DD299074A5 - LUBRICANTS ON AN ORGANIC BASE FOR PRESSING AND PULLING - Google Patents

LUBRICANTS ON AN ORGANIC BASE FOR PRESSING AND PULLING Download PDF

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DD299074A5
DD299074A5 DD31053187A DD31053187A DD299074A5 DD 299074 A5 DD299074 A5 DD 299074A5 DD 31053187 A DD31053187 A DD 31053187A DD 31053187 A DD31053187 A DD 31053187A DD 299074 A5 DD299074 A5 DD 299074A5
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DD31053187A
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Karl Kutzsche
Gottfried Schreiter
Friedrich Schade
Joachim Klose
Peter Kurze
Klaus Radending
Waldemar Krysmann
Manfred Polster
Original Assignee
Freiberger Ne-Metalle Gmbh,De
Tu Karl-Marx-Stadt,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schmiermittel auf anorganischer Basis zum Pressen und Ziehen von Werkstoffen wie Aluminium, Titan, Tantal, Niob, Zirkon und deren Legierungen bei Temperaturen bis 923 K. Das Schmiermittel besteht aus arteigenen Oxiden, die in einem Mehrschichtaufbau bestehend aus stark kristalliner Sperrschicht, teilkristalliner Oxidschicht und grobporiger teilkristalliner Oxidmatrixschicht, angeordnet sind.{Schmiermittel; Pressen; Ziehen; Aluminium; Titan; Tantal; Niob; Zirkon; arteigene Oxide; Mehrschichtaufbau}The invention relates to an inorganic-based lubricant for pressing and drawing materials such as aluminum, titanium, tantalum, niobium, zirconium and their alloys at temperatures up to 923 K. The lubricant consists of species-specific oxides, which in a multilayer structure consisting of highly crystalline barrier layer, semi-crystalline oxide layer and coarse-pored semi-crystalline oxide matrix layer. {Lubricants; Press; Pull; Aluminum; Titanium; tantalum; Niobium; zircon; native oxides; Multilayer structure}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Schmiermittel auf anorganischer Basis zum Pressen und Ziehen von Werkstoffen wie Al, Ti, Ta, Nb, Zr und deren Legierungen bei Temperaturen bis 923K und ist in der metallverarbeitenden Industrie anwendbar.The invention relates to an inorganic-based lubricant for pressing and drawing materials such as Al, Ti, Ta, Nb, Zr and their alloys at temperatures up to 923K and is applicable in the metalworking industry.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Viele Metalle, vor allem aber Titan, Niob und Tantal neirjen bei Umformprozessen z.B. dem Kaltfließpressen oder Drahtziehen sehr siark zu Verschweißungen mit dem Werkzeug oder sie lassen sich nur ungenügend oder mit hohem technischen Aufwand umformen.Many metals, but especially titanium, niobium and tantalum, are not used in forming processes, e.g. the cold extrusion or wire drawing very siark to welds with the tool or they can be reshaped insufficiently or with great technical effort.

Es sind daher eine Reihe von speziellen Trennschicht-Schmierstoffsystemen entwickelt worden, die die Kaltumformung dieser Metalle mit ökonomisch vertretbarem Aufwand erst ermöglichen. Hierzu zählen insbesondere Kombinationen von Schmierstoffträgerschichten wie Oxidschichten (DD 231923) Phosphatschichten oder Schichten auf Natriumfluoridbasis und Schmierstoffen wie kolloidaler Graphit in Wasser, Lacke, Molybdänsulfid, graphitierte Pflanzenöle, fluoridierte Kohlenwasserstoffe sowie Glimmer, Talkum, niedrig schmelzende Salze, Seifen oder Festschmierstoffe auf d 3r Basis von Fluortelomeren.There are therefore a number of special interface lubricant systems have been developed that allow the cold forming of these metals with economically justifiable effort. These include in particular combinations of lubricant carrier layers such as oxide layers (DD 231923) phosphate coatings or sodium fluoride-based coatings and lubricants such as colloidal graphite in water, paints, molybdenum sulfide, graphitized vegetable oils, fluoridated hydrocarbons and mica, talc, low-melting salts, soaps or solid lubricants based on d 3r of fluorotelomers.

Diese Schmierstoffe sind entweder wenig festhaftend oder wenig stabil, so daß sie bei dem Umformprozeß zersetzt werden und teilweise toxische Stoffe entstehen. Weit verbreitet ist daher auch die Anwendung von Metallen als Schmiermittel, wobei neben Silber, Magnesium, Zink, Kadmium, Zinn oder Aluminium vor allem Kupfer eingesetzt wird.These lubricants are either poorly adherent or less stable, so that they are decomposed in the forming process and partially toxic substances. Therefore, the use of metals as a lubricant is widely used, in particular copper being used in addition to silver, magnesium, zinc, cadmium, tin or aluminum.

Nicht immer sind aber diese Stoffe auf dem umzuformenden Halbzeug wünschenswert. Nach DE-OS 3210304 z.B. wird Titanhalbzeug vor dem Strang- bzw. Fließpressen mit einer Kupferschicht versehen, welche nach dem Umformprozeß elektrolytisch wieder entfernt werden muß.However, these substances are not always desirable on the semifinished product to be formed. According to DE-OS 3210304 e.g. Titanium semifinished product is provided prior to extrusion or extrusion with a copper layer, which must be removed electrolytically again after the forming process.

Abgesehen von dem großen technischen Aufwand hat eine solche Vorgehensweise den Nachteil, daß auf diese Art und Weise keine Präzisionsteile ohne nachfolgende Oberflächenbearbeitung herstellbar sind. In zunehmendem Maße werden die relativ teuren Titan- und Vanadiummetalle in Bereichen eingesetzt, in denen die Oberflächenqualität des Werkstücks hinsichtlich Zusammensetzung, Topographie und Bearbeitung wesentlich seine Gebrauchseigenschaft bestimmt. So ist z. B. die Anwendung der meisten der genannten Schmierstoffe bei der Herstellung von Implantaten aus Titan oder Tantal wegen der Verschlechterung der Biokompatibilität von vornherein ausgeschlossen oder es müssen umständliche Reinigungs- und Kontrollmaßnahmen vorgenommen werden.Apart from the great technical effort, such a procedure has the disadvantage that no precision parts without subsequent surface processing can be produced in this way. Increasingly, the relatively expensive titanium and vanadium metals are being used in areas where the surface quality of the workpiece substantially determines its utility in terms of composition, topography and processing. So z. As the application of most of the lubricants mentioned in the manufacture of implants made of titanium or tantalum due to the deterioration of biocompatibility excluded from the outset or it must be made cumbersome cleaning and control measures.

An Werkstücken aus Titan, Niob, Zirkon oder Tantal in der Reaktor-, oder Vakuumtechnik werden hinsichtlich Reinheit der Oberfläche ähnliche Forderungen wie an Implantate gestellt, die eine Verwendung der meisten Schmierhilfsstoffe nicht zulassen.On workpieces made of titanium, niobium, zirconium or tantalum in the reactor or vacuum technology, similar demands are placed on the purity of the surface as on implants, which do not allow the use of most lubricant additives.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, bei den Umformprozessen die Halbzeugoberflächanqualität zu verbessern, den Werkzeugverschleiß zu mindern und die Umformgeschwindigkeiten zu steigern und damit die Produktivität zu erhöhen.The aim of the invention is to improve the semi-finished surface quality in the forming processes, to reduce tool wear and to increase the forming speeds and thus to increase the productivity.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein während der Umformung stabiles Schmiermittel zum Pressen und Ziehen zu entwickeln, das ein Verschweißen des Werkzeugs mit dem Metall auch bei extremen Umformbedingungen verhindert und über gute Eigenschaften als Schmiermittel bzw. Schmiermittelträger, verfügt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Schmiermittel einen Mehrschichtaufbau aus arteigenen Oxiden mit siner metallseitigen 70-300nm starken kristallinen Sperrschicht als Oxydationschute und einer darüberliegunden feinporigen teilkristallinen Oxidschicht von 0,5-1,5 pm Stärke, die als Trennmittel wirkt und die sich hinsichtlich Dicke, Kristallinitätsgrad und Porosität von der außenliegenden Oxidmatrixschicht; als Gleitmittelschicht von 4 bis 20μηη Stärke wesentlich unterscheidet, besitzt.The invention has for its object to develop a stable during forming lubricant for pressing and pulling, which prevents welding of the tool with the metal even under extreme forming conditions and has good properties as a lubricant or lubricant carrier has. According to the invention, the object is achieved in that the lubricant is a multi-layer structure of species-specific oxides with siner metal side 70-300nm strong crystalline barrier layer as Oxydationschute and an overlying fine-pored semi-crystalline oxide layer of 0.5-1.5 pm thickness, which acts as a release agent and the in thickness, degree of crystallinity and porosity from the outer oxide matrix layer; as a lubricant layer of 4 to 20μηη strength significantly different, has.

Diese äußere stark poröse teilkristalline Oxidmatrixschicht enthält mindestens 40% röntgenamorphe Oxide und die eingelagerten Phosphate in Form von Polyphosphaten sowie Borverbindungen, insbesondere Borate und/oder Bornitride in einer Konzentration von 1 bis 20%. Die röntgenamorphen und kristallinen Anteile sind in der Oxidmatrixschicht ebenso wie die Phosphate und Borate homogen verteilt. Die Bornitride dagegen sind in der äußeren Zone der Oxidmatrixschicht angereichert.This outer strongly porous, partially crystalline oxide matrix layer contains at least 40% X-ray amorphous oxides and the incorporated phosphates in the form of polyphosphates and boron compounds, in particular borates and / or boron nitrides in a concentration of 1 to 20%. The X-ray amorphous and crystalline portions are homogeneously distributed in the oxide matrix layer as are the phosphates and borates. The boron nitrides, however, are enriched in the outer zone of the oxide matrix layer.

Zusätzlich können die äußeren Schichten noch konventioneller Schmiermittel, wie z. B. Öle, Wachse, fluorierte Kohlenwasserstoffe, aber auch Molybdänsulfid, Graphit > 5% aufnehmen. Es war nicht zu erwarten, daß diese zusätzlich aufgebrachten flüssigen und/oder festen konventionellen Schmiermitte' so fest gebunden sind, daß sie auch nach mehrmaligem Umformen auf den Werkstücken noch nachweisbar und homogen verteilt sind.In addition, the outer layers of conventional lubricants such. As oils, waxes, fluorinated hydrocarbons, but also molybdenum sulfide, graphite> 5% record. It was not to be expected that these additionally applied liquid and / or solid conventional lubricants' are so firmly bound that they are still detectable and homogeneously distributed even after repeated forming on the workpieces.

Ein Vorteil der Erfindung besteht somit auch darin, daß dieser signifikante Dreischichtaufbau durch die hohe Aktivität der äußeren Gleitschicht sowie durch die Adsorption und Chemisorption konventioneller Schmiermittel in einen hr chwirksamen Schmierstoffverbund übergeht, der so aufgebaut sein kann, daß sich ein geschlossener Schmiermittelfilm aus konventionellen Schmiermitteln aufbaut.An advantage of the invention is therefore also that this significant three-layer structure passes through the high activity of the outer sliding layer as well as the adsorption and chemisorption of conventional lubricants in a hr-effective lubricant composite, which may be constructed so that builds up a closed lubricant film of conventional lubricants ,

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß dieser Schmierschichtverbund auf jeder beliebigen Oberfläche aufgebracht werden kann und daß auch ohne zusätzliche konventionelle Schmierstoffe ein größerer Trenn- und Gleiteffekt erzielt wird gegenüber einer natürlich gebildeten oder galvanisch verstärkten Oxidschicht auf dem Werkstoff.Another advantage of the invention is that this lubricating layer composite can be applied to any surface and that even without additional conventional lubricants a greater separation and sliding effect is achieved over a naturally formed or galvanically reinforced oxide layer on the material.

Überraschenderweise wird durch den Mehrschichtaufbau des Schmiermittels eine Schmiermittelwirkung erzielt, die es gestattet, die Oberflächenqualität der umzuformenden Werkstoffe auch bei extremen Umformbedingungen wesentlich zu steigern.Surprisingly, a lubricant effect is achieved by the multi-layer structure of the lubricant, which makes it possible to significantly increase the surface quality of the materials to be formed, even under extreme forming conditions.

AusführungsbeispleleAusführungsbeisplele

Die Erfindung wird nachstehend an 2 Beispielen näher erläutert:The invention is explained in more detail below with reference to two examples:

Beispiel 1example 1

Auf einem Aluminium-Bolzen von 320mm Länge und 80 mm Durchmesser wird in einem Elektrolyten, der 0,4 molar an Na (H2PO4), 0,1 molar an Na2(HPO4), 0,1 molar an Na3PO4,0,2 molar je an (NH4I2 HPO4 und Na2B4O7 ist sowie 0,1 molar an Ca(H2PO4J2 und 0,01 % Marrelan und 5g/l Bornitrid enthält, bei einer Elektrolyttemperatur von 333 K mittels einer Impulsspannung mit Spannungsspitzen von 210V, bei einer Impulf frequenz von 100Hz, der Schmierschichtverbund, bestehend aus einer 210nm starken Oxydationsschutzschicht, 0,9pm starken porenarmen Trennschicht und 19pm starken Gleitschicht, hergestellt. Die Gleitschicht besteht aus ca. 35% röntgenamorphen Aluminiumoxiden. Neben ca. 25% Polyphosphaten, 5% Boraten und ~ 1 % Bornitrid, wenden noch 20% Y-AI2O3 und — 10% Ci-AI2O3 nachgewiesen. Das Porenvolumen der Gleitschicht beträgt ca. 26%. Dieser Schmierschichtverbund zeigt beim Pressen zum Rundprofil von 010mm bei 623K hervorragende Gleit- und Trenneigenschaften.On an aluminum bolt of 320 mm length and 80 mm diameter is in an electrolyte, the 0.4 molar of Na (H 2 PO 4 ), 0.1 molar of Na 2 (HPO 4 ), 0.1 molar of Na 3 PO 4 , 0.2 molar each of (NH 4 I 2 HPO 4 and Na 2 B 4 O 7 and 0.1 molar of Ca (H 2 PO 4 J 2 and 0.01% Marrelan and 5g / l boron nitride contains , at an electrolyte temperature of 333 K by means of a pulse voltage with voltage peaks of 210V, at an impulse frequency of 100Hz, the smear layer compound, consisting of a 210nm strong oxidation protection layer, 0.9pm strong low pore separation layer and 19pm strong sliding layer 35% X-ray amorphous aluminas In addition to about 25% polyphosphates, 5% borates and ~ 1% boron nitride, 20% Y-Al 2 O 3 and - 10% Ci-Al 2 O 3 are still detected 26% This lubricating layer composite exhibits excellent sliding and separating properties when pressed against the 010mm round profile at 623K.

Beispiel 2Example 2

Auf einem Ti-Bolzen von 320 mm Länge und 80 mm Durchmesser wird entsprechend den Schichtbildungsparametern des Beispiel 1 der Schmierschichtverbund erzeugt, der durch eine 185nm starke Oxydationsschutzschicht, 0,6μπι starke Trennschicht und eine 14 μιη Gleitschicht charakterisiert ist. Neben ca. 20% röntgenamorphen Titanoxiden sind in der Schicht ca. 15% Polyphosphate, 4% Borate und ~ 1 % Bornitrid enthalten. Das Porenvolumen der Gleitschicht beträgt ca. 18%. Zur Ausbildung einer zusätzlichen Schmiermittelschicht wird der dreischichtbedeckte Bolzen bei 573K mit Bienenwachs behandelt. Der Bolzen wird danach auf 873K erwärmt und verpreßt. Die ausgezeichneten Gleit- und Trenneigenschaften der o.g. Schmiermittelschichten ergaben eine sehr gute Strangoberflächenqualität und geringen Walzenverschleiß.On a Ti-bolt of 320 mm in length and 80 mm diameter, the lubricating layer composite is generated in accordance with the film formation parameters of Example 1, which is characterized by a 185nm strong Oxydationsschutzschicht, 0,6μπι strong separating layer and a 14 μιη sliding layer. In addition to about 20% X-ray amorphous titanium oxides, the layer contains about 15% polyphosphates, 4% borates and ~ 1% boron nitride. The pore volume of the sliding layer is about 18%. To form an additional lubricant layer, the three-layer stud is treated with beeswax at 573K. The bolt is then heated to 873K and pressed. The excellent sliding and separating properties of the o.g. Lubricant layers gave a very good strand surface quality and low roll wear.

Claims (3)

1. Schmiermittel auf anorganischer Basis zum Pressen und Ziehen von Werkstoffen wie Al, Ti, Ta, Nb, Zr und deren Legierungen bei Temperaturen bis 923 K, gekennzeichnet dadurch, daß es einen Mehrschichtaufbau aus arteigenen Oxiden mit einer metallseitigen 70-300 nm starken kristallinen Sperrschicht und einer darüberliegenden feinporigen teilkristallinen Oxidschicht von 0,5-1,5Mm Stärke besitzt, wobei die Oxidmatrixschichi mindestens 40% röntgenamorphe Oxide und Phosphate in Form von Polyphosphaten mit einer Konzentration von 1 % bis 20% sowie Borate und/oder Bornitride in einer Konzentration von 1 bis 20% enthält.1. inorganic-based lubricant for pressing and drawing materials such as Al, Ti, Ta, Nb, Zr and their alloys at temperatures up to 923 K, characterized in that it is a multi-layer structure of native oxides with a metal-side 70-300 nm strong crystalline A barrier layer and an overlying fine-pored semi-crystalline oxide layer of 0.5-1.5Mm thickness, wherein the Oxidmatrixschichi at least 40% X-ray amorphous oxides and phosphates in the form of polyphosphates having a concentration of 1% to 20% and borates and / or boron nitrides in a concentration from 1 to 20%. 2. Schmiermittel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oxidmatrixschicht zusätzlich flüssig oder feste Schmiermittel vorzugsweise Öle, Wachse und/oder Molybdänsulfid, Graphit von 5-20% enthält.2. A lubricant according to claim 1, characterized in that the oxide matrix layer additionally contains liquid or solid lubricants preferably oils, waxes and / or molybdenum sulfide, graphite of 5-20%. 3. Schmiermittel nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß auf der Oxidmatrixschicht eine geschlossene Schmiermittelschicht vorhanden ist.3. A lubricant according to claim 2, characterized in that a closed lubricant layer is present on the oxide matrix layer.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1700934A2 (en) 2005-03-11 2006-09-13 Dr.Ing. h.c.F. Porsche Aktiengesellschaft Process for the preparation of oxide coatings and silicate coatings on metal surfaces
DE102007061109B4 (en) * 2007-12-19 2013-01-17 Henkel Ag & Co. Kgaa A treatment solution for coating a steel strip, a method of applying the same, and a steel strip having a coating obtained from the processing solution to improve the forming behavior

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