Schmiermittel zum Schmieren von erhitzten Metallgegenständen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmiermittel zum Schmieren von zwei sich einander flächig berührenden erhitzten Metallgegenständen, die eine Relativbewegung zueinander ausführen, wobei das Schmiermittel einen Gehalt an Graphit und einen Gehalt an wenigstens einem Schichtsilikat aufweist. Darüber hinaus betrifft diese Erfindung die Verwendung eines solchen Schmiermittels bei der Heißverformung von Metallen und insbesondere bei der Herstellung von nahtlosen Rohren.
Bei der formgebenden Verarbeitung von Metallen treten teilweise erhebliche Drücke auf den Ober- flächen des zu verarbeitenden Metalls und des Bearbeitungswerkzeugs auf. Entsprechend hoch sind die Rückhaltekräfte zweier solcher sich einander flächig berührender erhitzter Metallgegenstän¬ de, die eine Relativbewegung zueinander ausführen. Diese Rückhaltekräfte definieren die Rei¬ bungsverhältnisse zwischen den beiden Metallgegenständen und beeinflussen maßgeblich die Halt¬ barkeit der verarbeitenden Werkzeuge. Darüber hinaus bestimmen die Reibungsverhältnisse letzt- lieh die Oberflächenqualität der produzierten Erzeugnisse.
Bei der Herstellung von nahtlosen Rohren wird beispielsweise ein massiver Stahlblock auf eine be¬ stimmte Umformungstemperatur erhitzt und zu einem kurzen, dickwandigen Hohlkörper, der Rohr¬ luppe, ausgewalzt. Diese Rohrluppe wird über ein Werkzeug, den Dorn, gesteckt und ohne zusätzli- che Wärmezuführung über den Dorn ausgestreckt bzw. geschmiedet.
Es besteht daher ein allgemeiner Bedarf an Schmiermitteln zum Schmieren von zwei sich einander flächig berührenden erhitzten Metallgegenständen, wie beispielsweise einem Dorn und einer Rohr¬ luppe. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Schmiermittelzusammensetzungen bekannt, die sich grundsätzlich zum Schmieren von zwei sich einander flächig berührenden erhitzten Metall¬ gegenständen eignen. Ein großer Anteil dieser Schmiermittel enthält als einen Bestandteil Graphit, das auch als Schmiermittel für Metallgegenstände bei üblichen Umgebungstemperaturen allseits bekannt ist. Ein Nachteil graphithaltiger Schmiermittel ist, daß insbesondere bei hohen Verarbei¬ tungstemperaturen häufig eine Aufkohlung stattfindet, wobei der Graphit Außergitterplätze des B- senkristalls besetzt (Eisencarbidbildung), was zu einer partiellen Versprödung führen kann. Bei der Weiterverarbeitung des Werkstückes durch Ziehen, Strecken, Biegen usw. reißt der versprödete Werkstoff an dieser Stelle auf, und das Teil wird unbrauchbar. Die Ausschußrate wird erhöht, was wirtschaftlich untragbar ist.
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Aus dem Stand der Technik sind graphithaltige Schmiermittel bekannt, die zusätzlich einen Gehalt an alkalihaltigen Schichtsilikaten aufweisen. So offenbart die EP 0 745 661 ein graphithaltiges Schmiermittel, das einen Anteil an einem oder mehreren Tonmineralen aus der Klasse der Smektite aufweist. Zusätzlich weisen diese Schmiermittel entweder einen Gehalt an Kieselsäuresol oder KaIi- um-aluminiumsilikat auf. Laut EP 0 745 661 können solche Schmiermittel den Nachteil der Aufkoh¬ lung von graphithaltigen Schmiermitteln bei relativ hohen Arbeitstemperaturen weitestgehend über¬ winden.
Zwar können Schmiermittel mit Gehalten an sowohl Graphit als auch alkalihaltigem Schichtsilikat eine geringere Aufkohlung bei der Metallbearbeitung aufweisen, sie sind allerdings bezüglich der Reibungsverhältnisse zwischen den Metalloberflächen häufig verbesserungsbedürftig, um die Halt¬ barkeit der bearbeitenden Werkzeuge, z.B. der Dornstangen, zu verlängern.
Die dieser Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher, ein graphithaltiges Schmiermittel be- reitzustellen, das beim Schmieren von zwei sich einander flächig berührenden erhitzten Metallge¬ genständen, die eine Relativbewegung zueinander ausführen, keine Aufkohlung aufweist, und das die zwischen den Oberflächen der Metallgegenstände auftretenden Rückhaltekräfte im Vergleich zu entsprechenden Schmiermitteln aus dem Stand der Technik verringert, um so die Haltbarkeit der sehr teuren Werkzeuge (z.B. Dornstangen) zu verlängern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schmiermittel der eingangs genannten Art, das zusätzlich da¬ durch gekennzeichnet ist, daß das Schmiermittel, bezogen auf den Feststoffgehalt, wenigstens 5 Gew.-% alkalifreies wasserhaltiges Schichtsilikat aufweist.
Die Gruppe der alkalifreien wasserhaltigen Schichtsilikate weist das gemeinsame Merkmal auf, daß diese Schichtsilikatmineralien im wesentlichen alkalifrei sind. Die Gruppe der alkalifreien wasserhal¬ tigen Schichtsilikate umfaßt unter anderem die Mineralien Kaolinit, Antigorit, Halloysit, Greenalith, Pyrophyllit, Talk, Margarit, Vermiculit, Sudoit und Chlorit.
Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten zur vorliegenden Erfindung konnte überraschenderweise ge¬ zeigt werden, daß der Zusatz von alkalifreiem wasserhaltigem Schichtsilikat zu graphithaltigen Schmiermitteln die Reibungsverhältnisse zwischen zwei sich einander flächig berührenden erhitzten Metallgegenständen, welche eine Relativbewegung zueinander ausführen, positiv beeinflußt, indem die Rückhaltekräfte zwischen den beiden Metallgegenständen verringert werden. Dieser Vorteil wird ab einem Anteil an alkalifreiem wasserhaltigem Schichtsilikat von wenigstens 5 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt des Schmiermittels, erzielt. Die hierdurch erreichte Verringerung der Rück¬ haltekräfte betrug durchschnittlich im Vergleich zu herkömmlichen Schmiermitteln etwa 10%. Diese wesentliche Verminderung der Rückhaltekräfte wirkte sich auf die Haltbarkeit der Bearbeitungswerk-
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zeuge derart positiv aus, daß die Standzeit dieser Werkzeuge um durchschnittlich etwa 20-25% an¬ stieg.
Zwar ist es bekannt, graphithaltigen Schmierstoffen Schichtsilikate zuzusetzen, allerdings wurden hierfür bisher lediglich alkalihaltige Glimmer oder glimmerartige Schichtsilikate mit Alkalibestandteil verwendet. Die Glimmer oder glimmerartigen Schichtsilikate zählen zu den Dreischichtsilikaten. Zu der Gruppe der Dreischichtsilikate gehören z.B. die häufig verwendeten alkalihaltigen Smektite (un¬ ter anderem Montmorillonit), die unter anderem in den Bentoniten als Hauptminerale enthalten sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält das Schmiermittel, bezogen auf den Feststoffgehalt, wenigstens 30 Gew.-% Graphit. Der verwendete Graphit kann sowohl syn¬ thetischen als auch natürlichen Ursprungs sein. Vorzugsweise liegt der Graphitanteil an einem erfin¬ dungsgemäßen Schmiermittel in einem Bereich von 30-90 Gew.-%, und besonders bevorzugt um¬ faßt der Graphitanteil 50-80 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt. Erstaunlich ist, daß auch bei Schmiermitteln gemäß dieser Erfindung mit relativ hohen Graphitanteilen keine Aufkohlungen auf der Oberfläche der bearbeiteten Metallgegenstände nachgewiesen werden konnten. So wurden auf der Innenoberfläche von Rohren, die auf einem Dorn verarbeitet wurden, der mit einem erfindungs¬ gemäßen Schmiermittel versehen worden war, auch nach dem Strecken bei der Weiterverarbeitung keine Anzeichen von Aufkohlung (z.B. Risse in der Innenoberfläche, partielle Versprödungen) fest- gestellt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfaßt das Schmiermittel, bezogen auf den Feststoffgehalt, wenigstens 10 Gew.-% Schichtsilikat. Vorzugsweise umfaßt das Schmier¬ mittel 10-50 Gew.-% Schichtsilikat und besonders bevorzugt sind Schichtsilikatanteile, bezogen auf den Feststoffgehalt, von 20-40 Gew.-%. Hierbei zählt, daß bei einigen Ausführungsformen lediglich die Maßgabe gilt, daß der Anteil an alkalifreiem wasserhaltigem Schichtsilikat am Gesamtschichtsili¬ katgehalt des Schmiermittels wenigstens so hoch ist, daß der Anteil an alkalifreiem wasserhaltigem Schichtsilikat, bezogen auf den Feststoffgehalt des gesamten Schmiermittels, wenigstens 5 Gew.-% beträgt. Bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Anteil an alkalifreiem wasserhaltigem Schichtsilikat, bezogen auf den Feststoffgehalt des Schmiermittels, wenigstens 10 Gew.-%. Vor¬ zugsweise umfaßt das Schmiermittel, bezogen auf den Feststoffgehalt 10-90 Gew.-% alkalifreies wasserhaltiges Schichtsilikat, wobei das Schmiermittel besonders bevorzugt 20-60 Gew.-% alkali¬ freies wasserhaltiges Schichtsilikat umfaßt.
Bevorzugt sind gemäß dieser Erfindung die alkalifreien wasserhaltigen Schichtsilikate, die Zweier- Einfachschichten aufweisen, wie beispielsweise Kaolinit, Antigorit und Halloysit. Weitere bevorzugte alkalifreie wasserhaltige Schichtsilikate aus der Gruppe der nicht hydratisierten alkalifreien wasser¬ haltigen Schichtsilikate ausgewählt. Besonders bevorzugte alkalifreie wasserhaltige Schichtsilikate
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sind die nicht-hydratisierten Zweier-Einfachschicht-Schichtsilikate aus der Kaolinit-Antigorit-Familie, wie z.B. das Kaolinit. Insbesondere bevorzugt ist unter den Schichtsilikaten aus der Kaolinit-Familie das Tonmineral Kaolinit, ein Aluminiumhydrosilikat der allgemeinen Formel AI2[Si2O5(OH)4]. Kaolinit ist in Reinform weiß, weich und blättchenförmig. Die Zweier- Einfachschichten des Kaolinit sind nicht hydratisiert und liegen ungefaltet vor. Besonders charakteristisch für Kaolinit ist die große Neigung zur Einlagerung (Interkalation) chemischer Stoffe zwischen die einzelnen Kaolinitschichten. Durch die Ankondensation der AI(OH)3- Schichten sind die ungefalteten Silikatschichten besonders stabili¬ siert. Hierbei wirken die hydratisierten Aluminiumionen im Prinzip als sehr große Ionen.
Kaolinit wird entweder durch Schlämmung des Tongesteins Kaolin oder synthetisch aus Polykiesel- säure und Aluminiumhydroxid gewonnen. Da Kaoline überwiegend aus dem Mineral Kaolinit beste¬ hen (etwa 88%), wird bei einigen Ausführungsformen anstelle von reinem Kaolinit Kaolin verwandt, d.h. daß der Anteil Kaolinit, bezogen auf den Feststoffgehalt, durch entsprechend höheren Zusatz von Kaolin erzielt wird. Bei weiteren Ausführungsformen werden sowohl Kaolinit als auch Kaolin in entsprechenden Mengen verwendet. Gleiches gilt auch für synthetisch hergestellten Kaolinit, d.h. daß bevorzugte Schmiermittel gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich dadurch gekennzeich¬ net sind, daß sie Kaolin oder synthetisch hergestellten Kaolinit umfassen. Der Vorteil der Verwen¬ dung des Tongesteins Kaolin liegt in den geringeren Kosten für das Rohmaterial. Dagegen kann auch die höhere Reinheit des Minerals Kaolinit bzw. die höchstmögliche Reinheit des synthetisch hergestellten Kaolinits zum Zwecke einer exakteren Reproduzierbarkeit von Erzeugnissen einheitli¬ cher Qualität gewünscht sein. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen umfaßt das erfin¬ dungsgemäße Schmiermittel sowohl Kaolin als auch synthetisch hergestellten Kaolinit.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß sie wenig- stens einen Verdicker umfassen. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Verdicker ein Bentonit, wo¬ bei unter den Bentoniten besonders Smektite bevorzugt sind, und unter den Smektiten insbesondere Montmorillonit bevorzugt ist. Der Anteil des Verdickers bzw. der Verdicker an dem Schmiermittel ist, bezogen auf den Feststoffgehalt, vorzugsweise etwa 1 -10 Gew.-%.
Eine besonders bevorzugte spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt, bezogen auf den Feststoffgehalt, wenigstens 50-79 Gew.-% Graphit, 20-40 Gew.-% Kaolinit und 1 -10 Gew.-% Verdicker.
Zusätzlich enthalten bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wenigstens ein Alkalior- thophosphat, wobei solche Alkaliphosphate besonders bevorzugt sind, die unter Trinatrium-, Trikali- um- oder Trilithiumorthophosphat ausgewählt sind. Der Zusatz von Alkaliorthophosphaten ist aus dem Stand der Technik wohlbekannt, und umfaßt im Rahmen dieser Erfindung, bezogen auf den Feststoffgehalt des Schmiermittels, vorzugsweise 0,5-15 Gew.-%. Besonders bevorzugt liegt der
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Anteil Alkaliorthophosphat im Bereich von 1 -10 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt des Schmiermittels, und besonders bevorzugt im Bereich von 1-7,5 Gew.-%. Wobei sich diese Anteile bei speziellen Ausführungsformen aus verschiedenen Alkaliorthophosphatanteilen zusammenset¬ zen.
Die erfindungsgemäßen Schmiermittel können überall dort eingesetzt werden, wo bei hohen Tempe¬ raturen zwei sich einander flächig berührende Metallgegenstände eine Relativbewegung zueinander ausführen. Hierzu zählen z.B. auch Rollenkäfige für Gleitlager, bei denen erhöhte Temperaturen auftreten können. Bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Schmiermittel allerdings bei sich ein- ander flächig berührenden Metallgegenständen verwendet, von denen einer ein Werkzeug und ein anderer ein Werkstück ist. Hierfür ist es besonders zweckmäßig, wenn das erfindungsgemäße Schmiermittel in Form einer wäßrigen Lösung oder Dispersion bzw. Suspension vorliegt. Der Fest¬ stoffgehalt einer solchen Lösung oder Dispersion/Suspension beträgt vorzugsweise 25-35 Gew.-%.
Die wäßrige Zubereitung eines erfindungsgemäßen Schmiermittels kann beispielsweise auf das Werkzeug (z.B. eine Dornstange) aufgebracht werden, wobei das Schmiermittel nach dem Ver¬ dampfen des Wassers einen feinen Trenn- und Schmierstoffilm bildet.
Grundsätzlich eignet sich der Erfindungsgedanke für das Schmieren beliebiger Metallgegenstände, wird aber bevorzugt verwandt bei der Heißverformung von Metallen, und zwar vorzugsweise bei Arbeitstemperaturen von etwa 700-13009C. Besonders bevorzugt werden erfindungsgemäße Schmiermittel zum Schmieren von Dornstangen bzw. Luppen bei der Herstellung nahtloser Metall¬ rohre verwendet. Unter Metallrohren werden hier beispielsweise Rohre aus Buntmetallen, Aluminium oder dergleichen verstanden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von erfindungsgemäßen Schmiermitteln bei der Herstellung von nahtlosen Stahlrohren bei Arbeitstemperaturen von etwa 1000-13000C.
Ein Schmiermittel gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders bei der Verarbeitung von erhitzten Metallgegenständen in einem Asselwalzwerk sowie beim Stoßbankverfahren und bei der Verarbeitung mit einem Pilgergerüst. Auch beim Kontiwalzen werden deutliche Vorteile in Bezug auf die Oberflächenqualität, die Standzeit der Dorne und den Kraftaufwand zwischen den Walzgerü¬ sten erzielt, wobei es unerheblich ist, ob das Walzen mit freien Dornen, nach dem "Semi-Floating"- Prinzip, dem MPM-Verfahren (MPM = Multiple Purpose MiII) oder dem PQF-Verfahren (PQF = Pre- mium Quality Finishing) durchgeführt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele deutlich werden.
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BEISPIEL 1
Von einem Schmierstoff der Zusammensetzung
60 Gew. -% Graphit
36 Gew. -% Kaolinit
4 Gew.-( % Verdicker
wurde eine 30%-ige wäßrige Suspension zubereitet. Bei dem in diesem Beispiel verwendeten Gra- phit handelte es sich um einen Naturgraphit mit einer Reinheit von >98% und mit einer durchschnitt¬ lichen Korngröße von 6 μm. Der verwendete Kaolinit wurde durch Aufschlämmung aus Kaolin ge¬ wonnen (Kaolin EGS 80, Firma Erbslöh). Als Verdicker wurde ein modifiziertes Bentonit verwendet (Optigel WM, Firma Süd-Chemie).
Die 30%-ige wäßrige Suspension der oben genannten Zusammensetzung wurde auf die etwa 809C warmen Dorne einer MPM (Multiple Purpose MiII) gesprüht. Nach dem Verdampfen der Trägerflüs¬ sigkeit wurden die Rohre gewalzt. Die hierbei ermittelten Rückhaltekräfte betrugen 85 to bei einer 11500C Blocktemperatur. Die Haltbarkeit der Dorne betrug 2000 Rohre.
BEISPIEL 2
Von einem Schmierstoff der Zusammensetzung
60 Gew.-% Graphit
31 Gew.-% Kaolin
4 Gew.-% Verdicker
5 Gew.-% K3PO4
wurde eine 30%-ige wäßrige Suspension hergestellt. Der verwendete Graphit und der verwendete Verdicker entsprachen den in Beispiel 1 genannten Stoffen. Bei dem verwendeten Kaolin handelte es sich um ein weißes Kaolin, mit einem Kaolinitanteil von 88 Gew.-% (Kaolin EGS 80, Firma Erbs- löh). K3PO4 stammte von der Chemischen Fabrik Budenheim KG.
Eine 30%-ige wäßrige Suspension der obigen Zusammensetzung wurde auf die etwa 80 °C warmen Dorne einer MPM (Multiple Purpose MiII) gesprüht. Nach Verdampfen der Trägerflüssigkeit wurden die Rohre gewalzt. Die Rückhaltekräfte betrugen 80 to bei 1 1509C. Die Haltbarkeit der Dorne betrug 2050 Rohre.
VERGLEICHSBEISPIEL 1 (Stand der Technik)
Von einem Schmierstoff gemäß der EP 0 745 661 mit der Zusammensetzung
60 Gew.-% Graphit 36 Gew.-% Kalium-Aluminiumsilikat (Mica G, Aspanger), Teilchengröße d50=6,5 μm)
4 Gew.-% Verdicker
wurde eine 30%-ige wäßrige Suspension zubereitet. Der verwendete Graphit und der verwendete Verdicker entsprachen den in Beispiel 1 genannten Stoffen.
Die erfindungsgemäße 30%-ige wäßrige Suspension der oben genannten Zusammensetzung wurde auf die etwa 809C warmen Dorne einer MPM (Multiple Purpose MiII) gesprüht. Nach dem Verdamp¬ fen der Trägerflüssigkeit wurden die Rohre gewalzt. Die hierbei ermittelten Rückhaltekräfte betrugen 95 to bei einer 1 150°C Blocktemperatur. Die Haltbarkeit der Dorne betrug 1775 Rohre.