DE2241169A1

DE2241169A1 - Schmiermittel

Info

Publication number: DE2241169A1
Application number: DE2241169A
Authority: DE
Inventors: Iwao Kawasaki; Hiroshi Nakamura; Masanaga Okabe; Takeharu Umezu
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1971-10-30
Filing date: 1972-08-22
Publication date: 1973-05-03
Also published as: FR2158265A1; IT969997B; JPS4850967A; GB1376803A; BE790599A; JPS5217514B2; SE379370B; FR2158265B1

Description

METALLGESELLSCHAFT Frankfurt (M), 18. August 1972 Aktiengesellschaft DrBr/MMU
Frankfurt (M)

prov. Hr, 7031 K

Schmiermittel

Die Erfindung bezieht sich, auf eine verbesserte wässrige Schmiermittelüberzugslösung zur Erleichterung der Kaltbearbeitung metallischer Werkstücke, z.B. Stahl, und insbesondere solcher, die schwierig zu bearbeiten sind, wie rostfreier Stahl und dergleichen.

Bei der Kaltbearbeitung von Metallen, z.B. Stahl, und insbesondere rostfreiem Stahl, ist es üblich, die Y/erkstücke vor dem Auftrag eines Schmiermittelüberzüges mit einem chemisch aufgebrachten (Conversions-)Überzug zu versehen. Die chemische Überzugsbehandlung, z.B. mit Phosphaten, Oxalaten oder organischen oder anorganischen Verbindungen von Metalloxiden, wird durchgeführt, da die bekannten Schmiermittel häufig in ihren Eigenschaften unzureichend sind, so daß die chemischen Überzüge .als Schmiermittelgrundlage notwendig sind.

Übliche zur Kaltbearbeitung von Metallen, z.B. Stahl, häufig verwendete Schmiermittel sind Seifenlösungen und Öle. Zu den öligen Schmiermitteln zählen öl-in Wasser-und Wasser-in-Öl-Emulsionen. Ein weiterer Typ von Schmiermitteln wird durch Mischen solcher Emulsionen mit zusätzlich einer ungesättigten Fettsäure hergestellt für die Anwendung zur Kaltbearbeitung ohne vorherige Behandlung. Diese Schmiermittel können jedoch nicht verwendet werden für schwerere Verformungen, und selbst bei Anwendung eines vorher aufgebrachten chemischen Überzugs kann eine ausreichende Schmierwirksainkeit bei intensiver Bearbeitung von diesen Schmiermitteln nicht erwartet werden.

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OHiOtNAL INSPECTED

Bei relativ intensiver Kaltbearbeitung v/erden daher wasserlösliche, reaktive Fettsäureseifen als Schmiermittel in Verbindung mit einem chemischen Grundüberzug benutzt. Diese Schmiermittel enthalten Natrium- oder Kaliunstearat oder -oleat, die durch Reaktion mit dem Grundüberzug unlösliche Metallseife bilden. Auf Grund ihrer Wasserlöslichkeit können die Alkaliseifen in wässriger Lösung in einer Konzentration von 1 bis 10 % als Schmiermittelüberzugslösung angewendet werden. Da die Kaltbearbeitung als sehr vorteilhaft und wirtschaftlich in Anlagen mit großtechnischer Massenproduktion erachtet wird, werden Schmiermittel dieser Art allgemein in weitem Umfang verwendet.

Die Tendenz geht neuerdings dahin, die Kaltbearbeitung unter intensiveren Bedingungen durchzuführen. Um die Produktionseffizienz zu erhöhen, werden höhere Anforderungen gestellt, z.B. werden Querschnittsreduktionen von mehr als 50 %■ und Ziehgeschwindigkeiten von mehr als 50 m/Min, verlangt für die Herstellung von Rohren aus rostfreiem Stahl. Die gleichzeitige Erreichung einer Querschnittsreduktion von AO. % und einer Ziehgeschwindigkeit von 40 m/Min, ist jedoch auch mit den, üblichen reaktiven Seifenschmiermitteln nicht möglich, da Ihre Wirksamkeit für die schwereren Bedingungen nicht ausreicht. Zur Anpassung an solche Bedingungen ist es notwendig, Metallseifen, z.B. Calzium-, Barium-, Magnesium-, Aluminium- oder andere Metallstearate, die durch Umsetzung von Erdalkalimetallen oder niedrigmolekularem dreiwertigen Metall mit Stearinsäure hergestellt werden, zu Hilfe zu nehmen. Da die Herstellung von stabilen wässrigen Dispersionen einer unlöslichen Metallseife von zwei- oder dreiwertigen Metallen auf Grund von deren Eigenschaften schwierig Ist, war es bisher nicht möglich, ein solches für die genannten schweren Arbeitsbedingungen geeignetes stabiles Schmiermittel in Form einer wässrigen Lösung in einer Kon-

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zentration von 1 bis 10 % zur Verfügung zu stellen.

Schmierfette sind ein anderer Schmiermittel-Typ, die die erwähnten unlöslichen Metallseifen enthalten, aber diese stellen halb-feste und halb-flüssige Schmiermittel dar, bei denen mechanisch eine unlösliche Metallseife in ein flüssiges Schmieröl, im allgemeinen Mineralöl,- eindispergiert ist und die hauptsächlich zur Lagerschmierung verwendet werden. Bei solcher Schmierung wird eines der Metalle, die miteinander in Berührung stehen, einer plastischen Verformung unterworfen und das Schmiermittel bewirkt einfach eine Interfacialschmierwirkung in dem Lager. Solche Schmiermittel können daher in keiner Weise angewendet werden für die komplizierte Schmierung bei der Kaltbearbeitung in der großtechnischen Massenproduktion, wie sie bei der oben erwähnten Bearbeitung von Rohren, Drähten und dgl. mit hohen Reduktionen in Betracht zu ziehen ist. Hierbei muß das Schmiermittel ganz andere Eigenschaften aufweisen, und es wird zur Erzielung ganz anderer Wirkungen benutzt als " dies bei den einfachen Schmiermitteln für Lager der Fall ist.

Durch die Erfindung werden nun verbesserte wässrige Mittel zum Aufbringen von Schmiermittelüberzügen auf Metalle für deren Kaltbearbeitung geschaffen. Sie sind stabil und auch für hohe Reduktionen bei der Kaltbearbeitung von Rohren · und Draht aus rostfreiem Stahl in großtechnischer Produktion geeignet, in einer Konzentration von 1 bis 10 % anwendbar und haben eine lange stabile Standzeit.'

Erfindungsgemäß ist die wässrige Suspension zum Aufbringen von Schmiermittelüberzügen auf Metalle für die Kältbearbeitung dadurch gekennzeichnet, daß sie Calzium-, Magnesium-, Aluminium- und/oder Bariumstearat einzeln oder im Gemisch in einer Menge von 5 bis 50 g/l, ein oder mehrere ober-

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flächenaktive Stoffe aus den Gruppen der kationaktiven Mittel des quateraären aliphatischen Amonnium-Typs von Fettsäureaminen, der nichtionogenen Mittel vom Nonylphenol-Typ und der anbnaktiven Mittel vom Natrium-Alkylbenzolsulfonat-Typ in einer Menge von 0,3 bis 10 g/l, weiterhin eine Ligninverbindung in einer Menge von mindestens 0,3 g/l und außerdem Chlorparaffin mit einem Chlorgehalt von weniger als 40 % und/oder sulfuriertes Fettöl mit einem Schwefelgehalt von weniger als 10 % in einer Menge von 0,3 bis 20 g/l enthält.

Wenn der Gesamtbetrag an Metallseifen in den erfindungsgemäßen Schmiermitteln weniger als 5 g/l beträgt, haftet an den behandelten Metalloberflächen eine geringere Menge an Seifen als sie für die hohe Reduktion bei der Kaltbearbeitung erforderlich ist. Wenn die Menge 50 g/l überschreitet, wird eine beträchtliche Menge im Überschuß über die für die Bearbeitung erforderliche Menge in unwirtschaftlicher Weise abgekratzt vor den Werkzeugen. Das oberflächenaktive Mittel als Dispersionshilfsmittel soll in einer Konzentration von mindestens 0,3 g/l angewendet werden. Wenn die angewendete Menge mehr als 10 g/l beträgt, wird die Oberflächenspannung in einem solchen Maße erniedrigt, daß die Metallseife nur in geringer Menge auf dem Basismetall haften bleibt, wodurch sich eine unvorteilhafte Schmierwirkung ergibt. Als Ligninverbindungen, die eine wesentliche Komponente der erfindungsgemäßen Schmiermittel als Dispersionsstabilisator darstellen, können außer den bereits erwähnten höchst wirksamen Natriumthioligninsulfonat beispielsweise verwendet werden Thiolignin, Calziumthioligninsulfonat, Magnesiumthioligninsulfonat, Thioligninsulfolimin usw. Sie können wirksam zur Erzielung der erfindungsgemäßen^ Zwecke eingesetzt werden, und eine überschüssige Menge davon ruft keine Nachteile hervor, wie dies bei anderen oberflächenaktiven Mitteln normalerweise der Fall ist. Es wurde gefunden, daß sie etwas die Schmierwirkung unterstützen. In einer Menge von weniger als 0,3 g/l haben sie eine zu niedrige Stabilisierungswirkung für die Dispersion.

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Tabelle 1

Dispersions- Disperions- Absetzgeschwindigkeit hilfsmittel stabilisator v.Calziumstearat

cm/Std.

Calciumstearat Quaternäfes
30 g/l Ammoniumsalz

von Fettsäure- 0 . 16

amin 6 g/l

dgl.. Nonylphenol-

äthylenoxid 0 14

6 g/l .

dgl. Nonylphenol- Natriumthiolig-

äthylenoxid ninsulfonat 4

6 g/l 0,1 g/l

dgl. Nonylphenol- Natriumthiolig-

äthylenoxid ninsulfonat 0,2

• 6 g/l 0,3 g/l

Tabelle 1 zeigt den Einfluß der Ligninverbindung auf die Dispersionsstabilität.

Durch den Zusatz eines ausgewählten oberflächenaktiven Mittels als Dispersionshilfsmittel und einer ausgewählten Ligninverbinduni als Dispersionsstabilisator kann eine stabile Dispersion einer Metallseife hergestellt werden, die für eine beträchtlich hohe Reduktion bei der Kaltverformung verv/endet v/erden kann. Eine
solche Dispersion kann keinesfalls erzielt v/erden unter Verwendung von üblichen oberflächenaktiven Mitteln allein. Eine derartige Dispersion ist jedoch noch unzureichend für die Schmierung bei noch höheren Reduktionen bei der Kaltverformung wie
oben ausgeführt. Eine außerordentlich stabile und höchst v/irksame Schmiermittelüberzugslösung läßt sich herstellen durch weiteren Zusatz von Chlorparaffinen und/oder sulfurierte Fettöle
in einer Menge von mindestens von 0,3 g/l bis zu 20 g/l. Die
vorgenannten "Chlorparaffine¹¹ können durch die allgemeine For-

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mel C_nHp_n+2__m *Cl_m dargestellt werden. Mit Rücksicht auf eine Korrosion der Werkzeuge sollte der Chlorgehalt weniger als 40 Gew.-% betragen.

"Sulfuriertes Fettöl" wird hergestellt durch Zusatz von Schwefel in ein Fettöl wie beispielsweise Schmalzöl oder Spermwalöl und der Schwefelgehalt sollte weniger als 10 ^ betragen, aus dem gleichen Grunde wie beim Chlorparaffin.

Beispiele 1 bis 6

Zum Vergleich mit den erfindungsgemäßen Schmiercnitteluberzugclösungen iJr. 1 bis 6 wurden Schmiermittel A, B und C verwendet. Die Schmiermittel hatten folgende Zusammensetzung:

Schmiermittelüberzugslösung A 79^ige wässrige Lösung eines Allzweckschmiermittels vom Natriuiastearatseifen-Typ

Schmiermittelüberzugslösung B Calciumstearat 30 g/l

Quaternäres Ammoniumsalζ von Cocosnußölamin mit Athylenoxid-^usa"C"

Natriumthioligninsulfonat 3 g/l Wasser Rest auf 1 Liter

Schmiermittelüberzugslösung C

Chlorparaffin (Cl-Gehalt : 40 %) wird in einer Menge von 0,1 g/l zu Mittel B zugegeben.

Schmiermittelüberzugslösung Nr.

Chlorparaffin (Cl-Gehalt: 40 %) v/ird Mittel B in einer Menge von 0,3 g/l zugesetzt.

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Schmiermitteluberzugslösung Nr. 2

Calciurastearat 20 g/1

BariuiTistear'at _ 10 ^M

Nonylphenoläthylenoxid I)MoI AO) 3 "

Natriumthionigninsulfonat 3 "

Chlorparaffin (Cl-Gehalt : 40 %) 20 "

Wasser Rest

Sciimiermittelüberzugslösung Nr. 3

Sulfur!ertes Schmalzöl (S-Gehalt :'5 %)

in einer Menge von 0,3 g/l als Ersatz für Chlorparaffin in

Mittel 1.

Schmi errnitt elüberzugslösung Nr., 4

Aluminiumstearat
Magnesiumstearat

Nonylphenoläthylenoxid (7 Mol ÄO) Natriumthioligninsilfonat
Chlorparaffin (Cl-Gehalt : 40 %)
Wasser

Schmiermittelüberzugslösung Nr. 5

Calciumstearat
'Magnesiumstearat
NonyD-phenoläthylenoxid (7 Mol ÄO)
Natriumthioligninsulfonat
Sulfuriertes Spermv/alöl (S-Gehalt : 10 %)
V/asser

Schpiermittelüberzugslösung Nr. 6

Calciumstearat
Natriumalkylbenzol-sulfonat
Natriumthioligninsuifonat
Chlorparaffin (Cl-Gehalt : kO%)
V/asser

20	g/1	g/1	g/1
10	Il	Il	g/1
3	It	I!	I!
O₁	,3 g/1	It	It
3	g/1	It	Rest
Rest	Rest
15	5
15	1
3	3
3	VJl
2

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Entfettete und gebeizte reine Rohre aus rostfreiem Stahl (Typ : SUS 32; Durchmesser 38 mm χ Dicke 2,3 mm) wurden mit einem Oxalatüberzug versehen und nach Spülen mit Wasser in die auf 70 bis 75⁰C erwärmten Sdhmiermittelüberzugslösungen zwei Minuten lang eingebracht. Die Rohre wurden dann von der Lösung entnommen und 30 Minuten bei 10O⁰C an der Luft getrocknet. Die Rohre wurden mit einer Geschwindigkeit von 45 m/min und einer Querschnittsreduktion von 45 % gezogen. Die bei den einzelnen Mitteln erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Schmiermittel Fressen % Brechen Aussehen

70

10

Oxalatüberzug teilweise weg und rohe Oberfläche des Baßismetalls offengelegt

30

Fressen tritt nur auf der Innenseite des Rohres auf. Die Außenseite behält homogenen braunen Glanz

20

etwas besser als bei Mittel B erhalten

Sowohl die Innen- als auch die Außenseite des Rohres behält braune homogene Oxaiatschicht mit Glanz

2	O	0	wie bei Mittel 1
3	0	0	η
4	0	0	ti
5	0	O	η
6	O	O	η I— ■- - ■■■ - — - „I. . I .,»ι..,,

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Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, läßt sich ein beträchtlicher Unterschied in der Schmierwirkung bei der Kaltverformung metallischer YJerkstücke mit holren Reduktionen feststellen, zwischen einem Schmiermittel auf -Basis einer reaktiven wasserlöslichen Fettsäureseife (Mittel A) und solchen die unlösliche Metallseifen enthalten (Mittel B und C). Ss kann jedoch ein deutlicher Unterschied festgestellt v/erden in Bezug auf die Schmieiwirkung und die Stabilität zwisehen Schmiermitteln des letzteren Typs (Mittel B und C) und denen gemäß in der vorliegenden Erfindung (Mittel Nr. 1 bis 6).

Um die Schmierwirksamkeit der erfindungsgemäßen Mittel auf dem Basismetall ohne irgendeinen Grundüberzug darzulegen, wurde ein Vergleich der Kaltverformung mit einem Schmiermittel vom Typ der wasserlöslichen reaktiven Fettsäureseife (Mittel A) einerseits und einem Schmiermittel gemäß Erfindung (MIttel Nr.2) andererseits wie folgt durchgeführt:

Entfetteter und gebeizter reiner rostfreier Stahldraht (Typ : SUS 27; Durchmesser 2,3 mm) wurde für zwei Minuten in die auf 70 bis 75°C erwärmte Schraiermittelüberzugslösung Nr. 2 eingetaucht. Nach Entnahme aus dem Schmiermittelbad wurde der Draht 30 Minuten bei 100°C an der Luft getrocknet. Beim Ziehen des Drahtes vom ursprünglichen Durchmesser von 2,3 μ auf 1,86 mm in einem Zug bei einer Ziehgeschwindigkeit von 65 m/min (Querschnittsreduktion 34,5 %) wurden keine Fehler, wie beispielsweise Fressen, Vertiefungen usw., festgestellt. Die Oberfläche des Drahtes war glatt und es konnten keine Ziehriefen bemerkt werden.

Wenn demgegenüber der Draht unter Verwendung der Schmiermittelüberzugslösung A behandelt und unter den gleichen Bedingungen gezogen wurde, entstanden eine Anzahl von Ziehriefen auf dem Draht, der schließlich riß und unter solchen Bedingungen nicht gezogen werden konnte.

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Claims

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Patentanspruch

Wässrige Suspension zum Aufbringen von Schmiermittelüberzügen auf Metalle für die Kaltb'earbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Calziura-, Magnesium-, Aluminium- und/oder Bariumstearat einzeln oder im Gemisch in einer Menge von 5 bis 50 g/l, ein oder mehrere oberflächenaktiven Stoffe aus den Gruppen der kationaktiven Mittel des quaternären aliphatischen Ammonium-Typs von Fettsäureaminen, der nichtionogenen Mittel vom Nonylpher.ol-Typ und der anionaktiven Mittel vom Natriuis-Alkylbenzolsulfonat-Typ in einer Menge von 0,3 bis 10 g/l, weiterhin eine Ligninverbindung in einer Menge von mindestens 0,3 g/l und außerdem Chlorparaffin mit einem Chlorgehalt von wenige: als 40 % und/oder sulfuriertes Fettöl mit einem Schwefelgehalt von weniger als 10 % in einer Menge von 0,3 bis 20 g/l enthält.

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