DE2707787A1

DE2707787A1 - Verfahren zur formung von eisenmetallen und schmiermittel hierfuer

Info

Publication number: DE2707787A1
Application number: DE19772707787
Authority: DE
Inventors: Don William Lee; John Leonard O'brien; Michael Rossetti
Original assignee: Arthur D Little Inc
Current assignee: Arthur D Little Inc
Priority date: 1976-02-23
Filing date: 1977-02-23
Publication date: 1977-09-01
Also published as: FR2341384B3; FR2341384A1; JPS52102862A; US4147639A

Description

ARTHUR D. LITTLE, INC., Ca m bri dge, Ma s s./USA

"Verfahren zur Formung von Eisenraetallen und Schmiermittel hierfür"

Priorität: 23. Februar 1976 - USA No. 660 465

Die Erfindung betrifft das Formen von Metallen, insbesondere ein Schmiermittel für das Formen von Eisenmetallen bei erhöhten Temperaturen, um geformte Teile direkt herzustellen, die wenig oder keine zusätzlichen maschinelle Nachbearbeitung benötigen.

Das Vei'fahren des Kaltformens wird seit langem zur Herstellung geformter Teile, v/ie etwa von Buchsen, Kupplungen und dergleichen verwendet. Die Kaltformung hat bestimmte, ihr eigene Vorteile, die sie zu einer angenehmen Technik machen. Zu diesen Vorteilen gehört, dass das Metall kalt bearbeitet

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wird, was dem fertiggestellten Teil Festigkeit verleiht, sowie ausserdem, dass das kalt geformte Stück mit nur wenig oder ohne weitere Bearbeitung oder Oberflächennachbearbeitung verwendet werden kann. Kaltformen erfordert jedoch einen beträchtlichen Energieaufwand und ist in der Prexis bezüglich der Grosse des verwendeten Rohlings und deswegen euch des fertiggestellten kalt geformten Teiles begrenzt.

Heissformen, womit Heissschmieden und Heissextrudieren bezeichnet ist, ist ein wohl bekanntes Verfahren zur Herstellung von Walzzeug, das dann einer weiteren Verformung, maschinellen Bearbeitung und/oder Oberflächennachbearbeitung unterworfen wird, so dass es die gewünschte Form erhält. Die Heissverarbeitung wird normalerweise an einem Metall durchgeführt, das auf eine Temperatur über seinem Rekristallisationspunkt erhitzt wird. Als Folge dieses Erhitzens wird die Kristallstruktur des Metalls oder der Legierung verändert und die Festigkeit kann nachteilig beeinflusst werden. Da jedoch das Heissformen wesentlich weniger Energieaufwand bei · der Verarbeitung erfordert, wird ein Verlust an Festigkeit beim schliesslich erhaltenen Produkt unter vielen Umständen gern in Kauf genommen oder er tritt in anderen Umständen wegen der niedrigen Arbeitsdrücke nicht auf.

Zwischen diesen beiden bekannten Verfahren des Kalt- und Hcissformens liegt ein Verfahren, das in neuerer Zeit grössere Aufmerksamkeit gefunden hat, und das normalerweise als Warmformen bezeichnet wird. In mancher Hinsicht besitzt das V/armformen die kombinierten Vorteile von Kalt- und Heissformen unter Verringerung oder Ausschluss der Nachteile dieser Verfahren. Beim Warmformverfahren wird der Rohling, der durch Formpressen in die gewünschte Form gebracht v/erden soll, auf eine Temperatur erhitzt, die unter der Temperatur

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liegt, bei welcher eine wesentliche Rekristallisation des Metalls bewirkt wird. Im Fall von Eisenmetallen und -legierungen ist die Warmformtemperatür nicht grosser als etwa 815°C. Das Erhitzen des Rohlings macht diesen leichter bearbeitbar. Da jedoch keine Rekristallisation stattfindet, entspricht die Bearbeitung in ihren physikalischen Wirkungen im wesentlichen dem Kaltformen. Daher vermindert das V/armformen den erforderlichen Energieaufwand und belässt den Werkstücken die Festigkeit, die sie beim Kaltformen besitzen.

Da all diese Formverfahren Metall-Metall-Kontakt unter sehr hohen Drücken und Reibungskräften mit sich bringen, wurden Schmiermittel nötig, die ein Ineinanderfressen der Oberflächen des zu formenden Stücks und des Formwerkzeuges verhindern. Das Schmiermittel dieser Erfindung ist zum Formen von Eisenmetallen bei Temperaturen zwischen etwa 590 und 1260 C (1100 bis 230O⁰F) geeignet. Es ist daher sowohl für V7armeis auch für Heissformverfahren brauchbar.

Beim Kaltformen wird das Schmiermittel in der Regel in Form einer fest mit dem Rohling verbundenen Beschichtung eingesetzt, etwa aus Eisensulfiden, -phosphaten und -oxalaten. Über diese Beschichtungen wurden dann thermoplastische Filme aufgezogen (siehe beispielsweise US-PS 2 588 23*0. Es wurden auch organische Polymere allein beim Kaltextrudieren von V/eichstählen verwendet. (Siehe "Polymer Lubricants for the Gold Extrusion of Mild Steel" von D. Blake et al, Metallurgie and Metal Forming,.Januar 1972, Seite 30 und 31)· Integralbeschichtungen von Sulfiden und dergleichen verlangen die Behandlung des Rohlings in besonderer Atmosphäre unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen, deshalb vergrössert ihre Verwendung die Kosten des Kaltformverfahrens beträchtlich. Die Verwendung thermoplastischer Harze eis Schmiermittel hat wesentliche Vorteile für das Kaltformen; jedoch sind thermoplastische Harze beim Warmformen nicht

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verwendbar, da sie bei der verwendeten Temperatur thermisch abgebaut v/erden, bevor sie als Schmierstoffe wirken können.

Glas wurde in verschiedenen Formen als Schmierstoff beim Strangpressen mit Arbeitstemperaturen von etwa 1100 C (2000⁰F) zur Herstellung von Walzzeug verwendet. Zu diesen Formen von Glas gehören einzelne Platten (US-PS

2 539 917), mehrfache Platten (US-PS 3 390 079), eine Mehrzahl von Glasschichten (US-PS 3 34-5 842), Platten mit Glasfasern (US-PS 2 630 220), Glaspulver mit Glasgewebe (US-PS

3 254 40n), feinverteiltes Glas in Fett (US-PS 3 485 753) sowie eine an der Oberfläche des Rohlings haftende Glasbeschichtung (US-PS 3 465 424). Gläser, Graphit und schwere Schmieröle werden in grossem Umfang beim Heissformen verwendet .

Beim Warmformen, das nicht so häufig wie Kalt- oder Heissformen eingesetzt wird, wurde Graphit zur Beschichtung der Oberflächen des Rohlings und< des Formwerkzeugs verwendet Graphit folgt jedoch den durch das Formen neu gebildeten Oberflächen nicht und deshalb kommt das Formwerkzeug an den Stellen, die stark geformt werden, mit nicht-geschmierten Oberflächen in Berührung und wird stark abgenutzt. Integralbeschichtungen aus einer Kombination von Manganphosphat und Wolframdisulfid wurden für das Warmformen vorgeschlagen (siehe US-PS 3 378 903), jedoch ist wie bei der Verwendung von Integralbeschichtungen auf Rohlingen für das Kaltformen diese Art von Schmierung kostenaufwendig und kompliziert in der Aufbringung.

Es ist daher ersichtlich, dass das Warmformen von Metallteilen bestimmte Vorteile bietet, dass jedoch ein geeigneter billiger Schmierstoff benötigt wird, der es möglich macht, alle Möglichkeiten des Warmforraverfahrens zu verwirklichen. Ebenso ist ein verbessertes Schmiermittel für das Heiss-

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formen vonnöten..

Ziel dieser Erfindung ist daher ein verbessertes Verfahren zum Formen von Eisenmetallen,bei erhöhten Temperaturen, insbesondere ein Verfahren der beschriebenen Art, das, es möglich macht, Metallteile bei erhöhten Temperaturen zu formen, wobei weniger Energie verwendet wird, als für das Kaltformen erforderlich ist, während im wesentlichen die gesarate oder ein grosser Teil der Festigkeit des Metalls, die beim Kaltformen auftritt, erhalten bleibt, sowie schliesslich ein Formverfahren, das für Eisenlegierungen geeignet ist, die für das Kaltformen eine zu hohe Festigkeit aufweisen, sowie ein Verfahren zur Formung von Eisenmetallen bei erhöhten Temperaturen, das es möglich macht, grössere Rohlinge zur Bildung grösserer geformter Metallteile, als dies mit dem Kaltformen möglich ist, zu handhaben. Ferner ist·Ziel der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Formpressen von Metallteilen so kontrollierter Abmessungen und Oberflächenqualität, dass diese Teile nur wenig oder keine weitere maschinelle Bearbeitung oder Nachbearbeitung erfordern, sowie Metallteile, die mit geringem Kostenaufwand herzustellen sind.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine billige, leicht anzuwendende Beschichtungsmischung, die in situ ein Glas bilden kann, welches als Schmiermittel für Eisenmetalle, die bei erhöhten Temperaturen verarbeitet werden sollen, dient, sowie ein Schmiermittel der beschriebenen Art, das in minimalen Mengen eingesetzt werden kann, während es gleichzeitig maximalen Schutz der Oberflächen des Formwerkzeugs bietet.

Die Erfindung liefert also ein Verfahren zur Ausbildung einer vorgewählten Form eines Eisenmetallrohlings durch Formpressen bei erhöhten Temperaturen, wonach man auf die Oberfläche des

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Metallrohlings eine Beschichtung aufbringt, die aus einem Gemisch einer Boroxidquelle (H^BO, und/oder BpO,) mit einem Alkaliborat (vorzugsweise Natriumtetraborat in Form von Borax) besteht, und die Beschichtung erhitzt, so dass in situ ein alkaliiaodifiziertes Glas gebildet wird, das an der Oberfläche als Schmierstoff haftet. Die Beschichtung wird zweckmässig als Aufschlämmung, deren flüssiger Träger vorzugsweise Wasser ist, verwendet. Die relativen Mengen von Boroxidquelle und Alkaliborat im Gemisch werden so gewählt, dass zwischen etwa 5 und etwa 10 mol-# Alkalimetalloxid im auf der Oberfläche des Rohlings gebildeten Glas vorliegen, wodurch das Glas eine Viskosität im Bereich von etwa 500 bis 1500 cP während des Formvorgangs besitzt.

Weiterhin liefert die Erfindung eine neue Mischung zum Aufbringen auf eine Eisenoberfläche, die als Vorläufer für ein Schmiermittel beim Warm- oder Heissformen dient, wobei diese Mischung ein Gemisch im wesentlichen aus einer Boroxidquelle und Borat ist. Dieses Gemisch kann in der Form einer Aufschlämmung mit einem flüssigen Träger verwendet werden. Die Mengen an Boroxidquelle und Alkaliborat werden so eingestellt, dass ein Glas gebildet wird, welches an der Oberfläche haftet und eine Viskosität zwischen etwa 500 und I5OO cP unter den Bildungsbedingungen aufweist.

Weiterhin liefert die Erfindung einen neuen Fertigungsartikel, bestehend aus einem Eisenmetallrohling, an dem eine Schmiermitte !beschichtung haftet, welche im wesentlichen aus einem Gemisch einer Boroxidquelle mit einem Alkaliborat besteht, wobei die Menge des Alkaliborats so gewählt wird, dass es etwa 5 bis etwa 10 mol-# Alkalimetalloxid liefert, wenn diese Beschichtung erhitzt wird, so dass sie in situ ein alkalimodifiziertes Borglas liefert, das an der Oberfläche des Eisenmetallrohlings haftet. Das erhaltene Glas liefert ein wirksames Schmiermittel, wenn der Metallrohling entweder

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durch Warm- oder Heissformen in seine vorgewählte Form gebrocht wird.

Die Erfindung umfasst demgemäss mehrere Stufen und die Beziehung einer oder mehrerer solcher Stufen zu jeder der anderen, sowie die Zusammensetzung und das Erzeugnis, welche die Merkmale, Eigenschaften und das Verhältnis der Bestandteile haben, die in der folgenden eingehenden Beschreibung durch Beispiele erläutert sind.

Zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung dienen auch die beiliegenden, im folgenden näher beschriebenen Zeichnungen. Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines als Beispiel gewählten Rohlings;

Fig. 2 einen vereinfachten Querschnitt einer Formpresse, die zur Eückextrusion (back extrusion) geeignet ist, wobei ein Rohling in seiner Position gezeigt ist;

Fig. 3 die Formpresse der Fig. 2, wobei die Bildung eines geformten Eisenmetallteiles gezeigt wird;

Fig. 4- die perspektivische Ansicht des gebildeten geformten Teils;

Fig. 5 einen vereinfachten Querschnitt durch eine Formpresse, die zur Vorwärtsextrusion geeignet ist, wobei ein teilweise gebildetes geformtes Werkstück gezeigt ist;

Fig. 6 einen Querschnitt durch das Formwerkzeug der Fig. 5 entlang der Ebene 6-6 von Fig. 5; sowie

Fig. 7 ein Diagramm, in dem die Gew.-Teile Borax pro 100 Gew.-Teile Η,ΒΟ, aufgetragen sind, die zur Erreichung des erwünschten Mol-Prozentgehaltes an Natriumoxid (Na2O) in einem beispielhaften Glasschmiermittel erforderlich sind.

Bevor die Bildung des Schmiermittelsystems der vorliegenden Erfindung in den Einzelheiten beschrieben wird, dürfte es

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vorteilhaft sein, das allgemeine Verfahren zur Ausbildung einer vorgewählten Form aus rohen Meta Ilstücken zu beschreiben. Fig. 1 stellt in perspektivischer Ansicht einen Eisenmetallrohling 10 dar, der für die Praxis der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Bei der Rückwärtsextrusion wird äer Rohling 10 mit seiner Schmiermittel©berflache 11 (Fig. 2) erhitzt und in die Formpresse 12 gelegt, welche in ihrer einfachsten Form aus einer geschlossenen zylindrischen Form 13, welche mit ihrer inneren Oberfläche 14 einen Formhohlraum 15 beschreibt, sowie einem Stempel 16 mit einer äusseren Oberfläche 17 besteht. Die Form 12 und der Stempel 16 bilden das Formwerkzeug, und die Oberflächen 14 und 17 sind die Formoberflächen, die gegebenenfalls mit Graphit beschichtet sein können. Wenn der Stempel 16 unter Druck gegen die ihn berührende Oberfläche 18 des Rohlings gepresst wird, wird das Metall des Rohlings nach rückwärts in das zwischen der Sterapeloberflache 17 und der Oberfläche des Formhohlraums 14 beschriebene Volumen gepresst und bildet so neue Metalloberflächen 19 und 20 aus. Diese neuen Oberflächen bleiben, während sie beim nach oben Gleiten an den Formoberflächen, reiben, durch d8s Schmiermittel geschützt, das mit der Bezugsziffer 11a in Fig. 3 bezeichnet ist. Das Glasschnierraittel der vorliegenden Erfindung fliesst unter diesen Bedingungen und beschichtet weiterhin die neuen Oberflächen, während diese ausgebildet werden. Am Ende des Weges des Sterpels 17 ist ein geformtes Metallteil 21 gebildet, des in Fig. 4 nach dem Entfernen aus der Formpresse gezeigt ist. Dieses Teil 21 kann beispielsweise als Buchse für schwfere Maschinenteile verwendet werden, indem man das verschlossene Ende aufbohrt, urn das Loch 22 zu öffnen.

Fig. 5 beschreibt das sogenannte Vorwärtsextrusionsverfahren, worin ein Rohling 25 (in seiner ursprünglichen Form gezeigt in Fig. 1) in einen Hohlraum 26 gelegt wird, der in einer Strangpressdüse 27 mit einer inneren Form, wie sie in Fig. 6

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gezeigt wird, endet, welche so konstruiert ist, dass sie ein kreisförmiges Metallteil 28 formt. Wird der Stempel 29 gegen den Rohling 25 gepresst, so bildet sich eine neue Metalloberfläche 30 aus, welche Schmiermittel 11a schützt, wobei dieses Schmiermittel das Ineinanderfressen der Oberflächen von Form und geformtem Teil verhindert.

Das erfindungsgemässe Schmiermittel 11a ist ein alkalimodifiziertes Borglas, das in situ auf der Oberfläche des Rohlings 10 gebildet wird, indem man ein Gemisch aus einer Quelle für Boroxid und einem Alkaliborat auf die Oberfläche aufbringt und es erhitzt, so dass das alkaliraodifizierte Glas gebildet wird. Mindestens ein Teil des glasbildenden Gemisches wird vorzugsweise als eine Aufschlämmung aufgebracht und in diesem Fall ist es nötig, zuerst den flüssigen Träger der Aufschlämmung zu entfernen. Die Quelle für Boroxid ist Borsäure H^BO, und/oder Boroxid B₂O;,. Das Alkalimetallborat ist vorzugsweise ein Tetraborat, insbesondere ein hydratisiertes Tetraborat, z.B. Na₂B^O₇ . 10 H₂O (Borax), K₂B^O₇ . 8 HgO oder Ii₂B^O₇ . 5 H₂ 0. Von diesen Verbindungen ist Borax die wirtschaftlichste und günstigste in der Anwendung. Die hydratisieren Formen dieser beiden Komponenten, d.h. Borsäure als Boroxidquelle und Borax als Alkalimetallborat, werden am besten verwendet, wenn das glasbildende Gemisch als Aufschlämmung in einem flüssigen Träger aufgebracht wird. Die wasserfreien Formen, d.h. Boroxid und ein Alkalitetraborat (z.B. Na₂B^Or₇) werden am besten verwendet, wenn das glasbildende Gemisch trocken aufgebracht wird.

Im folgenden wird die Erfindung unter Verwendung von Borsäure als Beispiel für eine Quelle für Boroxid und Borax als Alkalimetallborat beschrieben. Der Fachmann wird jedoch leicht erkennen, dass Borsäure und andere Alkaliborate an die Stelle dieser als Beispiele in der folgenden Beschreibung verwendeten Komponenten gesetzt werden können.

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Der Rohling, auf welchem das erfindungsgeraässe Schmieroittelsysteia verwendet wird, besteht aus einem Eisenmetall, womit Stähle und andere Legierungen bezeichnet sind. Im allgemeinen sind die zur Ausbildung vorgewählter,Formen durch Formpressen verwendeten Stähle Stähle mir geringem Kohlenstoffgehalt. Die Schmiermittel und das Formverfahren der vorliegenden Erfindung sind jedoch in ihrer Anwendung nicht auf solche Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt beschränkt. Die Metalle müssen nur in einer Formpresse bei Temperaturen zwischen etwa 600⁰C (1100°F) und 1260°C (230O⁰F) geformt werden können.

Wie bereits erwähnt, ist bei Verwendung von Natrium als Alkalimetall das verwendete Borat vorzugsweise das Natriumtetraborat in Form von Borax, Na₂B^CU . 10 HgO, >da^ dieser billig und leicht erhältlich ist. Andere Formen von Natriumtetraborat können jedoch natürlich auch verwendet v/erden. Handelsübliche Borsäure ist als glasbildender Bestandteil geeignet.

Die Rolle des Natriumoxids (Na₂O). (Kaliumoxid oder .Lithiumoxid KpO oder·Li₂O) im Gl8s ist offensichtlich eine mehrfache, v/o bei eine der wichtigsten darin besteht, dass die Viskosität des Glases während dieses als !Schmiermittel beim Warm- oder Heissformen des Metalls auf der Oberfläche, auf v/elcher es aufgebracht ist, dient, kontrolliert. Bei der Vorbereitung des Metallrohlings ist es wünschenswert, dass das in situ auf dessen Oberfläche gebildete Glas eine Viskosität im Bereich zwischen etwa 500 und 1500 cP, vorzugsweise etwa 1000 cP auf v/eist. Eine minimale Viskosität des ttatriumoxidhaltigen Borglases wird bei Vorliegen von etwa 7 mol-# Na₂O erzielt. In der Praxis der Erfindung kann der Na₂0-Gehalt im auf der Metalloberfläche gebildeten Glasschmiermittel im Bereich von etwa 5 bis etwa 10 mol-# liegen, so dass der gewünschte Viskositätsbereich erreicht wird. Wie aus dem Diagramm der Fig. 7 ²^ ersehen ist, kann bei Verwendung

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von Borax als Alkalimetallboratkoinponente das auf die Metalloberfläche aufgebrachte glasbildende Geraisch zwischen etwa 15 und etwa 45 Gew.-Teile Borax pro 100 Teile Borsäure (II7BO,) als Boroxidquelle enthalten. Auf der Basis von Gev/.-# bedeutet dies, dass das Borax/Borsäure-Gemisch etwa zwischen 13 und etwa 31 Gew.-% Borax enthalten kann. Geeignete Gewichtsverhältnisse für andere Formen von Natriumtetraborat können leicht berechnet werden, ebenso für die Alkalimetallborate sowie für die Verwendung von Borsäure als Boroxidquelle.

Es scheint, dass eine andere Funktion des Natriumoxids oder eines anderen Alkalimetalloxids im Glasschmierinittel darin besteht, dass dieses ein Lösungsmittel für Eisenoxide bildet, welche auf der Oberfläche des Rohlings vorliegen können. Das Lösen dieser Eisenoxide kann zur guten Haftung des Glases auf der Metalloberfläche beitragen. Schliesslich erhöht/die Gegenwart einer geringen Menge von Natriumtetraborat oder eines anderen Alkalimetallborats die Löslichkeit von Borsäure in Wasser.

Wie bereits festgestellt, ist die Verwendung einer Anzahl verschiedener vorgeformter Gläser in verschiedenen Formen (z.B. Beschichtungen, eine oder mehrere Platten, eine oder mehrere Schichten, Fasern, Pulver / und dergleichen) wohl bekannt. Im Gegensatz hierzu entfällt durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Notwendigkeit, das Glas vorzufortnen, und die in ßitu-Bildung des alkalimodifizierten Glases kann zum Teil des für das V/arm- oder Heissfonnverfahren benötigten Arbeitsgangs des Erhitzens gemacht werden. Darüber hinaus besteht des aufgebrachte glasbildende Gemisch aus nur zwei Komponenten, typischerweise Natriumtetraborat vorzugsweise in Form von Borax und Borsäure.

Das Gemisch dieser glasbildenden Komponenten wird vorzugsweise als Aufschlämmung aufgebracht. Obwohl der flüssige

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Träger der Aufschlämmung aus Flüssigkeiten wie Alkoholen (z.B. Äthylalkohol), Ketonen und dergleichen bestehen kann, wird V/asser bevorzugt. Sowohl Borax als euch Borsäure sind in geringem Ausraass in Wasser löslich. Die Beschiehtungsmi schung der vorliegenden Erfindung sollte jedoch als Aufschlämmung gefertigt werden, die vorzugsweise etwa 100 bis etwa 200 Gew.-Teile des Borax/Borsäure-Gemisches auf jeweils 100 Gew.-Teile des flüssigen Trägers enthält. Dies ist natürlich einer Aufschlämmung mit etwa 50 bis etwa 70 # Feststoffkonzentration äquivalent.

Die Aufschlämmung, welche die Beschichtungsmisehung der vorliegenden Erfindung bildet, kann auf die Oberfläche des Rohlings durch jedes bekannte Verfahren aufgebracht werden, einschliesslich von Sprühen, Tauchen, Streichen und dergleichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Dicke der Beschichtung des Gemisches von Alkalimetallborat und Boroxidquelle, die auf die Oberfläche des Metallrohlings aufgebracht wird, sollte so sein, dass eine Glasschicht im Bereich' zwischen etwa 25 und etv/a 125 ^m gebildet wird.

Bevor das Glas in situ auf der Metalloberfläche gebildet wird, ist es nötig, den flüssigen Träger zu entfernen, falls eine Aufschlämmung verwendet wird. Dies geschieht in geeigneter Weise durch Erhitzen. Bevorzugt geschieht dies durch Aufbringen der Natriumtetraborat/Borsäure-Aufschläramung auf die Oberfläche des Rohlings, nachdem dieser auf etwa 15O^OC (300⁰F) erhitzt wurde, wobei das flüssige Medium beim Aufbringen der Aufschlämmung verdampft.

Unter gewissen Umständen kann es ungünstig sein, eine relativ dicke Aufschlämmung, z.B. eine mit einer Feststoffkonzentration im oberen angegebenen Bereich, zu handhaben und aufzubringen. Aufschläramungen dieser Art können schwierig zu pumpen und als gleichmässige Schipht aufzubringen sein.

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In solchen Fällen ist es möglich, eine Unterschicht aus einer relativ dünnen Aufschlämmung, z.B. mit einer Feststoff konzentrat! on von nicht mehr als etwa 60 #, aufzubringen, und dann, nachdem diese aufgebracht ist, die ablage Menge des zum Erreichen der gewünschten Glasschmiermitteldicke nötigen Glasbestandteiles in Form des trockenen Pulvers aufzubringen. Dieses zugeführte trockene Pulver kann beispielsweise ein trockenes Gemisch von Borsäure und wasserfreiem Natriumtetraborat oder eine trockene Glasfritte im wesentlichen in der gleichen Zusammensetzung, wie die das in situ gebildeten Glaser., sein. Solch ein trockenes Pulver kann sofort nach dem Aufbringen der Aufschlämmungsbeschichtung aufgetragen werden, oder es kann aufgebracht werden, 'während das Glas durch Erhitzen des Gemisches von Borsäure und Natriumtetraborat in der Unterschicht gebildet wird. Wird das Pulver auf eine feuchte Aufschlämmungsunterschicht abgeschieden, so bildet es mit dem in der Aufschlämmung aufgebrachten Feststoffgemisch ein homogenes Glas in situ; wird das Pulver auf ein Glas abgeschieden, das bereits aus der Abscheidung der Aufschlämmung des Feststoffgemisches gebildet wurde, so mischt es sich in das Glas unter Bildung eines homogenen Schmiermittels ein. In letzterem Fall wird des trockene Pulver vorzugsweise aufgebracht, während der Rohling erhitzt wird und die erste Glasbeschichtung klebrig oder flüssig ist.

Jedes bekennte Verfahren zur Abscheidung von Feststoffen auf eine Oberfläche kann zum Aufbringen des trockenen Feststoffgemisches von Borsäure und wasserfreiem Natriumtetraborat in dieser Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist das Aufsprühen der Feststoffe im Luftstrom.

Ist das glasbildende Gemisch einmal an der Metalloberfläche

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fixiert, dann wird der Rohling auf eine Temperatur zwischen etwa 65O⁰C (1200⁰P) und 760°C (1400⁰F) erhitzt, so dass ein alkalimodifiziertes Glas, z.B. Ι^Ο,/ΝθρΟ, als Schmiermittel in situ gebildet wird. Der erhaltene sehmiermittelbeschichtete Rohling kann dann durch das oben beschriebene Verfahren des Warm- oder des Heissformens in eine vorgewählte Form gebracht werden. Das erfindungsgemässe Schmiermittel ist wirksam bei der Formung von Eisenmetallen bei Temperaturen zwischen etwa 600 und 1260°C (1100 bis 230O⁰F).

Beim bevorzugten Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung werden die Schritte des Aufbringens der Metallbeschichtung, der Ausbildung des Glasschmiermittels in situ und des Warmoder Heissformens des Metalls in unmittelbarer Aufeinanderfolge durchgeführt, so dass die zur Entwicklung der benötigten erhöhten Temperaturen notwendige Energie so klein wie möglich gehalten wird. Natürlich kann der Metallrohling auch zwischen jedem dieser Schritte gekühlt v/erden, da sowohl das glesbildende Beschichtungsgemisch als auch die Glasbeschichtung eine gute Haftung auf der Metalloberfläche zeigen.

Nach der Formung des Metalls kann das Glasschmiermittel durch Waschen in Wasser oder in einer leicht alkalischen Lösung, wie etwa in einer verdünnten wässrigen Lösung von Natriumhydroxid, entfernt werden. Die Verwendung einer Natriumhydroxidlösung wird in den Fällen bevorzugt, in denen NaoÖ im Glas in den oberen Konzentrationsbereichen vorliegt.

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung.

Beispiel

Eine Beschichtungsmischung wurde gebildet, indem man eine Aufschlämmung von 175 g Borsäurepulver, 50 g Boraxpulver und 175 ml V/asser anmachte. Die Aufschlämmung hatte einen pH von

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7 und v/ar von einer Konsistenz, die es gestattete, sie auf die Oberflächen eines Eisenmetallrohlings aufzusprühen. Diese Beschichtungsraischung wurde so gewählt, dass sie nach dem Erhitzen eine Glasmischung ergab, welche 7 mol-# KapO enthielt.

Der verwendete Rohling bestand aus einem zylindrisch geformten Stahlstück mit einem Durchmesser von etv/a 15»2 cm (ca. 6 Zoll) und einer Länge von etwa 20,3 cm (ca. 8 Zoll). Der Rohling wurde auf 180°C (35O⁰F) vorgeheizt und die Beschichtung wurde mit einer im Handel erhältlichen Farbsprühvorrichtung über die gesamte Oberfläche des Rohlings versprüht. Das als flüssiger Träger der Aufschlämmung dienende V/asser wurde während des Aufbringens der Aufschlämmung auf den vorgeheizten Rohling verdampft, so dass die auf der Oberfläche gebildete Beschichtung ein im wesentlichen trokkenes Gemisch von Borsäure und Natriuratetraborat war, das fest an der Oberfläche haftete. Die Dicke der so aufgebrachten Beschichtung lag im Bereich zwischen etv/a 25 und 50 um.

Sofort nach der Ausbildung der trockenen Beschichtung auf dem Rohling und während dieser immer noch bei der Temperatur von 180°C (35O°F) gehalten wurde, wurde er in eine Induktionsspule -gebracht und auf etwa ?60°C (14-0O⁰F) erhitzt, so dass das Glasschmiermittel sich in situ auf der Oberfläche ausbildete. Dieses Erhitzen des Rohlings erfordert etv/a 8 Minuten, um die Beschichtung einzubrennen und den Rohling auf die Temperatur für des Warmformen zu bringen. Beim Entfernen des Rohlings aus der Induktionsspule wurde beobachtet, dass die Glesschmiermittelbeschichtung eine dicke sirupartige Konsistenz besass und gleichmässig an der Oberfläche haftete.

Der schmiermittelbeschichtete Rohling wurde sofort ohne weiteres Erhitzen auf eine Formpresse, ähnlich der in den Fig.

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2 und 3 gezeigten für Rückwärtsextrusion, zur Ausbildung einer Form, ähnlich der in Fig. 4- gezeigten, überführt. Es war nicht nötig, den Stempel und die Formoberflächen vor dem Rückwärtsextrudieren des Stückes mit Graphit zu beschichten. Nach Abschluss des Druckvorgangs wurde das geformte Stahlstück aus der Form entfernt und der Stempel wurde herausgezogen. Das Glasschmiermittel wurde mit einer verdünnten Alkalilösung abgewaschen. Die Oberflächen des fertigen Stahlteiles waren relativ glatt ohne sichtbare "Grate. . ' Die Oberflächen des Stempels und der Form waren jeweils frei von Kratzern.

Es wurde auch ein Kontrollauf durchgeführt, worin das Schmiermittel der vorliegenden Erfindung durch eine Graphitbeschichtung ersetzt wurde und die Rückwärtsextrusion wie beschrieben durchgeführt wurde. Die Ergebnisse dieses Kontrolllaufes dienten als Basis für die Bewertung der Eigenschaften des erfindungsgemässen Schmiermittels.

Aus einer Anzehl von Wiederholungen dieses Versuchs und des Kontrollaufes wurde bestimmt, d8ss die Formlast (Druck), die zum Warmformen erforderlich war, unter Verwendung des erfindungsgemässen Schmiermittels 5 bis 15 # geringer war, als bei Verwendung von Graphit auf der Rohlingoberfläche als Schmiermittel. Bei der Verwendung von Graphit als Schmiermittel auf der Oberfläche des Rohlings war es nötig, die Oberflächen von Stempel und Form ebenfalls mit Graphit zu besprühen. Dies war für den Fall des örfindungsgemässen Schmiermittels nicht notv/endig. Das Ausschlagen der Teile, wie es aus dem Geräusch der Presse bestimmt wurde, war bei den mit Glas gemäss der vorliegenden Erfindung beschichteten Teilen leichter als bei den mit Graphit beschichteten Teilen.

Das erfindungsgemässe Schmiermittel ist besonders geeignet zur Verwendung beim Warmformen von Eisenmetallen, z.B.

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Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, hoch legierten Stählen und anderen Eisenmetallen. Die Bedeutung der Anwendung von brauchbaren Warmformverfahren kann dadurch erläutert v/erden, dass hierdurch die Herstellung von sehr grossen Teilen aus Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt möglich wird, die bisher nur durch Verfahren, wie Drehen,Fräsen und Giessen, Verfahren, die für die meisten Anwendungsbereiche aus Kostengründen nicht in Frage kommen, erhältlich waren. Darüber hinaus macht das Warmformen die Verarbeitung hoch legierter Stähle möglich.

Patentansprüche:

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Claims

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PA TENTANSPRÜCIIE:

M.) Verfahren zur Formung einer vorgewählten Gestalt aus einem Eisenmetallrohling durch Formpressen bei erhöhten Temperaturen über etwa 59O⁰C (1100⁰F), dadurch gekennzeichnet, dass man auf die Oberfläche dieses Rohlings einen Überzug aus einem Gemisch aufbringt, das im wesentlichen aus einer Quelle für Boroxid und einem Alkaliborat besteht und diesen Überzug erhitzt und so ein alkalimodifiziertes Boratglas in situ bildet, das an dieser Oberfläche als Schmiermittel für das Formpressen anhaftet, wobei die Menge an Alkaliborat im Gemisch so ist, wie sie benötigt wird, um zwischen etwa 5 und etwa 10 mol-Jo Alkalioxid im Glas zu erzielen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug des Geraisches eine Dicke aufweist, um das Glas mit einer Dicke zwischen etwa 12 und etwa 125 un auszubilden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aufgebracht wird, indem man die Quelle für Boroxid und das Alkaliborat in Form einer Aufschlämmung in einen flüssigen Träger bringt und diese Aufschlämmung auf die Oberfläche aufbringt und den flüssigen Träger entfernt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den überzug aufbringt, indem man auf der Oberfläche eine Unterschicht aus dem Gemisch in Form einer Aufschlämnung aufbringt und dann auf diese Unterschicht ein trockenes Pulver zur Ausbildung von zusätzlichem Glas von im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung v/ie sie durch Erhitzen des Gemisches ausgebildet wird, abscheidet.
5. Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet,

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dass man die Stufe der Abscheidung des trockenen Pulvers unmittelbar an die Stufe der Abscheidung der Unterschicht durchführt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Stufe der Abscheidung des trockenen Pulvers gleichzeitig mit dein Erhitzen durchführt.
7. Verfahren nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, dass das trockene Pulver im wesentlichen aus einer vorgeformten alkalimodifizierten Borglasfritte mit etwa 5 bis etwa 10 mol-/i des Alkalimetalloxids besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das trockene Pulver im wesentlichen aus einem Gemisch von Boroxid und einer Substanz besteht, in v/elcher das Alkalimetall Natrium ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetallborat wasserfreies Natriumtetraborat ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle für Boroxid Borsäure, HvBO^, oder Boroxid, B₂O₅, ist. . ; . .
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetall Natrium ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkaliborat in Form von Borax vorliegt.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen des Überzuges eine Temperatursteigerung des Rohlings bis auf etwa 760⁰C (1400⁰F) umfasst.

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14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe des Aufbringens des Überzuges das Aufsprühen des Gemisches in trockener Pulverform oder als Aufschlämmung auf die Oberfläche umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man

(a) eine Überzugszusammensetzung bereitstellt, die sich dadurch auszeichnet, dass sie im wesentlichen aus einer Quelle für Boroxid und einem Alkaliborat besteht, wobei das Alkaliborat im Gemisch in einer Menge vorliegt, um zwischen etwa 5 und 10 mol-# an Alkalimetalloxid zu liefern, wenn das Gemisch unter Bildung eines alkalimodifizierten Boratglases daraus erhitzt wird,

(b) diese Überzugszur-ammensetzung auf die Oberfläche des Eisenmetallrohlings unter Bildung eines Überzugs darauf aufbringt,

(c) diesen Überzug auf der Oberfläche auf eine Temperatur erhitzt, die ausreichend ist, um das alkalimodifizierte Boratglas zu bilden und dadurch ein Schmiermitfctel auf dieser Oberfläche ausbildet, und

(d) unter Druck diese Oberfläche des Rohlings, welche das Schmiermittel aufweist, mit einem Presswerkzeug in Berührung bringt und dadurch den Rohling unter Druck in die vorgewählte Form bringt.
16. Verfahren nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überzugszusammensetzung in Form einer Aufschlämmung der Quelle für Boroxid und des Alkaliborats in einem flüssigen Träger bereitgestellt wird und der flüssige Träger vom Überzug vor dem Erhitzen des Überzugs zur Bildung des Glases entfernt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass man auf diesen Überzug ein trockenes Pulver aufbringt,

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um weiteres Glas von im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie das durch Erhitzen des Überzugs gebildete auszubilden.
18. Verfahren nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, dass man das trockene Pulver vor der Entfernung des flüssigen Trägers aufbringt.
19- Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man das trockene Pulver gleichzeitig mit der Entfernung des flüssigen Trägers aufbringt.
20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das trockene Pulver im wesentlichen aus einem Gemisch von Boroxid und einem Alkaliborat besteht.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkaliborat wasserfreies Natriumtetraborat ist.
22. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das trockene Pulver im wesentlichen aus einer vorgeformten Fritte aus alkalimodifiziertem Borglas besteht, das etwa 5 bis etwa 10 mol-Jo an Alkalimetalloxid aufweist.
23. Verfahren nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle für Boroxid Borsäure, H^BO^, oder Boroxid, B₂O^, ist.
24. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalimetall Natrium ist.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkaliborat in Form von Borax vorliegt.
26. Verfahren nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet,

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dass das Erhitzen des Überzugs eine Temperaturerhöhung des Rohlings bis zu etv/a 7&O°C (1400⁰P) umfasst.
27. Verfahren nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit dem Schmiermittel mit dem Formwerkzeug in Kontakt gebracht wird, wenn der Rohling sich bei der Temperatur zwischen etwa 59O°C (110O⁰F) und 1260⁰C (23OO°F) befindet.
28. Zusammensetzung für den Auftrag auf eine Eisenmetalloberfläche als Vorläufer für ein Schmiermittel zur Verwendung während der Verformung unter Druck bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Aufschlämmung eines Gemisches ist, das im wesentlichen aus einer Quelle für Boroxid und einem Alkaliborat in einem flüssigen Träger besteht, wobei das Alkaliborat in dem Gemisch in einer Menge vorliegt, die ζ v/i s c he η etwa 5 und etwa 10 mol-# Alkalimetall oxid liefert, wenn das Gemisch unter Bildung eines alkalimodifizierten Borglases daraus erhitzt wird.
29· Zusammensetzung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Träger Wasser ist.
30. Zusammensetzung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle für Boroxid Borsäure und das Alkeliborat Natriumtetraborat, das in Form von Borax vorliegt, Bind.
31. Zusammensetzung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das ITa tri um te trab orat im Gemisch in einer Menge vorliegt, die etwa 7,5 mol-# Natriumoxid liefert.
32. Zusammensetzung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufschlämmung einen Feststoffgehalt zwischen etwa 50 und etv/a 70 Gew.-# aufweist.

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