DE2703321A1

DE2703321A1 - Gesenkschmierstoff und verfahren zu seiner anwendung beim warmgesenkschmieden

Info

Publication number: DE2703321A1
Application number: DE19772703321
Authority: DE
Inventors: William David Spiegelberg
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1976-01-29
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1977-08-11
Also published as: CA1088505A; SE7700859L; FR2339671A1; IL51303A; BE850863A; GB1549527A; JPS5293649A; IL51303A0; JPS5524374B2; FR2339671B1; US4154075A; DE2703321C2; SE426708B; IT1075260B; US4096076A

Description

Patentanwälte

Opt-Chem. """ O — DipL-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19 L·. I U 0 w ί J

8 München 60

TRW Inc. 26. Januar 1977

23555 Euclid Avenue

Cleveland. Ohio 44117 / V.St.A. Unser Zeichen; T 2136 Gesenkschmierstoff und Verfahren zu seiner Anwendung beim Varmgesenkschmieden

Die Erfindung betrifft einen Gesenkschmierstoff, der jedoch auch gleichzeitig als Ausformverbindung und Schutzüberzug insbesondere beim Warmgesenkschmieden von Titan und Titanlegierungen dient; die Erfindung betrifft auch ein unter Verwendung einer solchen Verbindung arbeitendes Schmiedeverfahren. (Der verwendete Ausdruck "Gesenkschmierstoff¹¹ oder "Schmierstoff betrifft somit Verbindungen, die auch diesen anderen genannten Zwecken dienen.) Beim Schmieden von metallischen Werkstücken wird Metall durch eine geregelte plastische Verformung unter der Einwirkung eines Schlages oder Druckes verformt, in der Regel während

Dr.Ha/Ma

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das Werkstück sich in einem Gesenk mit geeigneter Form befindet. Das Werkstück kann entweder ein Vorschmiede stück einfacher Form, z.B. ein flacher Stab, oder eine Vorform sein, der durch Schmieden oder auf andere Weise eine vorläufige Gestalt verliehen wurde. Zur formgetreuen Entstehung aller Einzelheiten des Gesenks in dem aus dem Werkstück geschmiedeten Gegenstand ist ein beträchtlicher Grad plastischen Fließens des Metalls erforderlich. Zur Erleichterung des Fließens des Metalls in die verschiedenen Teile des Gesenks verwendet man üblicherweise einen Schmierstoff auf dem Werkstück oder auf dem Gesenk oder auf beidem.

In der Regel wird beim Schmieden das Werkstück zur Erleichterung des Fließens des Metalls während des Schmiedens auf eine hohe Temperatur vorerhitzt. Auch das Schmiedegesenk kann erhitzt werden, um den Abschreckeffekt, welchen das Gesenk auf das erhitzte Werkstück ausübt, gering zu halten oder auszuschalten. In der Regel wird zum Schmieden von Titan und dessen Legierungen das Werkstück auf Temperaturen zwischen etwa 815 und 985⁰C erhitzt, α, β-Titanlegierungen werden in der Regel unmittelbar unter die ß-Übergangstümperatur, die in dem erwähnten Temperaturbereich liegt, erhitzt, um in dem geschmiedeten Gegenstand die gewünschten metallurgischen und mechanischen Eigenschaften zu erzeugen. Insbesondere Titan und dessen Legierungen müssen während einer solchen Vorerhitzung vor Luft geschützt werden, da sonst eine starke Oxidation auftritt. Beim üblichen Schmieden wird das Gesenk nur auf Temperaturen von etwa 150 bis 43O⁰C erhitzt. Das bewirkt Jedoch schon

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eine beträchtliche Abschreckung des Werkstücks, welche Risse und andere Oberflächendefekte in dem geschmiedeten Gegenstand hervorrufen kann.

Die übliche Schmiedepraxis erfordert auch scharfe, starke Preßschläge auf das Werkstück, um es der Form des Gesenks anzupassen. Das bewirkt hohe Spannungen und einen übermäßigen Verschleiß an der Gesenkoberfläche. Eine wirksame andere Methode ist das Stand- oder Preßschmieden, bei welchem auf das Werkstück während einer bestimmten Dauer ein hoher Druck ausgeübt wird, z.B. mindestens etwa 5 Sekunden lang und in der Regel wesentlich länger, um einen Kriechfluß des Metalls zu erzielen.

Eine besonders wirksame Schmiedemethode, insbesondere zum Schmieden von Titan und dessen Legierungen, ist das isotherme Warmgesenkpreßschmieden (nachstehend als HDD-Schmieden bezeichnet). Beim HDD-Schmieden werden sowohl das Gesenk, das in der Regel aus einer "Superlegierung" auf Nickelbasis besteht, und das metallische Werkstück auf etwa die gleiche Temperatur (in der Regel zwischen 815 und 935⁰C) erhitzt, so daß der Abschreckeffekt des Gesenks auf das Werkstück nahezu ausgeschaltet wird. Anstatt starker Schlagdrucke kommt das vorstehend beschriebene Preßschmieden zur Anwendung., wobei eine plastische "Kriech"-Verformung des Werkstücks auftritt, so daß das Metall eich an die Oberflächen des Gesenks anpaßt. Wie beim üblichen Schmieden wird beim HDD-Schmieden zur Erleichterung des Fließens des Metalls in Anpassung an die Gesenkoberflächen ein Schmierstoff verwendet.

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Um für das HDD-Schmieden geeignet zu sein, muß ein Schmierstoff einer Anzahl strengen und sich manchmal widersprechenden Anforderungen genügen. Trotz der hohen Temperatur des Gesenks und des Werkstücks und längeren Vorerhitzungs- und Hochdruckeinwirkungszeiten muß der Schmierstoff:

(1) gleichförmig an dem ganzen Werkstück haften und es vor einer Oxidation während der längeren Vorerhitzungsperiode schützen (was insbesondere im Fall von Titan und dessen Legierungen wichtig ist);

(2) er darf nicht selbst oxidieren, kristallisieren oder sich anderweitig während der Vorerhitzung oder der Schmiedephasen zersetzen;

(3) er darf weder das Werkstück noch das Gesenk chemisch angreifen;

(4) er muß eine wirksame Schmierung ergeben, was bedeutet, daß er ein ausreichendes Schmierver-

/ mögen und gleichzeitig die richtige Viskosität aufweisen muß, um zwischen dem Werkstück und dem Gesenk während aller Verformungsstufen des Metalls einen Schmierfilm aufrechtzuerhalten;

(5) er muß einen fressenden Verschleiß und eine Verbindung zwischen dem Gesenk und dem geschmiedeten Gegenstand verhindern und eine leichte Ausformung des geschmiedeten Gegenstands aus dem Gesenk zulassen, ohne ein Kleben oder die Bildung glasiger "Schilfer¹¹ zu verursachen, was eine schwierige Ausformung oder eine Zerstörung des Teils bei Entnahme aus dem Gesenk verursacht; und

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(6) er darf sich nicht in dem Gesenk ansammeln, auch nicht in den Hohlräumen und Ausnehmungen von Gesenken mit verwickelter Form, da sonst das Metall durch den angesammelten Schmierstoff blockiert wird und Einzelheiten in dem geschmiedeten Gegenstand verlorengehen.

Die Erfindung betrifft die Schaffung eines Schmierstoffs, welcher die vorstehenden Bedingungen in zufriedenstellender Weise erfüllt, sowie ein Verfahren zur Verwendung dieses Stoffs. Insbesondere betrifft die Erfindung die Schaffung eines Schmierstoffs, der sich besonders für das HDD-Schmieden eignet, sowie das mit dieser Verbindung arbeitende HDD-Schmiedeverfahren, wobei die Erfindung bevorzugt zum Schmieden von Titan und dessen Legierungen Anwendung findet.

.Die Eigenschaften, welche einen Gesenkschmierstoff für das strenge Anforderungen stellende HDD-Schmieden geeignet machen, machen ihn natürlich auch für andere Schmiedemethoden und Metallbearbeitungen brauchbar.

Eine Vielzahl von Schmierstoffen für die Metallbearbeitung und insbesondere von Gesenkschmierstoffen ist bekannt. Unter diesen seien genannt: feinteilige, eine Grenzschicht bildende Schmierstoffe, z.B. Glas, Keramik, Graphit, Kalk, Bornitrid und Molybdändisulfid; sowie organische Schmierstoffe, z.B. Fette, öle usw.. Verschiedene Gemische von einem oder mehreren der vorstehend genannten sind auch bekannt, ebenso wie die Verwendung von Flüssigkeiten (Wasser, Kohlenwasserstoffen oder anderen organischen Flüssigkeiten usw.) als Träger für die festen feinteiligen Schmierstoffe und als Binder

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zu ihrer Agglomerierung. Die Verwendung von Schmierstoffen, wie Glas oder Keramik, die zu einer fließfähigen Konsistenz schmelzen und so eine hydrodynamische Schmierung bei der Verwendungstemperatur ergeben, ist ebenfalls bekannt.

In der US-Patentschrift 3 059 769 ist beispielsweise eine feste Schmierstoffscheibe mit einer zentralen Durchbohrung für das Strangpressen beschrieben, wobei diese Scheibe bei einer Ausführungsform aus Glas mit bis zu etwa 40 % Bornitrid besteht, die durch einen geeigneten Binder zusammengehalten werden. Durch die Scheibe wird ein erhitzter Stahl- oder Titanstab ausgepreßt, wobei die Scheibe so weit schmilzt, daß sie eine zur Erzielung einer Schmierwirkung ausreichende Viskosität erhält. Die nicht ausreichend viskosen Anteile werden durch die Strangpreßwirkung durch das . offene Ende der Strangpreßdüse ausgetrieben. Es liegt auf der Hand, daß beim Schmieden der Schmierstoff von dem zu schmiedenden Metall in dem Gesenk festgehalten wird, weshalb, wie nachstehend näher erläutert wird, ein brauchbarer Gesenkschmierstoff Merkmale aufweisen muß, wie eine genau geregelte Viskosität um dem Metallfluß zu folgen, kein Ansammeln innerhalb des Gesenks, und er muß eine gute Ausformbarkeit des geschmiedeten Teils aus dem Gesenk ergeben.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Gesenkschmierstoff, der sich insbesondere für das isotherme Warmgesenkschmieden durch Pressen eignet und der im wesentlichen aus einem kleineren Anteil (weniger als 40 Gew.#) an eine Grenzschicht ergebenden Schmierstoffteilchen, die bei der Schmiedetemperatur fest bleiben, und einem

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größeren Anteil (über 60 Gew.Ji) einer glasigen teilchenförmigen Komponente bestehen, die bei oder unterhalb der Schmiedetemperatür schmelzbar sind. Unter "schmelzbar" ist zu verstehen, daß die glasige Komponente mindestens so weit erweicht, daß sie eine hydrodynamische Wirkung . ergibt, welche das Schmiervermögen unterstützt. Die eine Grenzschicht bildenden Teilchen sind vorzugsweise Bornitridteilchen, obwohl auch unter bestimmten Bedingungen Graphitteilchen verwendet werden können. Mischungen aus Bornitrid und Graphit kommen ebenfalls in Frage. Die glasige Phase ist ein ein Metalloxid als Netzmittel enthaltendes Borsilikatglas.

Die Grenzschichtteilchen machen weniger als 40 Gew.# und vorzugsweise etwa 14 bis 25 Gew.tf der gesamten Teilchenmenge aus Grenzschichtteilchen und glasigen Teilchen aus. Die Grenzschichtteilchen sind im Handel in zwei Größen erhältlich, nämlich -40 mesh und -325 mesh. Die Teilchengröße soll geringer als -40 mesh sein, d.h. so klein, daß mehr als 95 % der Teilchen durch ein 40 mesh-Sieb hindurchgehen. Vorzugsweise besitzen die Grenzschichtteilchen eine solche Größe, daß mindestens 95 % der Teilchen durch ein 325 mesh-Sieb hindurchgehen.

Die glasige Phase besteht vorzugsweise aus Dibortrioxid in einer Menge von etwa 60 bis 75 Gew.96 (bezogen auf die Glasphase), während der Rest Quarzglas und Metalloxid als Netzmittel ist. Das Netzmittel ist eines oder mehrere der Oxide von Kobalt, Barium und Mangan und ist in einer Gesamtmenge von zwischen 1/2 bis 5 % und vorzugsweise zwischen 1 und 3 %$ bezogen auf das Gewicht der glasigen Bestandteile, zugegen. Kobaltoxid ist das bevorzugte Metalloxid. Ausgedehnte Tests zeigen, daß Kobaltoxid gut

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arbeitet, und aus theoretischen Überlegungen ergibt sich, daß Oxide von Baium und Mangan ebenfalls geeignet sind, ohne daß sie die Eigenschaften der glasigen Phase ungünstig beeinflussen, wie dies andere Metalloxide tun.

Um einen Korrosionsangriff durch die Glasphase zu vermeiden, sollen Oxide von Elementen wie Lithium, Natrium, Kalium, Vanadin und Phosphor nicht in größeren Mengen als 500 ppm der glasigen Komponenten zugegen sein. Schwefel soll in einer Menge unter 100 ppm zugegen sein, um eine Korrosion der heißen Gesenke zu verhindern. Andere, üblicherweise in Glas auftretende Oxide, z.B. Oxide von Kalzium, Magnesium, Blei, Cer usw., sollen ebenfalls nicht in größeren Mengen zugegen sein, um jede Neigung des erfindungsgemäßen Borsilikatglases zur Kristallisation, insbesondere während einer längeren Vorerhitzung, zu vermeiden. Blei neigt natürlich zur Reaktion mit Titan und zu einem Angriff von Nickel, was es auch von diesem Standpunkt aus unerwünscht macht.

Der Verhältnisbereich von Dibortrioxid zu Kieselsäure ist ebenfalls zur Aufrechterhaltung der geeigneten Viskosität des Glases wichtig, da das Glas weder zu "dünn¹¹, um an dem Werkstück zu haften und so als wirksamer Schmierstoff zu dienen, noch zu "steif sein darf, um dem Fließen des Metalls zu folgen. Zunehmende Bormengen neigen zur Herabsetzung der Viskosität, zunehmende Kieselsäuremengen neigen zu ihrer Erhöhung.

Die Grenzschichtteilchen und die glasigen Teilchen werden vorzugsweise in einem streichfähigen Träger zur Erleichterung ihrer Anwendung und, um den Schmierstoff an den Werkstücken und/oder Gesenken vor der Verwendung haften zu machen, dispergiert. Der Träger ist vorzugsweise ein

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organisches flüssiges Lösungsmittel, z.B. Xylol, in dem ein Harzbinder gelöst wurde. (Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind bei allen Angaben von Gew.# die Trägerkomponenten ausgeschlossen, und diese Angaben beziehen sich ausschließlich auf den Gehalt an Grenzschichtteilchen und glasigen Teilchen.)

Bei einer Methode des isothermen Warmgesenkschmiedens durch Pressen (HDD-Schmieden) werden die Metallwerkstücke mit dem Gesenkschmierstoff gemäß der Erfindung durch Aufbürsten, Aufsprühen, Tauchen oder auf andere geeignete Weise vorher überzogen, ein Schmiedegesenk und die überzogenen Werkstücke werden auf eine Temperatur von etwa 815 bis 985⁰C erhitzt und die heißen Werkstücke und das heiße Gesenk werden durch Ausübung eines Schmiededrucks auf die Werkstücke während einer Dauer von mindestens 5 Sekunden, wobei ein Kriechfluß des Metalls in Anpassung an das Gesenk erfolgt, geschmiedet. Vorzugsweise besteht das Werkstück aus Titan oder einer Titanlegierung und das Gesenk besteht aus einer Nickellegierung oder einer hochschmelzenden Metallegierung. Beispielsweise kann das Gesenkmaterial eine Molybdänlegierung, z.B. TZM-MoIy, sein, das zur Verhinderung einer Oxidation im Vakuum verwendet wird. Die überzogenen Werkstücke können vor der Vorerhitzung bei niedrigerer Temperatur getrocknet werden. Die Vorerhitzung kann in Vorerhitzungsöfen, in dem geschlossenen Gesenk oder in beidem erfolgen.

Kleinere Mengen und Spurenelemente, wie Aluminium und Silizium, die sich üblicherweise in den verwendeten Bestandteilen finden, sind berücksichtigt.

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Venn das Schmierstoffgemisch auf die Vorerhitzungs- oder Schmiedetemperatur (z.B. auf 815 bis 985°C) erhitzt wird, schmilzt das Dibortrioxid bei verhältnismäßig niedriger Temperatur (etwa 315⁰C) und bildet ein Glas, das die Quarzfritte löst, wobei die Löslichkeit dieser Quarzfritte in dem geschmolzenen Dibortrioxidglas mit steigenden Temperaturen zunimmt. Das erhaltene Borsilikatglas besi.tzt eine Viskosität, die durch das Verhältnis von Silizium zu Bor der Zusammensetzung bestimmt wird, es ist inert und stabil und dispergiert und schützt die Bornitrid- (oder Graphit-) Teilchen, die hochschmelzend sind und selbst bei den höchsten Schmiedetemperaturen von Metall nicht schmelzen. Die glasige Phase schmilzt so weit, um einen Film mit mäßiger Scherfestigkeit zu ergeben, der mit zunehmender Verformung des Werkstücks während des Schmiedens fließt und sich verdünnt. Gleichzeitig überzieht die geschmolzene Glasphase die festen Bornitrid- (oder Graphit-) Teilchen und übt unter gleichmäßiger Verteilung dieser Teilchen auf der Werkstückoberfläche eine Trägerwirkung aus, wobei es die Teilchen mit fortschreitender Verformung des Metalls dispergiert hält.

Um die Stabilität des erfindungsgemäßen Gesenkschmierstoffs zu testen, wurden senkrecht angeordnete Stäbe mit dem Schmierstoff überzogen und 4 Stunden auf 95A⁰C erhitzt. Bei visueller Beobachtung zeigte sich keine Entglasung (Kristallisation) und kein durch Abfließen des an dem erhitzten Stab haftenden Glases verursachte Zerstörung des Überzugs. Ein ähnlicher Test mit einem eine größere Menge Bleioxid enthaltenden Borsilikatglas zeigte visuell nach 1 Stunde bei 954⁰C eine Zerstörung des Überzugs.

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Prüfungen des durch Oxidation verursachten Gewichtsverluste des erfindungsgemäßen Gesenkschmierstoffs wurden ausgeführt, wobei der Schmierstoff auf einen Teststab aus Titanlegierung aufgebracht und 8 Stunden auf 704⁰C erhitzt wurde. (Versuche zur Feststellung des Oxidations-Gewichtsverlusts bei 927⁰C blieben erfolglos, da das freiliegende Titan so stark oxidierte, daß der Gewichtsverlust infolge Oxidation des Überzugs mehr als ausgeglichen wurde.) Merkliche Gewichtsverluste des Schmierstoffs wurden nicht festgestellt. Werden in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung Graphitteilchen anstelle von Bornitridteilchen als Grenzschichtkomponente verwendet, so zeigt sich, daß diese mit Graphit gefüllten Schmierstoffe nicht länger als 2 Stunden bei der Temperatur von 704⁰C bei dem Oxidationstest gehalten werden können, ohne daß infolge Oxidation eine zu starke Zerstörung auftritt. Die mit Graphit gefüllten Schmierstoffe gemäß der Erfindung können jedoch bei Temperaturen von 704⁰C und höher, z.B. 813 bis 985°C, innerhalb eines umschlossenen Schmiedegesenks verwendet werden, da dort die Verbindung, während sie sich in dem Gesenk befindet, nicht mit Luft in Berührung kommt. Der hier verwendete Ausdruck "umschlossenes" Gesenk bedeutet, daß das Werkstück auf allen Selten von dem Ober- und Untergesenk umschlossen ist: der Ausdruck "umschlossenes" Gesenk umfaßt auch solche bekannten Bauarten, bei welchen Offnungen oder Durchlässe verbleiben, durch welche Grate ausgepreßt werden, wobei jedoch das Werkstück im wesentlichen umschlossen und auf allen Seiten durch die Form geschützt ist.

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- ir -

Graphit wirkt als Grenzschichtkomponente des Schmierstoffs zufriedenstellend, obwohl die Schmierfähigkeit des graphithaltigen Schmierstoffs nicht so groß ist wie die des bornitridhaltigen. Der Hauptnachteil bei der Verwendung von Graphit besteht jedoch in seiner Oxidationsanfälligkeit. Diese kann dadurch überwunden werden, daß man (a) die Vorerhitzungsdauer und -temperatur beschränkt, z.B. auf weniger als 2 Stunden bei nicht über 704⁰C, und daß man die Vorerhitzung in dem geschlossenen Gesenk beendet oder daß man (b) anderweitig den Gesenkschmierstoff vor Oxidation schützt, indem man die Vorerhitzung bei höherer Temperatur während längerer Zeit, z.B. bei bis zu 982⁰C während 4 Stunden und mehr, in einer Schutzatmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre durchführt.

Vorzugsweise kann der erfindungsgemäße Gesenkschmierstoff ohne Verschlechterung Vorerhitzungstemperaturen von 816 bis 982⁰C während mindestens 4 Stunden in der normalen Atmosphäre, wie sie entweder ein gasbeheizter oder ein elektrisch beheizter Vorerhitzungsofen ergibt, aushalten. Bornitrid enthaltende erfindungsgemäße Zusammensetzungen erfüllen diese Bedingung; graphithaltige nicht. Die graphithaltigen Zusammensetzungen können jedoch ohne Verschlechterung oder ohne speziellen Schutz etwa 1/2 Stunde unter solchen Bedingungen gehalten werden.

Die chemische Verträglichkeit der erfindungsgemäßen Schmierstoffe wurde so getestet, daß man den Gesenkschmierstoff (zusammen mit anderen, als Vergleich und Kontrolle dienenden Gesenkschmierstoffen) auf die Oberseite einer kleinen zylindrischen Probe (etwa 1/2 Zoll Durchmesser und 1/2 Zoll Höhe) aus verschiedenen Gesenkmaterialien auf Nickelbasis, einschließlich In-100 (hergestellt von der International Nickel Co.) und UDIMET

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(hergestellt von Specail Metals Corporation, deren Warenzeichen UDIMET ist) aufbrachte. Sowohl In-100 als auch UDIMET 700 sind Nickellegierungen, die etwa 60,5 bzw. 53,4 Gew.tf Nickel plus beträchtliche Anteile an Chrom und Kobalt, zusammen mit kleineren Mengen Molybdän, Titan und Aluminium und noch kleineren Mengen Bor, Kohlenstoff und anderen Zusätzen enthalten. So überzogene Proben wurden zusammen mit nicht-überzogenen Kontrollproben in einem elektrischen Ofen in ruhender Luft auf 927°C erhitzt. Verschiedene Einwirkungen, jeweils 16 Stunden lang, erfolgten dann unter Simulierung der Umgebung während des Schmiedens. Der erfindungsgemäße Gesenkschmierstoff war vollständig zufriedenstellend und zeigte keine ungünstigen Einwirkungen auf das Gesenkmaterial, während einige der anderen Schmierstoffe eine beträchtliche Korrosion bewirkten. Der erfindungsgemäße Schmierstoff ist somit verträglich mit Gesenken aus Nickellegierungen.

Es folgen einige spezifische Beispiele für erfindungsgemäße Gesenkschmierstoffe.

Beispiel 1 Gew.fl Komponente

14-25 Bornitrid oder Graphit

74 - 85 Borsilikatglas oder dessen

Komponenten

1 - 3 ^Metalloxid

# Das Metalloxid kann ein Kobalt-, Mangan- oder Bariumoxid sein, ist jedoch vorzugsweise Kobaltoxid.

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	Beispiel 2
Gew.*	Komponente
25	Bornitrid
75	♦Komponenten der Glasphase
	Beispiel 3
Gew.*	Komponente

14 Bornitrid

86 ^Komponenten der Glasphase

♦ Die Komponenten der Glasphase sind sowohl für Beispiel 2 als auch 3 die folgenden:

Gew.fl Komponente

67 Dibortrioxid

31 Quarzglasfritte

2 Kobaltoxid

Beispiel 4

Die Beispiele 1, 2 oder 3 wurden wiederholt, wobei Jedoch der Schmierstoff in einem auftragbaren Träger dispergiert war, der aus einer organischen Flüssigkeit (z.B. Toluol, Benzol oder Xylol) bestand, in welcher ein Harzbinder gelöst ist.

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- VSr-

Beispiel 5

Feinteiliges Material in dem Mengenverhältnis von Beispiel 2, nämlich 125 g Bornitrid und 375 g Glasphasenkomponenten, werden verwendet. Diese werden in 960 cm⁵ Xylol als flüssigem Träger, in welchem 218 g eines Acrylemulsionsharzbinders gelöst sind, gemischt. Das Bornitrid besitzt eine solche Teilchengröße, daß mindestens etwa 95 % der Teilchen durch ein 325 mesh-Sieb hindurchgehen. Die glasige Phase.enthält.fein gemahlene Quarzfritte und Dibortrioxld zusätzlich zu Kobaltoxid. Das feinteilige Material wird der flüssigen Phase unter andauerndem Rühren unter Erzielung einer gleichmäßig gispergierten feintelligen Phase in dem flüssigen Träger zugegeben. Man erhält so insgesamt 1,58 kg Gesenkschmierstoff.

Beispiel 6

Feinteiliges Material in den Mengenverhältnissen von Beispiel 3, bestehend aus 94 g Bornitrid mit der gleichen Teilchengröße wie in Beispiel 5, und 571 g Glasphasenkomponenten in Form einer fein gemahlenes Dibortrioxid und Kobaltoxid enthaltenden Quarzglasfritte wurde verwendet. Das feinteilige Material wird langsam unter Rühren einem flüssigen Träger, bestehend aus 1200 cnr Xylol, worin 325 g eines organischen Acrylharzbinders gelöst sind, zugegeben. Das feinteilige Material wird dabei in dem flüssigen Träger dispergiert. Auf diese Weise erhält man insgesamt 2,07 kg Gesenkschmierstoff.

Bei HDD-Verfahren sowie in anderen Schmiedeverfahren werden die zu schmiedenden Werkstücke vor dem eigentlichen

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Schmieden auf die Schmiedetemperatür erhitzt. Beim HDD-Schmieden von Titan und Titanlegierungen, z.B. von Ti-6 A1-4V-Legierung, werden die Werkstücke auf 816 bis 982⁰C, vorzugsweise unmittelbar unterhalb 871⁰C, vorerhitzt. Diese Vorerhitzung erfolgt in einem Vorerhitzungsofen, in welchem die Werkstücke längere Zeit, d.h. mindestens 1/4 Stunde bis zu 4 Stunden oder länger, erhitzt werden. Ein lösungsmittelfreier gleichmäßiger überzug aus mit dem Werkstück verbundenem festem feinteiligem Schmierstoff wird dabei gebildet. Da man offensichtlich die Werkstücke zweckmäßig vor ihrer Vorerhitzung mit dem Schmierstoff überzieht anstatt den Schmierstoff auf ein vorerhitztes Werkstück aufzubringen, soll der Schmierstoff die längeren Erhitzungsperioden und die damit verbundene Handhabung ohne Zerstörung der Kontinuität der Schmierfläche auf den Werkstücken, ohne Entglasung (Kristallisation) der Glasphasenkomponenten oder Oxidation des Bornitrids (oder Graphits) aushalten.

Das durch Schmelzen der Glasphase des erfindungsgemäßen Schmierstoffs gebildete Borsilikatglas besitzt eine Viskosität, die sich durch Änderung des Verhältnisses von Silizium zu Bor in dem Glas unter Anpassung an spezielle Bedingungen beim Schmieden regeln läßt. Das Borsilikatglas kann als solches in Form feiner Teilchen zugegen sein oder der Schmierstoff kann durch Zusatz von Vorstufen (z.B. Dibortrioxid und Quarzglasfritte) entstehen, wobei diese Bestandteile dann unter Bildung des Borsilikatglases beim Schmieden verschmelzen.

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Während die Teilchengröße der Teilchen der glasigen Phase nur gering genug sein muß, um eine Dispersion in dem flüssigen Träger zu fördern und das rasche Schmelzen der Teilchen bei oder unterhalb der Schmiedetemperatur zu erleichtern, sind die Bornitrid- oder Graphitteilchen vorzugsweise sehr fein, um ein überziehen der festen Teilchen durch die geschmolzene Glasphase und die Beweglichkeit der Teilchen zusammen mit der Glasphase zu gewährleisten. Die mittlere Teilchengröße des Bornitrids oder Graphits ist vorzugsweise so, daß mindestens 95 % der Teilchen durch ein 325 mesh-Sieb hindurchgehen.

Der flüssige Träger ist vorzugsweise ein aromatisches organisches flüssiges Lösungsmittel, z.B. Benzol, Toluol, Xylol oder dergleichen. Xylol ist bevorzugt, da es sich trotz seiner verhältnismäßig langsamen Verdampfung als günstig in Verbindung mit den meisten organischen Harzbindern erwiesen hat und einen annehmbar hohen Flammpunkt (28⁰C) besitzt.Dieser Flammpunkt ist hoch genug, um eine Verschickung auf üblichem Wege zuzulassen, vorausgesetzt, daß die staatlich verlangten Verpackungs- und Markierungsanforderungen erfüllt werden. Ein weiterer Vorteil von Xylol besteht darin, daß es gegenüber Dibortrioxid im Gegensatz zu sauerstoffhaltigen organischen Verbindungen, z.B. einigen Alkoholen oder Ketonen, chemisch inert ist. Sauerstoffhaltige organische Lösungsmittel können jedoch dann verwendet werden, wenn das Dibortrioxid und die Kieselsäure unter Bildung des Borsilikatglases vorher reagiert haben. Isopropylalkohol und Äthanol sind ebenso wie chlorierte Kohlenwasserstoffe (z.B. Trichloräthan), Lackbenzin, Erdöldestillate usw. zufriedenstellend.

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Ein Harzbinder wird in dem Lösungsmittel gelöst, um dem überzug, wenn er auf das Werkstück (oder das Gesenk) aufgebracht wird, Härte und Nicht-Klebrigkeit zu verleihen. Der Binder trägt dazu bei, daß der auf die kalten oder vorerhitzten Werkstücke aufgebrachte Schmierstoff sicher zu einem harten, nicht-klebrigen Endüberzug aushärtet, welcher die Gefahr, daß der Schmierstoff während der Handhabung des Werkstücks vor dem Schmieden zum Teil weggerieben wird, auf einem Minimum hält. Als mit Xylol verträglicher Harzbinder hat sich eine Acrylharzemulsion als geeignet erwiesen. Andere geeignete Binder sind Methylcellulose, Polycarbonat, Polyurethan und Epoxyde. Anstelle mittels flüssiger Lösungsmittel kann der Schmierstoff auch durch Erhitzen im Gemisch mit Harzteilchen, z.B. in einer Wirbelschicht, in welche die Werkstücke eingebracht werden, oder auf elektrostatischem Wege oder nach Trockentechniken aufgebracht werden.

Die Quarzglasfritte enthält ein oder mehrere Metalloxide in Mengen zwischen 1/2 und 5 Gew.% und vorzugsweise zwischen 1 und 3 Gew.96, bezogen auf das Gesamtgewicht der glasigen Komponenten. Die Metalloxide dienen in erster Linie als Netzmittel, damit der Schmierstoff an dem Metall selbst unter dem hohen Schmiededruck haftet, und außerdem dienen sie zur Erhöhung der Stabilität des Schmierstoffs, insbesondere wenn dieser vor dem Schmieden längere Zeit den Vorerhitzungsteniperaturen des Gesenks ausgesetzt wird. Außerdem neigt besonders Kobaltoxid dazu, die Farbe des SchmierstoffÜberzugs zu verdunkeln und ihn undurchsichtig zu machen, was den zusätzlichen Vorteil ergibt, daß während der Zeit, während welcher die vorerhitzten, mit dem SchmierstoffUberzug überzogenen

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Werkstücke aus dem Vorerhitzungeofen in das Schmiedegesenk gebracht werden, verminderte Strahlungsverluste auftreten. Zur Erzielung der erforderlichen Benetzungsfähigkeit mud genug Metalloxid zugegeben werden; zuviel desselben neigt Jedoch zu einer Kristallbildung des Glases, was es unwirksam macht.

Es wurde gefunden, daß die durch die erschmolzene Glasphase erzeugte hydrodynamische Schmierung eine bessere Schmierfähigkeit verleiht als die Bornitrid- oder Graphitteilchen und somit das Fließen des Metalls erleichtert. Bei alleiniger Verwendung der erschmolzenen Glasphase neigt jedoch der Schmierstoff dazu, sich in Gesenken aus Nickellegierung anzusammeln und Schwierigkeiten beim Auswurf der Teile zu ergeben; außerdem wird dadurch ein ungünstiger Einfluß auf die Oberflächenbeschaffenheit von Teilen aus Titan und Titanlegierungen ausgeübt. Unter Inkaufnahme einer Abnahme der Schmierfähigkeit werden die vorstehenden Nachteile durch Zusatz von Bornitridoder Graphitteilchen mit dem richtigen Feinheitsgrad zu dem Schmierstoff ausgeglichen. Es wurde gefunden, daß mindestens für das HDD-Schmieden von Titan und dessen Legierungen der Gehalt an Bornitrid- oder Graphitteilchen nicht weniger als etwa 14 Gew.# betragen soll, damit eine zufriedenstellende Oberflächenbeschaffenheit und keine wesentliche Ansammlung in dem Gesenk erzielt wird, während zur Sicherstellung einer ausreichenden Schmierfähigkeit nicht mehr als 25 Gew.# zugegen sein sollen.

Vor dem Vermischen werden die Bornitridteilchen zweckmäßig in einem unter einer inerten Atmosphäre stehenden Vorratsbehälter eingeschlossen, so daß eine Agglomerierung der Teilchen, wie sie bei Luftzutritt, insbesondere in Anwesenheit von Dibortrioxid, auftritt, vermieden wird.

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Wenn ein flüssiges Lösungsmittel verwendet wird, schützt dieses das Dibortrioxid in dem gelagerten Schmierstoff. Eine Vorreaktion zu Borsilikatglas ergibt ebenfalls einen solchen Schutz.

Der erfindungsgemäße Schmierstoff kann auf Werkstücke, z.B. solche aus Titan oder Titanlegierung, auf jede beliebige Weise durch Aufbürsten, Tauchen, Aufsprühen usw. aufgebracht werden. Schmierstoffe wurden erfolgreich auf Werkstücke mit einer siphonartigen, mit Luft betriebenen Spritzpistole aufgebracht. Zur Ausbreitung des Schmierstoffs als fächerförmige Aufsprühung auf das Werkstück kann eine venturiförmige Düse verwendet werden.

Beispiel 7

Ti-eAI^V-Schmiederohlinge wurden mit einem Schmierstoff gemäß Beispiel 5 und 6 besprüht, und der aufgesprühte Schmierstoff wurde in einem Luftzirkulationsofen bei 82°C zu einem harten, nicht-klebrigen überzug getrocknet. Die mit dem Schmierstoff überzogenen Werkstücke wurden dann 15 Minuten in einem elektrischen Ofen bei 677°C vorerHitzt. Eine abschließende Vorerhitzung während weiterer 10 Minuten erfolgte unter leichtem Druck zwischen Schmiedegesenken aus einer heißen Nickellegierung bei 871⁰C (Diese Art der Vorerhitzung eignet sich besonders für die graphithaltigen erfindungsgemäßen Schmierstoffe.) Die mit dem Schmierstoff überzogenen Schmiedestücke wurden dann insgesamt 6 Minuten unter einem Schmiededruck von 150 Tonnen (10 Tonnen pro Zoll ) gepreßt.

Das Schmiedegut war eine der AMS 4811B-Norm entsprechende Platte aus einer geglühten Ti-6A1-4v-Legierung und zeichnete sich weiter dadurch aus, daß seine Struktur aus der gleich-

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achsigen oder etwas länglichen α-Phase in einer Matrix aus umgewandelter ß-Phase bestand, was anzeigt, daß die Fertigbearbeitung unterhalb des Übergangs in die β-Phase erfolgte. Das flache Plattenmaterial wurde zu einem Stück mit I-Träger-Querschnitt (Doppel-T-Träger) mit zwei sich von Flansch zu Flansch auf einer Seite des Stegs erstreckenden Querrippen mit der gleichen Tiefe wie der Flansch geschmiedet. Außerdem wurde in dem Steg ein Buckel gebildet. An verschiedenen Stellen rund um das Schmiedestück variierten die Rippendicken von etwa 0,090 Zoll, was ohne überbeanspruchung der Gesenke nicht leicht auf die volle Rippenhöhe aufzufüllen ist, bis zu etwa 0,180 Zoll, was leicht zu füllen ist, jedoch die Fähigkeit, eine dünne Rippe neben einer dicken zu füllen, genau testet. Das Buckelprofil war niedrig und leicht zu füllen, diente jedoch als zusätzliche Möglichkeit zur Messung von Schmierstoffrückständen. Eine getreue Wiedergabe eines scharfen Radius an der Oberseite der Querrippe sowie die Menge von Restschmierstoff auf dem Buckel ergab ein weiteres Maß für die Neigung des Schmierstoffs, sich anzusammeln.

Die getesteten Gesenkschmierstoffe ergaben mit den verschiedenen Teststücken von Beispiel 7 Schmiedestücke mit guter Qualität. Der Grad der Metallverformung war gut und trotz wiederholter Schmiedevorgänge zeigte sich keine merkliche Ansammlung von Schmierstoff innerhalb der Gesenke, wobei manchmal bis zu 90 Schmiedevorgänge ohne Reinigung des Gesenks durchgeführt wurden. Dies steht im Gegensatz zu der üblichen Praxis unter Verwendung von Schmierstoffen aus Glasschmelzen, wo manchmal nach jedem Schmiedevorgang eine Reinigung des Gesenks erforderlich ist. Auch wurde eine gute Oberflächenbeschaffenheit der geschmiedeten Stücke beobachtet.

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Ein ähnlicher Test mit einem nur 7 Gew.# Bornitrid enthaltenden, sonst jedoch identischen Gesenkschmierstoff ergab ähnliche Ergebnisse, mit der Ausnahme, daß die Oberflächenbeschaffenheit der geschmiedeten Stücke aufgrund des geringeren Bornitridgehalts unbefriedigend war und sich Schmierstoff in den Gesenken ansammelte.

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Claims

Patentans t^r Ü c h' e

1) Gesenkschmierstoff für das Schmieden von metallischen Werkstücken, bestehend aus einem kleineren Anteil von 40 Gew.% oder weniger eine Grenzschicht bildenden Bornitrid- oder Graphitteilchen oder Mischungen derselben mit einer geringeren Teilchengröße als die, mit welcher mindestens 95 % der Teilchen durch ein 40 mesh-Sieb hindurchgehen, und einem Pulver aus glasigen Komponenten, einschließlich Dibortrioxid in einer Menge zwischen etwa 60 und 75 Gew.# der glasigen Komponenten, Rest Quarz und ein Metalloxid in einer Menge zwischen etwa 1/2 und 5 Gew.% der glasigen Komponenten, wobei das Metalloxid Kobalt-, Barium-, Manganoxid oder ein Gemisch derselben ist.

2) Schmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichtteilchen Bornitridteilchen sind und das Metalloxid Kobaltoxid ist.

3) Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichtteilchen zu mindestens 95 % durch ein 325 mesh-Sieb hindurchgehen und zwischen etwa 7 und 25 Gew.96 der Gesamtmenge von Grenzschichtteilchen und glasigen Komponenten ausmachen, daß das Dibortrioxid etwa 67 bis 75 Gew.# der glasigen Komponenten ausmacht, und daß das Metalloxid zwischen etwa 1 und 3 Gew.% der glasigen Komponenten ausmacht.

4) Gesenkschmierstoff nach Anspruch 3_f gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

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Gew. % Komponente

25 Bornitrid

75 glasige Komponenten

wobei die glasigen Komponenten bestehen aus:

Gew.% der glasigen

Komponenten Komponente

67 Dibortrioxid

31 Quarzfritte

2 Kobaltoxid.

5) Gesenkschmierstoff nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung:

Gew. % Komponente

14 Bornitrid

86 glasige Komponenten

wobei die glasigen Komponenten bestehen aus:

Gew.96 der glasigen

Komponenten Komponente

67 Dibortrioxid

31 Quarzfritte

2 Kobaltoxid.

6) Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dibortrioxid, die Quarzfritte und das Netalloxid einer Vorreaktion unter Bildung eines das Metalloxid enthaltenden Borsilikatglases ausgesetzt wurden.

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7) Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein flüssiges, einen Harzbinder gelöst enthaltendes Lösungsmittel als streichfähigen Träger enthält.

8) Gesenkschmierstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Harzbinder ein Acrylharz, Methylcellulose, Polycarbonat, Polyurethan oder ein Epoxydharz ist.

9) Gesenkschmierstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der streichfähige Träger ein organisches, aromatisches, nicht-sauerstoffhaltiges Lösungsmittel ist, in welchem ein Harzbinder gelöst ist.

10) Isothermes Warmgesenk-Preßschmiedeverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisches Werkstück mit einem Gesenkschmierstoff nach Anspruch 1 überzogen und auf mindestens eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher die glasigen Komponenten unter Bildung einer hydrodynamischen Glasphase, in welcher die festen Grenzschichtteilchen dispergiert sind, schmelzen, daß man ein umschlossenes Schmiedegesenk erhitzt, das überzogene Werkstück in das wärme Gesenk einbringt, Gesenk und Werkstück auf eine Temperatur zwischen etwa 815 und 980⁰C erhitzt und während mindestens 5 Sekunden auf das Werkstück einen so starken Schmiededruck ausübt, daß ein Kriechfluß des Metalls des Werkstoffs in Anpassung an das Gesenk erfolgt.

11) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesenkschmierstoff von Anspruch 3, ein Metallwerkstück aus Titan oder einer Titanlegierung, verwendet

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und das überzogene Werkstück außerhalb der Form auf eine Temperatur zwischen etwa 815 ui mindestens 1/4 Stunde erhitzt wird.

eine Temperatur zwischen etwa 815 und 980⁰C während

12) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Grenzschichtteilchen Graphitteilchen verwendet werden, das Metallwerkstück aus Titan oder einer Titanlegierung besteht, und daß die überzogenen Werkstücke außerhalb des Gesenks auf eine Temperatur von nicht über 704⁰C nicht länger als etwa 1/2 Stunde erhitzt werden, worauf man die vorerhitzten Werkstücke in ein umschlossenes Schmiedegesenk einführt und das Werkstück mittels des warmen Schmiedegesenks vor Ausübung des Schmiededrucks einer weiteren Vorerhitzung bis zum Erreichen einer Temperatur zwischen etwa 815 und 980⁰C aussetzt.

13) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Grenzschichtteilchen Graphitteilchen verwendet werden, das Werkstück aus Titan oder einer Titanlegierung besteht, und daß das überzogene Werkstück außerhalb des Gesenks in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre während mindestens 1/4 Stunde auf eine Temperatur zwischen etwa 815 und 980⁰C erhitzt wird.

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