DD233379A5 - Hochtemperaturschmierstoff fuer die spanlose heissumformung von metallen - Google Patents

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Hans R Staub
Alain Cron
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Lonza Ag,Ch
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Abstract

Hochtemperaturschmierstoff fuer die spanlose Heissumformung von Metallen, der vorzugsweise Form einer in waessriger Dispersion angewendet wird. Um einerseits ein Koagulieren der Feststoffe in der waessrigen Dispersion zu vermeiden, und andererseits einen temperaturbestaendigen gleichmaessigen Schmierfilm zu erhalten, enthaelt der Hochtemperaturschmierstoff neben einem Festschmierstoff einem rueckstandsfrei sich zersetzenden organischen Produkt zusaetzlich einen anorganischen Zusatz aus Polyphosphat, einer Borverbindung und einem Alkalisilikat, sowie ein organisches Stabilisierungsmittel.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturschmierstoff für die spanlose Heißumformung von Metallen, enthaltend einen Festschmierstoff und ein rückstandfrei sich zersetzendes organisches Produkt.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Es ist aus der CH-PS596294 ein Hochtemperaturschmiermittel aus Graphit, einem Älkylenpolymerisat oder -mischpolymerisat und einem Dispergiermittel bekannt. Das in derartigen Schmiermitteln angewendete Polymerisat brennt während der Umformung des Metalles rückstandfrei ab, wobei man davon ausgehen kann, daß anfänglich die Polymerisatschmelze und später deren gasförmigen Zersetzungsprodukte schmierwirksam sind.
In der DE-OS 2430249 wird ein Hochtemperaturschmierstoff für die Heißumformung von Metallen auf der Basis eines Phosphat-Borat-Glas, einem die Schmierung verbrennenden Zusatzstoff und einem Treibwirkung auslösenden, rückstandfrei sich zersetzenden organischen Produktes beschrieben.
Diese bekannten Schmiermittel erbringen an sich hervorragende Schmierleistungen. Für die Anwendung bei hohen Temperaturen, insbesondere bei der Verwendung auf Werkzeugen oder Werkstücken, die Temperaturen von über 35O0C und besonders Temperaturen von 6000C und darüber aufweisen, war aber ein starkes Abfallen der Schmierleistung zu beobachten. Die Zusätze von Alkaliphosphatborat-Schmelzprodukten ergeben ein Produkt, das als weiteren Nachteil schlechte Benetzungseigenschaften aus heißen Oberflächen zeigt. Um diesen Nachteil zu beheben, wares notwendig, die Schmiermitteldispersion mit Kieselsäuren zu stabilisieren. Die Kieselsäure ihrerseits hat aber wieder einen schlechten Einfluß auf das Schmierverhalten und die Lebensdauer der Werkzeuge.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, die Mängel des Standes der Technik zu beseitigen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperaturschmierstoff für die spanlose Heißumformung von Metallen — der einen Festschmierstoff und ein in der Wärme sich rückstandfrei zersetzendes organisches Produkt enthält — bereitzustellen, der die genannten Nachteile nicht aufweist und bei Temperaturen über 6000C zu geschlossenen und voll ti:
wirksamen Schmierfilmen führt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Schmierstoff weiter einen anorganischen Zusatz in Form einer Mischung aus einem schwer- oder unlöslichen Polyphosphat, einer Borverbindung und einem Alkalisilikat und ein organisches Stabilisierungsmittel enthält.
Zweckmäßig besteht der anorganische Zusatz aus einer Mischung aus 0,2 bis 25Gew.-% Borverbindung, 0,2 bis 98,8Gew.-% Polyphosphat und 1 bis 99,6Gew.-% Alkalisilikat.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Polyphosphat in unlöslicher oder schwerlöslicher Form angewendet.
Vorzugsweise kommen als Polyphosphate Madrell'sche Salze oder Kurrol'sche Salze zur Anwendung. Dabei handelt es sich um Verbindungen der Art (Na PO3In mit η von 6 bis 50000, vorzugsweise 6 bis 10000. Die Borverbindung kann in löslicher und vorzugsweise in schwerlöslicher oder unlöslicher Form angewendet werden.
Als Borverbindung können beispielsweise Borax, Borsäure, B2O3, KB5O8 · 4H2O oder Zinkborat angewendet werden.
Das zur Anwendung gelangende Alkalisilikat ist bevorzugt ein Natronwasserglas oder Kaliwasserglas mit einem SiO2-Gehait
zwischen 21 und 47%. —— —
Die Anwendung der bevorzugt genannten unlöslichen oder schwerlöslichen Verbindung ist besonders vorteilhaft, im Hinblick auf die Benetzung heißer Oberflächen und insbesondere auf die gleichmäßige Schichtdicke des Hochtemperaturschmierstoffes auf den Werkzeug- und/oder Werkstücksoberflächen bei Temperaturen über 3500C und insbesondere bei 6000C und darüber.
Die Mengenverhältnisse der einzelnen Komponenten können für den Festschmierstoff 1 bis 90Gew.-%, für das in Wärme rückstandsfrei sich zersetzende organische Produkt 1 bis 50Gew.-%, für den erfindungsgemäßen anorganischen Zusatz 1 bis 80Gew.-% und für das organische Stabilisierungsmittel 0,2 bis 80Gew.-%, betragen.
In einer erfindungsgemäßen, vorzugsweisen Ausführung wird das sich rückstandfrei zersetzende organische Produkt in Schmierstoffen zur Anwendung für Temperaturen bis 35O0C in Mengen von maximal 50Gew.-%, und sich linear für Temperaturen von 600°C und darüber auf maximal 5Gew.-% verringernd, eingesetzt.
Typische Schmierstoffe für eine Anwendung bei Temperaturen von 3500C können demnach 40 bis 90Gew.-% Festschmierstoff, 10 bis 50Gew.-% organisches Produkt, 0,2 bis 5Gew.-% anorganischen Zusatz und 0,2 bis 5Gew.-% organisches Stabilisierungsmittel enthalten.
Für Schmierstoffe, die bei Temperaturen von 6000C und darüber angewendet werden sollen, lautet die Zusammensetzung zweckmäßig 10 bis 90Gew.-% Festschmierstoff, 1 bis 15Gew.-% organisches Produkt, 10 bis80Gew.-% anorganischer Zusatz und 0,2 bis 4Gew.-% organisches Stabilisierungsmittel.
Als Festschmierstoff können Graphit, MoS2 (Molybdändisulfid), CaF2 oder BN eingesetzt werden.
Von den Festschmierstoffen führt Graphit zu besonders guten Ergebnissen. Aus der Reihe der Graphite werden solche mit hoher Reinheit, beispielsweise über 96%, und einer durchschnittlichen Korngröße von nicht mehr als 300 Mikrometer bevorzugt. Die besten Ergebnisse lassen sich mit einem Graphit von 99,5% Reinheit und einer durchschnittlichen Korngröße von 100 Mikrometer erzielen.
Die sich in Wärme rückstandsfrei zersetzenden organischen Produkte sind beispielsweise Alkylenhomopolymere oder copolymere. Es werden darunter die Homo- und Copolymere von Arylalkenen, α,/3-ungesättigte Säuren und Ester, ß, yjngesättigten Säuren und Ester, Alkene (Monoolefine, Diolefine etc.). Vinylester, Vinylalkohole, ungesättigte dibasische Säuren jnd Ester (Dicarboxylsäuren und -ester), Alkylester und acyclische Säuren und Ester verstanden.
DasAlkylenhomopolymeroder-copolymerkann Polyethylen, Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polybutadien, Polyvinylacetat, Polyvinylpropionat, ein Copolymer aus Methylmethacrylat und Styrol, ein Copolymer aus Methylenmethacrylat und Mphamethylstyrol, Polydiallylphthalat, Polypropylen, ein Copolymer aus Styrol und Butadien, Polymethylmethacrylat, ein Kopolymer aus Vinylacetat und Dibutylmaleinat, ein Copolymer aus Vinylacetat und Ethylen und Polyisobutylen, sein.
Diese Polymere können allein oder im Gemisch untereinander angewendet werden.
Der Hochtemperaturschmierstoff kann noch eine Reihe weiterer Zusätze enthalten. Dazu gehören mikrobiologisch aktive <omponenten und Netzmittel.
3esonders vorteilhaft an vorliegenden erfindungsgemäßen Schmierstoffen ist die völlige Abwesenheit von Kieselsäure, die in jer Regel in Form hochdispersem Siliciumoxid vorliegt und bei Zusammensetzungen, die Polyphosphate enthalten, als Stabilisator angewendet werden muß. Die Kieselsäure ist an sich unerwünscht, da sie einen schlechten Einfluß auf das Schmierverhalten und auf die Lebensdauer der Werkzeuge hat.
Bei bekannten Formulationen war das Problem der Stabilisierung des Hochtemperaturschmierstoffes durch ein Ersetzen der kieselsäure durch beispielsweise Cellulosen oder Polysaccharide nicht zu lösen. In wäßriger Suspension neigen derartige Stoffgemische zum Koagulieren und werden dann unbrauchbar. Durch die erfindungsgemäße Mischung des anorganischen Zusatzes in Kombination mit den organischen Stabilisatoren konnten diese Nachteile behoben werden.
irfindungsgemäß soll der Hochtemperaturschmierstoff zum Gebrauch als 5 bis 50 Gew.-%ige wäßrige Dispersion vorliegen. Die Dispersion weist zweckmäßig eine Viskosität von 500 bis 15000cp bei 10 bis 300C auf.
Jm die Viskosität der Dispersion zu erreichen, kann schon der im Hochtemperaturschmierstoff enthaltene organische Stabilisator ausreichend sein. Es ist aber auch möglich, durch einen Verdicker oder ein Gemisch von Verdickern die Viskosität zu steuern. Aus der Reihe von geeigneten Verdickern eignen sich z. B. wasserlösliche Polysaccharide, Alkylcellulosen, 'olyvinylalkohole, Polyarylate, Polyvinylpyrrolidon, gegebenenfalls Mineralien, wie Tone.
/Vie erwähnt, wird der Hochtemperaturschmierstoff in der Regel in Form einer wäßrigen Dispersion angewendet. Die wäßrige Dispersion kann auf das Werkzeug und/oder das zu bearbeitende Werkstück, die Temperaturen von 100 bis über 9000C aufweisen tonnen, aufgetragen werden. Bei der Berührung der heißen Oberflächen verdampft das Wasser und es bildet sich ein Film gleichmäßiger Schichtdicke aus.
Erweist sich der Einsatz einer Dispersion als nicht zweckmäßig, so kann d;ir Hochtemperaturschmierstoff auch in pulverisierter :orm eingesetzt werden. Dabei wird beispielsweise das Werkzeug und/oder das Werkstück eingepudert oder durch den Schmierstoff gerollt oder gezogen.
Die erfindungsgemäßen Schmierstoffe eignen sich besonders für die Anwendung bei Temperaturen um 6000C und darüber. Die lohe Temperaturstabilität der Schmierstoffe und insbesondere die Stabilität des Schmierfilmes wurde im wesentlichen durch ien hohen Anteil an anorganischem Zusatz erreicht.
Der erfindungsgemäße Hochtemperaturschmierstoff eignet sich deshalb beispielsweise für die Schmierung von Werkzeug, z. B.
Dorn, Dornstange oder Matrize, und Werkstücke, beispielsweise Luppe oder Rohr, bei der Warmverformung in sogenannten ,multiple pipe mills", also Mehrfachgerüste (6 bis 8 Gerüste), Konti-Straßen, Pilgerschrittwalzwerken, sogenannten \sselstraßen, bei denen es sich um Gerüste handelt, bei welchen drei Zylinder mit jeweils um 120 Grad versetzte Achsen über iie Luppe rollen, die sich dem Dorn um die eigene Achse dreht, Stoßbankanlagen, Stangenpressen oder Austauchpressen.
Ausführungsbeispiele Beispiel 1
Ein Hochtemperaturschmiermittel wurde hergestellt aus 70Gew.-% Wasser und 30Gew.-% schmieraktiven Bestandteilen, bestehend aus.
54Gew.-% kristallinem Graphit mit 96%iger Reinheit, 11 Gew.-% unlöslichem Natriumetaphosphat (Madrell'sches Salz), 5Gew.-%Borax, 10Gew.-% Natriumsilikat (Wasserglas mit einem Molverhältnis SiO2/Na2O = 3,3), 18Gew.-% Polyethylen in Pulverform (mit einem Schmelzindex von 70g/10 Min. (nach ASTM D 1238-73T), 2 Gew.-% Alkylcellulose.
Das Hochtemperaturschmiermittel wies eine Viskosität von 1900Cps, gemessen bei 2O0C nach Epprecht mit einem Rheomat der Contraves, auf. Die vorliegende Formulation zeigte die günstigsten Eigenschaften bei relativ niedrigen Anwendungstemperaturen von 20 bis 25O0C in Kontistraßen oder Pilgerstraßen.
Die genannte Formulation wurde mittels einer Sprühvorrichtung auf Werkzeuge (z. B. Dorne) gesprüht. Der Reibungskoeffizient war 0,037.
Beispiel 2
Ein Hochtemperaturschmiermittel wurde als 70Gew.-% wäßrige Dispersion" hergestellt. Die schmieraktiven Bestandteile entsprachen der Formulation nach Beispiel 1, jedoch wurden anstelle des Borax 5 Gew.-% Zinkborat eingesetzt.
Das Hochtemperaturschmiermittel wies bei 200C eine Viskosität von 2600Cps auf.
Angewendet in Kontistraße oder Pilgerstraßen führte das Schmiermittel zu einer Verbesserung bezüglich Wasserbeständigkeit der aufgetragenen Schicht sowie einer besseren Haftung, bei Einsatztemperaturen von 20 bis 2500C. Der Reibungskoeffizient
Beispiel 3
Für Anwendungstemperaturen von 400 bis 9000C wurde ein Hochtemperaturschmiermittel als 70 Gew.-% wäßrige Dispersion zubereitet, dessen schmieraktive Bestandteile aus 62Gew.-% kristallinem Graphit, 16Gew.-% Natriummetaphosphat (Madrell'sches Salz), 10Gew.-% Borax 10Gew.-% Natriumsilikat und 2 Gew.-% Alkylcellulose bestanden und das bei 200C eine Viskosität von 1600Cps aufwies.
Bei Werkzeugtemperaturen von 400 bis 9000C wurde das Schmiermittel auf das Werkzeug gesprüht, unter Ausbildung eines gleichmäßigen Schmiermittelfilms. Im Verlauf der Bearbeitung des Werkstückes konnte ein gleichmäßiger Verlauf der Stromaufnahme der Walzgerüste beobachtet werden, was auf ein günstiges Reibungsverhalten schließen läßt. Der Reibungskoeffizient war 0,043.
Beispiel 4
Die Formulation nach Beispiel 3 wurde wiederholt, jedoch wurde der Borax durch die selbe Menge Zinkborat ersetzt. Viskosität bei 2O0C = 2100Cps.
Es ergab sich nochmals eine Verbesserung bezüglich der Haftung auf dem Werkzeug. __
Der Reibungskoeffizient war 0,030.

Claims (14)

  1. Patentansprüche:
    1. Hochtemperaturschmierstoff für die spanlose Heißumformung von Metallen, enthaltend einen Festschmierstoff und ein in der Wärme rückstandfrei sich zersetzendes organisches Produkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff weiter einen anorganischen Zusatz in Form einer Mischung aus einem schwer- oder unlöslichen Polyphosphat, einer Borverbindung und einem Alkalisilikat und ein organisches Stabilisierungsmittel enthält.
  2. 2. Hochtemperaturschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische Zusatz in Form einer Mischung aus 0,2 bis 25Gew.-% Borverbindung, 0,2 bis 98,8Gew.-% Polyphosphat und 1 bis 99,6Gew.-% Alkalisilikat besteht.
  3. 3. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Polyphosphat in unlöslicher oder schwerlöslicher Form angewendet werden.
  4. 4. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Polyphosphate Madrell'sche Salze oder Kurrol'sche Salze angewendet werden.
  5. 5. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Borverbindung in schwerlöslicher Form angewendet wird.
  6. 6. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Borverbindung Borax, Borsäure, B2O3, KB5O8 · 4H2O oder Zinkborat, allein oder im Gemisch, angewendet wird.
  7. 7. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalisilikat ein Natronwasserglas oder Kaliwasserglas mit einem SiO2-Gehalt zwischen 21 und 47%, angewendet wird.
  8. 8. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Stabilisierungsmittel Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polysaccharide, Polyvinyl butyrate. Polyvinylbutyral, Polyacrylate, Polystyrole, Cellulosen, allein oder im Gemisch untereinander, angewendet werden.
  9. 9. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Cellulosen vorzugsweise Alkylcellulosen angewendet werden.
  10. 10. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff 1 bis 90Gew.-% des rückstandsfrei sich zersetzenden organischen Produktes, 1 bis 80 Gew.-% des anorganischen Zusatzes und 0,2 bis 80 Gew.-% eines organischen Stabilisierungsmittels enthält.
  11. 11. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff als 5 bis 50Gew.-% wäßrige Dispersion vorliegt.
  12. 12. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff als wäßrige Dispersion mit einer Viskosität von 500 bis 15000cp bei 10 bis 3O0C vorliegt.
  13. 13. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff zur Anwendung bei Temperaturen bis 3500C maximal 50 Gew.-%, und sich linear für Temperaturen von 6000C und darüber auf maximal 5 Gew.-% verringernd, ein rückstandsfrei sich zersetzendes organisches Produkt, enthält.
  14. 14. Verwendung des Hochtemperaturschmierstoffes nach Ansprüchen 1 bis 13, zum Schmieren von Dornstangen bei der Herstellung nahtloser Rohre und bei Verarbeitungstemperaturen von 400 bis 1100°C.
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