DE2029765A1 - Schmiermittelzusammensetzung und Verfahren zum Schmieren von Metallbearbeitungsvorgängen - Google Patents
Schmiermittelzusammensetzung und Verfahren zum Schmieren von MetallbearbeitungsvorgängenInfo
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Description
cATcNTANWÄiTE
DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 2029765
DR.M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT
TELEFON= 55 54 76 8000 MONCHEN 15, 16. Juni 197O
14 9o2/7o 7/ES
Unilever-Emery N.Y. G ο u da (Niederlande)
Schmiermittelzusammensetzung und Verfahren zum Schmieren von Metallbearbeitungsvorgängen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schmiermittel und Metallbearbeitungsvorgänge, insbesondere. Metallbearbeitungsvorgänge,
welche die Bearbeitung von Aluminium, Kupfer, Titan und Legierungen dieser Metalle umfassen.
Bei Metallbearbeitungsvorgängen, z.B. beim Schmieden, Heißpressen, Stanzen, Biegen, Prägen oder Stempeln, Ziehen,
Schneiden, Lochen, Drücken, Drehen od.dgl., wird im allgemeinen ein Schmiermittel angewendet, um den Metallbearbeitungsvorgang
zu erleichtern. Schmiermittel verbessern stark die Metallbearbeitungsvorgänge insofern, als sie
die Kraft herabsetzen können, welche für den Arbeitsvorgang erforderlich ist, ein Pestkleben verhindern und eine
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Abnutzung der Werkzeuge, wie z.B. der Stempel und der Schneidkanten, herabsetzen. Übliche Sehmiermittel bei
Metallbearbeitungsvorgängen sind Pflanzenöle, tierische Öle und Mineralöle, z.B. Palmöl, Talgöle und Erdöle, gewesen.
Metallbearbeitungsvorgänge legen im allgemeinen
ungeschützte Metalloberflächen gegenüber der Atmosphäre und anderen korrodierenden Einflüssen frei, die zu der
Bildung von nicht-anhaftenden Oxyden und Hydroxyden des Metalls führen können. Es werden daher oft Korrosionsinhibitoren
den Metallbearbeitungsschmiermitteln zugesetzt.
Bei Metallbearbeitungsvorgängen, welche die Bearbeitung
von Aluminium, Kupfer und Titan und legierungen dieser Metalle umfassen, ist es besonders erwünscht, das
bearbeitete Metall, gegen Korrosion, z.B. gegen die Bildung von nicht-anhaftenden Oxyden und Hydroxyden zu
schützen. Insbesondere Aluminium ist für die Bildung eines weißen, nicht-anhaftenden Hydroxyds empfänglich,
wenn es nicht während der MetallbearbeitungsvDrgänge geschützt wird.
Es ist in der Technik bekannt, daß die Dimeren von
äthylenischen Monocarbonsäuren mit etwa 16 Ms 22 Kohlenstoffatomen als Schmiermittel für MetallbearbeitungsvDrgänge
verwendet werden "können,. Beispielsweise ist in äei·
US-Patentschrift 3 oo6 849 ein Metallbearbeitungsverfah^
ren für Eisenmetalle beschrieben, das eine Schmiermittelzusammensetzung
unter Anwendung solcher polymerisierten
Fettsäuren umfaßt. Außerdem ist in der US-Patentschrift
2 922 763 die Anwendung von Tfeliestern von solchen polymerisierten
Fettsäuren -bei Hoehtemperatur-Schmiermilitel-
VOBBlBJtSBS
zusammensetzung beschrieben. ...·.'■
Jedoch sind weder zweibasische dimere Säuren noch
die Vollester von solchen Säuren bei Metallbearbeitungsvorgängen, die Aluminium, Kupfer und Titan umfassen, vollständig
zufriedenstellend. Während die zweibasischen Säure-dimere ausgezeichnete Schmiermittel sind und für diese
Metalle Korrosionsbeständigkeit liefern, suchen diese
besonderen Metalle,unlösliche Seifen mit dimeren Säuren
zu bilden, die Inaktive Schlamme sind. Außerdem besteht
die Neigung, daß die dimeren Säuren Aluminium bei Metallbearbeitung s vor gangen beflecken, so daß es nicht ein angenehmes,
ästhetisches Aussehen darbietet. In ähnlicher Weise sind die Vollester der zweibasisehen Säureester
nicht vollständig zufriedenstellende Schmiermittel, weil die Vollester Aluminium, Kupfer und Titan nicht korrosionsfest
machen.
Die Erfindung umfaßt ein neues Verfahren zum Schmieren
von Metal lbearbeitungsvorgängen, welche die Bearbeitung von Aluminium, Kupfer, Titan und Legierungen von
diesen Metallen einschließen, das ein Schmieren solcher Arbeitsvorgänge mit einem Monoester einer dimeren Säure
von äthylenischen Monocarbonsäuren mit 16 bis 22 Kohlenstoffatomen umfaßt. Die Vorteile des Verfahrens gemäß
der Erfindung leiten sich von den einzigartigen Eigenschaften des dabei benutzten Esters der dimeren Säure ab.
Diese dimeren Säureester bilden überraschenderweise keine Schlamme, sie verflecken nicht das bearbeitete Metall und
sind dennoch überraschenderweise ausgezeichnete Schmiermittel.und ausgezeichnete Korrosionsinhibitoren. I
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Die Erfindung "betrifft daher ein Verfahren zum Schmieren von Metallbearbeitungsvorgängen einschließlich
von Aluminium, Kupfer, Titan und Legierungen von diesen Metallen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man
solche Arbeitsvorgänge mit einem überraschend brauchbaren Schmiermittel schmiert, welches Monoester von Dimeren von
äthylenischen Monocarbonsäuren mit etwa 16 bis 22 Kohlenstoffatomen
umfaßt.
Typisch für die Metallbearbeitungsvorgänge, die in dem Rahmen der Erfindung eingeschlossen sind, sind Schmieden,
Heißpressen, Stanzen, Biegen, Prägen oder Stempeln, Ziehen, Schleifen, Lochen, Drücken, Drehen od.dgl. Diese
Arbeitsvorgänge sind in der Metallbearbeitungstechnik bekannt. Eine nähere Beschreibung dieser Arbeitsvorgänge,
die alle in der Metallbearbeitungstechnik üblich sind, ist in dem Buch "Aluminum Forming", Veröffentlichung von
Reynolds Metals Company, Richmond, Virginia, zu finden.
Damit das einzigartige Schmiermittel bei dem Verfahren gemäß der Erfindung am wirksamsten ist, soll die
Temperatur des bei dem Arbeitsvorgang in Betracht, kommenden Metalls nicht etwa 4270C (8oo°P) und vorzugsweise
nicht etwa 3160C (6oo°P) überschreiten.
Die überraschend brauchbaren Schmiermittel, welche bei dem Verfahren gemäß der Erfindung benutzt werden, umfassen
die-Methyl-, Äthyl- und Propylmonoester von Dimeren von äthylenischen Monocarbonsäuren mit etwa 16 bis
22 Kohlenstoffatomen. Solche Ester sind in der Technik bekannt.
Die dimeren Säuren, von denen die Monoester gemäß der Erfindung abgeleitet sind, werden nach bekannten Ver-
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fahren hergestellt. Insbesondere ist es bekannt, daß
ungesättigte Fettsäuren mit etwa 16 bis 22 Kohlenstoffatomen polymerisiert werden können, um dimere Formen
der monomeren Säure zu ergeben. Die sich ergebenden Dimeren
sind zweibasische Carbonsäuren mit etwa 32 bis 44
Kohlenstoffatomen. Beispielsweise können Ölsäure, Ricinussäure (Ricinusölsäure), Linolsäure (Leinölsäure),
Lineolaidinsäure und Eläostearinsäure polymerisiert werden,
um dimere Säuren zu bilden, welche zweibasische Carbonsäuren sind. Eine besonders bevorzugte zweibasische
dimere Säure zur Verwendung bei der Bildung der Ester gemäß der Erfindung enthält etwa 36 Kohlenstoffatome und
wird durch die Polymerisation von zwei äthylenischen einbasischen Säuren mit etwa 18 Kohlenstoffatomen, wie
z.B. Ölsäure, gebildet,
Verfahren zur Polymerisation von äthylenischen, einbasischen Fettsäuren sind in der Technik bekannt. Zur Erläuterung sei auf die US-Patentschriften 2 793 219 und
2 955 121 verwiesen. Die Verfahren umfassen, kurz gesagt,
eine Erhitzung der ungesättigten Fettsäuren in einem unter Wasserdampfdruck stehenden Gefäß bei Temperaturen
von etwa 18o bis 36o°C während 3 bis Io Stunden, um ein
Produkt zu erzeugen, das hauptsächlich aus dimeren Säuren
besteht.
Besonders brauchbar ist eine im Handel erhältliche dimere Carbonsäure für die Bildung von Monoestern, die
bei der Erfindung besonders bevorzugt werden, welche un-
(r) 'ra
ter der Bezeichnung Empol lolo erhältlieh ist. Einpol
lolo ist eine zweibasische Säure mit etwa 36 Kohlenstoffatomen, die durch Polymerisation am Mittelmolekül von
zwei ungesättigten, einbasischen Fettsäuren mit etwa 18 Kohlenstoffatomen erzeugt worden sind. Typische Besehrei-
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bungen dieses im Handel erhältlichen Produkts sind wie folgt:
Farbe (^ Durchlässigkeit 44o/55o mmu) 82/99
Jodzahl (mg I2/g) 2o
Neutralisationsäquivalent (mg KOH/g) 287
Säurezahl (mg KOH/g) 196
Flammpunkt 3o7° C (5850F)
Die bei der Erfindung besonders brauchbaren Monoester sind die Methyl-, Äthyl- und Propylester von Dimeren
von äthylenischen Monocarbonsäuren mit etwa 16 bis 22 Kohlenstoffatomen. Derartige Monoester werden am
zweckmäßigsten dadurch gebildet, daß man die obengenannten dibasischen dimeren Säuren auf eine Temperatur von
etwa 18o bis 26o°C erhitzt und den zweckentsprechenden Alkohol, nämlich Methanol, Äthanol oder Propanol, kontinuierlich,
langsam und unter der Oberfläche zu der heißen dimeren Säure zusetzt, bis die dimere Säure auf die Hälfte
ihrer theoretischen Säurezahl umgesetzt worden ist. Im allgemeinen sind die molaren Mengen von umgesetztem
Dimeren und Alkohol derart bemessen, daß je Mol dimere Säure o,5 bis 1,5 Mol, vorzugsweise o,85 bis 1,15 Mol,
Alkohol umgesetzt wird. Falls ein molarer Überschuß von Alkohol zur Verfügung steht, soll die Reaktion fortgesetzt
werden, bis eine niedrige Säurezahl erhalten worden ist, während, falls ein molarer Überschuß an Dimerem
vorhanden ist, die Reaktion am besten angehalten wird, wenn ein geeigneter Abfall in der Säurezahl stattgefunden
hat, was leicht berechnet werden kann, wenn man berücksichtigt, daß etwa 5o$ der zur Verfügung stehenden
Hydroxylgruppen reagiert haben. Das sich ergebende veresterte Produkt ist eine Mischung, die hauptsächlich Monoesterdimerat
und etwas Diesterdimerat und nicht-umgesetzte
dimere Säure umfaßt. Der Methylester ist der bevor-
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;':. O ■■.,..,■■■_■■■ - 7 -
zugte Monoester bei dem Verfahren gemäß der Erfindung.
Bei praktischen Anwendungen ist es im allgemeinen
nicht möglich, die Komponenten der obengenannten veresterten Zusammensetzungen wegen der in Betracht kommenden wirtschaftlichen Kosten zu trennen. Es ist jedoch
überraschenderweise gefunden worden, daß es nicht notwendig
ist, die Komponenten des Veresterungsprodukts zu trennen, um im wesentlichen die Vorteile abzuleiten,
welche mit den Monoesterdimerat erzielt werden, das nicht
mit nicht-umgesetzter dimerer Säure und Diesterdimerat
verunreinigt ist. Es ist nicht klar, warum dies der Pail
ist, aber es kann theoretisch angenommen werden, daß das Monoesterdimerat die Metallseifenschlamme löslich macht,
welche dimere Säuren mit Aluminium, Kupfer und Titan bei
Metallbearbeitungsvorgängen bilden, was zur Folge hat, daß eine Verfleckung im wesentlichen verhindert wird und die
dimere Säure in aktiver Form bleibt. Bei solchen Zusammensetzungen soll das Monoesterdimerat wenigstens 25 Gew.$
der Mischung von Dimeren und vorzugsweise wenigstens
5o Gew.^ der Mischung umfassen, um optimal wirksam zu
sein.
Während die Monoesterdimerate gemäß der Erfindung
an sich bei Metallbearbeitungsvorgängen benutzt werden können, ist es sehr zweckmäßig, die Monoesterdimerate mit
billigen Mineralölträgern zu verdünnen. Geeignete Mineralölträger für die Monoesterdimerate sind leichte Mineralöle mit einer Viskosität von etwa loo bis looo SUS
(Saybolt-Universal-Sekunden) bei 38°C (loo°F). Im allgemeinen soll das Monoesterschmiermittel etwa 5 bis 2o Gew.$,
vorzugsweise etwa Io bis 15 Gew.5», des Mineralölträgers
umfassen. Andere geeignete Träger, wie z.B. Sojabohnenöl,
können ebenfalls zur Anwendung gelangen.
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Die Schmiermittelzusammensetzungen gemäß der Erfindung
können auf das zu bearbeitende Metall vor dem Metallbearbeitungsvorgang in irgendeiner geeigneten Weise aufgebracht
werden, welche eine gründliche Berührung der Oberfläche des Metalls gewährleistet. Beispielsweise kann das
Schmiermittel auf das Metall aufgebürstet oder-gesprüht werden, oder das Metall kann in einem Bad des Schmiermittels
eingetaucht werden. Bei mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Metallformungsvorgängen wird -das Schmiermittel
vorzugsweise auf das zu bearbeitende Metall gesprüht oder das Metall wird in ein Bad des Schmiermittels eingetaucht.
Wenn die letztgenannten Anwendungsverfahren bei Metallbearbeitungs-vorgängen, die Aluminium, Kupfer und Titan
einschließen, benutzt werden, sind die, zweibasische dimere Säure enthaltenden Schmiermittel besonders empfänglich
für die Bildung von Metal lseifenschlanimen infolge der
fortgesetzten Aussetzung gegenüber diesen Metallen. Die Monoesterdimerate gemäß der Erfindung werden besonders
bevorzugt, wenn diese Verfahren zum Aufbringen des Schmiermittels zur Anwendung gelangen.
Gemäß der Erfindung wird das Monoesterdimerat-Schmiermittel
zuerst auf das zu bearbeitende Metall aufgebracht und dann wird das Metall einer oder mehreren Metallbearbeitungsvorgängen,
wie z.B. den vorstehend erörterten Metallbearbeitungsvorgängen, unterworfen. Wenn der Metallbearbeitungsvorgang
vollendet ist, ist es oft erwünscht, den Schmiermittelüberzug bei dem Metall in einem Entfettungsvorgang
zu entfernen. Irgendein geeigneter Entfettungsvorgang kann zur Anwendung gelangen, aber vorzugsweise wird
das Schmiermittel mit einem Hochgeschwindigkeits-Sprühstrahl von Trichloräthylen entfernt.
Es ist ein überraschendes Merkmal der Erfindung, daß selbst nachdem die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
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verwendeten Schmiermittelzusammensetzungen von dem Metall,
d.h* von dem Aluminium, Kupfer oder Titan, entfernt worden sind, die Korrosionsbeständigkeit dieser Metalle
sehr" stark erhöht wird. Es ist ersichtlich, daß dies
ein Passivierungseffekt ist, welcher die Oberfläche dieser
Metalle im wesentlichen farblos und unverändert beläßt.
Das Metallbearbeitungsverfahren gemäß der Erfindung ist besonders vorteilhaft für die Bearbeitung von Aluminium,
v/eil das Verflecken von Aluminium infolge von bei den Metallbearbeitungsvorgängen benutzten Schmiermitteln
ein ernsthaftes Problem ist. Es ist gefunden worden, daß
dieses Problem im wesentlichen durch die Anwendung der Schmiermittelzusammensetzung gemäß der Erfindung bei
Metallbearbeitungsvorgängen, die Aluminium umfassen, ausgeschaltet wird.
Zu den legierungen, die in dem Rahmen der Erfindung eingeschlossen sind, gehören insbesondere Legierungen von
Aluminium, Kupfer und Titan mit Kupfer, Mangan, Zink, Magnesium und Silicium, z.B. Messing, Bronze und Duraluminium.
In den folgenden Beispielen werden mehrere bevorzugte
Ausführungsformen des Verfahrens zum Sehmieren von Metallbearbeitungsvorgängen,
bei denen Aluminium, Kupfer und Titan eingeschlossen sind, wie angegeben, veranschaulicht.
Soweit nichts anderes angegeben, sind die Prozentsätze und Verhältnisse auf das Gewicht bezogen.
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- Io -
Es wird eine Schmiermittelzusammensetzung gebildet,
die 9o Gew.^ eines leichten Erdöls mit einer Viskosität
von loo Saybolt-Universal-Sekunden bei 380C (loo°P)
und Io Gew.^. des Methylmonoesters eines Dimeren von Ölsäure
enthält. Diese Zusammensetzung wird kontinuierlich auf Aluminiumrohlinge gesprüht, welche eine Dicke' von
1,63 mm (o,o64 inch) haben. Der Überschuß des nicht-anhaftenden Schmiermittels wird gesammelt und für darauffolgende
Anwendungen umlaufen gelassen.
Die geschmierten Aluminiumrohlinge werden in eine loo-Tonnen-Zieh- und -Formpresse gelegt und in vier Ziehvorgängen
zu kleinen tiefgezogenen, zylindrischen Bechern von etwa 5o mm (2o inch) Höhe mit einem Durchmesser von
25 mm (Io inch) gezogen. Der sich ergebende Becher, der gebildet ist, ist korrosionsbeständig,und es ist infolge
des bei dem Verfahren verwendeten Schmiermittels keine ;
Fleckenbildung vorhanden.
Die wieder umlaufengelassene Schmiermittelzusammensetzung
zeigt keine Schlammbildung.
Es wird eine Schmiermittelzusammensetzung, die eine Mischung von Methylmonoester einer dimeren Säure und -diesterdimerat
und nichtumgesetzter dimerer Säure umfaßt,
auf die folgende Weise hergestellt:
Das Dimere von Ölsäure wird auf 21o°C erhitzt und Methanol wird langsam kontinuierlich und unter der Oberfläche
zu der erhitzten dimeren Säure zugesetzt, bis die
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dimere Säure auf 1/2 ihrer theoretischen Säurezahl umgesetzt worden ist. Die sich ergebende Zusammensetzung ist
eine Mischung, die den Methylmonoester der dimeren Säure,
den Dimethylester der dimeren Säure und nicht-umgesetzten dimeren Säure1umfaßt. Der Monoester umfaßt etwa 5ο Gew.^
der Mischung.
Es wird eine Schmiermittelzusammensetzung hergestellt, die 8o Gew.$ eines leichten Erdöls mit einer Viskosität
von loo Saybolt-Universal-Sekunden bei 380C (ΐοο°Ρ) und
2o Gew.$ der obengenannten Dimeratmischung umfaßt. Y/enn
diese Zusammensetzung bei dem Metallbearbeitungsvorgang gemäß Beispiel 1 zur Anwendung gelangt, werden im wesentlichen
die gleichen Ergebnisse erzielt.
Wenn die Schmiermittelzusammensetzung des Beispiels beim Pressen oder Stanzen von Kupferrohlingen zur Herstellung
von Schalen angewendet wird, werden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erzielt, insofern als keine Fleckenbildung
infolge des Schmiermittels erfolgt und das Kupfer korrosionsfest gemacht wird.
Wenn die Schmiermittelzusammensetzung gemäß Beispiel 2 beim Pressen, oder Stanzen von Titanrohlingen angewendet
wird, werden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erzielt, insofern als keine !Fleckenbildung infolge des
Schmiermittels erfolgt und das Titan korrosionsfest gemacht
wird.
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Claims (12)
1. Schmiermittelzusammensetzung, die zur Verwendung bei der Metallbearbeitung geeignet ist, gekennzeichnet
durch
(a) etwa 8o bis loo Gew.$ (8o bis 95 Gew.$) einer Trägerflüssigkeit, und
(b) etwa 5 bis 2o Gew.$ eines Veresterungsreaktionsprodukts,
das von einem niedrigen Alkylalkohol und einer
dimeren Säure mit 32 bis 44 Kohlenstoffatomen abgeleitete
Ester umfaßt, wobei das Reaktionsprodukt wenigstens 25 Gew.%
des Monoesterdimerats enthält.
2. Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Veresterungsreaktionsprodukt
wenigstens 5o Gew.i<> des Monoesterdimerats enthält.
3· Schmiermittelzusammensetzung, gekennzeichnet durch
(a) etwa 8o bis loo Gew.$ (8o bis 95 Gew.$) einer Trägerflüssigkeit,
und
(b) 5 bis 2o Gew.$ des Reaktionsprodukts, das durch Veresterung
von 1 Mol dimerer Säure mit 32 bis 44 Kohlenstoffatomen
mit o,5 bis 1,5 Mol eines niederen Alkylalkohols erhalten ist.
4. Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsprodukt durch Veresterung
von 1 Mol dimerer Säure mit o,85 bis 1,15 Mol niederem Alkylalkohol erhalten ist.
5. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerflüssigkeit aus einem Mineralöl mit einer Viskosität von
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etwa loo bis Ioοο STJS (Saybolt-Universal-Sekunden) bei
380C besteht.
6. Schmiermittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der niedere
Alkylalkohol aus der Gruppe aus Methanol, Äthanol oder '
Propanol ausgewählt ist»
7. Schmiermittelzusammensetzung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsprodukt etwa Io bis 15 Gew. fo des Schmiermittels ausmacht und daß die
dimere Säure 36 Kohlenstoffatome enthält.
8. Verfahren zum Schmieren von Metallbearbeitungsvorgängen, dadurch gekennzeichnet, daß man auf ein Metall
während eines Metallbearbeitungsvorgangs das Esterreaktionsprodukt von etwa 1 Mol dimerer Säure mit einem Gehalt
von etwa 32 bis 44 Kohlenstoffatomen und etwa 1 Mol eines
niederen Alkylalkohols aufbringt.
9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Metall aus Aluminium, Kupfer,
Titan oder ihren legierungen besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9i dadurch gekennzeichnet,
daß das Reaktionsprodukt in einer Trägerflüssigkeit enthalten ist.
11. Verfahren nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerflüssigkeit aus einem Mineralöl mit
einer Viskosität von etwa loo bis looo SUS bei 380C besteht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsprodukt in einer Menge
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von etwa Io bis 15 Gew.$ vorhanden ist und daß der niedere
Allylalkohol aus der Gruppe aus Methanol, Äthanol oder Propanol ausgewählt ist.
13» Zusammensetzung, die zur Verwendung bei der
Metallbearbeitung- geeignet ist, gekennzeichnet durch
(a) etwa 8o bis loo Gew.$ (8o bis 95 Gew. ^) eines Mineralöls
mit einer Viskosität von etwa loo bis looo SUS bei 380C, und
(b) etwa 5 bis 2o Gew.$ eines niedrigen Alkylmonoesters
einer dimeren Säure mit etwa 32 bis 44 Kohlenstoffatomen.
14# Zusammensetzung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der Alkylanteil des Monoesters aus einem Monomethyldimerat besteht und etwa 36 Kohlenstoffatome
enthält.
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