DE2703321C2

DE2703321C2 - Gesenkschmierstoff und damit arbeitendes isothermes Warmgesenk-Preßschmiedeverfahren

Info

Publication number: DE2703321C2
Application number: DE2703321A
Authority: DE
Inventors: William David Parma Ohio Spiegelberg
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1976-01-29
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1982-08-12
Also published as: FR2339671B1; DE2703321A1; JPS5524374B2; SE7700859L; JPS5293649A; CA1088505A; US4154075A; SE426708B; BE850863A; IT1075260B; FR2339671A1; IL51303A; IL51303A0; GB1549527A; US4096076A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gesenkschmierstoff, der jedoch auch gleichzeitig als Ausformverbindung und Schutzüberzug beim Warmgesenkschmieden, insbesondere von Titan und Titanlegierungen dient; diese Erfindung betrifft auch ein unter Verwendung einer solchen Verbindung arbeitendes isothermes Warmge-

senk-Preßschmiedeverfahren. Beim Schmieden von metallischen Werkstücken wird Metall durch eine geregelte plastische Verformung unter der Einwirkung eines Schlages oder Druckes verformt, in der Regel während das Werkstück sich in einem Gesenk mit geeigneter Form befindet Das Werkstück kann entweder ein Vorschmiedestück einfacher Form, z. B. ein flacher Stab, oder eine Vorform sein, der durch Schmieden oder auf andere Weise eine vorläufige Gestalt verliehen wurde. Zur formgetreuen Entstehung aller Einzelheiten des Gesenks in dem aus dem Werkstück geschmiedeten Gegenstand ist ein beträchtlicher Grad plastischen Fließens des Metalls erforderlich. Zur Erleichterung des Fließens des Metalls in die verschiedenen Teile des Gesenks verwendet man üblicherweise einen Schmierstoff auf dem Werkstück oder auf dein Gesenk oder auf beidem.

In der Regel wird beim Schmieden das Werkstück zur Erleichterung des Fließens des Metalls während des Schmiedens auf eine hohe Temperatur vorerhitzt. Auch das Schmiedegesenk kann erhitzt werden, um den Abschreckeffekt, welchen das Gesenk auf das erhitzte Werkstück ausübt, gering zu halten oder auszuschalten. In der Regel wird zum Schmieden von Titan und dessen Legierungen das Werkstück auf Temperaturen zwisehen etwa 815 und 985°C erhitzt. α,/ϊ-Titanlegierungen werden in der Regel unmittelbar unter die /3-Übergangstemperatur, die in dem erwähnten Temperaturbereich liegt, erhitzt, um in dem geschmiedeten Gegenstand die gewünschten metallurgischen und mechanischen Eigenschäften zu erzeugen. Insbesondere Titan und dessen Legierungen müssen während einer solchen Vorerhitzung vor Luft geschützt werden, da sonst eine starke Oxidation auftritt Beim üblichen Schmieden wird das Gesenk nur auf Temperaturen von etwa 150 bis 430⁰C erhitzt Das bewirkt jedoch schon eine beträchtliche Abschreckung des Werkstücks, welche Risse und andere Oberflächendefekte in dem geschmiedeten Gegenstand hervorrufen kann.

Die übliche Schmiedepraxis erfordert auch scharfe, starke Preßschläge auf das Werkstück, um es der Form des Gesenks anzupassen. Das bewirkt hohe Spannungen und einen übermäßigen Verschleiß an der Gesenkoberfläche. Eine wirksame andere Methode ist das Stand- oder Preßschmieden, bei welchem auf das Werkstück während einer bestimmten Dauer ein hoher Druck ausgeübt wird, z. B. mindestens etwa 5 Sekunden lang und in der Regel wesentlich länger, um einen Kriechfluß des Metalls zu erzielen.

Eine besonders wirksame Schmiedemethode, insbesondere zum Schmieden von Titan und dessen Legierungen, ist das isotherme Warmgesenk-Preßschmieden. Bei diesem Schmieden werden sowohl das Gesenk, das in der Regel aus einer »Superlegierung« auf Nickelbasis besteht, und das metallische Werkstück auf etwa die gleiche Temperatur (in der Regel zwischen 815 und 985° C) erhitzt, so daß der Abschreckeffekt des Gesenks auf das Werkstück nahezu ausgeschaltet wird. ■ Anstatt starker Schlagdrucke kommt das vorstehend beschriebene Preßschmieden zur Anwendung, wobei eo eine plastische »Kriech«-Verformung des Werkstücks auftritt, so daß das Metall sich an die Oberflächen des Gesenks anpaßt Wie beim üblichen Schmieden wird beim isothermen Wanngesenkschmieden zur Erleichterung des Fließens des Metalls in Anpassung an die Gesenkoberflichen ein Schmierstoff verwendet.

Um für das Wanngesenkschmieden geeignet zu sein, muß ein Schmierstoff einer Anzahl strengen und sich manchmal widersprechenden Anforderungen genügen. Trotz der hohen Temperatur des Gesenks und des Werkstücks und längeren Vorerhitzungs- und Hochdruckeinwirkungszeiten muß der Schmierstoff

(1) gleichförmig an dem ganzen Werkstück haften und es vor einer Oxidation während der längere-,} Vorerhitzungsperiode schützen (was insbesondere im Fall von Titan und dessen Legierungen wichtig ist):

(2) er darf nicht selbst oxidieren, kristallisieren oder sich anderweitig während der Vorerhitzung oder der Schmiedephasen zersetzen;

(3) er darf weder das Werkstück noch das Gesenk chemisch angreifen;

(4) er muß eine wirksame Schmierung ergeben, was bedeutet, daß er ein ausreichendes Schmiervermögen und gleichzeitig die richtige Viskosität aufweisen muß, um zwischen dem Werkstück und dem Gesenk während aller Verformungsstufen des Metalls einen Schmierfilm aufrechtzuerhalten;

(5) er muß einen fressenden Verschleiß und eine Verbindung zwischen dem Gesenk und dem geschmiedeten Gegenstand verhindern und eine leichte Ausformung des geschmiedeten Gegenstandes aus dem Gesenk zulassen, ohne ein Kleben oder die Bildung glasiger »Schilfer« zu verursachen, was eine schwierige Ausformung oder eine Zerstörung des Teiis bei Entnahme aus dem Gesenk verursacht; und

(6) er darf sich nicht in dem Gesenk ansammeln, auch nicht in den Hohlräumen und Ausnehmungen von Gesenken mit verwickelter Form, da sonst das Metall durch den angesammelten Schmierstoff blockiert wird und Einzelheiten in dem geschmiedeten Gegenstand verlorengehen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schmierstoffes, welcher die vorstehenden Bedingungen in zufriedenstellender Weise erfüllt, sowie ein mit diesem Schmierstoff arbeitendes isothermes Warmgesenk-Preßschmiedeverfahren. Die Erfindung wird bevorzugt zum Schmieden von Titan und dessen Legierungen angewendet.

Die Eigenschaften, welche einen Gesenkschmierstoff für das strenge Anforderungen stellende isotherme Warmgesenk-Preßschmieden geeignet machen, machen ihn natürlich auch für andere Schmiedemethoden und Metallbearbeitungen brauchbar.

Die vorliegende Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Schaffung eines Schmierstoffes, bestehend aus 1) einem kleineren Anteil einer Menge von 40 Gew.-0/0 oder weniger eine Grenzschicht bildenden Bornitridoder Graphitteilchen oder Mischungen derselben mit einer geringeren Teilchengröße als diejenige, mit welcher mindestens 95% der Teilchen durch ein 40-mesh-Sieb hindurchgehen, 2) einem größeren Anteil einer Menge von über 60 Gew.-% eines Pulvers aus glasigen Komponenten, einschließlich 60 bis 75 Gew.-% Dibortrioxid, bezogen auf die Glasphase, und 3) einem Restanteil an Quarz und einem Metalloxid als Netzmittel, wobei das Metalloxid Kobalt-, Barium-, Manganoxid oder ein Gemisch derselben ist und in einer Menge von '/2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der glasigen Bestandteile, in dem Gesenkschmierstoff enthalten ist.

Das erfindungsgemäße isotherme Warmgesenk-Preßschmiedeverfahren kennzeichnet sich dadurch, daß

ein metallisches Werkstück mit einem vorstehend definierten Schmierstoff überzogen und auf mindestens eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher die glasigen Komponenten unter Bildung einer hydrodynamischen Glasphase, in welcher die festen Gi enzschichtteilchen dispergiert sind, schmelzen, daß man ein umschlossenes Schmiedegesenk erhiczt, das überzogene Werkstück in das warme Gesenk einbringt, Gesenk und Werkstück auf eine Temperatur zwischen 815 uud 980⁰C erhitzt und während mindestens 5 Sekunden auf das Werks tücic einen so starken Schmiededruck ausübt, daß ein Kriechfluß des Metalls des Werkstoffes in Anpassung an das Gesenk erfolgt

Eine Vielzahl von Schmierstoffen für die Metallbearbeitung und insbesondere von Gesenkschmierstoffen ist bekannt Unter diesen seien genannt: feinteilige Schmierstoffe, z. B. Glas, Keramik, die zu einer fließfähigen Konsistenz schmelzen und so eine hydrodynamische Schmierung bei der Verwendungstemperatur ergeben, Graphit, Kalk, Bornitrid und Molybdändisulfid; sowie organische Schmierstoffe, z. B. Fette, öle usw. Verschiedene Gemische von einem oder mehreren der vorstehend genannten sind auch bekannt, ebenso wie die Verwendung von Flüssigkeiten (Wasser, Kohlenwasserstoffe oder andere organische Flüssigkeiten usw.) als Träger für die festen feinteiligen Schmierstoffe und als Binder zu ihrer Agglomerierung.

Zum Beispiel beschreibt die DE-AS 16 44 983 die Verwendung eines Naturborsilikatgesteins als Schmiermittel zur Wärmebereitung von Metallen, das noch Natriumsilikat mitverwendet; ein ähnliches glasartiges Schmiermittel ist in der DE-AS 14 52449 mit größeren Anteilen an Natrium beschrieben. Natrium greift jedoch das Werkstück und das Gesenk bei den Schmiededrükken chemisch an, weshalb es in den erfindungsgemäßen Schmiermitteln vermieden wird. Auch fehlen bei den bekannten Schmiermitteln jeweils wesentliche Komponenten des erfindungsgemäßen Schmiermittels, so daß die durch aas Zusammenwirken der Komponenten bei dem erfindungsgemäßen Schmiermittel erzielte Kombinationswirkuhg nicht eintreten kann.

Es gilt dies z. B. auch für das aus der DE-AS 10 72 343 bekannte Schmiermittel, das aus Graphit oder Glimmer als schmierendem Bestandteil und Mangandioxid als Bindemittel besteht Hier fehlen sowohl die glasige Komponente als auch die eine Grenzschicht bildenden Teilchen sowie das Netzmittel.

Bekannt ist ferner ein aus Gemisch von Graphit und öl oder Fett bestehendes Schmiermittel, in welchem sehr feine Kügelchen aus einem Isolierstoff enthalten so sind, die insbesondere aus Glas oder einem hochschmelzenden Stoff bestehen. Glasteilchen enthalten einmal Natrium, und zum andern werden Fett und öl bei den beim Schmieden auftretenden hohei; Drücken und Temperaturen wahrscheinlich verdampft oder ander-Aveitig zersetzt

Ein etwa 25 bis 30% Natrium enthaltendes Natriumborsilikatglas-Schmiermittel ist ferner aus der SU-PS 2 97 669 bekannt und ist schon wegen des schädlichen hohen Natriumgehaltes mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel nicht zu vergleichen.

In der US-PS 30 59 769 ist beispielsweise eine feste Schmierstoffscheibe mit einer zentralen Durchbohrung für das Strangpressen beschrieben, wobei diese Scheibe bei einer Ausführungsform aus Glas mit bis zu etwa 40% Bornitrid besteht, die durch einen geeigneten Binder zusammengehalten werden. Durch die Scheibe wird ein erhitzter Stahl- oder Titanstab ausgepreßt, wobei die Scheibe so weit schmilzt, daß sie eine zur Erzielung einer Schmierwirkung ausreichende Viskosität erhält Die nicht ausreichend viskosen Anteile werden durch die Strangpreßwirkung durch das offene Ende der Strangpreßdüse ausgetrieben. Eine ähnliche Schmierung beim Strangpressen ist in der IN-PS 75 984 beschrieben. Es liegt auf der Hand, daß im Gegensatz dazu beim Schmieden der Schmierstoff von dem zu schmiedenden Metall in dem Gesenk festgehalten wird, weshalb, wie nachstehend näher erläutert wird, ein brauchbarer Gesenkschmierstoff Merkmale aufweisen muß, wie eine genau geregelte Viskosität, um dem Metallfluß zu folgen, kein Ansammeln innerhalb des Gesenks, und er muß eine gute Ausformbarkeit des geschmiedeten Teils aus dem Gesenk ergeben.

Die weniger als 40 Gew.-% betragenden Grenzschichtteilchen machen vorzugsweise etwa 14 bis 25 Gew.-% der gesamten Teilchenmenge aus Grenzschichtteilchen und glasigen Teilchen aus. Die Grenzschichtteilchen sind im Handel in zwei Größen erhältlich, nämlich —40 mesh und —325 mesh. Die Teilchengröße soll geringer als -40 mesh sein, & h. so klein, daß mindestens 95% der Teilchen durch ein 40-mesh-Sieb hindurchgehen. Vorzugsweise besitzen die Grenzschichtteilchen eine solche Größe, daß mindestens 95% der Teilchen durch ein 325-mesh-Sieb hindurchgehen.

Die glasige Phase enthält Dibortrioxid in einer Menge von etwa 60 bis 75 Gew.-% (bezogen auf die Glasphase), während der Rest Quarzglas und Metalloxid als Netzmittel in den angegebenen Mengenanteilen ist Das Netzmittel ist vorzugsweise in einer Menge zwischen 1 und 3%, bezogen auf das Gewicht der glasigen Bestandteile, zugegen. Kobaltoxid ist das bevorzugte Metalloxid. Ausgedehnte Tests zeigen, daß Kobaltoxid gut arbeitet, und aus theoretischen Überlegungen ergibt sich, daß Oxide von Barium und Mangan ebenfalls geeignet sind, ohne daß sie die Eigenschaften der glasigen Phase ungünstig beeinflussen, wie dies andere Metalloxide tun.

Um einen Korrosionsangriff durch die Glasphase zu vermeiden, sollen Oxide von Elementen wie Lithium, Natrium, Kalium, Vanadin und Phosphor nicht in größeren Mengen als 500 ppm der glasigen Komponenten zugegen sein. Schwefel soll in einer Menge unter 100 ppm zugegen sein, um eine Korrosion der heißen Gesenke zu verhindern. Andere, üblicherweise in Glas auftretende Oxide, z. B. Oxide von Kalzium, Magnesium, Blei, Cer usw, sollen ebenfalls nicht in größeren Mengen zugegen sein, um jede Neigung des erfindungsgemäßen Borsilikatglases zur Kristallisation, insbesondere während einer längeren Vorerhitzung, zu vermeiden. Blei neigt natürlich zur Reaktion mit Titan und zu einem Angriff von Nickel, was es auch von diesem Standpunkt aus unerwünscht macht

Der Verhältnisbereich von Dibortrioxid zu Kieselsäure ist ebenfalls zur Aufrechterhaltung der geeigneten Viskosität des Glases wichtig, da das Glas weder zu »dünn«, um an dem Werkstück zu haften und so als wirksamer Schmierstoff zu dienen, noch zu »steif« sein darf, um dem Fließen des Metalls zu folgen. Zunehmende Bormengen neigen zur Herabsetzung der Viskosität, zunehmende Kieselsäuremengen neigen zu ihrer Erhöhung.

Die Grenzschichtteilchen und die glasigen Teilchen werden vorzugsweise in einem streichfähigen Träger zur Erleichterung ihrer Anwendung und, um den Schmierstoff an den Werkstücken und/oder Gesenken

vor der Verwendung haften zu machen, dispergiert. Der Träger ist vorzugsweise ein organisches flüssiges Lösungsmittel, z. B. Xylol, in dem ein Harzbinder gelöst wurde. (Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind bei allen Angaben von Gew.-% die Trägerkomponenten ausgeschlossen, und diese Angaben beziehen sich ausschließlich auf den Gehalt an Grenzschichtteilchen und glasigen Teilchen.)

Bei einer Methode des isothermen Warmgesenkschmiedens durch Pressen werden die Metallwerkstükke mit dem Gesenkschmierstoff gemäß der Erfindung durch Aufbürsten, Aufsprühen, Tauchen oder auf andere geeignete Weise vorher überzogen, ein Schmiedegesenk und die überzogenen Werkstücke werden auf eine Temperatur von etwa 815 bis 985° C erhitzt, und die heißen Werkstücke und das heiße Gesenk werden durch Ausübung eines Schmiededrucks auf die Werkstücke während einer Dauer von mindestens 5 Sekunden, wobei ein Kriechfluß des Metalls in Anpassung an das Gesenk erfolgt, geschmiedet Vorzugsweise besteht das Werkstück aus Titan oder einer Titanlegierung, und das Gesenk besteht aus einer Nickellegierung oder einer hochschmelzenden Metallegierung. Beispielsweise kann das Gesenkmaterial eine Molybdänlegierung sein, das zur Verhinderung einer Oxidation im Vakuum verwendet wird. Die überzogenen Werkstücke können vor der Vorerhitzung bei niedrigerer Temperatur getrocknet werden. Die Vorerhitzung kann in Vorerhitzungsöfen, in dem geschlossenen Gesenk oder in beidem erfolgen.

Kleinere Mengen und Spurenelemente, wie Aluminium und Silizium, die sich üblicherweise in den verwendeten Bestandteilen finden, sind berücksichtigt.

Wenn das Schmierstoffgemisch auf die Vorerhitzungs- oder Schmiedetemperatur (z.B. auf 815 bis 985° C) erhitzt wird, schmilzt das Diboitrioxid bei verhältnismäßig niedriger Temperatur (etwa 315° C) und bildet ein Glas, das die Quarzfritte löst, wobei die Löslichkeit dieser Quarzfritte in dem geschmolzenen Dibortrioxidglas mit steigenden Temperaturen zunimmt Das erhaltene Borsilikatglas besitzt eine Viskosität, die durch das Verhältnis von Silizium zu Bor der Zusammensetzung bestimmt wird, es ist inert und stabil und dispergiert und schützt die Bornitrid-(oder Graphit-)Teilchen, die hochschmelzend sind und selbst bei den höchsten Schmiedetemperaturen von Metall nicht schmelzen. Die glasige Phase schmilzt so weit, um einen Film mit mäßiger Scherfestigkeit zu ergeben, der mit zunehmender Verformung des Werkstücks während des Schmiedens fließt und sich verdünnt Gleichzeitig überzieht die geschmolzene Glasphase die festen Bornitrid-(oder Graphit-)Teilchen und übt unter gleichmäßiger Verteilung dieser Teilchen auf der Werkstückoberfläche eine Trägerwirkung aus, wobei es die Teilchen mit fortschreitender Verformung des Metalls dispergiert hält

Um die Stabilität des erfindungsgemäßen Gesenkschmierstoffes zu testen, wurden senkrecht angeordnete Stäbe mit dem Schmierstoff überzogen und 4 Stunden auf 954° C erhitzt Bei visueller Beobachtung zeigte sich keine Entglasung (Kristallisation) und kein durch Abfließen des an dem erhitzten Stab haftenden Glases verursachte Zerstörung des Oberzugs. Bn ähnlicher Test mit einem eine größere Menge Bleioxid enthaltenden Borsilikatglas zeigte visuell nach 1 Stunde bei 954° C eine Zerstörung des Oberzugs.

Prüfungen des durch Oxidation verursachten Gewichtsverlustes des erfmdungsgemäßen Gesenkschmierstoffes wurden ausgeführt, wobei der Schmier stoff auf einen Teststab aus Titanlegierung aufgebracht und 8 Stunden auf 704°C erhitzt wurde. (Versuche zur Feststellung des Oxidations-Gewichtsverlustes bei 927° C blieben erfolglos, da das freiliegende Titan so stark oxidierte, daß der Gewichtsverlust infolge Oxidation des Überzugs mehr als ausgeglichen wurde.) Merkliche Gewichtsverluste des Schmierstoffes wurden nicht festgestellt Werden in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung Graphitteilchen anstelle von Borni tridteilchen als Grenzschichtkomponente verwendet, so zeigt sich, daß diese mit Graphit gefüllten Schmierstoffe nicht länger als 2 Stunden bei der Temperatur von 704° C bei dem Oxidationstest gehalten werden können, ohne daß infolge Oxidation eine zu starke Zerstörung auftritt Die mit Graphit gefüllten Schmierstoffe gemäß der Erfindung können jedoch bei Temperaturen von 704°C und höher, z.B. 815 bis 985°C, innerhalb eines umschlossenen Schmiedegesenks verwendet werden, da dort die Verbindung, während sie sich in dem Gesenk befindet, nicht mit Luft in Berührung kommt. Der hier verwendete Ausdruck »umschlossenes« Gesenk bedeutet daß das Werkstück auf allen Seiten von dem Ober- und Untergesenk umschlossen ist; der Ausdruck »umschlossenes« Gesenk umfaßt auch solche bekannten Bauarten, bei welchen öffnungen oder Durchlässe verbleiben, durch welche Grate ausgepreßt werden, wobei jedoch das Werkstück im wesentlichen umschlossen und auf allen Seiten durch die Form geschützt ist Graphit wirkt als Grenzschichtkomponente des Schmierstoffes zufriedenstellend, obwohl die Schmierfähigkeit des graphithaltigen Schmierstoffes nicht so groß ist wie die des bornitridhaltigen. Der Hauptnachteil bei der Verwendung von Graphit besteht jedoch in seiner Oxidationsanfälligkeit Diese kann dadurch überwunden werden, daß man (a) die Vorerhitzungsdauer und -temperatur beschränkt, z. B. auf weniger als 2 Stunden bei nicht über 704° C, und daß man die Vorerhitzung in dem geschlossenen Gesenk beendet oder daß man (b) anderweitig den Gesenkschmierstoff vor Oxidation schützt indem man die Vorerhitzung bei höherer Temperatur während längerer Zeit z. B. bei bis zu 982° C während 4 Stunden und mehr, in einer Schutzatmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre durchführt

Vorzugsweise kann der erfindungsgemäße Gesenkschmierstoff ohne Verschlechterung Vorerhitzungstemperaturen von 816 bis 982°C während mindestens 4 Stunden in der normalen Atmosphäre, wie sie entweder ein gasbeheizter oder ein elektrisch beheizter Vorerhit zungsofen ergibt aushalten. Bornitrid enthaltende erfindungsgemäße Zusammensetzungen erfüllen diese Bedingung; graphithaltige nicht Die graphithaltigen Zusammensetzungen können jedoch ohne Verschlechterung oder ohne speziellen Schutz etwa V2 Stunde unter solchen Bedingungen gehalten werden.

Die chemische Verträglichkeit der erfmdungsgemäßen Schmierstoffe wurde so getestet, daß man den Gesenkschmierstoff (zusammen mit anderen, als Vergleich und Kontrolle dienenden Gesenkschmierstoffen) auf die Oberseite einer kleinen zylindrischen Probe (etwa 12£ mm Durchmesser und 12£ mm Höhe) aus verschiedenen Gesenkmaterialien auf Nickelbasis aufbrachte. Die Nickellegierungen enthalten etwa 60,5 bzw. 53,4 Gew.-% Nickel plus beträchtliche Anteile an Chrom und Kobalt zusammen mit kleineren Mengen Molybdän, Titan und Aluminium und noch kleineren Mengen Bor, Kohlenstoff und anderen Zusätzen. So überzogene

230232/237

ίο

Proben wurden zusammen mit nicht-überzogenen Kontrollproben in einem elektrischen Ofen in ruhender Luft auf 927° C erhitzt. Verschiedene Einwirkungen, jeweils 16 Stunden lang, erfolgten dann unter Simulierung der Umgebung während des Schmiedens. Der erfindungsgemäße Gesenkschmierstoff war vollständig zufriedenstellend und zeigte keine ungünstigen Einwirkungen auf das Gesenkmaterial, während einige der anderen Schmierstoffe eine beträchtliche Korrosion bewirkten. Der erfindungsgemäße Schmierstoff ist somit verträglich mit Gesenken aus Nickellegierungen. Es folgen einige spezifische Beispiele für erfindungsgemäße Gesenkschmierstoffe.

Beispiel 1

Gew.-%

Komponente

14-25	Bornitrid oder Graphit
74-85	Borsilikatglas oder dessen
	Komponenten
1- 3	Metalloxid*)

15

20

*) Das Metalloxid kann ein Kobalt-, Mangan- oder Bariumoxid sein, ist jedoch vorzugsweise Kobaltoxid.

	Beispiel 2	Komponente
Gew.-%	Komponente	Dibortrioxid Quarzglasfritte Kobaltoxid
25 75	Bornitrid Komponenten*) der Glasphase Beispiel 3
Gew.-%	Komponente
14 Bornitrid 86 Komponenten) der Glasphase ) Die Komponenten der Glasphase sind sowohl für Beispiel 2 als auch 3 die folgenden:
Gew.-%
67 31 2

30

35

40

45

50

Beispiel 4

EMe Beispiele 1, 2 oder 3 wurden wiederholt, wobei jedoch der Schmierstoff in einem auftragbaren Träger dispergiert war, der aus einer organischen Flüssigkeit (z. B. Toluol, Benzol oder Xylol) bestand, in welcher ein Harzbinder gelöst ist

Beispiel5 ^M

Feintefliges Material in dem Mengeerltnis von Beispiel 2, nämlich 125 g Bornitrid und 375 g Glasphasenkomponenten, werden verwendet Diese werden in 960cm³ Xylol als flüssigem Träger, in welchem 218g eines Aegonsharzbinders gelöst sind, gemischt Das Bornitrid besitzt eine solche Teilchengröße, daB mindestens etwa 95% der Teilchen durch ein 325-mesh-Sieb hindurchgehen. Die glasige Phase enthält fein gemahlene Quarzfritte und Dibortrioxid zusätzlich zu Kobaltoxid. Das feinteilige Material wird der flüssigen Phase unter andauerndem Rühren unter Erzielung einer gleichmäßig dispergierten feinteiligen Phase in dem flüssigen Träger zugegeben. Man erhält so insgesamt 1,58 kg Gesenkschmierstoff.

Beispiel 6

Feinteiliges Material in den Mengenverhältnissen von Beispiel 3, bestehend aus 94 g Bornitrid mit der gleichen Teilchengröße wie in Beispiel 5, und 571 g Glasphasenkomponenten in Form einer fein gemahlenes Dibortrioxid und Kobaltoxid enthaltenden Quarzglasfritte wurde verwendet. Das feinteilige Material wird langsam unter Rühren einem flüssigen Träger, bestehend aus 1200 cm³ Xylol, worin 325 g eines organischen Acrylharzbinders gelöst sind, zugegeben. Das feinteilige Material wird dabei in dem flüssigen Träger dispergiert Auf diese Weise erhält man insgesamt 2,07 kg Gesenkschmierstoff.

Bei isothermen Warmgesenk-Preßschmiedeverfahren sowie in anderen Schmiedeverfahren werden die zu schmiedenden Werkstücke vor dem eigentlichen Schmieden auf die Schmiedetemperatur erhitzt Beim isothermen Warmgesenk-Preßschmieden von Titan und Titanlegierungen, z. B. von Ti-6-Al-4V-Legierung, werden die Werkstücke auf 816 bis 982°C, vorzugsweise unmittelbar unterhalb 871°C, vorerhitzt Diese Vorerhitzung erfolgt in einem Vorerhitzungsofen, in welchem die Werkstücke längere Zeit, d. h. mindestens ¹A Stunde bis zu 4 Stunden oder länger, erhitzt werden. Ein lösungsmittelfreier gleichmäßiger Überzug aus mit dem Werkstück verbundenem festem feinteiligem Schmierstoff wird dabei gebildet Da man offensichtlich die Werkstücke zweckmäßig vor ihrer Vorerhitzung mit dem Schmierstoff überzieht anstatt den Schmierstoff auf ein vorerhitztes Werkstück aufzubringen, soll der Schmierstoff die längeren Erhitzungsperioden und die damit verbundene Handhabung ohne Zerstörung der Kontinuität der Schmierfläche auf den Werkstücken, ohne Entglasung (Kristallisation) der Glasphasenkomponenten oder Oxidation des Bornitrids (oder Graphits) aushalten.

Das durch Schmelzen der Glasphase des erfindungsgemäßen Schmierstoffes gebildete Borsilikatglas besitzt eine Viskosität die sich durch Änderung des Verhältnisses von Silizium zu Bor in dem Glas unter Anpassung an spezielle Bedingungen beim Schmieden regeln läßt Das Borsilikatglas kann als solches in Form feiner Teilchen zugegen sein oder der Schmierstoff kann durch Zusatz von Vorstufen (z. B. Dibortriexsd und Quarzglasfritte) entstehen, wobei diese Bestandteile dann unter Bildung des Borsilikatglases beim Schmieden verschmelzen. ·

Während die Teilchengröße der Teilchen der glasigen Phase nur gering genug sein muß, um eine Dispersion in dem flüssigen Träger zu fördern und das rasche Schmelzen der Teilchen bei oder unterhalb der Schmiedetemperatur. erleichtern, sind die Bornitridoder Graphitteilchen vorzugsweise sehr fein, mn ein Oberziehen der festen Teilchen durch die geschmolzene Glasphase und die Beweglichkeit der Teilchen zusammen mit der Glasphase zu gewährleisten. Die mittlere Teilchengröße des Bornitrids oder Graphits ist vorzugsweise so, daB mindestens 95% der Teilchen durch ein 325-mesh-Sieb hindurchgehen.

Der flüssige Träger ist vorzugsweise ein aromatisches organisches flüssiges Lösungsmittel, z. B. BenzoJ, Toluol,

Xylol oder dergleichen. Xylol ist bevorzugt, da es sich trotz seiner verhältnismäßig langsamen Verdampfung als günstig in Verbindung mit den meisten organischen Harzbindern erwiesen hat und einen annehmbar hohen Flammpunkt (28° C) besitzt Dieser Flammpunkt ist hoch genug, um eine Verschickung auf üblichem Wege zuzulassen, vorausgesetzt,'daß die staatlich verlangten Verpackungs- und Markierungsanforderungen erfüllt werden. Ein weiterer Vorteil von Xylol besteht darin, daß es gegenüber Dibortrioxid im Gegensatz zu ι ο sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen, z. B. einigen Alkoholen oder Ketonen, chemisch inert ist. Sauerstoffhaltige organische Lösungsmittel können jedoch dann verwendet werden, wenn das Dibortrioxid und die Kieselsäure unter Bildung des Borsilikatglases vorher reagiert haben. Isopropylalkohol und Äthanol sind ebenso wie chlorierte Kohlenwasserstoffe (z. B. Trichloräthan), Lackbenzin, Erdöldestillate usw. zufriedenstellend.

Ein Harzbinder wird in dem Lösungsmittel gelöst, um dem Überzug, wenn er auf das Werkstück (oder das Gesenk) aufgebracht wird, Härte und Nicht-Klebrigkeit zu verleihen. Der Binder trägt dazu bei, daß der auf die kalten oder vorerhitzten Werkstücke aufgebrachte Schmierstoff sicher zu einem harten, nicht-klebrigen Endüberzug aushärtet, welcher die Gefahr, daß der Schmierstoff während der Handhabung des Werkstükkes vor dem Schmieden zum Teil weggerieben wird, auf einem Minimum hält Als mit Xylol verträglicher Harzbinder hat sich eine Acrylharzemulsion als geeignet erwiesen. Andere geeignete Binder sind Methylcellulose, Polycarbonat, Polyurethan und Epoxyde. Anstelle mittels flüssiger Lösungsmittel kann der Schmierstoff auch durch Erhitzen im Gemisch mit Harzteilchen, z. B. in einer Wirbelschicht, in welche die Werkstücke eingebracht werden, oder auf elektrostatischem Weg oder nach Trockentechniken aufgebracht werden.

Die Quarzglasfritte enthält ein oder mehrere Metalloxide in Mengen zwischen '/2 und 5 Gew.-% und vorzugsweise zwischen 1 und 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der glasigen Komponenten. Die Metalloxide dienen in erster Linie als Netzmittel, damit der Schmierstoff an dem Metall selbst unter dem hohen Schmiededruck haftet, und außerdem dienen sie zur Erhöhung der Stabilität des Schmierstoffes, insbesondere wenn dieser vor dem Schmieden längere Zeit den Vorerhitzungstemperaturen des Gesenks ausgesetzt wird. Außerdem neigt besonders Kobaltoxid dazu, die Farbe des Schmierstoffüberzugs zu verdunkeln und ihn so undurchsichtig zu machen, was den zusätzlichen Vorteil ergibt, daß wahrend der Zeit, während welcher die vorerhitzten, mit dem Schmierstoffüberzug aberzogenen Werkstücke aus dem Vorerhitzungsofen in das Schmiedegesenk gebracht werden, verminderte Strahlungsverluste auftreten. Zur Erzielung der erforderlichen Benetzungsfähigkeit muß genug Metalloxid zugegeben werden; zuviel desselben neigt jedoch zu einer KristaubQdung des Glases, was es unwirksam macht

Es wurde gefunden, daß die durch die erschmolzene Glasphase erzeugte hydrodynamische Schmierung eine bessere Schmierflhigkeit verleiht ab die Bornitrid- oder Graphitteilchen and somit das Fließen des Metalls erleichtert Bei alleiniger Verwendung der erschmölzenen Giasphaw neigt jedoch der Schmierstoff dazu, sich in Gesenken aas Nkkeflegiennsg anzusammeln und Schwierigkeiten bean Auswurf der Teile zu ergeben; außerdem wird dadurcn ein ungünstiger Einfluß auf die Oberflächenbeschaffenheit von Teilen aus Titan und Titanlegierungen ausgeübt. Unter Inkaufnahme einer Abnahme der Schmierfähigkeit werden die vorstehenden Nachteile durch Zusatz von Bornitrid- oder Graphitteilchen mit dem richtigen Feinheitsgrad zu dem Schmierstoff ausgeglichen. Es wurde gefunden, daß mindestens für das HDD-Schmieden von Titan und dessen Legierungen der Gehalt an Bornitrid- oder Graphitteiichen nicht weniger als etwa 14 Gew.-°/o betragen soll, damit eine zufriedenstellende Oberflächenbeschaffenheit und keine wesentliche Ansammlung in dem Gesenk erzielt wird, während zur Sicherstellung einer ausreichenden Schmierfähigkeit nicht mehr als 25 Gew.-% zugegen sein sollen.

Vor dem Vermischen werden die Bornitridteilchen zweckmäßig in einem unter einer inerten Atmosphäre stehenden Vorratsbehälter eingeschlossen, so daß eine Agglomerierung der Teilchen, wie sie bei Luftzutritt, insbesondere in Anwesenheit von Dibortrioxid, auftritt, vermieden wird.

Wenn ein flüssiges Lösungsmittel verwendet wird, schützt dieses das Dibortrioxid in dem gelagerten Schmierstoff. Eine Vorreaktion zu Borsilikatglas ergibt ebenfalls einen solchen Schutz.

Der erfindungsgemäße Schmierstoff kann auf Werkstücke, z. B. solche aus Titan oder Titanlegierung, auf jede beliebige Weise durch Aufbürsten, Tauchen, Aufsprühen usw. aufgebracht werden. Schmierstoffe wurden erfolgreich auf Werkstücke mit einer siphonartigen, mit Luft betriebenen Spritzpistole aufgebracht Zur Ausbreitung des Schmierstoffes als fächerförmige Aufsprühung auf das Werkstück kann eine venturiförmige Düse verwendet werden.

Beispiel 7

Ti-öAl^V-Schmiederohlinge wurden mit einem Schmierstoff gemäß Beispiel 5 und 6 besprüht, und der aufgesprühte Schmierstoff wurde in einem Luftzirkulationsofen bei 82° C zu einem harten, nicht-klebrigen Oberzug getrocknet Die mit dem Schmierstoff überzogenen Werkstücke wurden dann 15 Minuten in einem elektrischen Ofen bei 677°C vorerhitzt Eine abschließende Vorerhitzung während weiterer 10 Minuten erfolgte unter leichtem Druck zwischen Schmiedegesenken aus einer heißen Nickellegierung bei 87 Γ C (Diese Art der Vorerhitzung eignet sich besonders für die graphithaltigen erfindungsgemäßen Schmierstoffe.) Die mit dem Schmierstoff überzogenen Schmiedestücke wurden dann insgesamt 6 Minuten unter einem Schmiededruck von 150 Tonnen gepreßt

Das Schmiedegut war eine der AMS-4811 B-Norm entsprechende Platte aus einer geglühten ΤΪ-6ΑMV-Legierung und zeichnete sich weiter dadurch aus, daß seine Struktur aus der gleichachsigen oder etwas länglichen tx-Phase in einer Matrix aus umgewandelter P-Phase bestand, was anzeigt, daß die Fertigbearbeitung unterhalb des Obergangs in die 0-Phase erfolgte. Das flache Plattenmaterial wurde zu einem Stück mit 1-Träger-Querschnitt (Doppel-T-Träger) mit zwei sich von Flansch zu Flansch auf einer Seite des Stegs erstreckenden Querrippen mit der gleichen Tiefe wie der Flansch geschmiedet Außerdem wurde in dem Steg ein Buckel gebildet An verschiedenen Stellen rund um das Schmiedestück variierten die Rippendicken von etwa 2 mm, was ohne Oberbeanspruchung der Gesenke nicht leicht auf die volle Rippenhöhe aufzufüllen ist, bis zu etwa 4 mm, was leicht zu füllen ist, jedoch die

Fähigkeit, eine dünne Rippe neben einer dicken zu füllen, genau testet. Das Buckelprofil war niedrig und leicht zu füllen, diente jedoch als zusätzliche Möglichkeit zur Messung von Schmierstoffrückständen. Eine getreue Wiedergabe eines scharfen Radius an der Oberseite der Querrippe sowie die Menge von Restschmierstoff auf dem Buckel ergab ein weiteres Maß für die Neigung des Schmierstoffes, sich anzusammeln.

Die getesteten Gesenkschmierstoffe ergaben mit den verschiedenen Teststücken von Beispiel 7 Schmiedestücke mit guter Qualität. Der Grad der Metallverformung war gut und trotz wiederholter Schmiedevorgänge zeigte sich keine merkliche Ansammlung von Schmierstoff innerhalb der Gesenke, wobei manchmal

bis zu 90 Schmiedevorgänge ohne Reinigung des Gesenks durchgeführt wurden. Dies steht im Gegensatz zu der üblichen Praxis unter Verwendung von Schmierstoffen aus Glasschmelzen, wo manchmal nach jedem Schmiedevorgang eine Reinigung des Gesenks erforderlich ist Auch wurde eine gute Oberflächenbeschaffenheit der geschmiedeten Stücke beobachtet.

Ein ähnlicher Test mit einem nur 7 Gew.-% Bornitrid enthaltenden, sonst jedoch identischen Gesenkschmierstoff ergab ähnliche Ergebnisse mit der Ausnahme, daß die Oberflächenbeschaffenheit der geschmiedeten Stükke aufgrund des geringeren Bornitridgehaltes unbefriedigend war und sich Schmierstoff in den Gesenken ansammelte.

Claims

Patentansprüche:

1. Gesenkschmierstoff für das Schmieden von metallischen Werkstücken, bestehend aus 1) einem kleineren Anteil einer Menge von 40 Gew.-% oder weniger eine Grenzschicht bildenden Bornitridoder Graphitteilchen oder Mischungen derselben mit einer geringeren Teilchengröße als diejenige, mit welcher mindestens 95% der Teilchen durch ein to 40-mesh-Sieb hindurchgehen, 2) einem größeren Anteil einer Menge von über 60 Gew.-% eines Pulvers aus glasigen Komponenten, einschließlich 60 bis 75 Gew.-% Dibortrioxid, bezogen auf die Glasphase, und 3) einem Restanteil an Quarz und is einem Metalloxid als Netzmittel, wobei das Metalloxid Kobalt-, Barium-, Manganoxid oder ein Gemisch derselben ist und in einer Menge von V2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der glasigen Bestandteile, in dem Gesenkschmierstoff enthalten ist

2. Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Grenzschichtteilchen Bornitridteilchen und als Metalloxid Kobaltoxid enthält

3. Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1, enthaltend

1) Grenzschichtteilchen, die zu mindestens 95% durch ein 325-mesh-Sieb hindurchgehen und zwischen 7 und 25 Gew.-% der Gesamtmenge von Grenzschichtteilchen und glasigen Komponenten ausmachen,

2) 67 bis-75 Gew.-% Dibortrioxid, bezogen auf die glasigen Komponenten, und

3) 1 bis 3 Gew.-% Metalloxid, bezogen auf die glasigen Komponenten.

4. Gesenkschmierstoff nach Anspruch 3, bestehend aus

25 Gew.-% Bornitrid und

75 Gew.-% glasigen Komponenten,

wobei die glasigen Komponenten aus

67 Gew.-% Dibortrioxid,
31 Gew.-% Quarzfritte und
2 Gew.-% Kobaltoxid

zusammengesetzt sind.

5. Gesenkschmierstoff nach Anspruch 3, bestehend aus

14 Gew.-% Bornitrid und

86 Gew.-% glasigen Komponenten,

wobei die glasigen Komponenten

67 Gew.-% Dibortrioxid,
31 Gew.-% Quarzfritte und
2Gew.-% Kobaltoxid

zusammengesetzt sind.

6. Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Borsilikatglas enthält, welches in einer Vorreaktion aus Dibortrioxid, Quarzfritte und Metalloxid hergestellt worden ist

45

50

60

7. Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 er ein flüssiges, einen Harzbinder gelöst enthaltendes Lösungsmittel als streichfähigen Träger enthält

8. Gesenkschmierstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er als Harzbinder ein Acrylharz, Methylcellulose, Polycarbonat, Polyurethan oder ein Epoxydharz enthält

9. Gesenkschmierstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er als streichfähigen Träger ein organisches, aromatisches, nicht-sauerstoffhaltiges Lösungsmittel enthält, in welchem ein Harzbinder gelöst ist

10. Isothermes Warmgesenk-Preßschmiedeverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisches Werkstück mit einem Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1 überzogen und auf mindestens eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher die glasigen Komponenten unter Bildung einer hydrodynamischen Glasphase, in welcher die festen Grenzschichtteilchen dispergiert sind, schmelzen, daß man ein umschlossenes Schmiedegesenk erhitzt, das überzogene Werkstück in das warme Gesenk einbringt, Gesenk und Werkstück auf eine Temperatur zwischen 815 und 98O⁰C erhitzt und während mindestens 5 Sekunden auf das Werkstück einen so starken Schmiededruck ausübt, daß ein Kriechfluß des Metalls des Werkstoffes in Anpassung an das Gesenk erfolgt

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallwerkstück aus Titan oder einer Titanlegierung mit einem Gesenkschmierstoff nach Anspruch 3 überzogen und das überzogene Werkstück außerhalb der Form auf eine Temperatur zwischen 815 und 980⁰C während mindestens ¹A Stunde erhitzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Metallwerkstücke aus Titan oder einer Titanlegierung mit einem Gesenkschmierstoff, dessen Grenzschichtteilchen Graphitteilchen sind, überzogen werden und daß die überzogenen Werkstücke außerhalb des Gesenks auf eine Temperatur von nicht über 704⁰C nicht länger als etwa '/2 Stunde erhitzt werden, worauf man die vorerhitzten Werkstücke in ein umschlossenes Schmiedegesenk einführt und das Werkstück mittels des warmen Schmiedegesenks vor Ausübung des Schmiededrucks einer weiteren Vorerhitzung bis zum Erreichen einer Temperatur zwischen 815 und 980° C aussetzt

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstück aus Titan oder einer Titanlegierung mit einem Gesenkschmierstoff, dessen Grenzschichtteilchen Graphitteilchen sind, überzogen wird und daß das überzogene Werkstück außerhalb des Gesenks in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre während mindestens ¹A Stunde auf eine Temperatur zwischen 815 und 98O⁰C erhitzt wird.