EP0711821A1 - Schmiermittelträgersalz für die Metallumformung - Google Patents

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acid
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lubricant
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Klaus-Dieter Nittel
Norbert Schwinke-Kruse
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    • C10N—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS C10M RELATING TO LUBRICATING COMPOSITIONS
    • C10N2010/00—Metal present as such or in compounds
    • C10N2010/02—Groups 1 or 11

Definitions

  • the invention relates to a lubricant carrier salt to facilitate the cold forming of workpieces made of iron or steel based on boric acid and / or alkali borate, and to a method for facilitating the cold forming of workpieces made of iron or steel with the aid of this lubricant carrier salt.
  • fatty acid salts These are often applied to the workpieces to be formed in the form of hot, aqueous soap solutions.
  • a chemical coating is usually applied to the metal surface, e.g. a phosphate, oxide, oxalate or sulfide coating.
  • the lubricant should form a uniform film which forms a good separation layer between the workpiece and the tool during the forming treatment.
  • soaps In addition to the application of soaps to bare workpieces or workpieces that have previously been provided with a conversion coating, it is also known to use lubricants to facilitate cold forming represent a mixture of fatty acid salts and alkali pyrophosphate and / or alkali tetraborate (DE-A-1 594 512). Some of the soaps are said to be fatty acid salts of lithium, potassium, ammonium, calcium, mangesium, zinc and / or aluminum.
  • Lubricants are also known which contain neutral grease and / or oil, alkali metal soap and alkali metal salt of boric acid (DE-B-23 30 806), contain alkali borate, alkali sulfate and silicate as well as chloride (GB 1 561 836) or contain water-soluble metal soap , Alkali metal chloride, alkali metal sulfate and alkali metal borate (GB-A-2 003 923).
  • lubricant carrier salts are, for example, lime (Ca (OH) 2), iron hydroxide (Fe (OH) 2) and borax (Na2B4O7 ⁇ 10 H2O) (D. Oppen "Chemical surface treatment as a means to facilitate cold forming", Metall Structure (1982), pages 566 ff).
  • Borax in particular allows a high drawing speed.
  • its hygroscopicity is disadvantageous, so that the pullability, e.g. of the wire, falls off and rust formation is found on the wire surface.
  • the reason for the loss of traction is the decrease in liability associated with the increasing water absorption.
  • Another problem is the subsequent drying. E.g. the wire dries up, i.e. If the water of crystallization is wholly or only partially expelled from the borax applied, the borax layer loses its adhesion to the wire. The pulling ability is no longer given.
  • the object of the invention is a lubricant carrier salt to facilitate the cold forming of workpieces made of iron or steel based on boric acid and / or alkali borate
  • a lubricant carrier salt to facilitate the cold forming of workpieces made of iron or steel based on boric acid and / or alkali borate
  • the object is achieved by further developing the lubricant carrier salt of the type mentioned at the outset in accordance with the invention such that it contains aliphatic di- or tricarboxylic acid which is either unsubstituted or substituted by at least one OH group and / or an alkali salt thereof has, the weight ratio of boric acid / alkali borate (calculated as H3BO3) to carboxylic acid (calculated as citric acid) (5 to 15): 1.
  • di- or tricarboxylic acids are malonic acid, maleic acid, succinic acid, tartaric acid and / or citric acid.
  • carboxylic acids used in the lubricant carrier salt according to the invention should have a melting point above 100 ° C.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides for the use of a lubricant carrier salt which contains an additional content of inorganic or organic thickener, preferably in amounts of 0.5 to 5% by weight on the fully formulated lubricant carrier salt).
  • Bentonite and / or polysaccharide are particularly suitable thickeners.
  • a further advantageous embodiment of the invention consists in applying a lubricant carrier salt which has an additional content of aluminate and / or silicate, preferably metasilicate and / or disilicate, in amounts of 1 to 10% by weight (based on the formulated lubricant carrier salt) .
  • a lubricant carrier salt which has an additional content of aluminate and / or silicate, preferably metasilicate and / or disilicate, in amounts of 1 to 10% by weight (based on the formulated lubricant carrier salt) .
  • a lubricant carrier salt which contains an additional content of dispersing, lubricating and / or rust inhibiting agents, preferably soap, in a total amount of 2 to 15% by weight (based on the formulated lubricant carrier salt) and / or an additional content of titanium salt, preferably of titanium phosphate, in amounts of 10 to 100 mg / kg of lubricant carrier salt (calculated as titanium).
  • the lubricant carrier salts according to the invention are usually applied to the workpieces in the form of an aqueous solution or dispersion. Accordingly, part of the invention is a method for facilitating the cold forming of workpieces made of iron or steel, which is characterized in that the lubricant carrier salt from an aqueous solution or dispersion with a concentration of 5 to 30 wt.% And at a temperature of 80 to 100 ° C is applied in a dipping or continuous process.
  • the lubricant carrier salt can be applied to the bare metal surface.
  • the invention is particularly suitable for wire drawing, cold upsetting, extrusion and ironing. Their particular advantages are that the lubricant carrier salt applied to the workpieces is insensitive to overdrying and shows practically no hygroscopic properties. The maximum water absorption after drying is 2% by weight.
  • a 15% by weight aqueous solution was prepared from the above-mentioned lubricant carrier salt, in which steel wire bundles were immersed for 10 minutes at a temperature of 90 ° C. Following the immersion treatment, drying was carried out at 150 ° C. in a forced air oven.
  • the steel wire had a lubricant carrier salt coating with a layer weight of 6 g / m2 due to the pretreatment mentioned.
  • the wire After applying soap before the drawing die, the wire, which had an initial diameter of 5.5 mm, was formed in eight passes at a drawing speed of 8 m / sec to a final diameter of 1.9 mm.
  • the basis weight of the phosphate coating produced with the phosphating solution was 10 g / m 2.
  • the lubricant carrier salt was applied from a 25% by weight solution heated to 90 ° C. in a continuous process, the contact time between steel wire and solution of the lubricant carrier salt being 15 seconds.
  • the lubricant carrier salt applied in this way had a weight of 4 g / m 2.
  • the steel wire was then shaped in six passes at 6 m / sec from the initial 6 mm to 3.5 mm after applying the soap. Here too, reproducible results were achieved with different storage times and partial overdrying.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Schmiermittelträgersalz zur Erleichterung der Kaltumformung von Werkstücken aus Eisen oder Stahl auf Basis Borsäure und/oder Alkaliborat weist einen zusätzlichen Gehalt an aliphatischer Di- oder Tricarbonsäure, die entweder nicht substituiert oder durch mindestens eine OH-Gruppe substituiert ist, und/oder an Alkalisalzen hiervon auf, wobei das Gewichtsverhältnis von Borsäure/Alkaliborat (berechnet als H3BO3) zu Carbonsäure (berechnet als Zitronensäure) (5 bis 15) : 1 beträgt. Besonders geeignete Carbonsäuren sind Malonsäure, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Weinsäure und/oder Zitronensäure. Als weitere Bestandteile können im erfindungsgemäßen Schmiermittelträgersalz anorganische oder organische Verdickungsmittel, wie Bentonit und/oder Polysaccharid, Aluminat und/oder Silikat, Dispergier-, Gleit- und/oder Rostschutzmittel sowie Titansalz enthalten sein. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von Werkstücken aus Eisen oder Stahl, bei dem 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 auf die gegebenenfalls mit einem Phosphatüberzug versehenen Werkstücke aufgebracht wird.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.%.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele beispielsweise und näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • Das mit der Phosphatierungslösung erzeugte Flächengewicht des Phosphatüberzuges betrug 10 g/m².
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  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.
EP95115908A 1994-11-11 1995-10-10 Schmiermittelträgersalz für die Metallumformung Expired - Lifetime EP0711821B1 (de)

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DE4440301 1994-11-11
DE4440301A DE4440301A1 (de) 1994-11-11 1994-11-11 Schmiermittelträgersalz für die Metallumformung

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