In einem Zug

Fokus/Drahtbeschichtung

Schatten und Licht liegen in der Phosphatbeschichtung nahe zusammen: In ein und demselben Prozess stören sie mancherorts, an anderer Stelle sind sie unverzichtbar. Oder auch nicht.

27. November 2012

Es klingt paradox, aber die Kaltmassivumformung ist geprägt von hohen Temperaturen (bis etwa 400°), verursacht durch Reibung, Druck und Umformarbeit. Um Werkzeug wie Halbzeug zu schützen, müssen diese durch eine Schmierstoffschicht getrennt werden – eine Schicht, die hohen Drücken und Temperaturen standhalten und vor allem auf dem Werkstück haften muss.

Damit Festschmierstoffe und Bearbeitungsöle auf dem Metall haften, benötigt man eine Trägerschicht aus Zinkphosphat. Benötigt? Benötigte! Denn es gibt Alternativen. Um eine dieser Alternativen geht es hier: die Schmierstoffreihe Beruforge 150 von Bechem, Hagen.

Bisher besteht eine Drahtbeschichtung meist aus drei Lagen: erstens Zinkphosphat als Korrosionsschutz-, zweitens eine Haft- und Konversionsschicht und drittens Zinkstearat (Metallseife) und/oder unreagierte Seife als Schmiermittel. Das Zinkphosphat dient aber nicht nur Schmierstoffen als Haftgrundlage, sondern auch Lacken. Die Zinkphosphatierung, auch Bondern genannt, ist seit etwa 80 Jahren bekannt und üblich.

So nützlich Zinkphosphat an manchen Stellen im Produktionsprozess ist, an anderen stört es und muss daher dort restlos beseitigt werden. Nicht nur die Beschichtung selbst, sondern auch ihre Entfernung ist aufwendig und muss sehr zuverlässig erfolgen. Diesen Aufwand würden sich die Hersteller von Drahtprodukten gerne ersparen.

Die Schrauben Betzer GmbH Co. KG produziert in Lüdenscheid pro Tag etwa sieben Millionen Spezialschrauben (ab M1,6) vor allem für Automobilzulieferer. Die Schrauben werden aus Draht hergestellt – Draht, der zur Umformung eine Schmierstoffschicht braucht. Diese Schicht haftete bisher auf Zinkphosphat. Doch Geschäftsführer Dr. Frank Hoffmeister ist mit dieser Situation nicht zufrieden: »Zinkphosphat macht Probleme bei der Wärmebehandlung. Es muss also vorher runter, damit die Schrauben nicht möglicherweise an Randhärte verlieren. Das Entfernen der Phosphatschicht ist sehr aufwendig: Man benötigt scharfe Waschlaugen mit extrem hohem pH-Wert bis 11,5. Deren Entsorgung, Recycling und Erneuerung sind ein erheblicher Kostenfaktor. Der Abrieb der Beschichtung verschmutzt die Maschinen und das Maschinenöl.«

Eine Alternative wurde also dringend gesucht: eine Beschichtung, die fest haftet, das Metall schützt und sich mit dem Schmierstoff in der Umformmaschine verträgt. »Wir haben einiges ausprobiert: andere Öle, blanke Drähte, Minimalmengenschmierung, Werkzeugbeschichtung etcetera. Mit dem Beruforge-Produkt fahren wir so gut, dass wir inzwischen etwa ein Viertel der Tonnage damit beschichten, vor allem die kleinen Durchmesser«, fährt Dr. Hoffmeister fort. Kleine Schrauben sind natürlich viel empfindlicher gegen Schwächen in der Randschicht, sodass Beschichtungs- und vor allem Reinigungsfehler zum Totalausfall führen können, weil etwa bei M2 und darunter quasi das ganze Gewinde aus Randschicht besteht.

Holger Falz, Geschäftsführer der Max W. Claas GmbH & Co. KG aus Altena, einer der wenigen verbliebenen Drahtziehereien in Deutschland, pflichtet ihm bei: »Wir fertigen Draht von 0,5 bis 50 mm Durchmesser. Zwar haben wir auch im neuen Werk noch Phosphatbecken, aber wir setzen immer häufiger Beruforge ein.«

Jürgen Schoppe, bei Bechem zuständig für Vertrieb und Anwendungstechnik im Bereich der Umformung, holt etwas weiter aus: »Die deutsche Drahtindustrie stellt etwa 700000 t Draht pro Jahr her. Aus diesem meist hochwertigen Draht werden nicht nur Wälzlagerkörper, Wellen und Schrauben, sondern auch komplexe Teile wie Fahrwerkskomponenten oder kleine Kurbelwellen – etwa für Rasenmähermotoren – gefertigt. Letzteres war vor Jahren noch undenkbar. Die Draht- wie die Schraubenhersteller stehen unter enormem Druck: durch ausländische Konkurrenz, aber auch durch die Kunden. Da wird natürlich jede Möglichkeit zur Kostensenkung genutzt.«

Seit vielen Jahren experimentiert Bechem deshalb mit phosphatfreien Schmierstoffen – auch das war vor Jahren noch undenkbar. Im Rahmen eines Verbundprojektes mit der PTU Darmstadt wurde das grundlegende Konzept erarbeitet. Die ersten Alternativen zur Phosphatierung waren noch nicht so leistungsfähig hinsichtlich Korrosionsschutz und Umformbarkeit. Die ersten Versionen von Beruforge brachten endlich die gewünschten Ergebnisse, waren aber zunächst sehr dünnflüssig. Heute kann man je nach Anwendungsfall verschiedene Viskositäten bis hin zur Paste einstellen. Die optimale Konsistenz wird in Zusammenarbeit mit dem Kunden für den jeweiligen Anwendungsfall ermittelt. Die Grenze bildet die Förderbarkeit, entscheidend ist aber die Prozesssicherheit.

Das neue Produktkonzept erfordert teilweise auch Veränderungen in den Beschichtungsprozessen – allerdings vergleichsweise einfache, denn während die Phosphatierung in der Regel mehrere Beschichtungsvorgänge verlangt, erfolgt die Beschichtung mit der Schmierstoffreihe Beruforge 150 in einem Zuge. Beruforge 150 besteht aus anorganischen und organischen Komponenten, die sich auf der Oberfläche selbständig ausrichten.

Die so entstehende Beschichtung verteilt sich sehr dünn und dennoch gleichmäßig auf dem Halbzeug: Während eine Phosphatschicht (wie eingangs beschrieben) auf acht bis 20 g/m² kommt, sind Beruforge-150-Schichten nur halb so dick.

Der Charme des neuen Verfahrens liegt aber noch woanders. Hören wir dazu noch einmal Dr. Hoffmeister: »Die Phosphatierung erfordert warme Bäder mit 60 bis 75 °C, was bei den nötigen Volumina ordentlich Energie kostet. Dazu kommen die enormen Umweltprobleme durch die Phosphatrückstände und die scharfen Laugen. All das haben wir bei Beruforge nicht. Das wird bei Raumtemperatur aufgebracht und durch normale Reinigungsmittel entfernt.«

Für Holger Falz ist auch wichtig, dass mit Beruforge relativ dicke Drähte zuverlässig beschichtet werden können: »Wir liefern unter anderem 14-mm-Drähte für die Leitplankenschrauben. Die lassen sich mit Beruforge 150 problemlos beschichten – abgesehen davon, dass Feuerverzinkungen auf Phosphatschichten nicht halten. Kein Phosphat heißt aber keine Phosphatentfernung.«

Dr. Jens Ostrowski, Chemiker und Leiter der Forschung und Entwicklung im Bereich Öl/Umformtechnik, weist auch auf den besseren Korrosionsschutz hin: »Phosphate ziehen auf Dauer Wasser, Beruforge 150 nicht.« Den Einwand, Phosphat liefere grundsätzlich besseren Langzeit-Korrosionsschutz, kontert Dr. Ostrowski: »Das mag anfangs so gewesen sein, aber inzwischen haben wir den Korrosionsschutz erheblich verbessert und sind dem Zinkphosphat auch in diesem Punkt überlegen.«

Im Anschluss zählt Dr. Ostrowski noch weitere Vorteile der Beruforge-150-Schmierstoffreihe auf: »Nicht nur das Metall wird besser geschützt, sondern durch den Wegfall der Trägerschicht kann deren Abrieb Maschine und Öle nicht mehr verschmutzen, so dass ihre Standzeit deutlich verlängert wird. Auch die Umformwerkzeuge halten länger. Das führt zu einer signifikanten Kostenreduzierung gegenüber der Zinkphosphatierung.« Hier gehen alle Gesprächsteilnehmer konform und betonen zudem die erheblich geringeren Negativwirkungen auf die Umwelt, auch auf die unmittelbare: Die Akzeptanz durch die Mitarbeiter wird erhöht.

Insgesamt stellen die beiden Manager dem noch jungen Beruforge 150 ein erstklassiges Zeugnis aus und nicken zustimmend, als Jürgen Schoppe betont: »Die Anpassung an unterschiedlichste Anforderungen läuft, und es zeigt sich immer deutlicher das enorme Potenzial.«

Dieses Potenzial ist auch nötig, denn die Werkstoffe und ihre Verarbeitung werden sich unter dem Kosten- und Fortschrittsdiktat ändern. So sind neue Drahtqualitäten zu erwarten, um die einheimischen Produkte von Importware zu differenzieren. Draht wird Ausgangsmaterial für immer komplexere Werkstücke sein, was mehr Verarbeitungsschritte erfordert. Um eine vorzeitige Verfestigung zu vermeiden, wird man also versuchen, durch höhere Eingangstemperaturen die Fließspannungen zu senken. Höhere Eingangstemperaturen führen aber zu höheren Ausgangstemperaturen; der Trend geht also in Richtung ›lauwarm‹, was neue Schmierstoffe erfordert.

Auch die Energiebilanz wird immer bedeutender, besonders für die gesamte Wertschöpfungskette in der Automobilproduktion. Dr. Hoffmeister erwartet, dass Effizienzklassen (wie heute schon für Elektrogeräte) auch für Schrauben und andere Kleinteile kommen werden – ein weiterer Trend zugunsten Beruforge.

Und damit kommen wir zum wichtigen Thema Leichtbau: Mit Beruforge 150 können nicht nur Fe-Metalle beschichtet werden, sondern auch NE-Werkstoffe, sogar als störrisch bekannte Aluminiumlegierungen.

Und nicht ganz unwichtig für ein Schmiermittel: Während man mit dem Trägerstoff Zinkphosphat und den passenden Schmierstoffen auf Reibwerte nicht unter 0,05 bis 0,06 kommt, erreicht Beruforge derzeit 0,03, und das Ziel ist 0,02.

Hans-Georg Schätzl

Erschienen in Ausgabe: 07/2012