Hochtemperaturschmiermittel auf Phosphatbasis für die
Warmverformung von Metallen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochtemperaturschmiermittel auf Phosphatbasis, das bei der Warmverformung von Metallen, z. 13. beim Walzen, Pressen, Schmieden, Ziehen oder Stossen, Verwendung findet.
Zur Erhöhung der Standzeiten der formgebenden Werkzeuge bei der Warmverformung von Metallen hat sich die Verwendung eines Schmiermittels, das den Reibungswiderstand zwischen dem heissen zu verformenden Metall und dem Werkzeug verringert, als unumgänglich notwendig erwiesen, wobei dieses Mittel gleichzeitig als Schutzmittel gegenüber den besonders an den formgebenden Kanten und Flächen auftretenden Wärmestau wirken muss.
Als Schmiermittel für die Metallverformung bei sehr hohen Temperaturen und Drücken, wie sie beispielsweise beim Strangpressen von Stahl auftreten, kamen bisher im wesentlichen siliciumhaltige bzw. alkaliarme phosphorhaltige Gläser bestimmter Zusammensetzung zur Anwendung.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei der Schmierung mit Silicatgläsern ein relativ schneller Verschleiss der Verformungswerkzeuge eintritt, die Oberflächenbeschaffenheit der verformten Werkstücke oft Mängel aufweist und die vollständige Entfernung der Glasreste von der Oberfläche der verformten Werkstücke, speziell bei Hohlprofilen, aufwendige Beizprozesse mit Flusssäure notwendig macht.
Das bisher für das Strangpressen von Metallen beschriebene alkaliarme Phosphatglas, das, ausgedrückt in Mol-Prozenten, 9 bis 33 /o Alkalioxid, 16 bis 20 /0 Oxide zweiwertiger Metalle, 10 bis 200/0 Aluminiumoxid und 29 bis 61 0/o Phosphor-V-oxid enthält, kann, wie zahlreiche in der Praxis durchgeführte Versuche gezeigt haben, ebenfalls einen durch Materialaufbackungen und Verschweissungen eingeleiteten relativ raschen Verschleiss der Verformungswerkzeuge nicht verhindern.
Gleichfalls als Hochtemperaturschmiermittel beschriebene Gemische aus Phosphaten und Boraten bzw.
Sulfaten odr Chloriden, die schon bei relativ niedriger Temperatur eutektoide Schmelzen bilden, sind in ihrem Anwendungsbereich auf Temperaturen bis 1000 0C beschränkt und kommen daher z. B. für das Strangpressen von Stahl nicht ohne weiteres in Betracht.
Der Zweck, der durch die vorliegende Erfindung erreicht werden soll, ist die Beseitigung oder Verminderung der Mängel des Standes der Technik vor allem hinsichtlich einer wesentlichen Verringerung des Verschleisses der formgebenden Werkzeuge und einer damit verbundenen wesentlichen Erhöhung der Standzeiten dieser Werkzeuge bei der Warmverformung von Metallen.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Schmiermittel für die Warmverformung von Metallen zu finden, das sich für den Einsatz bei hohen Temperaturen eignet, eine einwandfreie Oberflächenbeschaffenheit der verformten Werkstücke gewährleistet und keine aufwendigen Nachbehandlungsprozesse erforderlich macht.
Dieses Ziel wurde durch das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Hochtemperaturschmiermittel auf Phosphatbasis für die Warmverformung von Metallen erreicht, das aus einem Gemisch von mindestens Ortho- oder kondensierten Phosphat von einem Alkalimetall und mindestens einem Metalloxid besteht.
Als kondensierte Phosphate bezeichnet man definitionsgemäss alle Phosphate, deren Anionen P-O-P Bindungen enthalten, zu ihnen gehören also Pyrophosphate, Polyphosphate mit Kettenlängen > 3, Metaphosphate mit ringförmigen Anionen und vernetzte Phosphate.
Als zweckmässig erwies sich ein Gemisch von Phosphaten und Metalloxiden, das, ausgedrückt in Mol Prozenten, 34 bis 49 O/o Phosphor-V-oxid, 34 bis 49 01o Alkalioxid, 0 bis 25 O/o Eisen-III-oxid und 0 bis 25 /o Aluminiumoxid enthält, wobei Eisen-III-oxid zusammen mit Aluminiumoxid weniger als 25 O/o ist.
Ferner kann das Gemisch noch maximal so viel Oxide zweiwertiger Metalle, vorzugsweise von Calcium, Magnesium, Barium, Eisen, Nickel oder Zink, enthalten, dass das molare Verhältnis MeIIO:(Fe203 + Al203) gleich oder kleiner als 2 ist. Ausser den bereits genannten dreiwertigen Metalloxiden kommt auch das Chromoxid (Crn03) in Betracht. Auch kann das Gemisch Oxidphasen enthalten, in denen das Metall sowohl im zwei- als auch im dreiwertigen Zustand auftritt, wie z. 13.
im Magnetit (Fe304).
Des weiteren zeigte sich, dass als Phosphatkompo- nente die Kaliumphosphate erheblich wirksamer sind als die Natriumphosphate, da der bei Verwendung letzterer resultierende Schmierfilm geringere wärmeisolierende Eigenschaften hat, was u.a. zur Erhöhung der Dorntemperatur beim Verformungsprozess führt.
Aus dem gleichen Grunde, d. h., um den Wärme übergang vom erhitzten Material auf die Verformungs- werkzeuge so gering wie möglich zu halten, ist es, wie Versuche gezeigt haben, zweckmässig, die Phosphatkomponente in Form von kondensierten Alkaliphosphate, z. B. als Kurrolsches Kaliumsalze KPO5, anstatt vor Orthophosphaten einzusetzen. So lässt sich beispielswei- se die Innenschmierung beim Pressen nahtloser Stahl rohre in bisher wirksamster Weise dadurch erreichen, dass man in die Bohrung des erhitzten Rohlings ein erfindungsgemässes Schmiermittelgemisch, beispielsweia se aus Eisen-III-oxid und Kurrolschem Kaliumsalz einführt.
Die hohe Temperatur des Rohlings bewirkt ein sehr rasches Aufschmelzen des hochmolekularen Kaliumpolyphosphates und dessen Reaktion mit dem Eisen-III-oxid, wobei das Eisenoxid einen weitgehenden Abbau der ursprünglich sehr langen Kettenanionen des Polyphosphats zu einem Gemisch kurzkettiger Kalium Eisen-Polyphosphate und -Orthophosphate bewirkt.
Diese Reaktion läuft während des Transports des Rohlings zur Strangpresse und mit grosser Wahrschein- lichkeit auch noch während des Verformungsvorgangs selbst ab. Auf jeden Fall kommt es bei diesem Reaktionsablauf zur Ausbildung eines tragstabilen, gut haftenden Schmiermittelfilms, der beim Pressen jeglichen Me.all-Metall-Kontakt verhütet und somit Materialauf backungen auf dem Dorn verhindert und die Ausbildung fehlerfreier Rohrinnenwandungen ermöglicht.
Durch Verwendung des Gemisches aus Je203 und KPO war es möglich, die Standzeiten der Dorne beim Pressen nahtloser Rohre und anderer Hohlprofile mit hohen Umformgraden auf ein Vielfaches gegenüber Pressungen mit Silicatgläsern bzw. alkaliarmen Phosphatgläsern als Schmiermittel zu erhöhen.
Von wesentlichem Einfluss auf die Schmiereigenschaften ist weiterhin das Kationen : Phosphor-Verhältnis im Schmiermittelgemisch, da dieses Verhältnis die mittlere Kettenlänge der bei der Reaktion mit den Metalloxiden gebildeten Polyphosphaten bestimmt. Die Ergebnisse der praktischen Erprobungen haben gezeigt, dass günstige Schmiereigenschaften resultieren, wenn das Verhältnis Kationen-Äquivalente : Phosphor im Ausgangsgemisch im Bereich von 2,60 bis 1,50 liegt, was einer mittleren Kettenlänge der bei der Ausbildung des Schmierfilms entstehenden Polyphosphate von n = 1,25 bis n = 4 entspricht.
Die Anwendung des erfindungsgemässen Schmiermittels kann am zweckmässigsten in pulverförmigem Zustand durch Auftragen auf das zu verformende Metall unmittelbar vor der Verformung erfolgen. Beim Erhitzen des Schmiermittels bis zur Schmelze erhält man ein Schmelzprodukt, das sowohl unmittelbar in flüssigem Zustand als auch nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur und Überführen in den pulverförmigen Zustand auf das zu verformende Metall aufgetragen werden kann.
Das erfindungsgemässe Hochtemperaturschmiermittel ist den Schmiermitteln des Standes der Technik deutlich überlegen. So werden durch das Schmiermittel der Verschleiss der formgebenden Werkzeuge wesentlich verringert, die Standzeiten dieser Werkzeuge, z. B. der Dorne beim Pressen nahtloser Rohre und anderer Hohlprofile mit hohen Umformgraden, um ein Vielfa- ches erhöht und der Wärmeübergang von dem erhitzten Metall auf das formgebende Werlçzeug während des Verformungsprozesses so gering wie möglich gehalten.
Als besonders vorteilhaft muss ausserdem erwähnt werden, dass es bei Verwendung des erfindungsgemäs- sen Schmiermittels nicht erforderlich ist, durch aufwendige Schutzgaserwärmungsanlagen die Ausbildung von Zunderschichten beim Erhitzen der Werkstücke völlig zu unterdrücken, da das erfindungsgemässe Schmiermittel in gewissem Umfang befähigt ist, die oxydischen Zunderschichten aufzulösen und in Stoffe mit Schmiermitteleigenschaften umzuwandeln.
Die vorliegende Erfindung soll durch folgende Beispiele noch näher erläutert werden, wobei die Erfindung aber nicht auf die Beispiele beschränkt ist.
Anwendungsbeispiele
1. Zum Strangpressen von insgesamt über 1000 Stück nahtloser Rohre und Rechteckprofile verschiedenster Dimensionen und Umformgrade wurde mit bestem Erfolg folgendes zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehörendes Hochtemperaturschmiermittel verwendet: Ein Gemisch von hochmolekularem Kalium- polyphosphat (sog.
Kurrolsches Kaliumsalz) und Eisen III-oxid im molaren Verhältnis KPOs: Fe203 = 5 : 1 (entspr. 78,71 Gew.-0Io KP0a, 21,29 Gew.-O/o Fe#Oa; entspr. 41,67 Mol-0/o Po05, 41,67 Mol-O/o K2O, 16,66 Mol-O/o Je203; Kationen-Äquivalente : Phosphor = 2,20).
Unter anderem wurden mit diesem Schmiermittel auch 38 Rohre der Abmessungen 45 x5 11,5 in lang und 61 Rohre der Dimensionen 42.5.... 10 m lang hergestellt. Die hierfür verwendeten Dorne befanden sich nach Durchführung sämtlicher Pressungen in einwandfreiem, unangegriftenem Zustande und konnten weiterhin verwendet werden.
Dagegen musste die Herstellung der gleichen Rohre bei Verwendung eines alkaliarmen Phosphatglases der Zusammensetzung¯ ausgedrückt in Mol-Prozenten - 27,4 /o PsOs, 6,9 /o BS031 18,9 O/o Au203, 7,2 ovo ZnO, 12,0 ovo MgO, 18,5 O/o Na#O und 9,1 0/o K9O, bereits nach 2 Pressungen abgebrochen werden, da starke Dornerwärmung und Materialaufbackung zu verzeichnen war, die zu einer raschen Zerstörung des Dorns geführt hätte.
2. Ahtniich gute Resultate wie mit dem Schmiermit- tel der Zusammensetzun KPO3 : Fe#O8 = 5:1 wurden bei der Produktion nahtloser Rohre mit Gemischen aus Kurrolschem Kaliumsalz und Oxiden folgender molarer Zusammensetzungen erhalten: KPO3: FQ#O3 = 9:1, 8:1, 7:1, 6:1, 11:2, 9:2 und 13:3; KPO3 : Al,03 = 6:1,5:1 und 4:1; KPO3 : Fe2O3 : Al2O3 = 12:1:1, 11:1:1, 10:1:1 und 9:1:1; : FeOi : CaO = 10: 1,5 1,5 und 10 : 1,5 : 3; KPO3 : Al2O3 : CaO = 10: 1,5 : 1,5 und 10 : 1,5 : 3; KPO3:
FeeO": FeO = 10 : 1,56 : 1,32 und 10 : 1,95 :1,65; KPO3: Fe2O3: FeO: Al2O3 = 10 : 0,78 : 0,66 : 1 und 10 : 0,98 : 0,83 1,25.
Die einzelnen Schmiermittel wurden jeweils in die Bohrung des erhitzten Rohlings eingeführt. Nach Abschluss der Charge war der verwendete Dorn immer noch in einwandfreiem und unangegriffenem Zustand und konnte für Pressungen weiterer Chargen ohne weiteres jederzeit wieder eingesetzt werden. Die Innenwandungen der nathlosen Rohre wiesen eine einwandfreie Oberfläche auf.