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In Zukunft bleifrei

Oktober 2017 — Die Kupferindustrie muss umdenken. Gesetze dürften künftig den Zusatz von Blei in Zerspanungsmessingen einschränken. Als Alternative bieten sich Zink-Knetlegierungen an. Dank günstiger Rohstoffpreise könnten sie Kostensteigerungen kompensieren.

Kupferwerkstoffe, die für die zerspanende Bearbeitung vorgesehen sind, enthalten üblicherweise ein bis vier Masseprozent Blei zur Verbesserung der Zerspanbarkeit. Aufgrund der gesundheitsschädlichen Wirkung von Blei haben Gesetzgeber weltweit Regularien erlassen, die die Verwendung von Blei drastisch einschränken.

Da bleifreie Kupferwerkstoffe einen um ein Vielfaches höheren Werkzeugverschleiß und erheblich schlechtere Spanformen erzeugen, ist für die kupferbearbeitenden Unternehmen mit erheblichen Kostensteigerungen bei der Zerspanung zu rechnen. Eine Alternative, um diese Mehrkosten zu kompensieren, stellt die Verwendung von  Zink-Knetlegierungen dar. Diese neu am Markt etablierte Werkstoffgruppe von Zink-Aluminium-Kupfer-Legierungen zeichnet sich durch günstige Rohstoffpreise und eine gegenüber Druckgusslegierungen gesteigerte Festigkeit aus. Typische Produkte, die aus  Zink-Knetlegierungen hergestellt werden können, sind Schlösser oder Sanitärprodukte wie Ventile (Bild 1).

Zink ist ein weit verbreiteter Werkstoff und kommt im Bauwesen als korrosionsbeständiges Material für Außenanwendungen zum Einsatz. In der industriellen Anwendung ist Zink als Überzugsmetall zum Korrosionsschutz sowie als Druckgusswerk-stoff weit verbreitet. Druckgussteile aus Zink können endkonturnah hergestellt wer-den, sodass keine oder nur sehr wenig spanende Nachbearbeitung erforderlich ist. Deshalb ist die Zerspanung von Zinkwerkstoffen in den vergangenen Jahrzehnten kaum untersucht oder weiterentwickelt worden.

Voraussetzung für die industrielle Anwendung von stranggepressten  Zink-Knetlegierungen als Zerspanungswerkstoff ist eine prozesssichere Beherrschung des Zerspanprozesses. Nur so kann eine einwandfreie Bauteilqualität bei reduzierten Stück-kosten realisiert werden. Am WZL der RWTH Aachen wird in einem Forschungsprojekt zunächst die Zerspanbarkeit analysiert und anschließend der Zerspanprozess für das Außenlängs- und Einstechdrehen sowie für das Bohren optimiert. In enger Zusammenarbeit mit Anwendern sowie Werkstoff- und Werkzeugherstellern wird so die Basis für einen breiten wirtschaftlichen Einsatz dieser attraktiven Werkstoffe geschaffen.

Erste Projektergebnisse zeigen, dass sich bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten Aufbauschneiden bilden, die durch ihr periodisches Ablösen die Werkstückoberfläche schädigen (Bild 2, links). Damit einher geht die Bildung von starken Aufschmierungen auf den Werkzeugspanflächen. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten entstehen sogenannte Scheinspäne. Als Scheinspan werden Späne, wie in Bild 2 rechts dargestellt, bezeichnet, die an der Werkzeugfreifläche, also zwischen Drehwerkzeug und Bauteiloberfläche, ablaufen. Diese Scheinspäne können die Bauteiloberfläche schädigen und beeinträchtigen daher die erreichbare Bauteilqualität. Scheinspanbildung ist darauf zurückzuführen, dass ein Teil des Werkstoffs durch die Bearbeitung schmilzt und anschließend unterhalb der Schneide wieder erstarrt, woraus die Bezeichnung „Scheinspan“ resultiert. Dabei können regulär ablaufende Späne mit dem geschmolzenen Material in Kontakt kommen und daran anhaften, was ebenfalls zu einer Schädigung des Bauteils oder der Werkzeugmaschine führen kann. Die Prozesssicherheit wird dadurch erheblich herabgesetzt.

Werkstoff macht Mehrkosten wett

Eine besondere Rolle kommt daher der gezielten Verwendung von Kühlschmierstoffen zu. Durch Ihren Einsatz werden einerseits die Temperaturen in der Zerspan Zone deutlich herabgesetzt und andererseits die Reibung zwischen Werkzeug und Werk-stoff erheblich reduziert. Bei Untersuchungen des Bohrprozesses zeigte sich, dass bei der Bearbeitung ohne Kühlschmierstoff die Spannuten der Wendelbohrer sich nach wenigen Bohrungen zugesetzt hatten und die Bohrer deswegen brachen (Bild 3). Durch den Einsatz einer siebenprozentigen Emulsion als Kühlschmierstoff, die über die Werkzeugaufnahme gezielt der Zerspanstelle zugeführt wurde, konnten in Verschleißversuchen 14000 Bohrungen mit minimalem Werkzeugverschleiß hergestellt werden.

Auch bei der Drehbearbeitung konnte die Prozesssicherheit durch einen gezielten Einsatz einer Emulsion als Kühlschmierstoff deutlich gesteigert werden. Durch die Erheblich verbesserte Prozesskühlung nimmt die Duktilität des Werkstoffs bei der Spanbildung nicht zu und es bilden sich erheblich kürzere Späne als im Trocken-schnitt aus, die prozesssicher abtransportiert werden können. Insbesondere Anwender aus der Sanitär- und Beschlagindustrie können so durch gezielte Auslegung der Kühlschmierstrategie und der Bearbeitungsparameter Einbußen aus der Umstellung auf bleifreie Werkstoffe kompensieren.

Das Forschungsvorhaben „Zerspanung von  Zink-Knetlegierungen“ wird über die Forschungsgemeinschaft Stifterverband Metalle e.V. durch die AIF im Programm zur Förderung der „industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung“ (IGF) vom BMWI finanziert.

Die 5. Aachener Kühlschmierstoff-Tagung am 22. und 23. November 2017 gibt weitere Information zur Verbesserung der Zerspanbarkeit durch Einsatz von Kühlschmierstoffen und zu Strategien wie der kryogenen Prozesskühlung auf der. Sie ist Diskussionsforum und dient zur Demonstration von Forschungsergebnissen an zahlreichen Prüfständen.

Fritz Klocke, Stefan Baier, Thomas Lakner und Benjamin Döbbeler, WZL der RWTH Aachen

RWTH Aachen University
Werkzeugmaschinenlabor (WZL)
Steinbachstraße 19, 52074 Aachen
Ansprechpartner ist Stefan Baier
Tel.: +49 241 8027-362
s.baier@wzl.rwth-aachen.de
www.wzl.rwth-aachen.de und
www.wzlforum.rwth-aachen.de

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