DE69727690T2

DE69727690T2 - Verfahren zum schneiden oder zur schleifbearbeitung von metall

Info

Publication number: DE69727690T2
Application number: DE69727690T
Authority: DE
Inventors: S. Dean MILBRATH; W. Mark GRENFELL; 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: KR20000036156A; DE69727690D1; EP0938538A1; JP2001525862A; AU4057297A; WO1998012287A1; TW399093B; CA2264782A1; US6043201A; EP0938538B1

Description

Die Erfindung betrifft Metallbearbeitungsvorgänge, insbesondere Schneid- und abrasive Metallbearbeitungsvorgänge sowie Kühl- und Schmierflüssigkeiten, die in Verbindung mit derartigen Vorgängen verwendet werden.
Flüssigkeiten für die Metallbearbeitung werden seit langem zum Schneiden und abrasiven Bearbeiten von Metallen verwendet. Die Aufgabe der Flüssigkeit bei solchen Vorgängen, einschließlich Schneiden, Fräsen, Bohren und Schleifen, ist das Schmieren, Kühlen und Entfernen kleinster Späne und anderer feinteiliger Abfallstoffe aus der Arbeitsumgebung. Neben dem Kühlen und Schmieren können diese Flüssigkeiten auch dazu dienen, Verschweißungen zwischen einem Werkstück und einem Werkzeug zu verhindern und können eine übermäßig schnelle Abnutzung des Werkzeugs verhindern. Siehe Jean C. Childers, The Chemistry of Metalworking Fluids, in METAL-WORKING LUBRICANTS (Jerry P. Byers Hrsg., 1994).
Eine Flüssigkeit, die sich ideal als Kühlmittel oder Schmiermittel zum Schneiden und abrasiven Bearbeiten von Metallen und keramischen Werkstoffen eignet, muss einen hohen Grad an Lubrizität aufweisen. Sie muss aber auch den zusätzlichen Vorteil haben, ein wirksames Kühlmittel zu sein, das in der Umwelt nicht persistent ist, nicht korrosiv (d. h. chemisch inert) ist und weder am Werkstück noch am Werkzeug, mit denen es verwendet wird, Rückstände hinterlässt.
Arbeitsflüssigkeiten, die heute Stand der Technik sind, fallen im Allgemeinen in zwei Grundkategorien. Eine erste Klasse umfasst Öle und andere organische Chemikalien, die grundsätzlich aus Erdöl, tierischen oder pflanzlichen Substanzen stammen. Derartige Öle werden üblicherweise entweder rein (d. h. ohne Verdünnung mit Wasser) verwendet oder mit verschiedenen polaren oder chemisch aktiven Additiven (z. B. geschwefelten, gechlorten oder phosphatierten Zusätzen) vermischt. Sie werden auch häufig zur Bildung von Öl-in-Wasser-Emulsionen aufgeschlossen. Häufig verwendete Öle und Substanzen auf Ölbasis umfassen die folgenden allgemeinen Verbindungsklassen: gesättigte und ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie n-Decan, Dodecan, Terpentinöl und Kienöl, Naphthalin-Kohlenwasserstoffe, Polyoxyalkylene, wie Polyethylenglycol, und aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Cymen. Diese Öle sind zwar allgemein erhältlich und vergleichsweise preiswert, ihr Nutzen ist jedoch erheblich begrenzt; da sie in der Regel unter den Arbeitsbedingungen eines Metallbearbeitungsvorgangs nicht flüchtig sind, hinterlassen sie Rückstände an Werkzeugen und Werkstücken, was eine zusätzliche Verarbeitung mit erheblichen Kosten zum Entfernen der Rückstände verlangt.
Eine zweite Klasse Bearbeitungsflüssigkeiten zum Schneiden und abrasiven Bearbeiten von Metallen umfassen Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), Hydrofluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FCKWs) und Perfluorkohlenwasserstoffe (PFKWs). FCKWs sind die nützlichsten und historisch gesehen am häufigsten verwendeten dieser drei Flüssigkeitsgruppen. Siehe z. B. US-Patent Nr. 3,129,182 (McLean). Typisch verwendete FCKWs umfassen Trichlormonofluormethan, 1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluorethan, 1,1,2,2-Tetrachlordifluorethan, Tetrachlormonofluorethan und Trichlordifluorethan. Die nützlichsten Flüssigkeiten dieser zweiten allgemeinen Klasse Metallbearbeitungsflüssigkeiten (FCKWs & H-FCKWs) besitzen mehr der Eigenschaften, die in Kühlflüssigkeiten gewünscht sind, und obwohl sie anfänglich als nicht umweltgefährlich galten, weiß man heute, dass sie umweltschädlich sind. FCKWs und H-FCKWs werden mit der Zerstörung der Ozonschicht in Verbindung gebracht (siehe z. B. P. S. Zurer, Looming Ban on Production of CFCs, Halons Spurs Switch to Substitutes, CHEM. & ENG'G NEWS, 15. November 1993, S. 12). PFKWs neigen in der Umwelt zur Persistenz (d. h., sie werden unter umgebenden Um weltbedingungen chemisch nicht verändert oder abgebaut).
WO 97/35673 (Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) & (4) EPÜ) betrifft Verfahren zur Bearbeitung von feuerfesten Metallen und anderen Metallen unter Verwendung eines Schmiermittels, das Perfluorkohlenwasserstoff-Verbindungen (PFKWs) umfasst, einschließlich aliphatischer Perfluorkohlenwasserstoff-Verbindungen (alpha-PFKWs) der allgemeinen Formel: CnF2n + 2, Perfluormorpholine der allgemeinen Formel: CnF2n + 1ON, Perfluoramine (PFAs), hoch fluorierte Amine (HFAs) und Perfluorether (PFEs) und hoch fluorierte Ether (HFEs) sowie deren Polymerisationsprodukte.
WO 96/22356 offenbart ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen von der Oberfläche eines Substrats, umfassend das In-Berührung-Bringen des Substrats mit einer Reinigungszusammensetzung, umfassend wenigstens eine mono-, di- oder trialkoxysubstituierte Perfluoralkan-, Perfluorcycloalkan-, perfluorcycloalkylhaltige Perfluoralkan- oder perfluorcycloalkylenhaltige Perfluoralkanverbindung, wobei die Verbindung wahlweise zusätzliche in der Kette stehende Heteroatome enthalten kann.
US 5547593 offenbart Schmierölzusammensetzungen für Kühlschränke, die eine fluorhaltige aromatische Verbindung und eine aromatische Verbindung, die mit einem Alkyl oder Alkylderivat substituiert ist, umfassen.
WO 93/24586 betrifft Zusammensetzungen, die wenigstens einen Fluor- oder Hydrofluorether und wenigstens einen Hydrofluorkohlenwasserstoff für eine Vielzahl von Verwendungszwecken umfassen.
Kurz gesagt, stellt diese Erfindung ein Verfahren zum Schneiden und abrasiven Behandeln von Metall- und Keramikwerkstoffen bereit, bei dem man auf das Metall- oder Keramikwerkstück und das Werkzeug eine Zusammensetzung mit einem Hydrofluorether aufbringt.
Die Hydrofluoretherflüssigkeiten, die erfindungsgemäß zum Schneiden und abrasiven Behandeln von Metallen und Keramikwerkstoffen verwendet werden, stellen wirksame Kühl- und Schmiermittel dar, die zahlreiche der idealen Eigenschaften, die eine Bearbeitungsflüssigkeit aufweisen soll, haben: Diese Flüssigkeiten übertragen wirksam Wärme, sind flüchtig, in der Umwelt nicht persistent und nicht korrosiv. Sie hinterlassen auch weder auf dem Werkstück noch auf dem Werkzeug, mit denen sie verwendet werden, Rückstände, wodurch der ansonsten erforderliche Verfahrensschritt zum Reinigen des Werkzeugs und/oder des Werkstücks entfällt, was wesentliche Kosteneinsparungen bedeutet. Da hydrofluoretherhaltige Bearbeitungsflüssigkeiten die Werkzeugtemperatur während des Betriebs herabsetzen, verlängert deren Verwendung in vielen Fällen auch die Lebensdauer des Werkzeugs.
1 zeigt Profilometer-Abtastungen der Oberfläche von Titan, das unter Verwendung beispielhafter hydrofluoretherhaltiger Zusammensetzungen stirngefräst wurde, und Vergleichsabtastungen von Titan, das unter Verwendung herkömmlicher Schmiermittelzusammensetzungen stirngefräst wurde.
Die erfindungsgemäß verwendeten Hydrofluoretherflüssigkeiten können als Kühl- und Schmierbearbeitungsflüssigkeiten bei jedem Verfahren verwendet werden, das das Schneiden oder abrasive Behandeln eines beliebigen Metall- oder Keramikwerkstoffs, der sich für solche Vorgänge eignet, einschließt. Die häufigsten repräsentativen Verfahren, die das Schneiden, Trennen oder abrasive Bearbeiten von Metallen beinhalten, schließen Bohren, Schneiden, Stanzen, Fräsen, Drehen, Ausbohren, Hobeln, Räumen, Aufreiben, Sägen, Polieren, Schleifen, Anbohren, Kernbohren und dergleichen ein. Metalle, die üblicherweise Schneiden und abrasivem Bearbeiten unterworfen werden, schließen ein: feuerfeste Metalle, wie Tantal, Niob, Molybdän, Vanadium, Wolfram, Hafnium, Rhenium, Titan, Edelmetalle, wie Silber, Gold und Platin, Hochtemperaturmetalle, wie Nickel und Titanlegierungen und Nickelchrome, und weitere Metalle, einschließlich Magnesium, Aluminium, Stahl (einschließlich Edelstähle), und andere Legierungen, wie Messing und Bronze. Die Verwendung von Hydrofluoretherflüssigkeiten bei solchen Vorgängen dient zum Kühlen der Bearbeitungsumgebung (d. h. der Oberflächengrenzfläche zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungswerkzeug), indem Wärme abgeführt und feinteilige Stoffe davon entfernt werden. Diese Flüssigkeiten schmieren auch die bearbeiteten Oberflächen, was zu einer glatten bearbeiteten Metalloberfläche führt, die im Wesentlichen ohne Rückstände ist.
Die erfindungsgemäß verwendeten Kühl- und Schmierzusammensetzungen umfassen fluorierte Ether, die im Allgemeinen durch die Formel (R₁-O)_n-R₂ (I)repräsentiert sein können, worin mit Bezug auf Formel I, n für eine Zahl von 1 bis 3 inklusive steht und 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. 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 Fluor atome. Eine oder beide der Gruppen R₁ und R₂ kann wahlweise ein oder mehrere in der Kette oder nicht in der Kette stehende Heteroatome, wie Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel, enthalten. R₁ und R₂ können wahlweise auch eine oder mehrere funktionelle Gruppen enthalten, einschließlich Carbonyl-, Carboxyl-, Thio-, Amino-, Amid-, Ester-, Ether-, Hydroxy- und Mercaptangruppen. R₁ und R₂ können auch linear, verzweigt oder cyclisch sein und können eine oder mehrere ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen enthalten. R₁ oder R₂ oder beide Gruppen können wahlweise ein oder mehrere Chloratome enthalten, mit der Maßgabe, dass bei Anwesenheit derartiger Chloratome an der Gruppe R₁ oder R₂, an der sie vorliegen, mindestens zwei Wasserstoffatome vorhanden sind.
Die erfindungsgemäß verwendeten Kühl- und Schmierzusammensetzungen umfassen fluorierte Ether der Formel: R_f-O-R (II)worin, unter Bezug auf Formel II oben, R_f und R wie R₁ und R₂ in Formel I definiert sind, abgesehen davon, dass R_f wenigstens ein Fluoratom enthält und R keine Fluoratome enthält. Besonders bevorzugt ist R eine nicht cyclische, verzweigte oder geradkettige Alkylgruppe, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, i-Butyl oder t-Butyl, und R_f ist ein fluoriertes Derivat einer solchen Gruppe. R_f enthält vorzugsweise keine Chloratome, in einigen bevorzugten Ausführungsformen enthält jedoch R ein oder mehrere Chloratome.
In den am meisten bevorzugten Ausführungsformen sind R₁ und R₂ oder R_f und R so gewählt, dass die Verbindung mindestens drei Kohlenstoffatome aufweist und die Gesamtzahl der Wasserstoffatome der Verbindung ist höchstens gleich der Zahl der Fluoratome. Verbindungen dieser Art neigen dazu, nicht brennbar zu sein. Zu Vertre tern dieser bevorzugten Klasse Hydrofluoroether gehören C₃F₇OCH₃, C₃F₇OC₂H₅, C₄F₉OCH₃, C₄F₉OCH₂Cl, C₄F₉OC₂H₅, C₇F₁₅OCH₃, C₇F₁₅OC₂H₅, C₈F₁₇OCH₃, C₈F₁₇OC₂H₅, C₁₀F₂₁OCH₃ und C₁₀F₂₁OC₂H₅. Gemische aus einem oder mehreren fluorierten Ethern gelten bei der praktischen Umsetzung der Erfindung ebenfalls als nützlich.
Nützliche Kühl- und Schmierzusammensetzungen mit Hydrofluorether können auch eine oder mehrere perfluorierte Verbindungen umfassen. Da ein Hydrofluorether in aller Regel flüchtiger ist als eine perfluorierte Flüssigkeit, die als Schmieradditiv ausgewählt ist, umfasst eine Zusammensetzung, die sowohl einen Hydrofluorether als auch eine perfluorierte Flüssigkeit enthält, vorzugsweise eine geringe Menge, d. h. weniger als 50 Gew.-%, der perfluorierten Flüssigkeit(en). Nützliche perfluorierte Flüssigkeiten enthalten typischerweise 5 bis 18 Kohlenstoffatome und können wahlweise ein oder mehrere in der Kette stehende Heteroatome, wie zweiwertige Sauerstoff- oder dreiwertige Stickstoffatome, enthalten. Der hier verwendete Begriff "perfluorierte Flüssigkeit" schließt organische Verbindungen ein, in denen alle (oder im Wesentlichen alle) Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sind. Repräsentative perfluorierte Flüssigkeiten schließen cyclische und nicht cyclische Perfluoralkane, Perfluoramine, Perfluorether, Perfluorcycloamine und jede beliebige Mischung davon ein. Spezifische repräsentative perfluorierte Flüssigkeiten schließen Folgende ein: Perfluorpentan, Perfluorhexan, Perfluorheptan, Perfluoroctan, 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 Mischungen davon und anderen perfluorier ten Flüssigkeiten. Im Handel erhältliche perfluorierte Flüssigkeiten, die erfindungsgemäß 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, Produktbericht 98-0211-6086(212)NPI, herausgegeben 2/91, erhältlich von 3M Co., St. Paul, Minn. beschrieben. Andere im Handel erhältliche perfluorierte Flüssigkeiten, die für die vorliegende Erfindung als nützlich gelten, schließen perfluorierte Flüssigkeiten ein, die als Flüssigkeiten der Marke Galden^TM LS, Flüssigkeiten der Marke Flutec^TM PP, Perfluorpolyether Krytox^TM, Perfluorpolyether Demnum^TM und Perfluorpolyether Fomblin^TM vertrieben werden.
Neben einer oder mehreren perfluorierten Flüssigkeiten können die erfindungsgemäß verwendeten Hydrofluorether einen oder mehrere herkömmliche Zusätze, wie Korrosionshemmer, Antioxidationsmittel, Entschäumungsmittel, Farbstoff, Bakterizide, Gefrierpunktsunterdrücker, Metalldeaktivatoren und dergleichen einschließen und tun dies typischerweise auch. Die Auswahl dieser herkömmlichen Zusätze ist im Fachgebiet wohlbekannt und deren Anwendung in jedem beliebigen Verfahren zum Schneiden und abrasiven Bearbeiten von Metall liegt durchaus im Kompetenzbereich eines Fachmanns.
Auch ein oder mehrere herkömmliche Grundöle oder andere Schmieradditive können zweckmäßigerweise zu der Hydrofluoretherzusammensetzung gegeben werden, um die Schmierfähigkeit der Zusammensetzung zu optimieren. Die nützlichsten Additive sind flüchtig (d. h. haben einen Siedepunkt von weniger als etwa 250°C), obwohl auch andere als nützlich betrachtet werden. Nützliche Hilfs schmieradditive können beispielsweise einschließen: gesättigte und ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie n-Decan, Dodecan, Terpentinöl und Kienöl, Naphthalin-Kohlenwasserstoffe, Polyoxyalkylene, wie Polyethylenglycol, und aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Cymen, Thiolester und andere schwefelhaltige Verbindungen und gechlorte Kohlenwasserstoffe, einschließlich Oligomerer von Chlortrifluorethylen, gechlorter Perfluorkohlenwasserstoffe und anderer chlorhaltiger Verbindungen. Nützlich sind auch belastungsbeständige Additive, wie Phosphate, Fettsäureester und Alkylenglycolether. Diese letzteren Verbindungsklassen schließen Trialkylphosphate, Dialkylhydrogenphosphite, Methyl- und Ethylester von C₁₀- bis C₂₀-Carbonsäuren, Ester von Monoalkyletherpolyethylen- oder -ethylenglycolen und dergleichen ein. Zu repräsentativen belastungsbeständigen Additiven gehören Triethylphosphat, Dimethylhydrogenphosphit, Ethylcaproat, Polyethylenglycolmethyletheracetat und Ethylenglycolmonoethyletheracetat.
Ein oder mehrere teilweise fluorierte oder perfluorierte alkylierte Schmieradditive können ebenfalls zu den Hydrofluoretherzusammensetzungen gegeben werden, um die Schmierung der Zusammensetzung zu optimieren. Derartige Additive umfassen typischerweise eine oder mehrere Perfluoralkylgruppen, die über eine funktionelle Gruppierung an eine oder mehrere Kohlenwasserstoffgruppen gekoppelt sind. 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 Kopplungsgruppierungen können Gruppen sein, die ein oder mehrere Heteroatome umfassen, wie O, N, S, P, oder funktionelle Gruppe, wie -CO₂-, -CO-, -SO₂-, -SO₃-, -PO₄-, -PO₃-, -PO₂-, -PO- oder -SO₂N(R)-, worin R eine kurzkettige Alkylgruppe ist.
Die erfindungsgemäß verwendeten Schmierzusammensetzungen können zum Schneiden und abrasiven Bearbeiten von Metallen mithilfe einer beliebigen bekannten Technik aufgetragen werden. Die hydrofluoretherhaltigen Zusammensetzungen können beispielsweise in entweder flüssiger Form oder als Aerosol aufgetragen werden, sie können sowohl extern, d. h. von der Außenseite auf das Werkzeug aufgebracht, als auch intern, d. h. durch geeignete Zuführungen, die im Werkzeug selbst vorhanden sind, aufgetragen werden.
Die folgenden Beispiele sind als Hilfe zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung gedacht und dürfen nicht als Begrenzung des Schutzumfangs verstanden werden. Alle nachfolgenden Teile und Prozentangaben sind, wenn nicht anders angegeben, auf das Gewicht bezogen.
Beispiele
Beispiele 1 bis 16 und Vergleichsbeispiele C-1 bis C-5
In jedem der folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden verschiedene Flüssigkeiten auf ihre Fähigkeit hin geprüft, während eines Schneidvorgangs für Schmierung zu sorgen und Wärme von einem Metallwerkstück und einem Schneidwerkzeug abzuführen. Die Schmiermittel wurden durch Bohren von Löchern mit einem Durchmesser von 1/2 Zoll (1,27 cm) in 3/4 Zoll (1,9 cm) dickes Stück Edelstahl Typ 304 mit einer Geschwindigkeit von 420 Umdr./min und einer Vorschubgeschwindigkeit von 3 Zoll/min (entspricht einer Umfangsgeschwindigkeit von 55 ft/min bzw. einer Umfangsgeschwindigkeit von 1676 cm/min) unter Verwendung eines 0,25-Zoll-Schrittprogramms einer CNC-Maschine Excel^TM 510 geprüft. Bei dem Bohrer handelte es sich um einen Schnellarbeitsstahl-Spiralbohrer (HSS) mit zwei Spannuten (erhältlich von CLE-Forge). In jedem Beispiel und Vergleichsbei spiel wurden unter Verwendung jeder Kühlschmierflüssigkeit, die aus einer Spritzflasche mit einer Durchflussgeschwindigkeit von etwa 30–35 ml/min aufgetragen wurde, drei Durchgangslöcher gebohrt.
Nachdem der Bohrer jedes vollständige Loch durchbohrt hatte, wurde die Bohrmaschine angehalten und die Temperatur des Bohrers und des Werkstücks (im Loch) mit einem Thermoelement Typ K, das an ein Omega-Messgerät (Modell H23) angeschlossen war, ermittelt. Für jedes geprüfte Kühlschmiermittel wurde ein neuer Bohrer verwendet. Die Maschinenbelastung jedes Bohrvorgangs wurde festgehalten und über die drei Versuche gemittelt. Dann wurde das Werkstück gereinigt, um Rückstände von herkömmlichen Schmiermitteln zu entfernen, und die Oberflächenbeschaffenheit jedes Lochs wurde mit einem Profilometer Hommel T500 gemessen. Die 0,5-Zoll-Messstrecke jedes Lochs wurden gemittelt, um R_a, ein Maß für die Rauheit der Oberfläche, sowie R_3z und R_max, Maße für die Rautiefe, zu bestimmen. Der Mittelwert für jedes der geprüften Kühlschmiermittel und die Standardabweichung gehen aus Tabelle 1 hervor. In Beispiel 15 und 16 wurden die Prüfungen unter Verwendung einer CNC-Maschine Excel^TM Model 510 mit zwei anstatt drei Versuchen durchgeführt.
In den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden folgende Flüssigkeiten verwendet:
Tabelle 1^*
Die reinen Hydrofluorether-Kühlschmierflüssigkeiten (Beispiele 1–9 und 15–16) wurden erfolgreich als Kühl-/Schmierflüssigkeit beim Bohren verwendet, wie anhand der gleichwertigen oder geringeren Bohrertemperaturen und Oberflächenbeschaffungswerte verglichen mit einer Hydrofluorkohlenwasserstoff-Flüssigkeit, Vertrel^TM XF und C₆F₁₃H (Vergleichsbeispiele C-2 und C-3) gezeigt wird. (Die hohe Abweichung, die bei diesen Materialien festgestellt wurde, ist auf die zunehmende Temperatur und zunehmende Maschinenbelastung mit jedem gebohrten Loch zurückzuführen.) Die Hydrofluoretherflüssigkeiten zeigten auch ebenso gute Leistungen wie eine perfluorierte Flüssigkeit, FC-40^TM, (Vergleichsbeispiel C-5) und der Hydrochlorfluorether (Beispiel 9) zeigte bessere Leistungen als der H-FCKW (Vergleichsbeispiel C-4) in analoger Weise.
Die Zugabe von Schmieradditiven zu dem Hydrofluorether C₄F₉OCH₃ (Beispiele 10 bis 14) senkte die Bohrertemperatur und verbesserte die Oberflächenrauheit erheblich im Vergleich zu der reinen Flüssigkeit (Beispiel 1), was anzeigt, dass die Leistung des Hydrofluorether-Kühlschmiermittels durch die Zugabe geringer Mengen anderer schmierender Materialien verbessert werden kann.
Die in Vergleichsbeispiel C-1 verwendete Flüssigkeit auf Wasserbasis war am wirksamsten, die Bohrer- und Lochtemperatur niedrig zu halten, und zeigte, dass Wasser die Kühleigenschaften dieser Zubereitungen verbessert. Die Cimtech^TM-Flüssigkeit ergab jedoch keine analoge Verbesserung der Werte für Oberflächenbeschaffenheit oder Maschinenbelastung, die verglichen mit reinen Hydrofluoretherflüssigkeiten festgestellt wurden.
Beispiele 17 bis 21 und Vergleichsbeispiele C-6 bis C-9
In den folgenden Beispielen 17 bis 21 wurden Hydrofluoretherflüssigkeiten beim Stirnfräsen von Titan und Edelstahl Typ 304 beurteilt. Die Vergleichsbeispiele C-6 bis C-9 sind eingeschlossen, um die erwartete Leistung bei Stirnfräsvorgängen zu zeigen, in denen ein herkömmliches Schmiermittel (Accu-Lube^TM, ein Schmiermittel auf der Basis von Kohlenwasserstoffen, erhältlich von ITW Fluid Products Group, Norcross, GA) oder kein Schmiermittel verwendet wird. Die Flüssigkeiten wurden mit einer Fräsmaschine Bridgeport geprüft, die mit einem 5/8 Zoll (1,59 cm) HSS-Stirnfräser mit vier Spannuten (#A-16 von Greenfield Industries, Chicago, IL) mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 30 ft/min und einem Vorschub von 3,5 Zoll pro Minute und einer Schnittstärke von 0,175 Zoll für Titan sowie einer Umfangsgeschwindigkeit von 30 ft/min, 3,5 Zoll pro Minute und einer Schnittstärke von 0,1 Zoll für Edelstahl Typ 304 betrieben wurde. In jedes Werkstück wurde eine Nut von ungefähr 3 Zoll (7,62 cm) geschnitten, wobei die Kühlschmierflüssigkeit mit einer Spritzflasche und einer Durchflussgeschwindigkeit von 35–40 ml/min aufgetragen wurde. Nach beendetem Fräsen wurden die Werkstücke gereinigt, um ölige Rückstände von Accu-Lube^TM zu entfernen, und die Oberflächenbeschaffenheit der gefrästen Nuten wurde mit einem Profilometer Hommel T500^TM, Messstrecke 0,2 Zoll, an 3 verschiedenen Positionen gemessen. Die Daten gehen aus Tabelle 2 hervor.
Tabelle 2^*
1 zeigt die Abtastungen des Profilometers bei stirngefrästen Titanwerkstücken (Beispiele 17 bis 19). Die Hydrofluoretherflüssigkeiten (Beispiele 17 bis 19) ergaben eine bessere Oberflächenbeschaffenheit des Titans als mit einem herkömmlichen Schmiermittel, Accu-lube^TM (Vergleichsbeispiel C-7), oder ohne aufgetragenes Schmiermittel (Vergleichsbeispiel C-6). Eine perfluorierte Kühl-/Schmierflüssigkeit, FC-40^TM (Vergleichsbeispiel C-8), erzeugte eine Oberflächenbeschaffenheit, die der der Hydrofluoretherflüssigkeiten entsprach. Darüber hinaus verlangten die Nuten mit Accu-lube^TM eine Reinigung, um ölige Rückstände nach der Bearbeitung zu entfernen, wohingegen die anderen Flüssigkeiten keine Rückstände hinterließen. Das Stirnfräsen von Edelstahl mit Hydrofluoretherflüssigkeiten ergab ebenfalls eine bessere Oberflächenbeschaffenheit als mit Accu-lube^TM.
Beispiele 22 bis 25 und Vergleichsbeispiele C-10 und C-11
Beispiele 22 bis 25 zeigen die Verwendung von Kühlschmierflüssigkeiten beim Stirnfräsen von Aluminium (Typ 6061) und kaltgewalztem Stahl (CRS). Die Vergleichsbeispiele C-10 und C-11 sind eingeschlossen, um die Leistung eines herkömmlichen Schmiermittels (Boelube^TM, ein Kohlenwasserstoffschmiermittel, erhältlich von Orelube Corp., Plainview NJ) bei diesem Vorgang zu zeigen. Mithilfe einer Fräsmaschine Hurtco CNC^TM wurde mit einem 1/2-Zoll-HSS-Fräser mit zwei Spannuten mit einem Vorschub von 20 Zoll/min (50,8 cm/min), 1700 Umdr./min, einer Umfangsgeschwindigkeit von 220 ft/min bzw. 6706 cm/min, einer Schnittstärke von 1/8 Zoll (0,32 cm) unter Anwendung jeder Kühlschmierflüssigkeit eine Nut geschnitten. Das Werkstück wurde gereinigt, um Ölrückstände von Boelube^TM zu entfernen. Bei den Hydrofluoretherflüssigkeiten wurden keine Rückstände festgestellt. Die Oberflächenrauheit wurde mit einem Profilometer Hommel T500^TM mit einer Messstrecke von 0,2 Zoll an drei verschiedenen Positionen in der Nut gemessen. Diese Werte wurden gemittelt und sind in Tabelle 3 wiedergegeben.
Tabelle 3^*
Die Hydrofluoretherflüssigkeiten verbesserten die Oberflächenbeschaffenheit der gefrästen Nut bei kaltgewalztem Stahl (Beispiele 22 und 23) verglichen mit Boelube^TM (Vergleichsbeispiel C-10). Die Ergebnisse des Fräsens von weichem Aluminium zeigen, dass es keinen wesentlichen Unterschied zwischen den Oberflächen gab, die mit den geprüften Flüssigkeiten (Beispiele 24 und 25 sowie Vergleichsbeispiel C-11) produziert wurden. Boelube^TM hinterließ jedoch einen öligen Rückstand, wohingegen die anderen rückstandsfrei waren.
Beispiele 26 bis 29 und Vergleichsbeispiele C-12 bis C-15
Beispiele 26 bis 29 zeigen die Verwendung von Hydrofluorether-Kühl-/Schmierflüssigkeiten beim Bohren in Aluminium. Die Vergleichsbeispiele C-12 bis C-15 ermöglichen einen Vergleich mit bekannten Kühlschmierflüssigkeitszusammensetzungen. Mithilfe einer CNC-Maschine Hurtco^TM wurden mit 1000 Umdr./min (Umfangsgeschwindigkeit von 130 ft/min, etwa 3960 cm/min) und 8 Zoll pro Minute mit einem HSS-Bohrer mit 2 Spannuten mit jeder Kühlschmierflüssigkeit drei Löcher in einen 1 Zoll dicken Block aus Aluminium 2024-T3 gebohrt. Die Prüfflüssigkeiten wurden mit einer Durchflussgeschwindigkeit von etwa 35–40 ml/min aus einer Spritzflasche auf den Bohrer und das Loch abgegeben. Nach beendetem Bohren wurde der Block durch die Bohrlöcher hindurch durchgeschnitten, sodass deren Querschnitt untersucht werden konnte. Um Schmiermittelrückstände von Boelube und dem Sägen zu entfernen, wurden die Prüflinge vor dem Messen der Oberflächenrauheit mithilfe eines Perthometer^TM MP4 gereinigt. Jede Lochquerschnittshälfte wurde gemessen und die Ergebnisse gemittelt und in Tabelle 4 festgehalten. In Tabelle 4 sind FC-71^TM und FC-40^TM perfluorierte Flüssigkeiten, die von 3M erhältlich sind, Vertrel^TM XF ist ein Hydrofluorkohlenwasserstoff mit der Struktur CF₃CHFCHFC₂F₅, der von DuPont erhältlich ist, und Boelube^TM ist ein Kohlenwasserstoffschmiermittel, das von Orelube Corp., Plainview NJ, erhältlich ist.
Tabelle 4^*
Die Verwendung von flüchtigen Hydrofluorether-Kühlschmierflüssigkeiten auf der Grundlage von Zubereitungen, die andere flüchtige Additive enthalten (Beispiele 26 bis 29) ergab bessere Oberflächenbeschaffenheiten als bei anderen flüchtigen Mischungen auf Basis von FCKWs und H-FCKWs mit denselben Additiven (Vergleichsbeispiele C-12 und C-13). Eine flüchtige perfluorierte Flüssigkeit, FC-40^TM, entsprach diesen Mischungen auf Basis von Hydrofluorether. Im Vergleichsbeispiel C-15, unter Verwendung von Boelube^TM, waren ölige Rückstände auf dem Werkstück.

Claims

Verfahren zum Schneiden und abrasiven Behandeln eines Metall- oder Keramikwerkstücks, bei dem man auf das Metall- oder Keramikwerkstück 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 Werkstück schneidet oder abrasiv behandelt, wobei das Auftragen der Zusammensetzung vor oder während des Schneidens oder abrasiven Behandelns des Metall- oder Keramikwerkstücks erfolgt.
Verfahren zum Schneiden und abrasiven Behandeln eines Metall- oder Keramikwerkstücks, bei dem man auf das Metall- oder Keramikwerkstück eine Zusammensetzung, enthaltend (i) einen Hydrofluorether und (ii) eine perfluorierte Flüssigkeit in einer Menge von weniger als 50 Gew.-%, aufbringt und das Werkstück schneidet oder abrasiv behandelt, wobei das Auftragen der Zusammensetzung vor oder während des Schneidens oder abrasiven Behandelns des Metall- oder Keramikwerkstücks erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 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 1 bis 3, bei dem der Hydrofluorether der Formel: R_f-O-Rworin: 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 1 bis 4, 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 1 bis 5, 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.