Schmiermittelträgersalz für die Metallumformung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Schmiermittelträgersalz zur Erleichterung der Kaltumformung von Werkstücken aus Eisen oder Stahl auf Basis Borsäure und/oder Alkaliborat sowie ein Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von Werkstücken aus Eisen oder Stahl mit Hilfe dieses Schmiermittelträgersalzes.

[0002] Es ist bekannt, die Kaltumformung von metallischen Werkstücken durch Verwendung von fettsauren Salzen (Seifen) zu erleichtern. Diese werden häufig in Form heißer, wäßriger Seifenlösungen auf die umzuformenden Werkstücke aufgebracht. In manchen Fällen, insbesondere wenn schwere Verformungsoperationen durchgeführt werden sollen, pflegt man vor der Aufbringung des Schmiermittels einen chemischen Überzug auf die Metalloberfläche aufzubringen, z.B. einen Phosphat-, Oxid-, Oxalat- oder Sulfidüberzug. In beiden Fällen, d.h. bei Aufbringung des Schmiermittels auf das blanke Werkstück oder auf das zuvor mit einem chemischen Überzug versehene Werkstück, soll das Schmiermittel einen gleichmäßigen Film ausbilden, der eine gute Trennschicht zwischen Werkstück und Werkzeug während der Umformungsbehandlung bildet.

[0003] Neben der Applikation von Seifen auf blanke oder zuvor mit einem Konversionsüberzug versehene Werkstücke ist es auch bekannt, Schmiermittel zur Erleichterung der Kaltumformung einzusetzen, die ein Gemisch aus fettsauren Salzen und Alkalipyrophosphat und/oder Alkalitetraborat darstellen (DE-A-1 594 512). Hierbei soll ein Teil der Seifen fettsaures Salz von Lithium, Kalium, Ammonium, Calcium, Mangesium, Zink und/oder Aluminium sein.

[0004] Auch sind Schmiermittel bekannt, die aus Neutralfett und/oder Öl, Alkalimetallseife sowie Alkalimetallsalz von Borsäure bestehen (DE-B-23 30 806), Alkaliborat, Alkalisulfat und Silikat sowie Chlorid enthalten (GB 1 561 836) oder aber einen Gehalt an wasserlöslicher Metallseife, Alkalimetallchlorid, Alkalimetallsulfat und Alkalimetallborat aufweisen (GB-A-2 003 923).

[0005] Weiterhin ist es bekannt, auf metallische Werkstücke sogenannte Schmiermittelträgersalze aufzubringen, die selbst nicht als Schmiermittel wirken, sondern eine Nachbehandlung z.B. durch Beseifung an der Ziehmaschine erfahren. Derartige Schmiermittelträgersalze sind beispielsweise Kalk (Ca(OH)₂), Eisenhydroxid (Fe(OH)₂) und Borax (Na₂B₄O₇ · 10 H₂O) (D. Oppen "Chemische Oberflächenbehandlung als Mittel zur Erleichterung der Kaltumformung", Metalloberfläche (1982), Seiten 566 ff).

[0006] Insbesondere Borax erlaubt zwar eine hohe Ziehgeschwindigkeit. Nachteilig ist jedoch seine Hygroskopizität, so daß die Ziehfähigkeit, z.B. des Drahtes, abfällt und eine Rostbildung auf der Drahtoberfläche festzustellen ist. Der Grund für den Verlust an Ziehfähigkeit ist der mit der steigenden Wasseraufnahme verbundene Abfall der Haftung. Ein weiteres Problem liegt in der anschließenden Trocknung. Wird z.B. der Draht übertrocknet, d.h. wird aus dem aufgebrachten Borax das Kristallwasser ganz oder auch nur teilweise ausgetrieben, verliert die Boraxschicht ihre Haftung zum Draht. Die Ziehfähigkeit ist damit nicht mehr gegeben.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schmiermittelträgersalz zur Erleichterung der Kaltumformung von Werkstücken aus Eisen oder Stahl auf Basis Borsäure und/oder Alkaliborat bereitzustellen, das die Nachteile der bekannten Schmiermittelträgersalze nicht aufweist, insbesondere unempfindlich gegenüber dem Trockenprozeß ist und nach der Applikation nicht bzw. nur geringfügig hygroskopisch ist.

[0008] Die Aufgabe wird gelöst, indem das Schmiermittelträgersalz der eingangs genannten Art entsprechend der Erfindung derart weitergebildet wird, daß es einen Gehalt an aliphatischer Di- oder Tricarbonsäure, die entweder nicht substituiert oder durch mindestens eine OH-Gruppe substituiert ist, und/oder ein Alkalisalz hiervon aufweist, wobei das Gewichtsverhältnis von Borsäure/Alkaliborat (berechnet als H₃BO₃) zu Carbonsäure (berechnet als Zitronensäure) (5 bis 15) : 1 beträgt.

[0009] Die vorstehend verwendete Formulierung "aliphatische Di- oder Tricarbonsäure, die entweder nicht substituiert oder durch mindestens eine OH-Gruppe substituiert ist" bedeutet, daß die verwendete Carbonsäure mindestens eine substituierbare CH₂- oder CH-Gruppe aufweisen muß.

[0010] Besonders geeignete Di- bzw. Tricarbonsäuren sind Malonsäure, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Weinsäure und/oder Zitronensäure. Insbesondere sollten die im erfindungsgemäßen Schmiermittelträgersalz zum Einsatz gelangenden Carbonsäuren einen Schmelzpunkt oberhalb 100°C aufweisen.

[0011] Um die Filmdicke des aufgebrachten Schmiermittelträgersalzes innerhalb bestimmter Grenzen einstellen zu können, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, ein Schmiermittelträgersalz einzusetzen, das einen zusätzlichen Gehalt an anorganischem oder organischem Verdickungsmittel, vorzugsweise in Mengen von 0,5 bis 5 Gew.% (bezogen auf das fertig formulierte Schmiermittelträgersalz), aufweist. Besonders geeignete Verdickungsmittel sind Bentonit und/oder Polysaccharid.

[0012] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, ein Schmiermittelträgersalz aufzubringen, das einen zusätzlichen Gehalt an Aluminat und/oder Silikat, vorzugsweise von Metasilikat und/oder Disilikat, in Mengen von 1 bis 10 Gew.% (bezogen auf das fertig formulierte Schmiermittelträgersalz) aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß das auf das Werkstück aufgebrachte Schmiermittelträgersalz eine definierte Rauhigkeit erhält und damit eine definierte Schmiermittelmenge in das Umformungswerkzeug transportiert.

[0013] Schließlich ist es von Vorteil, auf die Werkstücke ein Schmiermittelträgersalz zu applizieren, das einen zusätzlichen Gehalt an Dispergier-, Gleit- und/oder Rostschutzmitteln, vorzugsweise Seife, in einer Gesamtmenge von 2 bis 15 Gew.% (bezogen auf das fertig formulierte Schmiermittelträgersalz) und/oder einen zusätzlichen Gehalt an Titansalz, vorzugsweise an Titanphosphat, in Mengen von 10 bis 100 mg/kg Schmiermittelträgersalz (berechnet als Titan) besitzt. Die besonderen Vorzüge derartiger Zusätze bestehen darin, daß der Kontakt Werkstück/Werkzeug besonders effektiv verhindert wird.

[0014] Die erfindungsgemäßen Schmiermittelträgersalze werden üblicherweise in Form einer wäßrigen Lösung oder Dispersion auf die Werkstücke aufgebracht. Demzufolge ist Bestandteil der Erfindung ein Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von Werkstücken aus Eisen oder Stahl, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Schmiermittelträgersalz aus einer wäßrigen Lösung oder Dispersion mit einer Konzentration von 5 bis 30 Gew.% und mit einer Temperatur von 80 bis 100°C im Tauchen oder Durchlaufverfahren aufgebracht wird.

[0015] Die Applikation des Schmiermittelträgersalzes kann auf die blanke Metalloberfläche erfolgen. Besonders zweckmäßig ist es jedoch entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, vor der Aufbringung das Schmiermittelträgersalzes die Werkstücke aus Eisen oder Stahl mit einem Phosphatüberzug zu versehen. Hierdurch wird z.B. bei Mehrfachzügen ein Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug wirksam verhindert.

[0016] Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Drahtzug, zum Kaltstauchen, zum Fließpressen und zum Abstreckziehen. Ihre besonderen Vorzüge liegen darin, daß das auf die Werkstücke aufgebrachte Schmiermittelträgersalz unempfindlich gegenüber einer Übertrocknung ist und praktisch keine hygroskopischen Eigenschaften zeigt. Die maximale Wasseraufnahme nach der erfolgten Trocknung beträgt 2 Gew.%.

[0017] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele beispielsweise und näher erläutert.

Beispiel 1

[0018] Zum Einsatz gelangte ein Schmiermittelträgersalz, das folgende Bestandteile aufwies:

50

Gew.% Borsäure (H₃BO₃)

15

Gew.% Kaliumborat (K₂B₄O₇·4H₂O)

10

Gew.% Natriumborat (Neobor, Na₂B₄O₇·5H₂O)

5

Gew.% Natriumdisilikat (Na₂Si₂O₅·xH₂O)

10

Gew.% Zitronensäure

10

Gew.% Natriumstearat.

[0019] Aus dem vorstehend genannten Schmiermittelträgersalz wurde eine 15 Gew.%ige wäßrige Lösung hergestellt, in der Bunde aus Stahldraht bei einer Temperatur von 90°C 10 min im Tauchen behandelt wurden. Im Anschluß an die Tauchbehandlung erfolgte eine Trocknung bei 150°C im Umluftofen. Der Stahldraht hatte aufgrund der genannten Vorbehandlung eine Schmiermittelträgersalzauflage mit einem Schichtgewicht von 6 g/m². Nach dem Auftrag von Seife vor dem Ziehstein wurde der Draht, der einen anfänglichen Durchmesser von 5,5 mm hatte, in acht Zügen mit einer Ziehgeschwindigkeit von 8 m/sec auf einen Enddurchmesser von 1,9 mm umgeformt. Diese Ergebnisse wurden bei wechselnden Lagerzeiten des mit dem Schmiermittelträgersalz beschichteten Drahtes und teilweiser Übertrocknung reproduzierbar erreicht.

Beispiel 2

[0020] Zur Vorbereitung von ebenfalls Stahldrähten wurde ein Schmiermittelträgersalz eingesetzt, das folgende Bestandteile enthielt:

40

Gew.% Borsäure (H₃BO₃)

35

Gew.% Kaliumborat (K₂B₄O₇·4H₂O)

2,9

Gew.% Natriumdisilikat (Na₂Si₂O₅·xH₂O)

10

Gew.% Zitronensäure

0,1

Gew.% Titanylsulfat

5

Gew.% Polysaccharid

7

Gew.% Kaliumoleat.

[0021] Vor der Aufbringung des Schmiermittelträgersalzes war der Stahldraht im Tauchen mit Hilfe von Salzsäure von Rost und Zunder befreit und nach gründlicher Wasserspülung 6 bis 10 min bei 45°C phosphatiert worden. Die Zusammensetzung der Phosphatierungslösung betrug:

10,9

g/l Zink,

2,1

g/l Mangan,

2,0

g/l Eisen(II),

0,5

g/l Calcium,

0,5

g/l Nickel,

0,01

g/l Kupfer,

0,3

g/l Natrium,

24,0

g/l Nitrat,

10,6

g/l Phosphat (berechnet als P₂O₅),

1,6

g/l Tetrafluoroborat,

1,6

g/l Weinsäure und

0,5

g/l Harnstoff.

[0022] Das mit der Phosphatierungslösung erzeugte Flächengewicht des Phosphatüberzuges betrug 10 g/m².

[0023] Die Applikation des Schmiermittelträgersalzes erfolgte aus einer 25 Gew.%igen, auf 90°C erwärmten Lösung im Durchlaufverfahren, wobei die Kontaktdauer zwischen Stahldraht und Lösung des Schmiermittelträgersalzes 15 sec betrug. Das auf diese Weise aufgebrachte Schmiermittelträgersalz hatte ein Gewicht von 4 g/m².

[0024] Anschließend wurde der Stahldraht nach Seifenauftrag vor dem Ziehstein in sechs Zügen mit 6 m/sec von anfänglich 6 mm auf 3,5 mm umgeformt. Auch hier wurden bei unterschiedlichen Lagerzeiten und teilweiser Übertrocknung reproduzierbare Ergebnisse erzielt.

Ansprüche

1. Schmiermittelträgersalz zur Erleichterung der Kaltumformung von Werkstücken aus Eisen oder Stahl auf Basis Borsäure und/oder Alkaliborat, gekennzeichnet durch einen Gehalt an aliphatischer Di- oder Tricarbonsäure, die entweder nicht substituiert oder durch mindestens eine OH-Gruppe substituiert ist, und/oder an Alkalisalzen hiervon, wobei das Gewichtsverhältnis von Borsäure/Alkaliborat (berechnet als H₃BO₃) zu Carbonsäure (berechnet als Zitronensäure) (5 bis 15) : 1 beträgt.

2. Schmiermittelträgersalz nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Malonsäure, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Weinsäure und/oder Zitronensäure.

3. Schmiermittelträgersalz nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an anorganischem oder organischem Verdickungsmittel, vorzugsweise in Mengen von 0,5 bis 5 Gew.% (bezogen auf das fertig formulierte Schmiermittelträgersalz).

4. Schmiermittelträgersalz nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Bentonit und/oder Polysaccharid als Verdickungsmittel.

5. Schmiermittelträgersalz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Aluminat und/oder Silikat, vorzugsweise Metasilikat und/oder Disilikat, in Mengen von 1 bis 10 Gew.% (bezogen auf das fertig formulierte Schmiermittelträgersalz).

6. Schmiermittelträgersalz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Dispergier-, Gleit- und/oder Rostschutzmitteln, vorzugsweise an Seife, in einer Gesamtmenge von 2 bis 15 Gew.% (bezogen auf das fertig formulierte Schmiermittelträgersalz).

7. Schmiermittelträgersalz nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an Titansalz, vorzugsweise an Titanphosphat, in Mengen von 10 bis 100 mg/kg Schmiermittelträgersalz (berechnet als Titan).

8. Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von Werkstücken aus Eisen oder Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittelträgersalz gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 aus einer wäßrigen Lösung oder Dispersion mit einer Konzentration von 5 bis 30 Gew.% und mit einer Temperatur von 80 bis 100°C im Tauchen oder Durchlaufverfahren aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Werkstücken aus Eisen oder Stahl vor der Aufbringung des Schmiermittelträgersalzes ein Phosphatüberzug erzeugt wird.