EP0743352A1

EP0743352A1 - Schmiermittelzusammensetzung für die Anwendung auf Werkstücken bei der Heissumformung von Metallen

Info

Publication number: EP0743352A1
Application number: EP96107611A
Authority: EP
Inventors: Jacques Dr. Periard; Hans-Rudolf Staub
Original assignee: Imerys Graphite and Carbon Switzerland SA
Current assignee: Imerys Graphite and Carbon Switzerland SA
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1996-05-13
Publication date: 1996-11-20
Anticipated expiration: 2016-05-13
Also published as: EP0743352B1; SK61996A3; US5691282A; ZA963198B; DE59602520D1; RO116817B1; MX9601821A; HUP9601314A3; HUP9601314A2; AR001910A1; CN1063479C; NO962019D0; JPH08311479A; TR199600394A2; CN1143107A; NO962019L; SI0743352T1; ES2136916T3; KR960041327A; JP2930003B2

Abstract

Es wird eine Schmiermittelzusammensetzung beschrieben, die geeignet ist zur Anwendung auf Werkstücken mit Oberflächentemperaturen von 800 °C bis 1300 °C.

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Schmiermittelzusammensetzung für die Anwendung auf Werkstücken bei der Heissumformung von Metallen, insbesondere für die Anwendung beim Warmwalzen von Blöcken und Profilen oder bei der Herstellung von Hohlblöcken in sogenannten Stossbankanlagen.
Aufgrund der Tatsache, dass die zu verarbeitenden Metalle eine Oberflächentemperatur von ca. 800 °C bis 1300 °C aufweisen, hat man sich in der Praxis bisher auf die Schmierung der Werkzeuge konzentriert, die mit Temperaturen von maximal 400 °C der klassischen Schmierung besser zugänglich sind.
Obwohl im Stand der Technik z.B. in der CH-PS 660 023 offenbart wird, dass mit der dort genannten Schmiermitteldispersion auch Werkstücke mit Temperaturen über 600 °C behandelt werden können, zeigt der Praxisvergleich keine Ausbildung eines wirksamen haftenden Schmiermittelfilms bei Temperaturen im Bereich von 800 °C bis 1300 °C. Die fehlende Haftung wird im wesentlichen verursacht durch die sofortige Pyrolyse der organischen Bestandteile, die eine Haftung des Films verunmöglicht. Die Pyrolyse der organischen Bestandteile mit der damit verbundenen Rauchentwicklung ist zudem für das Arbeitsumfeld eine sehr unangenehme Begleiterscheinung. Eine Ausbildung eines Schmiermitttelfilms war im Praxistest auch bei den in Pulverform applizierten Schmiermittel/Beizmittel-Zusammensetzungen der CH-PS 670 106 nicht festzustellen. Alleine die gleichmässige Applikation eines Pulvergemisches bildet in diesem Fall ein beträchtliches Erschwernis.
Aber auch die Schmierung der Werkzeuge ist je nach Werkzeugtyp mit verschiedenen Schwierigkeiten behaftet. So ist die Applikation des Schmiermittels alleine wegen der Geometrie des Werkzeuges vielfach erschwert oder tiefe Werkzeugtemperaturen um 100 °C erlauben keine richtige Ausbildung eines Schmiermittelfilms. Dadurch, dass die Werkzeuge dauernd mit grossen Mengen Kühlwasser behandelt werden, sind zudem grosse Verluste an Schmiermittel die Regel, was eine Kontamination des Abwassers und eine entsprechende Nachbehandlung des Abwassers mit sich bringt. Für eine gute Schmierung sind daher relativ grosse Mengen an Schmiermittel erforderlich.
Es bestand folglich die Aufgabe, eine Schmiermittelzusammensetzung zu entwickeln, die die genannten Nachteile nicht aufweist und folglich geeignet ist Werkstücke mit Oberflächentemperaturen von 800 °C bis 1300 °C mit einem gleichmässigen, gut haftenden und wasserunlöslichen Schmiermittelfilm zu versehen.
Die Aufgabe konnte gelöst werden mit den neuen Schmiermittelzusammensetzungen gemäß Patentanspruch 1, welche besteht aus:

a₁) 0-80 Gew.-% eines Glaspulvers
a₂) 0-50 Gew.-% einer Glasfritte
wobei der Anteil von zumindest einem der Bestandteile a₁) oder a₂) in der Schmiermittelzusammensetzung nicht 0 Gew.-% ist.
b) 10-25 Gew.-% natürlicher oder synthetischer Graphit
c) 5-20 Gew.-% eines oder mehrerer Alkalisilikate der allgemeinen Formel Me₂O n SiO₂, worin Me Lithium, Kalium oder Natrium und n einen Zahlenwert zwischen 1 und 4 bedeutet.
d) 1-6 Gew.-% eines wasserlöslichen Natriumpolymetaphosphates
e) 0-3 Gew.-% eines wasserunlöslichen Natriumpolymetaphosphates
f) 0,5-4 Gew.-% eines Verdickungsmittels
g) 0-1 Gew.-% Borax

Für die Anwendung bei Werkstücken mit Oberflächentemperaturen ab 800°C wird bevorzugt eine Schmiermittelzusammensetzung verwendet, welche besteht aus:

a₁) 0-20 Gew.-% eines Glaspulvers
a₂) 30-50 Gew.-% einer Glasfritte
b) 20-25 Gew.-% natürlicher oder synthetischer Graphit
c) 7-20 Gew.-% eines oder mehrerer Alkalisilikate der allgemeinen Formel Me₂O n SiO₂, worin Me Lithium, Kalium oder Natrium und n einen Zahlenwert zwischen 1 und 4 bedeutet.
d) 2-6 Gew.-% eines wasserlöslichen Natriumpolymetaphosphates
e) 0-1 Gew.-% eines wasserunlöslichen Natriumpolymetaphosphates
f) 3-4 Gew.-% eines Verdickungsmittels
g) 0,2-0,7 Gew.-% Borax

Für die Anwendung bei Werkstücken mit Oberflächentemperaturen ab 1000°C wird bevorzugt eine Schmiermittelzusammensetzung verwendet, welche besteht aus:

a₁) 45-70 Gew.-% eines Glaspulvers
a₂) 0-20 Gew.-% einer Glasfritte
b) 20-25 Gew.-% natürlicher oder synthetischer Graphit
c) 7-20 Gew.-% eines oder mehrerer Alkalisilikate der allgemeinen Formel Me₂O n SiO₂, worin Me Lithium, Kalium oder Natrium und n einen Zahlenwert zwischen 1 und 4 bedeutet,
d) 1 - 2 Gew.% eines wasserlöslichen Natriumpolymetaphosphates
e) 0 - 1 Gew.% eines wasserunlöslichen Natriumpolymetaphosphates
f) 1,5 - 2 Gew.% eines Verdickungsmittels
g) 0 - 0,25 Gew.% Borax

Als Glaspulver wird zweckmässig ein Normalglas mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser d₅₀ von <100µm und einem Erweichungsbereich von ca. 700 °C bis 900 °C verwendet (CAS Nr. 65997-17-3). Das Glaspulver ist massgeblich verantwortlich für die ausgezeichneten Filmeigenschaften des Schmiermittels. Durch seinen relativ hohen Erweichungspunkt gelangt es in zunehmender Menge dann zum Einsatz wenn die Oberflächentemperaturen des Werkstücks die 1000°C Grenze übersteigt.
Im Gegensatz dazu findet die Glasfritte vorallem dann Anwendung, wenn die Anwendungstemperaturen im unteren Bereich ab ca. 800 °C liegen.
Dann kommen, aufgrund des im Vergleich zum Glaspulver tieferen Erweichungsbereichs von ca. 500 °C bis 700 °C, die filmbildenden Eigenschaften der Glasfritte voll zum tragen. Die Glasfritte ist zweckmässig von seiner chemischen Zusammensetzung her ein Alkali-Erdalkali-Alumo-Bor-Silikat und wird üblicherweise in einer durchschnittlichen Korngrösse d₅₀ von <100µm angewendet.
Glaspulver und Glasfritte sind je nach Anwendung in den angegebenen Grenzen in beliebigen Mischverhältnissen einsetzbar.
Ein weiterer wesentlicher Bestandteil bildet der Graphit. Es ist sowohl ein synthetischer Graphit als auch ein Naturgraphit anwendbar.
Zweckmässig ist die durchschnittliche Korngrösse d₅₀ des verwendeten Graphits kleiner 100 µm. Von Vorteil wird ein Graphit mit hoher Kristallinität d. h. mit einer Kristallitlänge Lc von grösser 100 nm eingesetzt.
Eine wesentliche Funktion als Binder nehmen die wasserlöslichen Alkalisilikate ein. Es werden wasserlösliche Alkalisilikate, einzeln oder im Gemisch, der allgemeinen Formel

Me₂O n SiO₂

verwendet, worin Me Lithium, Kalium oder Natrium und n einen Zahlenwert zwischen 1 und 4 bedeutet. Bevorzugt kommt ein Natriummetasilikat der genannten allgemeinen Formel mit n = 1 - 1,5 oder ein Natriumsilikat mit n = 3,3 - 3,5 (Wasserglas) oder eine eutektische Mischung des genannten Natriumsilikate mit einem Kaliumsilikat der allgemeinen Formel K₂O n SiO₂ worin n 2,4 - 3 bedeutet und/oder einem Lithiumsilikat der allgemeinen Formel Li₂O n SiO₂, worin n 2,4 - 3 bedeutet, zur Anwendung.
Besonders bevorzugt wird eine Mischung der genannten bevorzugten Alkalisilikate im Verhältnis Natriumsilikat:Kaliumsilikat:Lithiumsilikat von 12,3% : 67,5% : 20,7% verwendet.
Als Schmiermittelbestandteil der die Schaumbildung unterdrückt, fungiert ein wasserlösliches Natriummetapolyphosphat. Zweckmässig wird darunter eine Verbindung mit der allgemeinen Formel (NaPO₃)_n worin n kleiner 450 ist, verstanden. Diese Verbindungen sind auch unter der Bezeichnung "Hexametaphosphat" oder "Grahamsches Salz" bekannt.
Es ist desweiteren möglich ein wasserunlösliches Natriummetapolyphosphat als Binder zuzusetzen. Besonders geeignet sind dazu die unter dem Namen "Maddrellsches Salz" bekannten Verbindungen der allgemeinen Formel (NaPO₃)_n, worin n 40 bis 70 bedeutet.
Der Zusatz eines Verdickungsmittels zweckmässig eines Polysaccharids oder eines Polysaccharidderivates ist entscheidend für die Gewährleistung einer konstanten Viskosität und Stabilität der Schmiermitteldispersion über einen weiten Temperaturbereich, sowie für die Verhinderung der Sedimentation der Feststoffanteile in der Dispersion. Zweckmässig finden Biopolysaccharide wie Xanthan-Gummi, Rhamsan-Gummi oder eine Alkylcellulose wie die Hydroxymethylcellulose, Anwendung.
Mit einem entsprechenden Resultat lassen sich als Verdickungsmittel Alkalisalze der Polyacrylsäure, insbesondere Natriumpolyacrylate zusetzen.
Zur Verhinderung eines bakteriellen Angriffs wird der Schmiermittelzusammensetzung zweckmässig ein handelsübliches Biocid in zugegeben.
Schliesslich ist es möglich als Haftvermittler Borax (Natriumtetraborat-Decahydrat) zuzusetzen.
Das erfindungsgemässe Schmiermittel wird zweckmässig in Form einer wässrigen Dispersion mit einem Feststoffanteil von vorzugsweise 20% bis 50% angewendet. Es ist durchaus möglich, die Grenzen nach oben und unten zu variieren. Die Herstellung der Dispersion kann in handelsüblichen Dispergiergeräten, die hohe Scherkräfte ermöglichen, erfolgen (vgl. z.B. EP-PS 218 989).
Die anwendungsbereite Dispersion weist zweckmässig eine Viskosität im Bereich von 1000 MPas bis 7000 MPas (Rheomat 15, 20 °C, Zelle B, Geschwindigkeit 5) auf, kann aber über den Zusatz von Verdickungsmittel weiter variiert werden.
Die Applikation der Schmiermitteldispersion kann über bekannte Systeme zum Versprühen von dispersen Systemen erfolgen (vgl. z.B. EP-A 453 801).
Erfindungsgemäss wird die vorstehend offenbarte Schmiermittelzusammensetzung für die Anwendung auf Werkstücken, die Oberflächentemperaturen von 800 °C bis 1300 °C aufweisen, bei der Heissumformung von Metallen, insbesondere beim Warmwalzen von Blöcken und Profilen oder bei der Herstellung von Hohlblöcken in sog. Stossbankanlagen verwendet. Die Auftragung der Dispersion auf das Werkstück erfolgt dabei unmittelbar vor der Umformung. Eine vorgängige Entzunderung des Werkstückes ist von Vorteil aber nicht zwingend. Nach dem sofortigen Verdampfen des Wassers bildet sich innert weniger Sekunden ein gleichmässiger, wasserunlöslicher Schmierfilm auf der Werkstückoberfläche aus, der durch den nachfolgenden Umformungsvorgang nicht beeinträchtigt wird.

Beispiele:

Die nachstehenden Viskositätsangaben wurden in einem Rheomat 15, 20 °C, Zelle B, Geschwindigkeit 5) gemessen.

Formulation 1 (geeignet für Werkstücke mit Oberflächentemperaturen von 850 °C - 1200 °C).

49,17 Gew.% Glasfritte (Bindefritte K2244 mit d₇₀ < 100µm, Schauer Co,A-Wien)
25,00 Gew.% Graphit (synthetischer Graphit T 75 mit d₅₀ 24µm, LONZA G&T,CH-Sins)
15,67 Gew.% Wasserglas (wasserlösl.Natriumsilikat Na₂O n SiO₂ mit n=3,3 - 3,5)
6,00 Gew.% wasserlösl. Natriumpolyphosphat (Alcopon, Benckiser-Knapsack, D-Ladenburg)
3,33 Gew.% Hydroxymethylcellulose (Dow Chemical)
0,67 Gew.% Borax
0,16 Gew.% Biozid
Dispersion: % Gehalt in Wasser 20%
Viskosität: 1000-2000 MPas

Formulation 2 (geeignet für Werkstücke mit Oberflächentemperaturen von 1000 °C - 1250 °C)

64,85 Gew.% Glaspulver (Glasmehl 300 mit d₇₀ kleiner 63 µm der Mineralienwerke Kuppenheim)
24,94 Gew.% Graphit (synthetischer Graphit T 75 mit d₅₀ 24µm, LONZA G&T, CH-Sins)
6,98 Gew.% wasserlösl. Natriumsilikat (Na₂O n SiO₂ mit n=1 - 1,15)
1,67 Gew.% wasserlösl. Natriumpolyphosphat (Alcopon, Benckiser-Knapsack, D-Ladenburg
1,33 Gew.% Hydroxymethylcellulose (Dow Chemical)
0,22 Gew.% Xanthan-Gummi
0,01 Gew.% Biozid
Dispersion: % Gehalt in Wasser 40%
Viskosität: 1000 - 3000 MPas

Formulation 3 (geeignet für Werkstücke mit Oberflächentemperaturen von 1000 °C - 1250 °C)

47,78 Gew.% Glaspulver (Glasmehl 300 mit d₇₀ kleiner 63 µm der Mineralienwerke Kuppenheim)
16,53 Gew.% Glasfritte (Bindefritte K2244 mit d₇₀ < 100µm, Schauer Co., A-Wien)
24,84 Gew.% Graphit (synthetischer Graphit T 75 mit d₅₀ 24 µm, LONZA G&T, CH-Sins)
6,74 Gew.% wasserlösl. Alkalisilikatmischung (Natriumsilikat:Kaliumsilikat:Lithiumsilikat 12,3 : 67,5 : 20,7, Me₂O n SiO₂ mit n=2,7)
1,32 Gew.% wasserlösl. Natriumpolyphosphat (Alcopon, Benckiser-Knapsack, D-Ladenburg)
0,92 Gew.% waserunlösl. Natriumpolyphosphat (Dentphos M, Benckiser-Knapsack, D-Ladenburg)
0,25 Gew.% Borax
0,45 Gew.% Xanthan-Gummi
1,10 Gew.% Hydroxymethylcellulose (Dow Chemical)
0,07 Gew.% Biozid
Dispersion: % Gehalt in Wasser 40%
Viskosität: 2000 - 5000 MPas

Formulation 4 (geeignet für Werkstücke mit Oberflächentemperaturen von 850 °C - 1250 °C)

49,53 Gew.% Glasfritte (Bindefritte K2244 mit d₇₀ < 100 µm, Schauer Co., A-Wien)
24,76 Gew.% Graphit (synthetischer Graphit T 75 mit d₅₀ 24µm, LONZA G&T, CH-Sins)
6,74 Gew.% wasserlösl. Alkalisilikatmischung (Natriumsilikat:Kaliumsilikat:Lithiumsilikat 12,3 : 67,5 : 20,7, Me₂O n SiO₂ mit n=2,7)
2,64 Gew.% wasserlösl. Natriumpolyphosphat (Alcopon, Benckiser-Knapsack, D-Ladenburg
1,32 Gew.% waserunlösl. Natriumpolyphosphat (Dentphos M, Benckiser-Knapsack, D-Ladenburg)
0,66 Gew.% Borax
3,30 Gew.% Hydroxymethylcellulose (Dow Chemical)
0,71 Gew.% Natriumpolyacrylat (Carbopol, Goodrich Chemical)
0,14 Gew.% Biozid
Dispersion: % Gehalt in Wasser 20%
Viskosität: 2000 - 5000 MPas

Vergleichsformulation 1: (gemäss CH-PS 660 023, Beispiel 1)

54 Gew.% kristalliner Graphit
11 Gew.% Maddrellsches Salz
5 Gew.% Borax
10 Gew.% Natriumsilikat (Wasserglas SiO₂/Na₂O = 3,3)
18 Gew.% Polyethylen
2 Gew.% Alkylcellulose
wässrige Dispersion mit Feststoffgehalt von 30 Gew.%
Viskosität 1900 MPas

Vergleichsformulation 2: (gemäss CH-PS 670 106, Beispiel 2)

70 Gew.% Natriumtripolyphosphat (Na₅P₃O₁₀)
4 Gew.% Graphit
26 Gew.% Na₂B₂O₄ 8 H₂O

Pulvermischung:

Vergleichstest:

Testbedingungen:

Auf die 800 °C bis 1050 °C heisse Oberfläche eines vertikal, mit 1,5 m/s bewegten Stahlblocks mit den Masssen 29 cm x 6cm x 3cm werden über eine, im Abstand von 43 cm befindliche Düse (Druck 50 bar) die Formulationen 1 bis 4, sowie die Vergleichsformulation 1 aufgesprüht. Die Vergleichsformulation 2 wird trocken gesprüht gemäss CH-PS 670 106. Der gebildete Schmiermittelfilm wird nach den folgenden Klassierungen bewertet.

Klasse 1

Keine Bildung eines Schmiermittelfilms.

Klasse 2

Bildung eines brüchigen Schmiermittelfilms mit nur kurzzeitiger (wenige Sekunden) Haftung.

Klasse 3

Sofortige Bildung eines gleichmässigen, glasurähnlichen, gut haftenden Schmiermittelfilms mit hoher mechanischer Beständigkeit und hoher Wasserbeständigkeit.

Testergebnisse:

Formulation	Testergebnis (Klasse)
1	3 (ab 850 °C)
2	3 (ab 1000 °C)
3	3 (ab 1000 °C)
4	3 (ab 850 °C)
Vergleich 1	1
Vergleich 2	2

Claims

Schmiermittelzusammensetzung für die Anwendung auf Werkstücken bei der Heissumformung von Metallen bestehend aus
a₁) 0-80 Gew.-% eines Glaspulvers

a₂) 0-50 Gew.-% einer Glasfritte
wobei der Anteil von zumindest einem der Bestandteile a₁) oder a₂) in der Schmiermittelzusammensetzung nicht 0 Gew.-% ist

b) 10-25 Gew.-% natürlicher oder synthetischer Graphit

c) 5-20 Gew.-% eines oder mehrerer Alkalisilikate der allgemeinen Formel Me₂O n SiO₂, worin Me Lithium, Kalium oder Natrium und n einen Zahlenwert zwischen 1 und 4 bedeutet.

d) 1-6 Gew.-% eines wasserloslichen Natriumpolymetaphosphates

e) 0-3 Gew.-% eines wasserunlöslichen Natriumpolymetaphosphates

f) 0,5-4 Gew.-% eines Verdickungsmittels

g) 0-1 Gew.-% Borax
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glaspulver eingesetzt wird, das einen durchschnittlichen Korndurchmesser d₅₀ von <100µm und einen Erweichungsbereich von ca. 700 °C - 900 °C aufweist
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glasfritte eingesetzt wird, die einen durchschnittlichen Korndurchmesser d₅₀ von <100µm und einen Erweichungsbereich von ca. 500 °C - 700 °C aufweist.
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass wasserlösliche Alkalisilikate, einzeln oder im Gemisch, der allgemeinen Formel Me₂O n SiO₂ verwendet werden, worin Me Lithium, Kalium oder Natrium und n einen Zahlenwert zwischen 1 und 4 bedeutet
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass als wasserlösliches Natriumpolymetaphosphat ein Grahamsches Salz der allgemeinen Formel (NaPO₃)_n mit n kleiner 450 angewendet wird.
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass als wasserunlösliches Natriumpolymetaphosphates ein Maddrellsches Salz der allgemeinen Formel (NaPO₃)_n mit n 40 bis 70 angewendet wird.
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdickungsmittel ein Polysaccharid, ein Polysaccharidderivat oder ein Alkalisalz eines Polyacrylats verwendet wird.
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 - 7 in Form einer wässrigen Dispersion.
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 - 8 in Form einer wässrigen Dispersion mit einem Feststoffgehalt von 20% bis 50%.
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 - 9 zur Anwendung bei Werkstücken mit Oberflächentemperaturen ab 800 °C bestehend aus:
a₁) 0-20 Gew.-% eines Glaspulvers

a₂) 30-50 Gew.-% einer Glasfritte

b) 20-25 Gew.-% natürlicher oder synthetischer Graphit

c) 7-20 Gew.-% eines oder mehrerer Alkalisilikate der allgemeinen Formel Me₂O n SiO₂, worin Me Lithium, Kalium oder Natrium und n einen Zahlenwert zwischen 1 und 4 bedeutet.

d) 2-6 Gew.-% eines wasserlöslichen Natriumpolymetaphosphates

e) 0-1 Gew.-% eines wasserunlöslichen Natrumpolymetaphosphates

f) 3-4 Gew.-% eines Verdickungsmittels

g) 0,2-0,7 Gew.-% Borax
Schmiermittelzusammensetzung nach Patentansprüchen 1 - 9 zur Anwendung bei Werkstücken mit Oberflächentemperatur ab 1000 °C bestehend aus:
a₁) 45-70 Gew.-% eines Glaspulvers

a₂) 0-20 Gew.-% einer Glasfritte

b) 20-25 Gew.-% natürlicher oder synthetischer Graphit

c) 7-20 Gew.-% eines oder mehrerer Alkalisililate der allgemeinen Formel Me₂O n SiO₂, worin Me Lithium, Kalium oder Natrium und n einen Zahlenwert zwischen 1 und 4 bedeutet.

d) 1 - 2 Gew.% eines wasserlöslichen Natriumpolymetaphosphates

e) 0 - 1 Gew.% eines wasserunlöslichen Natriumpolymetaphosphates

f) 1,5-2 Gew.-% eines Verdickungsmittels

g) 0-0,25 Gew.-% Borax
Verwendung der Schmiermittelzusammensetzung gemäß Patentansprüchen 1 bis 11 zur direkten Schmierung von Werkstücken mit einer Oberflächentemperatur von ca. 800°C bis 1300°C bei der Heißumformung von Metallen.