EP0837744A1 - Schmierverfahren für schwere umformungen - Google Patents

Schmierverfahren für schwere umformungen

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EP0837744A1
EP0837744A1 EP96922900A EP96922900A EP0837744A1 EP 0837744 A1 EP0837744 A1 EP 0837744A1 EP 96922900 A EP96922900 A EP 96922900A EP 96922900 A EP96922900 A EP 96922900A EP 0837744 A1 EP0837744 A1 EP 0837744A1
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oil
miscible
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Hartmut Rieger
Helga Holzapfel
Hans-Peter ÖLSCHER
Wiltrud Klose
Karl Sigg
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Henkel AG and Co KGaA
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Definitions

  • the invention relates to a method for lubricating workpieces made of metal, in particular steel or aluminum, for forming processes by drawing or deep drawing.
  • a method for lubricating workpieces made of metal, in particular steel or aluminum for forming processes by drawing or deep drawing.
  • an inhomogeneous mixture prepared immediately before the forming operation is applied, the essential components of which are a concentrate of a water-miscible cooling lubricant emulsion and a non-water-soluble visual cutting oil.
  • lubricants are required, the main purpose of which is to reduce the friction between the tool and the workpiece.
  • An overview of the shaping metalworking processes and the aids usually used for this purpose can be found, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Ed., Vol. A15, 479-486 (1990).
  • the spectrum of the forms of supply of the auxiliaries in question ranges from oils to oil-in-water emulsions to aqueous solutions.
  • Other components such as, for example, viscosity regulators, defoamers or corrosion inhibitors, are usually added to the base liquids.
  • Lubricants for example so-called "EP additives"
  • EP additives are still common, especially in oil-based systems.
  • the use of emulsifiers is generally necessary for the formation of emulsions. In many cases, the agents are also stabilized by biocides.
  • oils Today paraffin or mineral oils are preferably used as oil components.
  • synthetic lubricants such as polyolefins can also be used. Ecological advantages can be achieved when using oils on a native basis, with for example in the form of native triglycerides or modification products thereof, wax esters, fatty acid esters of polyols or longer-chain dialkyl ethers.
  • the oils are used as such in the form of so-called "non-water-miscible" cooling lubricants. You then have the advantage of not chemically attacking metals and providing good corrosion protection. The good lubricating effect is also an advantage.
  • the main disadvantage lies in the low heat capacity of non-water-miscible cooling lubricants, so that the heat generated during the forming processes is dissipated only with difficulty.
  • non-water-miscible cooling lubricants also referred to as "cutting oils” or “metalworking oils”
  • cutting oils or “metalworking oils”
  • metalworking oils water-miscible cooling lubricants which come on the market in the form of a low-water or water-free concentrate and which are mixed by users with water in a cooling lubricant emulsion be transferred in the form of an oil-in-water emulsion.
  • approximately 5% aqueous emulsions are produced.
  • the advantage of this type of cooling lubricant is the good cooling effect, which is based on the thermal properties of the water.
  • the lubricating effect caused by the oil content of the emulsion is sufficient for most machining processes in metal-cutting manufacturing.
  • suitable corrosion inhibitors it must be ensured that the corrosion of the metallic workpieces, which is possible due to the presence of the aqueous phase, does not occur.
  • This object is achieved by a method for lubricating metal workpieces for forming processes by drawing, deep-drawing or cold extrusion, characterized in that an inhomogeneous mixture is formed from
  • the invention is therefore mainly based on mixing a non-water-miscible cutting oil with the concentrate of a water-miscible cooling lubricant emulsion, contrary to the usual teachings in practice. This has not been considered so far, since a stable homogeneous mixture cannot be obtained from these two components, but rather a phase separation is observed on standing. Accordingly, according to the invention, it is necessary for the water-miscible cooling lubricant emulsion and the water-immiscible cutting oil to be introduced by mechanical energy input, for example by stirring, mix intensively with one another and keep in the inhomogeneous mixture.
  • inhomogeneous mixture here means that the cutting oil is not emulsified into the water-miscible cooling lubricant emulsion, but is mechanically distributed therein with such a droplet size that it rapidly changes, for example within half an hour, after the end of the mechanical mixing separated phase separated again.
  • the lubricating effect required in the context of the task according to the invention is only achieved if the cutting oil is present in the mechanical mixture with a drop size such that a phase separation occurs spontaneously after the mechanical force has ended.
  • the process according to the invention can therefore be carried out by mixing the above components a) and b), if appropriate together with the other components c) and d), by stirring in a mixing container and, with the stirrer running, via a removal line to the factory piece.
  • the individual components can be fed to a multi-substance nozzle and sprayed onto the workpiece together.
  • a two-component nozzle is sufficient for this purpose, through whose one supply line the water-miscible components and through the second supply line the non-water-miscible components are supplied.
  • component a) can be an emulsion concentrate which is composed of 30 to 50% by weight of an oil component, preferably mineral oil, which if desired contains sulfurized fractions, and 10 to 20 wt .-% water.
  • the rest of 100% by weight consists of emulsifiers, preferably based on fatty alcohol ethoxylates, of corrosion inhibitors, preferably based on amine soaps, ethanolamine soaps and / or ethanolamides, and, if appropriate, of further auxiliaries or additives known for this product group in the prior art Active ingredients.
  • a non-water-miscible cutting oil is suitable as component b).
  • oils on a native basis, in particular on an ester basis.
  • these are native triglycerides or modification products thereof, wax esters and fatty acid esters of monoalkanols with 4 to 12 carbon atoms, for example tallow fatty acid ethylhexyl ester or transesterified rapeseed oil, and fatty acid esters of polyols, in particular trimethylol propane being used as the polyol component.
  • Component b) can also be mixtures of such oils.
  • the oils can contain additional auxiliaries, in particular EP additives, for example in the form of sulfurized compounds, antioxidants and corrosion inhibitors.
  • the problem was solved by producing an inhomogeneous mixture of the following components in a batch container with stirring and applying it to the material to be formed in an amount of about 6 to 8 ml per wheel disc: a) 50% by volume of a water-miscible concentrate of a chlorine-free cooling lubricant emulsion consisting of 40% by weight of mineral oil, 40% by weight of emulsifiers based on fatty alcohol ethoxylates and corrosion inhibitors and 20% by weight of water (P3-multan R 81-3, Henkel KGaA, Dusseldorf),
  • the tool life could be increased more than a hundredfold.
  • this mixture was left to stand, the phases separated within 10 minutes.
  • the formed wheels were subsequently rinsed off with a water-mixed cooling lubricant emulsion, the concentrate / cutting oil mixture easily emulsified into them.

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Abstract

Verfahren zum Schmieren von Werkstücken aus Metall für Umformprozesse durch Ziehen, Tiefziehen oder Kaltfließpressen, dadurch gekennzeichnet, daß man eine inhomogene Mischung aus a) 40-90 Vol.-% eines Konzentrats einer wassermischbaren Kühlschmierstoffemulsion, b) 10-60 Vol.-% eines mit Wasser nicht mischbaren Schneidöls, c) 0-25 Vol.-% eines Schmieradditivs auf Schwefelbasis und d) 0-20 Vol.-% Wasser, wobei sich die Summe der Komponenten zu 100 % addiert, auf das Werkstück aufbringt.

Description

"Schmierverfahren für schwere Umformungen"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmieren von Werkstücken aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Aluminium für Umformprozesse durch Ziehen oder Tiefziehen. Zum Ermöglichen besonders schwerer Umformungen wird auf die Werkstücke eine unmittelbar vor der Umformung zubereitete inhomogene Mischung aufgebracht, deren wesentliche Komponenten ein Konzen¬ trat einer wassermischbaren Kühlschmierstoffemulsion und ein nichtwasser¬ lösliches Sehneidöl sind.
Bei der formgebenden Bearbeitung von Metallen durch Ziehen oder Tiefzie¬ hen, gegebenenfalls auch verbunden mit dem Ausstanzen von Teilen, werden Schmiermittel benötigt, deren Hauptzweck in der Verringerung der Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück liegt. Ein Überblick über die formgebenden Metallbearbeitungsprozesse und die hierfür üblicherweise verwendeten Hilfsmittel ist beispielsweise Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5th Ed., Vol. A15, 479-486 (1990) zu entnehmen. Das Spektrum der Anbietungsformen der in Betracht kommenden Hilfsmittel reicht dabei von Ölen über Öl-in-Wasser-Emulsionen bis hin zu wäßrigen Lösungen. Üb¬ licherweise werden den Basisflüssigkeiten weitere Komponenten wie bei¬ spielsweise Viskositätregulatoren, Entschäumer oder Korrosionsinhibitoren zugesetzt. Speziell bei ölbasierten Systemen sind weiterhin Schmierstoffe, beispielsweise sogenannte "EP-Additive", gebräuchlich. Für die Bildung von Emulsionen ist in der Regel der Einsatz von Emulgatoren erforderlich. In vielen Fällen werden die Mittel zudem durch Biozide stabilisiert.
Als Ölkomponenten werden heutzutage vorzugsweise Paraffin- oder Mineralöle eingesetzt. Daneben kommen auch sogenannte synthetische Schmiermittel ("synthetische Öle") wie beispielsweise Polyolefine in Betracht. Ökologi¬ sche Vorteile lassen sich beim Einsatz von Ölen auf nativer Basis, bei- spielsweise in Form von nativen Triglyceriden oder Modifizierungsprodukten hiervon, Wachsester, Fettsäureester von Polyolen oder längerkettigen Dial¬ kylether erwarten.
Die Öle kommen zum einen als solche in Form sogenannter "nichtwassermisch- barer" Kühlschmierstoffe zum Einsatz. Sie haben dann den Vorteil, Metalle nicht chemisch anzugreifen und einen guten Korrosionsschutz zu liefern. Weiterhin ist die gute Schmierwirkung von Vorteil. Der Hauptnachteil liegt in der geringen Wärmekapazität nichtwassermischbarer Kühlschmierstoffe, so daß die bei den Umformprozessen entstehende Wärme nur schlecht abgeführt wird.
Von den nichtwassermischbaren KühlSchmierstoffen, auch als "Schneidδle" oder "Metallbearbeitungsöle" bezeichnet, unterscheidet man die wasser¬ mischbaren KühlSchmierstoffe, die in Form eines wasserarmen oder wasser¬ freien Konzentrats in den Handel kommen und beim Verwender durch Vermi¬ schen mit Wasser in eine Kühlschmierstoffemulsion in Form einer Öl-in-Was- ser-Emulsion überführt werden. In der Regel werden ca. 5 %ige wäßrige Emulsionen hergestellt. Der Vorteil dieses KühlSchmierstofftyps ist die gute Kühlwirkung, die auf den thermischen Eigenschaften des Wassers be¬ ruht. Die durch den Ölanteil der Emulsion bewirkte Schmierwirkung reicht für die meisten Bearbeitungsverfahren in der spangebenden Fertigung aus. Allerdings muß durch Zusatz geeigneter Korrosionsinhibitoren dafür gesorgt werden, daß die aufgrund der Anwesenheit der wäßrigen Phase mögliche Kor¬ rosion der metallischen Werkstücke unterbleibt.
Bei Umformvorgängen, in denen es mehr auf gute Schmierwirkung als auf gute Wärmeabfuhr ankommt, ist es auch möglich, das Konzentrat eines wasser¬ mischbaren KühlSchmierstoffs wenig verdünnt oder unverdünnt einzusetzen. Kommen die bearbeiteten Werkstücke, die noch mit dem wassermischbaren Kühlschmierstoffkonzentrat benetzt sind, bei späteren Bearbeitungsschrit¬ ten mit einer verdünnten wäßrigen Kühlschmierstoffemulsion in Berührung, so wird das anhaftende Konzentrat von der Emulsion aufgenommen und dient zu deren Ergänzung. Demgegenüber ist die Verwendung von nichtwassermisch¬ baren Ölen, die von der umlaufenden Kühlschmierstoffemulsion nicht aufge¬ nommen werden, nachteilig. In der Praxis zeigte sich das Problem, daß bei besonders schweren Umfor¬ mungen, die mit einem starken Fließen des Werkstückmaterials verbunden sind, die Schmierwirkung der Konzentrate von wassermischbaren Kühlschmier¬ stoffen nicht ausreicht. Man beobachtet dann ein Zerreißen des Materials und/oder ein Verschweißen mit den Werkzeugen, so daß diese nach wenigen Umformvorgängen unbrauchbar werden. Der Einsatz eines nichtwassermischba- ren Schneidöls hat dagegen den Nachteil, daß dieses die Standzeit der in späteren Schritten mit dem Werkstück in Berührung kommenden wäßrigen Kühl¬ schmierstoffemulsion nachteilig beeinflußt.
Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Schmierverfahren zu finden, das einerseits eine gute Schmierwirkung garantiert und das andererseits die später mit den Werkstücken in Berührung kommende wäßrige Kühlschmierstoff¬ emulsion nicht nachteilig beeinflußt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Schmieren von Werk¬ stücken aus Metall für Umformprozesse durch Ziehen, Tiefziehen oder Kalt¬ fließpressen, dadurch gekennzeichnet, daß man eine inhomogene Mischung aus
a) 40 - 90 Vol-% eines Konzentrats einer wassermischbaren Kühlschmier¬ stoffemulsion, b) 10 - 60 Vol-% eines mit Wasser nicht mischbaren Schneidöls, c) 0 - 25 Vol-% eines Schmieradditivs auf Schwefelbasis und d) 0 - 20 Vol.-% Wasser,
wobei sich die Summe der Komponenten zu 100 % addiert, auf das Werkstück aufbringt.
Die Erfindung beruht also hauptsächlich darauf, entgegen den üblichen Leh¬ ren der Praxis ein nichtwassermischbares Schneidöl mit dem Konzentrat ei¬ ner wassermischbaren Kühlschmierstoffemulsion zu vermischen. Dies wurde bisher nicht in Erwägung gezogen, da man aus diesen beiden Komponenten keine stabile homogene Mischung erhält, sondern vielmehr beim Stehenlassen eine Phasentrennung beobachtet. Demgemäß ist es erfindungsgemäß erforder¬ lich, die wassermischbare Kühlschmierstoffemulsion und das mit Wasser nicht mischbare Schneidöl durch mechanischen Energieeintrag, beispielswei- se durch Rühren, intensiv miteinander zu vermengen und in der inhomogenen Mischung zu halten. Der Begriff "inhomogene Mischung" bedeutet hierbei, daß das Schneidöl nicht in die wassermischbare Kühlschmierstoffemulsion einemulgiert wird, sondern mechanisch mit einer solchen Tröpfchengröße hierin verteilt wird, daß es sich nach dem Ende des mechanischen Vermi- schens rasch, beispielsweise innerhalb einer halben Stunde, als getrennte Phase wieder separiert. Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Aufgabenstel¬ lung erforderliche Schmierwirkung wird nämlich nur dann erreicht, wenn das Schneidöl in der mechanischen Mischung mit einer solchen Tropfengröße vor¬ liegt, daß nach Ende der mechanischen Krafteinwirkung spontan eine Phasen¬ trennung erfolgt. Demnach ist bei der Formulierung des wassermischbaren Konzentrats der Kühlschmierstoffemulsion darauf zu achten, daß nur so viel Emulgator verwendet wird, daß dieser zur Emulgierung der Ölkomponente des wassermischbaren KühlSchmierstoffkonzentrats ausreicht, jedoch das nicht wassermischbare Schneidöl nicht zusätzlich in dieses Emulsionskonzentrat einemulgiert. Im Falle eines derartigen Einemulgierens des Schneidöls, das sich beispielsweise dadurch anzeigt, daß beim Stehenlassen der Mischung innerhalb einer halben Stunde keine Phasentrennung eintritt, wäre die Schmierwirkung unzureichend.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann demnach dadurch zur Ausführung kommen, daß man die obigen Komponenten a) und b) gegebenenfalls zusammen mit den weiteren Komponenten c) und d) durch Rühren in einem Mischbehälter ver¬ mischt und bei laufendem Rührer über eine Entnahmeleitung auf das Werk¬ stück aufbringt. Alternativ kann man die einzelnen Komponenten einer Mehr¬ stoffdüse zuführen und gemeinsam auf das Werkstück aufdüsen. Im einfach¬ sten Falle genügt hierfür eine Zweistoffdüse, durch deren eine Zuleitung man die wassermischbaren Komponenten und durch deren zweite Zuleitung man die nichtwassermischbaren Komponenten zuführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der gemeinsamen Verwendung zwei¬ er miteinander nicht homogen und stabil mischbarer Komponenten. Dabei sind die Einzelkomponenten als Kühlschmierstoffe oder als Konzentrate für Kühl¬ schmierstoffemulsionen im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann die Komponente a) ein Emulsionskonzentrat darstellen, das zusammengesetzt ist aus 30 bis 50 Gew.-% einer Ölkomponente, vorzugsweise Mineralöl, das erwünschtenfalls geschwefelte Anteile enthält, und 10 bis 20 Gew.-% Was¬ ser. Der Rest zu 100 Gew.-% besteht aus Emulgatoren, vorzugsweise auf Ba¬ sis von Fettalkoholethoxylaten, aus Korrosionsinhibitoren, vorzugsweise auf Basis von Aminseifen, Ethanolaminseifen und/oder Ethanolamiden, sowie gegebenenfalls aus weiteren für diese Produktgruppe im Stand der Technik bekannten Hilfs- oder Wirkstoffen.
Als Komponente b) ist ein nichtwassermischbares Schneidöl geeignet. Bevor¬ zugt sind Öle auf nativer Basis, insbesondere auf Esterbasis. Beispiele hierfür sind native Triglyceride oder Modifizierungsprodukte hiervon, Wachsester und Fettsäureester von Monoalkanolen mit 4 bis 12 C-Atomen, beispielsweise Talgfettsäure-Ethylhexylester oder umgeestertes Rapsöl, sowie Fettsäureester von Polyolen, wobei als Polyolkomponente insbesondere Trimethylolpropan verwendet werden kann. Die Komponente b) kann auch Gemi¬ sche aus solchen Ölen darstellen. Die Öle können zusätzliche Hilfsstoffe enthalten, wobei insbesondere EP-Additive, beispielsweise in Form geschwe¬ felter Verbindungen, Oxidationsschutzmittel und Korrosionsinhibitoren zu nennen sind.
Ausführungsbeispiele
Bei einem Hersteller von Stahlfelgen für PKW-Räder bestand die Aufgabe, aus ökologischen Gründen chlorhaltige Schmierstoffe durch chlorfreie Systeme zu ersetzen. Bei der Fertigung werden Platinen aus Stahlbändern ausgestanzt und in mehreren, teilweise beträchtlichen Umformstufen (Zie¬ hen, Tiefziehen) geformt. Bei der Verwendung eines chlorfreien wasser¬ mischbaren Konzentrats einer Kühlschmierstoffemulsion traten bereits nach etwa 10 Arbeitsgängen starke Verschweißungen an den Preßwerkzeugen sowie Risse in den Rändern der umgeformten Werkstücke auf. Das Problem konnte dadurch gelöst werden, daß in einem Ansetzbehälter unter Rühren eine inho¬ mogene Mischung folgender Komponenten hergestellt und in einer Menge von etwa 6 bis 8 ml pro herzustellende Radschüssel auf das umzuformende Mate¬ rial aufgetragen wurde: a) 50 Vol-% eines wassermischbaren Konzentrats einer chlorfreien Kühl¬ schmierstoffemulsion, bestehend aus 40 Gew.-% Mineralöl, 40 Gew.-% Emulgatoren auf Basis von Fettalkoholethoxylaten und Korrosionsinhibi¬ toren sowie 20 Gew.-% Wasser (P3-multanR 81-3, Henkel KGaA, Düssel¬ dorf),
b) 15 Vol.-% eines nichtwassermischbaren Schneidöls auf Fettesterbasis (P3-multanR 201, Henkel KGaA, Düsseldorf)
c) 20 Vol-% eines schwefelhaltigen Schmieradditivs (P3-multanR EP1, Hen¬ kel KGaA, Düsseldorf) und
d) 15 Vol-% Wasser
Unter Verwendung dieser Mischung konnte die Werkzeugstandzeit mehr als verhundertfacht werden. Beim Stehenlassen dieser Mischung erfolgte inner¬ halb von 10 Minuten eine Phasentrennung. Beim nachfolgenden Abspülen der umgeformten Räder mit einer wassergemischten Kühlschmierstoffemulsion emulgierte sich das Konzentrat-/Schneidölgemisch problemlos in diese ein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schmieren von Werkstücken aus Metall für Umformprozesse durch Ziehen, Tiefziehen oder Kaltfließpressen, dadurch gekennzeich¬ net, daß man eine inhomogene Mischung aus
a) 40 - 90 Vol-% eines Konzentrats einer wassermischbaren Kühlschmier¬ stoffemulsion, b) 10 - 60 Vol-% eines mit Wasser nicht mischbaren Schneidöls, c) 0 - 25 Vol-% eines Schmieradditivs auf Schwefelbasis und d) 0 - 20 Vol.-% Wasser,
wobei sich die Summe der Komponenten zu 100 % addiert, auf das Werkstück aufbringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mi¬ schung der Komponenten a) und b), gegebenenfalls zusammen mit c) und d), durch Rühren in einem Mischbehälter herstellt und bei laufendem Rührer über eine Entnahmeleitung auf das Werkstück aufbringt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kompo¬ nente a) gegebenenfalls zusammen mit den Komponenten c) und d) über eine Zuleitung einer Zweistoffdüse, die Komponente b) über eine andere Zuleitung einer Zweistoffdüse zuführt und gemeinsam auf das Werkstück aufsprüht.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Komponente a) zusammengesetzt ist aus 30 - 50 Gew.-% einer Ölkomponente, vorzugsweise Mineralöl, das erwünschten- falls geschwefelte Anteile enthält, und 10 bis 20 Gew.-% Wasser, wobei der Rest zu 100 Gew.-% aus Emulgatoren, vorzugsweise auf Basis von Fettalkoholethoxylaten, Korrosionsinhibitoren, vorzugsweise auf Basis von Aminseifen, Ethanolaminseifen und/oder Ethanolamiden, sowie aus weiteren Hilfs- oder Wirkstoffen besteht.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Komponente b) ein Öl auf Esterbasis darstellt, vorzugsweise ausgewählt aus nativen Triglyceriden oder deren Modifi¬ zierungsprodukten, Wachsester, Fettsäureester von Monoalkoholen mit 4 bis 12 C-Atomen oder Fettsäureester von Polyolen oder Gemischen hier¬ von, wobei das Öl zusätzliche Hilfsstoffe, insbesondere EP-Additive, Oxidationsschutzmittel und Korrosionsinhibitoren, enthalten kann.
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