Schmiermittel für die Umformung metallischer Werkstoffe

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Schmiermittel für die Warmumfor­mung, insbesondere für das Gesenkschmieden, sowie für die Kaltumformung, beispielsweise für das Kaltwalzen, Kalt­stauchen, Gewindewalzen, Ziehen von Blechteilen, Kalibrie­ren von Sinterteilen, Verseilen und Biegen und insbesonde­re für das Ziehen von strangförmigem Umformgut, wie Draht, Profilen und Rohren.

[0002] Beim Gesenkschmieden von metallischem Umformgut werden Schmiermittel verwendet, die zur Erzielung einer Trenn­wirkung zwischen Umformgut und Werkzeug dienen, den Werk­zeugverschleiß verringern und zur Kühlung des Werkzeugs beitragen. Als Schmiermittel sind u.a. solche auf Wasser­grundlage bekannt.

[0003] Eines dieser bekannten Schmiermittel enthält in Wasser Adipinsäure, Alkali- oder Erdalkalihydroxid, herkömmliche Schmiermittel-Additive und für bestimmte Einsatzfälle Graphit (DE-A-30 13 842). Beim Warmschmieden erfolgt Um­setzung der Adipinsäure mit dem Alkali- oder Erdalkali­hydroxid zu Adipinsäuresalzen, die den hauptsächlichen Schmierstoff darstellen. Dieses Schmiermittel ist mit dem Mangel behaftet, daß es ohne Graphitzusatz nicht für schwere Umformbedingungen verwendet werden kann, bei denen die Werkzeuge besonders hoch beansprucht werden und eine gute Schmierung erforderlich ist, da die Adipinsäuresalze infolge ihres relativ niedrigen Schmelzpunktes nicht hoch belastbar sind. Der für solche Bedingungen notwendige Graphitzusatz führt andererseits zu einer Verteuerung des Schmiermittels, bewirkt eine Verschlechterung der Trenn­wirkung des Schmiermittels zwischen Werkzeug und Umformgut und führt zu Umweltproblemen durch Schadstoffemission und Verschmutzung des Arbeitsplatzes.

[0004] Für das Aufbringen von Schmiermittelschichten für die Kaltumformung, die entweder direkt auf das metallische Gut oder auf vorher aufgetragene Schmiermittelträgerschichten aufgebracht werden, ist eine Vielzahl von Schmiermitteln bekannt, u.a. auch solche, die in Wasser einen oder mehre­re Schmierstoffe enthalten.

[0005] Eines dieser Schmiermittel besteht aus einer wässerigen Suspension, die Calcium-, Magnesium-, Aluminium- und/oder Bariumstearat als Schmierstoff enthält. Daneben sind in dieser Suspension noch grenzflächenaktive Mittel als Dis­pergiermittel, eine Ligninverbindung als Dispersionssta­bilisator sowie Chlorparaffine und/oder sulfuriertes Fettöl enthalten. Die Anwendung dieses Schmiermittels er­folgt in der Weise, daß das Ziehgut in erwärmtes Schmiermittel getaucht, danach getrocknet und anschließend umgeformt wird. Diese Schmiermittelüberzüge besitzen keine sehr große dynamische Viskosität, so daß bei schwer um­formbaren Werkstoffen nur relativ niedrige Umformgeschwin­digkeiten und Umformgrade realisiert werden können. Infol­ge der außerdem vorhandenen niedrigen Wärmebeständigkeit und des zu geringen Druckaufnahmevermögens während der Belastung bei der Umformung lassen sich Werkstoffe mit großer spezifischer Umformwärme nicht oder nur mit erhöh­tem technischem Aufwand mit diesem Schmiermittel umformen. Auch sind mehrere Umformstufen mit nur einem Schmiermit­telauftrag aufgrund der niedrigen dynamischen Viskosität und einer ungenügenden Haftung des Schmiermittels auf dem Ziehgut kaum erreichbar. Nachteilig ist schließlich, daß eine breite Variation der dynamischen Viskosität des Schmiermittels nicht möglich ist. Dadurch läßt sich der Oberflächenzustand des Ziehgutes im Ergebnis der Umformung nicht ausreichend materialspezifisch einstellen und es ist nur eine ungenügende Anpassung des Schmiermittels an die Belastung während der Umformung gegeben.

[0006] Es ist auch bereits ein wässeriges Schmiermittel bekannt, welches wasserlösliche Alkaliseifen und Pyrophosphat ent­hält (DE-A-1 594 502; US-A-3 313 728). In Verbindung mit in Wasser unlöslichen Seifen, z.B. Erdalkaliseifen, ist der Einsatz von Pyrophosphat nicht möglich, da sich die Erdalkaliseifen mit dem Pyrophosphat umsetzen und ein instabiles, als Schmiermittel unbrauchbares Produkt, re­sultiert. So erstarren wässerige Schmiermittel auf der Basis von Calciumstearat und löslichem Pyrophosphat in Abhängigkeit von der Konzentration innerhalb von Stunden bis Tagen zu einem festen Gel.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine hoch­leistungsfähige Warm- und Kaltumformung geeignete, um­weltfreundliche, langzeitstabile und billige Schmiermittel zu schaffen, welche eine gute Haftfähigkeit und ein hohes Druckaufnahmevermögen bzw. eine hohe und variierbare dyna­mische Viskosität besitzen und die damit eine wirtschaft­liche Herstellung qualitativ hochwertiger Erzeugnisse bei geringem Werkzeugverschleiß ermöglichen.

[0008] Die Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die abhän­gigen Patentansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

[0009] Das erfindungsgemäße Schmiermittel für die Umformung me­tallischer Werkstoffe, bei dem Schmierstoffkomponenten in Wasser dispergiert und gelöst sind, ist dadurch gekenn­zeichnet, daß

(A) 0,01 bis 15 Masse-% Erdalkaliseifen,

(B) 0,05 bis 15 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat,

(C) 0 bis 14 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat,

(D) 0 bis 10 Masse-% polymere organische Verbindungen und

(E) 0,005 bis 10 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-Wert über 6,9 und bei Temperaturen unter 95 °C entstandene Reaktionsprodukte der Kompo­nenten A bis D

enthalten sind, wobei die Summe der Anteile der Kompo­nenten A bis E kleiner als 35 Masse-% ist.

[0010] Dieses Schmiermittel eignet sich insbesondere für die Kaltumformung metallischer Werkstoffe.

[0011] Vorzugsweise sind beim oben definierten erfindungsgemäßen Schmiermittel, das in dieser Zusammsetzung besonders für die Kaltumformung geeignet ist, 2 bis 8 Masse-% Erdalkali­seifen A, 0,2 bis 1,5 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 3 bis 6 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C und 0,1 bis 0,8 Masse-% polymere organische Verbindungen enthal­ten.

[0012] Nach einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung dieses Schmiermittels sind 2 bis 8 Masse-% Erdalkaliseifen A, 1,2 bis 8 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 0 bis 0,5 Mas­se-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C und 0 bis 2,5 Masse-% polymere organische Verbindungen D enthalten.

[0013] Ein erfindungsgemäßes, speziell für die Warmumformung me­tallischer Werkstoffe geeignetes Schmiermittel, bei dem Schmierstoffkomponenten in Wasser dispergiert und gelöst sind, ist dadurch gekennzeichnet daß,

(A) 0,25 bis 10 Masse-% Erdalkaliseifen,

(B) 0,05 bis 3 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat,

(C) 0,05 bis 8 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat,

(D) 0,01 bis 2 Masse-% polymere organische Verbindungen und

(E) 0,005 bis 8 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-­Wert über 6,9 und bei Temperaturen unter 80 °C entstandene Reaktionsprodukte der Komponenten A bis D

enthalten sind, wobei die Summe der Anteile der Komponen­ten A bis E kleiner als 20 Masse-% ist.

[0014] Vorzugsweise sind bei diesem Schmiermittel für die Warm­umformung 0,5 bis 6 Masse-% Erdalkaliseifen A, 0,5 bis 3 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 1 bis 7 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C und 0,15 bis 0,5 Masse-% polymere organische Verbindungen enthalten.

[0015] Als Erdalkaliseifen A können erfindungsgemäß Kalkseifen mit einem erhöhten Stearat-Gehalt von bis zu 65 Masse-% und als Alkaliborat B Natriumtetra- oder Natriummetaborat verwendet werden.

[0016] Als Alkaliphosphat C wird erfindungsgemäß vorzugsweise Natriumpolyphosphat eingesetzt, insbesondere Grahamsches Salz.

[0017] Geeignete polymere organische Verbindungen D sind insbe­sondere Polyvinylalkohol, oxidativ modifizierter Poly­vinylalkohol, verkleisterte Stärke und/oder Nonylphenol-­Polyethylenoxid-Addukte.

[0018] Bei den enthaltenen Reaktionsprodukten E handelt es sich insbesondere um

a) Produkte von Reaktionen der Erdalkaliseifen A mit dem Alkali- oder Ammoniumborat B in teilweiser nichtstö­chiometrischer Zusammensetzung,

b) Produkte einer teilweisen oder vollständigen Hydrolyse von Natriumpolyphosphat,

c) Produkte von Reaktionen der Erdalkaliseifen A mit den Produkten b),

d) Produkte von Reaktionen der Produkte b) mit dem Alkali- oder Ammoniumborat B,

e) Produkte von Reaktionen der Erdalkaliseifen A mit den Produkten d),

f) Produkte von Reaktionen der Produkte b) mit den polyme­ren organischen Verbindungen D,

g) Produkte von Reaktionen des Alkali- oder Ammoniumborats B mit den polymeren organischen Verbindungen D und

h) Produkte von Reaktionen der Produkte b) mit den Produk­ten g).

[0019] Mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel werden bei der Warmumformung gegenüber der bisher üblichen Verfahrenswei­se, bei der mit einer Graphitdispersion gearbeitet wird, erhebliche Vorteile erzielt. So werden infolge des Weg­falls der Graphitverschmutzungen die Arbeitsbedingungen und der Umweltschutz wesentlich verbessert. Durch die sehr guten Schmiereigenschaften wird außerdem die Werkzeug­standzeit wesentlich höher. Die sehr guten umformtechni­schen Eigenschaften des Schmiermittels ergeben sich in überraschender Weise wahrscheinlich durch eine auf dem Werkzeug stattfindende teilweise thermische Zersetzung der im Schmiermittel enthaltenen Bestandteile unter Bildung saurer reaktiver Zersetzungsprodukte, die offenbar eine günstige Kombination von Schmier- und Treibwirkung in der Wirkfuge zwischen Werkstück und Werkzeug, verbunden mit einer günstigen thermischen Isolation, ergeben.

[0020] Die erfindungsgemäßen Schmiermittel sind mit billigen Rohstoffen herstellbar und wirken sich dadurch günstig auf die Wirtschaftlichkeit der Umformung metallischer Erzeug­nisse aus. Vorteilhaft ist auch, daß die Schmiermittel auch bei längerer Lagerung weder zum Absetzen noch zur Gelbildung neigen.

[0021] Für die Kaltumformung lassen sich mit den erfindungsgemä­ßen Schmiermitteln haftfeste und hochleistungsfähige Schmierstoffschichten erzeugen. Damit wird der Werkzeug­verschleiß gesenkt und die Erzeugnisqualität verbessert und es können hohe Umformgrade und Umformgeschwindigkeiten realisiert werden. Ferner können Zwischenbeschichtungen zwischen einzelnen Umformstufen weitestgehend eingespart werden.

[0022] Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­spielen näher erläutert.

Beispiel 1

[0023] Das Beispiel betrifft ein Schmiermittel für das Gesenk­schmieden. Das Schmiermittel enthält in Wasser
1,6 Masse-% Calciumstearat,
0,16 Masse-% Natriumtetraborat,
1,3 Masse-% Natriumpolyphosphat,
0,05 Masse-% Alkylphenolpolyglycolether und
0,3 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-Wert von 8 und einer Temperatur von 25 °C entstandene Re­aktionsprodukte der vorgenannten Komponenten.

[0024] Mit diesem Schmiermittel werden auf etwa 1250 °C erwärmte St 52-Barren im Gesenk geschmiedet. Hierbei wird das Schmiermittel auf die Arbeitsflächen des Werkzeuges auf­getragen. Das Auftragen wird mit Hilfe von Sprühdüsen und in Form eines Luft-Schmiermittel-Strahls vorgenommen. Da­bei kann zur Beeinflussung der Temperatur des Werkzeugs die aufgesprühte Schmiermittelmenge bzw. das Luft-Schmier­mittel-Verhältnis variiert werden. Vorteilhaft wird der Sprühdruck so hoch gewählt, daß mit dem Sprühstrahl etwaige am Werkzeug befindliche Zunderteilchen entfernt werden. Vor dem erstmaligen Auftragen des Schmiermittels und auch nach einer Reihe von Umformvorgängen kann das Werkzeug einer Behandlung mit einem Schmiermittelträger unterworfen werden, beispielsweise durch Tauchen in eine Borax- oder Phosphatlösung.

Beispiel 2

[0025] Das Beispiel betrifft ein Schmiermittel für das Drahtzie­hen. Das Schmiermittel enthält in Wasser
4,5 Masse-% Calciumstearat,
0,4 Masse-% Natriumtetraborat,
3,8 Masse-% Natriumpolyphosphat und
0,5 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-Wert von 8 und einer Temperatur von 35 °C entstandene Reaktions­produkte der vorgenannten Komponenten.

[0026] Mit diesem Schmiermittel wird 3,5 mm dicker Stahldraht der Güte M7 im Durchlaufverfahren beschichtet. Nach dem Be­schichten wird der Draht getrocknet und in 7 Zügen ohne eine Schmiermittel-Zwischenbeschichtung an 1,2 mm gezogen.

Beispiel 3

[0027] Das Beispiel betrifft ein Schmiermittel für das Draht­ziehen. Das Schmiermittel enthält in Wasser
5 Masse-% Calciumstearat,
2,5 Masse-% Natriumtetraborat,
1,5 Masse-% Polyvinylalkohol und
0,6 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-Wert von 8,5 und einer Temperatur von 45 °C entstandene Reaktions­produkte der vorgenannten Komponenten.

[0028] Mit diesem Schmiermittel wird 1,2 mm dicker, mit einer an­organischen Trägerschicht versehener Stahldraht der Güte C 15 Q in einer Naßziehmaschine in 15 Zügen an 0,3 mm ge­zogen.

Ansprüche

1. Schmiermittel für die Umformung metallischer Werkstof­fe, bei dem Schmierstoffkomponenten in Wasser dis­pergiert und gelöst sind, dadurch gekennzeichnet, daß
(A) 0,01 bis 15 Masse-% Erdalkaliseifen,
(B) 0,05 bis 15 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat,
(C) 0 bis 14 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat,
(D) 0 bis 10 Masse-% polymere organische Verbindun­gen und
(E) 0,005 bis 10 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-Wert über 6,9 und bei Temperaturen unter 95 °C entstandene Reaktionsprodukte der Kom­ponenten A bis D
enthalten sind, wobei die Summe der Anteile der Kompo­nenten A bis E kleiner als 35 Masse-% ist.

2. Schmiermittel nach Anspruch 1 für die Warmumformung me­tallischer Werkstoffe, bei dem Schmierstoffkomponenten in Wasser dispergiert und gelöst sind, dadurch gekenn­zeichnet, daß (A) 0,25 bis 10 Masse-% Erdalkaliseifen,
(B) 0,05 bis 3 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat,
(C) 0,05 bis 8 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat,
(D) 0,01 bis 2 Masse-% polymere organische Verbindun­gen und
(E) 0,005 bis 8 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-Wert über 6,9 und bei Temperaturen unter 80 °C entstandene Reaktionsprodukte der Kom­ponenten A bis D
enthalten sind, wobei die Summe der Anteile der Kompo­nenten A bis E kleiner als 20 Masse-% ist.

3. Schmiermittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß 0,5 bis 6 Masse-% Erdalkaliseifen A, 0,5 bis 3 Mas­se-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 1 bis 7 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C und 0,15 bis 0,5 Masse-% polymere organische Verbindungen enthalten sind.

4. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 8 Masse-% Erdalkaliseifen A, 0,2 bis 1,5 Mas­se-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 3 bis 6 Masse-% Al­kali- oder Ammoniumphosphat C und 0,1 bis 0,8 Masse-% polymere organische Verbindungen D enthalten sind.

5. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 8 Masse-% Erdalkaliseifen A, 1,2 bis 8 Mas­se-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 0 bis 0,5 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C und 0 bis 2,5 Masse-% polymere organische Verbindungen D enthalten sind.

6. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Erdalkaliseifen A Kalkseifen mit einem erhöhten Stearat-Gehalt von bis zu 65 Masse-% enthalten sind.

7. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkaliborat B Natriumtetra- oder Natriummetaborat enthalten ist.

8. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkaliphosphat C Natriumpoly­phosphat, vorzugsweise Grahamsches Salz, enthalten ist.

9. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als polymere organische Verbindun­gen D Polyvinylalkohol, oxidativ modifizierter Poly­vinylalkohol, verkleisterte Stärke und/oder Nonylphe­nol-Polyethylenoxid-Addukte enthalten sind.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.

1. Schmiermittel für die Umformung metallischer Werkstof­fe, die in Wasser dis­pergiert oder gelöst (A) Erdalkaliseifen und (B) Alkali- oder Ammoniumborat und gegebenenfalls (C) Alkali- oder Ammoniumphosphat sowie gegebenenfalls (D) polymere organische Verbindungen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß sie

0,01 bis 15 Masse-% Erdalkaliseifen A,
0,05 bis 15 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat B,
0 bis 14 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C,
und
0 bis 10 Masse-% polymere organische Verbindun­gen D sowie
0,005 bis 10 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-Wert über 6,9 und bei Temperaturen unter 95 °C entstandene Reaktionsprodukte E der Kom­ponenten A bis D
enthalten, wobei die Summe der Anteile der Kompo­nenten A bis E kleiner als 35 Masse-% ist.

2. Schmiermittel nach Anspruch 1 für die Warmumformung me­tallischer Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß sie

0,25 bis 10 Masse-% Erdalkaliseifen A,
0,05 bis 3 Masse-% Alkali- oder Ammoniumborat B,
0,05 bis 8 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C,
0,01 bis 2 Masse-% polymere organische Verbindungen D
und
0,005 bis 8 Masse-% in wässeriger Lösung bei einem pH-Wert über 6,9 und bei Temperaturen unter 80 °C entstandene Reaktionsprodukte E der Kom­ponenten A bis D
enthalten, wobei die Summe der Anteile der Kompo­nenten A bis E kleiner als 20 Masse-% ist.

3. Schmiermittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,5 bis 6 Masse-% Erdalkaliseifen A, 0,5 bis 3 Mas­se-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 1 bis 7 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C und 0,15 bis 0,5 Masse-% polymere organische Verbindungen D enthalten.

4. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 2 bis 8 Masse-% Erdalkaliseifen A, 0,2 bis 1,5 Mas­se-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 3 bis 6 Masse-% Al­kali- oder Ammoniumphosphat C und 0,1 bis 0,8 Masse-% polymere organische Verbindungen D enthalten.

5. Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 2 bis 8 Masse-% Erdalkaliseifen A, 1,2 bis 8 Mas­se-% Alkali- oder Ammoniumborat B, 0 bis 0,5 Masse-% Alkali- oder Ammoniumphosphat C und 0 bis 2,5 Masse-% polymere organische Verbindungen D enthalten.

6. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Erdalkaliseifen A Kalkseifen mit einem erhöhten Stearat-Gehalt von bis zu 65 Masse-% enthalten.

7. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Alkaliborat B Natriumtetra- oder Natriummetaborat enthalten.

8. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkaliphosphat C Natriumpoly­phosphat, vorzugsweise Grahamsches Salz, enthalten.

9. Schmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als polymere organische Verbindun­gen D Polyvinylalkohol, oxidativ modifizierten Poly­vinylalkohol, verkleisterte Stärke und/oder Nonylphe­nol-Polyethylenoxid-Addukte enthalten.