DE19852203A1 - Lubricant with solid particles with a particle size below 500 nm - Google Patents
Lubricant with solid particles with a particle size below 500 nmInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Schmiermittel, die nanoskalige Feststoffpartikel enthalten, die in einer organischen Matrix dispergiert sind. Die Erfindung umfaßt Schmiermittel zum Schmieren relativ gegeneinander bewegter Teile wie z. B. Lager und Gelenke, Schmiermittel für Umformprozesse wie beispielsweise Rohr- oder Drahtzug sowie für das Tiefziehen und Kaltfließpressen, Schmiermittel für das Walzen von Metallbändern sowie Kühlschmierstoffe für spanabhebende Metallbearbeitungsvorgänge. Durch die Anwesenheit der nanoskaligen Feststoffpartikel wird die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück zusätzlich verringert. Dabei werden unter "nanoskalig" Feststoffpartikel verstanden, deren Teilchengröße unterhalb von 500 und insbesondere unterhalb von 100 nm liegt.The invention relates to lubricants which contain nanoscale solid particles. which are dispersed in an organic matrix. The invention encompasses Lubricant for lubricating relatively moving parts such as. B. warehouse and joints, lubricants for forming processes such as pipe or Wire drawing as well as for deep drawing and cold extrusion, lubricant for the Rolling of metal strips and cooling lubricants for metal cutting Metalworking operations. Due to the presence of the nanoscale The friction between tool and workpiece becomes additional solid particles decreased. "Nanoscale" is understood to mean solid particles whose Particle size is below 500 and in particular below 100 nm.
Bewegen sich zwei Oberflächen und insbesondere zwei Metalloberflächen relativ zueinander, erhitzen sie sich durch Reibung, was zum Beschädigen der Oberflächen und zu Verschweißvorgängen führen kann. Zur Verminderung der Reibung ist es bekannt, Schmiermittel einzusetzen, die in der Regel eine schmierende organische Komponente enthalten. Beispiele sind Fettsäuresalze (Seifen), Öle und Fette nativen und mineralischen Ursprungs, Wachse sowie synthetische Polymere wie beispielsweise Polytetrafluoroethylen. Daneben sind sogenannte Trockenschmiermittel bekannt, die man als solche, bevorzugt jedoch zusammen mit den organischen Schmierstoffen einsetzt. Hierbei handelt es sich in der Regel um schichtförmig aufgebaute Festkörper wie beispielsweise Metallsulfide oder Graphit, die dadurch eine Schmierwirkung entfalten, daß Schichten der Feststoffpartikel relativ zueinander gleiten können. Ein systematischer Überblick über den Aufbau von Schmierstoffen für die Umformung ist beispielsweise enthalten in: Wilfried J. Bartz: "Tribologie und Schmierung in der Umformtechnik", expert verlag, 1987, Seiten 20 bis 59 a.Two surfaces and especially two metal surfaces move relatively to each other, they heat up due to friction, causing damage to the surfaces and can lead to welding processes. It is to reduce friction known to use lubricants that are usually a lubricating organic Component included. Examples are fatty acid salts (soaps), oils and fats native and of mineral origin, waxes and synthetic polymers such as for example polytetrafluoroethylene. There are also so-called Dry lubricants known, which are preferred as such, but together with uses the organic lubricants. As a rule, these are layered solids such as metal sulfides or graphite, which develop a lubricating effect that layers of solid particles can slide relative to each other. A systematic overview of the structure of lubricants for forming is included in: Wilfried J. Bartz: "Tribology and Lubrication in Forming Technology", expert verlag, 1987, Pages 20 to 59 a.
Schmiermittel sind für ihre jeweilige Verwendung optimiert. Dennoch besteht ein Bedarf, die Schmierwirkung weiter zu verbessern, beispielsweise um die Lebensdauer von Lagern und Gelenken zu erhöhen, höhere Bearbeitungs geschwindigkeiten zu erreichen und die Standzeiten der Werkzeuge (Walzen, Ziehsteine, Werkzeuge zum Schneiden, Bohren und Fräsen) zu verlängern.Lubricants are optimized for their respective use. Nevertheless there is Need to further improve the lubricating effect, for example in order to Bearing and joint life increase, higher machining to achieve speeds and the service life of the tools (rollers, Drawing dies, tools for cutting, drilling and milling).
Die Erfindung betrifft ein Schmiermittel, das in einer organischen Matrix dispergierte Feststoffpartikel mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 1 bis 500 nm enthält. Vorzugsweise liegt die mittlere Teilchengröße unter 250 nm, insbesondere unter 100 nm und kann fallweise auch unter 50 nm liegen. Feststoffpartikel, die diesen Kriterien hinsichtlich Teilchengröße genügen, werden im folgenden als "nanoskalige Feststoffe" bezeichnet. Die Teilchengröße ist nach bekannten Methoden bestimmbar, beispielsweise mit Lichtstreumethoden. Die Feststoffpartikel sind vorzugsweise anorganischer Natur und können röntgenkristallin oder röntgenamorph sein.The invention relates to a lubricant in an organic matrix dispersed solid particles with an average particle size in the range of 1 contains up to 500 nm. The average particle size is preferably less than 250 nm, in particular below 100 nm and in some cases can also be below 50 nm. Solid particles that meet these criteria in terms of particle size hereinafter referred to as "nanoscale solids". The particle size is after known methods can be determined, for example with light scattering methods. The Solid particles are preferably inorganic in nature and can X-ray crystalline or X-ray amorphous.
Welche Mengenanteile nanoskaliger Feststoffpartikel das Schmiermittel enthält, hängt von dessen Aggregatzustand (flüssig, pastenförmig oder nahezu fest) sowie dem angestrebten Einsatzzweck ab. Im allgemeinen wird die Aufgabe der Verringerung der Reibung zufriedenstellend gelöst, wenn das Schmiermittel, bezogen auf die Gesamtformulierung, etwa 0,05 bis etwa 30 Gew.-% Feststoffpartikel mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 1 bis 500 nm enthält. What proportions of nanoscale solid particles the lubricant contains depends on its physical state (liquid, pasty or almost solid) and the intended purpose. In general, the task of Reduction in friction solved satisfactorily when the lubricant, based on the total formulation, about 0.05 to about 30% by weight Solid particles with an average particle size in the range from 1 to 500 nm contains.
Als organische Matrix kommen je nach Anwendungszweck unterschiedliche Substanzgruppen in Betracht. Beispielsweise kann die organische Matrix ausgewählt sein aus Ölen oder Fetten nativen oder mineralischen Ursprungs. Dabei werden unter Ölen oder Fetten nativen Ursprungs solche Öle oder Fette verstanden, die aus pflanzlichen oder tierischen Rohstoffen gewonnen werden. Sie stellen in der Regel Glycerin-Fettsäureester dar und können nach ihrer Gewinnung synthetisch modifiziert sein. Öle und Fette mineralischen Ursprungs sind solche, die auf fossilien Rohstoffen wie beispielsweise Erdöl beruhen. Sie können als Hauptkomponenten aliphatische Kohlenwasserstoffe enthalten (z. B. Paraffinöle), sie können jedoch auch auf aromatischen Kohlenwasserstoffen aufgebaut sein wie beispielsweise die naphthenischen Mineralöle. Weiterhin kann die organische Matrix aus sogenannten Seifen bestehen, also aus Salzen von gesättigten oder ungesattigten, linearen oder verzweigten Carbonsäuren mit einer C-Kettenlänge im Bereich von 12 bis 44 C-Atomen, sowie aus den entsprechenden freien Carbonsäuren. Carbonsäuren im C-Kettenlängenbereich von etwa 12 bis etwa 22 werden üblicherweise als Fettsäuren bezeichnet und kommen als Komponente von tierischen oder pflanzlichen Ölen und Fetten vor. Durch Dimerisierung ungesattigter Fettsäuren aus diesem Kettenlängenbereich lassen sich die sogenannten Dimerfettsäuren erhalten, deren C-Kettenlängenbereich etwa von 22 bis 44 reicht. Durch Umsetzung von Fettsäuren oder von Dimerfettsäuren mit Metalloxiden oder Metallhydroxiden lassen sich die entsprechenden Seifen erhalten. Dabei kommen als Metallkomponente für die Seifenbildung insbesondere Oxide und Hydroxide von Alkali- und Erdalkalimetallen sowie von Zink und Aluminium in Betracht. Als organische Komponente in Schmiermitteln kommen weiterhin Wachse sowie organische (in der Regel synthetische) Polymere wie beispielsweise Polytetrafluoroethylen in Betracht.Depending on the application, different organic matrix come Substance groups into consideration. For example, the organic matrix be selected from oils or fats of native or mineral origin. Here are oils or fats of native origin understood as such oils or fats, which are obtained from vegetable or animal raw materials. You pose in the Rule glycerin fatty acid esters and can be synthetic after their recovery be modified. Oils and fats of mineral origin are those based on fossil raw materials such as petroleum. You can as Main components contain aliphatic hydrocarbons (e.g. paraffin oils), however, they can also be based on aromatic hydrocarbons such as for example the naphthenic mineral oils. Furthermore, the organic Matrix consist of so-called soaps, i.e. salts of saturated or unsaturated, linear or branched carboxylic acids with a carbon chain length in Range from 12 to 44 carbon atoms, as well as from the corresponding free Carboxylic acids. Carboxylic acids in the C chain length range from about 12 to about 22 are commonly referred to as fatty acids and come as a component of animal or vegetable oils and fats. By dimerization unsaturated fatty acids from this chain length range can be so-called dimer fatty acids are obtained, the C chain length range of which is about 22 ranges up to 44. By reacting fatty acids or dimer fatty acids with The corresponding soaps can be obtained from metal oxides or metal hydroxides. Oxides in particular come as the metal component for the soap formation and hydroxides of alkali and alkaline earth metals as well as of zinc and aluminum into consideration. As an organic component in lubricants continue to come Waxes and organic (usually synthetic) polymers such as Polytetrafluoroethylene into consideration.
Die nanoskaligen Feststoffpartikel in den erfindungsgemäßen Schmiermitteln sind vorzugsweise ausgewählt aus Metalloxiden, Metallhydroxiden, Metallnitriden, Metallcarbiden, Metallphosphiden, Metallboriden und Metallsulfiden. Dabei wird im Sinne dieser Auswahl auch Silicium als Metall gezählt, so daß beispielsweise auch Siliciumdioxid, Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid eingesetzt werden können. Weitere Beispiele für geeignete Feststoffpartikel sind TiN, TiO2, ZrO2, Fe2O3, Fe3O4, ZnO, Al2O3, WC, Fe2P, AlOOH, MoS2, LaB6, Hydrotalcit und weitere. Einiger dieser Feststoffe sind als Komponenten von Schmiermitteln bereits bekannt. Sie zeigen jedoch verbesserte Wirkung, wenn sie zumindest teilweise in Form von nanoskaligen Partikeln vorliegen. Dabei ist es denkbar, daß in Schichtstruktur vorliegende Feststoffe wie beispielsweise Hydrotalcit oder Molybdänsulfid dadurch schmieren, daß die Schichten innerhalb eines Feststoffpartikels aneinander vorbei gleiten. Bei geometrisch eher isotrop aufgebauten Feststoffpartikeln, die beispielsweise angenähert in Kugelform oder in Form von Polyedern wie Würfeln, Octaedern oder ähnlichen Formen vorliegen können, ist es jedoch auch vorstellbar, daß die verbesserte Schmierwirkung darauf beruht, daß diese Partikel zwischen den aneinander vorbei gleitenden Oberflächen von Werkzeug und Werkstück abrollen und hierdurch die Reibung verringern.The nanoscale solid particles in the lubricants according to the invention are preferably selected from metal oxides, metal hydroxides, metal nitrides, metal carbides, metal phosphides, metal borides and metal sulfides. For the purposes of this selection, silicon is also counted as metal, so that, for example, silicon dioxide, silicon carbide or silicon nitride can also be used. Further examples of suitable solid particles are TiN, TiO 2 , ZrO 2 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , ZnO, Al 2 O 3 , WC, Fe 2 P, AlOOH, MoS 2 , LaB 6 , hydrotalcite and others. Some of these solids are already known as components of lubricants. However, they show an improved effect if they are at least partially in the form of nanoscale particles. It is conceivable that solids present in the layer structure, such as hydrotalcite or molybdenum sulfide, can be lubricated by the layers sliding past one another within a solid particle. With geometrically rather isotropic solid particles, which may be approximately spherical or in the form of polyhedra such as cubes, octahedra or similar shapes, it is also conceivable that the improved lubricating effect is due to the fact that these particles between the surfaces sliding past each other Unroll the tool and workpiece and thereby reduce the friction.
Vorzugsweise sind die Feststoffpartikel mit einer hydrophoben Beschichtung überzogen. Sie werden hierdurch besser in der organischen Matrix dispergierbar. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die organische Matrix flüssig ist, wie es beispielsweise bei Ölen oder den Öltröpfchen einer Öl-in-Wasser-Emulsion der Fall ist. In diesem Fall wird ein Sedimentieren der Feststoffpartikel in der hydrophoben Matrix durch die hydrophobe Beschichtung der Feststoffpartikel verhindert oder verlangsamt. Ist die organische Matrix dagegen pastenförmig oder angenähert fest, können die Feststoffpartikel nicht sedimentieren, so daß eine hydrophobe Beschichtung nicht unbedingt erforderlich ist. Daher können in einer solchen Matrix auch nanoskalige Feststoffpartikel eingesetzt werden, die nicht mit einer hydrophoben Beschichtung überzogen sind.The solid particles are preferably with a hydrophobic coating overdrawn. This makes them more dispersible in the organic matrix. This is particularly advantageous if the organic matrix is liquid, such as it for example with oils or the oil droplets of an oil-in-water emulsion Case is. In this case, sedimentation of the solid particles in the hydrophobic matrix due to the hydrophobic coating of the solid particles prevented or slowed down. In contrast, is the organic matrix pasty or approximately solid, the solid particles can not sediment, so that a hydrophobic coating is not absolutely necessary. Therefore, in one such a matrix, nanoscale solid particles are also used that are not compatible with are coated with a hydrophobic coating.
Unter "hydrophobe Beschichtung" wird eine Beschichtung verstanden, die die Feststoffpartikel wasserabweisend und ölbenetzbar macht. Allgemein kann eine derartige hydrophobe Beschichtung dadurch erzielt werden, daß man die Partikeloberfläche mit Substanzen belegt oder reagieren läßt, die hydrophobe Gruppen wie beispielsweise Alkyl- oder Alkylengruppen tragen. Eine derartige hydrophobe Beschichtung, auch von nanoskaligen Feststoffpartikeln, ist beispielsweise durch die EP-B-636 111 bekannt. Die dort beschriebenen Methoden können generell herangezogen werden, um die Feststoffpartikel für die Herstellung der erfindungsgemäßen Schmiermittel mit einer hydrophoben Beschichtung zu überziehen. Nach der Lehre der EP-B-636 111 kann man dabei allgemein so vorgehen, daß man das unmodifizierte Pulver in Anwesenheit mindestens einer organischen Verbindung mit einem Molekulargewicht von nicht mehr als 500, die über mindestens eine funktionelle Gruppe verfügt, die mit an der Oberfläche der Pulverteilchen vorhandenen Gruppen reagieren und/oder wechselwirken kann, in Wasser und/oder einem organischen Lösungsmittel dispergiert und darauf hin das Dispergiermittel ggf. ganz oder teilweise entfernt. Dabei können die organischen Verbindungen ausgewählt sein aus aliphatischen, gesattigten oder ungesättigten C1- bis C12-Monocarbonsäuren, Aminen der Formel R3-nNHn, worin n = 0, 1 oder 2 und die Reste R unabhängig von einander Alkylgruppen mit 1 bis 12, insbesondere 1 bis 6, Kohlenstoffatomen darstellen, β-Dicarbonylverbindungen mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen, modifizierten Alkoholaten und Organoalkoxysilanen. Weiterhin kommen zur hydrophoben Beschichtung in Frage: nichtionische, kationische oder anionische Tenside, Polyether, Polyester, Polyamide und Polyimide, Alkohole, organische Sulfon- oder Phosphonsäuren, Aminosäuren oder Oxocarbonsäuren."Hydrophobic coating" means a coating that makes the solid particles water-repellent and oil-wettable. In general, such a hydrophobic coating can be achieved by covering or reacting the particle surface with substances which carry hydrophobic groups such as alkyl or alkylene groups. Such a hydrophobic coating, also of nanoscale solid particles, is known, for example, from EP-B-636 111. The methods described there can generally be used to coat the solid particles with a hydrophobic coating for the production of the lubricants according to the invention. According to the teaching of EP-B-636 111, one can generally proceed in such a way that the unmodified powder is present in the presence of at least one organic compound having a molecular weight of not more than 500 and which has at least one functional group which is present on the surface the groups present in the powder particles can react and / or interact, dispersed in water and / or an organic solvent and then the dispersant, if appropriate, completely or partially removed. The organic compounds can be selected from aliphatic, saturated or unsaturated C 1 to C 12 monocarboxylic acids, amines of the formula R 3 -n NH n , where n = 0, 1 or 2 and the radicals R independently of one another alkyl groups with 1 to 12, in particular 1 to 6, carbon atoms, β-dicarbonyl compounds having 4 to 12 carbon atoms, modified alcoholates and organoalkoxysilanes. The following can also be used for the hydrophobic coating: nonionic, cationic or anionic surfactants, polyethers, polyesters, polyamides and polyimides, alcohols, organic sulfonic or phosphonic acids, amino acids or oxocarboxylic acids.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schmieren von relativ zu einander bewegten Teilen, wobei man ein Schmiermittel wie vorstehend beschrieben einsetzt. Hiervon können sehr unterschiedliche Anwendungsgebiete betroffen sein. Ein Beispiel ist das Schmieren von relativ zu einander bewegten metallischen und/oder keramischen Oberflächen, wobei die aneinander gleitenden Teile nicht verändert werden sollen. Beispiele hierfür sind Lager oder Gelenke wie beispielsweise Kugellager oder sich ineinander drehende Teile wie beispielsweise Zahn- oder Kegelräder. In diesen Fällen kommt es darauf an, die Reibung zwischen den aneinander vorbeigleitenden Oberflächen zu verringern, so daß möglichst wenig Reibungswiderstand auftritt, möglichst wenig Reibungswärme entsteht und die Oberflächen möglichst wenig beschädigt werden, um die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern. Hierzu werden üblicherweise Schmierfette oder Schmieröle eingesetzt, in denen auch Feststoffpartikel wie beispielsweise Grafit oder Molybdensulfid dispergiert sein können. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von nanoskaligen Feststoffpartikeln in diesen Schmierfetten oder Schmierölen wird die Reibung weiter herabgesetzt, so daß weniger Kraft zum Bewegen der Teile erforderlich ist (Energieeinsparung) und die Lebensdauer der Bauteile verlängert wird.In a further aspect, the invention relates to a method for lubricating parts moved relative to each other using a lubricant as above described. There are very different areas of application to be affected. An example is the lubrication of moving relative to each other metallic and / or ceramic surfaces, the sliding against each other Parts should not be changed. Examples of this are bearings or joints such as for example ball bearings or rotating parts such as Gear or bevel gears. In these cases, it comes down to the friction between to reduce the surfaces sliding past each other, so that as possible little frictional resistance occurs, as little frictional heat as possible arises and the surfaces are damaged as little as possible to the life of the Extend components. This is usually done using greases or oils used in which also solid particles such as graphite or Molybdenum sulfide can be dispersed. Through the use of nanoscale solid particles in these greases or lubricating oils Friction further reduced, so less force to move the parts is required (energy saving) and extends the life of the components becomes.
Weiterhin umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Umformen metallischer Teile unter Verwendung eines Umformmittels (Ziehmittels), wobei man als Umformmittel ein Schmiermittel wie oben beschrieben einsetzt. Hierbei geht es also um Prozesse, in denen die Form insbesondere eines metallischen Werkstücks dadurch verändert wird, daß man auf das Werkstück eine Kraft einwirken läßt. Betroffen ist beispielsweise das Kaltfließpressen und das Tiefziehen. Weiterhin wird von diesem Aspekt der Erfindung der Draht-, Stangen- oder Rohrzug umfaßt, bei denen der Querschnitt bzw. die Wandstärke des Werkstücks verringert und das Werkstück selbst verlängert wird. Hierfür werden häufig Schmiermittel eingesetzt, die Fettsäure oder Fettsäureseifen wie beispielsweise Stearinsäure und Stearate enthalten. Weiterhin ist als organische Basis Rindertalg geeignet. Im Stand der Technik ist es bereits bekannt, solchen Umformmitteln anorganische Komponenten wie beispielsweise Borsäure und Borate, Phosphate, Carbonate oder Silicate zuzusetzen. Erfindungsgemäß setzt man nanoskalige Feststoffpartikel ein, die das Umformverhalten deutlich verbessern. Hierdurch kann eine stärkere Verringerung des Querschnitts pro Ziehschritt, eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit und/oder eine Standzeitverlängerung der Ziehsteine erreicht werden. Entsprechendes gilt für Kaltfließpressen und Tiefziehen.The invention further comprises a method for shaping metallic parts using a forming agent (drawing agent), where as Forming agent uses a lubricant as described above. So here it is to processes in which the shape of a metallic workpiece in particular is changed by allowing a force to act on the workpiece. For example, cold extrusion and deep drawing are affected. Farther this aspect of the invention encompasses wire, bar or tube drawing, where the cross section or the wall thickness of the workpiece is reduced and that Workpiece itself is extended. Lubricants are often used for this, the fatty acid or fatty acid soaps such as stearic acid and stearates contain. Beef tallow is also suitable as an organic base. In the state of the It is already known in the art that such components have inorganic components such as boric acid and borates, phosphates, carbonates or silicates to add. According to the invention, nanoscale solid particles are used, which Significantly improve forming behavior. This can result in a greater reduction the cross section per drawing step, an increase in the drawing speed and / or an extension of the tool life can be achieved. The same applies to Cold extrusion and deep drawing.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schmieren von relativ zu einander bewegten Teilen oder zum Umformen metallischer Teile unter Verwendung eines Umformmittels setzt man vorzugsweise ein Schmiermittel ein, das nicht weniger als 1, vorzugsweise nicht weniger als 2, jedoch vorzugsweise nicht mehr als etwa 25 und insbesondere nicht mehr als etwa 20 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Schmiermittels, an nanoskaligen Feststoffpartikeln enthält.In the method according to the invention for lubricating relative to each other moving parts or for forming metallic parts using a Forming agent is preferably a lubricant that is not less than 1, preferably not less than 2, but preferably not more than about 25 and especially not more than about 20% by weight based on the total mass of the lubricant contains nanoscale solid particles.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur spanabhebenden Metallbearbeitung unter Verwendung eines Kühlschmierstoffs, wobei man als Kühlschmierstoff ein Schmiermittel einsetzt, wie es vorstehend beschrieben wurde. Für diese Verwendung ist das Schmiermittel vorzugsweise flüssig. Derartige Schmiermittel, die bei spanabhebenden Metallbearbeitungsverfahren wie beispielsweise Schneiden, Bohren, Drehen, Fräsen, Schleifen, Hohnen oder Läppen eingesetzt werden, werden üblicherweise als "Kühlschmierstoffe" bezeichnet. Hierdurch wird ausgedrückt, daß diese Schmiermittel nicht nur zum Schmieren, sondern auch zum Kühlen, d. h. Abführen der bei der spanabhebenden Metallbearbeitung entstehenden Wärme dienen. Dabei kann der Kühlschmierstoff ausschließlich als Ölphase vorliegen. Hierfür ist auch die Bezeichnung "Schneidöl" bekannt. Derartige Schneidöle haben zwar eine besonders gute Schmierwirkung, können jedoch Wärme nicht so effizient abführen wie wasserbasierte Kühlschmierstoffe. Das Schneidöl kann ein paraffinisches oder naphthenisches Mineralöl darstellen. Es kann jedoch auch ein sogenanntes "synthetisches Öl" wie beispielsweise ein Polyolefin oder ein Ester oder Ether darstellen, dessen Moleküle mindestens 8 C-Atome aufweisen. Weiterhin kommen Polyalkylenglykole, Polyalkylenglykolether oder Esteröle natürlichen Ursprungs, die ggf. chemisch modifiziert sein können, in Betracht. Diese Öle können zusätzlich sogenannte EP-Additive ("Extrem-Pressure") wie beispielsweise phosphor- oder schwefelorganische Verbindungen oder halogenierte Kohlenwasserstoffe enthalten. Diese verbessern das Schmierverhalten. Durch das Eindispergieren nanoskaliger Feststoffpartikel, die für diesen Verwendungszweck vorzugsweise eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung tragen, wird die Schmierwirkung weiter verbessert. Hierdurch lassen sich höhere Arbeitsgeschwindigkeiten erzielen und die Standzeit der Werkzeuge wird verlängert. Für dieses Verfahren setzt man vorzugsweise ein Schneidöl ein, das etwa 0,5 bis etwa 20 und insbesondere etwa 1 bis etwa 10 Gew.- %, bezogen auf die Gesamtformulierung, nanoskalige Feststoffpartikel enthält.The invention further relates to a method for machining Metalworking using a cooling lubricant, being called Cooling lubricant uses a lubricant as described above. For this use, the lubricant is preferably liquid. Such Lubricants used in metal cutting processes such as for example cutting, drilling, turning, milling, grinding, honing or lapping are usually referred to as "cooling lubricants". This expresses that these lubricants are not only for lubrication, but also for cooling, d. H. Paying off at the cutting Metalworking generated heat serve. The coolant can available exclusively as an oil phase. For this is also the term "cutting oil" known. Such cutting oils have a particularly good lubricating effect, cannot dissipate heat as efficiently as water-based ones Coolants. The cutting oil can be a paraffinic or naphthenic Represent mineral oil. However, it can also be a so-called "synthetic oil" like represent, for example, a polyolefin or an ester or ether, its molecules have at least 8 carbon atoms. Polyalkylene glycols also come Polyalkylene glycol ether or ester oils of natural origin, which may be chemical may be modified. These oils can also be called EP additives ("extreme pressure") such as phosphorus or contain organic sulfur compounds or halogenated hydrocarbons. These improve the lubrication behavior. By dispersing nanoscale Solid particles that are preferably hydrophobic for this purpose Wear surface coating, the lubrication effect is further improved. This enables higher working speeds and a longer service life the tools are extended. This method is preferably used Cutting oil containing about 0.5 to about 20, and especially about 1 to about 10 parts by weight %, based on the total formulation, contains nanoscale solid particles.
Weiterhin kann der in dem Verfahren zur spanabhebenden Metallbearbeitung eingesetzte Kühlschmierstoff eine Öl-in-Wasser-Emulsion darstellen. Dabei kommen als Ölkomponente diejenigen Substanzen in Frage, die vorstehend als Basis der Schneidöle beschrieben wurden. Solche Öl-in-Wasser-Emulsionen, die auch als "wassergemischte Kühlschmierstoffe" bezeichnet werden, haben gegenüber den Schneidölen den Vorteil einer verbesserten Wärmeabfuhr. In anwendungsfertiger Form enthalten sie üblicherweise etwa 0,5 bis etwa 3 Gew.-% der Ölkomponente. Zusätzlich sind in der Regel Emulgatoren erforderlich, um die Emulsion zu stabilisieren. Um die Korrosionswirkung der Wasserphase zurückzudrängen, werden weiterhin in der Regel Korrosionsinhibitoren wie beispielsweise Ethanolamine oder Fettsäuren mit Kettenlängen von etwa C6 bis etwa C10 verwendet.Furthermore, the cooling lubricant used in the metal-cutting process can be an oil-in-water emulsion. The oil components that can be used are those substances that were described above as the basis of the cutting oils. Such oil-in-water emulsions, which are also referred to as "water-mixed cooling lubricants", have the advantage over the cutting oils of improved heat dissipation. When ready for use, they usually contain about 0.5 to about 3% by weight of the oil component. In addition, emulsifiers are usually required to stabilize the emulsion. In order to suppress the corrosion effect of the water phase, corrosion inhibitors such as ethanolamines or fatty acids with chain lengths of about C 6 to about C 10 are generally used.
Üblicherweise kommen die wassergemischten Kühlschmierstoffe nicht als solche, sondern als wassermischbare Konzentrate in den Handel. Die Konzentrate enthalten in der Regel etwa 20 bis etwa 80 Gew.-% und insbesondere etwa 30 bis etwa 50 Gew.-% der Ölkomponente, wobei der Rest zu 100% im wesentlichen aus Emulgatoren, Korrosionsinhibitoren und aus geringeren Mengen an Wasser besteht. Aus diesen Konzentraten wird durch Verdünnen mit Wasser die anwendungsfertige Öl-in-Wasser-Emulsion hergestellt. Dabei verwendet man hierzu in der Regel etwa 2 bis etwa 10 Gew.-% Konzentrat und etwa 98 bis etwa 90 Gew.-% Wasser. Für die erfindungsgemäße Verwendung enthalten die Konzentrate der wassermischbaren Kühlschmierstoffe, bezogen auf die Gesamtmasse des Konzentrats, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 20 Gew.-% nanoskaliger Feststoffe, die vorzugsweise eine hydrophobe Oberflächenbelegung aufweisen. Die wasserverdünnte anwendungsfertige Öl-in-Wasser-Emulsion enthält dann, bezogen auf die Gesamtmasse der Emulsion, vorzugsweise etwa 0,05 bis etwa 2 Gew.-% der nanoskaligen Feststoffe.Usually, the water-mixed cooling lubricants do not come as such, but rather as water-miscible concentrates. The concentrates contain typically about 20 to about 80% by weight, and especially about 30 to about 50% % By weight of the oil component, the remainder consisting essentially of 100% Emulsifiers, corrosion inhibitors and smaller amounts of water. These concentrates are made ready for use by dilution with water Oil-in-water emulsion. You usually use about 2 to about 10 weight percent concentrate and about 98 to about 90 weight percent water. For the Use according to the invention contain the concentrates of the water-miscible Cooling lubricants, based on the total mass of the concentrate, preferably about 1 to about 20% by weight nanoscale solids, preferably one Have hydrophobic surface coverage. The water-diluted ready-to-use oil-in-water emulsion then contains, based on the Total mass of the emulsion, preferably about 0.05 to about 2% by weight of the nanoscale solids.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Walzen von Metallbändern, das sowohl die Eigenheiten eines Umformprozesses (Veränderung der Form) als auch einer spanabhebenden Metallbearbeitung (Oberflächenabrieb) aufweist. In dem Verfahren zum Walzen von Metallbändern verwendet man erfindungsgemäß ein Walzöl oder eine Walzölemulsion, wobei man als Walzöl oder als Walzölemulsion ein Schmiermittel einsetzt, wie es vorstehend beschrieben wurde. Dabei kann man ein im wesentlichen wasserfreies einphasiges Öl einsetzen, das vorzugsweise zusätzlich EP-Additive enthält. Walzöle sind üblicherweise auf einer entsprechenden Basis aufgebaut wie die vorstehend beschriebenen Schneidöle. Verwendet man ein einphasiges Walzöl, enthält dieses vorzugsweise nanoskalige Feststoffpartikel in einem Anteil, bezogen auf die Gesamtmasse der Gesamtformulierung, von etwa 0,5 bis etwa 20 und insbesondere von etwa 1 bis etwa 10 Gew.-%.Furthermore, the invention relates to a method for rolling metal strips, the both the peculiarities of a forming process (change in shape) as well metal cutting (surface abrasion). By doing Processes for rolling metal strips are used according to the invention Rolling oil or a rolling oil emulsion, being used as rolling oil or as a rolling oil emulsion uses a lubricant as described above. You can use a substantially anhydrous single phase oil, preferably additionally contains EP additives. Rolling oils are usually on one corresponding base constructed as the cutting oils described above. If a single-phase rolling oil is used, it preferably contains nanoscale Solid particles in a proportion, based on the total mass of the Total formulation, from about 0.5 to about 20 and especially from about 1 to about 10% by weight.
Außer einem einphasigen Walzöl kann zum Walzen von Metallbändern auch eine Walzölemulsion eingesetzt werden, die entweder eine Öl-in-Wasser-Emulsion oder eine Wasser-in-Öl-Emulsion darstellt. Ähnlich wie bei wassermischbaren Kühlschmierstoffen kommen diese Walzölemulsionen in der Regel als wasserfreies oder wasserarmes Konzentrat in den Handel, das die Ölkomponente, üblicherweise EP-Additive, Emulgatoren und erforderlichenfalls Korrosionsinhibitoren enthält. Hieraus wird durch Verdünnen mit Wasser die anwendungsfertige Emulsion erzeugt. Vorzugsweise enthält die anwendungsfertige Walzölemulsion, bezogen auf die Gesamtmasse der Emulsion, etwa 0,05 bis etwa 2 Gew.-% nanoskaliger Feststoffpartikel, die vorzugsweise eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung tragen.In addition to a single-phase rolling oil, one can also be used to roll metal strips Rolling oil emulsion can be used, which is either an oil-in-water emulsion or represents a water-in-oil emulsion. Similar to water-miscible Cooling lubricants usually come as these anhydrous rolling oil emulsions or low-water concentrate commercially, which is the oil component, usually Contains EP additives, emulsifiers and, if necessary, corrosion inhibitors. This becomes the ready-to-use emulsion by dilution with water generated. The ready-to-use rolling oil emulsion preferably contains, based on the total mass of the emulsion, about 0.05 to about 2 wt .-% nanoscale Solid particles, preferably a hydrophobic surface coating wear.
Nanoskalige Feststoffe sind im Handel erhältlich. Sie können beispielsweise hergestellt werden durch Umsetzung, beispielsweise Hydrolyse, Ammonolyse oder Pyrolyse in der Gasphase, durch Elektrolyse oder durch chemische Reaktion in einer Emulsion, wobei die Größe der Emulsionströpfchen die Größe der entstehenden Nanopartikel limitiert. Für den erfindungsgemäßen Zweck werden vorzugsweise nanoskalige Feststoffpartikel eingesetzt, die eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung aufweisen. Diese Beschichtung kann nach einem der Verfahren hergestellt werden, die in der EP-B-636 111 beschrieben sind. Weitere exemplarische Verfahren zum Herstellen der hydrophoben Oberflächenbeschichtung sind:Nanoscale solids are commercially available. For example, you can are produced by reaction, for example hydrolysis, ammonolysis or Pyrolysis in the gas phase, by electrolysis or by chemical reaction in an emulsion, the size of the emulsion droplets being the size of the emerging nanoparticles limited. For the purpose of the invention preferably used nanoscale solid particles that are hydrophobic Have surface coating. This coating can be made according to one of the Processes are described which are described in EP-B-636 111. Further exemplary processes for making the hydrophobic Surface coating are:
Für die Umsetzung wurden 98 g TiN einer mittleren Teilchengröße von 15 nm (Lieferant: Firma H. C. Starck), 6 g 3-Aminopropyltriethoxisilan und ca. 400 ml n-Octan benötigt. Das Titannitrid wurde unter Luftausschluß in Ethanol eingetragen und gerührt. Das Ethanol wurde abgesaugt und das Pulver noch 2 mal mit 100 ml Ethanol nachgewaschen. Danach wurde es unter Überleitung von Stickstoff trocken gesaugt und für die eigentliche Reaktion eingesetzt. Hierzu wurde es in n-Octan aufgenommen, auf 80°C erwärmt und das noch am TiN anhaftende Ethanol abdestilliert. Zu der auf Raumtemperatur abgekühlten Mischung wurde unter Rühren das in n-Octan gelöste 3-Aminopropyltriethoxisilan zugegeben. Anschließend wurde 5 Stunden am Rückfluß gekocht (Temperatur ca. 115 bis 120°C), der Feststoff abgesaugt, 3 mal mit etwa 100 ml n-Octan gewaschen und über Nacht bei 80°C im Vakuumtrockenschrank getrocknet.98 g of TiN with an average particle size of 15 nm were used for the reaction (Supplier: H.C. Starck), 6 g 3-aminopropyltriethoxisilane and approx. 400 ml n-octane required. The titanium nitride was introduced into ethanol with the exclusion of air and stirred. The ethanol was suctioned off and the powder twice with 100 ml Washed ethanol. After that, it became dry with nitrogen sucked and used for the actual reaction. For this it was made in n-octane recorded, heated to 80 ° C and the ethanol still adhering to the TiN distilled off. To the mixture cooled to room temperature was added The 3-aminopropyltriethoxisilane dissolved in n-octane is added with stirring. The mixture was then refluxed for 5 hours (temperature about 115 to 120 ° C), the solid is suction filtered, washed 3 times with about 100 ml of n-octane and over Dried overnight at 80 ° C in a vacuum drying cabinet.
Eingesetzt wurden 11 g TiO2 einer mittleren Teilchengröße von 30 nm (Lieferant: Fir ma Degussa), 4,3 g Palmitinsäure und 165 ml n-Octan. Die Palmitinsäure wurde in n-Octan unter leichtem Erwärmen (40°C) gelöst und das TiO2 eingetragen. Danach wurde zum Rückfluß erhitzt (ca. 126°C) und das gebildete Wasser mit Hilfe eines Wasserabscheiders aus dem Reaktionsgemisch ausgetragen. Nach 1,5 Stunden wurde die Reaktionsmischung auf Raumtemperatur abkühlen lassen, der Feststoff durch zentrifugieren isoliert, mit frischem n-Octan gewaschen, erneut zentrifugiert und bei 90°C im Vakuum getrocknet.11 g of TiO 2 with an average particle size of 30 nm (supplier: company Degussa), 4.3 g of palmitic acid and 165 ml of n-octane were used. The palmitic acid was dissolved in n-octane with gentle heating (40 ° C.) and the TiO 2 was introduced . The mixture was then heated to reflux (about 126 ° C.) and the water formed was discharged from the reaction mixture using a water separator. After 1.5 hours, the reaction mixture was allowed to cool to room temperature, the solid was isolated by centrifugation, washed with fresh n-octane, centrifuged again and dried at 90 ° C. in vacuo.
a) Eine Basisrezeptur besteht aus
a) A basic recipe consists of
78,8 Gew.-% Stearinsäure
10,3 Gew.-% NaOH
1,4 Gew.-% KOH
8,6 Gew.-% Natriumtetraborat-Pentahydrat
0,9 Gew.-% Natriumnitrit.78.8% by weight of stearic acid
10.3 wt% NaOH
1.4 wt% KOH
8.6% by weight sodium tetraborate pentahydrate
0.9% by weight sodium nitrite.
Die Mischung wird zusätzlich mit, bezogen auf die Masse des Endprodukts, 2 bis 10 Gew.-% nanoskaligem Titandioxid (vorzugsweise Anatas) versetzt.The mixture is additionally mixed with 2, based on the mass of the end product up to 10% by weight of nanoscale titanium dioxide (preferably anatase).
b) Eine Basisrezeptur besteht aus
b) A basic recipe consists of
54,0 Gew.-% Calciumhydroxid
11,0 Gew.-% Calciumsulfat-Dihydrat
35,0 Gew.-% Rindertalg.54.0% by weight calcium hydroxide
11.0% by weight calcium sulfate dihydrate
35.0% by weight beef tallow.
Das Gemisch wird zusätzlich mit, bezogen auf die Masse des Endprodukts, 2 bis 10 Gew.-% nanoskaligem Titandioxid (vorzugsweise Anatas) versetzt.The mixture is additionally with, based on the mass of the end product, 2 to 10% by weight of nanoscale titanium dioxide (preferably anatase) are added.
Das Beispiel zeigt ein Konzentrat für einen wassermischbaren Kühlschmierstoff
zum Einsatz für die spanabhebende Metallbearbeitung. Durch Vermischen von etwa
2 bis etwa 10 Gew.-Teilen Konzentrat mit etwa 98 bis etwa 90 Gew.-Teilen Wasser
ist hieraus die anwendungsfertige Kühlschmierstoffemulsion in Form einer Öl-in-
Wasser-Emulsion erhältlich.
The example shows a concentrate for a water-miscible cooling lubricant for use in metal cutting. The ready-to-use cooling lubricant emulsion can be obtained in the form of an oil-in-water emulsion by mixing about 2 to about 10 parts by weight of concentrate with about 98 to about 90 parts by weight of water.
Basisrezeptur in Gew.-%:
Basic recipe in% by weight:
33,5 paraffinisches Mineralöl,
1,0 Oleyl/Cetylalkohol × 10 Mol Ethylenoxid,
4,0 p-Hydroxibenzoesäurepropylester,
2,0 3,5,5-Trimethylhexansäure,
12,0 Dimerfettsäure,
7,0 Fettsauremischung (Hauptkomponente: Ölsäure),
9,0 Kaliumhydroxid,
18,0 Oleyl/Cetylalkohol × 2 Mol Ethylenoxid,
1,0 Diethylenglykolmonobutylether,
2,2 2-Octyldodecylalkohol,
10,3 Ethylenglykolmonophenylether.33.5 paraffinic mineral oil,
1.0 oleyl / cetyl alcohol × 10 moles of ethylene oxide,
4.0 p-hydroxybenzoic acid propyl ester,
2.0 3,5,5-trimethylhexanoic acid,
12.0 dimer fatty acid,
7.0 fatty acid mixture (main component: oleic acid),
9.0 potassium hydroxide,
18.0 oleyl / cetyl alcohol × 2 moles of ethylene oxide,
1.0 diethylene glycol monobutyl ether,
2,2 2-octyldodecyl alcohol,
10.3 ethylene glycol monophenyl ether.
Die Basisrezeptur wird mit, bezogen auf die Masse des Endprodukts, 0,5 bis 20, vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% eines nanoskaligen Feststoffs vermischt. Vorzugsweise trägt der nanoskalige Feststoff eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung. Beispielsweise kommen die Produkte gemäß Beispielen 1 und 2 in Betracht.The basic recipe is, based on the mass of the end product, 0.5 to 20 preferably 1 to 10 wt .-% of a nanoscale solid mixed. The nanoscale solid preferably bears a hydrophobic one Surface coating. For example, the products come according to examples 1 and 2 into consideration.
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