DE2430249A1

DE2430249A1 - Hochtemperaturschmierstoff fuer die heissumformung von metallen

Info

Publication number: DE2430249A1
Application number: DE2430249A
Authority: DE
Inventors: Norbert Ing Grad Aurin; Karlheinz Dr Rer Nat Dorn
Original assignee: Chemische Fabrik Budenhiem KG
Current assignee: Chemische Fabrik Budenhiem KG
Priority date: 1974-06-24
Filing date: 1974-06-24
Publication date: 1976-02-19
Also published as: DE2430249C3; DE2430249B2

Description

" Hochtemperaturschmierstoff für die Heißumformung von Metallen" Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Schmierstoffe für die Heißumformung von Metallen. Die hier beschriebenen Produkte erlauben einen universellen Einsatz beim Pressen, Walzen, Schmieden, Ziehen,Lochen und Stoßen und weisen bei Verformungsvorgängen, bei denen hohe Drucke und Temperaturen auftreten, eine ausgezeichnete Schmierwirkung auf.
Schmierstoffe, die für die o.a. Anwendungsbereiche infrage kommen, sollen den Reibungswiderstand zwischen dem heißen zu verformenden Metall und den Werkzeugen so weit senken, daß die Standzeit der Werkzeuge wirtschaftlich rentabel wird. Diese Problematik der Wirtschaftlichkeit kann bei harten und schwerverformbaren Stählen z.B. soweit gehen, daß die verwendeten Matrizen bereits nach wenigen# Pressungen ausgetauscht werden müssen. Ausgetauscht werden müssen Matrizen z.B. dann, wenn durch Abnutzungserscheinungen die Maßgenauigkeit von gepressten Rohren oder Profilen nicht mehr gewährleistet ist.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, Schmierstoffe für die Heißumformung von Metallen zu entwickeln. Es ist allgemein üblich, derartige Schmierstoffe auf die Werkzeuge, in bestimmten Fällen aber auch auf die zu verformenden Werkstücke,aufzubringen.
Allgemein bekannt ist heute die Verwendung von Schmierstoffen, die auf Basis von Graphit aufgebaut sind, In Kombination mit Mineralölen und anorganischen Salzen können dabei die dem Graphit eigenen Schmiereigenschaften noch verbessert werden.
Leider treten bei der Verwendung von im wesentlichen auf Graphit basierenden Schmierstoffen immer dann Schwierigkeiten auf, wenn durch die Art des Umformprozesses Teile dieser Schmierstoffe in das umzuformende Material gelangen können, Aufkohlungen führen dann zu mangelhaften Endprodukten, die nur mit großen Schwierigkeiten im Sinne des Herstellers weiterverarbeitet werden können oder die sogar verworfen werden müssen. Des weiteren können hochlegierte Werkstücke z-.B. auf Strangpressen mit diesen Schmierstoffen praktisch nicht verarbeitet werden.
Die Schwierigkeiten dieser Graphitschmierung haben deshalb zu vielen Überlegungen geführt, anstehende Schmierprobleme durch Verwendung geeigneterer Schmierstoffe zu lösen.
Man hat z.B. versucht, Rohstoffe aus dem Mineralbereich zu verwenden, die entweder in ihrer ursprünglichen Form nach bloßem Zerkleinern oder nach Sinterungs- oder Schmelzprozessen eingesetzt wurden. Weitere Stoffe, die überprüft wurden, waren Natriumkarbonat, Calciumfluorid, Calciumoxyd, Magnetit, Natriumchlorid, Eisenoxyd, Aluminiumoxyd, Kupferoxyd, Natriumborat usw.
Weiterhin ist bekannt, daß man versuchte, die angedeutete Problemstellung durch den Einsatz gewisser Schmelzprodukte und/oder Salzgemische auf Phosphatbasis zu lösen. Zum Stand der Technik gehören z.B. wasserlösliche Schmierstoffe auf Basis Alkaliphosphat/Alkaliborat in Form mechanischer Mischungen. Andere Hochtemperaturschmierstoffe bestehen aus Mischungen von Mono- und/oder kondensierten Phosphaten von Alkalimetallen, denen zur Schmierunterstützung bestimmte Metalloxyde, z.B. Zinkoxyd und Eisenoxyd zugesetzt werden.
Bekannt ist auch die Verwendung von Natrium/Kaliumphosphat-Gemischen, denen zur Unterstützung der Schmierwirkung gewisse Mengen eines oder mehrer# zwei- oder dreiwertiger Metalle insbesondere Magnesium, Zink oder Mangan oder Aluminium in Form ihrer Phosphatsalze zugesetzt werden. Zum Heißziehen von Metallen sind ferner Schmierstoffe bekannt, die aus Alkaliphosphatgläsern bestehen, die außerdem Bor bzw. Aluminium enthalten können. Auch der Einbau von Oxyden des dreiwertigen Chroms und/oder des dreiwertigen Eisens in derartige Natrium/ Kaliumphosphatgläser, die darüberhinaus auch noch Lithium enthalten können, ist bekannt. In bestimmten Fällen ist es auch bekannt, die Schmierwirkung von Phosphatgläsern durch den Einbau von Blei und/oder Bariumverbindungen zu verbessern.
Es ist ferner beschrieben worden, die Eigenschaften von Hochtemperaturschmierstoffen durch Zusatz von Metallfluoriden oder Sulfiden und/oder durch Zusatz von Graphit zu verbessern.
Bekannt und in weitem Umfang eingesetzt werden auch Schmierstoffe auf der Basis von Silikatgläsern, denen zur Verbesserung ihrer Schmiereigenschaften die vorerwähnten Zusatzstoffe beigegeben werden können, oder in die bereits im Verlaufe ihrer schmelztechnischen Produktion die vorerwähnten Zusatzstoffe eingeschmolzen werden können.
Hinsichtlich des Aufbringens der verschiedenen Hochtemperaturschmierstoffe haben sich in der Praxis verschiedene Variationen durchgesetzt. Beispielsweise kann der Hochtemperaturschmierstoff in Form einer wässrigen Dispersion auf Werkzeug und/oder Werkstück gesprüht oder gepinselt werden. Eine weitere Möglichkeit des Aufbringens besteht darin, die Schmierstoffdispersion durch Tauchen oder Begießen auf das Werkstück zu #ringen.
Will oder kann man nicht mit Dispersionen arbeiten, so besteht die Möglichkeit, den Hochtemperaturschmierstoff in pulverisierter Form in das Umformsystem einzubringen. Dies kann beispielsweise so geschehen, daß das umzuformende Werkstück mit dem Schmierstoff bepudert wird oder daß dieses Werkstück über eine mit dem Schmierstoff belegte Ebene rollt.
Der Sinn der vorliegenden Erfindung bestand nun darin, Schmierstoffe für die Hochtemperaturumformung von Metallen zu entwickeln, die die wirtschaftliche Umformung auch von hochlegierten Stählen in Strangpressen,Lochpressen, Stoßbänken, Freiformschmieden und Gesenkschmieden ermöglichen.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß Hochtemperaturschmierstoffe, die aus einem Schmelzprodukt von Phosphaten und Boraten der Alkalimetalle, Erdalkali- oder Schwermetalle oder Mischungen davon und einem die Schmierwirkung verbessernden Zusatzstoff, wie Zinksulfid, Calciumfluorid, Natriumchlorid oder Natriumzinkpolyphosphat oder Mischungen davon, bestehen, durch ein eine Treibwirkung auslösendes sich spontan zersetzendes oder verbrennendes organisches Produkt auf Basis von Zellulose,Stärke, Kunstharze oder Öl bzw. Mischungen davon sich wesentlich in ihrer Schmierwirkung durch Ausbildung einer zusätzlichen Gastrennschicht verbessern lassen.
Dabei kann das Alkaliphosphatborat-Schmelzprodukt zusammengesetzt sein aus 5 - 60 Gew, P205, 10 - 35 Bew.; Alkalioxyd und 5 - 35 Gew0% B203, sowie 0 - 25 Gew.% ZnO, 0 - 25 Gew.; A1203, 0 - 25 Gew.% PbO, 0 - 25 Gew,# MnO, 0 - 25 Gew.% Erdalkalioxyd oder Gemischen davon. Der die Schmierwirkung verbessernde Zusatz kann bestehen aus 1 - 25 Gew.% ZnS, 1 - 25 Gew.% CaF2, 1 - 25 Gew.% NaF, 1 - 70 Gew.; Graphit, 1 - 25 Gew.% NaCl oder 1 - 25 Gew.% Na-Zn-Polyphosphat in Form einer Komponente oder Gemischen davon. Die weitere Komponente, die aus einem eine Treibwirkung auslösenden praktisch rückstandsfrei sich zersetzenden organischen Produkt besteht, ist gekennzeichnet durch 5 - 70 Gew.% cellulosehaltigem Material, 5 - 70 GewOX stärkehaltigem Material, 5 - 70 Gew.% eines Materials auf Kunststoffbasis, 5 - 70 Gew.# Öl, 5 - 70 Gew.% Harzseifen, 5 - 70 Gew.% aliphatischen Alkoholen, 5 - 70 Gew0% Oxalaten oder 5 - 70 Gew.% Azo-Verbindungen, wobei die Komponenten einen oder im Gemisch zugesetzt werden können.
Durch den Zusatz des die Treibwirkung auslösenden, praktisch rückstandsfrei sich zersetzenden organischen Produktes zu der Ausgangsbasis, bestehend aus Phosphatboratglas und einei#,die Schmierung verbessernden Zusatzstoff wie Zinksulfid, Calciumfluorid, Natriumfluorid, Graphit, Natriumchlorid und Zinkpolyphosphat oder Gemischen davon, wird eine beträchtliche Verbesserung der Schmiereigenschaften z.B. beim Strangpressen von hochlegierten Stählen und beim Lochpressen von ebensolchen Materialien erzielt. Die Schmiereigenschaften dieser Kombination liegen dabei bedeutend besser als die der Einzelkomponenten oder als die eines Phosphatboratglases und einem die Schmierung verbessernden Zusatzstoff.
Wichtig ist, daß der Schmelzbereich des Schmierstoffes so gewählt wird, daß. optimales Haftvermögen auf dem Werkzeug und leichtes Aufschmelzen auf dem Werkstück bei günstigstem Viskositätsverhalten erzielt wird. Entscheidend im vorliegenden Falle ist es, daß das die Treibwirkung auslösende, praktisch rückstandsfrei sich zersetzende organische Produkt den sich ausbildenden Schmelzfilm des Basisproduktes nicht zerreißt, sondern im Gegenteil eine zusätzliche ~Gas schmierung" in das System bringt.
Hochtemperaturschmierstoffe für die Heißumformung von Metallen auf der Basis von einem Phosphatboratglas und einem die Schmierung verbessernden Zusatzstoff wie vor erwähnt, können nicht verhindern, daß unter gewissen Betriebsbedingungen, Verschweißungen von Werkstück und Werkzeug auftreten. Betriebsstörungen durch Fressen des Werkstückes u.U. durch Abreißen des Dornes und Qualitätseinbußen der erhaltenen Umformprõdukte z.B. Maßungenauigkeit und relativ grobe Werkstückoberfläche können nicht vermieden werden. Das Gesagte gilt ebenfalls, wenn ein Phosphatboratglas ohne einen die Schmierung verbessernden Zusatzstoff lediglich mit einem eine Treibwirkung auslösenden praktisch rückstantfreisich zersetzenden organischen Produkt versetzt wird. Zweifellos hängen die mit der vorliegenden Schmierstoffkombination erzielten überragenden Umformergebnisse damit zusammen, daß durch das eingesetzte Phosphatboratglas zwischen Werkstück und Werkzeug eine Schmelzschicht erzeugt wird, die in ihrer Stabilität durch den die Schmierwirkung verbessernden Zusatzstoff noch verbessert wird und eine beständige Trennschicht ausbildet, wobei das die Treibwirkung auslösende praktisch rückstandsfrei sich zersetzende organische Produkt einen "Gasfilm" zwischen Werkstück und Werkzeug aufbaut, der die sich ausbildende Schmelzschicht nicht zerstört. Die Schmierwirkung wird hierdurch in einer Art und Weise verbessert, wie sie nicht vorauszusehen war.
Durch die neuen Schmierstoffe werden im Falle des Strangpressens, Stoßens oder Lochens bei der Herstellung nahtioser Rohre oder bei der Herstellung von Profilen beträchtliche Standzeiterhöhungen für die wertvollen Werkzeuge erreicht.
Von großer wirtschaftlicher Bedeutung ist ferner die Möglichkeit, die Schmierstoffreste von den umgeformten Werkstücken zu entfernen. Die mit den genannten neuen Schmierstoffen umgeformten Werkstücke brauchen nachfolgend nicht mehr mit Flußsäure gebeizt zu werden, wie dies dann notwendig ist, wenn mit Hochtemperaturschmierstoffen auf Silikatglas-Basis gearbeitet wird. In vielen Fällen ist ein Beizen von umgeformten Werkstücken, die mit den genannten Schmierstoffen bearbeitet wurden, überhaupt nicht mehr notwendig, oder es ist eine einfache Schasefelsäuresparbeize ausreichend.
Die neuen Schmierstoffe können durch Bepudern auf die Werkstücke aufgebracht werden. Sie können jedoch auch als Dispersion angewendet werden und dann durch Bestreichen,Besprühen, Begießen oder Tauchen auf Werkzeug und Werkstück aufgebracht werden.
Eine weitere Möglichkeit des Aufbringens besteht darin, den Schmierstoff beim Strangpressen in Form eines Ringes zwischen Matrize und Block bzw. Block und Preßstempel zu legen.
Eine weitere Möglichkeit des Aufbringens des hier beschriebenen Hochtemperaturschmierstoffs besteht darin, den Schmierstoff in Pulverforrn auf die abgedeckte Matrize oder das Werkstück zu bringen.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern ohne sie einzuschränken Beispiel 1) Es wurde ein Hochtemperaturschmierstoff aus a) 45 Teilen eines Phosphatglases der Zusammensetzung #55,6 Gew. P 205 13,0 " Na20 9,1 It K20 15,6 " B203 6,7 " Al 203 b) 5 Teilen Graphit und c) 30 Teilen cellulosehaltigem Material und 20 Teilen Stärkekleister hergestellt.
Diese Mischung wurde zu Ringen verpresst und auf die Matrizenauflagescheibe und auf den sich im Aufnehmer einer hydraulichen Strangpresse stehenden Block der Qualität 10 Cr Mo 910 der Abmessung 400 mm Länge und 20 mm Durchmesser zu einem dünnwandigen Rohr der Abmessung 89 x 4,5 mm verpresst. Bei Anwendung dieser Schmierstoffringe wurde bei dieser schwer verpressbaren Stahlqualität eine Matrizenstandzeit von 34 Rohren erreicht.
Wenn dagegen zum Vergleich ein Hochtemperaturschmiermittel der bekannten Art aus 55 Teilen Graphit und 45 Teilen NaCl für denselben Pressvorgang eingesetzt wurde, so war es nicht möglich, einen Block der Qualität 10 Cr Mo 910 zu einer Rohrluppe zu verpressen, da der Pressdorn kurz nach Einleiten des Pressvorganges aufgrund mangelnder Schmierung abriss.
Beispiel 2) Es wurde ein Hochtemperaturschmiermittel aus a) 50 Teilen eines Phosphatboratglases der Zusammensetzung 6,2 Gew. Al203 1,32 " ZnO 8,24 " K20 29,82 ~ Na20 42,0 " P205 12,42 " B O, b) 20 Teilen ZnS und c) 30 Teilen cellulosehaltigem Material hergestellt und in Form eines Pulvers zum Strangpressen von Stahl ST 35 auf die Matrizenauflagescheibe und auf den sich im Aufnehmer befindlichen Block einer hydraulichen Strangpresse gegeben.
Stahlblöcke von 400 mm Länge und 200 mm Durchmesser wurden zu dünnwandigen Rohrluppen der Abmessungen 89 x 4,5 mm verpresst. Die Standzeiten einer Matrize lagen bei 58 Rohren.
Vergleichsweise wurde ein Schmierstoff herkömmlicher Art, bestehend aus 55 Teilen Graphot 28 ~ NaCl und 17 ~ Mineralöl für denselben Pressvorgang eingesetzt. In diesem Fall betrug die Standzeit der Matrize nur 17 Rohre.
Beispiel 3) Zum Schmieden von Kurbelwellen wurde eine wässerige Dispersion, deren Feststoffanteil besteht aus a) 50 Teilen eines Phosphatboratglases der Zusammensetzung 5 Teile Al 203 1,5 " ZnO 17 3 B B203 6,3 " Na20 30,0 " K20 39,9 " P205 b) 25 Teilen Graphit c) 25 Teilen eines Kunstharzes auf die warmen Gesenke einer Gesenkschmiedepresse aufgebracht.
Der Feststoffanteil in der Dispersion betrug 20 %, zum Stabilisieren wurden 2 °sÓ hochdisperse Kieselsäure zugegeben.
Gegenüber der bisher verwendeten Kombination aus Graphit und Wasser unter zusätzlicher Verwendung von Sägemehl wurde eine Erhöhung der Standzeit der Gesenke erreicht.

Claims

Patentansprüche
i. Hochtemperaturschmierstoff fUr die Heißumformung von Metallen auf der Basis von einem Phosphat-Borat-Glas und einern die Schmierung verbessernden Zusatzstoff, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er aus a) einem Schmelsprodukt von Phosphaten und Boraten der Alkalimetalle, Erdalkali- oder Schwermetalle oder Mischungen davon, b) einem die Schmierwirkung verbessernden Zusatzstoff, wie Zinksulfid, Calciumfluorid, Natriumfluorid, Graphit, Natriumchlorid oder NatriummZink-Polyphosphat oder Mischungen davon und e) einem Zusatz von eine Treibwirkung auslösenden praktisch rUckstandsfrei sich aersetzenden,organischen Produkt auf der Basis von Cellulose, Stärke,Xunstharze oder Öl bzw. Mischungen davon besteht 2. Hochtemperaturschmierstoff nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Schr:ielzprodukt besteht aus: 5 - 60 Gew.% P205 10 - 35 " Alkalioxid 5 - 35 " B203 O - 25 " Zn0 Q - 25 ~ A1203 O - 25 n Pbo 0 - 25 " MnO O - 25 ~# Erdalkalioxid daß der die Schmierwirkung verbessernde Zusatz besteht aus 1 - 25 Gew.% ZnS 1 - 25 " CaF2 1 - 25 " NaP 1 - 70 lt Graphit 1 - 25 " NaCl 1 - 25 " Na-Zn-Polyphosphat oder Gemischen davon, daß das die Treibwirkunq auslösende,praktisch rUckstandsfrei sich zersetzende organische Produkt besteht aus 5 - 70 Gew.% cellulosehaltigem Material 5 - 70 " stärkehaltigem Material 5 - 70 " Material auf Kunstharzbasis 5 - 70 " Ole s - 70 " Harzeifen 5 - 70 " aliphatische Alkohole 5 - 70 n Oxalate 5 - 70 Azoverbindungen oder Gemischen davon besteht.
3. }tochtemperaturschmierstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff als Pulvermischung vorliegt.
4. Hochtemperaturschmierstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff als wässrige Dispersion vorliegt.
So Hochtemperaturschmierstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff in Form einer wässrigen Dispersion, di. ein Stabilisierungsmittel wie disperse Kiesels#ure, Tylose,Alginate, Bentonite, Natriumalkylnaphtalinsulfonate, Polysaccharide, Eiweiße, Montmorillonit, sulfoniorte aliphatische Polyester oder sulfatierte Alkohole enthält,vorliegt.
6. Hochtomperaturschmierstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff in Form eines Ringes oder einer Scheibe vorliegt.
7. Hochtemperaturschmierstoff nach Anspruch 6 dadurch gekennseichnet, daß der Schmierstoff in Form eines Ringes oder einer Scheibe susätalich ein anorganisches oder organisches Bindemittel enthält.
8. Verwendung des Hochtemperaturschmierstoffes nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel zum Warmverformen von H-tellen beim Strangpressen, Gießen, Schmieden oder Stoßen eingesetzt wird.