[0001] Die Erfindung betrifft ein wässriges Schmiermittel für die Kaltumformung von Metallen
sowie ein Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von metallischen Werkstücken
mit Hilfe dieses Schmiermittels.
[0002] Bei der Kaltumformung ist es üblich, die Werkstücke mit einer Schmiermittelüberzug
zu versehen, um dadurch den Reibungswiderstand zwischen Metalloberfläche des Werkstückes
und dem Umformungswerkzeug zu verringeren. Hierfür sind im wesentlichen zwei Methoden
gebräuchlich. Eine besteht darin, Schmiermittel mit Hochdruckadditiven oder Viskositätsregulatoren
einzusetzen, wenn geringere Umformungsgrade gefordert sind. Die andere sieht vor,
zunächst aus organischer Phase einen Schmiermittelfilm auf Harzbasis und anschließend
ein Schmieröl aufzubringen, wenn schwere Umformungen beabsichtigt sind.
[0003] In jüngerer Zeit nimmt die Verwendung von Schmiermittel für die unterschiedlichsten
Zwecke ständig zu. Bei schweren Umformungsbedingungen erfüllen die vorgenannten Schmiermittelsysteme
ihre Aufgabe nicht mehr zufriedenstellend. Gewisse Probleme hinsichtlich Umweltschutz
und Arbeitsplatzhygiene ergeben sich aus dem häufig vorhandenen Gehalt an organischen
Lösungsmitteln. Auch Aspekte der Feuergefährlichkeit spielen eine oft bedeutende Rolle.
[0004] Von weiterer erheblicher Bedeutung bei der Anwendung von Schmiermitteln ist die Frage,
ob der nach der Umformung auf dem Werkstück verbliebene Schmiermittelfilm in einfacher
Weise, z.B. mit Hilfe eines alkalischen Reinigers, zu entfernen ist.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schmiermittel für die Kaltumformung von Metallen
bereitzustellen, mit dessen Hilfe auch schwere Umformungen in zufriedenstellender
Weise durchführbar sind, das auf organische Lösungsmittel verzichten kann und dessen
Rückstände nach der Umformung in einfacher Weise entfernt werden können.
[0006] Die Aufgabe wird gelöst, indem man das wässrige Schmiermittel der eingangs genannten
Art entsprechend der Erfindung derart formuliert, daß es einen Gehalt an l0 bis 35
Gew.-% eines wärmehärtbaren Harzes auf Acrylatbasis mit einem Glasübergangspunkt von
- l0 bis + 25°C, an 3 bis l5 Gew.-% Wachs und an 0,5 bis 5 Gew.-% Tensid aufweist,
wobei das Gewichtsverhältnis von wärmehärtbarem Harz zu Wachs auf 2 bis l2 eingestellt
ist.
[0007] Üblicherweise läßt man das wässrige Schmiermittel an der Luft, ggf. durch zusätzliches
Erhitzen auftrocknen.
[0008] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung setzt man ein Schmiermittel ein,
daß ein wärmehärtbares Harz der allgemeinen Formel - (Ra-Rb-Rc-Rd)
n enthält, wobei Ra, Rb, Rc, Rd unterschiedliche Monomere darstellen und "n" der Polymerisationsgrad
mit l.000 bis 50.000 ist.
[0009] Hierbei spielt die Reihenfolge der einzelnen Monomere im Harz keine Rolle. Der Wert
für "n" innerhalb der Grenzen von l.000 und 50.000 ist derart zu wählen, daß ein Harz
mit einem Glasübergangspunkt von - l0°C bis + 25°C resultiert. Die Herstellung des
Harzes kann erfolgen, indem man eine Mischung der Monomeren bei einer Temperatur von
50 bis 60°C für die Dauer von 5 bis 7 Stunden polymerisiert. Die Polymerisation der
Monomeren kann auch in Lösung oder Dispersion erfolgen. Je nach Methode können dabei
von Wasser verschiedenen Lösungsmittel, z.B. Ethanol oder Isopropanol, verwendet oder
mitverwendet werden.
[0010] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung bestehen darin, das Schmiermittel
mit einem wärmehärtbaren Harz zu formulieren,
- bei dem Ra mindestens ein Monomer aus der Gruppe Vinyltoluol, Styrol, Methylmethacryl
und Acrylnitril ist und einen Anteil von 20 bis 70 Gew.-% am Harz hat,
- bei dem Rb mindestens ein Monomer aus der Gruppe eines Acrylesters, erhalten durch
Reaktion von Acrylsäure mit einem primären aliphatischen Alkohol mit l bis l2 C-Atomen,
oder eines Methacrylesters, erhalten durch Reaktion von Methacrylsäure
mit einem primären aliphatischen Alkohol mit 3 bis l2 C-Atomen ist und einen Anteil
an 20 bis 70 Gew.-% am Harz hat,
- bei dem Rc mindestens ein Monomer aus der Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure,
Itaconsäure, 2-Hydroxyethylmethacrylat-Phosphorsäureester bzw. Salzen hiervon ist
und einen Anteil von l bis l5 Gew.-% am Harz hat,
- bei dem Rd mindestens ein Monomer aus der Gruppe 2-Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylmethacrylat,
2-Hydroxyethylacrylat, Hydroxypropylacrylat, N-Methylolacrylamid oder Ester hiervon,
Diacetonacrylamid und Glycidylmethacrylat ist und einen Anteil von l bis 20 Gew.-%
am Harz hat.
[0011] Geeignete Wachse sind beispielsweise Paraffinwachs, tierisches oder pflanzliches
Öl, höhere Fettsäuren, höhere Alkohole, Ester von höheren Fettsäuren und höheren Alkoholen,
höhere Fettsäureamide, höhere Fettsäureamine und dergleichen. Damit der Schmiermittelfilm
fest bleibt,is es entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zweckmäßig,
Wachse mit einem Schmelzpunkt oberhalt 45°C einzusetzen. Eine Möglichkeit, den Schmelzpunkt
des Wachses zu erhöhen, besteht in der Wasserstoffanlagerung an Doppelbindungen.
[0012] Als Tensid sind insbesondere solche vom anionischen oder nichtionischen Typ geeignet.
Beispiele für anionische Tenside sind Natriumalkylnaphthylsulfonat, Natriumalkylbenzolsulfonat
und Türkischrotöl. Beispiele für nichtionische Tenside sind Polyoxyethylenalkylether
mit der Alkylgruppe eines höheren Alkohols, Polyoxyethylennonylphenolether, Polyethylenglykol-Fettsäureester
und Sorbitol-Fettsäureester.
[0013] Das Tensid ist insbesondere für die Emulgierung bzw. Dispergierung des Wachses in
Wasser verantwortlich. Zur weiteren Verbesserung kann mechanisches Rühren unter zusätzlicher
Zugabe eines Homogenisierungsmittels erfolgen.
[0014] Eine weitere zweckmäßige Formulierung des wässrigen Schmiermittels besteht in einem
zusätzlichen Gehalt an festem Schmiermitteladditiv. Beispiele hierfür sind Graphit,
Molydändisulfid, Talk, Teflon, Bornitrid, Kalziumkarbonat, Melamin, Cyanursäureaddukte
und dergleichen.
[0015] Der Vorzug der Verwendung eines wärmehärtbaren Harzes auf Acrylatbasis ergibt sich
aus folgendem Sachverhalt. Bei der Kaltumformung von Metallen entsteht Wärme, die
die Temperatur von Werkstück und Werkzeug erhöht. Je schwerer die Umformung ist, desto
größer ist die Wärmeentwicklung und damit die Temperaturerhöhung. Bei kontinuierlicher
Umformung tritt zudem eine Wärmeakkumulation auf. Gegenüber thermoplastischen Harzen
auf Acrylatbasis, die bei Erwärmung über den Glasübergangspunkt erweichen und dadurch
einen Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug nicht verhindern können, wird mit wärmehärtbaren
Harzen auf Acrylatbasis dieser Kontakt und infolgedessen ein Anfressen mit Sicherheit
vermieden. Diesen Vorteil besitzen wärmehärtbare Harze nicht schlechthin. Viele Harze
härten in der Weise aus, daß sie der mit der Umformung verbundenen Ausdehnung des
Werkstückes nicht folgen können. Als Folge hiervon reißt der Schmiermittelfilm und
es kommt zu dem bereits vorstehend erwähnten Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug.
Viele der wärmehärtbaren Harze sind nach der Umformung auch nicht mehr einfach zu
entfernen, z.B. mit Hilfe eines alkalischen Reinigers.
[0016] Überraschenderweise sind in den wärmehärtbaren Harzen auf Acrylatbasis mit einem
Glasübergangspunkt von - l0°C bis + 25°C die Vorteile der hervorragenden Haftung auf
der Metalloberfläche, die Flexibilität bzw. Anpaßbarkeit an die Dehnung und die leichte
Entfernbarkeit des Schmiermittelfilms nach der Umformung vereinigt. Bei einem Glasübergangspunkt
unter - l0°C wird der Schmiermittelüberzug zu weich, so daß er bei der Umformung entfernt
werden kann. Bei Werten oberhalb + 25°C wird der Überzug zu hart und die Anpaßbarkeit
an die Dehnung des Werkstückes ist nicht mehr in ausreichendem Maße gegeben.
[0017] Insoweit werden die günstigsten Ergebnisse erzielt, wenn man ein Schmiermittel einsetzt,
das ein Harz auf Acrylatbasis mit einem Glasübergangspunkt von 0 bis +5°C
enthält.
[0018] Wie umfangreiche Untersuchungen ergeben haben, sind - in den jeweils angegebenen
Mengen - der Monomeranteil Ra insbesondere für die Härte und Dehnungsfestigkeit, der
von Rb insbesondere für die Dehnbarkeit, der von Rc insbesondere für die Haftung auf
der Metalloberfläche und die Dispergierbarkeit des Harzes und der von Rd insbesondere
für eine zusätzliche Haftungsverbesserung verantwortlich.
[0019] Wird der Anteil des Monomers Ra von 20 Gew.-% unterschritten, kann der Schmiermittelüberzug
zu weich, beim Überschreiten von 70 Gew.-% zu hart werden. In beiden Fällen ist eine
einwandfreie Trennwirkung für Werkstück/Werkzeug nicht mit Sicherheit gewährleistet.
[0020] Gelangt der Anteil des Monomers Rb unter 20 Gew.-% wird der Glasübergangspunkt erhöht
und die Überzugsausbildung bei Raumtemperatur kann sich verschlechtern. Bei einem
Anteil über 70 Gew.-% kann die Härte des Schmiermittelüberzugs zu gering werden.
[0021] Die Wirkung der Anteile der Monomere Ra und Rb ist weitgehend gegenläufig, so daß
es auf deren Ausgewogenheit ankommt.
[0022] Bei einem Anteil des Monomers Rc außerhalb der vorgeschriebenen Grenzen kann die
Haftung des Überzuges zu gering und die Entfernbarkeit des verbliebenen Schmiermittelfilms
mit einem alkalischen Reiniger verschlechtert werden (bei unter l Gew.-%). Auf der
anderen Seite kann die Viskosität des Schmiermittels stark ansteigen, wodurch dessen
Applikation erschwert würde, und dessen Hygroskopizität steigen, was wegen der Wasseraufnahme
mit einer verminderten Haftung verbunden wäre (bei mehr als l5 Gew.-%)-
[0023] Sofern der Monomeranteil von Rd ünter l Gew.-% sinkt, kann die Vernetzung des Harzes
unbefriedigend werden, wodurch der Widerstand bei Wärmeeinwirkung absinken könnte.
Bei Werten über 20 Gew.-% kann der Grad der Vernetzung so stark ansteigen, daß die
Flexibilität des Schmiermittelüberzuges verloren geht. Für das Hydroxyalkylmethacrylat
ist ein Anteil von 5 bis l5 Gew.-%, für N-Methylolacrylamid oder Glycidylmethacrylat
ein solcher von l bis 5 Gew.-% optimal.
[0024] Das Gewichtsverhältnis von wärmehärtbarem Harz zu Wachs ist insofern von Bedeutung,
als bei einem Unterschreiten von 2 die Haftung des Schmiermittelüberzuges nachläßt,so
daß der Überzug reißt. Bei einem Überschreiten von l2 läßt die Schmierwirkung nach.
Der bevorzugte Bereich liegt in den Grenzen von 4 bis 6.
[0025] Für den Tensidgehalt ist wesentlich, daß bei zu geringen Konzentrationen das Dispergiervermögen
zu stark zurückgeht, und daß bei zu hohen Konzentrationen das Schmiervermögen des
Überzuges beeinträchtigt wird. Neben den bevorzugten Tensiden vom anionischen oder
nichtionischen Typ können auch kationische oder amphotere Tenside verwendet werden.
[0026] Die Applikation des Schmiermittels erfolgt auf die gereinigten Werkstücke durch Tauchen,
Spritzen, Bürsten, Übergießen oder Rollenauftrag bei Raumtemperatur. Dann wird getrocknet.
Zweckmäßigerweise wird an der Luft getrocknet, dann auf 80 bis l20°C erhitzt und schließlich
gehärtet. Durch die Verfahrensweise wird die Haftung des Schmiermittelüberzuges verbessert.
Die Höhe des Überzugsgewichtes richtet sich im wesentlichen nach der vorgesehenen
Umformung. Sie kann u.a. durch die Konzentration der Schmiermittelkomponenten geregelt
werden.
[0027] Bei geringen Umformungsgraden sind 0,5 bis 5 g/m², bei starken Umformungsgraden 5
bis 30 g/m² vorteilhaft (als trockener Überzug angegeben).
[0028] Mit Hilfe der Erfindung können Schmiermittelüberzüge mit Trockengewichten von 0,5
bis 30 g/m² aufgebracht werden, mit denen jede übliche Kaltumformung durchführbar
ist. Der Überzug besitzt eine hervorragende Haftung und Trennwirkung. Bei Erwärmung
des Überzuges auf l00 bis l50°C als Folge der gebildeten Umformungs- und Reibungswärme
folgt er ohne Filmbruch der sich bildenden Form des Werkstückes und verhindert dadurch
wirksam ein Anfressen. Nach der Verformung kann der restliche Schmiermitte
lfilm in einfacher Weise mit Hilfe eines alkalischen Reinigers entfernt werden.
[0029] Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele beispielsweise und näher erläutert.
Beispiele l bis 5
[0030] Rohre aus Edelstahl der Qualität SUS 304, gebeizt und wassergespült, wurden mit verschiedenen
Schmiermitteln bei 20°C für die Dauer von l min. im Tauchen behandelt. Die in den
Schmiermitteln enthaltenen Komponenten hinsichtlich wärmehärtbares Harz und Wachs
sind in den nachfolgenden Tabellen l und 2 näher beschrieben.
[0031] Nach Trocknung an der Luft während einer Stunde erfolgte eine weitere Trocknung mit
l00°C heißer Luft während 30 min. Das erzeugte Schichtgewicht lag innerhalb des Bereiches
von l0 bis l5 g/m². Die Rohre wurden dann auf einer Ziehbank gezogen und bezüglich
ihres Aussehens und der Entfernbarkeit des auf der Oberfläche verbliebenen Schmiermittelfilms
bewertet.
[0032] Die Ziehbedingungen waren

[0033] Zur Ermittlung der Entfernbarkeit des nach dem Ziehen verbleibenden Schmiermittelfilmes
wurden die Rohre in eine alkalische Lösung von 90°C für die Dauer von l Stunde getaucht.
Die Lösung enthielt 3 Gew.-% Natriumhydroxid, l,5 Gew.-% Natriumtripolyphosphat und
Tensid. Der Grad der Entfernbarkeit wurde visuell bewertet.
[0034] Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
[0035] Bleche der gleichen Stahlqualität mit den Abmessungen 50 × l00 × 0,8 mm wurden mit
den gleichen Schmiermitteln unter identischen Bedingungen, wie vorstehend für die
Rohre angegeben, behandelt. Sie wurden dann dem Bauden-Test zur Bestimmung des Friktionskoeffizienten
und der Gleitzahl bis zum Auftreten von Anfreß-Marken unterworfen.

[0036] Die Testergebnisse sind in Tabelle 4 niedergelegt.
Vergleichsbeispiel l
[0037] Stahlrohre mit der Qualität und Vorbehandlung wie in Beispiel l wurden mit Hilfe
einer handelsüblichen Oxalatierungslösung (Ferrbond A; 35 g/l, Beschleuniger l6; l
g/l der Nihon Parkerizing Co.) mit einem Oxalatüberzug versehen (Behandlungstemperatur
90°C, Behandlungsdauer l0 min.). Nach Wasserspülung wurden die Rohre bei 80°C während
3 min. in einer Schmiermittellösung (Bonderlube 235 der Nihon Parkerizing Co; 70 g/l)
behandelt und getrocknet. In gleicher Weise wurden Stahlbleche behandelt. Anschließend
wurden die in Beispiel l beschriebenen Tests durchgeführt.
[0038] Die Tabellen 3 und 4 enthalten die Ergebnisse.
Vergleichsbeispiel 2
[0039] Stahlrohre der in Beispiel l beschriebenen Qualität und Vorbehandlung wurden bei
Raumtemperatur l min. in ein im Verhältnis l:l mit Toluol verdünntes Harz getaucht
(Hangsterfer lll QD der Fa. Hangsterfer) und dann l Tag an der Luft getrocknet. Das
erzeugte Schichtgewicht betrug l0 g/m². Nach weiterer Applikaton eines Schmieröls
(J-l der Fa. Hangsterfer) wurden die Rohre wie in Beispiel l angegeben gezogen und
bewertet. Entsprechend behandelte Bleche wurden dem Bauden-Test unterworfen.
[0040] Die Testergebnisse sind in den Tabellen 3 und 4 niedergelegt.
Vergleichsbeispiel 3
[0041] Es wurde der Versuch gemäß Beispiel l mit Schmiermittel l wiederholt, jedoch enthielt
das darin gelöste Harz No. l nicht die Vernetzungskomponente Rd (HEMA). Das Schichtgewicht
lag im Bereich von l0 bis l5 g/m².
[0042] Die für Rohre und Bleche erhaltenen Testergebnisse sind wiederum in den Tabellen
3 und 4 wiedergegeben.
Vergleichsbeispiel 4
[0043] Es wurde der Versuch gemäß Beispiel l mit dem Schmiermittel No. 3 wiederholt, jedoch
enthielt das Harz No. 3 nicht die vernetzende Komponente Rd (HPA).
[0045] Wie Tabelle 3 zeigt, besitzen die mit den erfindungsgemäßen Schmiermitteln erzeugten
Schmiermittelüberzüge hervorragende Schmiereigenschaften. Sie sind deutlich besser
als die mit Hilfe der Vergleichsversuche hergestellten Schmiermittelüberzüge. Weiterhin
sind die nach der Erfindung erzeugten Schmiermittelüberzüge hinsichtlich der Entfernbarkeit
nach dem Ziehen den anderen Schmiermittelüberzügen weit überlegen.
[0046] Im Hinblick auf den Bauden-Test veranschaulicht Tabelle 4 den besseren Friktionskoeffizient
und den höheren Widerstand gegenüber Anfreß-Erscheinungen, die mit den Überzügen gemäß
Erfindung im Vergleich zu bekannten Überzügen erhalten wurden.
1. Wässriges Schmiermittel für die Kaltumformung von Metallen, dadurch gekennzeichnet,
daß es einen Gehalt an l0 bis 35 Gew.-% eines wärmehärtbaren Harzes auf Acrylatbasis
mit einem Glasübergangspunkt von - l0 bis + 25°C, an 3 bis l5 Gew.-% Wachs und an
0,5 bis 5 Gew.-% Tensid aufweist, wobei das Gewichtsverhältnis von wärmehärtbarem
Harz zu Wachs auf 2 bis l2 eingestellt ist.
2. Schmiermittel nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß es ein wasserhärtbares
Harz der allgemeinen Formel - (Ra-Rb-Rc-Rd) n- enthält, wobei Ra, Rb, Rc, Rd unterschiedliche Monomere darstellen und "n" der Polymerisationsgrad
mit l.000 bis 50.000 ist.
3. Schmiermittel nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein wärmehärtbares
Harz enthält, bei dem Ra mindestens ein Monomer aus der Gruppe Vinyltoluol, Styrol,
Methylmethacryl und Acrylnitril ist und einen Anteil von 20 bis 70 Gew.-% am Harz
hat.
4. Schmiermittel nach Anspruch l, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ein wärmehärtbares
Harz enthält, bei dem Rb mindestens ein Monomer aus der Gruppe eines Acrylesters,
erhalten durch Reaktion von Acrylsäure mit einem primären aliphatischen Alkohol mit
l bis l2 C-Atomen, oder eines Methacrylesters, erhalten durch Reaktion von Methacrylsäure
mit einem primären aliphatischen Alkohol mit 3 bis l2 C-Atomen ist und einen Anteil
an 20 bis 70 Gew.-% am Harz hat.
5. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein wärmehärtbares Harz enthält, bei dem Rc mindestens ein Monomer aus der
Gruppe Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Itaconsäure, 2-Hydroxyethylmethacrylat-Phosphorsäureester
bzw. Salzen hiervon ist und einen Anteil von l bis l5 Gew.-% am Harz hat.
6. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein wärmehärtbares Harz enthält, bei dem Rd mindestens ein Monomer aus der
Gruppe 2-Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, 2-Hydroxyethylacrylat,
Hydroxypropylacrylat, N-Methylolacrylamid oder Ester hiervon, Diacetonacrylamid und
Glycidylmethacrylat ist und einen Anteil von l bis 20 Gew.-% am Harz hat.
7. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein Wachs mit einem Schmelzpunkt oberhalb 45°C enthält.
8. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein anionisches und/oder nichtionisches Tensid enthält.
9. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß es zusätzlich ein festes Schmiermitteladditiv enthält.
l0. Schmiermittel nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß es ein wärmehärtbares Harz auf Acrylatbasis mit einem Glasübergangspunkt von 0
bis + 5°C enthält.
11. Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von metallischen Werkstücken mit
Hilfe des Schmiermittels nach einem oder mehreren der Ansprüche l bis l0, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Schmiermittel auf die Metalloberfläche aufbringt, an der
Luft unter Ausbildung eines Überzugsgewichtes von 0,5 bis 30 g/m² auftrocknet, auf
eine Temperatur von 80 bis l20°C erhitzt (Objekttemperatur) und schließlich härtet.