DE102021111658A1 - High temperature metal forming lubricant - Google Patents
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Abstract
Schmierstoff und dessen Verwendung für die Heißumformung von Metallen sowie Verfahren zur Herstellung von Rohren in einem Extrusions- oder Strangpressverfahren unter Einsatz des Schmierstoffs, wobei der Schmierstoff eine Zusammensetzung enthält aus 10 Gew.-% bis 55 Gew.- % Aluminiumoxid, 30 Gew.-% bis 90 Gew.-% Kalium-Phosphat, 0 Gew.-% bis 25 Gew.-% Natrium-Phosphat und 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% Additiven, wobei die Anteile an Natrium, Kalium, Aluminium und Phosphor in der Schmierstoffzusammensetzung, ausgedrückt in Gewichts-Prozenten ihrer jeweiligen Oxide, 0 Gew-% bis 20 Gew-% Na2O, 8 Gew-% bis 60 Gew-% K2O, 10 Gew- % bis 55 Gew-% Al2O3 und 8 Gew-% bis 45 Gew-% P2O5 betragen. Lubricant and its use for the hot forming of metals and method for producing pipes in an extrusion or extrusion process using the lubricant, the lubricant containing a composition of 10% by weight to 55% by weight aluminum oxide, 30% by weight % to 90% by weight of potassium phosphate, 0% by weight to 25% by weight of sodium phosphate and 0% by weight to 20% by weight of additives, with the proportions of sodium, potassium, aluminum and phosphorus in the lubricant composition, expressed as weight percent of their respective oxides, 0 wt% to 20 wt% Na 2 O, 8 wt% to 60 wt% K 2 O, 10 wt% to 55 wt% Al 2 O 3 and 8% by weight to 45% by weight P 2 O 5 .
Description
Gegenstand der Erfindungsubject of the invention
Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Schmierstoff für die Heißumformung von Metallen, wie z.B. beim Walzen, Pressen, Schmieden, Ziehen oder Stoßen. Der erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schmierstoff ist insbesondere bei der Herstellung von nahtlosen Rohren mittels Strangpressen mit Vorteil einsetzbar.The invention relates to a high-temperature lubricant for the hot forming of metals, such as rolling, pressing, forging, drawing or shaping. The high-temperature lubricant according to the invention can advantageously be used in particular in the production of seamless pipes by means of extrusion.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Als Schmiermittel für die Metallumformung bei sehr hohen Temperaturen und Drücken, wie sie beispielsweise beim Strangpressen von Stahl auftreten, kommen bisher überwiegend siliziumhaltige Gläser (Silikat-Glas) zur Anwendung, weil sie gute Schmier- und Thermoisolationseigenschaften aufweisen.Glasses containing silicon (silicate glass) have mainly been used to date as lubricants for metal forming at very high temperatures and pressures, such as those that occur during the extrusion of steel, because they have good lubricating and thermal insulation properties.
Beim Strangpressen von Rohren wird das Silikat-Glas in Pulverform auf die Innen- und Außenoberflächen eines vorgelochten Hohlblocks aus Stahl aufgetragen. Bei diesem Schmiermittelauftrag spricht man auch von der sogenannten „Panade“. Zusätzlich wird aus dem Silikat-Glas-Pulver ein Ring oder eine Scheibe geformt (sog. „Pressring“ oder „Pressscheibe“, manchmal auch als „Cookie“, „Disc“, oder „Pad“ bezeichnet) und vor die Matrize (Strangpresswerkzeug) gespannt. Das Glaspulver schmilzt beim Kontakt mit der ca. 900 -1250 °C heißen Stahloberfläche und bildet einen viskosen hydrodynamischen Schmiermittelfilm, der die Werkzeuge (Innendorn und Matrize) schützen und gleichzeitig das Extrudieren der Rohre überhaupt erst ermöglichen soll.During the extrusion of tubes, the silicate glass in powder form is applied to the inner and outer surfaces of a pre-punched hollow block of steel. This application of lubricant is also referred to as the so-called "breading". In addition, a ring or disc is formed from the silicate glass powder (so-called "press ring" or "press disc", sometimes also referred to as "cookie", "disc", or "pad") and placed in front of the die (extrusion tool) curious; excited. The glass powder melts when it comes into contact with the approx. 900 -1250 °C hot steel surface and forms a viscous hydrodynamic lubricant film, which protects the tools (inner mandrel and die) and at the same time is intended to enable the pipes to be extruded in the first place.
Die Hochtemperaturviskosität der Silikat-Gläser ist einer der wichtigsten Faktoren für ihre Schmiereigenschaften. Für den Pressring, der vor die Matrize gespannt wird, wird eine sehr hohe Viskosität gewählt. Die „Panade“ für die Innen- und Außenoberflächen des Hohlblocks kann die gleiche oder auch eine etwas geringere, aber immer noch hohe Viskosität aufweisen.The high-temperature viscosity of silicate glasses is one of the most important factors in their lubricating properties. A very high viscosity is selected for the press ring, which is clamped in front of the die. The "breading" for the inner and outer surfaces of the hollow block can have the same or a slightly lower but still high viscosity.
Trotz der vorteilhaften Schmiereigenschaften der auf Silikat-Glas basierenden Schmiermittel für diese Anwendung müssen auch Nachteile in Kauf genommen werden, wie beispielsweise dass Reste des Silikat-Glases an den Oberflächen des hergestellten Werkstücks haften bleiben, die nach dem Abkühlen durch Beizprozesse mit Flusssäure (HF) bzw. Mischungen aus Flusssäure, Schwefelsäure und Salpetersäure entfernt werden müssen.Despite the advantageous lubricating properties of the lubricants based on silicate glass for this application, disadvantages also have to be accepted, such as residues of the silicate glass sticking to the surfaces of the manufactured workpiece, which after cooling have been removed by pickling processes with hydrofluoric acid (HF). or mixtures of hydrofluoric acid, sulfuric acid and nitric acid must be removed.
Flusssäure ist ein starkes Kontaktgift welches zu schwersten Verätzungen führt. Zusätzlich blockieren Fluorid-Ionen im menschlichen Körper den Calcium- und Magnesiumstoffwechsel und hemmen wichtige Enzyme. Der notwendige Einsatz der Flusssäure und das Eliminieren der darin gelösten Silikate stellen daher höchste Anforderungen an die Arbeitssicherheit und eine erhebliche Umweltbelastung dar. Darüber hinaus ist der Beizprozess sehr aufwendig. Er erfordert die Behandlung des Werkstücks in verschiedenen Säurebädern nacheinander, die bei Rohren je nach Länge auch erhebliche räumliche Kapazitäten einnehmen, und kann mehrere Stunden dauern. Die in den Säurebädern gelösten Silikate werden in einer Säureaufarbeitungsanlage mit Kalk gefällt, abfiltriert und müssen anschließend entsorgt werden.Hydrofluoric acid is a strong contact poison which leads to severe chemical burns. In addition, fluoride ions in the human body block the calcium and magnesium metabolism and inhibit important enzymes. The necessary use of hydrofluoric acid and the elimination of the silicates dissolved in it therefore represent the highest demands on occupational safety and a significant environmental impact. In addition, the pickling process is very complex. It requires the treatment of the workpiece in various acid baths one after the other, which also take up considerable spatial capacities in the case of pipes, depending on their length, and can take several hours. The silicates dissolved in the acid baths are precipitated with lime in an acid treatment plant, filtered off and then have to be disposed of.
Für die Heißumformung von Metallen sind weitere Schmierstoffe bekannt, die derartige Beizverfahren mit Flusssäure nicht erfordern, die aber mit anderen Nachteilen behaftet sind. Teilweise besitzen die Schmierstoffe relativ niedrige Schmelzpunkte und haben bei den für die Stahlumformung mittels Strangpressen angewendeten Temperaturen eine zu geringe Viskosität, weshalb sie für diesen Einsatz nicht ohne weiteres in Betracht kommen.Other lubricants are known for the hot forming of metals which do not require such pickling processes with hydrofluoric acid, but which have other disadvantages. Some of the lubricants have relatively low melting points and their viscosity is too low at the temperatures used for steel forming by means of extrusion, which is why they are not readily suitable for this application.
Bei Hochtemperaturanwendungen kommen unter anderem graphithaltige Schmierstoffe zum Einsatz, weil Graphit besonders hitzebeständig und daher ein geeigneter Schmierstoffzusatz ist und selbst sowie in Kombination mit Mineralölen und anorganischen Salzen besonders gute Schmiereigenschaften besitzt. Ein Nachteil graphithaltiger Schmierstoffe besteht jedoch darin, dass es aufgrund des hohen Kohlenstoffanteils zu Aufkohlungen der Metalloberfläche des Werkstückes kommen kann. Dabei können mangelhafte Endprodukte mit schlechten Weiterverarbeitungs- oder Materialeigenschaften entstehen. Ein hoher Werkstückausschuss ist die Folge.In the case of high-temperature applications, lubricants containing graphite are used, among other things, because graphite is particularly heat-resistant and therefore a suitable lubricant additive and, itself and in combination with mineral oils and inorganic salts, has particularly good lubricating properties. A disadvantage of lubricants containing graphite, however, is that the high carbon content can lead to carburization of the metal surface of the workpiece. This can result in defective end products with poor further processing or material properties. The result is a high level of rejects.
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher in der Bereitstellung eines Hochtemperatur-Schmierstoffs für die Heißumformung von Metallen, insbesondere beim Strangpressen von Rohren, welcher sich hinsichtlich Schmiereigenschaften, Schmelzverhalten und Hochtemperaturviskosität vergleichbar gut verhält wie die bekannten Silikat-Glas-Schmierstoffe, jedoch deren Nachteile überwindet, insbesondere den Einsatz von Flusssäure zum Entfernen von Schmiermittelresten von dem verformten Werkstück.The object of the present invention was therefore to provide a high-temperature lubricant for the hot forming of metals, in particular for the extrusion of pipes, which behaves comparably well in terms of lubricating properties, melting behavior and high-temperature viscosity as the known silicate-glass lubricants, but overcomes their disadvantages , in particular the use of hydrofluoric acid to remove lubricant residues from the deformed workpiece.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schmierstoff für die Heißumformung von Metallen, welcher eine Zusammensetzung enthält aus
oder welcher aus einer erstarrten Schmelze dieser Zusammensetzung hergestellt ist,
wobei die Anteile an Natrium, Kalium, Aluminium und Phosphor in der Schmierstoffzusammensetzung, ausgedrückt in Gewichts-Prozenten ihrer jeweiligen Oxide,
betragen.This object is achieved by a lubricant for the hot forming of metals, which contains a composition of
or which is made from a solidified melt of this composition,
wherein the proportions of sodium, potassium, aluminum and phosphorus in the lubricant composition, expressed as percentages by weight of their respective oxides,
be.
Der erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schmierstoff kann als Gemisch seiner Einsatzverbindungen (Aluminiumoxid, Kalium-Phosphate, Natrium-Phosphate, Additive) eingesetzt werden. In einer alternativen Ausführungsform ist der Hochtemperatur-Schmierstoff aus einer erstarrten Schmelze seiner Einsatzverbindungen hergestellt. Je nach Vorliegen der erstarrten Schmelze, wird diese beispielsweise durch Vermahlen oder andere übliche Verfahren zerkleinert, um ein pulverförmiges, feinkörniges, grobkörniges oder granuläres Material zu erhalten.The high-temperature lubricant according to the invention can be used as a mixture of its starting compounds (aluminum oxide, potassium phosphate, sodium phosphate, additives). In an alternative embodiment, the high-temperature lubricant is made from a solidified melt of its insert compounds. Depending on the presence of the solidified melt, it is comminuted, for example by grinding or other customary methods, in order to obtain a powdery, fine-grained, coarse-grained or granular material.
Der Schmierstoff wird entweder fein- oder grobkörnig in streu- bzw. rieselfähiger Form verwendet, z.B. für den Einsatz als Panade, oder in kompaktierter Form der teilchenförmigen Bestandteile mit oder ohne Zugabe eines Bindemittels, z.B. als Pressring oder Pressscheibe.The lubricant is either fine or coarse-grained and used in a scattering or free-flowing form, e.g. for use as a breading, or in a compacted form of the particulate components with or without the addition of a binder, e.g. as a press ring or press disc.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Schmierstoffs besteht darin, dass er sich hinsichtlich Schmiereigenschaften, Schmelzverhalten und Hochtemperaturviskosität vergleichbar gut verhält wie die bekannten Silikat-Glas-Schmierstoffe. Gleichzeitig lassen sich Anhaftungen des Schmierstoffs am hergestellten Werkstück mit Wasser abwaschen, weil zumindest Teile der Anhaftungen wasserlöslich sind, sodass sich die Anhaftungen mit Wasser entfernen lassen. Ein Beizen des Werkstücks mit Flusssäure zum Entfernen von Anhaftungen des Schmierstoffes vom Werkstück ist somit nicht notwendig. Der Einsatz von Flusssäure und die damit verbundenen Nachteile von Silikat-Glas-Schmierstoffen entfallen daher.An essential advantage of the lubricant according to the invention is that it behaves comparably well with the known silicate-glass lubricants in terms of lubricating properties, melting behavior and high-temperature viscosity. At the same time, adhesions of the lubricant on the workpiece produced can be washed off with water because at least parts of the adhesions are water-soluble, so that the adhesions can be removed with water. It is therefore not necessary to pickle the workpiece with hydrofluoric acid to remove adhesions of the lubricant from the workpiece. The use of hydrofluoric acid and the associated disadvantages of silicate glass lubricants are therefore no longer necessary.
Es wurde gefunden, dass die vorteilhaften Schmiereigenschaften, das Schmelzverhalten und die Hochtemperaturviskosität des erfindungsgemäßen Schmierstoffs im Wesentlichen von den Anteilen an Aluminiumoxid und Kalium- und Natrium-Phosphaten bestimmt werden Die erfindungsgemäß zusätzlich einsetzbaren Additive haben keinen signifikanten oder nur einen geringen Einfluss auf die Schmiereigenschaften, das Schmelzverhalten und die Hochtemperaturviskosität, jedoch können sie die Handhabung, die Anwendung und die Lagerungsfähigkeit des Schmierstoffs vorteilhaft beeinflussen, indem sie beispielsweise die Rieselfähigkeit verbessern, die Gefahr von Verklumpung durch Wasseraufnahme vermindern, etc.It has been found that the advantageous lubricating properties, the melting behavior and the high-temperature viscosity of the lubricant according to the invention are essentially determined by the proportions of aluminum oxide and potassium and sodium phosphates. The additives which can also be used according to the invention have no significant or only a slight effect on the lubricating properties melting behavior and high-temperature viscosity, but they can have a beneficial effect on the handling, application and storage life of the lubricant, for example by improving flowability, reducing the risk of clumping through water absorption, etc.
Darüber hinaus lässt sich die Hochtemperatur-Viskosität des erfindungsgemäßen Schmierstoffs durch Veränderung des Verhältnisses von Kalium- und Natrium-Phosphaten zu Aluminiumoxid mit Vorteil variieren und einstellen. Überraschend ist hierbei, dass das eigentlich als Schleifmittel bekannte Aluminiumoxid essentiell für die positiven Eigenschaften des erfindungsgemäßen Schmierstoffs ist.In addition, the high-temperature viscosity of the lubricant according to the invention can advantageously be varied and adjusted by changing the ratio of potassium and sodium phosphates to aluminum oxide. What is surprising here is that the aluminum oxide, which is actually known as an abrasive, is essential for the positive properties of the lubricant according to the invention.
Besondere Vorteile zeigt der erfindungsgemäße Schmierstoff beim Strangpressen von nahtlosen Rohren, insbesondere Rohren aus Edelstahl. Überraschend vorteilhaft erwies sich der erfindungsgemäße Schmierstoff auch beim Strangpressen von Rohren aus Nickel- und Titanlegierungen, die als schwer umformbare Werkstoffe besondere Anforderungen an die Strangpresswerkzeuge und die Schmierstoffe stellen. Es konnte überraschenderweise festgestellt werden, dass der erfindungsgemäße Schmierstoff im Gegensatz zu bekannten Silikat-Glas-Schmierstoffen an diesen Werkstoffen eine erhöhte Haftung zeigt und daher besonders geeignet für das Strangpressen von Rohren aus Nickel- und Titanlegierungen ist. Beispiele für Nickel- und Titanlegierungen, die sich mit dem erfindungsgemäßen Schmierstoff vorteilhaft extrudieren lassen, sind die Sorten R-Ni99.2 (DIN 17740 2.4066), NiMn2 (DIN 17741 2.4110), Ti1 - Ti3, Ti1Pd, Ti2Pd (DIN 17861), Ti3Pd (DIN 17860).The lubricant according to the invention shows particular advantages in the extrusion of seamless pipes, in particular pipes made of stainless steel. The lubricant according to the invention also proved surprisingly advantageous in the extrusion of tubes made of nickel and titanium alloys, which, as materials that are difficult to form, place special demands on the extrusion dies and the lubricants. It was surprisingly found that, in contrast to known silicate-glass lubricants, the lubricant according to the invention exhibits increased adhesion to these materials and is therefore particularly suitable for the extrusion of tubes made of nickel and titanium alloys. Examples of nickel and titanium alloys that can advantageously be extruded with the lubricant according to the invention are the types R-Ni99.2 (DIN 17740 2.4066), NiMn2 (DIN 17741 2.4110), Ti1 - Ti3, Ti1Pd, Ti2Pd (DIN 17861), Ti3Pd (DIN 17860).
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der erfindungsgemäße Schmierstoff aus einer Zusammensetzung aus 10 Gew.-% bis 55 Gew.-% Aluminiumoxid, 30 Gew.-% bis 90 Gew.-% Kalium-Phosphat 0 Gew.-% bis 25 Gew.-% Natrium-Phosphat und 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% Additiven oder ist aus einer erstarrten Schmelze dieser Zusammensetzung hergestellt.In a preferred embodiment, the lubricant according to the invention consists of a composition of 10% by weight to 55% by weight aluminum oxide, 30% by weight to 90% by weight potassium phosphate, 0% by weight to 25% by weight sodium phosphate and 0% to 20% by weight of additives or is made from a solidified melt of this composition.
In einer weiteren Ausführungsführungsform enthält die Zusammensetzung des Schmierstoffs 0 Gew.-% bis 10 Gew.-% Additive, vorzugsweise 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% Additive oder keine Additive. Besonders bevorzugt enthält der erfindungsgemäße Schmierstoff keinen Graphit.In a further embodiment, the composition of the lubricant contains 0% by weight to 10% by weight of additives, preferably 0% by weight to 5% by weight of additives or no additives. The lubricant according to the invention particularly preferably contains no graphite.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schmierstoff ist ein Anteil oder sind alle der Kalium-Phosphate und Natrium-Phosphate aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Tetranatriumpyrophosphat, Na4P2O7, Tetrakaliumpyrophosphat, K4P207, Natriumtripolyphosphat, Na5P3O10, Kaliumtripolyphosphat, K5P3O10, Natriummetaphosphat, (NaPO3)3, Kaliummetaphosphat, (KPO3)3, Natriumpolyphosphat, (NaPO3)n und Kaliumpolyphosphat, (KPO3)n. Kalium-Phosphate können gegenüber analogen Natrium-Phosphaten den Vorteil besserer Löslichkeit, geringerer Reaktivität mit der Metalloberfläche und einer höheren Schmelztemperatur aufweisen.In a preferred embodiment of the lubricant according to the invention, a portion or all of the potassium phosphates and sodium phosphates are selected from the group consisting of tetrasodium pyrophosphate, Na 4 P 2 O 7 , tetrapotassium pyrophosphate, K4P207, sodium tripolyphosphate, Na 5 P 3 O 10 , Potassium tripolyphosphate, K 5 P 3 O 10 , sodium metaphosphate, (NaPO 3 ) 3 , potassium metaphosphate, (KPO 3 ) 3 , sodium polyphosphate, (NaPO 3 ) n and potassium polyphosphate, (KPO 3 ) n . Potassium phosphates can have the advantage of better solubility, lower reactivity with the metal surface and a higher melting temperature than analogous sodium phosphates.
Das Aluminiumoxid, Al2O3, des erfindungsgemäßen Schmierstoffs ist unter α-Al2O3, γ-Al2O3 und einem Gemisch aus beiden Modifikationen ausgewählt, wobei γ-Al2O3 bevorzugt ist, beispielsweise aus als Rohstoff mit Vorteil einsetzbarer Tonerde. Durch das Aluminiumoxid wird die Viskosität des Schmierstoffs im geschmolzenen Zustand erhöht, so dass sich ein ausreichend dickflüssiger Schmierfilm bilden und eine gegenüber bekannten Schmierstoffen verbesserte Schmierwirkung erzielt werden kann.The aluminum oxide, Al 2 O 3 , of the lubricant according to the invention is selected from α-Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 and a mixture of both modifications, with γ-Al 2 O 3 being preferred, for example as a raw material with advantage usable alumina. The aluminum oxide increases the viscosity of the lubricant in the molten state, so that a sufficiently viscous lubricating film is formed and an improved lubricating effect can be achieved compared to known lubricants.
In einer Ausführungsform besteht die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Schmierstoffs aus
wobei weiterhin optional jeweils 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% der erfindungsgemäßen Additive enthalten sein können.In one embodiment, the composition of the lubricant according to the invention consists of
where optionally 0% by weight to 20% by weight of the additives according to the invention can also be present.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Schmierstoffs aus
wobei weiterhin optional jeweils 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% der erfindungsgemäßen Additive enthalten sein können.In a further embodiment, the composition of the lubricant according to the invention consists of
where optionally 0% by weight to 20% by weight of the additives according to the invention can also be present.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Schmierstoffs aus
wobei weiterhin optional jeweils 0 Gew.-% bis 20 Gew.-% der erfindungsgemäßen Additive enthalten sein können.In a further embodiment, the composition of the lubricant according to the invention consists of
where optionally 0% by weight to 20% by weight of the additives according to the invention can also be present.
Der erfindungsgemäße Schmierstoff ist ein Feststoff, der aus einem Gemisch der teilchenförmigen Bestandteile der Zusammensetzung oder aus gemahlenen, zerstoßenen oder anderweitig zerkleinerten teilchenförmigen Bestandteilen einer aus der Zusammensetzung hegestellten erstarrten Schmelze besteht.The lubricant of the present invention is a solid consisting of a mixture of the particulate components of the composition or of ground, crushed or otherwise comminuted particulate components of a solidified melt prepared from the composition.
Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Schmierstoff als „Pressring“ oder „Pressscheibe“ beim Strangpressen einsetzbar. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen daher die teilchenförmigen Bestandteile des Schmierstoffs in einer durch Pressen und/oder unter Verwendung eines Bindemittels zu einer Scheibe oder einem Ring kompaktierten Form vor.The lubricant according to the invention can be used particularly advantageously as a “press ring” or “press disk” in extrusion. In a preferred embodiment, therefore, the particulate components of the lubricant are present in a form compacted by pressing and/or using a binder to form a disc or ring.
Die erfindungsgemäß mit Vorteil einsetzbaren Additive umfassen Alkali- und Erdalkalimetallsalze von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren mit 6 bis 26 Kohlenstoffatomen. Bevorzugte Fettsäurereste sind aus der Gruppe der Fettsäuren ausgewählt, bestehend aus Kapronsäure, Kaprylsäure, Kaprinsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure, Arachinsäure, Behensäure, Lignocerinsäure, Cerotinsäure, Palmitoleinsäure, Ölsäure, Elaidinsäure, Vaccensäure, Icosensäure, Erucasäure, Nervonsäure, Linolsäure, Linolensäure, Arachidonsäure, Timnodonsäure und Clupanodonsäure. Salze der Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure und/oder Arachinsäure sind besonders bevorzugt. Insbesondere sind Calcium- oder Magnesiumsalze der Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure und/oder Arachinsäure bevorzugt.The additives which can be used with advantage according to the invention include alkali metal and alkaline earth metal salts of saturated and unsaturated fatty acids having 6 to 26 carbon atoms. Preferred fatty acid residues are selected from the group of fatty acids consisting of caproic acid, caprylic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, margaric acid, stearic acid, arachidic acid, behenic acid, lignoceric acid, cerotic acid, palmitoleic acid, oleic acid, elaidic acid, vaccenic acid, icosenic acid, erucic acid, nervonic acid, Linoleic acid, linolenic acid, arachidonic acid, timnodonic acid and clupanodonic acid. Salts of palmitic acid, margaric acid, stearic acid and/or arachidic acid are particularly preferred. In particular, calcium or magnesium salts of palmitic acid, margaric acid, stearic acid and/or arachidic acid are preferred.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung eines Fettsäuresalzes die Verklumpung der Bestandteile der Schmiermittelzusammensetzung verringert und damit die Rieselfähigkeit verbessert werden kann. Zudem wird eine bessere Lagerungsbeständigkeit erreicht. Es wird angenommen, dass sich das Fettsäuresalz an die Körner weiterer Bestandteile der Zusammensetzung anlagert und auf diese Weise eine Verklumpung der Körner verhindert oder vermindert, Feuchtigkeit von den Körnern abhält und dadurch die Lagerungsbeständigkeit sowie das Riesel- bzw. Fließverhalten des Schmierstoffs verbessert.It has been shown that the use of a fatty acid salt reduces the clumping of the components of the lubricant composition and thus the pourability can be improved. In addition, better storage stability is achieved. It is assumed that the fatty acid salt attaches itself to the grains of other components of the composition and in this way a clumping Punging of the grains is prevented or reduced, moisture is kept away from the grains and thereby the shelf life as well as the trickling and flow behavior of the lubricant is improved.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fettsäuresalz in einer Menge von 0,1 bis 15 Gew.- %, vorzugsweise von 1 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt von 3 bis 7 Gew.-% in der Zusammensetzung enthalten.In one embodiment of the invention, the fatty acid salt is present in the composition in an amount of from 0.1 to 15% by weight, preferably from 1 to 10% by weight, particularly preferably from 3 to 7% by weight.
Die erfindungsgemäß mit Vorteil einsetzbaren Additive umfassen darüber hinaus Phosphate der Erdalkalimetalle Calcium und/oder Magnesium, wobei Hxdroxylapatit [Ca5(PO4)3OH] und/oder Tricalciumphosphat [Ca3(PO4)2] besonders bevorzugt sind, da sie unter anderem die Rieselfähigkeit der Zusammensetzung verbessern. Monocalciumphosphat ist weniger geeignet, da es bei Luftfeuchte zu Verklumpung führt.The additives that can be used advantageously according to the invention also include phosphates of the alkaline earth metals calcium and/or magnesium, with hydroxyapatite [Ca 5 (PO 4 ) 3 OH] and/or tricalcium phosphate [Ca 3 (PO 4 ) 2 ] being particularly preferred since they are inter alia improve the pourability of the composition. Monocalcium phosphate is less suitable as it causes clumping when the air is humid.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Calcium- und/oder Magnesiumphosphate in einer Menge von 0,5 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 1 bis 5 Gew.-% in der Zusammensetzung enthalten.In one embodiment of the invention, the calcium and/or magnesium phosphates are contained in the composition in an amount of 0.5 to 10% by weight, preferably 1 to 5% by weight.
Die erfindungsgemäß mit Vorteil einsetzbaren Additive umfassen weiterhin pyrogenes Siliziumdioxid (CAS-Nr.: 112945-52-5 und 60842-32-2), welches auch als pyrogene Kieselsäure bezeichnet wird und vollständig aus amorphen Siliziumdioxid-Partikeln (SiO2) besteht, die zu größeren Einheiten aggregiertsind. Auch pyrogenes Siliziumdioxid ist geeignet, die Rieselfähigkeit der Zusammensetzung zu verbessern.The additives that can be used advantageously according to the invention also include pyrogenic silicon dioxide (CAS No.: 112945-52-5 and 60842-32-2), which is also referred to as pyrogenic silica and consists entirely of amorphous silicon dioxide particles (SiO 2 ), which are aggregated into larger units. Pyrogenic silicon dioxide is also suitable for improving the pourability of the composition.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung des hierin beschriebenen Schmierstoffs bei der Herstellung von Rohren, vorzugsweise nahtlosen Rohren, im Extrusions- oder Strangpressverfahren. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung des Schmierstoffs in einer durch Pressen und/oder unter Verwendung eines Bindemittels zu einer Scheibe oder einem Ring kompaktierten Form der teilchenförmigen Bestandteile des Schmierstoffs.The present invention also encompasses the use of the lubricant described herein in the manufacture of pipes, preferably seamless pipes, in the extrusion or extrusion process. Particularly preferred is the use of the lubricant in a form of the particulate components of the lubricant compacted by pressing and/or using a binder to form a disk or a ring.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung von Rohren, vorzugsweise von nahtlosen Rohren, in einem Extrusions- oder Strangpressverfahren, wobei zur Schmierung wenigstens ein erfindungsgemäßer Schmierstoff eingesetzt wird. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der erfindungsgemäße Schmierstoff in einer zu einer Scheibe oder einem Ring kompaktierten Form der teilchenförmigen Bestandteile des Schmierstoffs eingesetzt, wobei die Scheibe oder der Ring vorzugsweise vor die Form des Extrusions- oder Strangpresswerkzeugs (Matrize) gespannt wird.The present invention also includes a method for producing pipes, preferably seamless pipes, in an extrusion or extrusion process, wherein at least one lubricant according to the invention is used for lubrication. In one embodiment of the method, the lubricant according to the invention is used in a form of the particulate components of the lubricant compacted into a disc or ring, the disc or ring preferably being clamped in front of the mold of the extrusion tool (die).
Auf die Innen- und/oder Außenoberflächen des für die Rohrherstellung vorgelochten Hohlblocks des Werkstückmaterials wird zweckmäßigerweise ein weiterer Schmierstoff aufgebracht. Es kann sich dabei um einen Schmierstoff mit gleicher Zusammensetzung wie der für die kompaktierte Scheibe oder den Ring eingesetzte Schmierstoff handeln. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn der weitere Schmierstoff ein erfindungsgemäßer Schmierstoff mit einem höheren Anteil an Kalium-Phosphaten und/oder Natrium-Phosphaten als der zu einer Scheibe oder einem Ring kompaktierte Schmierstoff ist.A further lubricant is expediently applied to the inner and/or outer surfaces of the hollow block of the workpiece material which has been pre-punched for the manufacture of the tube. This can be a lubricant with the same composition as the lubricant used for the compacted disc or ring. However, it is advantageous if the additional lubricant is a lubricant according to the invention with a higher proportion of potassium phosphate and/or sodium phosphate than the lubricant compacted to form a disk or a ring.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als weiterer Schmierstoff zum Aufbringen auf die Innen- und/oder Außenoberflächen des für die Rohrherstellung vorgelochten Hohlblocks eine Zusammensetzung verwendet, die ausschließlich aus Kalium-Phosphaten, Natrium-Phosphaten oder Gemischen davon und einem Anteil von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-% Additiven besteht, wobei die Kalium- und Natrium Phosphate unter Orthophosphat, Diphosphat, kondensierten Phosphaten und Gemischen davon ausgewählt sind und die Additive unter Alkali- und Erdalkalimetallsalzen von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren mit 6 bis 26 Kohlenstoffatomen, pyrogenem Siliziumdioxid, Phosphaten der Erdalkalimetalle Calcium und/oder Magnesium ausgewählt sind.In a further embodiment of the method according to the invention, a composition is used as a further lubricant for application to the inner and/or outer surfaces of the hollow block pre-punched for pipe production, which consists exclusively of potassium phosphates, sodium phosphates or mixtures thereof and a proportion of 0 wt % to 10% by weight of additives, the potassium and sodium phosphates being selected from orthophosphate, diphosphate, condensed phosphates and mixtures thereof and the additives being selected from alkali and alkaline earth metal salts of saturated and unsaturated fatty acids having 6 to 26 carbon atoms, pyrogenic silicon dioxide, phosphates of the alkaline earth metals calcium and/or magnesium.
Vorzugsweise sind die Kalium-Phosphate und/oder Natrium-Phosphate des weiteren Schmierstoffs aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Tetranatriumpyrophosphat, Na4P2O7, Tetrakaliumpyrophosphat, K4P2O7, Natriumtripolyphosphat, Na5P3O10, Kaliumtripolyphosphat, K5P3O10, Natriummetaphosphat, (NaPO3)3, Kaliummetaphosphat, (KPO3)3, Natriumpolyphosphat, (NaPO3)n und Kaliumpolyphosphat, (KPO3)n und/oder die Fettsäurereste der Alkali- und Erdalkalimetallsalze unter den Additiven des weiteren Schmierstoffs sind aus der Gruppe der Fettsäuren ausgewählt, bestehend aus Kapronsäure, Kaprylsäure, Kaprinsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure, Arachinsäure, Behensäure, Lignocerinsäure, Cerotinsäure, Palmitoleinsäure, Ölsäure, Elaidinsäure, Vaccensäure, Icosensäure, Erucasäure, Nervonsäure, Linolsäure, Linolensäure, Arachidonsäure, Timnodonsäure und Clupanodonsäure. Besonders bevorzugt besteht der weitere Schmierstoff aus Kaliumtripolyphosphat ohne weitere Additive (0 Gew.- %) oder mit bis zu 10 Gew.-% Additiven.The potassium phosphates and/or sodium phosphates of the further lubricant are preferably selected from the group consisting of tetrasodium pyrophosphate, Na 4 P 2 O 7 , tetrapotassium pyrophosphate, K 4 P 2 O 7 , sodium tripolyphosphate, Na 5 P 3 O 10 , potassium tripolyphosphate , K 5 P 3 O 10 , sodium metaphosphate, (NaPO 3 ) 3 , potassium metaphosphate, (KPO 3 ) 3 , sodium polyphosphate, (NaPO 3 ) n and potassium polyphosphate, (KPO 3 ) n and/or the fatty acid residues of the alkali and alkaline earth metal salts the additives of the other lubricant are selected from the group of fatty acids consisting of caproic acid, caprylic acid, capric acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid, margaric acid, stearic acid, arachidic acid, behenic acid, lignoceric acid, cerotic acid, palmitoleic acid, oleic acid, elaidic acid, vaccenic acid, icosenic acid, erucic acid , nervonic acid, linoleic acid, linolenic acid, arachidonic acid, timnodonic acid and clupanodonic acid. The further lubricant particularly preferably consists of potassium tripolyphosphate without further additives (0% by weight) or with up to 10% by weight of additives.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und der Beschreibung eingesetzter Materialien und Methoden weiter erläutert. Die Beispiele sind jedoch nicht als beschränkend für den Schutzumfang der Erfindung zu verstehen.The invention is explained in more detail below using examples and the description of the materials and methods used. However, the examples are not to be construed as limiting the scope of the invention.
Beispieleexamples
Strangpress-Verfahren (experimentell)Extrusion process (experimental)
Vergleichende Versuche mit erfindungsgemäßen Schmierstoffen wurden auf einer experimentellen Strangpresse (horizontale Ausführung) zur Herstellung nahtloser Rohre durchgeführt, welche eine maximale Gesamtkraft von 8 MN (Mega-Newton) erreichen kann. Soweit nicht anders angegeben, wurde zur Herstellung der Rohre ein vorgebohrter zylindrischer Edelstahl-Rohling (Hohlzylinder) der Stahlgüte 1.4301 nach DIN 17600 mit einer Masse von ca. 15 kg eingesetzt. Aus dem Hohlzylinder wurden Rohre mit einem Außendurchmesser × Wandstärke von Ø36 mm × 4 mm, Ø42 mm × 7 mm oder Ø47 mm × 10 mm hergestellt. Das in den Versuchen erzielte Streckverhältnis des Materials beim Extrudieren der Rohre betrug ca. 12,5-13,7: 1 (bei Ø36 mm × 4 mm), 6,8: 1 (bei Ø42 mm × 7 mm) und 4,6 : 1 (bei Ø47 mm × 10 mm). Die maximale Stempelgeschwindigkeit betrug ca. 50 mm/s.Comparative tests with lubricants according to the invention were carried out on an experimental extrusion press (horizontal design) for the production of seamless pipes, which can reach a maximum total force of 8 MN (Mega-Newton). Unless otherwise stated, a pre-drilled cylindrical stainless steel blank (hollow cylinder) of steel quality 1.4301 according to DIN 17600 with a mass of approx. 15 kg was used to manufacture the pipes. Tubes with an outside diameter×wall thickness of Ø36 mm×4 mm, Ø42 mm×7 mm or Ø47 mm×10 mm were produced from the hollow cylinder. The stretch ratio of the material achieved in the tests when extruding the tubes was about 12.5-13.7: 1 (at Ø36 mm × 4 mm), 6.8: 1 (at Ø42 mm × 7 mm) and 4.6 : 1 (at Ø47 mm × 10 mm). The maximum punch speed was approx. 50 mm/s.
Vor der Umformung und dem Aufbringen des Schmierstoffs wurde der Hohlzylinder für 2 Stunden in einem elektrischen Ofen auf eine Temperatur von ca. 1200 °C erwärmt. Zunächst wurde dann die heiße äußere Mantelfläche des Hohlzylinders durch Abrollen auf einem Rolltisch mit einem Neigungswinkel von 5,5 ° zur Horizontalen, auf dem der Schmierstoff in Pulverform ausgebracht war, mit dem Schmierstoff beschichtet. Anschließend wurde der Schmierstoff in Pulverform mit einem Löffel auf die innere Oberfläche des Hohlzylinders aufgebracht. Zusätzlich zu dieser „Panade“ auf den Außen- und Innenseiten des Hohlzylinders wurde ein zuvor aus Schmierstoffpulver mittels einer manuellen Spindelpresse hergestellter formstabiler Pressring vor der Matrize der Strangpresse angeordnet. Der Hohlzylinder wurde in den Aufnehmer der Strangpresse eingesetzt und mit dem Stempel der Strangpresse unter Führung eines mittig eingesetzten Dorns zu einem Rohr umgeformt.Before forming and applying the lubricant, the hollow cylinder was heated in an electric furnace to a temperature of approx. 1200 °C for 2 hours. First, the hot outer lateral surface of the hollow cylinder was then coated with the lubricant by rolling it on a roller table at an angle of 5.5° to the horizontal, on which the lubricant was applied in powder form. Subsequently, the lubricant in powder form was applied to the inner surface of the hollow cylinder with a spoon. In addition to this "breading" on the outside and inside of the hollow cylinder, a dimensionally stable compression ring previously made from lubricant powder using a manual spindle press was placed in front of the die of the extrusion press. The hollow cylinder was inserted into the receiver of the extruder and formed into a tube with the ram of the extruder, guided by a mandrel inserted in the center.
Die Mengen an einzusetzendem Schmierstoff kann der Fachmann leicht durch einfache Versuche ermitteln. Im vorliegenden Beispiel wurden für die „Panade“ auf den Oberflächen des Hohlzylinders ca. 240-280 g/m2 und für den Pressring ca. 50-200 g eingesetzt.A person skilled in the art can easily determine the amounts of lubricant to be used by simple tests. In the present example, approx. 240-280 g/m 2 were used for the "breading" on the surfaces of the hollow cylinder and approx. 50-200 g/m 2 for the pressing ring.
Während der Umformungen wurden die aufzuwendende Gesamtkraft (FG), die Matrizenkraft (FM), die Reibkraft (FR) und die Stempelgeschwindigkeit (VSt) über den Stempelweg aufgezeichnet.
Herstellung SchmiermittelManufacturing lubricants
Zur Herstellung von erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzungen als auch Vergleichszusammensetzungen wurden die pulverförmigen oder kristallinen Bestandteile eingewogen und gemischt. Für einige Strangpressversuche wurde die Schmierstoffzusammensetzung vorgeschmolzen und anschließend vermahlen. Hierzu wurde die Schmierstoffzusammensetzung in einem Aluminiumoxidtiegel in einem Elektroofen bei 1150°C für eine Stunde aufgeschmolzen, die Schmelze auf Edelstahlschienen ausgegossen und nach dem Abkühlen und Erstarren in einem Backenbrecher zerkleinert.To produce lubricant compositions according to the invention and also comparative compositions, the powdered or crystalline components were weighed out and mixed. For some extrusion tests, the lubricant composition was premelted and then ground. For this purpose, the lubricant composition was melted in an aluminum oxide crucible in an electric furnace at 1150° C. for one hour, the melt was poured onto stainless steel rails and, after cooling and solidifying, crushed in a jaw crusher.
Es wurden folgende Produkte für die Natrium- und Kalium-Phosphate sowie das Aluminiumoxid eingesetzt:
Bestimmung der Wasserlöslichkeit des SchmiermittelsDetermination of the water solubility of the lubricant
Zur Bestimmung der Wasserlöslichkeit bzw. Abwaschbarkeit des Schmiermittels von einer Metalloberfläche wurde ein Edelstahldraht in die Schmelze des Schmiermittels bei 1250 °C eingetaucht, anschließend herausgezogen und die Schmelze erstarren gelassen. Der Draht mit der anhaftenden erstarrten Schmelze wurde in ein mit ca. 450 ml Wasser bei einer Temperatur von 60 °C gefülltes Becherglas eingetaucht, wobei das Wasser mittels eines Magnetrührers in Bewegung gehalten wurde. Es wurde beobachtet, ob bzw. in welcher Zeit die an dem Draht anhaftende erstarrte Schmelze gelöst oder zumindest von dem Draht abgelöst wurde. Rezepturen
K-Phos = Kaliumphosphate; Na-Phos.: Natriumphosphate Rezepturen
K-Phos = Kaliumphosphate; Na-Phos.: Natriumphosphate Wasserlöslichkeit
K-Phos = potassium phosphates; Na-Phos.: Sodium phosphate formulations
K-Phos = potassium phosphates; Na-Phos.: Sodium phosphate water solubility
Ergebnisse der StrangpressversucheResults of the extrusion tests
Die Strangpressversuche wurden wie oben beschrieben durchgeführt. Für die „Panade“ und den „Pressring“ wurden gleiche oder unterschiedliche Schmierstoffzusammensetzungen verwendet. Bei unterschiedlichen Schmierstoffzusammensetzungen wurde für die „Panade“ jeweils ein Schmierstoff mit einer etwas geringeren Viskosität als für den „Pressring“ gewählt.
1) = vorgeschmolzen + gemahlen
2) = Granulat
3) = Pulver
4) = gemahlenThe extrusion tests were carried out as described above. The same or different lubricant compositions were used for the "breading" and the "press ring". With different lubricant compositions, a lubricant with a slightly lower viscosity was selected for the "breading" than for the "press ring".
1) = pre-melted + ground
2) = granules
3) = powder
4) = ground
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