Schmiermittel und Verfahren zur Kaltumformung metallischer Werkstoffe

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Schmiermittel und ein Ver­fahren zur Kaltumformung metallischer Werkstoffe mit einem derartigen Schmiermittel. Das Schmiermittel enthält Fett- oder Naphthensäuren und/oder deren Salze als Schmierstoff und ggf. anorganische und/oder organische Verbindungen als Zusätze, die als Dispergatoren, Haftvermittler, Filmbild­ner, Hochdruckzusätze beziehungsweise unter dynamischen Be­dingungen als Viskositätsstabilisatoren dienen. Erfindungs­gemäß sind zusätzlich Salze von Oligo-alpha-methylstyrol-­dicarbonsäuren in einer Konzentration von 0,01 bis 30 Masse-% als Hochdruckzusatz sowie 0 bis 90 Masse-% Polyphosphat enthalten. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kaltum­formung wird ein Schmiermittel angewandt, bei dem in einer Flüssigkeit bis zu 50 Masse-% Schmierstoff sowie als Zu­sätze 0,005 bis 15 Masse-% Salze der Oligo-alpha-methyl­styrol-dicarbonsäuren und 0 bis 45 Masse-% Polyphosphat ent­halten sind, wobei der Umformprozeß entweder unmittelbar innerhalb eines mit diesem Schmiermittel hergerichteten Bades oder unter Ausnutzung einer auf das Umformgut aufge­brachten, vorzugsweise getrockneten Schmiermittelschicht durchgeführt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Schmiermittel und ein Ver­fahren zur Kaltumformung metallischer Werkstoffe mit einem derartigen Schmiermittel. Die Erfindung ist beispiels­weise anwendbar für das Kaltwalzen, Kaltstauchen, Gewinde­walzen, Ziehen von Blechteilen, Kalibrieren von Sintertei­len, Verseilen und Biegen, insbesondere für das Ziehen von strangförmigem Umformgut wie Draht, Profilen und Rohren.

[0002] Beim Kaltumformen von Draht, Profilen, Rohren und an­derem Umformgut muß vor dem Umformwerkzeug auf das Umform­gut ein Schmiermittel aufgetragen werden, welches den un­mittelbaren Kontakt zwischen den Arbeitsflächen des Werk­zeuges und der Oberfläche des Umformgutes verhindern soll. Dabei ist die Verwendung von bei Raumtemperatur flüssigen Schmiermitteln bekannt.

[0003] Als flüssige Schmiermittel werden unter anderem Alka­li-, Erdalkali-, Ammonium- und Zinksalze oder artverwandte Metall- bzw. Nichtmetallsalze von Säuren mit mehr als 10 C-­Atomen im Molekül, vorzugsweise Calciumstearat, in organi­schen Lösungsmitteln, beispielsweise Benzol oder Trichlor­ethylen, verwendet (DE-OS 29 20 857).

[0004] Ein ähnliches System, das aus Calcium- oder Zink­stearat in einem organischen Lösungsmittel, insbesondere Benzol, Trichlorethylen, Chlor-Fluor-, Fluor-Brom-, Chlor-­Brom-Fluor-Kohlenwasserstoff, Trifluoraceton oder deren Mi­schungen, besteht, beschreibt die DD-PS 148 012. Diese Schmiermittel ersparen zwar eine Schmiermittelträgerschicht, die durch Kalken, Phosphatieren, Oxalatieren, Boraxen, Ver­kupfern oder Verzinnen aufgebracht wird, nachteilig ist je­doch die Entsorgung physiologisch bedenklicher Lösungs­mittel, die zum Beispiel durch Absaugen erfolgen muß und wofür spezielle Vorrichtungen erforderlich sind. Die erziel­bare Oberflächenqualität des Umformgutes ist außerdem mit hohem Werkzeugverschleiß verbunden. Bei mehreren Umformstu­fen können wiederholte Beschichtungen erforderlich sein, so daß diese Schmiermittel nicht für Mehrfachumformungen ge­eignet sind.

[0005] Aus der DE-OS 34 38 525 ist auch ein Verfahren zur Kaltumformung von Metallen bekannt, bei dem zunächst auf die Metalloberfläche eine wäßrige Lösung oder Dispersion aus einem wasserlöslichen thermoplastischen Harz (Polyacryl­säure, Copolymere von Acrylsäure oder Maleinsäure mit Vinyl­verbindungen, Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon oder Ver­seifungsprodukte von Polyvinylacetat) und einem Melamin/­Cyanursäure-bzw. Isocyanursäure-Addukt bei einem Gewichts­verhältnis von Harz zu Addukt = 1 : 0,3 bis 1,2 aufgebracht, mindestens 30 Minuten bei Raumtemperatur und anschließend in der Wärme getrocknet und danach eine Metallseife (Ca-, Ba-, Zn-, Na- oder Li-Stearat, eventuell mit einem Zusatz von Calciumcarbonat, Talk, Graphit und/oder Molybdändisulfid) und/oder ein Schmieröl (handelsübliche Öle und Fette bzw. Mineralöle) aufgebracht wird.

[0006] Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß 2 Stufen mit langen Trocknungszeiten zur Aufbringung des Schmiermittels erforderlich sind. Die Verwendung von Hoch­druckzusätzen, wie CaCO₃, Talk, Graphit und Molybdändi­sulfid, erfordert zur Vermeidung von Absetzerscheinungen ein ständiges Umrühren. Es entstehen außerdem starke Umweltbe­lastungen, da bei den Zwischenglühungen an der Luft im Falle des Zusatzes von Molybdändisulfid schwefelsaure Gase korro­siver Art entstehen. Graphit führt auch zur direkten Ver­schmutzung der Anlagenteile, die dem Verfahren ausgesetzt sind. Bei Zwischenglühungen kann die Anwesenheit von Graphit zur Aufkohlung der umgeformten Werkstoffe in den Fällen führen, wo der Schmiermittelrestfilm nicht durch entsprechen­de Reinigungsverfahren entfernt wird, die jedoch technolo­gisch aufwendig und deshalb wirtschaftlich ungünstig sind.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Voraus­setzungen für eine hochleistungsfähige und wirtschaftlich günstige ein- oder mehrstufige Kaltumformung zu schaffen, bei der mit möglichst geringem schmierungstechnischem Auf­wand ein hoher Schmiereffekt erreicht und damit auch bei schwerumformbaren Werkstoffen hohe Umformgrade und -geschwin­digkeiten realisiert werden können, und die darüber hinaus eine technologisch einfache und sichere Reinigung der Ober­fläche des Umformgutes von Schmiermittelresten ermöglicht, und ein dafür geeignetes Schmiermittel anzugeben.

[0008] Diese Aufgabe wird gemäß den Hauptansprüchen gelöst. Die ab­hängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.

[0009] Das erfindungsgemäße Schmiermittel, das Fett- oder Naphthen­säuren und/oder deren Salze als Schmierstoff und ggf. anor­ organische und/oder organische Verbindungen als Zusätze enthält, die als Dispergiermittel, Haftvermittler, Film­bildner, Hochdruckzusätze bzw. unter dynamischen Be­dingungen als Viskositätsstabilisatoren dienen, ist dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich Salze von Oligo-alpha-methylstyroldicarbonsäuren in einer Konzentra­tion von 0,01 bis 30 Masse-% als Hochdruckzusatz sowie 0 bis 90 Masse-% Polyphosphat enthält.

[0010] Die Oligo-alpha-methylstyroldicarbonsäuren weisen vor­zugsweise endständige Carboxylgruppen auf. Geeignet sind z.B. Oligo-alpha-methylstyroldicarbonsäuren der Formel (I)

wobei die Einheiten des Alpha-methylstyrols jeweils 1,1-, 1,2- oder 2,2-verknüpft sind und n so gewählt ist, daß Oligomere mit einer mittleren Molekularmasse von vorzugs­weise 500 bis 800 vorliegen, insbesondere ist n 3 bis 6.

[0011] Jede Einheit der Formel (I) kann bekannterweise Kopf/Kopf, Kopf/Schwanz oder Schwanz/Schwanz mit der benachbarten Einheit verknüpft sein (vgl. Elias, Makromoleküle, S. 43, Hüthig u. Wepf 1975).

[0012] Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung werden als Salze der Oligo-alpha-methylstyrol-dicarbonsäuren Alkali- und/oder Erdalkalisalze verwendet. Vorteilhaft sind für das Schmiermittel Salze solcher Oligo-alpha-methyl­styrol-dicarbonsäuren, die eine mittlere Molekularmasse von 500 bis 800 und eine Carboxylfunktionalität von 1,5 bis 2 aufweisen. Die Konzentration der Salze der Oligo-alpha-­methylstyrol-dicarbonsäuren beträgt vorzugsweise 2 bis 10 Masse-%. Im Falle eines Polyphosphat-Zusatzes beträgt dessen Konzentration vorzugsweise 30 bis 70 %.

[0013] Das erfindungsgemäße Schmiermittel kann entweder in trockener Form oder vorteilhaft mit einem Flüssigkeitsgehalt von 50 bis 98 Masse-%, vorzugsweise Wasser, in pastenförmi­gem bis flüssigem Zustand vorliegen, wobei im Falle eines pastenförmigen oder flüssigen Zustandes die Konzentration der Salze von Oligo-alpha-methylstyrol-dicarbonsäuren 0,005 bis 15 Masse-%, vorzugsweise 0,1 bis 2,5 Masse-%, und die des Polyphosphats 0 bis 45 Masse-% beträgt. Sofern ein in diesem Zustand befindliches Schmiermittel Polyphosphat ent­hält, beträgt dessen Konzentration vorzugsweise 1,5 bis 15 Masse-%.

[0014] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kalt­umformung metallischer Werkstoffe unter Anwendung eines gat­tungsgemäßen Schmiermittels, bei dem erfindungsgemäß in einer Flüssigkeit bis zu 50 Masse-% Schmierstoff sowie als Zusätze 0,005 bis 15 Masse-% Salze von Oligo-alpha-methylstyrol-­dicarbonsäuren und 0 bis 45 Masse-% Polyphosphat enthalten sind, wobei der Umformprozeß entweder unmittelbar innerhalb eines mit diesem Schmiermittel hergerichteten Bades oder unter Ausnutzung einer auf das Umformgut aufgebrachten, vor­zugsweise getrockneten Schmiermittelschicht durchgeführt wird.

[0015] Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Schmiermittels be­steht darin, daß sich die Salze der Oligo-alpha-methylstyrol-­dicarbonsäuren mit den übrigen Schmiermittelbestandteilen nach erfolgter Umformung einfach von der Umformgutoberfläche entfernen lassen. Dadurch entfallen teure Reinigungsverfah­ren, galvanische Nachbehandlungsverfahren können wirt­schaftlich günstig durchgeführt werden; die Haftfestigkeit von danach galvanisch aufgetragenen Schichten ist ausgezeich­net. Schmiermitteltechnisch günstige Varianten der Umform­verfahren ergeben sich besonders dann, wenn nach dem Kontak­tieren des umzuformenden Werkstoffes mit einer Schmiermittel­flüssigkeit ein Trocknungsprozeß durchgeführt und damit auf dem Umformgut eine feste Schmierstoffschicht ausgebildet wird. Derartige Schichten besitzen eine sehr hohe dynamische Viskosität, so daß auch bei schwer umformbaren Werkstoffen hohe Umformgeschwindigkeiten und -grade realisiert werden können und mehrere Umformstufen mit nur einem Schmiermittel­auftrag möglich sind. Dabei sind je nach Material, Schwere des Umformgutes und Art des Umformverfahrens 3 bis 25 Um­formstufen möglich.

[0016] Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungs­beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

[0017] Ein durch mehrstufiges Ziehen umzuformender Stahl­draht der Werkstoffqualität M 45 wird vor dem 1. Ziehstein durch ein Schmiermittelpulver gezogen, welches folgende Zu­sammensetzung aufweist:
44,0 Masse-% technisches Calciumstearat
27,0 Masse-% Dinatriumtetraborat
16,3 Masse-% Polyvinylalkohol
12,7 Masse-% Natriumsalz einer Oligo-alpha-methyl-­styrol-dicarbonsäure (M_n: 680; Funktio­nalität: 1,85).

[0018] Der mit diesem Schmiermittel behaftete Draht wird in 6 Ziehstufen von 5,5 mm an 2,0 mm Durchmesser gezogen.

Beispiel 2

[0019] Ein pastenförmiges Schmiermittelkonzentrat folgender Zusammensetzung
10,5 Masse-% Kalkseife
4,8 Masse-% Natriumtetraborat
4,8 Masse-% Calciumcarbonat
2,5 Masse-% Polyvinylalkohol
1,4 Masse-% Natriumsalz einer Oligo-alpha-methyl-­styrol-dicarbonsäure (M_n: 680; Funktio­nalität: 1,85)
Rest      Wasser
wird auf 85°C erwärmt und unter mechanischer Einwirkung, bei­spielsweise hochtourigem Rühren, im Verhältnis 1 : 1 mit Wasser verdünnt. Mit dem erhaltenen Produkt wird Stahldraht der Werkstoffqualität X5 CrNi 18.10 im Durchlaufverfahren beschichtet und getrocknet und danach in 4 Ziehstufen von 4,0 mm and 2,0 mm Durchmesser gezogen.

Beispiel 3

[0020] Auf einen umzuformenden Stahldraht der Werkstoff­qualität 10 MnSi 6 wird ein Schmiermittel, das aus
8,2 Masse-% technischem Calciumstearat
4,1 Masse-% Dinatriumtetraborat
2,5 Masse-% Polyvinylalkohol
0,4 Masse-% Natriumsalz einer Oligo-alpha-methyl-­styrol-dicarbonsäure (M_n: 680; Funktio­nalität: 1,85)
Rest      Wasser
besteht, durch Kontaktieren mittels Tauchen und nachfolgendem Trocknen aufgebracht. Dabei ergibt sich eine Schmiermittel­auflage von 15 g/m².

[0021] Der umzuformende Werkstoff wird mittels Ziehdüsen mehrstufig mit einer Gesamtquerschnittsabnahme von 82 % ge­zogen. Ohne den Zusatz des Salzes der Oligo-alpha-methyl­styrol-dicarbonsäure kann der gleiche Werkstoff in dersel­ben Weise mit einer Gesamtquerschnittsabnahme von nur 59 % gezogen werden.

Beispiel 4

[0022] Dieses Beispiel bezieht sich auf das Naßziehen eines Stahldrahtes mit einem Schmiermittel folgender Zusammen­setzung:
5,0 Masse-% Kalkseife
0,5 Masse-% Natriumtetraborat
0,25 Masse-% Natriumsalz einer Oligo-alpha-methyl­styrol-dicarbonsäure (M_n: 680; Funktio­nalität: 1,85)
5,0 Masse-% Natriumpolyphosphat
Rest      Wasser

[0023] Mit diesem Schmiermittel wird Stahldraht der Werkstoffquali­tät M 10 in einem 2stufigen Schlußnaßzug von 0,6 mm an 0,5 mm Durchmesser gezogen. Der so hergestellte Draht wird ohne eine anschließende Reinigung für die Herstellung von Drahtglas verwendet.

Beispiel 5

[0024] Zur Vorbereitung der Umformung wird Umformgut in ein flüssiges Schmiermittel folgender Zusammensetzung ge­taucht:
5,0 Masse-% technisches Calciumstearat
2,5 Masse-% Natriumtetraborat
1,5 Masse-% Polyvinylalkohol
0,1 Masse-% Natriumsalz einer Oligo-alpha-methyl­styrol-dicabonsäure (M_n: 560; Funktionali­tät: 1,92)
Rest      Wasser.

[0025] Nach dem vor der Umformung vorgenommenen Trocknen liegt auf dem Draht eine Schmiermittelauflage von 8,3 g/m² vor. Sofern größere oder kleinere Schmiermittelauflagen einge­stellt werden sollen, kann dies in einfacher Weise über einen veränderten Gehalt an Natriumsalz der Oligo-alpha-­methylstyrol-dicarbonsäure im flüssigen Schmiermittel er­reicht werden. Dabei gelten folgende Zusammenhänge:

Gehalt an Natriumsalz der Oligo-alpha-methylstyrol-dicarbonsäure (Masse-%)	Schmiermittelauflage (g/m²)
0,01	11,3
0,05	9,7
0,4	6,0
0,7	4,5
1,0	3,6
1,4	2,9
2,0	4,4
2,5	6,7
3,5	12,0.

[0026] Das Schmiermittel kann vorteilhaft beispielsweise beim Ziehen von Draht und Rohren oder beim Kaltstauchen von Normteilen, wie Schrauben und Muttern, eingesetzt werden.

Beispiel 6

[0027] Ein auf seine Endabmessung gezogener Stahldraht der Werkstoffqualität C 15 Q wird im Durchlaufverfahren mit einem flüssigen Schmiermittel folgender Zusammensetzung be­schichtet:
4 Masse-% technisches Calciumstearat
0,5 Masse-% Natriumsalz einer Oligo-alpha-methylsty­rol-dicarbonsäure (M_n: 560; Funktionali­tät: 1,92)
12 Masse-% Natriumpolyphosphat
Rest      Wasser.

[0028] Anschließend wird der erzeugte Schmiermittelüberzug getrocknet. Auf dem Draht verbleibt ein aus den im flüssigen Schmiermittel enthaltenen Substanzen bestehender fester Überzug, der einen unter normalen Lagerbedingungen ausrei­chenden mittelfristigen Korrosionsschutz bietet und der gleichzeitig einen Schmiermittelüberzug für das Weiterver­arbeiten des Drahtes, beispielsweise für einen Kaltstauch­vorgang oder ein Gewinderollen, darstellt.

[0029] Bei den Salzen der Oligo-alpha-methylstyrol-dicarbon­säuren handelt es sich um Salze verschiedener oligomerer Säuren, zu denen beispielsweise folgende tetra­mere alpha-Methylstyrol-dicarbonsäure mit einer Molekular­masse M = 562 gehört:

[0030] Synonyme Bezeichnungen dieser Verbindung sind:
- Tetra-alpha-methylstyrol-dicarbonsäure
- alpha-Methylstyroltetramer-dicarbonsäure
- 2,4,7,9-Tetramethyl-2,4,7,9-tetraphenyldekandisäure-(1,10)

Ansprüche

1. Schmiermittel für die Kaltumformung metallischer Werk­stoffe, enthaltend Fett- oder Naphthensäuren und/oder deren Salze als Schmierstoff und ggf. anorganische und/oder organische Verbindungen als Zusätze, die als Dispergiermittel, Haftvermittler, Filmbildner, Hochdruck­zusätze bzw. unter dynamischen Bedingungen als Viskosi­tätsstabilisatoren dienen,
dadurch gekennzeichnet,
daß es zusätzlich Salze von Oligo-alpha-methylstyroldi­carbonsäuren in einer Konzentration von 0,01 bis 30 Masse-% als Hochdruckzusatz sowie 0 bis 90 Masse-% Polyphosphat enthält.

2. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Salze von Oligo-alpha-methylstyroldicarbonsäuren mit einer mittleren Molekularmasse von 500 bis 800 ent­hält.

3. Schmiermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß es Salze von Oligo-alpha-methylstyrol-­dicarbonsäuren der Formel I enthält,

wobei die Einheiten des Alpha-methylstyrols jeweils 1,1-, 1,2- oder 2,2-verknüpft sind und n so gewählt ist, daß die mittlere Molekularmasse vorzugsweise 500 bis 800 beträgt.

4. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es Salze der Tetra-alpha-methylstyrol-­dicarbonsäure der Formel II enthält

5. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Salze der Oligo-alpha-methyl-­styroldicarbonsäuren Alkali- und/oder Erdalkalisalze sind.

6. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es Salze von Oligo-alpha-methylstyrol-­dicarbonsäuren enthält, die eine Carboxylfunktionalität von 1,5 bis 2 aufweisen.

7. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Salze der Oligo-alpha-methylstyroldicarbonsäuren vorzugsweise 2 bis 10 Masse-% beträgt.

8. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Polyphosphats 30 bis 70 Masse-% beträgt.

9. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses entweder in trockener Form oder mit einem Flüssigkeitsgehalt von 50 bis 98 Masse-%, der vorzugsweise aus Wasser besteht, im pastenförmigen bis flüssigen Zustand vorliegt.

10. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines pastenförmigen oder flüssigen Zustandes des Schmiermittels die Konzentra­tion der Salze der Oligo-alpha-methylstyroldicarbonsäuren 0,005 bis 15 Masse-% beträgt.

11. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieses im Falle eines pastenförmigen oder flüssigen Zustandes vorzugsweise 0,1 bis 2,5 Masse-% Salze der Oligo-alpha-methylstyrol-­dicarbonsäuren enthält.

12. Schmiermittel nach Anspruch 11, dadurch gekenn­zeichnet, daß dieses im Falle eines pastenförmigen oder flüssigen Zustandes und des Vorhandenseins von Poly­phosphat vorzugsweise 1,5 bis 15 Masse-% Polyphosphat enthält.

13. Verfahren zur Kaltumformung metallischer Werkstoffe unter Anwendung eines flüssigen Schmiermittels, das Fett- und Naphthensäuren und/oder deren Salze als Schmierstoff und ggf. anorganische und/oder organische Verbindungen als Zusätze enthält, die als Dispergiermittel, Haftvermittler, Filmbildner, Hochdruckzusätze bzw. unter dynamischen Be­dingungen als Viskositätsstabilisatoren dienen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird und der Umformprozeß entweder unmittelbar innerhalb eines mit diesem Schmier­mittel hergerichteten Bades oder unter Ausnutzung einer auf das Umformgut aufgebrachten, vorzugsweise getrockneten Schmiermittelschicht durchgeführt wird.