EP2113555A1

EP2113555A1 - Gleit- und Schmiermittel für die Metallbearbeitung enthaltend Bentonit, Pflanzenöl und Wasser

Info

Publication number: EP2113555A1
Application number: EP09002821A
Authority: EP
Inventors: Klaus Kindermann
Original assignee: F & B Feuerschutz und Baustofftechnik GmbH
Current assignee: F & B Feuerschutz und Baustofftechnik GmbH
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2009-11-04
Also published as: DE102009010757A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleit- und Schmiermittel für die spanlose Formgebung von Metallen, die Kaltumformung von metallischen Werkstoffen und deren Legierungen, insbesondere für das Tiefziehen und Ziehen von metallischen Werkstoffen. Das Gleit- und Schmiermittel besteht aus einer Wirkstoffkombination, welche herausgebildet wird aus den Bestandteilen Bentonit, Wasser, Pflanzenöl und weiteren Zuschlägen. Das Bentonit wird in einem Verhältnis von 5 bis 20 Massenprozenten, das Wasser in einem Verhältnis von 20 bis 70 Massenprozenten und Pflanzenöl in einem Verhältnis von 20 bis 50 Massenprozenten zugesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleit- und Schmiermittel für die spanlose Formgebung von Metallen, die Kaltumformung von metallischen Werkstoffen und deren Legierungen, insbesondere für das Tiefziehen, Ziehen, Walzen, Pressen und findet gleichfalls Anwendung bei der Kaltumformung von Kupfer, Aluminium und deren Legierungen sowie weiterer metallischer Werkstoffe.
Bei der spanlosen Metallverformung sind die tribologischen Kennwerte/die tribologische Leistungsfähigkeit der zum Einsatz kommenden Gleit- und Schmiermittel wesentliche Grundlage für die Qualität des herzustellenden Produktes. Dabei steht für diese Metallverarbeitungstechniken, für das Tiefziehen, Ziehen, Pressen und Walzen, dass der zum Einsatz kommende Gleit- und Schmierstoff die Bearbeitungsvorgänge erleichtern und die Verbesserung der Produkte beeinflussen soll.
So ist aus der DE 23 30 806 C3 ein Schmiermittel für die spanlose Verformung von Metallen bekannt geworden, welches aus einem Neutralfett und/oder einem pflanzlichen Öl, einer Alkalimetallseife, Wasser und einem Alkalimetallsalz, einer Borsäure besteht. Zur Herstellung dieses Schmiermittels werden folgende Ausgangsprodukte verwendet, so ein Neutralfett oder ein pflanzliches Öl, eine Fettsäure oder ein Gemisch von Fettsäuren, ein Alkalimetallhydroxid, Wasser und ein Alkalimetallsalz, eine Borsäure.
Als Neutralfett wird tierisches Fett eingesetzt, welches von dem Alkalimetallhydroxid nicht verseift wird und so die guten Gleit- und Schmiereigenschaften des neuen vorgestellten Schmierfettes begründen soll.
In der jüngeren Zeit ist die Verwendung von wässrigen Emulsionen mit Komponenten, die Schmiereigenschaften aufweisen, vorgeschlagen worden und findet teilweise auch Einsatz im praktischen Betrieb.
So ist mit der DE AS 26 32 142 eine Öl-in-Wasser-Emulsion zum Kaltwalzen von Leichtmetallen bekannt geworden, die Alkylmonocarbonsäureester als Reaktionsschichtbildner, Polyisobutylen als hydrodynamischen Filmbildner, polyäthoxylierte Sorbitanoleate als Emulgator, ungesättigte, langkettige Alkylmonocarbonsäure als Inhibitor gegen Wasserstoffversprödung und Rostbildung sowie Hexamethylentetramin als Stabilisator sowie deionisiertes Wasser enthält.
Das Problem bei diesem Schmiermittel ist, dass die durch einen Kaltumformvorgang frisch erzeugte Metalloberfläche innerhalb weniger Sekunden mit Wasser reagiert, so dass oberflächliche Korrosionsangriffe als Folge zu störenden Qualitäten der Metalloberfläche des jeweiligen hergestellten Produktes führen.
Zur Vermeidung dieser Nachteile schlägt die EP 0048216 B1 eine Öl-in-Wasser-Emulsion zum Kaltwalzen von metallischen Werkstoffen und metallischen Legierungen vor, dieser Emulsion werden als Inhibitor zusätzlich ein Xylit und ein Sorbit zugemischt, mit denen die Qualität der Oberfläche des kalt umgeformten Produktes verbessert werden soll.
Bei der Kaltumformung von metallischen Werkstoffen, insbesondere beim Ziehen und Tiefziehen zur Formgebung durch plastische Verformung, spielt der jeweilige Reibungskoeffizient zwischen dem Werkzeug und dem Material eine wesentliche Rolle, so dass für einen effektiven Produktionsfluss beim Tiefziehen/Ziehen ein Schmiermittel zum Einsatz kommen muss, das sowohl die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück wesentlich reduzieren soll, dies gleichzeitig bei Wahrung der erforderlichen Oberflächenqualitäten.
Mit den bekannten Lösungen werden diese Prozesse nur sehr geringfügig positiv beeinflusst, so dass es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Gleit- und Schmiermittel derart weiterzuentwickeln, dass die auftretende Reibung bei der Kaltumformung, insbesondere bei den Verfahren des Ziehens und Tiefziehens, gesenkt und somit eine Qualitätserhöhung des fertigen Produktes erzielt wird und ferner die Nachteile der bekannten Lösungen weitestgehend ausgeschlossen werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Lösungen und Ausführungen des Erfindungsgegenstandes angegeben.
Die vorliegende Erfindung umfasst die Verwendung und den Einsatz eines Gleit- und Schmiermittels, welche gekennzeichnet ist durch eine Wirkstoffkombination, diese bestehend aus Bentonit, Wasser und weiteren Zuschlägen, deren Grundrezeptur eine Wasser-Pflanzenöl-Bentonit-Mischung ist, dies in der Zusammensetzung von 20 bis 70 Massenprozenten Wasser, von 20 bis 50 Massenprozenten Pflanzenöl und von 5 bis 20 Massenprozenten Bentonit. Diese neue Wirkstoffkombination findet Verwendung als Gleit-, Schmier- und Kühlmittel bei der plastischen Kaltbearbeitung/Kaltumformung von Metallen und deren Legierungen.
Die erfindungsgemäß hergestellte Wirkstoffkombination bewirkt bei ihrer Anwendung neben den guten Gleit- und Schmiereigenschaften, aufgrund des hohen Wassergehaltes der Wirkstoffkombination, auch eine effiziente Kühlung des im Ziehprozess umzuformenden Materials. Dies begründet im Anteil des zum Einsatz kommenden Wassers in Bereichen von 20 bis 70 Massenprozenten. Weiterhin lässt die Wirkstoffkombination keine schädlichen Produktrückstände auf dem verarbeiteten Material zurück. Die erfindungsgemäß verwendete Wirkstoffkombination besitzt eine hohe chemische Stabilität und eine weitestgehend unbegrenzte physikalische Stabilität, welche von besonderem Vorteil bei der Kaltumformung sind.
Die Vorteile des vorgestellten Gleit- und Schmiermittels werden auch dadurch hervorgerufen und gestützt, dass der vorgestellten Wirkstoffkombination neben den Grundbestandteilen Bentonit, Wasser und Pflanzenölen auch weitere Zuschläge/Zusätze beigemischt werden können. So kommen Zuschläge zum Einsatz in Form von Polymeren in Bereichen von 0 bis 25 Massenprozenten, in Form inerter Füller in Bereichen von 0 bis 20 Massenprozenten sowie in Form von Emulgatoren zur Stabilisierung des vorgestellten Gleit- und Schmiermittels in Bereichen von 0 bis 10 Massenprozenten sowie Frostschutzmittel in Bereichen von 0 bis 20 Massenprozenten, somit ist die Anwendung des Gleit- und Schmiermittels auch bei niedrigen Temperaturen möglich, dies bei Wahrung der positiven Eigenschaften des vorgestellten Gleit- und Schmiermittels.
Erfindungsgemäß ist ferner, dass als Zuschläge in der vorgestellten Wirkstoffkombination pflanzliche Öle aus Naturprodukten von Soja, Raps, Palmen, Nüssen und ähnlichen ölhaltigen Produkten verwendet werden, die insbesondere die positiven Gleiteigenschaften des vorgestellten Gleit- und Schmiermittels bewirken, wobei der Mengenanteil der zum Einsatz kommenden Zuschlagstoffe genau wie das Wasser und das Bentonit in Abhängigkeit der herrschenden Verformungskräfte beim Zieh- bzw. Tiefziehprozess bestimmt werden.
Eine wesentliche Komponente der vorgestellten Wirkstoffkombination des erfindungsgemäßen Gleit- und Schmiermittels ist der Einsatz des Bentonits, welches ein natürlich vorkommendes Tonmineral ist, welches die Vorteile verbesserter Eigenschaften zur Reduzierung der Reibungskoeffizienten beim Ziehen und beim Tiefziehen begründet, ferner ist es nicht umweltgefährdend und seine Material- und Herstellungskosten sind gegenüber vergleichbaren Produkten bzw. Komponenten, die in bekannten Gleit- und Schmiermitteln zum Einsatz kommen, gering.
Von Vorteil bei Einsatz des Bentonits in dem vorgestellten Gleit- und Schmiermittel ist ferner, dass dieses Gleit- und Schmiermittel eine hohe Umweltverträglichkeit besitzt, dies auch darin begründet, dass keine synthetisch hergestellten Schmieröle verwendet werden und das Bentonit insbesondere positiv bezüglich der Umweltverträglichkeit wirkt.
In diesem Zusammenhang sei der Hinweis gestattet, dass in einer Vielzahl von Ländern der Einsatz von synthetisch hergestellten Schmierölen eben aus Gründen der Umweltverträglichkeit untersagt ist, somit ein weiterer wesentlicher Vorteil des neuen Gleit- und Schmiermittels begründet wird.
Das zum Einsatz kommende Bentonit ist ein Schichtmineral, welches unter Berücksichtigung bestimmter Massenprozentanteile mit Wasser und weiteren Zuschlagstoffen, wie oben bereits ausgeführt, gemischt wird und nach dem Mischvorgang ein Endprodukt in Form eines sofort verwendbaren Gleit- und Schmiermittels zur Verfügung steht, welches auf der Basis von Naturstoffen hergestellt ist und das in dem Gleit- und Schmiermittel eingesetzte Bentonit so mit Wasser aufgeschlossen ist, dass das Bentonit und das fertige Gleit- und Schmiermittel nicht mehr nachquillt, was sich positiv auf den jeweiligen Kaltumformprozess auswirkt.
Dies auch damit begründet, dass das Bentonit im gequollenen Zustand eine hohe Gelfestigkeit besitzt, welche über längere Zeiträume beibehalten wird und so die guten Gleit- und Schmiereigenschaften des erfindungsgemäßen Produktes erhalten und begründen.
Das erfindungsgemäße Gleit- und Schmiermittel ist besonders gekennzeichnet durch die Wirkstoffkombination, bestehend aus Bentonit, Wasser und Pflanzenöl. Diese Wirkstoffkombination ist wasserbasierend und besteht aus naturnahen Stoffen, weist hohe Gleit- und Schmiereigenschaften auf, die die Grundlage für eine zuverlässige Gleit- und Schmierwirkung des geschaffenen Gleit- und Schmiermittels bilden.
Die bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Gleit- und Schmiermittels zum Einsatz kommenden Zuschläge und Zusatzstoffe begründen die bessere Verarbeitung und Lagerung des Gleit- und Schmiermittels gegenüber bekannten Produkten und es sind überwiegend natürliche Produkte, so Polymere, inerte Füller, Emulgatoren und Frostschutzmittel. Diese zum Einsatz kommenden Zusatzstoffe verbessern die Reibungskoeffizienten des Gleit- und Schmiermittels und sind somit auch Grundlage, dass die Umformkräfte beim Zieh-/Tiefziehprozess gesenkt und somit qualitative Produkteigenschaften für kaltverformte Werkstücke herausgearbeitet werden.
Neben dem Einsatz des Schichtminerals Bentonit können auch andere Schichtmineralien verwendet werden, so beispielsweise Schichtmineralien auf Basis tonmineralisch-natürlicher Strukturen, die in ihren Grundeigenschaften mit denen des Bentonits übereinstimmen und so die qualitativen Wirkungen des Bentonits in dem neuen Produkt des Gleit- und Schmiermittels stützen.
Unter Anwendung der vorliegenden Erfindung werden die tribologischen Kennwerte positiv beeinflusst. Ferner enthält das vorgestellte Gleit- und Schmiermittel keine toxischen Additive, es ist nicht giftig und brennbar und beinhaltet keine flüchtigen oder mineralölhaltigen Stoffe, so dass bei Anwendung des vorgestellten Gleit- und Schmiermittels die dargelegten Vorteile sowohl beim Prozess der Kaltumformung als auch bei dem bearbeiteten Endprodukt erhalten bleiben.
Ein nach der Erfindung hergestelltes Gleit- und Schmiermittel besteht beispielsweise aus:

Bentonit: 10 Massenprozente,
Pflanzenöl: 20 Massenprozente,
Wasser: 50 Massenprozente,
Polymeren: 5 Massenprozente,
inerten Füllern: 5 Massenprozente,
Emulgatoren: 7 Massenprozente,
Frostschutzmittel: 3 Massenprozente.

Alle zum Einsatz kommenden Produktbestandteile werden in einem Mischungsprozess verarbeitet und im Ergebnis steht ein Gleit-Schmiermittel zur Verfügung, welches unmittelbar eingesetzt werden kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Gleit- und Schmiermittel nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Bestandteile:

Bentonit: 15 Massenprozente,
Pflanzenöl: 13 Massenprozente,
Wasser: 60 Massenprozente,
Polymeren: 0 Massenprozente,
inerten Füllern: 8 Massenprozente,
Emulgatoren: 4 Massenprozente.

Durch den Einsatz des Bentonits in den beschriebenen Wirkstoffkombinationen werden die Vorteile des Gleit- und Schmiermittels hinsichtlich der verbesserten Eigenschaften zur Reduzierung des Reibungskoeffizienten gewährleistet und ferner der Vorteil begründet, dass dieses Gleit- und Schmiermittel nicht umweltgefährdend ist und ferner dieses neue Schmiermittel mit geringen Material- und Herstellungskosten produzierbar ist. Die zum Einsatz kommenden erfindungsgemäßen Zuschläge sind pflanzliche Öle, so dass auf den Einsatz synthetischer Öle vollends verzichtet werden kann, somit zum einen den gesetzlichen Forderungen entsprochen wird, auf synthetisch hergestellte Schmieröle aus Gründen der Umweltverträglichkeit zu verzichten, somit wird den Forderungen nach Umweltverträglichkeit derartiger Gleit- und Schmierstoffe entsprochen, und zum anderen das Reibverhalten bei der Kaltumformung, insbesondere beim Zieh- oder Tiefziehprozess verbessert wird.
Dabei ist das zum Einsatz kommende Wasser nicht nur Trägermaterial für das Bentonit, es bewirkt auch die Aufquellung des Bentonits, so dass das Bentonit seine guten Gleiteigenschaften im geschaffenen Gleit- und Schmiermittel entfalten kann.
Auf dem Endprodukt verbleiben keine Rückstände, diese können jedoch durch einen nachfolgenden Waschvorgang beseitigt werden, wenn eine derartige Nachbehandlung erforderlich wird.
Durchgeführte Untersuchungen und Versuche haben die oben beschriebenen Eigenschaften des vorgestellten Gleit- und Schmiermittels bestätigt. Insbesondere der Vergleich mit einem bekannten leistungsfähigen Ziehöl diente als Maß für die tribologische Leistungsfähigkeit des neuen Gleit- und Schmiermittels. Die Untersuchungen erfolgten auf einer Versuchsanlage in Ziehversuchen.
Diese Aussagen werden gestützt durch die nachfolgenden Angaben/Vergleichswerte der durchgeführten Versuche. In einem ersten Vergleich wurden bereits bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten gegenüber dem ersten Vergleichsprodukt verbesserte Werte bezüglich des Reibverhaltens und der Flächenpressung erzielt. So liegt die Reibung um 36 % unter dem Vergleichsprodukt und die "maximale Flächenpressung" fällt um 167 % höher aus. Bei höheren Gleitgeschwindigkeiten zeigt sich ein noch besseres Reibergebnis. Hier erreicht der neue Gleit- und Schmierstoff um 14 % niedrigere Reibzahlen und eine um 100 % höhere maximale Flächenpressung.
In einem weiteren Versuch, bei dem ein Gleit- und Schmiermittel mit veränderter Rezeptur zum ersten Versuch getestet wurde, wurden sehr gute Ergebnisse gegenüber dem Vergleichsprodukt erzielt. Bei der niedrigen Gleitgeschwindigkeit erreicht dieses Produkt um 19 % höhere Reibwerte und um 73 % höhere Flächenpressungswerte. Bei hoher Gleitgeschwindigkeit ergibt sich ein annähernd gleiches Reibniveau (+ 3 %), aber es werden um deutliche 40 % höhere Flächenpressungen erreicht.
Hinsichtlich des Stick-Slip-Verhaltens (ständiges Wechseln zwischen Haft- und Gleitreibungszustand im hohen Frequenzbereich) fallen alle Testschmierstoffe gleichermaßen positiv auf. Während dieser Effekt bei den beiden Vergleichsschmierstoffen nach der Erfindung bereits bei der niedrigen Flächenpressung von 1 bzw. 2 N/mm² beginnt, zeigen die Gleit-Schmiermittel nach der Erfindung bis zur Haftgrenze keinerlei Stick-Slip-Effekte.
Auf der Grundlage durchgeführter Untersuchungen ist im Ergebnis festzustellen, dass das geschaffene Gleit- und Schmiermittel insbesondere vorteilhaft einsetzbar ist bei dem Kaltumformen von Blechen im Zieh-/Tiefziehprozess und so hergestellte Bleche vorrangig in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Dabei sind die Anforderungen an derartige Werkstoffe sehr hoch gesteckt sind, da der Trend der Automobilbauer dahin geht, immer leistungsfähigere Kraftfahrzeuge zu entwickeln, deren Leistungsfähigkeit auch durch die Anwendung der entsprechenden Werkstoffe zur Herausbildung der Automobilkarosserie beeinflusst wird und hier durch den Einsatz des geschaffenen Gleit- und Schmiermittels die tribologischen Kennwerte/die tribologischen Leistungsfähigkeiten so behandelter Tiefziehbleche sehr positiv beeinflusst werden.

Claims

Gleit- und Schmiermittel für die spanlose Formgebung von Metallen, insbesondere verwendbar für das Ziehen/Tiefziehen von metallischen Werkstoffen und deren Legierungen, gekennzeichnet durch
eine Wirkstoffkombination, diese bestehend aus Bentonit, Wasser und Pflanzenöl, wobei Bentonit in einem Verhältnis von 5 bis 20 Massenprozenten, Wasser in einem Verhältnis von 20 bis 70 Massenprozenten und Pflanzenöl in einem Verhältnis von 20 bis 50 Massenprozenten zum Einsatz kommen.
Gleit- und Schmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
Pflanzenöle aus den Naturprodukten Soja, Raps, Palmen, Nüssen und ähnlichen ölhaltigen Produkten verwendet werden.
Gleit- und Schmiermittel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass
dem Gleit- und Schmiermittel als Zuschläge/Zusätze Polymere, inerte Füller, Emulgatoren zur Stabilisierung und Frostschutzmittel zugesetzt werden.
Gleit- und Schmiermittel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
Polymere in Massenprozenten von 0 bis 25, inerte Füller in Massenprozenten von 0 bis 20, Emulgatoren in Massenprozenten von 0 bis 10 und Frostschutzmittel in Massenprozenten von 0 bis 20 in dem Gleit- und Schmiermittel enthalten sind.
Gleit- und Schmiermittel nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
durch den Einsatz von Bentonit die Gleiteigenschaften des Gleit- und Schmiermittels verbessert werden, gleichfalls die tribologische Leistungsfähigkeit erhöht wird.