DE2549402B2

DE2549402B2 - Schmiermittel für die Bearbeitung von Aluminium

Info

Publication number: DE2549402B2
Application number: DE2549402A
Authority: DE
Inventors: Michael Keith Barford St. Michael Oxfordshire Budd; Gordon Frederick Rugby Warwickshire Smith
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1974-11-04
Filing date: 1975-11-04
Publication date: 1978-08-24
Also published as: NO753669L; GB1528576A; FR2289602A1; JPS5169460A; ES442294A1; SE7512260L; SE415667B; CA1069877A; DE2549402A1; NZ179077A; US3966619A; DE2549402C3; FR2289602B1; IT1044693B; AU8627675A; CH614461A5; BE835107A; DK493975A; ZA756753B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schmiermittel, die bei der Bearbeitung bzw. Verarbeitung von Aluminium eingesetzt werden können.

Beim Walzen von Aluminium wird eine Flüssigkeit verwendet, um die Walzen und den Aluminiumstreifen zu überfluten. Diese Flüssigkeit hat zwei Funktionen:

a) Sie wird als Hitzetransfermedium, um die Reibungswärme und Deformationswärme zu entfernen, benutzt;

b) Sie schützt die Oberfläche des gewalzten Metalls vor dem direkten Kontakt mit den Walzen.

In modernen leistungsfähigen Walzgerüsten können erhöhte Produktivitäten erzielt werden, wenn die Walzengeschwindigkeit erhöht wird und/oder wenn die Reduktion pro Stich erhöht wird. Beide Möglichkeiten stellen erhöhte Anforderungen an die Walzflüssigkeit, da sie zu einer erhöhten Reduktion führen, womit erhöhte Anforderungen sowohl hinsichtlich der Kühlung als auch des Oberflächenschutzes gestellt werden.

Ein Walzenschmiermittel auf Mineralölbasis zum Kaltwalzen von Aluminium hat strenge Begrenzungen als Hitzetransfermedium, weil

1. die spezifische Wärme nur 0,5 kcal/kg beträgt, im Gegensatz zu 1 kcal/kg für Wasser,

2. die Viskosität des leichtesten in der Praxis verwendbaren Mineralöls (1,7 cP) (30-40 Sek. Redwood Nr. 1 bei 37,8° C) etwa doppelt so hoch ist wie die von Wasser (1 cP) (etwa 25 Sek. Redwood Nr. 1 bei 37,8° C),

3. die latente Verdampfungswärme von Mineralölen wegen ihrer hohen Siedepunkte (über 200° C) nicht effektiv ausgenutzt werden kann und

4. die Feuergefahr von Mineralölen bei hohen Walzengeschwindigkeiten und Reduktionen ansteigt, weil höhere lokale Temperaturen als Ergebnis der erhöhten Materialzufuhr erhalten werden. Dampf- und Nebelbildungen erhöhen sich bei höheren Geschwindigkeiten.

Aus diesen Gründen können beim Kaltwalzen von Aluminium Geschwindigkeiten über 980-1300 m/Min, bei gleichzeitigen Reduktionen von über 60% pro Stich auf Produktionsbasis nicht erreicht werden, wenn Schmiermittel auf Mineralölbasis verwendet werden.

Schmiermittel auf Wasserbasis werden in großem Umfange beim Walzen in der Metallindustrie verwendet, aber die Probleme, die auftreten, wenn eine Aluminiumoberfläche mit Wasser in Berührung kommt, hat die Anwendung von Schmiermitteln auf Wasserbasis beim Kaltwalzen von Aluminium begrenzt.

Es sind bereits eine Reihe von wäßrigen Schmiernut-

tein für die Metallbearbeitung bekannt, die Phosphatester und spezielle Amine enthalten. So wird in der DT-AS 22 05 692 ein Kühlschmiermittel für die Metallbearbeitung beschrieben, das aus speziellen Phosphorsäureestern und Triäthanolaminsalzen synthetischer gesättigter Monocarbonsäuren mit 9 bis 11 Kohlenstoffatomen oder Naphthensäuren mit 6 bis 12 Kohlenstoffatomen besteht Aus der DT-OS 20 26 035 sind Schmiermittel, die bei der Metallbearbeitung verwendet werden können, bekannt, die aus einer wäßrigen Lösung von Aminsalzen, von Mono- oder Diestern der Phosphorsäure mit einem Addukt aus 1 bis 6 Mol Äthylenoxid und Phenol bestehen. Der DT-AS 21 08 210 sind wäßrige Ziehflüssigkeiten zu entnehmen, die aufgebaut sind aus Alkanolaminsalzen langkettiger Phosphorsäureestergemische, Seifen aus langkettigen Monocarbonsäuren und oxäthylierten Alkanolaminen und/oder oxäthylierten primären bzw. sekundären Alkylaminen und gegebenenfalls Polyphosphate!! und Glycolen. In der FR-PS 7110 932 werden Schmiermittel für die Kaltbearbeitung von Metallen beschrieben, die aus Phosphorsäureestern -und Säureamiden aufgebaut sind und die wäßrige Emulsionen bilden. Schneidflüssigkeiten auf wäßriger Basis, die aus einem Mehrkomponentensystem aufgebaut sind, werden in der US-PS 29 99 S14 beschrieben. Diese Schneidflüssigkeiten enthalten Reaktionsprodukte von Olefinoxiden und gesättigten Polyolen in Kombination mit gemischten Seifen von Alkanolaminfettsäuren, Alkanolaminphosphaten, Rostschutzmitteln und Germiciden. Schließlich sind aus der US-PS 38 19 647 wasserlösliche Salze von Imidazolinenmit Phosphorsäureestern bekannt, die als hydraulische Flüssigkeiten, Übertragungsflüssigkeiten und auch als Schneidöle oder Walzöle bei der Metallbearbeitung Verwendung finden können.

Die bekannten wäßrigen Schmiermittel auf Basis von Phosphatestern, Aminen oder Imidazolin oder Säureamiden befriedigen bei der Heiß- und insbesondere der Kaltverarbeitung von Aluminium noch nicht, weil sie nicht die erforderliche Kombination von an Schmiermitteln für die Verarbeitung von Aluminium geforderten Eigenschaften aufweisen. Außerdem ist in einigen Fällen die Herstellung dieser Schmiermittel kompliziert Soweit sie als Emulsionen vorliegen oder solche bilden, wird ihre Aufarbeitung schwierig, weil sich Emulsionen wesentlich schlechter aufarbeiten lassen als wäßrige Lösungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schmiermittel für die Bearbeitung von Aluminium zur Verfugung zu stellen, das einfach herzustellen ist, das sowohl von den anodischen als auch den kathodischen Stellen der Aluminiumstreifenoberfläche stark absorbiert wird und das in einem weiten Temperaturbereich eine möglichst geringe Veränderung der Druckaufnahmefähigkeit zeigt, so daß es sowohl für die Kalt- als auch für die Warmverarbeitung verwendet werden kann. Weiterhin soll das erfindungsgemäße Schmiermittel leicht filtrierbar für die Wiederaufarbeitung sein.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Schmiermittel zum Walzen von Aluminium, welches im wesentlichen aus einer wäßrigen Lösung e>nes Adduktes aus (a) einem sekundären Alkylamin, in welchem wenigstens eine der Alkylgruppen eine Kette von wenigstens 8 Kohlenstoffatomen aufweist und in welchem das sekundäre Alkylamin eine Carbonsäuregruppe als Substituenten an einem Kohlenstoffatom aufweist, welches um nicht mehr als 3 Kohlenstoffatome von der Aminogruppe entfernt ist, und (b) einem oberflächenaktiven, sauren Phosphatmono- oder Phosphatdiester eines Polyalkylenoxide in einer Menge von wenigstens >/2 Gew.-% des Alkylamins und '/2 Gew.-% des sauren Phosphatesters besteht Um als Schmiermittel gemäß der vorliegenden Erfindung Anwendung finden zu können, muß sowohl das Alkylamin als auch der saure Phosphatester in Wasser in einer Menge von wenigstens '/2 Gew.-% löslich sein.

Die Carbonsäuregruppe hat die Funktion, das sekundäre Amin zu lösen, welches vorzugsweise eine Aminosäure der allgemeinen Formel

R₁-NH-R₂COOH

ist, worin Ri eine Alkylgruppe mit einer Kette von wenigstens 8 Kohlenstoffatomen und R₂ eine Alkylgruppe mit bis zu 5 Kohlenstoffatomen bedeuten. Die Druckaufnahmefähigkeit der Aminosäure kann weiter verbessert werden, indem Aryl- oder Alkyl- oder Alkenylsubstituenten in Ri eingeführt werden. Die Löslichkeit der Aminosäure kann dadurch verbessert werden, daß eine oder mehrere Hydroxylgruppen als - Substituenten in Ri oder in deren Aryl- oder Alkylsubstituenten eingeführt werden. Geeignete Aminosäuren können eine oder mehrere Alkoxygruppen als Substituenten in Ri aufweisen, und zwar zusätzlich oder anstelle einer Hydroxygruppe oder Hydroxygruppen. Die Aminogruppe der Aminosäurekomponente des Adduktes wird von den kathodischen Stellen des Aluminiums adsorbiert und dient dazu, diese Stellen zu schützen.

Die erfindungsgemäßen Lösungen enthalten auch wenigstens '/2 Gew.-% eines oberflächenaktiven wasserlöslichen sauren Phosphatmono- oder Phosphatdiesters eines Polyalkylenoxids. Eine große Anzahl solcher Phosphatester ist schon in der Literatur, beispielsweise in den britischen Patenten 10 81 285 und 9 18 430 beschrieben worden. Die darin beschriebenen Verbindungen können für den vorliegenden Zweck verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie eine Löslichkeit von wenigstens '/2 Gew.-% in wäßriger Lösung aufweisen. Diese Phosphatester können gemäß Beschreibung in Schmiermitteln verwendet werden. Erfindungsgemäß werden sie jedoch in die Lösung einbezogen, um ein Addukt mit dem Alkylamin zu bilden; das Addukt wirkt als Korrosionshemmer an den anodischen Stellen des Aluminiums zusätzlich zu der Funktion als Drucksubstanz aufgrund der Gegenwart der Alkylaminkomponente.

In dem Phosphatmono- oder Phosphatdiester entspricht der Esterrest vorzugsweise einer Verbindung der allgemeinen Formel

R₃-O-(CH₂CH₂O)_n

in welcher R3 eine Alkyl-, Aryl-, Aralkyl-, Alkaryl-, Alkenyl-, Alkenaryl-, Aralkenyl-, Acyl-, Aroyl-, Aral-

koyl-, Alkanoyl-, Älkenoyl-, Alkenaroyl- oder Aralkcnoylgruppe ist. Diese sauren Phosphatester sind wasserlöslich (vorausgesetzt η ist 5 oder mehr) und reagieren leicht mit der Aminosäurekomponente unter Bildung eines Adduktes. Die saure Phosphatesterkom-

bo ponente des Adduktes wirkt als Korrosionshemmer an den anodischen Stellen des Aluminiums.

Obwohl der saure Phosphatester seine korrosionshemmende Funktion ausüben kann, wenn er in geringerer Menge als die druckgebende Aminosäure

b5 zugegen ist, sollte der saure Phosphatester vorzugsweise in einer Menge zugegen sein, die wenigstens dem Gewicht der Aminosäure gleicht, und insbesondere in einer Menge, die etwa zweimal so hoch ist wie die

Menge der Aminosäure, so daß die Aminosäure und der Phosphatester in etwa äquivalente Proportionen zugegen sind. Das erfindungsgemäße Addukt leistet die geforderte Funktion auf adäquate Weise in Gegenwart eines wesentlichen Überschusses von Alkylamin oder Phosphatester.

Vorzugsweise ist die Aminosäurekomponente eine N-Alkyl-0-aminosäure wie beispielsweise N-Lauryl-/?- aminobuttersäure, N-Lauryl-0-aminopropionsäure oder N-Decyl-Jä-aminobuttersäure.

In den sauren Phosphatestern ist R3 vorzugsweise eine geradkettige Alkylgruppe und insbesondere die Laurylgruppe. Der Wert für η kann zwischen 5 und 250 liegen, liegt gewöhnlich zwischen 5 und 30 und vorzugsweise bei etwa 9.

Die Funktion der Äthylenoxidgruppen ist das Löslichmachen des Phosphatesters, und der Minimalwert von η wird durch den gewünschten Gehalt des gewählten Phosphatesters im Schmiermittel bestimmt

Das Walzschmiermittel gemäß der vorliegenden Erfindung ist sowohl für die Verwendung beim Walzen von Aluminiumband als auch beim Walzen von Aluminiumfolien geeignet. Die erfindungsgemäßen Schmiermittel unterscheiden sich von bekannten Zusammensetzungen in 3 Hauptpunkten:

1. das jeweilige erfindungsgemäße Schmiermittel besitzt eine viel höhere Druckaufnahmefähigkeit, d. h., es ermöglicht und erlaubt größere Reduktionen ohne mechanische Beschädigungen des Bandes;

2. das erfindungsgemäße Schmiermittel behält im wesentlichen diese Eigenschaften bei Kontakttemperaturen von bis zu 200° C bei, so daß es in aufeinanderfolgenden Stichen verwendet werden kann, ohne daß die Reduktionen herabgesetzt werden müssen, um Beschädigungen des Streifens zu vermeiden;

3. das erfindungsgemäße Schmiermittel ist eine wäßrige Lösung im Gegensatz zu einer Lösung in einem leichten Mineralöl oder einer Emulsion oder Dispersion eines leichten Mineralöls und Additives in Wasser, wie sie üblicherweise beim Kaltwalzen von Aluminium verwendet werden.

Somit stellt das erfindungsgemäße Schmiermittel eine wesentliche Verbesserung der bestehenden bzw. bekannten Schmiermittel dar, aufgrund der verbesserten Druckaufnahmecharakteristika und aufgrund der Tatsache, daß es vollständig auf wäßriger Basis aufgebaut ist, wodurch eine schnelle Kontrolle von thermischen Bedingungen, die den Walzenballen und damit das Band beeinflussen, ermöglicht wird. Ein weiterer wichtiger Vorteil eines Schmiermittels vom Lösungstyp ist der, daß die Notwendigkeit, die Teilchengröße der dispergierten Phase zu kontrollieren, vermieden wird, wie es beispielsweise bei Schmiermitteln vom Emulsionstyp notwendig ist.

Eine typische erfindungsgemäße Zusammensetzung besteht aus den folgenden Bestandteilen, wobei die Angaben auf das Gewicht bezogen sind:

98,0% Wasser,

0,7% N-Dodecyl-ß-aminobuttersäure,
1,3% eines sauren Phosphatesters von Lauryläthoxylat, das 9 Äthylenoxidgruppen enthält.

Eine weitere Zusammensetzung besteht aus den folgenden Bestandteilen, wobei die Mengen auf das Gewicht bezogen sind:

97,0% Wasser,

I₁O¹Kb N-Dodecyl-/?-aminobuttersäui e,
2,0% eines sauren Phosphatesters von Nonylphenyl· äthoxylat, das 9 Äthylenoxidgruppen enthält.

Dk Druckaufnahmefähigkeit der zweiten Zusammensetzung wird als Funktion der Temperatur in der Tabelle gezeigt Zum Zwecke des Vergleiches sind äquivalente Daten für Laurylalkohol und Laurinsäure in Zusammensetzungen auf Mineralölbasis angegeben, die typische Vertreter von bekannten Schmiermitteln beim Kaltwalzen von Aluminium darstellen.

Temperatur	Druckaufnahmefähigkeit für	5% Lauryl	5% Laurin
15 des Test-		alkohol in	säure in
stflckes	erfindungs	leichtem	leichtem
	gemäßes	Mineralöl	Mineralöl
	Schmier	45,6	45,6
°C	mittel	44,0	44,9
20 20	50,8	42,6	37,9
60	52,8	38,2	35,0
80	53,7	32,1	33,8
100	543	29,6	30,8
120	543
25 140	54,3
180	50.2

Die oben angegebenen Ergebnisse wurden mit einer Druckvorrichtung für Scheiben erhalten. Der Test

jo bestand darin, daß eine Aluminiumscheibe, die mit der zu testenden Probe geschmiert wurde und die auf eine ausgewählte, vorher bestimmte Temperatur erhitzt wurde, beii konstanter Belastung unter Druck gesetzt wurde. Die prozentuale Dickenreduktion des Aluminiums ist ein Maß für die Druckaufnahmefähigkeit des Schmiermittels. Es ist dabei zu bemerken, daß die bei diesem Test erhaltenen Ergebnisse nicht die prozentuale Reduktion, die beim Walzen erreichbar ist, zeigen. Der Test dient dazu, die Eigenschaften der Schmiermittel, die den Testbedingungen unterworfen werden, zu vergleichen.

Die oben angegebene Zusammensetzung hat eine Viskosität im Bereich von 25 bis 28 Sek. Redwood Nr. 1 bei 37,8°C (100° F), im Vergleich mit einer Viskosität von 30 bis 40 Sek. Redwood Nr. 1 bei 37,8°C (100⁰F), die für eine Zusammensetzung auf Basis eines leichten Mineralöls typisch ist. Sie besitzt einen ausreichend hohen Flammpunkt, um beim Walzen von Aluminium Verwendung finden zu können. In einigen Fällen mag es notwendig bzw. erforderlich sein, einen Viskositätsverstärker hinzuzufügen, um die Viskosität zu erhöhen. Ein Polyglykol kann für diesen Zweck verwendet werden.

Der allgemeine Vorteil bei der Verwendung des bei der Reaktion von einer Aminosäure und einem Phosphatester gebildeten Adduktes ist der, daß es die Bildung von weißen Flecken auf dem Aluminiumstreifen während des anschließenden Glühens bzw. Temperns verhindert Es sollte jedoch darauf geachtet werden, daß hohe lokale Konzentrationen des Schmiermittelgemisches auf der Oberfläche des Aluminiums zu Beginn einer Glühoperation vermieden werden. Dieses kann dadurch erreicht werden, daß ein Schmiermittelrückhaltesystem in Verbindung mit dem Walzwerk verwendet wird, so daß beim Verlassen des Walzwerkes wenig

b5 Schmiermittel auf der Oberfläche verbleibt Andererseits kann überschüssiges Schmiermittel entfernt werden, indem der Streifen in einer verdünnten Lösung des Schmiermittels gewaschen wird, die ausreichende

Mengen des Additives auf den Bändern adsorbiert hinterläßt, um einen wirksamen korrosionshemmenden Effekt zu erzielen.

Obwohl die Schaummenge bei der obengenannten Zusammensetzung gering ist, ist es manchmal erforderlich bzw. erwünscht, ein Antischaummittel zusätzlich zuzugeben. Ein geeignetes, gesetzlich geschütztes Antischaummittel kann für diesen Zweck verwendet werden.

Bei Kaltwalztesten mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel unter Verwendung eines kleinen Versuchswalzwerkes war es möglich, eine 80%ige Reduktion eines 4 mm dicken Aluminiumbandes handelsüblicher Reinheit zu erhalten, ohne daß ein Zerfall des Schmiermittels auftrat. Ähnliche Ergebnisse wurden mit einer Anzahl von Aluminiumlegierungen erhalten, wie beispielsweise mit einer Legierung, die 4,5% Magnesium enthielt.

Das erfindungsgemäße Schmiermittel findet in anderen Kaltverarbeitungsverfahren für Aluminium Verwendung, wie beispielsweise beim Ziehen unc Drücken von Behältern und bei maschinellen Bearbei tungen (beim Drehen, beim Bohren u. dgl.).

Es wurde auch gefunden, daß die erfindungsgemäßer Schmiermittel beim Heiß- und Warmwalzen vor Aluminium verwendet werden können, wobei sie, in Vergleich mit Schmiermitteln vom Emulsionstyp, der Vorteil der umfassenderen bzw. größeren Kontrollier barkeit aufweisen und sich leichter filtrieren lassen

ίο Wenn beispielsweise ein Duo-Walz werk mit Arbeits walzen von 12,70 cm (5") Durchmesser verwendet wird konnte ein 0,259 cm dickes, handelsübliches Reinalumi niumblech wiederholt bei Temperaturen, die zwischer 250 bis 550° C lagen, gewalzt werden, und zwar bis au eine Dicke von 0,1397 cm; die erhaltene Oberflächenbe schaffenheit des Aluminiums war wenigstens so gut wi< die, die mit bekannten Schmiermitteln vom Emulsions typ unter den gleichen Betriebsbedingungen erhalte] wurde.

Claims

Patentansprüche:

1. Schmiermittel für die Bearbeitung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer wäßrigen Lösung

a) eines sekundären Alkylamins, in welchem wenigstens eine der Alkylgruppen eine Kette von wenigstens 8 C-Atomen aufweist und das sekundäre Alkylamin eine Carbonsäuregruppe als Substituenten an einem Kohlenstoffatom aufweist, welches um nicht mehr als 3 Atome von der Aminogruppe entfernt ist, und

b) eines oberflächenaktiven sauren Phosphatmono- oder. Phosphatdiesters eines Polyalkylen- '⁵ oxids besteht,

wobei das Alkylamin und der saure Phosphorsäureester jeweils eine Löslichkeit von wenigstens 1/2 Gew.-% in Wasser aufweisen und die Lösung wenigstens V2 Gew.-% des Alkylamins und des sauren Phosphatesters enthält

2. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als sekundäres Alkylamin eine Aminosäure der allgemeinen Formel

R₁-NH-R₂COOH

enthält, in der Ri eine Alkylgruppe mit wenigstens 8 Kohlenstoffatomen und R₂ eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeuten.

3. Schmiermittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß es als sekundäres Alkylamin eine Aminosäure der allgemeinen Formel

Ri-NH-R₂COOH

enthält, worin Ri eine Alkylgruppe darstellt, die eine oder mehrere Hydroxylgruppen und/oder eine oder mehrere Alkoxygruppen aufweist

4. Schmiermittel nach den Ansprüchen 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß es als Aminosäure eine N-Alkyl-jS-aminosäure enthält

5. Schmiermittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als Aminosäure N-Lauryl-/?- aminobuttersäure, N-Lauryl-ji-aminopropionsäure oder N-Decyl-ji-aminobuttersäure enthält.

6. Schmiermittel nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es einen oberflächenaktiven sauren Phosphatmono- oder Phosphatdiester eines Polyalkylenoxids enthält, dessen Esterrest der allgemeinen Formel

R₃-O-(CH₂CH₂O)_n

entspricht, worin R₃ eine Alkyl-, Aryl-, Aralkyl-, Alkaryl-, Alkenyl-, Alkenaryl-, Aralkenyl-, Acyl-, Aroyl-, Aralkoyl-, Alkanoyl-, Alkenoyl-, Alkenaroyl- oder Aralkenoylgruppe und η eine ganze Zahl von 5 bis 250 darstellen.

7. Schmiermittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es einen oberflächenaktiven sauren Phosphatmono- oder Phosphatdiester eines Polyalkenoxids enthält, dessen Esterrest der allgemeinen Formel

R₃-O-(CH₂CH₂O),,

entspricht, worin R3 eine Nonylphenylgruppe oder eine Laurylgruppe und η eine ganze Zahl von 5 bis 30 darstellen.

8. Schmiermittel nach Anspruch 7, dadurch

gekennzeichnet, daß es einen oberflächenaktiven sauren Phosphatmono- oder Phosphatdiester eines Polyalkylenoxids enthält, dessen Esterrest der allgemeinen Formel

R₃-O-(CH₂CH₂O)₁,

entspricht, worin η etwa 9 ist

9. Schmiermittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß es den sauren Phosphatmonooder Phosphatdiester in einer Menge enthält, die etwa 1- bis 2mal so hoch ist wie das Gewicht der Aminosäure.