SE507202C2 - Lågfriktionsbehandlad metalltråd eller -band samt förfarande för dess framställning - Google Patents

Description

30 35 507 202 2 Tillverkning av spiraler ställer höga krav på smörjning för att ge jämn stigning och diameter samt undvika rivningar och dessutom ge hög produktivitet. Spiraltillverkaren använder därför ofta olika typer av smörjmedel vid spiraliseringen trots vaxskiktet. Detta bör emellertid undvikas, eftersom exempelvis kommersiella mineraloljebaserade smörjmedel ofta innehåller aggressiva tillsatsmedel, som kan vara svåra att tvätta bort. medelsrester/tillsatser materialet i tråden och skadar denna på olika sätt.

Under användningen angriper kvarvarande smörj- Ett specialfall inom området spiraltillverkning är använd- ningen av motståndslegeringar, t ex järn-krom-aluminium, nickel-krom(-järn) och koppar-nickel, för tillverkning av värmespiraler till elektriska element. Här ställs extra höga krav på jämna spiraler, hög produktivitet och skonsam be- handling av trâdytan. Dessutom ställs höga krav på smörjmed- lets egenskaper med avseende på kemisk kompatibilitet med trådmaterialet dels innan användning vid transport och lag- ring, dels under användningen, om smörjmedlet helt eller delvis finns kvar på ytan.

Från US-A-3098294 är det känt att vid kalldragning av ett litet föremål (närmare bestämt en patronhylsa) från ett arbetsstycke av mässing eller mjukt kolstål belägga arbets- stycket med en natriumtvål av en fettsyra som smörjmedel. Av de undersökta tvålarna befanns Na-behenat ge de bästa resul- taten medan Na-laurat och Na-oleat gav de sämsta resultaten vad gäller den kraft som erfordras vid kalldragningen som för de båda sistnämnda tvålarna blir högre än för en jämförelse- blandning av flera fettsyratvålar.

Enligt föreliggande uppfinning har man nu överraskande funnit att ett ytskikt av en blandning av en fettsyra och en alkali- metalltvål av fettsyran ger väsentligt bättre effekt vad gäller de smörjande egenskaperna och den lastbärande förmågan än ett skikt av den rena alkalimetalltvålen av fettsyran och 10 15 20 25 30 35 507 282 3 dessutom leder till att de ovan skildrade nackdelarna hos de tidigare kända ytskikten för dragen tråd eller draget band kan undanröjas.

I enlighet därmed avser uppfinningen enligt en aspekt av densamma en metalltråd eller ett metallband med smörjande ytskikt, vilken tråd resp vilket band kännetecknas av att ytskiktet består av en blandning av en fettsyra med 10-22, företrädesvis 12-18, kolatomer och en alkalimetalltvål av nämnda fettsyra.

Med uttrycken "alkalimetall“ och "alkali“ avses i samband med föreliggande uppfinning i första hand natrium och kalium.

Den mest föredragna metallen av dessa är natrium.

Företrädesvis är fettsyran en rak, mättad sådan men även A omättade fettsyror såsom oljesyra har visat sig ge en godtag- bar effekt. och tvål enligt uppfinningen är en blandning av laurinsyra Den mest föredragna kombinationen av fettsyra och natriumlaurat.

Uppfinningen tillämpas med fördel på en tråd och ett band som utgör en elektrisk motståndstråd resp ett elektriskt mot- ståndsband. vis bestå av en Fe-Cr-Al-, Cu-Ni- eller Ni-Cr-Fe-legering och En sådan tråd resp ett sådant band kan exempel- kan vara avsedd/avsett för exempelvis tillverkning av rörele- ment eller värmespiraler till elektriska element och kan bearbetas exempelvis genom spiralisering, klippning, stans- ning eller bockning eller annan plastisk formning.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen avser denna ett sätt att framställa en metalltråd eller ett metallband i enlighet med uppfinningen uppvisande ett smörjande ytskikt, vilket sätt kännetecknas av att tråden/bandet, företrädesvis efter rengöring, bringas i kontakt med en blandning av en fettsyra med 10-22, företrädesvis 12-18, kolatomer och en alkali- metalltvål av nämnda fettsyra löst i vatten till bildning av 10 15 20 25 30 35 507 202 4 ett ytskikt innehållande blandningen på trådens/bandets yta, vilket får eller bringas att torka.

Enligt en föredragen utföringsform av sättet enligt uppfin- ningen är den i vatten lösta blandningen av fettsyra och tvål en sådan som har framställts genom att dispergera fettsyran i vatten och därefter tillsätta en alkalihydroxid till dess att ingen olöst syra kvarstår men ej all syra överförts till tvål.

Alkalihydroxiden kan tillsättas i fast form eller som en vattenlösning, som företrädesvis är högkoncentrerad.

Lämplig mängd av tillsatt alkalihydroxid kan enkelt bestämmas Sålunda erhålles i allmänhet goda resultat om tillsatsen av alkalihydroxid sker till ett pH för genom en pH-mätning. blandningen av 6-9, företrädesvis 7-8.

Både högre fettsyror och tvålar är ytaktiva ämnen och bildar aggregat i lösning. Fettsyrorna är hydrofoba och bildar omvända miceller, då de är lösta i olja. Tvålarna är hydro- fila ytaktiva ämnen, som bildar normala miceller i vatten.

Vilken typ av aggregat som bildas av ett ytaktivt ämne kan förutsägas genom att beakta balansen mellan hydrofila och hydrofoba delar hos molekylen (HLB = "Hydrophilic Lipophilic Balance“).

(CPP).

Israelachvili, Coll Surf A, 91 (1994) 1-8.] Detta sammanfattas i en kritisk packningspara- meter [För närmare detaljer härom, se exempelvis J Utgående från fettsyran ger en höjning av pH-värdet gradvis en omvandling av fettsyran till tvål. Härvid kommer CPP- värdet för blandningen att gå från ca 1/3 till 3. ändras från en micellär sådan vid CPP-värdet ca 1/3 via en Strukturen hexagonal, därefter en kubisk, en lamellär, en omvänt kubisk, och en omvänd hexagonal struktur till en omvänd micellär struktur. Den lamellära fasen bildas vid ett CPP-värde av omkring 1 motsvarande ett pH av omkring 7-8 och ett HLB-värde 10 15 20 25 30 35 507 202 5 av omkring 10. I den lamellära fasen är skikt av ytaktiva ämnen ordnade i flak, vilka lätt glider mot varandra och ger låg friktion. detta tillstånd som skall eftersträvas i största möjliga I enlighet med föreliggande uppfinning är det utsträckning även om vissa avvikelser från det ideala till- ståndet kan accepteras.

I enlighet med detta betraktelsesätt kan tillsatsen av alka- CPP, för blandningen i området 0,75-2, företrädesvis 0,9-1,5. lihydroxid ske till en kritisk packningsdiameter, Före trådens eller bandets beläggning med det smörjande ytskiktet rengöres den/det företrädesvis, exempelvis för att För detta ändamål användes lämpligen en mild alkalisk vattenbaserad avlägsna ett ev skyddande oljeskikt eller smuts. tvättvätska varefter sköljning med vatten alternativt av- torkning sker. Rengöringssteget bör emellertid kunna uteläm- nas om ingående tråd/band uppfyller vissa krav på renhet.

Det smörjande skiktet påföres lämpligen genom att tråden/ bandet nedsänks eller förs igenom ett bad av den vattenhal- tiga blandningen av syra och tvål. I ett kontinuerligt förfarande kan detta exempelvis ske genom att tråden/bandet leds kring ett antal i badet placerade brytelement såsom roterande trissor. Med en sådan anläggning kan även tråd/- band som färdas i höga hastigheter såsom mellan 10 och 100 m/min beläggas on-line. Vid extremt höga hastigheter kan ett efterföljande torkningssteg vara nödvändigt, speciellt för tråd, som lätt rostar, men normalt är inte någon efterbe- handling nödvändig.

Alternativa sätt att bringa tråden/bandet i kontakt med vattenlösningen av fettsyra och tvål är att spruta lösningen på bandet/tråden eller att påföra den med ett med lösningen fuktat appliceringsmedel såsom en trasa, svamp eller pensel. 10 15 20 25 30 35 507 202 6 Lösningen måste vid appliceringen ha tillräckligt hög tem- peratur för att undvika utfällningar. Den undre gränsen för temperaturen kommer härvid att variera beroende på den syra som används. Å andra sidan sätter vattnets koktemperatur av 100°C en naturlig övre gräns för temperaturen. Vidare så är det ur energisynpunkt och stabilitetssynpunkt angeläget att hålla appliceringstemperaturen nere. Sett mot denna bakgrund har vattenlösningen av fettsyra och alkalimetalltvål vid appliceringen vanligtvis en temperatur i området 40-95°C.

Företrädesvis är temperaturen i området 45-70°C och speciellt 50-65°C vid lösningens kontakt med tråden/bandet.

Halten fettsyra/tvål i badet räknat som g fettsyra per 100 g vatten varierar med det använda systemet och dess temperatur.

Den undre gränsen sätts av kravet på tillräcklig mängd syra/ tvål på tråd/bandytan för att få tillräcklig tjocklek på det smörjande ytskiktet efter torkning. Den övre gränsen sätts av lösligheten och ekonomiska skäl. En för varje system av syra/tvål lämplig halt syra/tvål kan enkelt utprovas med några enkla försök med varierande halter. I allmänhet kommer halten att ligga i området 0,1-0,5 g/100 g vatten, företrä- desvis 0,15-0,4 g/100 g vatten och speciellt 0,2-0,35 g/100 vatten.

Enligt en ytterligare aspekt av uppfinningen avser denna även användningen av en blandning av en fettsyra med 10-22, före- trädesvis 12-18, kolatomer och en alkalimetalltvål av nämnda fettsyra för beläggning som ett smörjande ytskikt på metall- tråd eller -band. Även om i det föregående har talats om "en fettsyra" och “en alkalimetalltvål", är det uppenbart för fackmannen att det även är tänkbart att kunna använda system baserade på två eller flera fettsyror förutsatt att dessa tillsammans med sina tvålar är kompatibla och ger en mer eller mindre lamel- lär struktur såsom eftersträvas i enlighet med uppfinningen utan att föreliggande uppfinningstanke frångås. 10 15 20 25 30 35 7 577 202 Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas ytterligare med hjälp av ett antal exempel, som inte på något sätt skall tolkas som begränsande uppfinningen.

Exempel 1 Ett bad bereddes genom att 20 g laurinsyra och 4 g NaOH löstes i 300 ml destillerat vatten under uppvärmning.

Lös- ningen kyldes och späddes till 10 1 med destillerat vatten.

Detta ger ett pH av 7-8 (CPP-värde omkring 1).

Exempel 2 Exempel 1 upprepades men mängd oljesyra.

Exempel 3 Exempel 1 upprepades men KOH.

Exempel 4 Exempel 2 upprepades men KOH.

Jämförelseexempel 1 Procedur som i exempel 1 ett CPP-värde >3.

Jämförelseexempel 2 Procedur som i exempel 2 ett CPP-värde >3.

Jämförelseexempel 3 Procedur som i exempel 3 ett CPP-värde >3.

Jämförelseexempel 4 Procedur som i exempel ett CPP-värde >3. b laurinsyran ersattes med motsvarande Na0H ersattes med NaOH ersattes med men tillsatsen men tillsatsen men tillsatsen men tillsatsen EV êV aV aV motsvarande mängd motsvarande mängd till NaOH skedde Na0H skedde till KOH skedde till KOH skedde till 10 15 20 25 30 35 507 202 8 Undersökning av smörjande egenskaper och lastbärande förmåga De smörjande egenskaperna och den lastbärande förmågan för smörjande ytskikt erhållen från bad framställda enligt exempel 1-4 jämfördes med ytskikt erhållna från bad fram- ställda enligt jämförelseexempel 1-4 ("jfrex 1-4"), ett konventionellt ytskikt av ett vax och en obelagd yta i en utrustning med roterande skiva och en stillastående kullager- kula vilande mot skivan (sk "pinne-skiva"-test).

Principen är följande: En sfärisk kullagerkula med diametern 10 mm trycks med kontinuerligt ökande last (max last ~24N) mot den med konstant hastighet roterande (belagda eller obelagda) skivan. Såväl normallast (FN) som tangentialkraft (FT) mäts med hög noggrannhet (~0,01N) under förloppet. Vid någon kritisk last (FK), vilken beror av de mekaniska egen- skaper på skivans beläggning (lastbärande förmåga), sker ett 'genombrott varvid tangentialkraften snabbt ökar. Detta beror på att kulan, som från början glider uppe på den smörjande beläggningen, vid tillräckligt hög last bryter igenom be- läggningen varvid metall-metall kontakt uppkommer mellan kula och skiva. Friktionen ökar under kort tid kraftigt och skärning uppkommer. Rotationshastigheten var vid samtliga försök 300 varv/min vilket motsvarar ~0,52 m/s relativ glid- hastighet mellan kula och skiva.

Friktionskoefficienten (p) erhålls genom förhållandet mellan tangentialkraft (=friktionskraft) och normallast. ß* = FT/FN Genom att avsätta friktionskoefficienten som funktion av den ökande normallasten kan såväl smörjförmåga som lastbärande förmåga för de skyddande filmerna registreras.

Att observera här är att friktionskoefficienten är en system- parameter och inte en materialparameter, vilken beror av en mängd systemberoende faktorer. Absolutvärden kan därför inte 10 15 20 25 30 35 G7 202 CYI 9 jämföras utan endast relativ jämförande bedömningar är möj- liga att göra.

Innan det system som skulle provas applicerades på skivans stålyta rengjordes ytan med en mild alkalisk vattenbaserad tvättvätska och sköljdes därefter med vatten.

Tvättvätskan bereddes genom att framställa en vattenlösning innehållande 10 vikt% kaliumpyrofosfat, 5 vikt% Berol 535 (tensid från Akzo Nobel AB, Stockholm, Sverige) och 2,5 vikt% Berol 563 (tensid från Akzo Nobel AB, Stockholm, Sverige).

Lösningen späddes 20 ggr före användning.

Testlösningarna anbringades på skivan genom doppning och avdunstning av vattnet genom självtorkning i kombination med blåsning med luft av rumstemperatur.

Resultaten återges i följande tabell 1.

TABELL l Ytskikt Friktionsnivå Genombrottslast [N] från före genombrott [u] Inget ytskikt ej definierad 0,94 Ytskikt av vax 0,30-0,45 2,1 Ex 1 0,10-0.18 ej genombrott Ex 2 o,1o-o,2o 23,2 EX 3 0,09-0,18 13,9 EX 4 0,20-0,24 7,1 Jfrex 1 ej definierad 2,9 Jfrex 2 ej definierad 1,1 Jfrex 3 0,10-0,18 3,2 Jfrex 4 0,25-0,40 5,6 Anm: "Ej definierad" innebär ingen eller nästan obefintlig smörjande effekt. Låg genombrottslast eller omedelbar skärning. 10 15 20 25 30 35 507 202 10 "Ex" är förkortning för exempel och "jfrex" för jäm- förelseexempel.

Undersökningen upprepades med en med blandningen enligt exempel 1 belagd skiva dels efter tvätt av den belagda skivan med vatten, dels efter tvätt av den belagda skivan med en svagt alkalisk lösning i båda fallen vid 50°C.

Resultaten återges i följande tabell 2 TABELL 2 Tvätt Friktionsnivå Genombrottslast [N] före genombrott [p] Vattentvätt 0,10-0,29 ej genombrott Alkalisk tvätt ej definierad 0,46 Detta försök visar att tvätt med enbart vatten ger en viss ökning av friktionsnivån jämfört med ej tvättad beläggning, men fortfarande smörjer beläggningen och inget genombrott sker. Vidare visar detta försök att beläggningen ändå enkelt kan tvättas bort i ett vattenbaserat tvättsystem.

Provning med spiraltillverkning En tråd av motståndsmaterial med en diameter av 0,575 mm belades med ett smörjande ytskikt genom att föras genom ett Ytskiktet fick torka, efter tråden spiraliserades på konventionellt sätt, varvid bad enligt exempel 1 vid 50°C. var försök vid olika spiraliseringshastighet utfördes.

Mätning av stigningsvariationen gav vid handen en genomsnitt- lig stigningsvariation på 4,7 och 5,3% för normal resp maxi- mal spiraliseringshastighet att jämföras med 11 resp 16% för obelagd tråd. 10 15 20 25 30 35 n 507' 202 Provning av korrosion i fuktig luft _ Blankdragna och blankdragna + med ett på trietanolamin base- rat alkaliskt avfettningsmedel rengjorda metalltrådar av Fe- Cr-Al-legeringar innehållande omkring 21% Cr och 5% Al (Kanthal AE och Kanthal D från Kanthal AB, Hallstahammar, Sverige) belades med ett smörjande ytskikt genom att föras genom ett bad enligt exempel 1 vid 50°C och efterföljande torkning.

Trådarna exponerades för fuktig luft i en fuktkammare under 2 månader. Ytan undersöktes med stereomikroskop varvid inga korrosionsangrepp kunde ses. Trådarna värmebehandlades också i 1100°C under 2h för att utröna om den normala oxidbild- ningen hade påverkats. Oxiden undersöktes i stereomikroskop och konstaterades vara helt normal.

Provnin i rörelement sluten mil'ö 3 rörelement vardera av följande tre sorter tillverkades av motståndstråd med diametern 0,32 mm (N80 från Kanthal AB, Hallstahammar, Sverige): 1. Referenser, spiraliserade med ett på trietanolamin base- rat alkaliskt avfettningsmedel (Sellcleaner 1090 från Henkel Kemi AB, Mölndal, Sverige) som smörjmedel, tvättade i ultra- ljud, hett vatten och destillerat vatten. 2. Med ett ytskikt av en blandning enligt exempel 1 belagda, ej tvättade trådar. 3. Med ett konventionellt vaxskikt belagda, trådar. ej tvättade Elementen kördes lh on/20 min off vid 8W/cmz i 1000 h. Resul- tat, 1: 0,96 mA; 2: läckströmmar efter 1000h: 0,68 mA; 3: 0,75 mA.

Detta är låga och för provet normala värden. 10 15 20 25 'Sverige), dels utan föregående rengöring. 507 202 12 Oxidationsprovning i luft Icke tvättad tråd av en Ni-Cr-legering (Nikrothal 80 från Kanthal AB, Hallstahammar, Sverige), diameter 0,575 mm, som försetts med ett ytskikt av en blandning från exempel 1 på motsvarande sätt som angivits ovan, och motsvarande referens- tråd värmebehandlades i lO50°C under 3h. stereomikroskop normal och mycket bra ut.

Oxiden såg i Spiralbrovning i luft (höqbelastad intermittent användning i luft) Tråd av en Fe-Cr-Al-legering (Kanthal AE från Kanthal AB, Hallstahammar, Sverige), diameter 0,40 mm, belades med ett smörjande ytskikt utgående från en blandning enligt exempel 1 på motsvarande sätt som angivits ovan dels efter föregående rengöring i ett på trietanolamin baserat alkaliskt avfett- ningsmedel (Sellcleaner 1090 från Henkel Kemi AB, Mölndal, Spiraler av de belagda trådarna och av motsvarande obelagda tråd som refe- rens tillverkades med den relativa stigningen 3 och ytter- diametern 5 mm. Dessa värmdes därefter intermittent med strömgenomgång vid ll W/cmz (yttemperatur ca 1050°C).

Oxidationsförloppet förlöpte helt normalt för samtliga 3 prover, vilket konstaterades genom uppmätning av förändringen i varm- och kallmotstånd hos proven efter 1200h provtid samt okulärbesiktning.

Claims (10)

lO 15 20 25 30 35 507 202 13 _. P A T E N T K R A V

1. Metalltråd eller -band med smörjande ytskikt, vilken/ att ytskiktet består av en blandning av en fettsyra med 10-22, företrädesvis 12-18, vilket k ä n n e t e c k n a s a v kolatomer och en alkalimetalltvål av nämnda fettsyra.

2. Metalltråd eller -band enligt krav 1, d ä r är en rak, mättad sådan. fettsyran

3. Metalltråd eller -band enligt något av kraven 1 eller 2, d ä r fettsyran är laurinsyra och tvålen är natriumlaurat.

4. Metalltråd eller -band enligt något av kraven 1-3, d ä r tråden/bandet är en elektrisk motståndstråd resp ett elekt- riskt motståndsband.

5. Sätt att framställa en metalltråd eller ett metallband enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t a v att tråden/bandet, företrädesvis efter rengöring, bringas i kontakt med en blandning av en fettsyra med 10-22, företrä- desvis 12-18, kolatomer och en alkalimetalltvål av nämnda fettsyra löst i vatten till bildning av ett ytskikt innehål- lande blandningen på trädens/bandets yta, vilket får eller bringas att torka.

6. Sätt enligt krav 5, d ä r den i vatten lösta bland- ningen av fettsyra och tvål framställts genom att dispergera fettsyran i vatten och därefter tillsätta en alkalihydroxid till dess att ingen olöst syra kvarstår men ej all syra överförts till tvål.

7. Sätt enligt krav 6, sker till ett pH för blandningen av 6-9, företrädesvis 7-8. d ä r tillsatsen av alkalihydroxid 10 15 507 202 14

8. Sätt enligt krav 6, d ä r tillsatsen av alkalihvdroxid sker till en kritisk packningsdiameter, CPP, för blandningen i emrådet o,7s-2, företrädesvis o,9-1,s, speciellt o,9-1,2.

9. Sätt enligt något av kraven 5-8, d ä r vattenlösningen av fettsyra och alkalimetalltvål har en temperatur i området 40-95°C, företrädesvis 45-70°C, speciellt 50-65°C, vid kon- takten med tråden/bandet.

10. Användningen av en blandning av en fettsyra med 10-22, företrädesvis 12-18, kolatomer och en alkalimetalltvål av nämnda fettsyra för beläggning som ett smörjande ytskikt på metalltrâd eller -band.