EP0164637A1 - Hochtemperaturschmierstoff für die spanlose Heissumformung von Metallen - Google Patents

Hochtemperaturschmierstoff für die spanlose Heissumformung von Metallen Download PDF

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EP0164637A1
EP0164637A1 EP85106532A EP85106532A EP0164637A1 EP 0164637 A1 EP0164637 A1 EP 0164637A1 EP 85106532 A EP85106532 A EP 85106532A EP 85106532 A EP85106532 A EP 85106532A EP 0164637 A1 EP0164637 A1 EP 0164637A1
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EP
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temperature lubricant
lubricant
lubricant according
temperature
weight
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Withdrawn
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EP85106532A
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English (en)
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Jacques Dr. Périard
Hans-Rudolf Staub
Alain Dr. Cron
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Lonza AG
Original Assignee
Lonza AG
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Publication date
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Abstract

Hochtemperaturschmierstoff für die spanlose Heissumformung von Metallen, der vorzugsweise Form einer in wässriger Dispersion angewendet wird. Um einerseits ein Koagulieren der Feststoffe in der wässrigen Dispersion zu vermeiden, und andererseits einen temperaturbeständigen gleichmässigen Schmierfilm zu erhalten, enthält der Hochtemperaturschmierstoff neben einem Festschmierstoff einem rückstandsfrei sich zersetzenden organischen Produkt zusätzlich einen anorganischen Zusatz aus Polyphosphat, einer Borverbindung und einem Alkalisilikat, sowie ein organisches Stabilisierungsmittel.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturschmierstoff für die spanlose Heissumformung von Metallen, enthaltend einen Festschmierstoff und ein rückstandfrei sich zersetzendes organisches Produkt.
  • Es ist aus der CH-PS 596 294 ein Hochtemperaturschmiermittel aus Graphit, einem Alkylenpolymerisat oder -mischpolymerisat und einem Dispergiermittel bekannt. Das in derartigen Schmiermitteln angewendete Polymerisat brennt während der Umformung des Metalles rückstandfrei ab, wobei man davon ausgehen kann, dass anfänglich die Polymerisatschmelze und später deren gasförmigen Zersetzungsprodukte schmierwirksam sind.
  • In der DE-OS 24 30 249 wird ein Hochtemperaturschmierstoff für die Heissumformung von Metallen auf der Basis eines Phosphat-Borat-Glas, einem die Schmierung verbrennenden Zusatzstoff und einem Treibwirkung auslösenden, rückstandfrei sich zersetzenden organischen Produktes beschrieben.
  • Diese bekannten Schmiermittel erbringen an sich hervorragende Schmierleistungen. Für die Anwendung bei hohen Temperaturen, insbesondere bei der Verwendung auf Werkzeugen oder Werkstücken, die Temperaturen von über 350°C und besonders Temperaturen von 600°C und darüber aufweisen, war aber ein starkes Abfallen der Schmierleistung zu beobachten.
  • Die Zusätze von Alkaliphosphatborat-Schmelzprodukten ergeben ein Produkt, das als weiteren Nachteil schlechte Benetzungseigenschaften auf heissen Oberflächen zeigt. Um diesen Nachteil zu beheben, war es notwendig, die Schmiermitteldispersion mit Kieselsäuren zu stabilisieren. Die Kieselsäure ihrerseits hat aber wieder einen schlechten Einfluss auf das Schmierverhalten und die Lebensdauer der Werkzeuge. Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Hochtemperaturschmierstoff vorzuschlagen, der die genannten Nachteile nicht aufweist und bei Temperaturen über 600°C zu geschlossenen und voll wirksamen Schmierfilmen führt.
  • Erfindungsgemäss wird die Aufgabe mit einem Hochtemperaturschmierstoff nach Anspruch 1 gelöst.
  • Zweckmässig besteht der anorganische Zusatz aus einer Mischung aus 0,2 bis 25 Gew.% Borverbindung, 0,2 bis 98,8 Gew.% Polyphosphat und 1 bis 99,6 Gew.% Alkalisilikat.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Polyphosphat in unlöslicher oder schwerlöslicher Form angewendet. Vorzugsweise kommen als Polyphosphate Madrell'sche Salze oder Kurrol'sche Salze zur Anwendung. Dabei handelt es sich um Verbindungen der Art (Na PO3)n mit n grösser als 6 Dis 50 000, vorzugsweise 6 bis 10 000.
  • Die Borverbindung kann in löslicher und vorzugsweise in schwerlöslicher oder unlöslicher Form angewendet werden.
  • Als Borverbindung können beispielsweise Borax, Borsäure, B203, KB5O84H2O oder Zinkborat angewendet werden.
  • Das zur Anwendung gelangende Alkalisilikat ist bevorzugt ein Natronwasserglas oder Kaliwasserglas mit einem Si02-Gehalt zwischen 21 und 47%.
  • Die Anwendung der bevorzugt genannten unlöslichen oder schwerlöslichen Verbindung ist besonders vorteilhaft, im Hinblick auf die Benetzung heisser Oberflächen und insbesondere auf die gleichmässige Schichtdicke des Hochtemperaturschmierstoffes auf den Werkzeug- und/oder Werkstücksoberflächen bei Temperaturen über 350°C und insbesondere bei 600°C und darüber.
  • Die Mengenverhältnisse der einzelnen Komponenten können für den Festschmierstoff 1 bis 90 Gew.%, für das in Wärme rückstandsfrei sich zersetzende organische Produkt 1 bis 50 Gew.%, für den erfindungsgemässen anorganischen Zusatz 1 bis 80 Gew.% und für das organische Stabilisierungsmittel 0,2 bis 80 Gew.%, betragen.
  • In einer erfindungsgemässen, vorzugsweisen Ausführung wird das sich rückstandfrei zersetzende organische Produkt in Schmierstoffen zur Anwendung für Temperaturen bis 350°C in Mengen von maximal 50 Gew.%, und sich linear für Temperaturen von 600°C und darüber auf maximal 5 Gew.% verringernd, eingesetzt.
  • Typische Schmierstoffe für eine Anwendung bei Temperaturen von 350°C können demnach 40 bis 90 Gew.% Festschmierstoff, 10 bis 50 Gew.% organisches Produkt, 0,2 bis 5 Gew.% anorganischen Zusatz und 0,2 bis 5 Gew.% organisches Stabilisierungsmittel enthalten.
  • Für Schmierstoffe, die bei Temperaturen von 600°C und darüber angewendet werden sollen, lautet die Zusammensetzung zweckmässig 10 bis 90 Gew.% Festschmierstoff, 1 bis 15 Gew.% organisches Produkt, 10 bis 80 Gew.% anorganischer Zusatz und 0,2 bis 4 Gew.% organisches Stabilisierungsmittel.
  • Als Festschmierstoff können Graphit, MOS2 (Molybdändisulfid), CaF2 oder BN eingesetzt werden.
  • Von den Festschmierstoffen führt Graphit zu besonders guten Ergebnissen. Aus der Reihe der Graphite werden solche mit hoher Reinheit, beispielsweise über 96%, und einer durchschnittlichen Korngrösse von nicht mehr als 300 Mikrometer bevorzugt. Die besten Ergebnisse lassen sich mit einem Graphit von 99,5% Reinheit und einer durchschnittlichen Korngrösse von 100 Mikrometer erzielen.
  • Die sich in Wärme rückstandsfrei zersetzenden organischen Produkte sind beispielsweise Alkylenhomopolymere oder -copolymere. Es werden darunter die Homo- und Copolymere von Arylalkenen, a,ß-ungesättigte Säuren und Ester, β,γ-ungesättigten Säuren und Ester, Alkene (Monoolefine, Diolefine etc.), Vinylester, Vinylalkohole, ungesättigte dibasische Säuren und Ester (Dicarboxylsäuren und -ester), Alkylester und acyclische Säuren und Ester verstanden.
  • Das Alkylenhomopolymer oder -copolymer kann Polyethylen, Poly-methylmethacrylat, Polystyrol, Polybutadien, Polyvinylacetat, Polyvinylpropionat, ein Copolymer aus Methylmethacrylat und Styrol, ein Copolymer aus Methylenmethacrylat und Alphamethylstyrol, Polydiallylphthalat, Polypropylen, ein Copolymer aus Styrol und Butadien, Polymethylmethacrylat, ein Copolymer aus Vinylacetat und Dibutylmaleinat, ein Copolymer aus Vinylacetat und Ethylen und Polyisobutylen, sein.
  • Diese Polymere können allein oder im Gemisch untereinander angewendet werden.
  • Der Hochtemperaturschmierstoff kann noch eine Reihe weiterer Zusätze enthalten. Dazu gehören mikrobiologisch aktive Komponenten und Netzmittel.
  • Besonders vorteilhaft an vorliegenden erfindungsgemässen Schmierstoffen ist die völlige Abwesenheit von Kieselsäure, die in der Regel in Form hochdispersem Siliciumoxid vorliegt und bei Zusammensetzungen, die Polyphosphate enthalten, als Stabilisator angewendet werden muss. Die Kieselsäure ist an sich unerwünscht, da sie einen schlechten Einfluss auf das Schmierverhalten und auf die Lebensdauer der Werkzeuge hat.
  • Bei bekannten Formulationen war das Problem der Stabilisierung des Hochtemperaturschmierstoffes durch ein Ersetzen der Kieselsäure durch beispielsweise Cellulosen oder Polysaccharide nicht zu lösen. In wässriger Suspension neigen derartige Stoffgemische zum Koagulieren und werden dann unbrauchbar. Durch die erfindungsgemässe Mischung des anorganischen Zusatzes in Kombination mit den organischen Stabilisatoren konnten diese Nachteile behoben werden.
  • Erfindungsgeäss soll der Hochtemperaturschmierstoff zum Ge-brauch als 5 bis 56 Gev-%ige wässrige Dispersion vorliegen. Die Dispersion weist zweckmässig eine Viskosität von 500 bis 15000 cp bei 10 bis 30°C auf.
  • Um die Viskosität der Dispersion zu erreichen, kann schon der im Hochtemperaturschmierstoff enthaltene organische Stabilisator ausreichend sein. Es ist aber auch möglich, durch einen Verdicker oder ein Gemisch von Verdickern die Viskosität zu steuern. Aus der Reihe von geeigneten Verdickern eignen sich z.B. wasserlösliche Polysaccharide, Alkylcellulosen, Polyvinylalkohole, Polyarylate, Polyvinylpyrrolidon, gegebenenfalls Mineralien, wie Tone.
  • Wie erwähnt, wird der Hochtemperaturschmierstoff in der Regel in Form einer wässrigen Dispersion angewendet. Die wässrige Dispersion kann auf das Werkzeug und/oder das zu bearbeitende Werkstück, die Temperaturen von 100 bis über 900°C aufweisen können, aufgetragen werden. Bei der Berührung der heissen Oberflächen verdampft das Wasser und es bildet sich ein Film gleichmässiger Schichtdicke aus.
  • Erweist sich der Einsatz einer Dispersion als nicht zweckmässig, so kann der Hochtemperaturschmierstoff auch in pulverisierter Form eingesetzt werden. Dabei wird beispielsweise das Werkzeug und/oder das Werkstück eingepudert.oder durch den Schmierstoff gerollt oder gezogen.
  • Die erfindungsgemässen Schmierstoffe eignen sich besonders für die Anwendung bei Temperaturen um 600°C und darüber. Die hohe Temperaturstabilität der Schmierstoffe und insbesondere die Stabilität des Schmierfilmes wurde im wesentlichen durch den hohen Anteil an anorganischem Zusatz erreicht.
  • Der erfindungsgemässe Hochtemperaturschmierstoff eignet sich deshalb beispielsweise für die Schmierung von Werkzeug, z.B. Dorn, Dornstange oder Matrize, und Werkstücke, beispielsweise Luppe oder Rohr, bei der Warmverformung in sogenannten "multiple pipe mills", Konti-Strassen, Pilgerschrittwalzwerken, Asselstrassen, Stossbankanlagen, Stangenpressen oder Anstauchpressen.
    • Beispiel 1
  • Ein Hochtemperaturschmiermittel wurde hergestellt aus 70 Gew.% Wasser und 30 Gew.% schmieraktiven Bestandteilen, bestehend aus 54 Gew.% kristallinem Graphit mit 96%iger Reinheit,
    • 11 Gew.% unlöslichem Natriummetaphosphat (Madrell'sches Salz), 5 Gew.% Borax,
    • 10 Gew.% Natriumsilikat (Wasserglas mit einem Molverhältnis SiO2/Na2O = 3,3),
    • 18 Gew.% Polyethylen in Pulverform (mit einem Schmelzindex von 70 g/10 Min. (nach ASTM D 1238-73 T),
    • 2 Gew.% Alkylcellulose.
  • Das Hochtemperaturschmiermittel wies eine Viskosität von 1900 Cps, gemessen bei 20°C nach Epprecht mit einem Rheomat 15 der Contraves, auf. Die vorliegende Formulation zeigte die günstigsten Eigenschaften bei relativ niedrigen Anwendungstemperaturen von 20 bis 250°C in Kontistrassen oder Pilgerstrassen.
  • Die genannte Formulation wurde mittels einer Sprühvorrichtung auf Werkzeuge (z.B. Dorne) gesprüht. Der Reibungskoeffizient war 0,037.
    • Beispiel 2
  • Ein Hochtemperaturschmiermittel wurde als 70 Gew.% wässrige Dispersion hergestellt. Die schmieraktiven Bestandteile entsprachen der Formulation nach Beispiel 1, jedoch wurden anstelle des Borax 5 Gew.% Zinkborat eingesetzt.
  • Das Hochtemperaturschmiermittel wies bei 20°C eine Viskosität von 2600 Cps auf.
  • Angewendet in Kontistrasse oder Pilgerstrassen führte das Schmiermittel zu einer Verbesserung bezüglich Wasserbeständigkeit der aufgetragenen Schicht sowie einer besseren Haftung, bei Einsatztemperaturen von 20 bis 250°C. Der Reibungskoeffizient war 0,030.
    • Beispiel 3
  • Für Anwendungstemperaturen von 400 bis 900°C wurde ein Hochtemperaturschmiermittel als 70 Gew.% wässrige Dispersion zubereitet, dessen schmieraktive Bestandteile aus
    • 62 Gew.% kristallinem Graphit,
    • 16 Gew.% Natriummetaphosphat (Madrell'sches Salz),
    • 10 Gew.% Borax,
    • 10 Gew.% Natriumsilikat und
    • 2 Gew.% Alkylcellulose

    bestanden und das bei 20°C eine Viskosität von 1600 Cps aufwies.
  • Bei Werkzeugtemperaturen von 400 bis 900°C wurde das Schmiermittel auf das Werkzeug gesprüht, unter Ausbildung eines gleichmässigen Schmiermittelfilms. Im Verlauf der Bearbeitung des Werkstückes konnte ein gleichmässiger Verlauf der Stromaufnahme der Walzgerüste beobachtet werden, was auf ein günstiges Reibungsverhalten schliessen lässt.
  • Der Reibungskoeffizent war 0,043.
    • Beispiel 4
  • Die Formulation nach Beispiel 3 wurde wiederholt, jedoch wurde der Borax durch die selbe Menge Zinkborat ersetzt. Viskosität bei 20°C = 2100 Cps.
  • Es ergab sich nochmals eine Verbesserung bezüglich der Haftung auf dem Werkzeug.
  • Der Reibungskoeffizient war 0,030.

Claims (14)

1 Hochtemperaturschmierstoff für die spanlose Heissumformung von Metallen, enthaltend einen Festschmierstoff und ein in der Wärme rtlckstandfrei sich zersetzendes organisches Produkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff weiters einen anorganischen Zusatz in Form einer Mischung aus einem schwer- oder unlöslichen Polyphosphat, einer Borverbindung und einem Alkalisilikat und ein organisches Stabilisierungsmittel enthält.
2. Hochtemperaturschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der anorganische Zusatz in Form einer Mischung aus 0,2 bis 25 Gew.% Borverbindung, 0,2 bis 98,8 Gew.% Polyphosphat und 1 bis 99,6 Gew.% Alkalisilikat besteht.
3. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Polyphosphat in unlöslicher oder schwerlöslicher Form angewendet werden.
4. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyphosphate Madrell'- sche Salze oder Kurrol'sche Salze angewendet werden.
5. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Borverbindung in schwerlöslicher Form angewendet wird.
6. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Borverbindung Borax, Borsäure, B203, KB5O8.4H2O oder Zinkborat, allein oder im Gemisch, angewendet wird.
7. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Alkalisilikat ein Natronwasserglas oder Kaliwasserglas mit einem Si02-Gehalt zwischen 21 und 47 %, angewendet wird.
8. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als organische Stabilisierungsmittel Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polysaccharide, Polyvinylbutyrate, Polyvinylbutyrale, Polyacrylate, Polystyrole, Cellulosen, allein oder im Gemisch untereinander, angewendet werden.
9. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Cellulosen vorzugsweise Alkylcellulosen angewendet werden.
10. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff 1 bis 90 Gew.% Festschmierstoff, vorzugsweise Graphit, 1 bis 50 Gew.% des rückstandsfrei sich zersetzenden organischen Produktes, 1 bis 80 Gew.% des anorganischen Zusatzes und 0,2 bis 80 Gew.% eines organischen Stabilisierungsmittels enthält.
11. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff als 5 bis 50 Gew.% wässrige Dispersion vorliegt.
12. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff als wässrige Dispersion mit einer Viskosität von 500 bis 15000 cp bei 10 bis 30°C vorliegt.
13. Hochtemperaturschmierstoff nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff zur Anwendung bei Temperaturen bis 350°C maximal 50 Gew.%, und sich linear für Temperaturen von 600°C und darüber auf maximal 5 Gew.% verringernd, ein rückstandsfrei sich zersetzendes organisches Produkt, enthält.
14. Verwendung des Hochtemperaturschmierstoffes nach Ansprüchen 1 bis 13, zum Schmieren von Dornstangen bei der Herstellung nahtloser Rohre und bei Verarbeitungstemperaturen von 400 bis 1100°C.
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