Klassieke smeermiddelen te vervuilend of onvoldoende performant

Roep om EP-, AW- en andere additieven steeds luider

Om het spaanvolume en de productiviteit van bewerkingscentra te verhogen, is men stelselmatig procesparameters gaan opdrijven. Die praktijk vraagt niet alleen veel van de machines en de snijgereedschappen, ook de koelvloeistoffen of smeermiddelen komen zo letterlijk en figuurlijk onder grote druk te staan. Andere trends zoals de opkomst van nieuwe lichtgewicht materialen en veranderingen in de markt van de basisolie zorgen ervoor dat men steeds vaker moet teruggrijpen naar additieven om bepaalde eigenschappen bij te sleutelen, zelfs in die mate dat je het smeermiddel bijna als oplosmiddel voor additieven kunt gaan beschouwen.

Trends in design en productie

Nieuwe materialen

Als de samenleving op een bepaald moment beslist dat er zuiniger met energie moet worden omgesprongen, dan dwingt ze onder meer de luchtvaart- en automobielindustrie om op zoek te gaan naar lichtere materialen in de vorm van hogesterktestalen of speciale titaan-, aluminium- en magnesiumlegeringen. Elke gram telt als je op brandstof wilt besparen. Maar nieuwe materialen in het algemeen, en vezelversterkte composieten in het bijzonder, bewerk je niet op een traditionele manier. Nieuwe bewerkingsmethodes dringen zich op en die zoektocht kan alvast beginnen bij het speuren naar een optimaal smeermiddel voor dit soort abrasieve materialen.

Elektromobiliteit

Ook elektromobiliteit klopt aan de deur. De komst van elektrische (auto)motoren betekent per definitie dat de behoefte aan kruk- en nokkenassen, en zware motorblokken zal afnemen. In de plaats daarvan komen statoren en rotoren, of andere onderdelen die niet meer door middel van frezen en slijpen worden vervaardigd, maar wel door technieken als vormpersen en fijnstansen. Onmiddellijk komen dan ook andere bewerkingsvloeistoffen in beeld.

Terwijl de smeermiddelen courant bij verspaantechnieken veelal met water zijn vermengd omwille van een goede spaanafvoer, gaat het bij persen en fijnstansen vooral om minerale oliën en solventen die als voornaamste taak het verhinderen van koudlassen en het reduceren van slijtage aan de gereedschappen hebben. Vandaar dat de smeermiddelen hoge concentraties vereisen van wat men in de sector extreme pressure (EP)- en anti-wear (AW)- additieven noemt.

Near-net-shapetechnieken

Near-net-shapetechnieken zijn processen zoals gieten, smeden en (om)vormen die de uiteindelijke, gewenste vorm van het onderdeel benaderen. Werkend met hoge bewerkingstemperaturen, gaan ze wel in hand in hand met hogere drukken en een grotere mechanische spanning, wat maakt dat er bij de smeermiddelen gelet moet worden op de thermische stabiliteit en ze tegelijk de extreme drukken moeten kunnen verdragen.

Verhoogde productiviteit

Een laatste trend in de productie heeft betrekking op verhoogde productiviteit. Als er dan toch wordt verspaand, dan moet het wel snel gaan. Door de material removal rate (MRR) voortdurend op te schroeven, dwingt men de machine, de snijgereedschappen én de koelsmeermiddelen tot het uiterste.

Ter illustratie: in moderne hoogperformante slijpmachines kan het gebeuren dat de slijpolie met een druk van liefst 1.740 psi tegen het slijpwiel aan wordt gespat. Dat resulteert enerzijds in hevige turbulentie van de olie en anderzijds in zeer fijne luchtbelletjes. Omdat lucht zeer slechte smeer- en koeleigenschappen heeft, is het ontstaan van die luchtbelletjes nefast voor de kwaliteit van de slijpolie. Om de situatie nog erger te maken, zorgen de kleine voorraadtanks (gewoonlijk niet meer dan 800 liter) ervoor dat de mix van olie en lucht continu door de koelpompen wordt opgepikt en weer in de snijzone wordt gebracht. Als de lucht en olie op dat moment snel van elkaar scheiden, krijg je de vorming van schuim. Vaak grijpt men dan terug naar antischuimmiddelen, maar de werking daarvan is zeer beperkt in de tijd omdat ze snel worden weggefilterd. Sommige zullen bovendien de lucht langer vasthouden, zodat het gebruik ervan beter vermeden kan worden en goede additieven met dezelfde antischuimeigenschappen een beter alternatief vormen.

Je kunt het smeermiddel bijna als oplosmiddel voor additieven gaan beschouwen.

Veranderingen in de markt van basisolie

Kiezen voor hoogwaardige smeerstoffen

Metaalbewerkingsvloeistoffen kun je onderverdelen in onvermengde oliën en oliën die met water zijn verdund. De eerste groep valt uiteen in nog eens vijf subgroepen – zes volgens de ATIEL (Association Technique de l’Industrie Européenne des Lubrifiants) – waarvan de eerste drie bestaan uit minerale oliën, de vierde groep polyalfaolefinen (PAO's) als synthetische grondstof bevat en de vijfde een soort van restcategorie is waarin onder meer esters worden ondergebracht. De eventueel zesde categorie omvat de poly-interneolefinen (POI's), die sterk aan de PAO’s verwant zijn.

Lange tijd werd de markt van industriële smeermiddelen gedomineerd door producten uit categorie I, maar daar komt stilaan verandering in. Onder druk van de stijgende eisen komt men voor tandwielapplicaties, hydraulica en compressoren steeds vaker aankloppen bij de hoogwaardige industriesmeermiddelen uit de groepen III en IV van basisvloeistoffen, en met name vanuit de automobiel groeit zelfs de vraag naar de POI's. De fabrikanten voelen dit ook en bouwen hun productiecapaciteit voor smeermiddelen uit groep I beetje per beetje af.

Moeilijk verenigbaar met additieven

Basisvloeistoffen uit groepen I tot III worden gewonnen uit ruwe petroleumolie en in een raffinaderij tot smeermiddel verfijnd. Het proces werkt als communicerende vaten: hoe hoger de klasse en de viscositeitsindex, hoe kleiner het zwavelgehalte en hoe minder aromaten en onverzadigde verbindingen het smeermiddel bevat. Helaas betekent dat ook dat de oplosbaarheid met additieven afneemt, vaak zelfs in die mate dat het gehalte aan additieven dat een bepaalde applicatie vereist, nog onmogelijk te halen is. Dan hebben we het onder meer over EP- en AWadditieven en antioxidanten. Er bestaan weliswaar stoffen om de oplosbaarheid te verhogen, maar die hebben dan weer een negatieve invloed op de thermische stabiliteit of zijn onvoldoende compatibel met elastomeren. Niet verwonderlijk dus dat fabrikanten op dit moment druk in de weer zijn met het herleggen van de chemische puzzel, meer bepaald het emulsifeersysteem wordt herbekeken. Het uiteindelijke doel is om te komen tot nieuwe additieven met een aangepaste chemische structuur.

Alternatieven voor gechloreerde paraffines (CLP's)

CLP's minder in trek

Een van de vroegst ontwikkelde en meest gebruikte EP- en AW-additieven voor zware, veeleisende bewerkingen zoals broachen en fijnstansen, zijn de gechloreerde paraffines of CLP's. Die zijn de laatste tijd echter in een slecht daglicht komen te staan, om verschillende redenen. Ten eerste krijgen kortketenige CLP's vandaag het alarmerende label 'kankerverwekkend' mee voor ratten en muizen, en mogelijk ook voor mensen. Daar komt bovenop dat ze een hoog risico op bioaccumulatie met zich meebrengen. In Europa en andere regio's zijn ze dan ook al verboden en er wordt verwacht dat dit verbod binnenkort ook voor de ketens met mediumlengte zal gelden. Daarnaast zijn er ook technische of functionele argumenten aan te brengen. CLP's worden gekenmerkt door zeer goede smerende eigenschappen (die ze te danken hebben aan hun fysische absorptievermogen). Blootgesteld aan hoge temperaturen, bijvoorbeeld door hogere snijsnelheden, behouden ze weliswaar hun goede smering, maar de chemische slijtage stijgt enorm. In de praktijk worden CLP's als additief gebruikt met een chloridepercentage tussen de 40 en 70%. Onder invloed van vocht en licht kunnen ze echter makkelijk evolueren naar waterstofchloride, een stof die corrosie kan veroorzaken.

Er bestaan alternatieven

Gelukkig, gezien de risico's die aan het gebruik van CLP's worden gekoppeld, bestaan er alternatieven. Zo werd in een praktijktest de invloed bekeken van de snijsnelheid op de prestatie van gechloreerde paraffine tijdens het hobben en vergeleken met die van een speciale sulfer bestaande uit een EPadditief op basis van onder meer olefine en esters. Wat bleek? Bij lage snijsnelheden kon het alternatief niet tippen aan de bescherming die de absorptielaag van de CLP bood aan het hobbinggereedschap. Alleen als de zwaveldragende vloeistof gecombineerd werd met een metaalvrij AW-additief, kon het een gelijkaardig en zelfs een beter resultaat voorleggen. Bij hogere snijsnelheden nam de slijtage van het gereedschap echter gevoelig toe wanneer men gechloreerde paraffine gebruikte. Omgekeerd, de zwavel met EPadditief presteerde beter, naargelang de machinesnelheid werd opgevoerd. Dezelfde conclusies kon men trekken uit een test met een gereedschap voor het broachen: geoptimaliseerde chemische samenstellingen, gebaseerd op gezwavelde vloeistoffen in combinatie met AW-additieven, hebben een veel breder toepassingsbereik dan oliën gebaseerd op gechloreerde paraffine.

Conclusie

De toepassingen van morgen zullen de klassieke bewerkingsmethodes, waar smeermiddelen deel van uitmaken, steeds vaker in gebreke stellen. Dat zien we vandaag al gebeuren. Om tegemoet te kunnen komen aan de almaar strengere eisen, neemt men zijn toevlucht tot additieven. Waar smeerolie vroeger tot 20% aan additieven bevatte, loopt dat percentage vandaag op tot bijna 40%. Het is te verwachten dat de fabrikanten dan ook snel met geoptimaliseerde chemische samenstellingen zullen komen om enerzijds de additieven beter compatibel te maken met de basisoliën uit de hogere klassen en anderzijds de beperkingen van de huidige generatie van additieven op te heffen.

Gebaseerd op een tekst van Wilhelm Rehbein.