Schmier- und Kühlmittel für die Metallbearbeitung

Abstract

 Langkettiges Ammoniumpolyphosphat ist ein gutes Additiv in Schmier- und Kühlmitteln bei Metallbearbeitungen, die unter extrem hohen Drücken und Temperaturen durchgeführt werden. Die Polyphosphatkette soll 50 bis 1000 Phosphoratome enthalten. Bis zu 20 % der Ammoniumgruppen sind durch Wasserstoff ersetzbar. Das Additiv wird dem Schmierund Kühlmittel in einer Menge von 0,1 bis 30 Gew% zugesetzt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein für die Metallbearbeitung geeignetes Additiv in Schmier- und Kühlmitteln auf Phosphatbasis. Das erfindungsgemäße Additiv eignet sich besonders für Metallbearbeitungsverfahren, bei denen extrem hohe Drücke und Temperaturen auftreten, wie z.B. Fräsen, Extrudieren oder Zieh- und Walzvorgänge im kalten oder heißen Zustand.

[0002] Es ist bekannt, zur Verschleißverminderung und Produktionserhöhung Schmier- und Kühlmittel zu verwenden, die den Reibungswiderstand zwischen dem Werkstück und Werkzeug verkleinern. Diese Schmier- und Kühlmittel bestehen im allgemeinen aus Schmierölen, denen verschleiß- und korrosionshemmende Additive zugesetzt sind.

[0003] So wird in der DE-OS 16 44 875 ein wäßriges Kühlmittel vorgeschlagen , welchem 0,1 - 20 Gew·% eines Polyoxialkylenglykolpolyesters einer dimeren Fettsäure zugesetzt werden. Es hat sich herausgestellt, daß der organische Bestandteil durch die punktuell auftretende große Hitzeentwicklung an dem Werkzeug oxidiert und/oder verdampft und den Aufbau einer Gleitschicht verhindert.

[0004] In der DE-OS 16 44 9o8 werden Schmierstoffe mit einem Gehalt an Eisen- und/oder Zinkpyrophosphat beschrieben.

[0005] In der DE-OS 2o 48 537 wird ein Hochtemperaturschmierstoff auf der Grundlage eines Binders und eines Lösungsmittels vorgeschlagen, dem Salze der Ortho- und/oder Polyphosphorsäure mit Natrium und/oder Kalium und/oder Zink und/oder Aluminium und/oder Bor zugemischt sind.

[0006] Gemäß der AT-PS 278 223 wird ein Schmier- und Kühlmittel hergestellt durch Zusatz von Ortho-oder kondensierten Phosphaten von Alkalimetallen und Metalloxiden.

[0007] Anorganische und organische Phosphorverbindungen als Additive in Schmierölen oder Wasser gehören somit zum Stand der Technik. Bei der Verwendung von Ortho- bzw. Polyphosphorsäure als Additiv in Schmierölen, aber auch insbesondere in Wasser, treten starke Korrosionen ein, die durch eine Neutralisation mit Alkalihydroxid oder Aminen reduziert werden können. Bei der Neutralisation der freien Säuren muß eine Reduzierung der Schmierung in Kauf genommen werden und es kann durch die zugesetzten Basen zu einer unerwünschten Eindickung kommen, wodurch die Kühlwirkung erheblich reduziert wird.

[0008] Durch die Zugabe von Phosphorsäureestern ist die Herstellung von neutralen, homogenen Schmier- und Kühlmitteln möglich. Aus Erfahrung weiß man, daß ein Zusammenhang besteht zwischen der Schmierwirkung und dem Phosphorgehalt des Schmier- und Kühlmittels. Je höher der Phosphorgehalt ist, desto bessere Ergebnisse werden mit dem Schmier- und Kühlmittel erzielt. Beim Zusatz von Phosphorsäureestern ist der Phosphorgehalt im Schmier- und Kühlmittel begrenzt, da die verwendbaren Phosphorsäureester im P-Gehalt höchstens 13,4 Gew/ betragen können, vgl. DE-OS 21 45 296.

[0009] Es hat sich gezeigt, daß die bisher vorgeschlagenen Schmierund Kühlmittel verbesserungsbedürftig sind. Einerseits weisen die bisherigen Schmiermittel nur eine unzureichende Kühlwirkung bei dem Werkzeug auf, andererseits müssen die auf dem Werkstück aufgesinterten Metalloxid-Phosphat-Gläser in einer nachfolgenden Ätzstufe durch eine Säurebehandlung entfernt werden.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Additiv für die Metallbearbeitung zu schaffen, welches auf der Grundlage von Schmierölen oder Wasser verbesserte Hochdruckeigenschaften und verschleißhemmende Eigenschaften aufweist.

[0011] Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Schmier- und Kühlmittel als Additiv ein langkettiges Ammoniumpolyphosphat zugesetzt wird.

[0012] Als Ammoniumpolyphosphat wird ein solches der allgemeinen Formel

verwendet, in der n einer ganzen Zahl von 50 bis 1000, insbesondere von 300 bis 800, entspricht und R eine Ammoniumgruppe bedeutet.

[0013] Bei dem Ammoniumpolyphosphat können bis zu 20 %, insbesondere bis zu 5 %, der Ammoniumgruppen durch Wasserstoff ersetzt sein.

[0014] Als Additiv kann das Ammoniumpolyphosphat in Schmierölen oder Wasser in Form einer Flüssigkeit, Suspension oder Paste angewendet werden.

[0015] Das Ammoniumpolyphosphat wird dem Schmier- und Kühlmittel in einer Menge von 0,1 bis 30, vorzugsweise von 2 bis 10, Gew% zugesetzt.

[0016] Das Ammoniumpolyphosphat kann als Additiv verwendet werden in Kombination mit grenzflächenaktiven Stoffen und/ oder Antischaummitteln und/oder Farbstoffen und/oder Rostinhibitoren und/oder Phosphatestern.

[0017] Als Schmierölgrundlage können mineralische Schmieröle, wie paraffinbasische oder naphtenbasische Destillatöle mit einer Viskosität zwischen z.B. 6 und 60cSt bei 60°C und/oder synthetische Schmieröle, wie Polyolefine und/oder Esteröle und/oder Polyoxialkylene, verwendet werden.

[0018] Als grenzflächenaktive Stoffe haben sich insbesondere nichtionische Detergentien, wie Polyoxiäthylenstearat oder Polyoxiäthylenmonobutyläther in Mengen zwischen 1 bis 20 Gew% des Schmier- und Kühlmittels bewährt.

[0019] Als Antischaummittel können dem Schmier- und Kühlmittel Siloxane zugesetzt werden, z.B. Polymethylsiloxan in einer Menge von 5 - 25 ppm.

[0020] Als Rostinhibitor können z.B. Benzotriazol oder Äthylbernsteinsäure in Mengen von etwa 200 ppm zugemischt werden. Durch den Zusatz von Phosphatestern, z.B. Ammoniumsalz des Gemisches der Mono- und Dioleylphosphorsäure oder der Di-n-propyldithiophosphorsäure oder Trikresylphosphat in Mengen von 0,01 bis 10 Gew% des Schmier- und Kühlmittels, kann die Wirkung von Ammoniumpolyphosphat auf Basis von Schmierölen synergistisch verbessert werden.

[0021] Es hat sich gezeigt, daß bei der Heißbearbeitung von Metallen ein Ammoniumpolyphosphat mit einer mittleren Kettenlänge von n = 500 bis 1000, insbesondere von n = 600 bis 800, eingesetzt werden kann, wie es z.B. hergestellt wird gemäß der DE-PS 23 3o 174.

[0022] Für die Kaltbearbeitung von Metallen, wo speziell großer Wert auf eine gute Kühlung des Werkzeuges und Werkstückes gelegt wird, eignet sich als Additiv besonders ein Ammoniumpolyphosphat mit einer mittleren Kettenlänge von n = 50 bis 400, insbesondere von n = 300 - 400, wie es z.B. hergestellt wird gemäß der DE-PS 17 67 2o5.

[0023] Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Eigenschaften des Ammoniumpolyphosphats als Additiv in Schmierund Kühlmitteln. Die Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt, das gilt insbesondere der Zumischung weiterer, das Schmier- und Kühlmittel verbessernder Zusätze.

[0024] Die Prüfung der Schmier- und Kühlmittel erfolgte gemäß der DIN 51 350 im Shell-Vierkugel-Apparat sowie mit der Reibverschleißwaage nach Reichert.

Beispiel 1

[0025] 2,5 Gewichtsteile Ammoniumpolyphosphat wurden in 97,5 Gewichtsteilen Wasser aufgeschlämmt. Ammoniumpolyphosphat wurde gemäß DE-PS 17 67 2o5 bei 330 - 340°C getempert und hatte eine mittlere Kettenlänge von n = 300 - 400 und eine Körnung von <63_/u.
Das T_estergebnis auf der Reibverschleißwaage ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Vergleichsbeispiel 1 a

[0026] 3,0 Gewichtsteile Phosphatester eines Handelsproduktes auf Basis von Phenol mit 6 Äthylenoxid-Einheiten wurden mit
97,0 Gewichtsteilen Wasser gemischt. Das Testergebnis auf der Reibschleißwaage ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Vergleichsbeispiel 1 b

[0027] Die Schmierwirkung von reinem Wasser wurde bestimmt. Das Testergebnis auf der Reibverschleißwaage ist in der Tabelle 1 aufgeführt.

Beispiel 2

[0028] 5 Gewichtsteile Ammoniumpolyphosphat wurden in 95 Gewichtsteilen naphtenbasischem Öl (Coray 90 (R), Fa. Esso AG) suspendiert. Ammoniumpolyphosphat wurde gemäß DE-PS 17 67 2o5 hergestellt und hatte eine Kettenlänge von n = 300 - 400 und eine Korngröße von < 63_/u.
Das Testergebnis mit dem Shell-Vierkugel-Apparat ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Vergleichsbeispiel 2 a

[0029] Die Schmierwirkung von reinem naphtenbasischen Öl (Coray 90 (R)₎ wurde bestimmt.
Das Testergebnis mit dem Shell-Vierkugel-Apparat.ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Beispiel 3

[0030] 2,5 Gewichtsteile Ammoniumpolyphosphat(gemäß Beispiel 2) und 2,5 Gewichtsteile Phosphatester auf Basis von Oleylalkohol mit 5 Äthylenoxid-Einheiten wurden in 95 Gewichtsteilen naphtenbasischem Öl (Coray 90 (R)) gelöst.

Vergleichsbeispiel 3 a

[0031] 5 Gewichtsteile Phosphatester auf Basis von Oleylalkohol mit 5 Äthylenoxid-Einheiten wurden in 95 Gewichtsteilen naphtenbasischem Öl (Coray 90 (R)) gelöst.
Das Testergebnis mit dem Shell-Vierkugel-Apparat ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Beispiel 4

[0032] In der beigefügten Zeichnung sind die Tiefziehversuchsergebnisse nach Erichsen dargestellt. Durch den Zusatz von Ammoniumpolyphosphat tritt eine deutliche Zunahme des Ziehweges ein. Mit einer Suspension von 30 Gewichtsteilen Ammoniumpolyphosphat (Exolit 263 (R), Fa. Hoechst AG) in 70 Gewichtsteilen naphtenbasischem Öl (Coray 90 (R)₎ erhält man bei einem Ziehverhältnis von 2,27 (Rondendurchmesser 75 mm; Ziehstempel 33 mm 0) einen Näpfchenzug ohne Abriß. Nur mit Coray 90 (R) kommt es bei einem Ziehverhältnis von 2,27 bereits zum Abriß bei einer Ziehung von 18,4 mm.

Beispiel 5

[0033] 10 Gewichtsteile Ammoniumpolyphosphat (Exolit 263 (R), Fa. Hoechst AG) werden unter starkem Rühren in 80 Gewichtsteilen naphtenbasischem Öl (Coray 90 (R)₎ suspendiert und auf 100°C erwärmt. In diese erwärmte Suspension werden 5 Gewichtsteile eines Oxialkohols (Genapol - X - 05₀ (^R), Fa. Hoechst AG) und 5 Gewichtsteile eines Oxiparaffins (Wachs OP., Fa. Hoechst AG) eingerührt. Nach Abkühlung erhält man ein Schmierfett. Das Testergebnis mit der Reibverschleißwaage ergab einen Flächendruck von 3,266 bar bei 0 Geräuschmeter. Die Messung wurde im flüssigen Zustand der Paste bei 65°C durchgeführt.

Ansprüche

1. Additiv in Schmier- und Kühlmitteln für die Metallbearbeitung auf Phosphatbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Phosphatbasis ein langkettiges Ammoniumpolyphosphat ist.

2. Additiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ammoniumpolyphosphat der chemischen Formel

verwendet wird, in der n einer ganzen Zahl von 50 bis 1000, insbesondere von 300 bis 800, entspricht und R eine Ammoniumgruppe bedeutet.

3. Additiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ammoniumpolyphosphat bis zu 20 %, insbesondere bis zu 5 % der Ammoniumgruppen durch Wasserstoff ersetzt sind.

4. Additiv nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß es in Schmierölen oder Wasser in Form einer Flüssigkeit, Suspension oder Paste angewendet wird.

5. Additiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es dem Schmier- und Kühlmittel in einer Menge von 0,1 bis 30 Gew%, vorzugsweise von 2 bis 10 Gew%, zugesetzt wird.

6. Additiv nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß es in Kombination mit grenzflächenaktiven Stoffen und/oder Antischaummitteln und/oder Farbstoffen und/oder Rostinhibitoren und/oder Phosphatestern angewendet wird.

Zeichnung