DE2506665C2 - Verfahren zur Vorbereitung von Aluminium und Aluminiumlegierungen für die Kaltumformung - Google Patents

Verfahren zur Vorbereitung von Aluminium und Aluminiumlegierungen für die Kaltumformung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorbereitung von Aluminium und Aluminiumlegierungen für die Kaltumformung durch Aufbringen einer Schmiermittelträger-Schicht.
Werkstücke aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die eine Kaltumformung erfahren sollen, werden üblicherweise mit einem Schmiermittelfilm versehen. Hierdurch wird bezweckt, Kaltverschweißungen zwischen dem Aluminium und dem Werkzeug zu vermeiden uiid eine gute Qualität der verformten Werkstücke sowie eine hohe Werkzeugstandzeit zu erzielen. Als Schmiermittel werden häufig Metallstearate oder andere Seifen verwendet Für schwerere Umformungen gelangen auch Festschmierstoffe, wie Graphit oder Molybdändisulfid enthaltende Schmiermittel auf Mineralöl-Basis zur Anwendung. Für manche Umformungen genügen die Schmiermittel allein zur effektiven Trennung zwischen Werkstück und Werkzeug bei der Umformung jedoch nicht.
Es ist auch bekannt, zur Vorbereitung für die Kaltumformung zunächst eine Phosphatschicht auf die t>o Aluminiumwerkstücke aufzubringen, die mit den Oberflächen fest verwachsen ist, als Haftgrund für das Schmiermittel dient und in Verbindung mit diesem eine erhöhte Wirksamkeit als Trennschicht erbringt. Die Erzeugung geeigneter Phosphatschichten auf den br> Aluminiumwerkstücken ist in der Durchführung jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, da eine genaue Überwachung und Ergänzung des Phosphatierungsbades sowie die Einhaltung spezifischer Verfahrensparameter notwendig sind. Bei Umformungsversuchen mit schwersten Anforderungen kann sich die Trennschicht auch als nicht ausreichend erweisen.
Es liegt daher die Aufgabe vor, eine Arbeitsmethode anzugeben, mit der es ermöglicht wird, sowohl in einem einfacher durchzuführenden Verfahren eine Schmiermittelträger-Schicht auf Werkstücke aus Aluminium und Aluminiumlegierungen aufzubringen, ais auch eine Schicht zu erzielen, die auch erhöhten Anforderungen bei der Umformung der Werkstücke genügt
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Aufbringung der Schmiermittelträger-Schicht auf die Werkstücksoberflächen eine wäßrige Lösung, die ein lösliches Erdalkalimetallsalz, vorzugsweise Calciumsalz, sowie Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid enthält und einen pH-Wert von über 8, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 13, aufweist, verwendet wird.
Die erfindungsgemäß angewendete Oberzugslösung wird zweckmäßig bei Temperaturen zwischen 50 und 100° C mit den zu verformenden Werkstücken, gegebenenfalls nach einer reinigenden Vorbehandlung, in Berührung gebracht um eine festhaftende Überzugsschicht zu erzeugen. Die Behandlung der Werkstücke erfolgt zweckmäßig im Tauchverfahren. Die Dauer der Behandlung beträgt im allgemeinen etwa 2 bis 30 Min. Ein Schichtgewicht der behandelten Teile im Bereich von 3 bis 8 g/m2 hat sich als vorteilhaft erwiesen.
Mit Hilfe der erfindungsgemäß angewendeten Überzugslösung werden haftfeste Schichten erzeugt, die in Verbindung mit Schmiermitteln eine sehr gute Trennung zwischen Werkstück und Werkzeug auch bei schweren Umformungen bewirken.
Die erfindungsgemäße Arbeitsweise läßt sich für die Praxis besonders günstig und einfach gestalten, indem man für die Herstellung der Behandlungslösung von einem festen Gemisch ausgeht, welches Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid sowie ein wasserlösliches Erdalkalimetallsalz enthält, wobei der Gehalt an Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid vorzugsweise so bemessen wird, daß die wäßrige Lösung den gewünschten pH-Wert von über 8, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 13, ergibt. Bei zu niedrigen pH-Werten besteht die Gefahr, daß die Alkalität der Behandlungslösung bei ihrer Anwendung zu rasch abnimmt und damit die Schichtbildungsreaktion zu langsam verläuft Ein zu großer Überschuß an Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid ist nicht grundsätzlich schädlich, würde aber zu nicht mehr löslichen Anteilen im Bad führen; dies sollte zweckmäßig vermieden werden, um die Behandlungslösung nicht schon von Anfang an unnötig mit unlöslichen Komponenten zu belasten.
Der Einsatz der genannten Gemische zur Herstellung der erfindungsgemäß zu verwendenden Behandlungslösungen hat für die Praxis den Vorteil, daß rieselfähige und damit leicht handhabbare Ausgangsprodukte zur Verfügung gestellt werden können.
Vorzugsweise werden bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise Cäsiumverbindungen eingesetzt. Als wasserlösliche Salze können z. B. die Nitrate, Chloride, Bromide, Borate oder Acetate oder Gemische hiervon eingesetzt werden.
Geeignete Mischungen zum Ansatz des Überzugsbades sind beispielsweise Gemische aus 78 Gew.-% CaCI2 und 22 Gew.-% Ca(OH)2 oder 73 Gew.-o/o Ca(NOj)2 und 27 Gew.-% Ca(OH)2.
Die Behandlungslösung wird hergestellt, indem unter ständigem Rühren das Gemisch, bestehend aus Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid und Erdalkalimetallsalz langsam in Wasser aufgelöst wird. Zur Beschleunigung des Lösungsvorgangs kann die Temperatur des Bades angehoben werden zwischen 50 und 1000C Eine leichte Trübung des Bades, verursacht durch nicht völlig in Lösung gegangenes Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid, ist nicht störend.
Die Gesamtkonzentration der gelösten Erdalkalimetallionen soll zweckmäßig im Oberzugsbad mindestens etwa 5 g/l betragen, damit das Bad nicht zu schnell abgearbeitet wird; der Bereich zwischen 5 und 20 g/l hat sich als günstig erwiesen. Zu hohe Konzentrationen sind an sich nicht schädlich; sie werden jedoch vermieden, da die Anschleppverluste dann sehr groß wären und das Bad unwirtschaftlich arbeiten würde.
In dem, wie vorstehend beschrieben, bevorzugt angesetzten Bad werden die zu verformenden Werkstücke, gegebenenfalls nach einer Reinigung, bei einer Temperatur zwischen 50 und 1000C, 2 bis 30 Min. lang behandelt Die anzuwendenden Temperaturen und Tauchzeiten richten sich nach den gegebenen Heizkapazitäten, Taktzeiten, gewünschter Schichtdicke, Art und Masse der zu verformenden Teile. Für die Praxis hat sich eine Temperatur von 60 bis 800C und eine Tauchzeit von 5 bis 15 Min. als besonders zweckmäßig erwiesen.
Die Art der reinigenden Vorbehandlung der Werkstücke richtet sich nach dem Oberflächenzustand; fettige Werkstücke können in Lösungsmitteln oder wäßrigen alkalischen Reinigern gereinigt werden. Wenn erforderlich, können die fettfreien Werkstücke noch in Säuren desoxidiert werden; anschließend wird dann mit Wasser gut gespült
Nach der Behandlung der Werkstücke in dem erfindungsgemäß verwendeten Bad werden die Oberflächen mit Wasser gut gespült. Die Werkstücke können dann entweder im Ofen getrocknet und zu einem späteren Zeitpunkt an der Umformungsmaschine mit einem Schmiermittel benetzt werden, oder die Teile werden nicht getrocknet und kommen naß in ein wäßriges Schmiermittelbad, das vorzugsweise eine Temperatur von größer als 6O0C hat, damit die Werkstücke nach dem Beseifen an der Luft durch Eigenwärme trocknen können.
Die wäßrigen Schmiermittel können eine Alkaliseife oder eine Erdalkaliseifensuspension als Basis haben. Bei der Verwendung von Alkaliseifen als Schmiermittel haben sich Konzentrationen zwischen 2% und 6% gut bewährt; Erdalkaliseifensuspensionen sollen zweckmäßig eine Konzentration von 5% bis 25% Feststoff haben.
Während des Durchsatzes von Werkstücken durch das erfindungsgemäß angewendete und bevorzugt angesetzte Bad verarmt das Bad an Alkalität und Erdalkalimetallionen. Eine Radkontrolle und anschließende Ergänzung ist somit unerläßlich. Es wurde weiterhin gefunden, daß die Wirksamkeit des erfindungsgemäß verwendeten Bades auf einfache Weise durch eine Ergänzung mit einer Mischung, bestehend aus Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid und Erdalkalimetallsalz, wobei das Molverhältnis von Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid zu Erdalkalimetallsalz 1 :(12 — 0,05) und vorzugsweise 1:(5 — 0,5) beträgt, aufrechterhalten werden kann.
Zur Kontrolle der Badkonzentration werden 10 ml Badprobe mit einer 0,1 η HCl-Lösung gegen Bromkresolgrün als Indikator titriert Der auf diese Weise erhaltene Titrationswert ist ein Maß für die Konzentration des Bades und die erforderliche Ergänzungsmenge
Beispiel 1
Ronden aus Aluminiumlegierung der Qualität AlMg3 wurden zur Vorbereitung der Umformung in einem Kaltfließpreßverfahren in zwei Stufen zu einem kompliziert geformten Napf wie folgt behandelt:
Die Werkstücke wurden zunächst bei 80° C und einer Tauchzeit von 10 Min. in einer Lösung auf Basis Natriumpyrosphosphat Natriumsilikat und Tensid (Konzentration 30 g/l) gereinigt und mit Wasser gespült Sie wurden dann bei Raumtemperatur und einer Tauchzeit von 5 Min. in einer Lösung auf Basis Phosphorsäure und Flußsäure gebeizt und erneut mit Wasser gespült
Die so vorgereinigten Ronden wurden dann bei 70° C und einer Tauchzeit von 5 Min. in einer Überzugslösung behandelt die durch Auflösen von 40 g/l einer festen Mischung von 78Gew,-% CaCl2 und 22Gew.-% Ca(OH)2 in Wasser hergestellt wurde (Ca-Gehalt 16 g/I). Der pH-Wert der Lösung betrug 12,5. Die Teile wurden dann mit Wasser gespült. Die erzeugten Schichten waren fest mit der Oberfläche verwachsen und hatten eine weiße Farbe. Das Schichtgewicht betrug 6 g/m2.
Die beschichteten mit Wasser gespülten Ronden wurden dann 5 Min. bei 80°C in eine 5%ige Natriumstearat-Lösung eingetaucht und anschließend an der Luft getrocknet
Die Verpressung der Ronden erfolgte in beiden Stufen einwandfrei ohne jegliche Riefenbildung.
Zum Vergleich wurden gleiche Ronden in gleicher Weise vorgereinigt dann jedoch ohne Aufbringung einer Trägerschicht 5 Min. bei 80° C in eine 5%ige Natriumstearat-Lösung getaucht und anschließend an der Luft getrocknet Bei der Verpressung dieser Ronden zeigten sich schon bei der ersten Umformstufe schwere Riefen.
Zum weiteren Vergleich wurden gleiche Ronden in gleicher Weise vorgereinigt, dann jedoch bei 7O0C und einer Tauchzeit von 10 Min. in einer für Aluminiumwerkstücke üblichen Phosphatierungslösung auf Basis Zinkphosphat behandelt und mit Wasser gespült. Das Schichtgewicht des erzeugten Phosphatüberzuges betrug 6 g/m2.
Die beschichteten mit Wasser gespülten Ronden wurden dann 5 Min. bei 80°C in eine 5%ige Natriumstearat-Lösung getaucht und an der Luft getrocknet. Die Verpressung der Ronden verlief in der ersten Stufe einwandfrei. Nach der zweiten Umformungsstufe wurden jedoch schwere Riefen festgestellt.
Beispiel 2
Es wurde eine Überzugslösung angesetzt durch Auflösen von 30 g/l einer aus 73 Ge a-.-°/o Ca(NO3J2 und 27 Gew.-% Ca(OH)2 bestehenden Mischung in Wasser. Der pH-Wert der Lösung betrug 12,5. Die Titration einer Badprobe von 10 ml mit 0,1 η HCl-Lösung gegen Bromkresolgrün ergab einen Verbrauch von 20 ml (Punktzahl 20).
Vorgereinigte Aluminiumbleche (AlMg3) wurden bei 7O0C und einer Tauchzeit von 5 Min. in der Überzugslösung behandelt. Der Gesamtdurchsatz betrug 4 m2 Oberfläche/Liter Lösung.
Jeweils nach Durchsatz von i m2 Oberfläche/Liter
5 6
Lösung wurde die Badkonzentration durch Titration Punktzahl auf den ursprünglichen Wert wurden 8,5 g/l
einer 10 ml Badprobe kontrolliert Es wurde ein Abfall Badlösung eingesetzt.
der Punktzahl um 7,6 auf 12,4 festgestellt Das Bad Während des Gesamtdurchsatzes konnten keine
wurde dann ergänzt mit einer Mischung aus 67 Gew.-% Unterschiede im Schichtgewicht (5 bis 7 g/m2), Ausse-
Ca(NO3)J und 33 Gew.-% Ca(OH)2 (Mol-Verhältnis von , hen und in der Haftfestigkeit der erzeugten Überzüge
Ca(OH)2 : Ca(NO3)2 = 1 :0,9). Zur Anhebung der festgestellt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Vorbereitung von Aluminium und Aluminiumlegierui gen für die Kaltumformung durch Aufbringen einer mit der Oberfläche fest ϊ verwachsenen Schmiermittelträger-Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufbringung der Schicht eine wäßrige Lösung, die ein lösliches Erdalkalimetallsalz sowie Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid enthält und einen pH-Wert von über 8, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 13, aufweist, verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufbringung der Schicht verwendete wäßrige Lösung aus einer festen Mischung, die Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid sowie ein wasserlösliches Erdalkalimetallsalz enthält, hergestellt wird, wobei vorzugsweise der Gehalt an Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid so bemessen ist, daß sich ein pH-Wert der Lösung von über 8, vorzugsweise 10 bis 13, ergibt
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufbringung der Schicht verwendete Lösung mit einem festen Gemisch, das Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid und ein wasserlösliches Erdalkalimetallsalz enthält, ergänzt wird, wobei in dem Gemisch das Mol-Verhältnis von Erdalkalimetallhydroxid und/oder Erdalkalimetalloxid zu Erdalkali- jo metallsalz im Bereich von 1 :(12 — 0,05), vorzugsweise 1 :(5 — 0,5), liegt
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Erdalkaliverbindungen Calciumverbindungen verwendet werden.
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