EP3705556A1 - Schmierstoff zur metallumformung, insbesondere zur umformung von stahl, und verfahren zur herstellung des umformschmierstoffs - Google Patents

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EP3705556A1
EP3705556A1 EP20160069.9A EP20160069A EP3705556A1 EP 3705556 A1 EP3705556 A1 EP 3705556A1 EP 20160069 A EP20160069 A EP 20160069A EP 3705556 A1 EP3705556 A1 EP 3705556A1
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EP
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forming
forming lubricant
mineral
weight
lubricant
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Pending
Application number
EP20160069.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick Frank
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Saarstahl AG
Original Assignee
Saarstahl AG
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    • C10N2050/00—Form in which the lubricant is applied to the material being lubricated
    • C10N2050/023—Multi-layer lubricant coatings

Definitions

  • the invention relates to a lubricant for metal forming, in particular for forming steel.
  • the invention also relates to a method for producing the forming lubricant and a metal body coated with the forming lubricant.
  • the workpieces can heat up to temperatures> 400 ° C. In many cases, such heating is desirable since the strength of the shaped bodies to be reshaped can be reduced at higher temperatures.
  • the previously known lubricants for example soaps or waxes, are used for forming at the higher temperatures lose required properties. The load-bearing capacity collapses abruptly when temperatures are reached during forming that are in the range of the melting point of the forming lubricant.
  • the invention is based on the object of creating a forming lubricant which is suitable for cold forming and which can be used at higher temperatures than the known forming lubricants.
  • the forming lubricant contains at least one mineral which has a layer structure and an agent for modifying the layer structure.
  • the layer structure By modifying the layer structure, in particular by swelling, delamination and / or exfoliation, it is possible to produce a comparatively large number of individual, mutually displaceable layer layers in the mineral and thereby to provide the forming lubricant with exceptionally good lubricity. Due to the temperature resistance and pressure stability of the mineral, the forming lubricant is also stable at temperatures> 400 ° C, has good coefficients of friction there and can therefore be used for both cold and Lau hot forming.
  • the mineral is a sheet silicate, preferably kaolin or a mineral of the mica group.
  • the sheet silicates of the smectite group, the pyrophyllite group, the vermiculite group and the mica group have proven to be particularly suitable.
  • Layered silicates are also known as leaf silicates or phyllosilicates.
  • the minerals, in particular the phyllosilicates are particles which are built up from a multi-layer arrangement (stack) of individual mineral flakes and / or layers, in particular silicate flakes and / or layers. These individual mineral flakes and / or layers are like Fig. 1 shows, each connected to one another by ionic interactions.
  • Ions are arranged between the mineral platelets, which can be exchanged through a suitable chemical treatment.
  • intercalation the distances between the mineral platelets can be increased ("sources") and / or, as in FIG Fig. 2 is shown, individual mineral platelets are completely detached and rearranged.
  • the detachment of the mineral flakes is called delamination. Exfoliation is when stacks of the mineral flakes have been delaminated, preferably at least in a proportion of> 30%, particularly preferably 50%.
  • the mineral in particular the sheet silicate, is expediently produced synthetically or obtained from natural resources. It can advantageously be formed from naturally occurring weathering products that are found, for example, as components of various clay minerals.
  • the mean particle size of the mineral is expediently 0-30 ⁇ m, preferably with a mean particle size ⁇ 15 ⁇ m. Particle sizes between 0.1 ⁇ m and 5 ⁇ m have proven to be particularly advantageous for the formation of the forming lubricant.
  • the phyllosilicates mentioned are compounds of the oxides, the hydroxides and / or the hydrates of aluminum and / or magnesium with silica, it being possible for aluminum and magnesium in these compounds to replace one another wholly or in part.
  • Such layered silicates can be described with the following basic formula: xAl 2 O 3 • yMgO • zSiO 2 • nH 2 O
  • sheet silicates that are particularly suitable for producing the forming lubricant are: Kaolinite Al 4 [(OH) 8
  • the modifying agent is or contains a surfactant, which preferably comprises a soap and / or an amine.
  • the surfactant is expediently a water-soluble soap, preferably an alkali or alkaline earth salt of a fatty acid, which preferably has a chain length of at least ten carbon atoms.
  • the modification in particular the swelling, the delamination and / or the exfoliation, means that the layers of the mineral are covered with fatty acids or other long-chain carboxylic acids (C C10). Salts of palmitic acid (hexadecanoic acid, C16) or stearic acid (octadecanoic acid, C18), for example, are well suited and inexpensive.
  • the soaps are at least in part soaps of divalent metals.
  • Soaps made from magnesium, calcium and / or zinc are suitable, for example.
  • the forming lubricant could also contain soaps of other divalent metal ions such as Sr 2+ , Ba 2+ , Pb 2+ , Cd 2+ .
  • the forming lubricant has a metal soap, preferably calcium and / or magnesium stearate, and at least one stearate of monoethanolamine, triethanolamine, isopropanolamine and / and isobutanolamine (2-amino-2-methyl-1-propanol) .
  • a metal soap preferably calcium and / or magnesium stearate, and at least one stearate of monoethanolamine, triethanolamine, isopropanolamine and / and isobutanolamine (2-amino-2-methyl-1-propanol) .
  • Unreacted, in particular unbridged, stearate residues remaining in the coating can react with any amine residues that may still be present with the formation of amides during subsequent drying (> 100 ° C.).
  • the amides show higher melting points than the originally present, unreacted stearate components.
  • the metal soap also acts as a lubricant, the lubricating function of which is caused in particular by
  • the forming lubricant comprises at least one polymeric film former, which is preferably in the form of a solution or a dispersion.
  • the film former serves to give the forming lubricant such chemical and / or physical properties that it forms a film with the formation of a coating on the metal. This is achieved, among other things, because chemical bonds are formed at the phase boundary with the metal.
  • the film former is expediently formed by at least one water-soluble and / or dispersible polymer that can be derived from the monomers of the vinyl group, in particular by at least one polymer or copolymer of at least one ethylene, one vinyl alcohol, one styrene and / or one acrylic acid in the form of the free acid Alkyl or their alkylene esters.
  • the film former is preferably in the form of a microdispersion. It is particularly suitable for binding the forming lubricant to a, preferably phosphated, steel surface.
  • the polymer dispersion expediently contains a polyethylene-acrylic copolymer and / or, in order to increase the hardness of the forming lubricant, if it is arranged on the iron material, in particular steel, an acrylate.
  • the acrylate can be present in unesterified, partially or completely esterified form, for example as methyl-ethyl, propyl and / or (iso-) butyl esters. It has proven to be particularly advantageous to provide the polyethylene-acrylic copolymer as a mixture with an acrylate dispersion, since this results in an additional interaction and thus stabilization with swollen, delaminated and / or exfoliated mineral flakes.
  • the acrylate can be used to influence the adhesion and hardness of a layer formed by the forming lubricant on the iron material at a low temperature ("initial hardness").
  • initial hardness can be achieved, for example, by adding a styrene-acrylic copolymer.
  • a high final hardness or toughness can be achieved, for example, by adding an acrylic-butadiene copolymer, which tends to cross-link at higher temperatures.
  • a similar effect can be achieved with other crosslinkable acrylic derivatives or copolymers which, for example, have a propylene, butylene or isobutylene component.
  • the film former which preferably bears carboxyl groups, can be in ionic and / or non-ionic form. It can be adjusted by means of alkali hydroxide and / or at least one amine.
  • the ionic film formers have ammonia and / or a, preferably volatile, amine as counterion.
  • the amine used is preferably at least one short-chain alkyl or alkanol derivative of ammonia with a maximum of four linear carbon units (C4).
  • Monoethanolamine, triethanolamine, isopropanolamine and / or isobutanolamine have proven particularly suitable for this.
  • the forming lubricant contains a powder made of polymer which has a particularly high hardness and / or a particularly high molecular weight (M .000 1,000,000).
  • the polymer is incorporated into the coating film formed on the metal by the forming lubricant and has an advantageous effect particularly at low to medium temperatures of 400 400 ° C.
  • a powder, preferably micro-powder, of various non-aromatic substituted polyamides, such as polyamide 6, polyamide 66 or even polyamide 12, is suitable for achieving a high level of hardness.
  • aromatically substituted polyamides can be used have higher melting points and / or temperature resistance.
  • the preferred particle size of the micropowders is approx. 0-30 ⁇ m, with a particle size of 0.1 to max. 10 ⁇ m is particularly preferred.
  • the particle size of the powder is expediently. 0-30 ⁇ m, the particle size from 0.1 to max. 15 ⁇ m is preferable.
  • the forming lubricant contains an agent for its preservation, preferably a biocide, a foam inhibitor and / or an agent for stabilizing, in particular against sedimentation, of constituents of the forming lubricant.
  • agent for its preservation preferably a biocide, a foam inhibitor and / or an agent for stabilizing, in particular against sedimentation, of constituents of the forming lubricant.
  • Isothiazolinone derivatives, methylisothiazolinone (MIT), chloromethylisothiazolinone (CMIT) and / or benzisothiazolinone (BIT) are suitable as biocides.
  • the foam inhibitor is preferably formed by polyether-modified siloxanes or polydimethylsiloxanes.
  • the forming lubricant can contain alkyl or alkanol ammonium salts of long-chain acrylic acid derivatives as stabilizers.
  • the forming lubricant is present as a coating on the metal body.
  • the forming lubricant has the mineral in a proportion of 2 to 70% by weight, preferably 10 to 50% by weight, particularly preferably 20 to 40% by weight. It expediently contains the modifying agent in a proportion of 5 to 50% by weight, preferably 10 to 35% by weight, particularly preferably 15 to 25% by weight.
  • the forming lubricant has the film former in a proportion of 10 to 60% by weight, preferably 15 to 50% by weight, particularly preferably 20 to 45% by weight.
  • the film former is expediently formed with a weight fraction of at least 1/4 from polyacrylate, with a weight fraction of at least 1/4 from polyethylene-acrylic copolymer and / or with a weight fraction of at least 1/4 from polyamide.
  • the quotient of the proportions by weight of the mineral, in particular the sheet silicate, and the modifier, in particular the metal soap, is expediently between 0.2: 1 and 1.8: 1, preferably between 0.4: 1 and 0.8: 1 .
  • the forming lubricant advantageously contains the powder mentioned in a proportion of 0-50% by weight, preferably 5 to 40% by weight, particularly preferably 10 to 30% by weight.
  • the forming lubricant is packaged as a liquid coating agent, which is provided for arrangement on the body made of metal, preferably for forming a coating on the body, and is preferably a dispersion of the forming lubricant.
  • The, preferably liquid, coating agent contains the forming lubricant expediently in a concentration of 2 to 70% by weight, preferably 5 to 60% by weight.
  • the continuous phase of the coating agent is expediently formed by an aqueous liquid, preferably water, or an organic liquid. It has proven to be advantageous to provide the coating agent with a forming lubricant concentration of 2 to 10% by weight, preferably 4 to 8% by weight, if the metal is to be sprayed with the coating agent or dipped into the coating agent.
  • the coating agent expediently has a pH of 8.4 to 10.5, particularly preferably 8.7 to 9.5. If the metal is coated with the forming lubricant while the metal is being drawn in a drawing die, it has proven advantageous to provide the coating agent in a forming lubricant concentration of at least 10% by weight, preferably at least 15% by weight. In this case, the coating agent expediently has a pH of 10.0-13.0 and particularly preferably 10.5-11.5.
  • the metallic body is expediently immersed in a bath of the coating agent, in particular the aqueous solution, in order to form the forming lubricant as a coating on it.
  • the metallic body can be sprayed or misted with the coating agent, in particular the aqueous solution.
  • the forming lubricant according to the invention can be applied directly to the metal, in particular the steel. If the forming lubricant is applied directly to a preferably bare, ie uncoated, metallic surface, it has proven to be advantageous to clean the surface using a preferably spherical blasting agent, for example abrasive grains, before applying the forming lubricant.
  • the workpieces in question are previously phosphated in a commonly used zinc, calcium, magnesium or / and manganese-containing phosphating solution, a phosphate layer of 6-10 g / m 2 being particularly preferred.
  • the workpieces phosphated in this way are then dipped into the aqueous dispersion of the coating according to the invention. After drying in the air or in a dryer, a tightly adhering and water-resistant, thin film remains.
  • the film is formed with a coverage of at least 0.25 g / m 2 .
  • Particularly good forming results can be achieved with a film coverage of 0.5-2.5 g / m 2 , preferably 1.0-2.0 g / m 2 .
  • a mixture is made from 500 ml of water and 500 g of kaolin and / or sand-free, powdery clay.
  • the pH of the mixture is adjusted to pH 11 using ethanolamine and the mixture is stirred at room temperature for at least 24 hours.
  • the mixture is kneaded and / or stirred for a further 24 hours at room temperature or at a temperature between 50-75 ° C.
  • the pH of a commercially available calcium stearate dispersion which is stabilized by means of an anionic or nonionic surfactant mixture, is adjusted to ⁇ 11 by adding ethanolamine and a sand-free, powdery clay is stirred into the calcium stearate dispersion.
  • the dispersion is kneaded or stirred at room temperature or at a temperature between 50 and 75 ° C. for 12 hours.
  • a surface-modified sheet silicate is formed that can be used to produce a forming lubricant, as in the examples explained below.
  • An aqueous agent for forming a coating from the forming lubricant which has the following composition in% by weight: Surface-modified layered silicate (kaolin / clay) 1.5% Polyacrylate (as an aqueous dispersion) 1.0% Ethylene-Acryl-Co-Polymer (as an aqueous dispersion) 1.0% Calcium stearate 1.5%
  • the pH value is adjusted to 8.7 - 9.5 with the aid of ethanolamine, the total solids content or the working concentration is 5.0%.
  • the coating agent is filled into a tub which is suitable for holding phosphated steel wire wound in a ring shape.
  • the coating agent is heated to 50 ° C.
  • a ring to be coated can have a bare metal or a phosphated surface.
  • the bare metal surface can be cleaned using abrasive grains before the forming lubricant is applied.
  • the steel wire is dipped into the coating agent, then removed again and excess coating agent is allowed to drip off. It is then dried in the ambient air or preferably in a dryer at preferably 100 100 ° C.
  • the forming lubricant is now formed in the form of a coating on the steel wire.
  • a coating formed on a previously phosphated steel surface is shown schematically in cross section in Fig. 5 shown. Exfoliated and with stearate modified phyllosilicate platelets 1 are embedded in a polymer matrix 2 over the phosphate layer 3 of the steel 4.
  • the phosphate layer 3 is missing and the matrix 2 with the layered silicate platelets is arranged directly on the steel 4.
  • the forming lubricant formed on the wire has 30% by weight of sheet silicate, 30% by weight of calcium stearate, 20% by weight of polyacrylate and 20% by weight of ethylene-acrylic co-polymer.
  • the coating composition according to the invention of the 1st example is sprayed onto the ring of the 1st example by means of a shower in such a way that its surface is completely wetted.
  • the excess coating agent is allowed to drain off.
  • the workpieces or the rings are dried as in the 1st example.
  • An aqueous coating agent of the following composition in% by weight is formed, to which a polymeric micropowder is added.
  • Surface-modified layered silicate (kaolin / clay) 3.0% Polyacrylate (as an aqueous dispersion) 2.0% Ethylene-Acryl-Co-Polymer (as an aqueous dispersion) 2.0% Calcium stearate (as an aqueous dispersion) 1.5%
  • Polyamide (as micro powder) 1.5%
  • the pH value of the coating agent is adjusted to pH 8.7-9.5 with the aid of isobutylamine, the active concentration (total solids content) is 10.0%.
  • the coating agent is heated to 65 ° C. and a wire wound into rings is coated as in Example 1 or Example 2.
  • the wire can be processed either immediately afterwards or at a later point in time on a multi-stage press.
  • the forming lubricant according to this example is particularly suitable for multi-stage production for medium to high temperatures and for high pressing pressures.
  • the forming lubricant formed on the wire has 30% by weight of sheet silicate, 15% by weight of calcium stearate, 15% by weight of polyamide, 20% by weight of polyacrylate and 20% by weight of ethylene-acrylic co-polymer.
  • a coating agent concentrate is formed with the following composition in% by weight, from which the coating agent according to the invention listed in the 1st example can be produced by dilution.
  • Surface-modified layered silicate kaolin / clay
  • Polyacrylate as an aqueous dispersion
  • Polyethylene-Acryl-Co-Polymer as an aqueous dispersion
  • Calcium stearate as an aqueous dispersion
  • the coating agent concentrate has a total solids content of 40%, a solids content of 30-50% having proven to be particularly favorable with regard to space-saving storage and good applicability.
  • the pH of the coating concentrate is 10.5-11.0 and is adjusted using a mixture of ethanolamine and isobutylamine. 7 parts of water are added to each part of the coating concentrate. The solids content of 5.0% given for Example 1 is obtained in this way.
  • the pH value is checked and, if necessary, corrected to pH 8.7-9.5 with the aid of ethanolamine.
  • the coating and drying are carried out as in the 1st example.
  • the forming lubricant formed on the wire has 30% by weight of sheet silicate, 30% by weight of calcium stearate, 20% by weight of polyacrylate and 20% by weight of ethylene-acrylic co-polymer.
  • a coating agent concentrate with a solids content of 40% is prepared, to which a polymeric micropowder with a comparatively large molecular weight has also been added (data in% by weight).
  • Surface-modified layered silicate kaolin / clay
  • Polyacrylate as an aqueous dispersion
  • Acrylic-styrene-co-polymer as an aqueous dispersion
  • Calcium stearate 8.0% UHMW polyethylene micro powder 6.0%
  • the pH of the coating concentrate is adjusted to 10.5-11.0 using a mixture of ethanolamine and isobutylamine. Other additives added are a preservative and a silane-based anti-setting with max. 0.5% (based on the concentrate). 4 parts of water are added to each part of the coating concentrate. The pH value is checked and adjusted to pH 8.7-9.5 with the aid of ethanolamine. The result is a solids content of 8% or the following composition in% by weight.
  • the coating and drying are carried out as described above for the 1st example, this composition being particularly well suited for preheating in an oven (Lau warm forming) and for forming processes in which particularly high pressure is used.
  • aqueous coating agent of the following composition in% by weight is formed, to which a polymeric micropowder and a stearic acid amide have been added.
  • Surface-modified layered silicate kaolin / clay
  • Polyacrylate as an aqueous dispersion
  • Polyethylene-Acryl-Co-Polymer as an aqueous dispersion
  • Calcium stearate 1.0% Distearyl ethylenediamide 1.8% UHMW polyethylene micro powder 0.6%
  • the solids content of the coating is 6%.
  • the adjustment of the pH, coating and drying are carried out as described for the 1st example.
  • the coating has good sliding properties and enables good forming results. At low and medium temperatures, the required pressing pressures can be significantly reduced.
  • test specimens previously phosphated and provided with the coating according to the invention (material: 23MnB4, as-rolled) were reduced over a length of 100 mm from 18 mm to 15 mm.
  • oil / drawing grease, sodium stearate (reactive soap) and a commercially available polymer-wax forming lubricant were tested as comparative forming lubricants. How Fig.
  • the forming forces measured when using the forming lubricant according to the invention according to the 1st example are about 30% lower than a drawing fat, are about 20% lower than those when using the sodium stearate, and by at least 10% lower than when using the polymer wax forming lubricant, which is commercially available.
  • Possible manufacturing processes extend to different applications in the area of cold and / or Lau-hot forming, or in particular to: Pulling from: Wire, tubes, hollow or solid profiles Rolling or deep drawing of: Tape and sheet metal Extrusion, upsetting of: Wire or rod sections to: Bolts, screws, nuts as well as more complex ones Components such as steering columns, gears, etc.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Umformschmierstoff für Eisenwerkstoffe, insbesondere zur Umformung von Stahl. Erfindungsgemäß enthält der Umformschmierstoff zumindest ein Mineral, das eine Schichtstruktur aufweist, und ein Mittel zur Modifizierung der Schichtstruktur. Zweckmäßigerweise ist das Mineral mittels des Modifizierungsmittels gequollen, delaminiert oder/und exfoliert. Das Modifzierungsmittel ist oder enthält vorzugsweise ein Tensid, das vorzugsweise eine Seife und/oder ein Amin aufweist. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Tensid eine wasserlösliche Seife, vorzugsweise ein Alkali- oder Erdalkalisalz einer Fettsäure, welche bevorzugt eine Kettenlänge von zumindest zehn Kohlenstoffatomen aufweist. Das Mineral ist zweckmäßigerweise ein Schichtsilikat, vorzugsweise Kaolin oder ein Mineral der Glimmergruppe.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Umformschmierstoffs und einen mit dem Umformschmierstoff belegten Formkörper.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schmierstoff zur Metallumformung, insbesondere zur Umformung von Stahl. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Umformschmierstoffs und einen mit dem Umformschmierstoff belegten Körper aus Metall.
  • Bei der Umformung von Eisenwerkstoffen werden abhängig von der Umformtemperatur unterschiedliche durch Benutzung bekannte Umformschmierstoffe verwendet. Unterschieden wird zwischen Kaltumformung, bei der die umzuformenden Werkstücke üblicherweise bei Raumtemperatur in das Umformwerkzeug eingesetzt werden, Halbwarmumformung, bei der die Werkstücke vor der Umformung auf ca. 600 - 900 °C vorgewärmt werden, und Warmumformung unter Vorwärmung der Werkstücke auf ca. 900 - 1200 °C.
    Seit einigen Jahren wird darüber hinaus eine Lau-Warmumformung diskutiert, bei welcher die Werkstücke vor der Umformung auf etwa 200 - 500 °C vorgewärmt werden, wobei während der Fertigung Bauteiltemperaturen von mehr als 500 °C auftreten können.
  • Bei der Kaltumformung können sich die Werkstücke auf Temperaturen > 400 °C aufheizen. In vielen Fällen ist eine solche Aufheizung wünschenswert, da sich bei höheren Temperaturen die Festigkeit der umzuformenden Formkörper reduzieren lässt. Problematisch ist allerdings, dass die bisher bekannten Schmierstoffe, beispielsweise Seifen oder Wachse, bei den höheren Temperaturen ihre für die Umformung benötigten Eigenschaften verlieren. So bricht die Tragfähigkeit abrupt ein, wenn beim Umformen Temperaturen erreicht werden, die im Bereich des Schmelzpunktes des Umformschmierstoffs liegen.
  • Bei der Halbwarmumformung und der Warmumformung wird normalerweise mit Graphit-, Molybdänsulfid- oder Metallpulverschmierstoffen gearbeitet.
  • Für die genannte Lau-Warmumformung existieren derzeit keine brauchbaren Umformschmierstoffe. Die für die Kaltumformung gebräuchlichen Schmierstoffe eignen sich aufgrund ihrer geringen thermischen Beständigkeit nicht. Notgedrungen werden deshalb die Schmierstoffe verwendet, die bereits für die Warm- bzw. die Halb-Warmumformung eingesetzt werden. Diese Schmierstoffe werden für die Temperaturbereiche unter 600 °C allerdings nur selten eingesetzt, weil es bei der Verarbeitung in Pressen zu unerwünschter Anhaftung am Werkzeug und zu Korrosion kommt. Darüber hinaus verschmutzen Molybdänsulfid und Graphit das gesamte Arbeitsumfeld und sind vergleichsweise teuer.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die Kaltumformung geeigneten Umformschmierstoff zu schaffen, der sich bei höheren Temperaturen einsetzen lässt als die bekannten Umformschmierstoffe.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Umformschmierstoff zumindest ein Mineral, das eine Schichtstruktur aufweist, und ein Mittel zur Modifizierung der Schichtstruktur enthält.
  • Durch die Modifizierung, insbesondere durch Quellung, Delaminierung und/oder Exfolierung, der Schichtstruktur wird es möglich, in dem Mineral eine vergleichsweise große Anzahl einzelner, gegeneinander verschiebbarer Schichtlagen zu erzeugen und den Umformschmierstoff dadurch mit einem außergewöhnlich guten Gleitvermögen zu versehen. Aufgrund der Temperaturbeständigkeit und Druckstabilität des Minerals ist der Umformschmierstoff darüber hinaus auch bei Temperaturen > 400 °C stabil, weist dort gute Reibwerte auf und lässt sich deshalb sowohl zur Kaltals auch zur Lau-Warmumformung nutzen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 und 2
    schematisch den Aufbau eines Schichtsilikats,
    Fig. 3
    das Ergebnis einer DSC-Messung des Umformschmierstoffs,
    Fig. 4
    chemisch den Aufbau des Umformschmierstoffs,
    Fig. 5
    schematisch die Anordnung des erfindungsgemäßen Umformschmierstoffs auf einer Oberfläche eines metallischen Werkstücks, und
    Fig. 6
    das Umformverhalten des Umformschmierstoffs und von Vergleichsstoffen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Mineral ein Schichtsilikat, vorzugsweise Kaolin oder ein Mineral der Glimmergruppe. Als besonders gut geeignet haben sich die Schichtsilikate der Smektit-Gruppe, der Pyrophyllit-, der Vermiculit- und der Glimmergruppe erwiesen. Schichtsilikate werden auch als Blattsilikate oder als Phyllosilikate bezeichnet.
    Mikroskopisch betrachtet sind die Minerale, insbesondere die Schichtsilikate, Partikel, die aus einer viellagigen Anordnung (Stapel) einzelner Mineralplättchen und/oderschichten, insbesondere Silikatplättchen und/oder-schichten, aufgebaut sind. Diese einzelnen Mineralplättchen und/oder -schichten sind, wie Fig. 1 zeigt, jeweils durch ionische Wechselwirkungen miteinander verbunden.
    Zwischen den Mineralplättchen sind Ionen angeordnet, die sich durch eine geeignete chemische Behandlung austauschen lassen. Durch den Austausch der Ionen, der als Interkalation bezeichnet wird, können die Abstände der Mineralplättchen voneinander vergrößert werden ("Quellen") oder/und, wie in Fig. 2 dargestellt ist, einzelne Mineralplättchen vollständig abgelöst und neu angeordnet werden. Das Ablösen der Mineralplättchen wird als Delaminieren bezeichnet. Exfolieren ist, wenn, vorzugsweise zumindest in einem Anteil > 30 %, besonders bevorzugt 50 %, Stapel der Mineralplättchen delaminiert worden sind.
  • Das Mineral, insbesondere das Schichtsilikat, ist zweckmäßigerweise synthetisch erzeugt oder aus natürlichen Vorkommen gewonnen worden. Vorteilhaft kann es aus natürlich vorkommenden Verwitterungsprodukten gebildet sein, die sich beispielsweise als Bestandteile verschiedener Tonmineralien finden. Die mittlere Teilchengröße des Minerals beträgt zweckmäßigerweise 0 - 30 µm, vorzugsweise bei einer mittleren Teilchengröße < 15 µm. Als besonders bevorzugt vorteilhaft zur Bildung des Umformschmierstoffs haben sich Teilchengrößen zwischen 0,1 µm und 5 µm erwiesen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind die genannten Schichtsilikate Verbindungen der Oxide, der Hydroxide oder/und der Hydrate des Aluminiums oder/und des Magnesiums mit Kieselsäure, wobei sich Aluminium und Magnesium in diesen Verbindungen ganz oder teilweise gegenseitig ersetzen können.
    Solche Schichtsilikate können mit folgender Grundformel beschrieben werden:

             xAl2O3•yMgO•zSiO2•nH2O

    Beispiele von Schichtsilikaten, die sich besonders gut zur Herstellung des Umformschmierstoffs eignen, sind:
    Kaolinit Al4[(OH)8|Si4O10] (2Al2O3•4SiO2•4H2O)
    Pyrophyllit Al2[(OH)2|Si4O10] (2Al2O3•4SiO2•H2O)
    Talk Mg3Si4O10(OH)2 (3MgO•4SiO2•H2O)
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist oder enthält das Modifzierungsmittel ein Tensid, das vorzugsweise eine Seife und/oder ein Amin aufweist. Das Tensid ist zweckmäßigerweise eine wasserlösliche Seife, vorzugsweise ein Alkali- oder Erdalkalisalz einer Fettsäure, welche vorzugsweise eine Kettenlänge von zumindest zehn Kohlenstoffatomen aufweist. Durch die Modifizierung, insbesondere durch die Quellung, die Delaminierung und/oder die Exfolierung wird erreicht, dass die Schichten des Minerals mit Fettsäuren oder anderen langkettigen Carbonsäuren (≥ C10) belegt werden.
    Gut geeignet und kostengünstig sind beispielsweise Salze der Palmitinsäure (Hexadecansäure, C16), oder der Stearinsäure (Octadecansäure, C18).
    In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Seifen zumindest teilweise Seifen zweiwertiger Metalle. Geeignet sind beispielsweise Seifen von Magnesium, Calcium, oder/und Zink. Der Umformschmierstoff könnte auch Seifen anderer zweiwertiger Metallionen wie Sr2+, Ba2+, Pb2+, Cd2+ aufweisen.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Umformschmierstoff eine Metallseife, vorzugsweise Calcium- oder/und Magnesiumstearat, sowie zumindest ein Stearat des Monoethanolamins, des Triethanolamins, des Isopropanolamins oder/und des Isobutanolamins (2-Amino-2-methyl-1-propanol) auf. In der Beschichtung verbleibende, nicht umgesetzte, insbesondere nicht verbrückte, Stearatreste können bei einer anschließenden Trocknung (> 100 °C) mit gegebenenfalls noch vorhandenen Aminresten unter Bildung von Amiden reagieren. Die Amide weisen höhere Schmelzpunkte auf als die ursprünglich vorhandenen, nicht umgesetzten Stearatkomponenten.
    Die Metallseife wirkt neben der Stabilisierung der exfolierten Mineralplättchen ferner als Gleitmittel, dessen Gleitfunktion insbesondere durch die Fett- bzw. die Carbonsäureanteile verursacht wird.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, dass bereits mit einem vergleichsweise geringen Metallseifengehalt von < 20 Gew.-%, vorzugsweise < 15 Gew.-%, ausreichend gute Reibewerte erreicht werden. Darüber hinaus lassen sich in dem Umformschmierstoff, vermutlich aufgrund des exfolierten Schichtsilikats, überraschenderweise die stofftypischen Schmelzpunkte der Metallseifen auch bei höheren Gehalten nicht beobachten. Beispielsweise zeigt wie unten näher anhand der in Fig. 3 dargestellten DSC-Messung gezeigt ist, ein Film aus dem Umformschmierstoff mit einem Gehalt von 30 % Calciumstearat den stofftypischen Schmelzpunkt für Calciumstearat von etwa 160 °C nicht mehr. Daraus kann geschlossen werden, dass das enthaltene Calciumstearat vollständig oder zumindest weitestgehend durch die exfolierten Silikatbestandteile adsorbiert wird bzw. in verbrückender Form vorliegt. Schematisch ist eine entsprechende chemische Anordnung in Fig. 4 gezeigt.
    In einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Gehalt an Metallseife 10 - 35 Gew.-%, vorzugsweise 15 - 25 Gew.-%.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Umformschmierstoff zumindest einen polymeren Filmbildner, der vorzugsweise als Lösung oder als Dispersion vorliegt. Der Filmbildner dient neben seiner Wirkung als Schmierstoff dazu, dem Umformschmierstoff derartige chemische und/oder physikalische Eigenschaften zu geben, dass er unter Bildung einer Beschichtung auf dem Metall einen Film bildet. Erreicht wird dies u.a. dadurch, dass sich an der Phasengrenze zu dem Metall chemische Bindungen ausbilden. Der Filmbildner ist zweckmäßigerweise durch zumindest ein wasserlösliches und/oder dispergierbares und aus den Monomeren der Vinylgruppe ableitbares Polymer gebildet, insbesondere durch zumindest ein Polymer oder Copolymer zumindest eines Ethylens, eines Vinylalkohols, eines Styrols oder/und einer Acrylsäure in Form der freien Säure, ihrer Alkyl- oder ihrer Alkylenester. Der Filmbildner liegt vorzugsweise als Mikrodispersion vor. Er eignet sich besonders gut zur Anbindung des Umformschmierstoffs an eine, vorzugsweise phosphatierte, Stahloberfläche.
  • Zweckmäßigerweise enthält die Polymerdispersion ein Polyethylen-Acryl-Copolymer und/oder zur Erhöhung der Härte des Umformschmierstoffs bei Anordnung auf dem Eisenwerkstoff, insbesondere dem Stahl, ein Acrylat. Das Acrylat kann in unveresterter, in teilweise oder auch in vollständig veresterter Form z.B. als Methyl-Ethyl-, Propyl- und/oder (iso-)Butyl-Ester, vorliegen.
    Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Polyethylen-Acryl-Copolymer als Mischung mit einer Acrylatdispersion vorzusehen, da es dadurch zu einer zusätzlichen Wechselwirkung und dadurch Stabilisierung mit gequollenen, delaminierten und/ oder exfolierten Mineralplättchen kommt.
    Darüber hinaus lassen sich durch das Acrylat die Haftung und die Härte einer durch den Umformschmierstoff auf dem Eisenwerkstoff gebildeten Schicht bei niedriger Temperatur ("Anfangshärte") beeinflussen. Das Gleiche gilt für die Härte bzw. die Zähigkeit des Umformschmierstoffs bei höherer Temperatur ("Endhärte").
    Eine hohe Anfangshärte lässt beispielsweise sich durch Zugabe eines Styrol-Acryl-Copolymers erreichen. Eine hohe Endhärte bzw. -zähigkeit kann beispielsweise durch Zugabe eines Acryl-Butadien-Copolymers erreicht werden, welches bei höheren Temperaturen zu räumlicher Vernetzung neigt. Eine ähnliche Wirkung können mit anderen vernetzbaren Acrylderivaten oder Copolymeren erzielt werden, die bspw. eine Propylen-, Butylen-, Iso-Butylen-Komponenten aufweisen.
  • Der Filmbildner, der vorzugsweise Carboxylgruppen trägt, kann in ionogener oder/ und in nicht-ionogener Form vorliegen. Er lässt sich mittels Alkali-Hydroxid oder/und zumindest einem Amin einstellen.
    In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die ionogenen Filmbildner als Gegenion Ammoniak oder/und ein, vorzugsweise flüchtiges, Amin auf. Vorzugsweise ist das verwendete Amin zumindest ein kurzkettiges Alkyl- oder Alkanol-Derivat des Ammoniaks mit höchstens vier linearen Kohlenstoffeinheiten (≤ C4). Als dafür besonders gut geeignet haben sich Monoethanolamin, Triethanolamin, Isopropanolamin oder/und Isobutanolamin erwiesen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der Umformschmierstoff ein Pulver aus Polymer, welches eine besonders hohe Härte und/oder ein besonders hohes Molekulargewicht (M ≥ 1.000.000) aufweist. Das Polymer wird in den durch den Umformschmierstoff auf dem Metall gebildeten Beschichtungsfilm mit eingebaut und wirkt sich insbesondere bei niedrigen bis mittleren Temperaturen ≤ 400 °C vorteilhaft aus.
  • Zum Erreichen einer hohen Härte eignet sich ein, bevorzugt sphärische Partikel aufweisendes, Pulver, vorzugsweise Mikropulver, verschiedener nicht aromatisch substituierter Polyamide, wie beispielsweise Polyamid 6, Polyamid 66 oder auch Polyamid 12. Für besonders anspruchsvolle Anwendungen können aromatisch substituierte Polyamide eingesetzt werden, die noch höhere Schmelzpunkte und/oder Temperaturbeständigkeit aufweisen. Die bevorzugte Teilchengröße der Mikropulver beträgt ca. 0-30 µm, wobei eine Teilchengröße von 0.1 bis max. 10 µm ganz besonders zu bevorzugen ist.
  • Als Mikropulver mit besonders hohem Molekulargewicht (M ≥ 1.000.000) weist der Umformschmierstoff zweckmäßigerweise ein, vorzugsweise sphärisches, Mikropulver aus Polyethylen auf, wobei aufgrund der besseren Temperaturstabilität insbesondere Polyethylen zu bevorzugen ist, das einen linearen (= unverzweigten) Aufbau aufweist, beispielsweise LLDPE (Linear Low Density Polyethylene) oder UHMWPE (Ultra High Molecular Polyethylene).
    Die Teilchengröße des Pulvers beträgt zweckmäßigerweise. 0 - 30 µm, wobei die Teilchengröße von 0.1 bis max. 15 µm zu bevorzugen ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Umformschmierstoff ein Mittel zu seiner Konservierung, vorzugsweise ein Biozid, einen Schaumverhüter oder/und ein Mittel zur Stabilisierung, insbesondere gegen Sedimentation von Bestandteilen des Umformschmierstoffs. Als Biozid eignen sich beispielsweise Isothiazolinon-Derivate, Methylisothiazolinon (MIT), Chlormethylisothiazolinon (CMIT) oder/und Benzisothiazolinon (BIT). Der Schaumverhüter ist vorzugsweise durch Polyethermodifzierte Siloxane oder Polydimethylsiloxane gebildet. Als Stabilisierungsmittel kann der Umformschmierstoff Alkyl- oder Alkanol- Ammoniumsalze langkettiger Acrylsäurederivate enthalten.
  • In der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt der Umformschmierstoff als Beschichtung auf dem Körper aus Metall vor.
    In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Umformschmierstoff das Mineral in einem Anteil von 2 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 bis 40 Gew.-%, auf.
    Zweckmäßigerweise enthält er das Modifzierungsmittel in einem Anteil 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 35 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 25 Gew.-%.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Umformschmierstoff den Filmbildner in einem Anteil von 10 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 bis 45 Gew.-%, auf. Der Filmbildner ist zweckmäßigerweise mit einem Gewichtsanteil von zumindest 1/4 aus Polyacrylat, mit einem Gewichtsanteil von zumindest 1/4 aus Polyethylen-Acryl-Copolymer und/oder mit einem Gewichtsanteil von zumindest 1/4 aus Polyamid gebildet.
  • Zweckmäßigerweise beträgt der Quotient aus den Gewichtsanteilen an dem Mineral, insbesondere dem Schichtsilikat, und an dem Modifizierungsmittel, insbesondere der Metallseife, zwischen 0,2 : 1 und 1,8 : 1, vorzugsweise zwischen 0,4 : 1 und 0,8 : 1.
  • Der Umformschmierstoff enthält das genannte Pulver zweckmäßigerweise mit einem Anteil von 0 - 50 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 30 Gew.-%.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Umformschmierstoff als flüssiges Beschichtungsmittel konfektioniert, das zur Anordnung auf dem Körper aus Metall, vorzugsweise zur Bildung einer Beschichtung auf dem Körper, vorgesehen ist und vorzugsweise eine Dispersion des Umformschmierstoffs ist. Das, vorzugsweise flüssige, Beschichtungsmittel enthält den Umformschmierstoff zweckmäßigerweise in einer Konzentration von 2 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%. Die kontinuierliche Phase des Beschichtungsmittels ist zweckmäßigerweise durch eine wässrige Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, oder eine organische Flüssigkeit gebildet.
    Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Beschichtungsmittel mit einer Umformschmierstoffkonzentration von 2 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 4 bis 8 Gew.-%, vorzusehen, wenn das Metall mit dem Beschichtungsmittel besprüht werden oder in das Beschichtungsmittel getaucht werden soll. Das Beschichtungsmittel weist bei diesen Konzentrationen zweckmäßigerweise einen pH-Wert von 8,4 bis 10,5, besonders bevorzugt von 8,7 bis 9,5, auf.
    Wird das Metall beim Ziehen des Metalls in einem Ziehstein mit dem Umformschmierstoff belegt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Beschichtungsmittel in einer Umformschmierstoffkonzentration von mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, vorzusehen. Das Beschichtungsmittel weist in diesem Fall zweckmäßigerweise einen pH-Wert von 10,0 -13,0 und besonders bevorzugt von 10,5 - 11,5 auf.
  • Zweckmäßigerweise wird der metallische Körper zur Bildung des Umformschmierstoffs als Beschichtung auf dem in ein Bad des Beschichtungsmittels, insbesondere die wässrige Lösung, getaucht. Alternativ oder ergänzend dazu kann der metallische Körper mit dem Beschichtungsmittel, insbesondere der wässrigen Lösung, besprüht oder benebelt werden.
    Der erfindungsgemäße Umformschmierstoff kann direkt auf das Metall, insbesondere den Stahl, aufgebracht werden. Wird der Umformschmierstoff direkt auf eine, vorzugsweise blanke, d.h. unbelegte, metallische Oberfläche aufgebracht, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Oberfläche vor Aufbringen des Umformschmierstoffs mittels eines, vorzugsweise kugeligen, Strahlmittels, z.B. Strahlmittelkörnern, zu reinigen.
    Es hat sich jedoch gezeigt, dass die besten Umformergebnisse erzielt werden, wenn das Metall zuvor phosphatiert worden ist. Hierzu werden die betreffenden Werkstücke zuvor in einer allgemein gebräuchlichen, Zink-, Calcium-, Magnesium- oder/und manganhaltigen Phosphatierlösung phosphatiert, wobei eine Phosphatschichtauflage von 6 - 10 g/m2 besonders zu bevorzugen ist.
    Die auf diese Weise phosphatierten Werkstücke werden anschließend in die wässrige Dispersion der erfindungsgemäßen Beschichtung getaucht. Nach dem Trocknen an der Luft oder in einem Trockner verbleibt ein festhaftender und wasserbeständiger, dünner Film.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Film mit einer Belegung von mindestens 0,25 g/m2 gebildet. Besonders gute Umformergebnisse lassen sich bei einer Filmbelegung mit 0,5 - 2,5 g/m2, vorzugsweise 1,0 - 2,0 g/m2, erzielen.
  • Die Herstellung des erfindungsgemäßen Umformschmierstoffs wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert.
    • Variante A:
  • Es wird eine Mischung hergestellt aus 500 ml Wasser und 500 g Kaolin oder/und sandfreiem, pulverförmigem Ton. Der pH-Wert der Mischung wird mittels Ethanolamin auf pH ≥ 11 eingestellt und die Mischung mindestens für 24 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Nach Zugabe von 250 g pulverförmigen Calciumstearat und ca. 0,25 g Tensidmischung (anionisch/nichtionisch) wird die Mischung während weiteren 24 Stunden bei Raumtemperatur oder bei einer Temperatur zwischen 50 - 75 °C geknetet oder/und gerührt. Die Tensidmischung ist eine Mischung von Alkaliseifen oder/und Alkylsulfonaten oder/und Ethoxylate der Strukturformel RO(CH2CH2O)xH (mit R = C16C18-Fettalkohol, x = 18 - 25).
    • Variante B:
  • Der pH-Wert einer handelsüblichen Calciumstearatdispersion, die mittels einer anionischen oder nichtionischen Tensidmischung stabilisiert ist, wird durch Zugabe von Ethanolamin auf ≥ 11 eingestellt und ein sandfreier, pulverförmigerTon in die Calciumstearatdispersion eingerührt. Die Dispersion wird während 12 h bei Raumtemperatur oder bei einer Temperatur zwischen 50 und 75 °C geknetet oder gerührt.
  • Bei beiden Varianten wird ein oberflächenmodifiziertes Schichtsilikat gebildet, das wie in den nachfolgend erläuterten Beispielen zur Herstellung eines Umformschmierstoffs genutzt werden kann.
    • 1. Beispiel:
  • Es wird ein wässriges Mittel zur Bildung einer Beschichtung aus dem Umformschmierstoff gebildet, das folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
    Oberflächenmodifiziertes Schichtsilikat (Kaolin/Ton) 1,5 %
    Polyacrylat (als wässrige Dispersion) 1,0 %
    Ethylen-Acryl-Co-Polymer (als wässrige Dispersion) 1,0 %
    Calciumstearat 1,5 %
  • Mit Hilfe von Ethanolamin wird der pH-Wert auf 8.7 - 9,5 eingestellt, der Gesamtfeststoffgehalt bzw. die Arbeitskonzentration beträgt 5,0 %. Das Beschichtungsmittel wird in eine Wanne gefüllt, die sich zur Aufnahme von in Ringform gewundenem phosphatiertem Stahldraht eignet. Das Beschichtungsmittel wird auf 50 °C temperiert. Ein zu beschichtender Ring kann eine metallisch blanke oder eine phosphatierte Oberfläche ausweisen. Die metallisch blanke Oberfläche kann vor Aufbringung des Umformschmierstoffs mittels Strahlmittelkörnern, gereinigt werden. Der Stahldraht wird in das Beschichtungsmittel eingetaucht, anschließend wieder entnommen und überschüssiges Beschichtungsmittel abtropfen gelassen. Danach wird an der Umgebungsluft oder vorzugsweise in einem Trockner bei vorzugsweise ≥ 100 °C getrocknet. Es bildet sich nun der Umformschmierstoff in Form einer Beschichtung auf dem Stahldraht.
  • Der Aufbau einer gebildeten Beschichtung auf einer zuvor phosphatierten Stahloberfläche ist im Querschnitt schematisch in Fig. 5 gezeigt. Exfolierte und mit Stearat modifizierte Schichtsilikatplättchen 1 liegen in einer polymeren Matrix 2 eingebettet über der Phosphatschicht 3 des Stahls 4.
  • Im Falle der Beschichtung eines metallisch blanken, nicht-phosphatierten Rings fehlt die Phosphatschicht 3 und die Matrix 2 mit den Schichtsilikatplättchen ist unmittelbar auf dem Stahl 4 angeordnet.
  • Der auf dem Draht gebildete Umformschmierstoff weist 30 Gew.-% Schichtsilikat, 30 Gew.-% Calciumstearat, 20 Gew.-% Polyacrylat und 20 Gew.-% Ethylen-Acryl-Co-Polymer auf.
    • 2. Beispiel:
  • Das erfindungsgemäße Beschichtungsmittel des 1. Beispiels wird mittels einer Brause derart auf den Ring des 1. Beispiels gesprüht, dass deren Oberfläche vollständig benetzt wird. Das überschüssige Beschichtungsmittel wird abtropfen gelassen. Die Werkstücke oder die Ringe werden wie im 1. Beispiel getrocknet.
    • 3. Beispiel:
  • Es wird ein wässriges Beschichtungsmittel folgender Zusammensetzung in Gew.-% gebildet, dem ein polymeres Mikropulver zugesetzt wird.
    Oberflächenmodifiziertes Schichtsilikat (Kaolin/Ton) 3,0 %
    Polyacrylat (als wässrige Dispersion) 2,0 %
    Ethylen-Acryl-Co-Polymer (als wässrige Dispersion) 2,0 %
    Calciumstearat (als wässrige Dispersion) 1,5 %
    Polyamid (als Mikro-Pulver) 1,5 %
  • Der pH-Wert des Beschichtungsmittels wird mit Hilfe von Iso-Butylamin auf pH-Wert 8,7 - 9,5 eingestellt, die Wirkkonzentration (Gesamtfeststoffgehalt) beträgt 10,0 %.
    Das Beschichtungsmittel wird auf ≥ 65 °C erwärmt und ein zu Ringen gewundener Draht wie unter Beispiel 1 oder Beispiel 2 beschichtet. Der Draht kann entweder unmittelbar danach oder zu einem späteren Zeitpunkt auf einer Mehrstufenpresse verarbeitet werden. Der Umformschmierstoff nach diesem Beispiel eignet sich besonders gut bei einer mehrstufigen Fertigung für mittlere bis hohe Temperaturen und für hohe Pressdrücke.
  • Der auf dem Draht gebildete Umformschmierstoff weist 30 Gew.-% Schichtsilikat, 15 Gew.-% Calciumstearat, 15 Gew.-% Polyamid, 20 Gew.-% Polyacrylat und 20 Gew.-% Ethylen-Acryl-Co-Polymer auf.
    • 4. Beispiel:
  • Es wird ein Beschichtungsmittelkonzentrat mit der nachfolgend genannten Zusammensetzung in Gew.-% gebildet, aus dem sich durch Verdünnung das im 1. Beispiel aufgeführte erfindungsgemäße Beschichtungsmittel herstellen lässt.
    Oberflächenmodifiziertes Schichtsilikat (Kaolin/Ton) 12,0 %
    Polyacrylat (als wässrige Dispersion) 8,0 %
    Polyethylen-Acryl-Co-Polymer (als wässrige Dispersion) 8,0 %
    Calciumstearat (als wässrige Dispersion) 12,0 %
  • Das Beschichtungsmittelkonzentrat weist einen Feststoffgehalt von insgesamt 40 % auf, wobei sich ein Feststoffgehalt von 30 - 50 % als besonders günstig erwiesen hat hinsichtlich platzsparender Lagerhaltung und guter Anwendbarkeit. Der pH-Wert des Beschichtungsmittelkonzentrats beträgt 10,5 - 11,0 und wird mittels einer Mischung aus Ethanolamin und Isobutylamin eingestellt.
    Zu je einem Teil des Beschichtungsmittelkonzentrats werden 7 Teile Wasser hinzugefügt. Auf diese Weise werden der für das 1. Beispiel angegebene Feststoffgehalt von 5,0 % erhalten. Der pH-Wert wird geprüft und gegebenenfalls mit Hilfe von Ethanolamin auf pH 8.7-9,5 nachkorrigiert. Die Beschichtung und Trocknung erfolgen wie im 1. Beispiel.
  • Der auf dem Draht gebildete Umformschmierstoff weist 30 Gew.-% Schichtsilikat, 30 Gew.-% Calciumstearat, 20 Gew.-% Polyacrylat und 20 Gew.-% Ethylen-Acryl-Co-Polymer auf.
    • 5. Beispiel:
  • Es wird ein Beschichtungsmittelkonzentrat mit einem Feststoffgehalt von 40 % angesetzt, dem zudem ein polymeres Mikropulver mit vergleichsweise großer Molekülmasse zugesetzt wurde (Angaben in Gew.-%).
    Oberflächenmodifiziertes Schichtsilikat (Kaolin/Ton) 16,0 %
    Polyacrylat (als wässrige Dispersion) 5,0 %
    Acryl-Styrol-Co-Polymer (als wässrige Dispersion) 5,0 %
    Calciumstearat 8,0 %
    UHMW-Polyethylen-Mikro-Pulver 6,0 %
  • Der pH-Wert des Beschichtungsmittelkonzentrats wird mittels einer Mischung aus Ethanolamin und Isobutylamin eingestellt auf 10,5 - 11,0. Weitere zugesetzte Additive sind ein Konservierungsstoff und ein silanbasiertes Anti-Setting mit max. 0,5 % (bezogen auf das Konzentrat).
    Zu je einem Teil des Beschichtungsmittelkonzentrats werden 4 Teile Wasser hinzugefügt. Der pH-Wert wird geprüft und mit Hilfe von Ethanolamin auf pH 8,7 - 9,5 eingestellt. Es ergibt sich ein Feststoffgehalt von 8 % bzw. folgende Zusammensetzung in Gew.-%.
    Oberflächenmodifiziertes Schichtsilikat (Kaolin/Ton) 3,2 %
    Polyacrylat (als wässrige Dispersion) 1,0 %
    Acryl-Styrol-Co-Polymer (als wässrige Dispersion) 1,0 %
    Calciumstearat 1,6 %
    UHMW-Polyethylen (als Mikro-Pulver) 1,2 %
  • Die Beschichtung und die Trocknung erfolgen wie oben für das 1. Beispiel beschrieben, wobei sich diese Zusammensetzung besonders gut eignet für eine Vorwärmung in einem Ofen (Lau-Warmumformung) und für Umformprozesse, bei denen mit besonders großem Druck gearbeitet wird.
    • 6. Beispiel:
  • Es wird ein wässriges Beschichtungsmittel folgender Zusammensetzung in Gew.-% gebildet, dem ein polymeres Mikropulver und ein Stearinsäureamid zugesetzt wurde.
    Oberflächenmodifiziertes Schichtsilikat (Kaolin/Ton) 1,0 %
    Polyacrylat (als wässrige Dispersion) 0,8 %
    Polyethylen-Acryl-Co-Polymer (als wässrige Dispersion) 0,8 %
    Calciumstearat 1,0 %
    Distearylethylendiamid 1,8 %
    UHMW-Polyethylen-Mikro-Pulver 0,6 %
  • Der Feststoffgehalt der Beschichtung beträgt 6 %. Die Einstellung des pH-Werts, Beschichten und Trocknen erfolgen wie für das 1. Beispiel geschildert.
    Die Beschichtung weist gute Gleiteigenschaften auf und ermöglicht gute Umformergebnisse. Bei niedrigen und mittleren Temperaturen kann eine deutliche Senkung der erforderlichen Pressdrücke erzielt werden.
    • Charakterisierung des Umformschmierstoffs
    1. a) Die thermische Stabilität und das Schmelzverhalten des Umformschmierstoffs, dessen Bildung im 1. Beispiel beschrieben worden ist, wurden anhand einer DSC-Messung (Differential Scanning Calorimetry) geprüft. Die Messung erfolgte unter einem Temperaturgradienten von 10 °C/min. Demnach wurde die Beschichtung über einen Zeitraum von einer Stunde (58 min) von 25 °C auf 600 °C hochgeheizt.
      Die DSC-Messung, deren Ergebnis in Fig. 4 gezeigt ist, ergab folgendes:
      1. 1. Die Beschichtung verhält sich bis 300 °C stabil. Eine geringfügig negative Wärmetönung, die sich bei a zeigt, bildet sich aufgrund der Glasübergangstemperatur (Tg) eines der verwendeten Filmbildner. Eine geringfügig positive Wärmetönung ist auf Vernetzungsreaktionen zurückzuführen.
      2. 2. Die Schmelzpunkte der verwendeten Metallseife (Calciumstearat: bei ca. 140 - 160 °C) und der polymeren Filmbildnern (Acrylat u. PE-Acryl-Copolymer: bei ca. 125 - 150 °C) können nicht identifiziert werden bzw. fehlen völlig.
      3. 3. Eine Wärmetönung von > 300 °C bis ca. 400 °C ist zurückzuführen auf eine beginnende Zersetzung einzelner Komponenten des Umformschmierstoffs mit ausgeprägten Zersetzungserscheinungen bei ca. 500 - 550 °C, die sich bei b zeigen.
      4. 4. Bis zum Ende der Messung bei 600 °C, gekennzeichnet mit c ist die Zersetzung noch nicht abgeschlossen.
      5. 5. Nach der Messung verbleibt ein dunkelgrauer Rückstand aus Pyrolyseprodukten, die neben Graphitanteilen die Plättchen des Schichtsilikats enthalten.
      Bei weiterer Temperaturerhöhung (> 600 °C) verbleibt nur noch Graphit und das Schichtsilikat, wobei in diesem Temperaturbereich beim Umformen Graphit die Hauptrolle des Schmierstoffs übernimmt, da Graphit in diesem Temperaturbereich seine optimalen Schmiereigenschaften entfaltet. Die thermische Stabilität der enthaltenen Schichtsilikate übersteigt 1000 °C, womit selbst bei diesen Temperaturen in allen Fällen eine Not- oder Reserveschmierung gewährleistet bleibt.
      Folglich wird durch den Umformschmierstoff in allen infrage kommenden Temperaturbereichen eine ausreichende Schmierwirkung erreicht.
    2. b) Umformversuche haben ergeben, dass die erfindungsgemäße Beschichtung aus dem Umformschmierstoff nach dem 1. Beispiel insbesondere bei Kaltumformbedingungen, also bei niedrigen Temperaturen, ein exzellentes Gleitvermögen besitzt und sich kommerziell erhältlichen Produkten merklich überlegen zeigt.
  • Das Verhalten wurde anhand der Umformung bzw. einer Reduzierung von Referenzprüfkörpern bei Raumtemperatur gemessen. Hierzu wurden zuvor phosphatierte und mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehene Prüfkörper (Werkstoff: 23MnB4, walzroh) über eine Länge von 100 mm von Ø 18 mm auf Ø 15 mm reduziert. Getestet worden sind neben dem erfindungsgemäßen Umformschmierstoff als Vergleichsumformschmierstoff Öl/Ziehfett, Natriumstearat (Reaktivseife) und ein käuflich erwerblicher Polymer-Wachs-Umformschmierstoff.
    Wie Fig. 6 zu entnehmen ist, hat sich gezeigt, dass die dabei gemessenen Umformkräfte bei Verwendung des erfindungsgemäßen Umformschmierstoffs nach dem 1. Beispiel um etwa 30 % niedriger sind als eines Ziehfetts, um ca. 20 % niedriger sind als die bei Verwendung der Na-Stearat, und um mindestens 10 % niedriger als die bei Verwendung des Polymer-Wachs-Umformschmierstoffs, der käuflich erwerblich ist.
  • Mögliche Fertigungsprozesse erstrecken sich auf unterschiedliche Anwendungen im Bereich von Kalt- oder/und Lau-Warmumformung, bzw. insbesondere auf:
    Ziehen von: Draht, Rohren, Hohl- oder Vollprofilen
    Walzen oder Tiefziehen von: Band und Blech
    Fließpressen, Stauchen von: Draht- oder Stababschnitten zu:
    Bolzen, Schrauben, Muttern sowie auch komplexere
    Bauteile, wie Lenksäulen, Zahnräder u. a.

Claims (15)

  1. Schmierstoff zur Metallumformung, insbesondere zur Umformung von Stahl,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Umformschmierstoff zumindest ein Mineral, das eine Schichtstruktur aufweist, und ein Mittel zur Modifizierung der Schichtstruktur enthält.
  2. Umformschmierstoff nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Mineral mittels des Modifizierungsmittels gequollen, delaminiert oder/und exfoliert ist.
  3. Umformschmierstoff nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Modifzierungsmittel ein Tensid ist oder enthält, das vorzugsweise eine Seife und/oder ein Amin aufweist.
  4. Umformschmierstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Tensid eine wasserlösliche Seife, vorzugsweise ein Alkali- oder Erdalkalisalz einer Fettsäureumfasst, welche bevorzugt eine Kettenlänge von zumindest zehn Kohlenstoffatomen aufweist.
  5. Umformschmierstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Mineral ein Schichtsilikat, vorzugsweise Kaolin oder ein Mineral der Glimmergruppe, ist.
  6. Umformschmierstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    gekennzeichnet durch einen polymeren Filmbildner, der vorzugsweise als Lösung oder als Dispersion vorliegt, wobei die Polymerdispersion zur Einstellung der Haftung des Minerals an dem Metall besonders bevorzugt ein Polyethylen-Acryl-Copolymer und/oder zur Erhöhung der Härte des Umformschmierstoffs ein Acrylat enthält.
  7. Umformschmierstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Umformschmierstoff die nachfolgend genannten Stoffe in folgenden Anteilen in Gew.-% enthält:
    - Mineral: 2 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 50 Gew.-%
    - Modifizierungsmittel: 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 35 Gew.-%
    - Filmbildner: 10 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 50 Gew.-%
  8. Umformschmierstoff nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Umformschmierstoff zumindest ein polymeres Pulver, vorzugsweise Mikropulver, mit einem Anteil von 0 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 40 Gew.-%, enthält.
  9. Körper aus Metall, insbesondere Stahl, der mit dem Umformschmierstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8 beschichtet ist.
  10. Verwendung des Umformschmierstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Umformen eines Körpers aus Metall, insbesondere Stahl.
  11. Verwendung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Oberfläche des Körpers mit einem Mittel zur Bildung einer Beschichtung aus dem Umformschmierstoff belegt wird, vorzugsweise durch Tauchen des Körpers in das Beschichtungsmittel oder/und Besprühen des Körpers mit dem Beschichtungsmittel, und der Umformschmierstoff vorzugsweise nach Aufbringung auf dem Körper eine feste Beschichtung auf dem Körper bildet.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Umformschmierstoffs, insbesondere des Umformschmierstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Mineral, das eine Schichtstruktur aufweist, mit einem Mittel zur Modifizierung seiner Schichtstruktur vermischt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Mineral mittels des Modifizierungsmittels, vorzugsweise unter mechanischer, insbesondere scherender, Bearbeitung, vorzugsweise durch Kneten oder/und Rühren, exfoliert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Mineral ein Schichtsilikat, vorzugsweise Kaolin oder ein Mineral der Glimmergruppe, ist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Modifzierungsmittel ein Tensid ist oder enthält, das vorzugsweise eine Seife und/oder ein Amin aufweist.
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