DE2736874C2

DE2736874C2 - Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von Metallen

Info

Publication number: DE2736874C2
Application number: DE2736874A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Ing.(Grad.) Nittel; Karl-Heinz 6078 Neu-Isenburg Nuß; Han-Yong Dipl.-Chem. Dr. 6000 Frankfurt Oei; Günter Ing.(grad.) 6056 Heusenstamm Siemund
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1977-08-16
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1987-03-26
Also published as: FR2400398A1; US4199381A; JPS6045273B2; IT1098030B; DE2736874A1; BE869666A; ZA784590B; NL7807768A; IT7826726A0; JPS5435833A; GB2002812B; GB2002812A; AU521494B2; MX149403A; SE7808658L; FR2400398B1; ATA509578A; AU3876878A; CA1110611A; AT365224B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von Metallen, insbesondere Eisen und Stahl, durch Phosphatierung und anschließendes Aufbringen einer Seifenschicht durch Behandlung mit einem wäßrigen Schmiermittel auf Alkaliseifenbasis.
Es ist seit vielen Jahren üblich, die Phosphatierung zur Erleichterung der spanlosen Kaltumformung von Metallen, insbesondere Eisen und Stahl, anzuwenden. Bei den in allen Bereichen der Kaltumformung am weitaus häufigsten eingesetzten Verfahren handelt es sich um Zinkphosphatiersysteme, in erster Linie mit Nitrat, Nitrit und Chlorat beschleunigte Verfahren. Für schwierige Umformungen gelangen auch Manganphosphatierverfahren zum Einsatz. Auch Zink-Calzium-Verfahren sowie Alkaliphosphatierverfahren werden gelegentlich für bestimmte Anwendungsfälle benutzt.
Die Phosphatschichten üben bei der Kaltumformung eine gute Trennwirkung zwischen dem Werkzeug und der Metalloberfläche aus. Daneben ist jedoch deren vorteilhafter Einfluß auf die verwendeten Schmiermittel von entscheidendem Gewicht. In der Praxis wird in starkem Maße insbesondere die günstige Wirksamkeit genutzt, die sich aus der Verwendung von Schmiermitteln auf Seifenbasis in Verbindung mit Phosphatschichten ergibt. Mit Alkaliseifen können beispielsweise Zinkphosphatschichten auf dem Werkstück teilweise so umgesetzt werden, daß dabei die besonders wirksame Zinkseife entsteht.
Zur Umsetzung werden die phosphatierten und gespülten Werkstücke im allgemeinen in ein wäßriges Beseifungsbad bei Temperaturen von 70 bis 80°C über 2 bis 5 Min. getaucht. Eine weitgehende Umsetzung und damit bessere Umformergebnisse werden mit speziellen reaktiven Seifenschmiermitteln angestrebt, deren mit über 2% angesetzte Tauchbäder einen pH-Wert zwischen 8 und 10 aufweisen. Es können auf diese Weise festhaftende Gesamtseifenauflagen auf dem Werkstück von bis zu ca. 5 g/m² erreicht werden bei gleichzeitiger Umsetzung zu Zinkseife, deren Anteil dann bis zu 50% der Gesamtschmiermittelschicht ausmachen kann. Die Seifenschicht enthält auch nicht umgesetzte Alkaliseife, insbesondere Natriumseife, da im allgemeinen Natriumseifenbäder verwendet werden. Die Konzentration der Seifenbäder beträgt meist 2 bis 5%. Zur Verbesserung der Schmiereigenschaften werden den Lösungen häufig noch anorganische Pigmente, wie z. B. Graphit, Molybdändisulfid, Borax, Natriumpyrophosphat, oder auch schwerlösliche Metallseifen, wie Calzium-, Aluminium- oder Bariumstearat zugesetzt. Zur besseren Dispergierung der Pigmente auf Metallseifen- Basis hat sich die Mitverwendung von oberflächenaktiven Substanzen, z. B. alkoxylierten Alkylphenolen, bewährt.
In manchen Fällen, z. B. für schwere Umformungen, wie sie beim Kaltfließpressen auftreten, reichen Gesamtseifenauflagen bis zu 5 g/m² jedoch nicht aus. Die umgeformten Teile zeigen Riefen. Es sind daher erheblich höhere Gesamtseifenauflagen erwünscht. Es ist bekannt, daß die Menge der Seifenauflage durch Erhöhung der Konzentration des Seifenbades, durch Anhebung seines pH-Wertes oder durch Verwendung einer Seife mit sehr hohem Anteil an C&sub1;&sub8;-Seifen verstärkt werden kann. Auch durch Absenken der Badtemperatur dahin, bis die Seifenlösung gerade noch nicht fest wird, ist eine Erhöhung der Seifenauflage möglich. Alle diese Maßnahmen haben sich jedoch in der Praxis nicht bewährt, da trotz der erzielbaren Erhöhung des Seifenauflagegewichtes keine gleichmäßige Bedeckung und eine nur schlechte Haftfestigkeit der Seifenschicht mit dem Phosphatuntergrund erreicht wird. Die ungleichmäßig und nur locker auf dem Werkstück vorhandene Seifenschicht wird dann beim Verpressen leicht abgestreift. Sie lagert sich an den Pressen ab, so daß diese schnell verschmutzen und einer häufigen Reinigung bedürfen. Dies ist einerseits aufwendig, und zum anderen stellen die beträchtlichen Austräge durch Verschmutzung weitere Verlustfaktoren dar, die zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von Metallen zur Verfügung zu stellen, das bei Verfahren der eingangs genannten Art zu erhöhten Gesamtseifenauflagen mit hoher Haftfestigkeit und Gleichmäßigkeit und damit zu einer verbesserten technischen Wirksamkeit und einer erhöhten Wirtschaftlichkeit führt.
Die Aufgabe wird gelöst, indem man das Verfahren der eingangs genannten Art entsprechend der Erfindung derart ausgestaltet, daß die Seifenschicht mit Hilfe eines wäßrigen Schmiermittels aufgebracht wird, das einen hydrolysestabilen, mit dem Metall der Phosphatschicht wasserlösliche Komplexe bildenden Komplexbildner enthält.
Es war überraschend, daß durch diesen Gehalt an Komplexbildner im Seifenbad eine wesentliche Verstärkung der Haftfestigkeit der Seifenschicht an der Phosphatschicht bewirkt wird. Der Gehalt hieran führt in den meisten Fällen auch dazu, daß die Gesamtseifenauflage beträchtlich erhöht und eine gleichmäßige Auflageschicht erhalten wird.
Zwar sind Öl-in-Wasser-Emulsionen zum Walzen von Metallen bzw. Schmiermittel zur Metallbearbeitung, die Chelatbildner, wie Ethylendiamintetraessigsäure, enthalten, bekannt (GB-PS 11 30 663, 7 17 561). Zum Stand der Technik gehören auch Kühlschmiermittel, insbesondere für den Drahtzug, die spezielle Salze der Ethylendiamintetraessigsäure enthalten (US-PS 26 31 978). Diese an sich bekannten Zusätze von Komplexbildnern verfolgen jedoch einen gänzlich anderen Zweck. Im Unterschied zur vorliegenden Erfindung dient dieser Zusatz dazu, Härtebildner des Wassers bzw. bei der Metallbearbeitung eingetragene Metallpartikel komplex zu binden, so daß für die Lösung der speziellen, mit der Erfindung gestellten Aufgabe aus diesem Stand der Technik keinerlei Anregung zu erwarten war.
Bei Seifen, deren Anteil an C&sub1;&sub8;-Seifen mindestens 90% beträgt und die von sich aus bereits zu höheren Seifenauflagen führen, wirkt sich der Komplexbildner-Gehalt weniger durch Erhöhung der Auflagemenge, aber trotzdem durch deutliche Zunahme der Gleichmäßigkeit und Haftfestigkeit der Seifenschicht aus.
Beliebige, nicht hydrolysierbare Komplexbildner, die mit dem Metall der Phosphatschicht, wie z. B. Zink, Mangan, Calzium, Eisen, wasserlösliche Verbindungen eingehen können, können bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Seifenschicht mit Hilfe eines wäßrigen Schmiermittels aufgebracht, das Äthylendiamintetraessigsäure und/oder Nitrilotriessigsäure als Komplexbildner enthält.
Andere brauchbare Komplexbildner sind beispielsweise Trans-1,2-diaminocyclohexantetraessigsäure, Diäthylentriaminpentaessigsäure, N-Hydroxyäthylendiamintriessigsäure, N,N-Di(β-hydroxyäthyl)glycin und Natriumglucoheptonat.
Die Komplexbildner werden der Seife vorzugsweise in Form ihrer Alkalisalze zugesetzt.
Komplexbildner, die leicht hydrolysierbar sind und somit ihre Wirkung schnell verlieren, wie z. B. die kondensierten Phosphate, sind für die erfindungsgemäßen Zwecke nicht geeignet.
Die geeignete Konzentration an Komplexbildner im Seifenbad richtet sich nach dem Komplexbildungsvermögen des Komplexbildners.
Besonders vorteilhaft ist es, die Seifenschicht mit Hilfe eines wäßrigen Schmiermittels aufzubringen, das 10 bis 100 g/l Alkaliseife und 0,1 bis 10 g/l Komplexbildner enthält.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sollte dabei die Alkaliseife zu mehr als 40% aus C 18-Seifen bestehen.
Zur Verbesserung der Schmiereigenschaften können die Seifenbäder in bekannter Weise noch anorganische Pigmente, wie z. B. Graphit, MoS&sub2;, Borax und Na-Pyrophosphat oder auch schwer lösliche Metallseifen, wie Ca-, Al-, Ba- Stearat, enthalten. Zur besseren Dispergierung der Pigmente auf Metallseifenbasis hat sich die Verwendung von oberflächenaktiven Substanzen, wie alkoxylierten Nonylphenolen, bewährt.
Die Anwendungstemperatur der wäßrigen seifenhaltigen Lösungen und/oder Suspensionen beträgt je nach Konzentration zweckmäßig zwischen 60 und 80°C. Die Behandlungszeit richtet sich nach der Masse der zu behandelnden Teile. Die Teile müssen so lange in der Seifenlösung behandelt werden, bis sie genügend Wärme aufgenommen haben, um an der Luft trocknen zu können. In der Regel ist dies nach 3 bis 5 Min. der Fall.
Die erfindungsgemäße Arbeitsweise bietet im Vergleich zu den üblichen seifenhaltigen Schmiermittelbädern auch den Vorteil, daß die Bäder auf eine niedrigere Behandlungstemperatur gesenkt werden können, und zwar unterhalb der Temperatur, bei der die üblichen Bäder bereits zu gelieren beginnen. Eine Einsparung von Wärmeenergie wird dadurch ermöglicht.
Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Arbeitsweise werden im folgenden Beispiel weiter belegt.

Beispiel

Preßlinge aus Stahl wurden wie folgt behandelt
a) Beizen in 20%iger Schwefelsäure bei 65°C und einer Behandlungszeit von 15 Min.
b) Spülen mit kaltem Leitungswasser, 1 Min.
c) Spülen mit heißem Wasser bei 80°C, 1 Min.
d) Phosphatieren mit einem nitratbeschleunigten Zinkphosphatiersystem bei 98°C und einer Behandlungszeit von 10 Min. Die Schichtdicke der Phosphatschicht betrug 15 µm.
e) Spülen mit kaltem Wasser, 1 Min.
f) Beseifen bei 73°C und einer Behandlungszeit von 3 Min. in Seifenbäder mit folgenden Zusammensetzungen. Tabelle 1 &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz11&udf54; &udf53;vu10&udf54;g) Trocknen an der Luft.
Nach dieser Behandlung wurde die Seifenschicht visuell beurteilt und die Seifenauflage bestimmt, durch Differenzwägung nach Ablösen der Seifenschicht mit kochendem Wasser und Perchloräthylendampf. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Tabelle 2 &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz15&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Die Teile mit den verschiedenen Beseifungen wurden dann zu Näpfen kaltfließgepreßt. Die Umformungsergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengefaßt. Tabelle 3 &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz24&udf54; &udf53;vu10&udf54;

Claims

1. Verfahren zur Erleichterung der Kaltumformung von Metallen, insbesondere Eisen und Stahl, durch Phosphatierung und anschließendes Aufbringen einer Seifenschicht durch Behandlung mit einem wäßrigen Schmiermittel auf Alkaliseifenbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Seifenschicht mit Hilfe eines wäßrigen Schmiermittels aufgebracht wird, das einen hydrolysestabilen, mit dem Metall der Phosphatschicht wasserlösliche Komplexe bildenden Komplexbildner enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seifenschicht mit Hilfe eines wäßrigen Schmiermittels aufgebracht wird, das Äthylendiamintetraessigsäure und/oder Nitrilotriessigsäure als Komplexbildner enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seifenschicht mit Hilfe eines wäßrigen Schmiermittels aufgebracht wird, das 10 bis 100 g/l Alkaliseife und 0,1 bis 10 g/l Komplexbildner enthält.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seifenschicht mit Hilfe eines wäßrigen Schmiermittels aufgebracht wird, das Alkaliseifen, die zu mehr als 40% aus C&sub1;&sub8;-Seifen bestehen, enthält.