DE69727689T2

DE69727689T2 - Zusammensetzung für und verfahren zur metallverformung

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Publication number: DE69727689T2
Application number: DE69727689T
Authority: DE
Inventors: W. Mark GRENFELL; S. Dean MILBRATH; D. Daniel KRUEGER; M. Richard FLYNN; E. Frederick BEHR
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1997-08-12
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2017-08-13
Also published as: TW462986B; EP0931125B1; US5839311A; EP0931125A1; KR20000036157A; CA2264784A1; JP2001500560A; AU4057197A; DE69727689D1; WO1998012286A1

Description

Die Erfindung betrifft Metallumformoperationen, speziell Massiv- und Sekundärmetallumformoperationen, und insbesondere betrifft sie Schmier- und Kühlflüssigkeiten, die während solcher Operationen verwendet werden.
Metalle können durch Verfahren der Umformung, die in ihrer Art der Modellierung von Keramik ähneln, in eine gewünschte Form geformt oder umgeformt werden. Obwohl sie zahlreich und sehr verschieden in speziellen Charakteristiken sind, teilen die Metallumformverfahren die allgemeine, fundamentale Eigenschaft des Anwendens einer externen Kraft auf ein Metall zur Umformung des Metalls ohne Abtragen oder anderweitiges Schneiden oder Abschleifen des auszubildenden Metalls. Für eine detaillierte Beschreibung der fundamentalen Metallumformverfahren siehe beispielsweise Betzalel Avitzur, Metal Forming, in 9 ENCYCLOPEDIA OF PHYSICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 651–82 (1992).
In den meisten Metallumformprozessen ist es notwendig, ein Schmierstoff an der Grenzfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück bereitzustellen. Um diesen Zweck zu erfüllen, werden im Allgemeinen verschiedene Metallbearbeitungsflüssigkeiten eingesetzt. Gegenwärtig eingesetzte Metallumformflüssigkeiten fallen im Allgemeinen in zwei fundamentale Kategorien. Eine erste, ältere Klasse umfasst Öle und andere organische Chemikalien, die vornehmlich von Erdöl, tierischen oder pflanzlichen Substanzen abstammen. Viel verwendete Öle und auf Öl basierende Substanzen schließen beispielsweise gesättigte und ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel n-Decan, Dodecan, Terpentinöl und Pine Oil, Naphthalin-Kohlenwasserstoffe, Polyoxyalkylene, wie zum Beispiel Polyethylenglycol, und aromatische Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Cymen, ein. Obwohl diese Öle gut erhältlich und relativ preisgünstig sind, ist ihr Nutzen deutlich limitiert; da sie meist nichtflüchtig unter den Arbeitsbedingungen einer Metallbearbeitungsoperation sind, hinterlassen sie Rückstände auf Werkzeugen und Werkstücken, was zusätzliche Bearbeitung mit beträchtlichen Kosten für die Rückstandentfernung erfordert.
Eine zweite, neuere Klasse von Schmierflüssigkeiten zur Metallumformung schließt Chlorfluorkohlenwasserstoffe (CFCs), Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe (HCFCs) und Perfluorkohlenwasserstoffe (PFCs) ein. Von diesen drei Flüssigkeitsgruppen sind die CFCs die nützlichsten und wurden in der Vergangenheit am meisten eingesetzt. Siehe z. B. U.S. Pat. Nr. 3,129,182 (McLean). Üblicherweise verwendete CFCs schließen Trichlormonofluormethan, 1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluorethan, 1,1,2,2-Tetrachlordifluorethan, Tetrachlormonofluorethan und Trichlordifluorethan ein. Obwohl diese Zusammensetzungen zunächst als umweltfreundlich angesehen worden, sind sie jetzt dafür bekannt, die Umwelt zu schädigen. CFCs und HCFCs sind mit dem Ozonabbau verbunden (siehe z. B. P. S. Zurer, Looming Ban on Production of CFCs, Halons Spurs Switch to Substitutes, CHEM. & ENG'G News, NOV. 15, 1993, auf Seite 12). PFCs tendieren dazu, in der Umwelt bestehen zu bleiben (d. h. werden unter äußeren Umweltbedingungen nicht chemisch verändert oder abgebaut).
Da die Metallumformung durch die plastische Verformung eines Metalls erreicht wird, verursachen Metallumformprozesse, die ohne die Hilfe eines Schmierstoffes oder mit der Hilfe der vorstehend erwähnten herkömmlichen Schmierflüssigkeiten durchgeführt werden, eine Verfeinerung oder eine Veränderung in der Kristallisierung. Unter Verwendung von herkömmlichen Metallbearbeitungsflüssigkeiten umgeformte Metalle erfordern Glühen bei einer erhöhten Temperatur, um die Kristallstruktur des verarbeiteten Metalls wiederzubilden. Das Glühen ist ein zusätzlicher Verarbeitungsschritt, der oft einen beträchtlichen Teil der Gesamtkosten des Metallumformprozesses ausmacht.
WO97/35673 (Stand der Technik unter Artikel 54(3)&(4) EPC) bezieht sich auf Prozesse zur Bearbeitung von hochschmelzenden Metallen und anderen Metallen unter Einsatz eines Schmierstoffes, der Perfluorkohlenwasserstoffverbindungen (PFCs), einschließlich aliphatischer Perfluorkohlenwasserstoffverbindungen (alpha-PFCs) mit der allgemeinen Formel: CnF2n + 2, Perfluormorpholine mit der allgemeinen Formel: CnF2n + 1ON, Perfluoramine (PFAs) und hochfluorierte Amine (HFAs) und Perfluorether (PFEs) und hochfluorierte Ether (HFEs) und deren Polymerisationsprodukte, umfasst.
WO96/22356 offenbart einen Prozess zur Entfernung von kontaminierenden Substanzen von der Oberfläche eines Substrates, der Kontaktierung des Substrates mit einer Reinigungszusammensetzung, die mindestens ein mono-, di- oder trialkoxysubstituiertes Perfluoralkan, Perfluorcycloalkan, perfluorcycloalkylhaltiges Perfluoralkan oder eine perfluorcycloalkylenhaltige Perfluoralkanverbindung, wobei die Verbindung wahlweise zusätzliche in der Kette stehende Heteroatome enthält, umfasst.
US5547593 offenbart Schmierölzusammensetzungen für Kältemaschinen, die eine fluorhaltige aromatische Verbindung und eine alkyl- oder alkylderivatsubstituierte aromatische Verbindung umfassen.
WO93/24586 bezieht sich auf Zusammensetzungen, die mindestens einen Fluor- oder Hydrofluorether und mindestens einen Hydrofluorkohlenwasserstoff für eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten einschließen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt, stellt diese Erfindung in einem Gesichtspunkt eine Schmier- und Kühlzusammensetzung zur Metall umformung bereit, die einen Hydrofluorether und eine perfluorierte Flüssigkeit mit 5 bis 18 Kohlenstoffatomen in einer Menge von weniger als 50 Gew.-% umfasst. In einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Umformung von Metallen bereit, das das Aufbringen einer Zusammensetzung, die einen Hydrofluorether umfasst, auf das Metall und das Werkstück umfasst.
Die Hydrofluoretherflüssigkeiten, die bei der Umformung der Metalle in Übereinstimmung mit dieser Erfindung verwendet werden, stellen effiziente Schmier- und Kühlmedien bereit, die effizient Wärme transferieren, leicht flüchtig sind, nicht in der Umwelt bestehen bleiben und nicht korrosiv sind. Wenn sie in der reinen Form verwendet werden, hinterlassen sie auch keinen Rückstand auf entweder dem Werkstück oder dem Werkzeug auf dem sie verwendet werden, dabei eliminieren sie die andernfalls notwendige Aufbereitung zur Reinigung des Werkzeuges und/oder Werkstückes und führen zu substanziellen Kosteneinsparungen. In vielen Operationen eliminiert die Verwendung der hierin beschriebenen Hydrofluoretherzusammensetzungen auch die Notwendigkeit des Glühens des umgeformten Metalls.
1 stellt eine mikrophotographische Aufnahme eines Gewindequerschnitts, produziert durch eine gewindeformende Operation unter Verwendung einer herkömmlichen Metallbearbeitungsflüssigkeit, bereit.
2 stellt eine mikrophotographische Aufnahme eines Gewindequerschnitts, produziert durch eine gewindeformende Operation unter Verwendung einer Zusammensetzung, die eine Hydrofluoretherflüssigkeit umfasst, bereit.
Die Hydrofluoretherflüssigkeiten der Erfindung können in einem beliebigen Prozess, der mit der Umformung oder einer anderen Verformungsbearbeitung eines beliebigen, für solche Operationen geeigneten Metalls verbunden ist, eingesetzt werden. Die gebräuchlichsten repräsentativen Prozesse, die mit der Umformung von Metallen verbunden sind, umfassen: Massivumformprozesse wie zum Beispiel Schmieden, Walzen, Stab-, Draht- und Rohrziehen, Gewindeformen, Fließpressen, Kaltstauchen und desgleichen; und sekundäre Metallumformprozesse wie zum Beispiel Tiefziehen, Streckformen, Rändeln, Metalldrücken, Abscheren, Stanzen, Prägen und desgleichen. Metalle, die gewöhnlich Umformoperationen unterzogen werden, umfassen: hochschmelzende Metalle wie zum Beispiel Tantal, Niobium, Molybdän, Vanadium, Wolfram, Hafnium, Rhenium, Titan; Edelmetalle wie zum Beispiel Silber, Gold und Platin; hochtemperaturfeste Metalle wie zum Beispiel Nickel- und Titanlegierungen und Nickelchrome; und andere Metalle einschließlich Magnesium, Bismut, Aluminium, Stahl (einschließlich Edelstahl), Messing, Bronze und andere Metalllegierungen. Die Verwendung von Hydrofluoretherflüssigkeiten in solchen Operationen fungiert zur Kühlung der Bearbeitungsumgebung (d. h. der Oberflächengrenzfläche zwischen einem metallischen Werkstück und einem Bearbeitungswerkzeug) durch entfernen der Wärme und Feststoffteilchen davon und fungiert zum Schmieren der Bearbeitungsoberflächen, was in einer glatten und im Wesentlichen rückstandfreien bearbeiteten Metalloberfläche resultiert. In vielen Operationen eliminiert ihre Verwendung auch die Notwendigkeit des Glühens.
Die Kühl- und Schmierzusammensetzungen dieser Erfindung umfassen fluorierte Ether, die im Allgemeinen dargestellt werden können durch die Formel: (R₁-O)_n-R₂ (I)worin, unter Bezugnahme auf Formel I, n für eine Zahl von 1 bis 3 inklusive steht und die Gruppen R₁ und R₂ gleich oder voneinander verschieden sind und ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus substituierten und unsubstituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylgruppen und Derivaten davon. Mindestens eine der Gruppen R₁ und R₂ enthält mindestens ein Fluoratom und mindestens eine der Gruppen R₁ und R₂ enthält mindestens ein Wasserstoffatom. Der Hydrofluorether weist mindestens drei Kohlenstoffatome auf und die Gesamtzahl der Wasserstoffatome ist höchstens gleich der Zahl der Fluoratome. Wahlweise können eine oder beide der Gruppen R₁ und R₂ ein oder mehrere in der Kette oder nicht in der Kette stehende Heteroatome enthalten, wie zum Beispiel Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel. Die Gruppen R₁ und R₂ können auch wahlweise eine oder mehrere funktionelle Gruppen, einschließlich Carbonyl-, Carboxyl-, Thio-, Amino-, Amid-, Ester-, Ether-, Hydroxy- und Mercaptangruppen, enthalten. Die Gruppen R₁ und R₂ können auch linear, verzweigt oder cyclisch sein und können eine oder mehrere ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen enthalten. Die Gruppe R₁ oder R₂ oder beide können wahlweise ein oder mehrere Chloratome enthalten, vorausgesetzt dass bei Anwesenheit derartiger Chloratome an der Gruppe R₁ oder R₂, an der sie vorliegen, mindestens zwei Wasserstoffatome vorhanden sind.
Vorzugsweise umfassen die Kühl- und Schmierzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung fluorierte Ether der Formel: R_f-O-R(II) worin, unter Bezugnahme auf die obige Formel II, die Gruppen R_f und R so sind, wie für die Gruppen R₁ und R₂ der Formel I definiert, mit der Ausnahme, dass R_f mindestens ein Fluoratom enthält und R kein Fluoratom enthält. Die Gruppe R ist insbesondere eine nicht-cyclisch verzweigte oder geradkettige Alkylgruppe, wie zum Beispiel Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, i-Butyl oder t-Butyl; und die Gruppe R_f ist ein fluoriertes Derivat einer solchen Gruppe. R_f ist vorzugsweise frei von Chloratomen, in einigen bevorzugten Ausführungsformen enthält R jedoch ein oder mehrere Chloratome.
In den am meisten bevorzugten Ausführungsformen werden die Gruppen R₁ und R₂ oder R_f und R so gewählt, dass die Verbindung mindestens drei Kohlenstoffatome aufweist und die Gesamtzahl der Wasserstoffatome in der Verbindung höchstens gleich der Zahl der Fluoratome ist. Verbindungen dieses Typs tendieren dazu, nicht entzündbar zu sein. Repräsentanten dieser bevorzugten Klasse von Hydrofluorethern schließen C₂F₇OCH₃, C₃F₇OC₂H₅, C₄F₉OCH₃, C₄F₉OCH₂Cl, C₄F₉OC₂H₅, C₇F₁₅OCH₃, C₇F₁₅OC₂H₅, C₈F₁₇OCH₃, C₈F₁₇OC₂H₅, C₁₀F₂₁OCH₃ und C₁₀F₂₁OC₂H₅ ein. Gemische aus einem oder mehreren fluorierten Ethern werden bei der Anwendung der Erfindung auch als nützlich angesehen.
Nützliche Hydrofluorether-Kühl- und Schmierzusammensetzungen umfassen auch eine oder mehrere perfluorierte Verbindungen. Da ein Hydrofluorether meist leichter flüchtig ist als eine als Schmieradditiv ausgewählte perfluorierte Flüssigkeit, umfasst eine Zusammensetzung, die sowohl einen Hydrofluorether als auch eine perfluorierte Flüssigkeit enthält, eine untergeordneten Menge, d. h. weniger als 50 Gew.-%, an perfluorierter Flüssigkeit oder Flüssigkeiten. Nützliche perfluorierte Flüssigkeiten enthalten üblicherweise von 5 bis 18 Kohlenstoffatome und können wahlweise ein oder mehrere in der Kette stehende Heteroatome enthalten, wie zum Beispiel zweiwertige Sauerstoffatome oder dreiwertige Stickstoffatome. Der Begriff „perfluorierte Flüssigkeit", wie er hier verwendet wird, schließt organische Verbindungen, in denen alle (oder im Wesentlichen alle) Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sind, ein. Repräsentative perfluorierte Flüssigkeiten schließen cyclische und nichtcyclische Perfluoralkane, Perfluoramine, Perfluorether, Perfluorcycloamine und beliebige Gemische davon ein. Spezifische repräsentative perfluorierte Flüssigkeiten schließen die folgenden ein: Perfluorpentan, Perfluorhexan, Perfluorheptan, Perfluoroktan, Perfluormethylcyclohexan, Perfluortripropylamin, Perfluortributylamin, Perfluortriamylamin, Perfluortrihexylamin, Perfluor-N-methylmorpholin, Perfluor-N-ethylmorpholin, Perfluor-N-isopropylmorpholin, Perfluor-N-methylpyrrolidin, Perfluor-1,2-bis(trifluormethyl)hexafluorcyclobutan, Perfluor-2-butyltetrahydrofuran, Perfluortriethylamin, Perfluordibutylether und Gemische von diesen und anderen perfluorierten Flüssigkeiten. Im Handel erhältliche perfluorierte Flüssigkeiten, die in dieser Erfindung verwendet werden können, schließen ein: Fluorinert^TM FC-40, Fluorinert^TM FC-43 Fluid, Fluorinert^TM FC-71 Fluid, Fluorinert^TM FC-72 Fluid, Fluorinert^TM FC-77 Fluid, Fluorinert^TM FC-84 Fluid, Fluorinert^TM FC-87 Fluid, Fluorinert^TM FC-8270, Performance Fluid^TM PF-5060, Performance Fluid^TM PF-5070 und Performance Fluid^TM PF-5052. Einige dieser Flüssigkeiten sind in Fluorinert^TM Electronic Fluids, Produktmerkblatt 98-0211-6086(212)NPI, herausgegeben 2/91, erhältlich von 3M Co., St. Paul, Minn., beschrieben. Andere im Handel erhältliche perfluorierte Flüssigkeiten, die als nützlich in der vorliegenden Erfindung angesehen werden, schließen die perfluorierten Flüssigkeiten, die als Galden^TM LS Flüssigkeiten, Flutec^TM PP Flüssigkeiten, Krytox^TM Perfluorpolyether, Demnum^TM Perfluorpolyether und Fomblin^TM Perfluorpolyether verkauft werden, ein.
Zusätzlich zu ein oder mehreren perfluorierten Flüssigkeiten können, und üblicherweise werden, die Hydrofluoretherzusammensetzungen der Erfindung ein oder mehrere herkömmliche Additive einschließen, wie zum Beispiel Korrosionshemmstoffe, Antioxidantien, Antischaummittel, Farbstoffe, Bakterizide, Gefrierpunkterniedriger, Metalldeaktivatoren und desgleichen. Die Auswahl dieser herkömmlichen Additive ist in der Technik gut bekannt und ein Fachmann ist durchaus kompetent in ihrer Anwendung auf ein bestimmtes Verfahren der Schneid- und Schleifbearbeitung von Metall.
Ein oder mehrere herkömmliche Grundöle oder andere Schmieradditive können auch entsprechend zu den Hydrofluoretherzusammensetzungen zugegeben werden, um die Schmiereigenschaften der Zusammensetzung zu optimieren. Die nützlichsten Additive sind leicht flüchtig (d. h. weisen einen Siedepunkt unter etwa 250°C auf), obwohl andere auch als nützlich angesehen werden. Nützliche zusätzliche Schmieradditive würden zum Beispiel einschließen: gesättigte und ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel n-Decan, Dodecan, Terpentinöl und Pine Oil; Naphthalin-Kohlenwasserstoffe; Polyoxyalkylene wie zum Beispiel Polyethylenglycol; aromatische Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Cymen; Thiolester und andere schwefelhaltige Verbindungen; und chlorierte Kohlenwasserstoffe einschließlich Oligomere von Chlortrifluorethylen, chlorierte Perfluorkohlenwasserstoffe und andere chlorhaltige Verbindungen. Gegen Belastung widerstandsfähige Additive wie zum Beispiel Phosphate, Fettsäureester und Alkylenglycolether sind auch nützlich. Diese letztere Verbindungsklasse schließt Trialkylphosphate, Dialkylhydrogenphosphite, Methyl- und Ethylester von C₁₀ bis C₂₀-Carbonsäuren, Ester von Polyethylen- oder Ethylenglycolmonoalkylethern und desgleichen ein. Repräsentative, gegen Belastung widerstandsfähige Additive schließen zum Beispiel Triethylphosphat, Dimethylhydrogenphosphit, Ethylcapronat, Polyethylenglycolmethyletheracetat und Ethylenglycolmonoethyletheracetat ein.
Ein oder mehrere teilweise fluorierte oder perfluorierte alkylierte Schmieradditive können auch zu den Hydrofluoretherzusammensetzungen zugegeben werden, um die Schmiereigenschaften der Zusammensetzung weiter zu optimieren. Solche Additive umfassen üblicherweise eine oder mehrere über eine funktionelle Gruppierung an eine oder mehrere Kohlenwasserstoffgruppen gekoppelte Perfluoralkylgruppen. Geeignete Perfluoralkylgruppen bestehen aus geradkettigen und verzweigten, gesättigten und ungesättigten C₄-C₁₂-Gruppen, und nützliche Kohlenwasserstoffgruppen schließen geradkettige und verzweigte, gesättigte und ungesättigte C₁₀-C₃₀-Gruppen ein. Geeignete funktionelle Verbindungskomponenten können Gruppen sein, die ein oder mehrere Heteroatome, wie zum Beispiel O, N, S, P, oder funktionelle Gruppen, wie zum Beispiel -CO₂-, -CO-, -SO₂-, -SO₃-, -PO₄-, -PO₃-, -PO₂-, -PO- oder SO₂N(R)-, worin R eine kurzkettige Alkylgruppe ist, umfassen.
Die Schmierzusammensetzungen der Erfindung können zur Umformung von Metallen unter Verwendung beliebiger bekannter Verfahren eingesetzt werden. Zum Beispiel können die hydrofluoretherhaltigen Zusammensetzungen in entweder flüssiger oder Aerosolform eingesetzt werden, können sowohl extern, d. h. dem Werkzeug von außen zugeführt, oder intern, d. h. durch eine geeignete Zuführung, die im Werkzeug selbst bereitgestellt ist, aufgetragen werden.
Die folgenden Beispiele werden angeführt, um zum Verständnis der vorliegenden Erfindung beizutragen und sind nicht so auszulegen, dass der Anwendungsbereich davon limitiert wird.
Wenn nicht anders angegeben, sind alle Teile Gewichtsteile und prozentuale Anteile Gewichtsprozent.
Die Beispiele 1 bis 14 zeigen Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten, die bei der Formung von Gewinden in Titan mit einem Kaltumform-Gewindeformer verwendet wurden. Vergleichsbeispiele C-1 bis C-5 verwendeten einen herkömmlichen Kühlschmierstoff oder andere fluorierte Flüssigkeiten. In jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden Löcher in einen 3/4'' (1,9 cm) dicken Titanblock in Reihen mit einem Abstand von 1 1/2'' (3,8 cm) mit einem 8,8 mm Hochgeschwindigkeits-Stahlbohrer unter Verwendung eines herkömmlichen wasserbasierenden Kühlmittels (Cimtech 3900^TM erhältlich von Cincinnati Milacron) auf einer Mitsura MC-600VF^TM CNC-Maschine gebohrt. Nach der Reinigung und Trocknung des Werkstückes wurden in diese Löcher Gewinde geschnitten unter Verwendung eines 3/8-16-Gewindeformers (Chromflo^TM GH 8 HSS) gefahren mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 10 feet/min. (ungefähr 305 cm/min.) für ein 65%-Gewinde. Für jede getestete Flüssigkeit wurde ein neuer Gewindeformer verwendet. Die Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten wurden auf den Gewindeformer und das Loch aus einer Plastikdruckflasche bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 30–35 mL/min. aufgebracht. Nachdem der Gewindeformer aus dem Werkstück herausgezogen worden war, wurde sofort seine Temperatur und die des Lochs, in dem das Gewinde geschnitten wurde, mit einem Typ K-Thermoelement an einem Omega^TM Modell H23 Messgerät, angelegt an die Spitze des Gewindeformers beziehungsweise das Gewindeloch, gemessen. Diese Temperaturen wurden registriert und der Mittelwert von drei separaten Testlöchern gebildet und sind in Tabelle 1 gezeigt. Die maximalen Belastungswerte, wie an der CNC-Maschine angezeigt, wurden auch registriert und sind in der Tabelle 1 beinhaltet.
Die Werkstücke wurden durch die Löcher, in denen das Gewinde geschnitten wurde, aufgeschnitten, so dass die Gewindeoberfläche im Querschnitt untersucht werden konnte. Alle Gewinde schienen vollständig geformt worden zu sein, bei einer leichten Verfärbung der Gewinde in den Beispielen 2 und 7.
Die Gewindeformer- und Lochtemperaturen waren ähnlich für alle getesteten Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten. Die Hydrofluorkohlenstoffflüssigkeiten, die in den Vergleichsbeispielen C-2 und C-3 verwendet wurden, resultierten in einem Anstieg der Gewindeformertemperatur bei jedem ausgeführten Loch, was an der größeren Standardabweichung, die für diese Beispiele angegeben wurde, ersichtlich ist. Moly-dee^TM Gewindeschneidflüssigkeit, die im Vergleichsbeispiel C-1 verwendet wurde, produzierte während der Untersuchungen exzessive Mengen an reizendem Dampf. Trotz der mit Moly-dee Gewindeschneidflüssigkeit beobachteten niedrigen Gewindeformertemperaturen und geringerer Maschinenbelastung würde der produzierte reizende Dampf ihre Verwendung bei dieser Art von Bearbeitungsoperation ausschließen. Eine geringe Menge an Dampf, der mit Rückstandsöl an den Gewindeformern verbunden war, wurde auch in den ersten Löchern, in die Gewinde geschnitten wurden, in Beispiel 8 und Vergleichsbeispielen C-2 und C-3 bemerkt. Eine gewisse Dunkelfärbung der Gewindeformer wurde bei allen Testflüssigkeiten bemerkt, keine war jedoch so exzessiv wie die, die mit Moly-dee Gewindeschneidflüssigkeit beobachtet wurde.
Des Weiteren wurde das Werkstück nach der Bearbeitung gereinigt, um den Moly-dee-Rückstand im Vergleichsbeispiel C-1 zu entfernen. Keine andere getestete Flüssigkeit schien einen Rückstand, der eine Reinigung erforderte, zu hinterlassen. Im Beispiel 13 wurde der Gewindeformer dabei beobachtet, in das Futter zu rutschen, was darin resultierte, dass das Loch nicht vollständig mit einem Gewinde versehen wurde.
Ein Test mit einer Standard-Gewindelehre deutete darauf hin, dass alle getesteten Kühlschmierstoffe Gewinde produzierten, die innerhalb der normalen Spezifikationen lagen. Die letzten Löcher der dreifachen Ausfertigungen in den Beispielen 1, 4 und 13 waren etwas loser als die anderen, die getestet wurden.
Diese Beispiele (1 bis 11) zeigen, dass Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten besser als vergleichbare fluorkohlenwasserstoffhaltige Flüssigkeiten (C-2 bis C-4) oder eine herkömmliche Gewindeschneidflüssigkeit (C-1) bei der Gewindeformung von Titan abschneiden. Kleine Mengen an Schmieradditiven können auch die Funktion der Flüssigkeit C₄F₉OCH₃ durch Reduzierung der Gewindeformertemperaturen (Beispiele 12 bis 14) verbessern.
Die Beispiele 15 bis 17 demonstrieren in Aluminium (Typ 2024-T3) ausgeführte Gewindeformung unter Verwendung von Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten. Das Gewindeschneiden von 3/8-16, 1/4-28 und 8-32-Gewinden wurde in einem 1 Inch dicken Block aus Typ 2024-T3 Aluminium ausgeführt. Die Löcher wurden unter Verwendung von Cimtech^TM 3900 Schmierstoff und Hochgeschwindigkeits-Stahlschlangenbohrern mit einer Mitsura MC-600VF CNC-Maschine vorgebohrt. Die Gewindeformer, Chromflo^TM GH5 Hochgeschwindigkeitsstahl, wurden bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 50 feet/min. (etwa 1.524 cm/min.) mit Kühlschmierstoffflüssigkeit aufgebracht aus einer Druckflasche bei einer Fließgeschwindigkeit von 30–35 mLs/min. gefahren. Vergleichsbeispiel C-5 wurde mit Cimtech^TM 3900, einem wasserbasierenden Kohlenwasserstoff-Kühlschmierstoff, aufgebracht in einem Druckumlaufmodus, ausgeführt. Die Schmierstoffe waren wie folgend:
Das Gewindeschneiden wurde ohne beobachtbare Unterschiede zwischen Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten und Cimtech 3900-Flüssigkeit während der Bearbeitung durchgeführt und die resultierenden Gewinde bestanden die Inspektion mit einer Standard-Prüflehre. Die Gewinde, die mit Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten produziert wurden, schienen jedoch im Aussehen heller und blanker als jene, die mit Cimtech 3900^TM produziert wurden, zu sein. Außerdem waren die mit Hydrofluoretherflüssigkeiten produzierten Gewinde kurz nach der Bearbeitung sauber und trocken.
Das Aluminiumwerkstück wurde dann durch jede Linie der Löcher, in denen das Gewinde geschnitten wurde, aufgeschnitten, so dass die Gewindeoberfläche untersucht werden konnte. Die mit Cimtech 3900^TM produzierten Gewinde waren nicht so vollständig geformt wie jene mit den Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten. Mikrophotographische Aufnahmen des Gewindequerschnittes produziert mit Cimtech 3900 hatten eine „M"-Form, wie in 1 zu sehen ist, während die mit Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten produzierten Gewinde eine vollständig fertiggestellte dreieckige Form aufwiesen, 2.
Diese Daten deuten darauf hin, dass die Hydrofluor etherflüssigkeiten als eine Kühlschmierstoffflüssigkeit bei der Formung von Gewinden in Aluminium verwendet werden können und dass die resultierenden Gewinde vollständig geformt sind, während ein wasserbasierender Schmierstoff unvollständig geformte Gewinde produzierte.
Die Beispiele 18 bis 20 demonstrieren, dass Hydrofluoretherflüssigkeiten zum Rändeln von Kupfer verwendet werden können. Ein 10 1/2'' Kupferzylinder wurde mit einer 100-Rillen-pro-Inch-Spiralrändel auf einer Metalldrehbank (Lodge und Shipley), gefahren mit 45 U/min., 0,0125 Inches pro Umdrehung und 34–38 Psi Druck auf dem Rändelwerkzeug, gerändelt. Test-Kühlschmierstoffflüssigkeiten wurden verwendet, um die Kupferrolle in dem Bearbeitungsbereich vollständig befeuchtet zu halten. Ein Band von etwa 1 bis 1 1/2'' an Rändel wurde in drei Durchgängen mit jeder Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeit produziert. Herkömmliche Schmierstoffe, Kerosin und Vactra #2 (ein kohlenwasserstoffbasierender Schmierstoff erhältlich von Mobil Oil Co.) wurden als Kontrollen in den Vergleichsbeispielen C-6 und C-7 verwendet. Die verwendeten Schmierstoffe waren wie folgend:
Die Qualität der produzierten Rillen und Zähne wurde mikroskopisch bei 10 X und 20 X untersucht und nach Vollständigkeit der Rändelformung und beobachtetem Fehlergrad beurteilt. Jede der Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten wurde als äquivalent zu der Kerosin-Kontrolle beurteilt. Die mit Vactra #2 produ zierten Rändel wurden als wesentlich mehr Fehler aufweisend beurteilt, vornehmlich wegen der geformten Zähne.
Diese Beispiele zeigen, das Rändeln mit Hydrofluorether-Kühlschmierstoffflüssigkeiten äquivalent zu dem mit Kerosin ausgeführten und besser als das mit Vactra #2 ausgeführte ist. Außerdem erfordern sowohl Kerosin- und Vactra #2-Schmierstoffe eine zusätzliche Reinigung, um eine saubere und trockene Oberfläche zu produzieren, während die Oberfläche im Fall von Hydrofluorethern nach der Bearbeitung sauber und trocken war.

Claims

Hilfszusammensetzung für die Metallumformung, enthaltend: (a) einen Hydrofluorether der Formel: (R₁-O)_n-R₂ worin: n für eine Zahl von 1 bis 3 inklusive steht; R₁ und R₂ gleich oder voneinander verschieden sind und aus der Gruppe bestehend aus gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylgruppen und Derivaten davon ausgewählt sind; mit den Maßgaben, daß mindestens eine der Gruppen R₁ und R₂ mindestens ein Fluoratom enthält und mindestens eine der Gruppen R₁ und R₂ mindestens ein Wasserstoffatom enthält und daß der Hydrofluorether mindestens drei Kohlenstoffatome aufweist und die Gesamtzahl der Wasserstoffatome in dem Hydrofluorether höchstens gleich der Zahl der Fluoratome ist; und worin ferner eine oder beide der Gruppen R₁ und R₂ ein oder mehrere in der Kette oder nicht in der Kette stehende Heteroatome enthalten können, eine oder mehrere funktionelle Gruppen enthalten können, linear, verzweigt oder cyclisch sein können, eine oder mehrere ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen enthalten können und ein oder mehrere Chloratome enthalten können, mit der Maßgabe, daß bei Anwesenheit derartiger Chloratome an der Gruppe R₁ oder R₂, an der sie vorliegen, mindestens zwei Wasserstoffatome vorhanden sind; und (b) eine perfluorierte Flüssigkeit mit 5 bis 18 Kohlenstoffatomen in einer untergeordneten Menge von weniger als 50 Gew.-%.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der der Hydrofluorether der Formel: R_f-O-R worin: R_f mindestens ein Fluoratom enthält und aus der Gruppe bestehend aus gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylgruppen und Derivaten davon ausgewählt ist und R keine Fluoratome enthält und aus der Gruppe bestehend aus gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylgruppen und Derivaten davon ausgewählt ist, entspricht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Hydrofluorether aus der Gruppe bestehend aus C₃F₇OCH₃, C₃F₇OC₂H₅, C₄F₉OCH₂Cl, C₄F₉OCH₃, C₄F₉OC₂H₅, C₇F₁₅OCH₃, C₇F₁₅OC₂H₅, C₈F₁₇OCH₃, C₈F₁₇OC₂H₅, C₁₀F₂₁OCH₃ und C₁₀F₂₁OC₂H₅ stammt.
Verfahren zur Umformung von Metall, bei dem man auf das Metall eine Zusammensetzung, enthaltend einen Hydrofluorether der Formel: (R₁-O)_n-R₂ worin: n für eine Zahl von 1 bis 3 inklusive steht; R₁ und R₂ gleich oder voneinander verschieden sind und aus der Gruppe bestehend aus gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylgruppen und Derivaten davon ausgewählt sind; mit den Maßgaben, daß mindestens eine der Gruppen R₁ und R₂ mindestens ein Fluoratom enthält und mindestens eine der Gruppen R₁ und R₂ mindestens ein Wasserstoffatom enthält und daß der Hydrofluorether mindestens drei Kohlenstoffatome aufweist und die Gesamtzahl der Wasserstoffatome in dem Hydrofluorether höchstens gleich der Zahl der Fluoratome ist; und worin ferner eine oder beide der Gruppen R₁ und R₂ ein oder mehrere in der Kette oder nicht in der Kette stehende Heteroatome enthalten können, eine oder mehrere funktionelle Gruppen enthalten können, linear, verzweigt oder cyclisch sein können, eine oder mehrere ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen enthalten können und ein oder mehrere Chloratome enthalten können, mit der Maßgabe, daß bei Anwesenheit derartiger Chloratome an der Gruppe R₁ oder R₂, an der sie vorliegen, mindestens zwei Wasserstoffatome vorhanden sind; aufbringt und das Metall umformt, wobei das Auftragen vor oder während der Umformung des Metalls erfolgt.
Verfahren zur Umformung von Metall, bei dem man auf das Metall eine Zusammensetzung, enthaltend (i) einen Hydrofluorether und (ii) eine perfluorierte Flüssigkeit in einer untergeordneten Menge von weniger als 50 Gew.-%, aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Zusammensetzung eine perfluorierte Flüssigkeit mit 5 bis 18 Kohlenstoffatomen in einer Menge von weniger als 50 Gew.-% enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem der Hydrofluorether der Formel: R_f-O-R worin: R_f mindestens ein Fluoratom enthält und aus der Gruppe bestehend aus gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylgruppen und Derivaten davon ausgewählt ist und R keine Fluoratome enthält und aus der Gruppe bestehend aus gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Aryl- und Alkylarylgruppen und Derivaten davon ausgewählt ist, entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem man den Hydrofluorether aus der Gruppe bestehend aus C₃F₇OCH₃, C₃F₇OC₂H₅, C₄F₉OCH₂Cl, C₄F₉OCH₃, C₄F₉OC₂H₅, C₇F₁₅OCH₃, C₇F₁₅OCH₅, C₈F₁₇OCH₃, C₈F₁₇OC₂H₅, C₁₀F₂₁OCH₃ und C₁₀F₂₁OC₂H₅ auswählt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Zusammensetzung ferner ein Schmieradditiv aus der Gruppe bestehend aus fluorierten alkylierten Verbindungen mit einer oder mehreren, über eine funktionelle Gruppierung an eine oder mehrere Kohlenwasserstoffgruppen gekoppelten Perfluoralkylgruppen; gesättigten und ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen; Naphtalin-Kohlenwasserstoffen; Polyoxyalkylenen, aromatischen Kohlenwasserstoffen; Thiolestern; Oligomeren von Chlortrifluorethylen, chlorierten Kohlenwasserstoffen; chlorierten Perfluorkohlenwasserstoffen; Phosphaten, Fettsäureestern und Alkylenglykolestern enthält.