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"Verfahren zur Beschichtung mit Seifenschmierstoff't
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung phosphatierter
Werkstücke mit Seifenschmierstoffen, bei dem die Werkstücke phosphatiert und dann
beseift werden.
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Die Herstellung von Werkstücken aus Eisenwerkstoffen zu geometrisch
maßgerechten Konstruktionsteilen erfolgt durch verschiedene Verfahren, unter denn
die Kaltumformung einen besonders wichtigen Platz einnimmt. Voraussetzung für die
Entwicklung dieser Technologie war die Schaffung von Schmiersystemen, die für die
extremen Drucke und Belastungen während solcher Umformprozesse geeignet sind. Die
Schmiersysteme müssen beispielsweise. bei Drucken bis zu 3000 N/mm2 und Temperaturen
in der Schmierfuge von bis über 3000 C mit Spitzen bis zu etwa
10000
C noch eine völlige Trennung der Reibpartner garantieren.
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Für die vorgenannten Zwecke werden heute bevorzugt I^;ombinationen
von Konversionsschichten mit Schmierstoff verwendet. Als Konversionsschichten werden
dabei Phosphats schichten mit Schichtmetallen wie Zink, Mangan und Eisen einzeln
oder auch in Kombination miteinander verwendet.
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Besonders die zinkhaltigen Phosphatschichten haben sich bei der Kaitmassivumformung
als geeignet erwiesen, da nicht nur die Kristallite einen für diesen Zweck günstigen
Aufbau besitzen, sondern auch das Schichtmetall Zink eine Reaktion mit gewissen
Schmierstoffen auf Seifenbasis ermöglicht.
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Als Schmierstoffe werden neben unverseiften oder teilverseiften Fettsäuren
und Festschmierstoffen mit Schichtgitterstruktur bevorzugt solche auf der Basis
von Fettsäure verwendet, und zwar in weitgehend verseifter Form.
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Letztere - auch als reaktive Seifenschmierstoffe sowie Natronseife
oder Natriumstearat bezeichnete Substanzen -sind in der Lage, in der wässerigen
Phase im pH-Bereich zwischen 8 und 11 sowie Temperaturen von zwischen 600 C und
1000 C eine Anlösung der Phosphatschicht herbeizuführen, mit dem Zinkanteil derselben
zu reagieren und hierdurch die Phosphatschicht mit einer fest verankerten Schmierstoffschicht
abzudecken. Da sich besonders die Stearate als Schmiervirksam im Sinne der Kaltmassivumformung
erwiesen haben, enthalten diese Seifenschmierstoffe Uberwiegend Anteile an Natriumstearat.
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Zur Bildung von Seifenbeschichtungen, die die Zinkphosphatschicht
völlig abdecken, werden in der Regel mindestens 50 % Natriumstearat neben Natriumpalmitat
u.a.
verseiften Fettsäuren in der 1-10Xigen Seifenkomponente des wässerigen Schmierstoffbades
benötigt.
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Der Aufbau des vollständigen Beschichtungssystems, bestehend aus der
Phosphatschicht und dem Seifenschinierstoff, stellt sich, ausgehend von der Metalloberfläche,
folgendermaßen dar: 1. Metalloberfläche 2. Zinkphosphatschicht 3. Zinkstearatschicht
im Gemenge mit nicht umgesetzten Teilen an Natriumstearat 4. Mechanisch angelagerter
Anteil an nicht umgesetzter Seifensubstanz, insbesondere Natriumstearat.
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Es ist bekannt, daß tUr Umformungen mit betonter Trennwirkung,zum
Beispiel Napfrtickwärtsfließpressen, nicht nur dicke Zinkphosphatschichten, sondern
auch starke Beseifungsschichten bestehend aus Zinkstearat im Gemenge mit nicht umgesetzten
Teilen an Natriumstearat vorteilhaft sind. Weiterhin hat die Praxis gezeigt, daß
die Umformungen mit betonter Gleitwirkung,zum Beispiel Abstreckgleitziehoperationen,
insgesamt dünnere Beschichtungen sowohl bei der Zinkphosphatschicht als auch bei
der Beseifung erfordern.
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Zur Erzeugung der Phosphatschichten mit den jeweiligen Auflagen wird
in der Praxis die Zusammensetzung des Phosphatierungsbades varssert.
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dicke Phosphatschichten erhält man aus Zinkphosphatierungsbädern
mit Eisen-Il-Anteilen; dünne Phosphatschichten erhält man aus Zink-
phosphatierungsbädern
ohne oder mit nur geringen Eisenw Anteilen.
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Zur Erzeugung der jeweiligen Beseifungsstärke wird die Zusammensetzung
des Schmierstoffes bzw. des Schmierstoffbades variiert: eine dicke Schicht erhält
man durch hohe Umsetzung zu Zinkstearat aus Bädern mit hohen Anteilen an Natriumstearat;
eine dünne Schicht erhält man durch niedrige Umsetzung zu Zinkstearat aus Bädern
mit niedrigen Anteilen an Natriumstearat; die Beschichtungsstärke kann auch durch
Änderung der Seifenbadkonzentration, des pH-Wertes, der Temperatur und der Zeitdauer
beeinflußt werden.
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Sofern die phosphatierten Werkstücke in Tauchtrommeln in die Seifenlösung
zur Beschichtung eingebracht werden, ist die Beseifung wegen des Scheuereffektes
mittelstark und ungleichmäßig. Bei Hohlteilen ergeben sich außerdem erhebliche Unterschiede
zwischen der Innen- und Außenbeschichtung. Erfolgt die Beseifung der Werkstücke
in Tauchkörben oder Gestellen, so ist der Auftrag sehr dick und gleichmäßig.
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Alle vorgenannten bekannten Verfahren zur Beseifung können nicht verhindern,
daß Beschichtungen mit gewissen Anteilen an Seifensubstanz entstehen, die sich nicht
mit dem Zinkanteil der Phosphatschicht umgesetzt haben, also Anteilen aus mechanisch
angelagerter Seifensubstanz
mit mindestens 50,' Natriumstearat.
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Während man bisher allgemein der Ansicht war, daß dicke Beseitungsschichten
in jedem Falle eine günstige Wirkung, d.h. eine hohe Trennwirkung und Schmierwirkung,
haben müßten, wurde nun gefunden, daß die nicht umgesetzte, d.h. also nur mechanisch
angelagerte Seifensubstanz erhebliche negative Einflüsse auf das tribologische Verhalten
des Schmiersystems ausüben. Darüberhinaus verursacht diese Seifensubstanz eine Verunreinigung
der Werkzeuge und damit die sich daraus ergebenden ?ertigungsprobleme.
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Ausgehend von diesen Erkenntnissen hat sich der Erfinder die Aufgabe
gestellt, den Anteil der störenden Seifenkomponente bestehend aus nicht umgesetzten
Seifenschmierstoffsubstanzen zu entfernen und somit nicht nur die Schmierwirksamkeit
des Systems insbesondere dessen Gleitwirkung zu verbessern, sondern auch die Werkzeugverunreinigungen
zu verringern und dadurch die Stillstandzeiten der Pressen in der Produktion erheblich
zu verkleinern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beseiften
Werkstücke mit Wasser gespült werden.
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Diese Maßnahme ist so einfach, daß man versucht ist, sie fast für
selbstverständlich zu halten, zumal es auch schon bei der Phosphatierung der Werkstücke
und bei anderen Verfahren, in denen Werkstücke in Bädern behandelt werden, üblich
ist, diese Behandlung durch einen Spülvorgang abzuschließen.
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Im vorliegenden Falle hat man aber eine Wasserspülung nach der Beseifung
bisher sorgfältig vermieden, weil man rürchtete, damit die Seifenschicht wieder
abzuspülen
und damit die Schmierwirkung teilweise oder völlig aufzuheben.
Stattdessen war man stets bemüht, eine möglichst dicke Seifenschicht auf die phosphatierten
Werkstücke aufzubringen, weil man meinte, daß dadurch das tribologische Verhalten
des Schmiersystems zwangsläufig besser sein müßte.
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Erfindungsgemäß wird aber - im Gegensatz zur bisherigen Praxis - vorgeschlagen,
die wasserlöslichen Komponenten, also die nicht umgesetzten Schmierstoffanteile,
möglichst weitgehend zu entfernen.
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Diese technische Lehre ging von der Erkenntnis aus, daß das Zinkstearat
und nicht der Anteil mechanisch angelagerter Seifensubstanz die eigentliche schmierwirksame
Komponente darstellt.
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Durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensschritt wird außerdem
die Verunreinigung der Werkzeuge verringert. Dadurch werden die Stillstandszeiten
verkleinert, die bisher zur Reinigung der Werkzeuge eingelegt werden mußten.
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Es ergeben sich durch dieses Verfahren erhebliche Vorteile, insbesondere
eine bedeutende Verringerung der Reibwerte und Erniedrigung der Presskräfte, eine
Verbesserung der Oberflächellqualität der Pressteile, bei denen jetzt eine gleichm§ßigere
und insgesamt geringere Rauhtiefe beobachtet wird, was eine Erhöhung der Umformgrade
ermöglicht.
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Vorzugsweise erfolgt die erfindungsgemhße Wasserspülung bei Temperaturen
zwischen 20 und 100° C über eine Zeitdauer von mindestens 10 Sekunden und bis zu
15 Minuten.
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Im allgemeinen wird bei einer Behandlung von 5 Minuten eine gute oder
zumindest ausreichende Wirkung erzielt.
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Die Wasserspülung kann entweder durch Tauchen der Werkstücke oder
durch Abspritzen derselben erfolgen, Das Spülwasser kann dabei verschiedene Zusätze
gelöst enthalten, einerseits, um einen pH-Wert oberhalb 7,0 einzustellen, und andererseits
zur Enthärtung oder auch zur Erzielung einer gewissen Dispersionswirkung.
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Letztlich werden die Werkstücke nach beendeter Spülung selbstverständlich
getrocknet, bevor der Vorgang der Kaltumformung stattfindet. Man kann aber gegebenenfalls
auch schon nach der Beseifung eine Zwischentrocknung vornehmen.
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In den nachfolgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren
erläutert.
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Beispiel 1 Preßrohlinge wurden durch Eintauchen in eine Fe-II-haltige
Zinkphosphatlösung mit einer Phosphatschicht von etwa 20 g/m2 versehen und danach
in kaltem und danach in warmem Wasser gespült. Anschließend wurden diese Bleche
ohne vorherige Trocknung in ein Bad mit 5 , Festkörpergehalt, bestehend aus 60 96
Natrjumstearat, eingebracht und in diesem Bad bei einer Temperatur von 700 C für
die Dauer von 10 Minuten getaucht und nach dem Herausnehmen abgetrocknet. Eine anschliessende
Wägung ergab eine Beschichtung von 27,5 g/m2 Seifenschmierstoff.
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Anschließend erfolgte eine Spülung in Wasser mit etwa 180 d.H. bei
900 C für eine Zeit, die für verschiedene Preßrohlinge zwischen 0,5 und 20 Minuten
variiert wurde. Danach wurden die Bleche getrocknet und gewogen. Es ergab sich ein
Gewichtsverlust an Seifenschmierstoff, der, wie aus nachstehender Tabelle ersichtlich,
von der Tauchzeit abhängig war: Tauchze it Ge samtgewichtsverlust gim2 0,5 min 5,8
1,0 min 6,5 5,0 min 6,8 10,0 min 7,2 20,0 min 7,9 Die ursprünglich bei der Beseifung
aufgebrachte Schicht wurde also durch die Spülung gewichtsmäßig zu etwa 20-25 %
verringert. Die derart behandelten Preßrohlinge zeigten insgesamt ein wesentlich
besseres Verhalten bei der Kaltumformung.
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Beispiel 2 Preßrohlinge wurden in gleicher Weise wie in Beispiel 1
mit einer Phosphatschicht versehen und gespült. Sodann wurde für die Beseifung ein
Schmierstoff verwendet, der etwa 90 96 Natriumstearat enthielt. Die Badtemperatur
betrug hier 750 C. Das Beschichtungsgewicht des Seifenschmierstoffs wurde zu 29,5
g/m2 ermittelt.
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Anschließend wurden die Preßrohlinge durch Tauchen in Wasser gespült
und zwar auch hier während verschiedener Tauchzeiten zwischen 0,5 und 20 Minuten.
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Dabei ergaben sich Gewichtsverluste, die etwa denen des Beispiels
1 entsprachen. Diese Verluste sind aus der nachstehenden Tabelle ersichtlich: 2
Tauchzeit Gesamtgewichtaverlust-g/m2 0,5 min 5,3 1,0 min 5,3 5,0 min 6,6 10,0 min
7,8 20,0 min 9,8 Auch hier ist also das Gewicht des ursprünglich aufgebrachten Seifenschmierstoffs
um etwa 25-35 , verringert worden. Auch diese Preßrohlinge zeigten ein wesentlich
verbessertes Umformverhalten gegenüber solchen Preßrohlingen, die nicht, wie erfindungsgemäß
vorgeschlagen, in Wasser gespült worden waren.