DE102009038179B4

DE102009038179B4 - Verfahren zur Erzeugung einer Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verhinderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung von Matrizen und umzuformenden Werkstücken bei der Halbwarm- und Warmmassivumformung

Info

Publication number: DE102009038179B4
Application number: DE200910038179
Authority: DE
Inventors: Dzemail Izairi-Riedle; Stefan Müller; Dr. Krotz Oswald
Original assignee: Klueber Lubrication Muenchen GmbH and Co KG
Current assignee: Klueber Lubrication Muenchen GmbH and Co KG
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: DE102009038179A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verminderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung von Werkstücken und/oder Umformwerkzeugen bei der Warmmassivumformung umfassend die Schritte (1) Auftragen eines Gleitlackes in Form eines dünnen Schmierstofffilms auf die kalte Oberfläche des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs, (2) induktives Erhitzen des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs, (3) Auftragen eines fluidisierten und elektrostatisch aufgeladenen aus einem Pulver oder Pulvergemisch bestehenden Schmierstoffs auf die Oberfläche des induktiv erhitzten umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs, wobei das fluidisierte Schmiermittel pneumatisch gefördert wird, dann entweder durch Korona- oder Triboladung elektrostatisch aufgeladen und anschließend auf die Oberfläche des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs aufgesprüht wird, (4) Einbringen des umzuformenden Werkstücks in das Umformwerkzeug (Matrize), das zuvor mit dem vorgenannten Gleitlack und/oder Pulver beschichtet wurde, (5) Masseverteilung des umzuformenden Werkstücks oder des Umformwerkzeugs (Matrize) und (6) ein- oder mehrstufiges Schmieden des beschichteten Werkstücks bis zur endgültigen Form.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verhinderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung von Matrizen und umzuformenden Werkstücken bei der Halbwarm- und Warmmassivumformung. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verhinderung der Metall-Verzunderung von Umformwerkzeugen (Matrizen) und umzuformenden Werkstücken bei der Halbwarm- und Warmmassivumformung, die in Form eines Gleitlacks oder eines Pulver oder einer Pulvermischung oder einer Kombination aus den vorgenannten Komponenten auf die Matrizen und/oder umzuformenden Werkstücke aufgetragen wird.
Durch Umformen, d. h. durch Schmieden hergestellte Werkstücke sind aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften besonders zum Einsatz in Bereichen geeignet, bei denen hohe Anforderungen an Sicherheit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit gestellt werden.
Die Umformwerkzeuge (Matrizen) sind hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die an der Oberfläche durch thermische, tribologische und chemische Beanspruchungen überlagert werden. Dies kann zu einer kurzen und damit verbesserungswürdigen Lebensdauer der Werkzeuge führen. Darüber hinaus sind die Werkzeuge während des Umformvorgangs thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Außerdem können an der Werkzeugoberfläche Oxidationsvorgänge und chemische Reaktionen mit Schmierstoffen, Zunderpartikel, Bruchstücken aus Werkzeugen und Werkstücken und dergleichen auftreten.
Weitere Beanspruchungen der Werkzeuge und Werkzeugteile entstehen durch thermische Beanspruchungen. Beim z. B. Gesenkschmieden weist das Werkzeug während des Schmiedevorgangs (Warmmassivumformung) ein zeitlich und örtlich verändertes Temperaturfeld auf. Mit steigender Temperatur nehmen die Festigkeitseigenschaften und der Verschleißwiderstand der Werkzeuge ab. Die zyklisch-thermischen Beanspruchungen bewirken zudem mechanische Spannungen, die zu Temperaturwechselrissen führen können.
Auch unterliegen die Werkzeuge, wie oben erwähnt, tribologischen Beanspruchungen, die auf die auftretenden Relativbewegungen zwischen dem sich plastisch verformenden Werkstück und der Werkzeugoberfläche zurückzuführen sind.
Um die Verschleißfestigkeit von Werkzeugen bei der Halbwarm- und Warmumformung zu erhöhen, werden die Werkzeuge oberflächenbehandelt, z. B. nitriert, wobei ein Salzbadnitrieren und Gasnitrieren oder auch ein Plasmanitrieren angewendet wird.
Eine weitere Schädigung der Werkzeuge entsteht vorwiegend bei Al- und Al-Legierungen durch den Materialtransfer (Aufschweissungen). Dieser Auftrag besteht aus Werkstückmaterial und ist auf starken Materialfluß bzw. erhöhte Reibung in Bereichen mit hohen Umformgraden zurückzuführen. Um diesen Materialaufbau und den Verschleiß zu unterbinden, soll die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück vermindert werden.
Die erhöhten Werkstücktemperaturen bei der Halbwarm- und Warmmassivumformung haben unterschiedliche Auswirkungen auf die oberflächennahen Werkzeugbereiche und weisen zum Teil einen großen Einfluß auf die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge auf. Besonders bei der Warmmassivumformung führen die hohen Werkstücktemperaturen zu einer starken Erwärmung im Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück. Neben der Oberflächenbeschaffenheit von Werkzeug und Werkstück hat die Prozeßtemperatur einen deutlichen Einfluß auf die im Kontaktbereich vorliegenden Reibungsbedingungen. Steigende Reibkräfte führen dabei zur Vergrößerung der notwendigen Umformkräfte und damit zu einer erhöhten Werkzeugbelastung. Diese Belastungen führen zum einen zum Verschleiß und zum anderen zu Materialauftrag auf die Werkzeugoberfläche. Um den auftretenden Materialabtrag an der Oberfläche des Werkzeugs zu vermindern, kann die Reibung und damit die Werkzeugbelastung durch den Einsatz von Schmierstoffen gesenkt werden.
Zur Schmierung der Werkstücke und/oder Werkzeuge werden standardmäßig zur Verminderung der Reibung, größere Mengen wasser-/öl- und graphithaltige Schmierstoffe in die Matrize (Werkzeug) gesprüht, die aufgrund ihrer ölbasischen Zusammensetzung vor und während der Warmumformung verdampfen und sich an den heißen Teilen der Umformpresse entzünden können. Deshalb ist in der Praxis anzutreffen, dass unter einer Schutzgasatmosphäre (Stickstoff) gearbeitet wird. Durch die Ablagerung von Verbrennungsrückständen müssen sowohl die umgeformten Teile als auch die Werkzeuge nach der Umformung gereinigt werden. Auch muß bei der Verwendung von leicht entzündlichen Schmierstoffen, die Abluft, die aus Luft-Öl-Dämpfen besteht, durch spezielle Filtersysteme gereinigt werden. Wasserbasierte Schmierstoffe können verstärkt zu Korrosion und Temperaturwechselbeanspruchungen führen. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von wasser-/öl- und graphithaltigen Schmierstoffen ist, dass dieses Waschwasser aus den Nassfilteranlagen verunreinigt wird und separat entsorgt werden muß. Nicht zu vernachlässigen ist auch die Abkühlung der Werkzeuge durch eingesprühte wasser-/öl-basierte Schmierstoffe, wodurch zusätzlich Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung der Werkzeugtemperatur benötigt wird.
Die zyklische Erwärmung und Abkühlung der Werkzeuge wirkt sich direkt auf die Werkzeugstandzeiten aus, da sich durch diese ständig wiederholenden Temperaturänderungen die Lebensdauer der Werkzeugteile deutlich verkürzt und sie infolge der Verschleißerscheinungen ausgetauscht werden müssen.
Aus der DE 691 03 160 T2 ist ein rheologisch steuerbares Schmiermittel auf Glasbasis für die Heißmetallbearbeitung bekannt, das ein Gemisch aus einem Glaspulver, einem organischen Bindemittel, einem rheologischen Mittel und einem Benetzungs- und Viskositätsmodifiziermittel umfaßt. Diese Komponenten können entweder als eine trockene Mischung oder in einem Träger dispergiert angewendet werden. Nachteilig an den Schmiermitteln auf Glasbasis ist jedoch, dass insbesondere bei Präzisions- und Fertigschmiedearbeiten bei Titan- und Titanlegierungen aufgrund der hohen Festigkeit dieser Legierungen extrem hohe Drucke bei der Warmmassivumformung notwendig sind, was zu hoher Reibung führt, die durch diese Schmiermittel nicht ausgeschlossen werden kann. Außerdem sind die Schmiermittel hohen Scherbeanspruchungen und Temperaturen ausgesetzt, die dazu führen können, dass sie ihre Schmiereigenschaften verlieren, wodurch die metallischen Werkzeuge schnell verschleißen und die Oberflächen rissig werden. Auch können durch die mögliche thermische Zersetzung der organischen Bindemittel bei den erhöhten Temperaturen Brandgase entstehen. Bei Verwendung von anorganischen Bindemitteln anstelle der organischen ist in Verbindung mit reaktiven Glaspulvern von einer stark reduzierten Lagerdauer auszugehen.
Die DE 100 44 111 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schmieren von Umform- und Urformwerkzeugen, insbesondere zum Schmieren von Warmschmiedevorrichtungen und eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens. Hierzu wird ein Pulver auf Graphitbasis oder Graphit auf die zu schmierenden Oberflächen des Werkzeugs aufgesprüht, das Pulver elektrostatisch mit hoher Spannung aufgeladen, so dass es sich auf den zu schmierenden Oberflächen mit der ionisierten Luft niederschlägt und dort eine Schmiermittelschicht bildet. Bei der Schmierung mit Graphit in Form Pasten, Suspensionen und dergleichen haftet der Schmierstoff jedoch nicht immer dort, wo er am meisten gebraucht wird, sondern kann von den Kanten und vertikalen oder zur Umformung annähernd vertikalen und schrägen Flächen abtropfen oder läßt sich auf diese Flächen nicht aufbringen. Ein weiterer Nachteil dieses Schmiermittels auf Graphitbasis besteht in einem schmutzigen, nicht rein zu haltenden Arbeitsplatz und damit der Umwelt. Auch sind derartige Schmiermittel leicht brennbar und hinterlassen dann verkokste Rückstände auf den bearbeiteten Werkstücken, die dann im nachfolgenden Umformschritt zu abrasivem Verschleiß führen. Im Falle des Schmiedens von Stahl entstehen sog. Zundernarben im Werkstück, was gleichbedeutend mit Ausschuss ist. Des weiteren neigen derartige Schmiermittel auf Graphitbasis zur Rauchentwicklung, insbesondere wenn sie mit Fetten und Ölen verwendet werden, was bei der Warmmassivumformung nicht nur lästig ist, sondern neben Umweltschäden auch zu Beeinträchtigungen der damit hantierenden Beschäftigten führt. Auch sind grafithaltige Produkte zwar leicht aufladbar verlieren aber auch schnell ihre Ladung wieder nachdem sie auf die Metalloberfläche aufgetroffen sind.
Ein weiteres Hochtemperaturschmiermittel für die Warmumformung metallischer Werkstoffe ist aus der CH 629 845 A5 bekannt, das auf der Verwendung von Bornitrid basiert. Die Komponenten dieses Schmiermittels liegen bei Raumtemperatur in Pulverform vor und es enthält neben Bornitrid noch mindestens eine weitere, Sauerstoff enthaltende Borverbindung, (wahrscheinlich Borosilikat) wobei das Schmiermittel bei Betriebstemperatur eine glasartige, viskose Konstitution aufweist. Auch bei diesem Schmiermittel ist es schwierig zu gewährleisten, dass es den Anforderungen hinsichtlich der Haftfestigkeit, Temperatur- und Druckbeständigkeit genügt und auf den zu schützenden und zu schmierenden Metalloberflächen einen ausreichenden, langlebigen Schmierfilm bildet. Auch plattiert hexagonales Bornitrid gerne unter Druckbelastung auf.
Da durch die Maßnahmen, die hinsichtlich des Brandschutzes (Schutzgasatmosphäre), des Umweltschutzes (gesonderte Entsorgung des Abwassers, zusätzliche Wärmeenergie, Verringerung der benötigten Schmierstoffmenge und der zum Auftragen benötigten, getrockneten und ölfreien Druckluft), sowie der Lebensdauer der Werkzeuge die Produktionskosten deutlich erhöht werden, besteht ein Bedarf an kompatiblen Schmierstoffsystemen, die schwer oxidierbar sind, leicht entsorgt werden können und mit denen die Lebensdauer der Umformwerkzeuge erhöht wird. Die in Flüssigkeiten suspendierten schmierwirksamen Komponenten bekannter Schmiermittel, von denen einige oben beschrieben sind, müssen naß auf das Werkstück aufgetragen werden, wobei letzteres sich meist auf Raumtemperatur oder jedenfalls auf einer beträchtlich unterhalb der Arbeitstemperatur liegenden Temperatur befindet. Das flüssige Medium soll vor der Erwärmung auf Arbeitstemperatur trocknen oder verdampfen. Wird das Schmiermittel, wie beispielsweise Bornitrid, in fester Form durch Sprühen eines Pulvers aufgebracht, so läßt seine Haftfestigkeit an der Metalloberfläche zu wünschen übrig. Außerdem können mit diesem Verfahren dichte, zusammenhängende Aufträge nicht hergestellt werden. Glasartige Schmiermittel weisen insbesondere bei gekühlten Werkzeugen meistens eine zu hohe Viskosität auf, die das Entfernen des Werkzeugs nach dem Schmiedevorgang aus der Form erschweren. Zudem reagieren einige auf Glaspulver basierende Festschmierstoffe mit anorganischen Bindemitteln (Wasserglas) weshalb bislang ausschließlich Produkte in Pulverform und keine Gleitlacke mit derartigen anorganischen Bindemitteln und Glaspulver als Festschmierstoff in der Halbwarm- und Warmmassivumformung anzutreffen sind. Einige Gläser zeigen zudem bei hohen Arbeitstemperaturen Zersetzungserscheinungen, wodurch ihre Schmierfähigkeit und Schmierwirkung stark beeinträchtigt werden. Ein weiteres Problem besteht in dem unzureichenden Auftragen des Schmiermittels von kritischen Bereichen des Werkstücks, hier sind insbesondere Ecken und Kanten mit einem kleinen Krümmungsradius zu nennen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung einer Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verminderung der Metall-Verzunderung von Werkstücken, Werkzeugen und Matrizen bei der Warmmassivumformung bereitzustellen, mit dem sowohl der Verschleiß als auch der Materialauftrag an der Oberfläche von Werkzeugen bei der Halbwarm- und Warmmassivumformung verringert wird und mit dem die oben beschriebenen Nachteile überwunden werden und zudem zu einer hervorragenden Güte der umgeformten Teile sowie niedrige Ausschussraten führt.
Das Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verminderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung auf der Oberfläche des umzuformenden Werkstückes erreicht. Im Rahmen dieses Verfahrens kann auch das Umformwerkzeug mit dieser Schutzschicht beschichtet werden. Diese Schutzschicht kann sowohl aus einem Gleitlack als auch aus einem Pulver oder einer Pulvermischung oder einer Kombination aus den vorgenannten Komponenten bestehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verminderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung von Werkstücken und/oder Umformwerkzeugen bei der Warmmassivumformung umfaßt die Schritte

(1) Auftragen eines Gleitlackes in Form eines dünnen Schmierstoffilms auf die kalte Oberfläche des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs,
(2) induktives Erhitzen des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs, ggf. ohne vorherige Trocknung
(3) Auftragen eines fluidisierten und elektrostatisch aufgeladenen aus einem Pulver oder Pulvergemisch bestehenden Schmierstoffs auf die Oberfläche des induktiv erhitzten umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs, wobei das fluidisierte Schmiermittel pneumatisch gefördert, dann optional durch Korona- oder Triboladung elektrostatisch aufgeladen und anschließend auf die Oberfläche des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs aufgesprüht wird,
(4) Einbringen des umzuformenden Werkstücks in das Umformwerkzeug (Matrize), das zuvor mit dem vorgenannten Gleitlack und/oder Pulver beschichtet wurde,
(5) Masseverteilung des umzuformenden Werkstücks oder des Umformwerkszeugs (Matrize) und
(6) ein- oder mehrstufiges Schmieden des beschichteten Werkstücks bis zur endgültigen Form.

Vorteilhafterweise kann der Gleitlack bereits auf die kalte Oberfläche des umzuformenden Werkstücks oder Umformwerkzeugs aufgetragen werden, wobei ein Trocknungs- oder Verdampfungsschritt nicht notwendig ist und das Werkstück direkt der Induktionserwärmung unterzogen werden kann. In einer. modifizierten Ausführungsform kann zum mehrschichtigen Auftrag des Gleitlackes, was bei extremen Umformvorgängen notwendig sein kann, dieser Prozessschritt wiederholt werden.
Nach der Induktionserwärmung kann ein weiterer Schmierstoff, der durch die Ausnutzung der durch die durch elektrische Aufladung erzeugten unterschiedlichen elektrischen Potentiale zwischen dem fluidisierten Schmierstoff und den zu behandelnden Oberflächen niedergeschlagen wird aufgetragen werden und anschließend die Umformung durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass die Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verminderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung von Werkstücken und/oder unbeschichtete Werkzeugen bei der Warmmassivumformung auch dadurch erzeugt werden kann, dass der Gleitlack optional durch Korona- oder Triboladung elektrisch aufgeladen und anschließend in Form eines dünnen Schmierfilms auf die kalte Oberfläche des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs aufgesprüht wird,
ggf. der aufgesprühte Gleitlacks durch Wärmezufuhr getrocknet wird,
das umzuformende Werkstück in das Umformwerkzeug (Matrize) eingebracht wird und/oder die Matrize zuvor mit dem Gleitlack beschichtet wird,
das umzuformende Werkstück oder das Umformwerkszeug (Matrize) einer Masseverteilung unterzogen wird, und
das beschichtete Werkstück einem ein- oder mehrstufigen Schmiedevorgang zugeführt wird.
Hier besteht der Vorteil in der Verwendung des Gleitlacks, der direkt auf die zu schmierenden Oberflächen aufgesprüht wird und an dieser Stelle haftet, wobei der Schritt des Fluidisierens entfallen kann. Die Beschichtung der Matrize mit Gleitlack ist insbesondere bei Wechsel- oder Changiergesenken vorteilhaft.
Weiterhin kann zwischen den einzelnen Stufen des Umformvorganges Gleitlack und/oder Pulver und/oder Pulvergemisch erneut appliziert werden.
Ein besonderer Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht auch darin, dass sowohl das Werkstück als auch das Umformwerkzeug (Matrize) mit der Schutzschicht mit Schmierwirkung versehen werden kann, wodurch die Lebensdauer der Matrize verlängert wird.
Das ein- oder mehrstufige Schmieden wird in Abhängigkeit vom Material, bei Aluminium bei Temperaturen des umzuformenden Werkstücks zwischen 500°C bis 530°C durchgeführt, d. h., sie wird in der Regel zwischen 60 und 80% des Schmelzpunktes des jeweilig verarbeiteten Materials durchgeführt.
Rohlinge aus Stahl oder Titan werden induktiv auf Temperaturen von bis zu 1200°C erhitzt, wobei der jeweilige Gleitlack diesen Temperaturen und oxidativen Angriffen standhalten muß. Durch den erfindungsgemäßen Schutzfilm mit Schmierwirkung wird verhindert, dass das Werkstück auf dem kurzen Weg vom Induktionsofen zur Presse eine Metall-Verzunderung stattfindet und so ein Materialverlust bei dem Werkstück vermieden wird und das Schmiedewerkzeug durch die abrasive Wirkung der Verzunderung nicht geschädigt wird. Durch den Schutzfilm wird die behandelte Oberfläche wirksam gegen Luftzutritt und damit gegen Verzunderung geschützt. Ein weiterer Vorteil der Schutzschicht ist die mechanische Beständigkeit während des Transports zur Presse.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Gleitlack in einer oder mehreren Schichten auf das umzuformende Werkstück vor dem Umformvorgang bzw. den Umformvorgängen aufgebracht.
Der Schmierstoff ist entweder ein Pulver oder eine Pulvermischung, die aus einem oder mehreren Festschmierstoffen und gegebenenfalls einem oder mehreren Polymeren besteht. Die Festschmierstoffe haben eine mittlere Korngröße von 5 bis 80 μm.
Die Festschmierstoffe werden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus verschiedenen Phospaten, wie Calciumphosphat, Wachsen, wie PE-Wachs mit einer bestimmten Schmelzviskosität und Molmasse, Bornitrid, Graphit, Metallphosphate und -pyrophosphate, wie Zinkphosphat und/oder Kupferpyrophospat, Metallstearate, z. B. Aluminiumstearat, Metallsulfide, z. B. Zinnsulfid und/oder Molybdänsulfid, Talk, Glimmer.
Als Fluidisierungsshilfsstoffe werden beispielsweise Aerosile oder Aluminiumoxid verwendet.
Ein erfindungsgemäßes Pulver oder Pulvergemisch besteht aus folgenden Komponenten:

0 bis 100 Gewichts-% Festschmierstoffe,

0 bis 100 Gewichts-% Wachs und

0 bis 10 Gewichts-% Additiv
Vorzugsweise besteht ein Pulver oder Pulvergemisch aus

10 bis 30 Gewichts-% Calciumphosphat,

65 bis 85 Gewichts-% Wachs und

0 bis 10 Gewichts-% Fluidisierungsshilfsstoffen.
Wenn als Schmierstoff ein Gleitlack eingesetzt wird, umfaßt dieser einen wasserbasierenden Gleitlack aus einem anorganischen Bindemittel mit Festschmierstoffen mit einer mittleren Korngröße von 5 bis 50 μm.
Ein Gleitlack hat vorzugsweise folgende Komponenten: Lösemittel, Bindemittel, Festschmierstoff und/oder Pigment und übliche Additive.
Das Lösemittel kann Wasser sein. Das Bindemittel kann eine anorganische Verbindung, wie Wasserglas oder Siliziumdioxid sein
Als Festschmierstoffe und/oder Pigmente eigenen sich u. a. Molybdänsulfid, Talk, Glimmer, Zinnsulfid, Zinkpyrophosphat, Bornitrid, Zinksulfid, Calciumpyrophosphat, Calciumphosphat.
Als übliche Additive werden Korrosionsschutzmittel, Oxidationsschutzmittel, Verschleißschutzmittel, Lackadditive, Entschäumer, Netzmittel und dergleichen verwendet.
Die Werkstücke und/oder Umformwerkzeuge auf denen der Schutzfilm mit Schmierwirkung aufgetragen werden kann, bestehen aus Metallen oder Metalllegierungen, die ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Magnesium, Titan, Aluminium-, Magnesium-, Titan-, Stahl- und Messinglegierungen.
Der erfindungsgemäße Schutzfilm mit Schmierwirkung zur Verminderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung bei der Warmmassivumformung besteht aus einem Gleitlack umfassend ein Lösemittel, ein anorganisches Bindemittel, einen oder mehrere Festschmierstoffe mit einer mittleren Korngröße von 5 bis 80 μm, Pigmente und übliche Additive.
Der erfindungsgemäße Schutzfilm mit Schmierwirkung zur Verminderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung bei der Warmmassivumformung besteht aus dem Gleitlack und einem Pulver oder Pulvergemisch umfassend einen oder mehrere Festschmierstoffe mit einer mit mittleren Korngröße von 5 bis 80 μm und ein Fluidisierungshilfsmittel.

Ein bevorzugter Gleitlack für Aluminium, Magnesium, Aluminium-, Magnesium- und Messinglegierungen setzt sich zusammen aus:

5 bis 20 Gewichts-%	Molybdänsulfid
0,5 bis 10 Gewichts-%	Graphit
0,5 bis 18 Gewichts-%	Siliziumdioxid
7 bis 25 Gewichts-%	Aluminiumphosphat
5 bis 25 Gewichts-%	Additiven
ad Wasser 100 Gewichts-%.

Für Titan, Titan-, Stahllegierungen setzt sich der Gleitlack folgendermaßen zusammen:

2 bis 20 Gewichts-% Bornitrid

4 bis 30 Gewichts-% Glaspulver

5 bis 27 Gewichts-% Wasserglas

5 bis 25 Gewichts-% Additiven

ad Wasser 100 Gewichts-%.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf die umzuformenden Werkstücke ein Gleitlack-Schmierstofffilm von 5 bis 50 μm, vorzugsweise 15 bis 25 μm aufgetragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schmieren von umzuformenden Werkstücken und/oder Werkzeugen kann bei Halbwarm- und Warmmassivumformverfahren von Werkstücken aus Metallen oder Metalllegierungen, wie Aluminium und Magnesium, Aluminium- und Magnesium- sowie Titan, Titan-, Stahl- und Messinglegierungen angewendet werden. Insbesondere eignet es sich für Komponenten für die Automobilindustrie, Teile von Gehäusen, Armaturen, Querlenkern, Schwenklagern, Wasserpumpengehäuse, Felgen, Bremssättel, Synchronringen und dergleichen.
1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Al-Querlenkern für die Automobilindustrie.
Dieses beispielhaft beschriebene Verfahren umfaßt die Schritte:

1. Vorbereitung des Stangenmaterials durch Beschichten mit dem erfindungsgemäßen Schmierstoff (Gleitlack)
2. ggf. Trocknen
3. Einbrennen und induktives Erhitzen des Stangenmaterials auf Verarbeitungstemperatur in einem Prozessschritt
4. Querstauchen des Stangenmaterials
5. je nach weiterer Anwendung ggf. Biegen des Werkstückes
6. je nach weiterer Anwendung ggf. erneutes Erhitzen
7. ein- oder mehrstufiges Schmieden (Vor- und/oder Fertigschmieden)
8. ggf. Entgraten des Werkstückes

2 zeigt einen typischen Umformprozeß mit allen oben beschriebenen Varianten des tribologischen Verfahrens.
Der Vorteil der Verwendung des erfindungsgemäßen Gleitlacks und des erfindungsgemäßen fluidisierten Pulvers oder der erfindungsgemäßen Pulvermischungen gegenüber den bekannten graphithaltigen Schmierstoffen auf Öl- oder Wasserbasis besteht nicht nur in der Verhinderung von Bränden während und nach der Massivumformung und der Vermeidung von Sondermüll durch kontaminiertes Abwasser und separat zu entsorgenden Abluftfiltern, sondern zeigt sich vor allem in der Güte der fertigen umgeformten Werkstücke (Formfüllung, Gefüge und damit Festigkeit des Endbauteils).
Durch die Verwendung des Schmierstoffs als fluidisiertes Pulver oder Pulvermischung bzw. in Form eines Gleitlacks kann ein gleichmäßiger und deckender Auftrag auf den zu behandelnden Oberflächen der umzuformenden Werkstücke als auch der Umformwerkzeuge erreicht werden. Dies führt zu einer Verminderung der Reibung zwischen den behandelten Oberflächen.
Weiterhin wird durch die Verwendung von schwer oxidierbar Schmierstoffen die Ablagerung von Oxidations-Verbrennungsrückständen sowohl auf den Oberflächen der umzuformenden Werkstücke als auch auf den Oberflächen der Umformwerkzeuge verhindert. Auch hierdurch wird eine weitere Verringerung der Reibung erreicht und so die Standzeit der Werkzeuge verlängert.
Eine weitere Einsparung der Produktionskosten wird auch durch die geringere Menge an Schmierstoff (zum Teil bis zu Faktor 50) erreicht, die sich aus der neuartigen Kombination von kompatiblen Schmierstoffkonzepten ergeben.

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Schutzschicht mit Schmierwirkung zur Verminderung der Metall-Oxidation und Stahl-Verzunderung von Werkstücken und/oder Umformwerkzeugen bei der Warmmassivumformung umfassend die Schritte (1) Auftragen eines Gleitlackes in Form eines dünnen Schmierstofffilms auf die kalte Oberfläche des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs, (2) induktives Erhitzen des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs, (3) Auftragen eines fluidisierten und elektrostatisch aufgeladenen aus einem Pulver oder Pulvergemisch bestehenden Schmierstoffs auf die Oberfläche des induktiv erhitzten umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs, wobei das fluidisierte Schmiermittel pneumatisch gefördert wird, dann entweder durch Korona- oder Triboladung elektrostatisch aufgeladen und anschließend auf die Oberfläche des umzuformenden Werkstücks und/oder Umformwerkzeugs aufgesprüht wird, (4) Einbringen des umzuformenden Werkstücks in das Umformwerkzeug (Matrize), das zuvor mit dem vorgenannten Gleitlack und/oder Pulver beschichtet wurde, (5) Masseverteilung des umzuformenden Werkstücks oder des Umformwerkzeugs (Matrize) und (6) ein- oder mehrstufiges Schmieden des beschichteten Werkstücks bis zur endgültigen Form.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der Gleitlack durch die Ausnutzung der durch die durch elektrische Aufladung erzeugten unterschiedlichen elektrischen Potentiale zwischen dem fluidisierten Schmierstoff und den zu beschichtenden Oberflächen niederschlägt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, wobei bei dem Masseverteilungsschritt (5) erneut der Gleitlack oder das Pulver oder Pulvergemisch aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gleitlack in einer oder mehreren Schichten auf das umzuformende Werkstück vor dem Umformvorgang aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schmierstoffilm in einer Dicke von 5 bis 50 μm, vorzugsweise 15 bis 25 μm auf das umzuformende Werkstück und/oder Umformwerkzeug aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Pulver oder Pulvergemisch aus einem oder mehreren Festschmierstoffen mit einer mittleren Korngröße von 5 bis 80 μm, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Phosphaten, Metallpigmente, Bornitrid, Metallphosphaten und -pyrophosphaten, Metallstearaten, Metallsulfiden, Talk, Glimmer, einem oder mehreren Polymeren ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Wachsen mit bestimmter Schmelzviskosität und Molmasse, und einem Fluidisierungshilfsmittel ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aerosil, Aluminiumoxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Pulver oder Pulvergemisch aus 10 bis 30 Gewichts-% Calciumphosphat, 65 bis 85 Gewichts-% Wachs und 0 bis 10 Gewichts-% Fluidierungshilfen

besteht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Gleitlack aus einem Lösemittel, einem anorganischen Bindemittel auf Wasserbasis, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Wasserglas, Siliziumdioxid, einem oder mehreren Festschmierstoffen mit einer mittleren Korngröße von 5 bis 50 μm, ausgewählt aus der Gruppe bestehend, aus Phosphaten, Wachsen, Bornitrid, Metallphosphaten und -pyrophosphaten, Metallstearaten, Metallsulfiden, Talk, Glimmer, Pigmenten, und üblichen Additiven besteht.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Gleitlack aus 0,5 bis 27 Gewichts-% anorganischem Bindemittel, 5 bis 50 Gewichts-% Festschmierstoff, 5 bis 25 Gewichts-% Additiv, 0,5 bis 5 Gewichts-% Pigment, ad Wasser 100 Gewichts-%,

besteht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, bei dem Werkstücke und/oder Umformwerkzeuge aus Metallen oder Metalllegierungen ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Magnesium, Titan, Aluminium-, Magnesium-, Titan-, Stahl- und Messinglegierungen.