter Schmierstoffe – Eine tiefere Betrachtung

Um die Wirkung eines wasserbasierten Schmierstoffs zu verstehen, müssen dessen Komponenten wissenschaftlich analysiert werden.

1) Die wässrige Phase (Water Phase)

Wasser dient als Hauptträger und ist verantwortlich für:

• Temperaturreduktion

• Transport der Wirkstoffe

• Förderung der Dispersion

• Viskositätsreduzierung

Oft wird entionisiertes (DI) oder RO-Wasser verwendet, um Ablagerungen zu vermeiden.

2) Feste Schmierstoffe (Solid Lubricants)

Graphit

• Temperaturbeständigkeit bis 1000°C

• Schichtstruktur → geringe Reibung

• geeignet für Aluminiumguss und Schmieden

Bornitrid (BN)

• Temperaturbeständigkeit 1200–1400°C

• ausgezeichnete Antihaft-Eigenschaften

• beste Wahl für Aluminium-Druckguss

• hohe Wärmeleitfähigkeit → bessere Temperaturkontrolle des Werkzeugs

Zirkon / Zirkonsilikat

• Beständigkeit bis 1600°C

• geeignet für Eisen- und Stahlguss

Aluminiumoxid (Al₂O₃)

• hohe Beständigkeit gegen thermischen Schock

• geeignet für schwere Warmumformung und Heißwerkzeuge

3) Binder und Emulgatoren

Ihre Funktionen umfassen:

• Stabilisierung des Gemisches

• Verhinderung von Sedimentation

• Verbesserung der Haftung an Werkzeugoberflächen

Typische Stoffe sind:

• Polyvinylalkohol

• industrielle Gummistoffe

• Silikate

• Phosphate

4) Spezielle Zusatzstoffe

Wie etwa:

• Entschäumer

• Antioxidantien

• Korrosionsinhibitoren

• pH-Stabilisatoren

Diese Additive gewährleisten eine stabile Leistung über lange Produktionszyklen hinweg.

Kapitel 3: Warum sind wasserbasierte Schmierstoffe heute so beliebt? – Vergleich mit ölbasierter Technologie

Ölbasierte Schmierstoffe waren früher weit verbreitet, wiesen jedoch große Nachteile auf:

❌ starke Rauchentwicklung
❌ Brandgefahr
❌ Kohlenstoffablagerungen
❌ hoher Verbrauch
❌ schwierige Reinigung
❌ schlechte Arbeitsumgebung

Diese Probleme führten die Industrie zu wasserbasierten Lösungen.

Hauptvorteile wasserbasierter Schmierstoffe

✅ nicht brennbar
✅ rauchfrei
✅ verdünnbar (1:5 bis 1:40)
✅ bessere Wärmeabfuhr
✅ umweltfreundlich
✅ geringerer Verbrauch
✅ keine Kohlenstoffrückstände
✅ längere Werkzeugstandzeit

Kapitel 4: Arten wasserbasierter Schmierstoffe nach Industrie

1) Wasserbasierte Schmierstoffe für den Druckguss (Die Casting)

Der Druckguss ist eines der thermisch belastendsten Verfahren. Werkzeuge sind in jedem Zyklus extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt.

Aufgaben

• Reduzierung der Aluminiumhaftung

• gleichmäßige Werkzeugkühlung

• Reduzierung von Gasporositäten

• Schmierung der Auswerferstifte

• Vermeidung thermischer Ermüdungsrisse

• Verbesserung der Oberflächenqualität

Typische Bestandteile

• mikronisierter Graphit

• hochreines BN

• Silikonemulsionen

• industrielle Entschäumer

• Wasserverdampfungsregulatoren

2) Wasserbasierte Schmierstoffe für das Schmieden (Forging)

Beim Warmumformen von Stahl müssen Schmierstoffe Temperaturen von 1000–1200°C standhalten.

Aufgaben

• Verhindern des Anhaftens von heißem Stahl

• Reduzierung der Werkzeugreibung

• Unterstützung beim Füllen der Kavität

• Vermeidung von Heißrissen

Hauptbestandteile

• Graphit

• Natriumsilikat

• Phosphate

• Aluminiumoxid

3) Wasserbasierte Schmierstoffe für die Extrusion

Insbesondere bei der Warmextrusion von Aluminium ist exakte Schmierung entscheidend.

Aufgaben

• Reduzierung der Extrusionskraft

• Minimierung der Reibungswärme

• Verhindern von Billet-Anhaftungen

• Verbesserung der Oberflächenqualität des Profils

Verwendete Stoffe

• BN

• Graphit

• Phosphate

• gelartige Strukturen zur besseren Haftung

4) Wasserbasierte Beschichtungen für Schmelz- und Gießwerkzeuge

Dazu gehören feuerfeste Beschichtungen für:

• Pfannen

• Tiegel

• Schöpfwerkzeuge

• Gießläufe

Funktionen der Pfannenbeschichtung

• Verhindern von Reaktionen zwischen Schmelze und Pfanne

• Reduzierung von Verunreinigungen

• Schutz vor Oxidation

• thermische Beständigkeit

Sie basieren meist auf:

• Zirkon

• BN

• Graphit

• feuerfesten Mineralien

Kapitel 5: Wie wasserbasierte Schmierstoffe auf heißen Werkzeugen wirken

Beim Aufsprühen eines wasserbasierten Schmierstoffs auf ein heißes Werkzeug treten mehrere entscheidende Vorgänge auf:

1) Schnelle Verdampfung des Wassers

→ sofortige Oberflächenkühlung

2) Ablagerung der festen Schmierstoffe

Graphit oder BN verbleiben als dünner Film auf der Oberfläche.

3) Bildung einer gleichmäßigen Schicht

Diese Schicht wirkt:

• antiadhäsiv

• hitzebeständig

• reibungsreduzierend

4) Schutz vor thermischem Schock

Der Film dient als Puffer zwischen Werkzeug und heißer Schmelze.

5) Reduzierung des Verschleißes

Feste Schmierstoffe minimieren abrasive Abnutzung.

Kapitel 6: Einflussfaktoren auf die Sprühqualität

Die Sprühqualität ist im Druckguss und Schmieden genauso wichtig wie der Schmierstoff selbst.

Wesentliche Faktoren:

1. Luft- und Wasserdruck

2. Sprühwinkel

3. Abstand zur Oberfläche

4. Sprühdauer

5. Verdünnungsverhältnis

Kapitel 7: Verdünnungsverhältnisse (Dilution Ratio)

Richtwerte:

Schwerer Druckguss:

1:20 bis 1:40

Leichter Druckguss:

1:10 bis 1:20

Warmumformen:

1:5 bis 1:12

Extrusion:

1:3 bis 1:8

Pfannenbeschichtung:

unverdünnt oder 1:1 bis 1:3

Kapitel 8: Häufige Probleme und deren Ursachen

Kapitel 9: Richtige Anwendungsmethode

1. genaue Verdünnung gemäß Anleitung

2. gleichmäßiges Mischen

3. Filterung vor Tankbefüllung

4. Testsprühen vor Produktionsbeginn

5. Kontrolle der Schichtdicke

6. Kontrolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit

Kapitel 10: Zukunft wasserbasierter Schmierstoffe

Die Industrie bewegt sich in Richtung:

• intelligenter Schmierstoffe

• Nano-Graphit-Beschichtungen

• kohlenstofffreier Systeme

• Schmierstoffe für robotergestützte Sprühtechnik

• spezielle Beschichtungen für komplexe 3D-Werkzeuge

Innerhalb der nächsten 10 Jahre werden ölbasierte Systeme fast vollständig ersetzt.

Abschließende Zusammenfassung

Wasserbasierte Schmierstoffe sind heute eines der wichtigsten Verbrauchsmaterialien in Druckguss, Gießereien, Schmieden und Extrusion, da sie:

• hohe Leistung bieten

• thermisch stabil sind

• keine Rauch- oder Brandgefahr erzeugen

• den Verbrauch reduzieren

• die Werkzeugstandzeit erhöhen

• präzise Temperaturkontrolle ermöglichen

• die Produktqualität verbessern

Sie bilden heute einen zentralen Baustein moderner thermischer und metallumformender Prozesse.