voestalpine Böhler Edelstahl setzt auf Kühlschmierstoffe und Abschreckmittel von Quaker Houghton

In der mechanischen Fertigung bei voestalpine Böhler Edelstahl liegt die Gesamtzerspanungsrate der Schmiedehalbzeuge bei über 60 Prozent.

Die voestalpine ist ein weltweit führender Stahl- und Technologiekonzern mit kombinierter Werkstoff- und Verarbeitungskompetenz. Die global tätige Unternehmensgruppe verfügt über rund 500 Konzerngesellschaften und -standorte in mehr als 50 Ländern auf allen fünf Kontinenten. Der voestalpine-Konzern notiert seit 1995 an der Wiener Börse. Mit seinen Premium-Produkt- und Systemlösungen zählt er zu den führenden Partnern der Automobil- und Hausgeräteindustrie sowie der Luftfahrt- und Energieindustrie und ist darüber hinaus Weltmarktführer bei Bahninfrastruktursystemen, bei Werkzeugstahl und Spezialprofilen. Die voestalpine bekennt sich zu den globalen Klimazielen und verfolgt mit greentec steel einen klaren Plan zur Transformation der Stahlproduktion. Das Unternehmen beschäftigt weltweit rund 51.600 Mitarbeitende.

Ein Unternehmen davon, die voestalpine Böhler Edelstahl GmbH & Co, KG am Standort Kapfenberg, ist weltweit führender Anbieter von Schnellarbeitsstählen, Werkzeugstählen und Sonderwerkstoffen. Einen wichtigen Geschäftsbereich bildet die Schmiedelinie mit modernsten Freiform- sowie Langschmiedeanlagen sowie die angeschlossene mechanische Fertigung und Anlagen zur Wärmebehandlung. „In unserem Betrieb kann man dem Stahl wörtlich vom Schmelzofen bis zum fertigen Teil folgen“, sagt Otto Feiel, Meister Produktion in der mechanischen Werkstatt, und ergänzt: „Wir stehen zusammen mit den Kollegen der Wärmebehandlung im Grunde am Ende der gesamten Fertigungskette. Bei uns wird aus unserem hauseigenen Stahl das fertige Produkt.“

In einem Kundenprojekt mit Böhler L718API Edelstahl für die Ölindustrie stieß man mit dem bisherigen Kühlschmierstoff an Grenzen. Diese konnten mit dem Quakercool® von Quaker Houghton überwunden werden.

Umfangreiches Fertigungsspektrum

In der mechanischen Werkstatt, in der man auf ca. 1.200 m² Fertigungsfläche jährlich Teile mit einem Fertiggewicht von insgesamt etwas über 5.500 Tonnen produziert, stehen ca. 40 CNC-Bearbeitungsmaschinen für Fräsen, Drehen und Schleifen. Bauteilgewichte bewegen sich regelmäßig in einem Bereich zwischen ein paar Kilogramm und 30 Tonnen. Zu den gängigsten Teilen zählen Walzen und Kokillen für die Stahlproduktion, Rotormasten für die Luftfahrt sowie Komponenten für die Energieindustrie. Sogar Triebwerkskomponenten für die Ariane-Trägerrakete stehen auf dem Fertigungsplan der Zerspanungsspezialisten. Spezialisiert ist man in der Fertigung unter anderem auf das Tieflochbohren bis 320 mm Durchmesser auf 8 m Länge. Für spezielle Anwendungen der Energieindustrie wurde auch ein Bohrverfahren entwickelt, mit dem man eine 42 mm-Bohrung auf eine Länge von 5 m mit einer Wanddickentoleranz von 0,15 mm erreicht. „Darauf sind wir besonders stolz. Das ist eine Leistung, mit der wir weltweit allein dastehen“, freut sich Feiel, der vor vielen Jahren mit der Entwicklung der dafür erforderlichen Technologie begonnen hatte und die nun seit 2019 in Serie genutzt wird.

Das Besondere der mechanischen Fertigung in Kapfenberg ist die Verarbeitung von Schmiedehalbzeugen, die aus der eigenen Freiformschmiede angeliefert werden. In einem klar definierten Ablauf werden die geschmiedeten Rohlinge zu einem geringen Übermaß geschruppt, wobei für alle Teile gilt, dass entsprechende Bereiche für eine Probennahme vorgesehen werden müssen, da für alle dort gefertigten Teile eine umfangreiche Qualitätssicherung mit entsprechender Dokumentation nachgewiesen werden muss. „Die meisten Teile aus unserer Fertigung gehen in Industriebereiche, bei denen höchste Auflagen zu erfüllen sind. Darum haben wir auch durchgehend externe Prüfer im Hause, die genau darüber wachen, dass alle Prüfungen richtig gemacht werden“, bestätigt Feiel.

Nach der Vorbearbeitung kommen die Teile in die Wärmebehandlung, wo sie auf die gewünschten Werkstoffeigenschaften eingestellt werden, um danach für die Fertigbearbeitung zurück in die mechanische Werkstatt zu gelangen, in der trotz hoher Bauteilgewichte meist höchste Präzision gefordert ist. In manchen Fällen erfolgt nach der Fertigbearbeitung eine weitere abschließende Wärmebehandlung, beispielsweise durch Einsatzhärten. „Wir haben in unserer Fertigung insgesamt eine Zerspanungsrate von 60 bis 65 Prozent. Dabei halten wir die Späne sortenrein und führen sie direkt wieder der Stahlherstellung zu. Nachhaltiger kann man mit dem Werkstoff fast nicht umgehen“, betont Feiel.

Besondere Herausforderung durch außergewöhnliche Werkstoffe

Für die Verarbeitung der meist hochlegierten Stähle, vor allem T505 Turbinenstahl, T550, ein hochwarmfester vergütbarer Stahl, bis hin zu L718API, eine Nickel-Chrom-Eisen-Molybdän-Niob-Legierung, die sehr korrosionsbeständig und aushärtbar ist und eine extrem hohe Festigkeit aufweist, werden auch leistungsfähige Kühlschmierstoffe benötigt. „Wir haben bis zur Einführung des L718API für ein konkretes Kundenprojekt aus der Öl- und Gasindustrie mit unseren bestehenden Kühlschmierstoffen vernünftige Leistungen erzielt. Beim L718API sind wir jedoch an die Grenzen gestoßen“, erinnert sich der Werkstattmeister. Wie so oft kam Kollege Zufall zu Hilfe, als er auf einem Zerspanungsseminar Dieter Kainz von der Zahradnik GmbH traf, dem er das Problem mit diesem speziellen Werkstoff schilderte. In Folge wurde dann im Rahmen eines KVP-Projektes bei voestalpine Böhler Edelstahl der Quakercool®-Kühlschmierstoff von Quaker Houghton evaluiert.

Zunächst hat man für einen Benchmark eines der Bearbeitungszentren, auf denen die L718API-Komponenten gefräst werden, mit dem neuen KSS befüllt. „Was die Kühl- und Schmierleistung anbelangt, hat uns der Kühlschmierstoff auf Anhieb überzeugt und schon nach wenigen Anpassungen in der Konzentration konnten wir eine deutliche Verringerung der Schaumbildung feststellen, die bis dahin ein echtes Problem darstellte“, erzählt Feiel und Kainz bestätigt: „Dieser Werkstoff ist wirklich eine Herausforderung, aber wir konnten durch eine exakte Anpassung des Mischungsverhältnisses eine massive Reduktion der Schaumbildung erzielen und gleichzeitig die Standzeit enorm verlängern. In der Endbearbeitung läuft eine der Maschinen bereits seit über einem Jahr mit einer Befüllung, die wir einmal im Monat kontrollieren und nachjustieren.“ Nach heutigem Stand sind bereits drei Maschinen in der Fertigung auf den neuen Kühlschmierstoff umgestellt. Die anderen Maschinen sollen bis auf wenige Ausnahmen, die aufgrund von Zertifizierungsauflagen nicht so einfach geändert werden können, nachgezogen werden.

Wird der KSS für die regulären Anwendungen auf ca. sieben Prozent Konzentration eingestellt, verwenden die Zerspanungsspezialisten in Kapfenberg für Lippenbohrungen oder das Ejektorbohren eine Konzentration von elf Prozent, wozu Feiel bemerkt: „Bei den Lippenbohrungen kommt es auf optimale Schmierung an den seitlichen Führungsleisten an, damit ein Verlaufen des Bohrers vermieden wird und gleichzeitig die Bohrdimension genau eingehalten wird. Beim Ejektorbohren hingegen ist die Spülleistung ausschlaggebend, da wir große Bohrdurchmesser mit enormer Bohrtiefe kombinieren und damit natürlich ein entsprechender Spanabtransport gewährleistet werden muss.“ Damit die geforderten Parameter eingehalten werden, verlässt sich Kainz bei der monatlichen Überprüfung nicht auf eine reine Konzentrationsmessung und Laboruntersuchungen, sondern geht bei der KSS-Prüfung einen Schritt weiter: „Damit wir genau wissen, wie die Leistung des Kühlschmierstoffs ist, machen wir zusätzlich auch regelmäßig einen Tapping-Torque-Test. Bei diesem wird bei einem Gewindeschneideprozess mit definiertem Durchmesser und genau festgelegten Werkstoff- und Schnittparametern das Drehmoment gemessen, das dem Schneideprozess entgegenwirkt. Daraus lässt sich die genaue Schmierleistung des KSS ableiten. Genauer kann man einen Kühlschmierstoff kaum prüfen.“

Wärmebehandlung als Qualitätsgarant

Die mechanische Fertigung ist aber nicht der einzige Bereich bei voestalpine Böhler Edelstahl, der von Zahradnik mit Produkten von Quaker Houghton versorgt wird. Auch die Wärmebehandlung, die in der Fertigungsabfolge eine wichtige Rolle spielt, nutzt mit dem Aqua-Quench® 320 Polymerabschreckmittel ein flüssiges Werkzeug, das bei einem Teil der Wärmebehandlungen zum Einsatz kommt. So ist es zum Beispiel erforderlich, die gegossenen Vormaterialien in einen lagerfähigen und weiter verarbeitbaren Zustand zu bringen. „Das scheint auf den ersten Blick recht einfach, jedoch steckt der Teufel im Detail. Je nach Werkstoff kann ein Abkühlen an der Luft schon dazu führen, dass der gegossene Stahl Risse bekommt, was ihn für eine Weiterverarbeitung unbrauchbar macht. Gleiches gilt auch für Schmiedeteile. Die Materialeigenschaften müssen durch eine gezielte Wärmebehandlung so eingestellt werden, dass sie in der mechanischen Werkstatt gut bearbeitet werden können“, verrät DI Martin Wöls, Betriebsleiter Wärmebehandlung Schmiedelinie bei der voestalpine Böhler Edelstahl, und Feiel bestätigt: „Nur durch die geeignete Wärmebehandlung sind wir in der Lage, bei der Vorbearbeitung beim Schruppen die erforderliche Spanleistung zu erbringen, bei der wir gut 80 Prozent der zerspanenden Bearbeitung am Werkstück bewältigen.“

Für die Wärmebehandlung, in der mehr als 50 Mitarbeiter für einen reibungslosen Ablauf sorgen, steht eine Betriebsfläche von ca. 5.000 m², aufgeteilt in drei Hallenbereiche, zur Verfügung. Diese unterteilen sich in die Glühung, in der großteils warm angelieferte Stähle lagerfähig oder weiter verarbeitbar gemacht werden, was durch Spannungsfreiglühen oder kontrolliertes Abkühlen erfolgt. In einem weiteren Bereich erfolgt die Vergütung, in der die Endwärmebehandlung erfolgt. In dieser Qualitätswärmebehandlung werden die Werkstücke werkstofftechnisch auf die geforderten Eigenschaften eingestellt. Dafür stehen zwei große Becken zur Verfügung, die mit dem Polymerabschreckmittel gefüllt sind und zusammen über 80 m³ fassen. In dem größeren Becken können Werkstücke bis zu 12 m Länge bearbeitet werden. Der dritte Hallenbereich beinhaltet eine halbautomatische Wärmebehandlung, die voll in eine Warmschmiedelinie integriert ist. „Auf dieses Projekt sind wir besonders stolz. Es ermöglicht uns die direkte Wärmebehandlung unmittelbar aus dem Schmiedeprozess heraus. Unseres Wissens nach eine einzigartige Lösung“, erklärt Wöls.

Wärmebehandlung braucht Erfahrung

Die Wärmebehandlung teilt sich zu je einem Drittel in Abschrecken mit Luft, Wasser und Polymerabschreckmittel auf. Das eingesetzte Aqua-Quench 320 kommt mittlerweile seit fast 15 Jahren zur Anwendung und hat dabei das ursprünglich für derartige Bearbeitungsschritte eingesetzt Öl vollständig verdrängt. „Der große Vorteil eines Polymerabschreckmittels ist, dass es im Gegensatz zum Öl nicht zu Qualmentwicklung kommt. Öl verbrennt beim Abschrecken und dieser Qualm ist gesundheitlich sehr bedenklich. Außerdem ermöglicht es das Polymerabschreckmittel, den thermischen Verlauf wesentlich besser zu steuern.“

Auch bei der Wärmebehandlung kann man das als Konzentrat angelieferte Abschreckmittel genau auf die jeweiligen Bedürfnisse einstellen. Konzentrationen liegen dabei zwischen 10 und 30 Prozent. „Für eine optimale Wirkung und damit die Abschreckung überall gleichmäßig erfolgt, wird das Mittel in den Becken permanent umgewälzt. Für die Einstellung der erforderlichen Vortemperatur kann mit Werkstücken aus unproblematischen Werkstoffen vorgearbeitet werden. Das bedeutet, dass wir die Wärme aus Bauteilen nutzen, um die Temperatur im Abschreckbecken genau auf die Temperatur zu bringen, die wir für die Vergütung von empfindlichen Legierungen benötigen. Außerdem können die Becken zusätzlich vorgewärmt werden. Mit unseren umliegenden zahlreichen Herdwagenöfen erfolgt das Glühen und Temperieren der Bauteile. Entscheidend für das Gelingen ist aber die Erfahrung unserer Mitarbeiter in der Wärmebehandlung“, präzisiert Wöls.

„Auch in der Wärmebehandlung wird die Qualität des Abschreckmittels regelmäßig überprüft und auf die optimalen Parameter eingestellt. Neben einer routinemäßigen Überprüfung mit dem Viskosimeter erfolgt vierteljährlich eine umfangreiche Laboruntersuchung“, wirft Kainz ein. Das gute Zusammenwirken aus der Mechanischen Bearbeitung und der Wärmebehandlung in Verbindung mit der Materialhoheit aus der Stahlerzeugung ist mithin der Schlüssel für die hohe Qualität und enorme Fertigungstiefe, die man bei voestalpine Böhler Edelstahl erzielt. Die Unterstützung durch den Kühlschmierstoff und das Polymerabschreckmittel von Quaker Houghton tragen maßgeblich dazu bei, dass die Stahlprodukte, die in Kapfenberg hergestellt werden, Weltruf genießen, darin sind sich Feiel und Wöls einig und bemerken abschließend einstimmig mit einem Augenzwinkern: „In unseren Adern fließt halt Stahl.“

Infos zum Anwender

Die voestalpine Böhler Edelstahl GmbH & Co KG in Kapfenberg geht auf die 1870 gegründete Böhler & Co zurück und ist seit Übernahme 2008 durch die voestalpine AG Teil des Konzerns. Neben über 200 Kalt- und Warmarbeitsstählen, Sonderlegierungen und korrosionsbeständigen sowie nichtmagnetisierbaren Stählen stellt man in Kapfenberg auch Metallpulver für die Additive Fertigung her. Diese Stähle nutzen deren Kunden zur Herstellung von vielen Gütern des täglichen Bedarfs. Zusätzlich zu den reinen Werkstoffen betreibt das Unternehmen am Standort eine mechanische Fertigung, eine Freiform- und Gesenkschmiede und eine Wärmebehandlung. Hohen Wert legt man in Kapfenberg auf eine fundierte Lehrlingsausbildung, in der alle Lehrlinge die unterschiedlichen Bereiche des Unternehmens durchlaufen und auf Nachhaltigkeit in der Produktion. Effiziente Werkstoffkreisläufe zählen dazu ebenso wie die Nutzung der Abwärme aus Schmiede und Wärmebehandlung für die kommunale Fernwärmenutzung.