DE10154062A1

DE10154062A1 - Hochtemperatur-Schmiermittel und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10154062A1
Application number: DE10154062A
Authority: DE
Inventors: Norbert Aurin; Karl Goetzmann
Original assignee: Chemische Fabrik Budenhiem KG
Current assignee: Chemische Fabrik Budenhiem KG
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2003-05-15
Also published as: EP1444314B1; PL368159A1; ATE367426T1; PL197304B1; EP1444314A1; ES2288563T3; DE50210522D1; WO2003040274A1

Abstract

Ein Hochtemperatur-Schmiermittel zum Schmieren von zwei einander flächig berührenden erhitzten Metallgegenständen, die eine Relativbewegung zueinander ausführen, insbesondere von Stahlgegenständen, besteht zu wenigstens 80 Gew.-% aus wenigstens einem Alkaliorthophosphat und hat eine Schmelztemperatur oberhalb der maximalen Arbeitstemperatur der erhitzten Metallgegenstände. Es wird besonders zum Schmieren von Dornstangen bei der Herstellung nahtloser Metallrohre verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft Hochtemperatur-Schmiermittel zum Schmieren von zwei einander flächig berührenden erhitzten Metallgegenständen, die eine Relativbewegung zueinander ausführen.
Beispielsweise bei der Herstellung nahtloser Stahl- oder Buntmetallrohre ist es wichtig, die Werkzeuge, insbesondere die Dornstangen, intensiv zu schmieren, damit sie möglichst hohe Standzeiten besitzen. Die Oberflächen der Dornstangen sollen gleichmäßig und glatt sein, um einen gleichmäßigen Materialfluß des zu verarbeitenden Metalls zu gewährleisten.
Die Qualität der inneren Rohroberflächen hängt von der Oberflächengüte der Dornstangen ab. Wenn die innere Oberfläche der Rohre rauh oder wellig ist oder sogar Beschädigungen, die auf die Qualität der Dorne zurückzuführen sind, aufweist, bekommt man eine hohe Ausschußrate. Man hat daher bereits in der Vergangenheit versucht, die Standzeiten der Dornstangen durch Aufbringung von Schmiermitteln auf ihnen zu steigern.
Bei der Heißumformung von Metallen verwendete organische Schmierstoffe, wie Fette, Öle, oder Seifen, erwiesen sich bei hohen Temperaturen als nicht geeignet. Zur Verbesserung der Schmiereigenschaften verwendete man daher beispielsweise in der DE-PS 43 00 464 oder der EP-PS 0 554 822 als wesentlichen Bestandteil des Schmiermittels Graphit. Insbesondere in Verbindung mit anorganischen Salzen, wie beispielsweise Boraten oder Phosphaten, hat Graphit gute Trenn- und Schmiereigenschaften. Nachteilig ist jedoch die Neigung von Graphit, bei hohen Temperaturen zu Aufkohlungen der Werkstückoberflächen, hier der Rohroberflächen, beizutragen. Auch können punktuelle Verschweißungen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück auftreten. Die Folge beider Effekte ist ein hoher Werkzeugverschleiß und eine hohe Ausschußrate der Werkstücke.
Um diesen negativen Effekt von Graphit zu vermeiden, hat man als Hochtemperatur- Schmiermittel auch bereits Salzgemische verwendet, die bei den Arbeitstemperaturen, bei denen sie als Schmiermittel eingesetzt werden, schmelzen und in flüssigem Zustand gute Schmiereigenschaften gewährleisten. Aus der EP-OS 08 29 528 sind solche Salzgemische bekannt, die zur Verbesserung zusätzlich einen gasbildenden Zusatzstoff enthalten. Gemäß Spalte 3, Zeilen 41 bis 48 dieses Dokumentes ist ein Vorteil dieser Schmiermittel, daß sie schon bei 200 bis 250°C zu schmelzen beginnen und ab 500°C als klare Schmelze vorliegen. Dadurch sollen schon bei niedrigen Temperaturen gute Schmiereigenschaften gewährleistet sein.
Bei solchen Schmiermitteln, die bei den Arbeitstemperaturen als Schmelze vorliegen, wird sich gebildeter Zunder und sogenannter Sekundärzunder auf dem Werkzeug festgeklebt, wodurch die Oberflächen des Werkzeugs, wie der Dornstange, entsprechend rauh wird. Wie oben erwähnt, ergibt dies seinerseits Rauheit der inneren Oberflächen der Rohre. Gleichzeitig wird das Fließverhalten des metallischen Werkstoffes auf den Dornstangen gestört, was sich bei der Messung der Stromaufnahme zwischen den einzelnen Walzenkalibern zeigt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand somit darin, ein Hochtemperatur- Schmiermittel zu bekommen, dem kein Graphit zugesetzt werden muß und das die Ausschußraten gegenüber einer Verwendung bekannter Schmiermittel vermindert. Insbesondere sollen mit Hilfe der neuen Schmiermittel die Standzeiten von Dornstangen bei der Metallrohrherstellung gesteigert und die Qualität der inneren Rohroberflächen verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Hochtemperatur-Schmiermitteln zum Schmieren von zwei einander flächig berührenden erhitzten Metallgegenständen, die eine Relativbewegung zueinander ausführen, dadurch gelöst, daß das Schmiermittel zu wenigstens 80 Gew.-% aus wenigstens einem Alkaliorthophosphat besteht und eine Schmelztemperatur oberhalb der maximalen Arbeitstemperatur der erhitzten Metallgegenstände hat.
Es ist zwar bekannt, graphitfreien Dornstangenschmierstoffen Alkaliphosphat zuzusetzen, doch machen die Alkaliphosphate in solchen Schmiermitteln nur einen relativ geringen Prozentsatz aus und werden solchermaßen mit anderen Salzen versetzt, daß das Schmiermittel bei den Arbeitstemperaturen in geschmolzenem, also flüssigem Zustand vorliegt.
Die erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Schmiermittel können überall dort eingesetzt werden, wo bei hohen Temperaturen zwei einander flächig berührende Metallgegenstände eine Relativbewegung zueinander ausführen. Dies sind beispielsweise Gleitlager, bei denen hohe Temperaturen auftreten können. Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Schmiermittel aber eingesetzt, wo die sich einander flächig berührenden Metallgegenstände einerseits ein Werkzeug und andererseits ein Werkstück sind. Ganz besonders eignen sich die Schmiermittel zum Schmieren von Dornstangen bei der Herstellung nahtloser Metallrohre.
Im Prinzip eignet sich der Erfindungsgedanke für das Schmieren beliebiger Metallgegenstände, ist aber für die Bearbeitung von Stahlgegenständen, insbesondere, wie oben erwähnt, für die Herstellung nahtloser Stahlrohre, bei der die Dornstangen mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel geschmiert werden, besonders geeignet. Dies soll aber nicht ausschließen, die erfindungsgemäßen Schmiermittel beispielsweise für die Herstellung von Rohren aus Buntmetallen, Aluminium oder dergleichen einzusetzen.
Wenn hier von maximalen Arbeitstemperaturen die Rede ist, so handelt es sich um die höchste an der geschmierten Berührungsfläche auftretende Temperatur, da diese, wenn die Schmelztemperatur des Schmiermittels unter ihr läge, das Schmiermittel aufschmelzen könnte, was vermieden werden soll. Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit einem Werkzeug wird im Regelfall das Werkstück die höhere Temperatur und das Werkzeug die niedrigere Temperatur haben, wie im Falle der Verwendung von Dornstangen bei der Herstellung von Metallrohren. Die maximale Arbeitstemperatur, über der die Schmelztemperatur des Schmiermittels liegen soll, ist in diesem Fall die Temperatur des heißeren Metallgegenstandes, d. h. des Werkstückes.
Zweckmäßig liegt das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schmiermittel in der Form einer wäßrigen Lösung vor. Diese wird beispielsweise auf die Dornstangen bei der Rohrherstellung aufgesprüht oder anderweitig aufgebracht und bildet nach dem Verdampfen des Wassers einen feinen Trenn- und Schmierstoffilm, der bei Verwendung außerordentlich abriebfest ist. Da das Schmiermittel aufgrund seiner hohen Schmelztemperatur bei der Verwendung nicht schmilzt, wird verhindert, daß Zunder durch das Schmiermittel auf der Dornstangenoberfläche oder anderen Werkzeugoberfläche fixiert wird. Nach dem Auftrocknen liegt das Schmiermittel in Form sehr feiner Teilchen vor, die alle Oberflächenrauhigkeiten der Werkzeugoberfläche ausfüllen und damit diese Oberfläche glätten, was auf die Werkstückoberfläche übertragen wird. Der gebildete Trennfilm begünstigt auch den Materialfluß des umzuformenden Metalls auf der Werkzeugoberfläche und hat daher die Eigenschaft eines hervorragenden Schmierfilmes.
Das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schmiermittel eignet sich besonders beim Asselwalzverfahren mit der Technologie der "freien Dornstange" und beim Stoßbankverfahren. Auch beim Kontiwalzen, z. B. nach dem "semifloating"-Prinzip, werden deutliche Vorteile in bezug auf die Oberflächenqualität, die Standzeit der Dorne und den Kraftaufwand zwischen den Walzgerüsten erzielt.
Mit den erfindungsgemäßen Schmiermitteln lassen sich leicht klare, hochprozentige Lösungen herstellen, die mittels Airless-Pumpe und Düsen auf die Dorne aufzubringen sind. Die Verdüsung ist auch mittels Luft, sogenannter Zweistoffdüsen oder ähnlichem, möglich. Der Schmierstoff kann selbstverständlich auch pulverförmig aufgebracht werden.
Die Schmelztemperatur des Schmiermittels nach der Erfindung liegt zweckmäßig wenigstens 10°C oberhalb der maximalen Arbeitstemperatur, die oben definiert wurde.
Das Schmiermittel soll weitgehend aus einem oder mehreren Alkaliorthophosphaten bestehen, zweckmäßig liegt der Gehalt an Alkaliorthophosphpat bei wenigstens 95 Gew.-%. Wenn mehrere Alkaliorthophosphate eingesetzt werden, so ist darauf zu achten, daß auch bei solchen Gemisch en die Schmelztemperatur oberhalb der maximalen Arbeitstemperatur liegt.
Bis zu maximal 20 Gew.-%, vorzugsweise bis zu maximal 5 Gew.-% des Schmiermittels können aus anderen Stoffen bestehen, wozu auch gegebenenfalls kleine Mengen Graphit gehören, was im Regelfall aber nicht bevorzugt ist.
Die zweckmäßig verwendeten Alkaliorthophosphate sind Trinatriumorthophosphat mit einer Schmelztemperatur von 1583°C, Trikaliumorthophosphat mit einer Schmelztemperatur von 1340°C und Trilithiumorthophosphat mit einer Schmelztemperatur von 857°C. Trinatriumorthophosphat und Trikaliumorthophosphat sind bevorzugt, insbesondere letzteres. Soweit die Schmelztemperatur des Schmiermittels hoch genug bleibt, können in kleinen Mengen auch andere Phosphate zugegeben werden.
Es hat sich gezeigt, daß mit dem Zusatz kleiner Mengen von Alkalialuminat und/oder Alkalizinkat die Feinheit der Schmiermittelteilchen und damit die Haftung des Schmiermittels auf der Metalloberfläche verbessert werden. Es ist damit bevorzugt, dem Schmiermittel jeweils in einer Menge von höchstens 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 3 Gew.-%, wenigstens ein Alkalialuminat und/oder wenigstens ein Alkalizinkat zuzusetzen. Wie erwähnt, setzen sich die superfeinen Teilchen des Schmiermittels in alle Vertiefungen der Oberfläche und bilden dabei deren Versiegelung, so daß sich der Zunder nicht in diese Vertiefungen setzen kann. Die Schmierwirkung läßt sich dabei auch als Glättung erklären.
Die tatsächliche Schmelztemperatur des erfindungsgemäßen Schmiermittels hängt von der maximalen Arbeitstemperatur bei der Verwendung des Schmiermittels und damit von der Beschaffenheit der sich einander flächig berührenden erhitzten Metallgegenstände ab. So kann die Schmelztemperatur des Schmiermittels relativ niedrig sein, wenn es dazu verwendet werden soll, Rohre aus Buntmetall oder Aluminium herzustellen, da bei diesen metallischen Werkstoffen vergleichsweise niedrige Arbeitstemperaturen angewendet werden. Bei der Bearbeitung von Stählen muß man ein Schmiermittel mit erheblich höheren Schmelztemperaturen verwenden, wobei diese wiederum davon abhängen, ob Chrom-Nickel-Stähle mit Arbeitstemperaturen von etwa 1050 bis 1100°C oder Stähle mit höheren Arbeitstemperaturen eingesetzt werden. Zweckmäßig liegt die Schmelztemperatur beim Schmieren von Werkzeugen für Stahlwerkstücke, wie beispielsweise beim Schmieren von Dornstangen für die Herstellung von Stahlrohren oberhalb 1100°C, vorzugsweise oberhalb 1200°C. Beim Schmieren von Werkzeugen für die Verarbeitung von Buntmetallen können die Schmelztemperaturen beispielsweise bei 600 oder 650°C liegen.
Zweckmäßig bereitet man unter Berücksichtigung der erfindungsgemäßen technischen Lehre Schmiermittel mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen, was einfach durch Variation der Mischungsbestandteile und Mischungsmengen zu erreichen ist. Man kann dann leicht für jeden Arbeitsprozeß das passende Schmiermittel auswählen, dessen Schmelztemperatur bekannt ist.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Auf eine Asselwalzwerk mit freier Dornstange wurde ein Gemisch von 99 Gew.-% Trikaliumorthophosphat und 1 Gew.-% Natriumzinkat (jeweils bezogen auf den Feststoffgehalt des Schmiermittels) als 10%ige wäßrige Lösung in den Tank eingefüllt, der nach Abschluß des Walzprozesses zum Kühlen der Stangen dient. Die Temperatur des Bades und der Dornstange betrug 80 bis 90°C. Nach Trocknung der Asselstange war diese mit einem weißen Schmierstoffilm überzogen. Mit dem Asselwalzwerk wurden leicht- bis mittellegierte Stähle gewalzt.
Die Standzeiten der Asseldorne konnten um 25% gegenüber mit bekanntem Schmierstoff geschmierten Asseldornen gesteigert werden. Die Rauhtiefenmessungen der Innenoberfläche der gefertigten Rohre, welche für Walzlager eingesetzt wurden, ergaben eine Reduzierung von 22 µm auf 10 µm.

Beispiel 2

In einer Rohrstoßbankanlage wurden die Dorne mit einem Durchmesser von 130 mm durch Aufsprühen einer 20%igen Schmierstofflösung aus 98 Gew.-% Trikaliumorthophosphat und 2 Gew.-% Natriumaluminat (beiden bezogen auf den Feststoffgehalt des Schmiermittels) behandelt. Die Dorne hatten dabei eine Temperatur von 450°C. Es wurde eine weiße zusammenhängende Schmierstoffschicht erzeugt. Gewalzt wurden mittel- bis hochlegierte Stähle. Die Stoßkraft zwischen den Walzgerüsten wurde im Vergleich zu herkömmlichen Schmierstoffen um 35% reduziert. Die Haltbarkeit der Dorne steigerte sich um 20%. Die Innenoberfläche der Rohre war deutlich glatter als bei Verwendung der bekannten Schmierstoffe. Die Qualitätsprüfung ergab eine Reduzierung der Ausschußrate von 4 auf weniger als 1%.

Claims

1. Hochtemperatur-Schmiermittel zum Schmieren von zwei einander flächig berührenden erhitzten Metallgegenständen, die eine Relativbewegung zueinander ausführen, insbesondere von Stahlgegenständen, mit einem Gehalt an Alkaliphosphat, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel zu wenigstens 80 Gew.-% aus wenigstens einem Alkaliorthophosphat besteht und eine Schmelztemperatur oberhalb der maximalen Arbeitstemperatur der erhitzten Metallgegenstände hat.

2. Hochtemperatur-Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Schmelztemperatur wenigstens 10°C oberhalb der maximalen Arbeitstemperatur hat.

3. Hochtemperatur-Schmiermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es zu wenigstens 95 Gew.-% aus wenigstens einem Alkaliorthophosphat besteht.

4. Hochtemperatur-Schmiermittel zum Schmieren von Werkzeugen für Stahlwerkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Schmelztemperatur oberhalb 1100°C, vorzugsweise oberhalb 1200°C hat.

5. Hochtemperatur-Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als Alkaliorthophosphat wenigstens ein Trialkaliphosphat, vorzugsweise Trinatrium-, Trikalium- oder Trilithiumorthophosphat, insbesondere Trikaliumorthophosphat enthält.

6. Hochtemperatur-Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich jeweils in einer Menge von höchstens 5 Gew.-%, vorzugsweise in einer Menge von 0,2 bis 3 Gew.-%, wenigstens eines Alkalialuminats und/oder wenigstens eines Alkalizinkats enthält.

7. Hochtemperatur-Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Form einer wäßrigen Lösung vorliegt.

8. Verwendung eines Hochtemperatur-Schmiermittels nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Schmieren von Dornstangen bei der Herstellung nahtloser Metallrohre.