ITMI20082305A1 - Composizione per il rivestimento di utensili da taglio - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

"COMPOSIZIONE PER IL RIVESTIMENTO DI UTENSILI DA TAGLIO”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda una composizione per il rivestimento di utensili da taglio; l’invenzione riguarda inoltre il metodo per la preparazione di detta composizione, il metodo di rivestimento di utensili con detta composizione e il rivestimento ottenuto.

Gli utensili da taglio possono lavorare per asportazione di truciolo, come per esempio lame circolari, frese o punte di trapano, oppure per taglio, come lame di affettatrici o trance; questi utensili sono usati per il taglio, la foratura o la formatura per via meccanica di parti in legno, metallo, pietra, materiali plastici, ecc.

Nella realizzazione di questi utensili, particolare rilevanza hanno i processi di rivestimento che ne aumentano la resistenza all'uso, consentendo di accrescere la longevità dell’utensile, ridurre i tempi di fermo macchina per la sostituzione dello stesso e ottimizzare quindi la produttività degli impianti. I rivestimenti offrono inoltre la possibilità di lavorare a secco, in assenza o con quantità molto ridotte di materiali lubrificanti-refrigeranti, nonostante le alte temperature che si generano in questo tipo di lavorazioni. Un rivestimento conferisce infatti all’utensile caratteristiche di durezza e stabilità termica che lo proteggono dall’usura anche in condizioni di lavoro estremo. I componenti antiattrito presenti nel rivestimento agiscono inoltre come elemento che facilita Io scorrimento del truciolo.

I rivestimenti vengono di norma ottenuti a partire da composizioni fluide, generalmente costituite da miscele di diversi componenti, che possono essere applicate sull’utensile con vari metodi, per esempio a pennello, a spruzzo, o per immersione e che vengono poi fatte solidificare sull’utensile.

Sono noti nel settore rivestimenti a base di polimeri fluorurati, come ad esempio politetrafluoroetilene (PTFE), caratterizzati da buone caratteristiche idrofobiche, elevato punto di fusione e basso coefficiente di attrito per quanto concerne l’usura adesiva, cioè la possibilità di asportazione del rivestimento in seguito a sfregamento.

Questi rivestimenti vengono in genere applicati sull’utensile dopo che quest’ultimo è stato pulito per favorire l’adesione del rivestimento stesso. La pulizia avviene di norma mediante processi, detti di grassaggio, che consistono nel lavaggio in soluzioni basiche, spesso contenenti idrossido di potassio (potassa caustica) o idrossido di sodio (soda caustica) in combinazione con tensioattivi.

I rivestimenti noti hanno però alcuni problemi.

Un primo problema è relativo alle caratteristiche di adesione del rivestimento all'utensile. Per ottenere una buona adesione, è necessario ricorrere all’applicazione della composizione fluida iniziale in due fasi successive; in questo modo si forma un primo strato con funzioni ancoranti che costituisce la base (o fondo) per il secondo strato, con funzione anti-attrito. Questo procedimento presenta però alcuni svantaggi, sia in termini di tempo necessario per l’operazione di rivestimento sia in termini di quantità di rivestimento da applicare. Inoltre, la necessità di una doppia applicazione porta alla formazione di eccessi localizzati di detta composizione fluida che, nella fase di indurimento tramite cottura a forno, danno luogo a rigonfiamenti; questi interferiscono con le successive lavorazioni di affilatura e, rompendosi, compromettono le caratteristiche del rivestimento applicato, sia in termini di efficienza sia in termini di durata e resistenza all’usura.

Un secondo problema è che l'indurimento della composizione fluida per formare il rivestimento richiede un trattamento termico a temperature prossime ai 280 °C. Ciò può comportare la formazione di composti di cottura indesiderati; questi prodotti possono alterare le proprietà meccaniche o di omogeneità chimica del rivestimento, o anche solo rendere non gradito al cliente il colore dell’utensile, dando così luogo a scarti di produzione.

Inoltre, i rivestimenti noti posseggono termoplasticità residua, dipendente dai materiali utilizzati nella preparazione degli stessi; ciò comporta che il calore generato dall’uso dell’utensile rammollisce il rivestimento rendendolo facilmente asportabile. A sua volta il precoce deterioramento del rivestimento incrementa il riscaldamento durante l’uso e di conseguenza l’usura del rivestimento. Questo meccanismo porta precocemente alla totale perdita del rivestimento e ad un innalzamento della temperatura tale da interferire sulla stabilità dimensionale dell’utensile. Il problema è reso ancora più grave dal fatto che la maggior parte dei rivestimenti della tecnica in uso corrente non ha un buon coefficiente di scambio termico, il che rende più difficile la dissipazione del calore generato dal lavoro dell’utensile e quindi favorisce l’innalzamento della temperatura dei rivestimenti stessi e degli utensili.

È noto che, per superare almeno in parte i problemi sopra esposti, è possibile aggiungere alle composizioni fluide iniziali resine di tipo fenolico; in questo modo è possibile abbassare la temperatura di indurimento, evitare la necessità dell’applicazione della composizione fluida in due fasi successive, ed ottenere l’abbassamento della temperatura di lavoro. Le composizioni contenenti resine fenoliche, però, pur risolvendo parzialmente alcuni dei problemi sopra esposti, sono potenzialmente pericolose per la salute degli operatori in quanto possono contenere tracce di formaldeide e/o fenolo liberi, sostanze tossiche per l’organismo; questi composti possono essere rilasciati sia nell’ambiente di preparazione della resina, sia neN’ambiente d'applicazione del rivestimento.

Scopo della presente invenzione è di fornire una composizione per il rivestimento di utensili che lavorano per asportazione di truciolo che superi i problemi della tecnica anteriore, così come di fornire il metodo di impiego di detta composizione.

Questo ed altri scopi vengono raggiunti con la presente invenzione, che in un suo primo aspetto riguarda una composizione per il rivestimento di utensili che lavorano per asportazione di truciolo, comprendente:

- dal 5% al 60% in peso di un primo componente, A, prodotto per reazione di una resina epossidica con uno o più composti aventi funzione di modificanti scelti tra gli acidi organici, in cui detti composti modificanti sono presenti complessivamente in quantità compresa tra l’1% e il 35% in peso di detta resina epossidica;

- dallo 0,2% al 10% in peso di un secondo componente, B, costituito da una cera con punto di fusione compreso tra 60 e 150 °C; e

- dal 30% all’80% in peso di una fase liquida, preferibilmente costituita da acqua. Nella tecnica anteriore erano già note composizioni per il rivestimento di utensili contenenti resine epossidiche, tipicamente a base di bisfenoli o novolacca, comunemente reperibili in commercio; questi rivestimenti noti hanno però solo funzioni estetica e di protezione dall’ossidazione dell’utensile ma non svolgono funzione antiattrito e di dissipazione del calore.

Il componente A della presente invenzione è invece una resina epossidica modificata tramite una reazione con acidi organici, che porta ad una resina di più elevato peso molecolare. Agli acidi organici è possibile aggiungere, come componenti opzionali, uno o più ulteriori composti modificanti scelti tra monomeri acrilici, viniltoluene e stirene; la somma di tutti i modificanti deve comunque rispettare il rapporto in peso sopra indicato rispetto alla resina epossidica di partenza. Gli inventori hanno sorprendentemente trovato che composizioni contenenti resine epossidiche così modificate consentono di ottenere rivestimenti aventi le stesse proprietà funzionali dei rivestimenti noti a base di polimeri fluorurati ma senza gli svantaggi di questi, come verrà illustrato in dettaglio in seguito.

Il primo componente, A, delle composizioni dell’invenzione viene prodotto tramite reazione in un solvente organico tra una resina epossidica di tipo noto e uno o più composti modificanti scelti tra gli acidi organici, con la possibile aggiunta di uno o più tra monomeri acrilici, viniltoluene e stirene, nei rapporti sopra definiti; il solvente organico può essere per esempio 1-metossi-propan-2-olo, 2-metossi-1-metiletilacetato, o 1-propossi-2-propanolo. Come resina epossidica di partenza è possibile impiegare una qualunque resina nota, per esempio resine a base di bisfenolo A, di novolacca, di bisfenolo F, di bisfenolo T (questi ultimi due meno comuni) o loro miscele; preferito è l’impiego di comune resina a base di bisfenolo A con peso molecolare da 360 a 1500, come le resine Epikote dal grado 1001 al grado 1009 prodotte e vendute dalla società Hexion Specialty Chemicals di Columbus, Ohio (USA). Come modificante è preferibilmente scelto un acido scelto tra gli acidi acrilico, metacrilico, crotonico, maleico o fumarico o loro miscele; particolarmente preferiti per gli scopi dell’invenzione sono gli acidi acrilico, metacrilico o loro miscele. Quando presente, il monomero acrilico modificante è preferibilmente scelto tra etilacrilato, metilmetacrilato, etilmetacrilato e butilmetacrilato.

La reazione tra la resina epossidica e modificante accresce il peso molecolare della resina di partenza. La reazione viene condotta riscaldando i composti per un tempo da 2 a 5 ore in un intervallo di temperatura da 90 a 150 °C, in presenza di catalizzatore di reazioni radicaliche, per esempio un perossido organico con un tempo di semivita in questo intervallo di temperatura di almeno 30 minuti; questi catalizzatori sono ben noti nel settore, e quelli con tempo di semivita adatto sono identificabili in manuali tecnici e nei bollettini commerciali dei produttori di questi prodotti. Il controllo della reazione avviene tramite la misura ad intervalli di tempo regolari della viscosità del prodotto; per esempio, operando con una composizione di residuo secco del 70%, il componente A ha caratteristiche adatte agli scopi dell’invenzione quando la viscosità della miscela di reazione, misurata a 25 °C, risulta compresa tra i gradi X e Z3 del viscosimetro Gardner; i valori di viscosità che corrispondono a componenti A adatti, partendo da differenti rapporti di reagenti (per esempio, una miscela di reagenti e solvente con un residuo secco del 20% o del 50%) sono facilmente determinabili dagli esperti del ramo con semplici prove.

Il secondo componente, B, delle composizioni dell'invenzione è una qualunque cera avente una temperatura di fusione compresa tra 60 e 150 °C, e preferibilmente tra 80 e 120 °C; preferibilmente si impiega una cera paraffinica, ancor più preferibilmente di tipo etilenico o propilenico ad alto punto di fusione, o una miscela delle stesse.

Ai due componenti A e B, essenziali per la produzione di una composizione per rivestimento di utensili secondo l'invenzione, è possibile aggiungere uno o più altri componenti opzionali scelti tra i seguenti:

- dall’1% al 35% in peso della composizione finale di un componente C idrosolubile, costituito da uno o più composti scelti tra resine ureiche, resine melamminiche, un isocianato o resolo; il componente C ha lo scopo principale di evitare le macchiature da fluidi di lavorazione;

- dall’1% al 20% in peso della composizione finale di un componente lubrificante, D, costituito da un polimero fluorurato micronizzato, preferibilmente PTFE;

- pigmenti e altri additivi noti nel settore dei rivestimenti.

Nel caso dell’aggiunta di uno o più di questi componenti opzionali, nella formulazione complessiva della composizione dell’invenzione vengono diminuite le percentuali in peso dei componenti A e B in misura corrispondente alla percentuale in peso dei componenti opzionali adoperati, in modo tale che il residuo secco della composizione sìa compreso tra il 20% e il 70% in peso della composizione stessa.

In un suo secondo aspetto, l’invenzione riguarda il metodo per la preparazione delle composizioni sopra descritte. Il metodo comprende le seguenti operazioni:

- dissoluzione di una resina epossidica in un solvente organico, ad una temperatura compresa tra 90 e 150 °C;

- accrescimento del peso molecolare della resina epossidica tramite reazione, in presenza di un catalizzatore di reazioni radicaliche, di questa con uno o più tra acidi organici presenti in quantità complessiva compresa tra l’1% e il 35% in peso rispetto alla resina epossidica;

- alla fine di detta reazione di accrescimento della resina epossidica, neutralizzazione della miscela di reazione, per esempio con un'ammina;

- diluizione con solvente, preferibilmente acqua, della miscela di reazione fino alla concentrazione desiderata;

- aggiunta alla miscela di reazione di una cera con punto di fusione compreso tra 60 e 150 °C polverizzata e messa in sospensione meccanica nella miscela di reazione. Nella reazione di accrescimento del peso molecolare della resina epossidica, agli acidi organici è possibile aggiungere uno o più ulteriori composti modificanti, scelti tra monomeri acrilici, viniltoluene e stirene, come descritto in precedenza. La reazione viene condotta ad una temperatura compresa tra 90 e 150 °C per un tempo da 2 a 5 ore, in presenza di un catalizzatore di reazioni radicaliche, fino al raggiungimento di una viscosità, misurata a 25 °C, compresa tra i gradi X e Z3 del viscosimetro Gardner operando con una composizione di residuo secco del 70%.

Alla composizione così ottenuta è possibile aggiungere altri componenti opzionali, come prima descritto. Quando presenti, il componente C, idrosolubile, viene semplicemente disciolto nel solvente acquoso della composizione; il componente D non è idrosolubile ed è in forma di particelle di dimensioni comprese tra 0,2 e 20 micron, e forma una sospensione meccanica di tali particelle nella composizione; i pigmenti e altri additivi, generalmente non idrosolubili, rimangono in sospensione nel solvente acquoso della composizione.

In un suo ultimo aspetto, l'invenzione riguarda un metodo per la formazione di rivestimenti su utensili che impiega le composizioni fin qui descritte.

Secondo questo metodo, la composizione dell’invenzione viene applicata in una singola operazione sulla superficie dell’utensile da rivestire, per esempio tramite immersione dell’utensile nella composizione o, preferibilmente, per spruzzatura. La composizione viene poi fatta asciugare e indurire con un trattamento termico ad una temperatura superiore a quella di evaporazione del solvente (100 °C nel caso dell'acqua, che è il solvente preferito) ed inferiore a 200 °C, preferibilmente inferiore a 180 °C .

Il trattamento termico può essere fatto avvenire in un qualunque forno, ma preferibilmente si impiega un forno lineare in cui è possibile impostare un profilo termico. Secondo la modalità realizzativa preferita, si impiega un trasportatore a catena o a barre traslanti che porta gli utensili dalla zona di verniciatura all’interno del forno; il forno ha una temperatura di lavoro crescente, nell’intervallo sopra definito, che permette l’innalzamento progressivo della temperatura in un tempo sufficiente a permettere il rilascio graduale dei solventi e la successiva cottura della composizione dell’invenzione.

L’operazione di rivestimento dell’utensile viene preferibilmente preceduta da trattamenti preliminari di pulizia, come i trattamenti di grassaggio noti, risciacquo con acqua e asciugatura con aria calda, eventualmente in cicli ripetuti, per preparare la superficie dell'utensile stesso. Questi trattamenti eliminano i residui di lavorazione (scorie di brasatura) formati nella produzione dell’utensile, migliorando l’adesione del rivestimento dell’invenzione. I lavaggi e i risciacqui possono essere effettuati per immersione o per spruzzatura. I risciacqui devono essere sempre per numero e intensità tali da garantire l’asportazione delle sostanze non reagite del lavaggio precedente.

Dopo l’indurimento del rivestimento, l’utensile può essere sottoposto a trattamenti di finitura noti nel settore, come l'affilatura con macchine utensili di precisione, il lavaggio con ultrasuoni per pulire gli utensili da residui di lavorazione, oli, ecc, la successiva marchiatura per tampog rafia o serigrafia.

Le composizioni dell’invenzione e il metodo per il loro impiego offrono una serie di vantaggi, in parte tra loro collegati, rispetto a composizioni e metodi noti. In particolare:

- rivestimenti ottenuti con le composizioni dell’invenzione hanno caratteristiche di resistenza termica comparabili a quelle dei rivestimenti a base di PTFE note, ma rispetto a questi migliore adesione sulla superficie dell’utensile; ciò rappresenta un vantaggio economico per I’utilizzatore finale dell’utensile in quanto il rivestimento ha una maggiore durata consentendo la riduzione dei tempi di fermo macchina ottimizzando la produttività dell’impianto;

- i rivestimenti ottenuti con le composizioni dell’invenzione presentano assenza di bolle sulla superficie dell’utensile, assenza di distacchi del rivestimento nelle fasi di affilatura e pulizia dello stesso, con conseguenti benefici economici dovuti ad assenza di scarti per difetti del rivestimento;

- i rivestimenti ottenuti con le composizioni dell’invenzione sono termoindurenti e non termoplastici, e quindi meccanicamente stabili durante l’uso degli utensili su cui sono applicati;

- i rivestimenti ottenuti con le composizioni dell’invenzione presentano un miglior coefficiente di scambio termico; questo comporta temperature di lavoro più basse, minor dilatazioni termiche dell'utensile con conseguenti benefici dal punto di vista della longevità dell'utensile stesso e anche della qualità della lavorazione effettuata mediante l’utensile;

- le composizioni dell’invenzione induriscono a temperature inferiori rispetto alle composizioni di rivestimento note; ciò riduce o evita del tutto la formazione di prodotti di cottura indesiderati all’interno del materiale di rivestimento; riduce l'energia consumata e quindi i costi del processo; e porta a vantaggi di sicurezza ed ecologici, tramite per esempio la riduzione di emissioni di fenolo e formaldeide;

- grazie alla presenza delle cere, i rivestimenti dell’invenzione hanno ottime proprietà lubrificanti e quindi di scorrevolezza e prevenzione del grippaggio dell’utensile durante il suo uso; è da notare che l’impiego delle cere è possibile con le composizioni dell’invenzione, che induriscono a temperature inferiori a 200 °C o anche inferiori a 180 °C, mentre non sarebbe possibile con le composizioni note che, richiedendo temperature superiori a 200°C. tale temperatura causerebbe la smiscelazione della cera dai restanti componenti del rivestimento.

- le composizioni dell’invenzione non richiedono l’applicazione in due strati, consentendo un risparmio di tempi di lavorazione e anche di quantità di materiale utilizzato;

-le composizioni dell’invenzione non pongono i problemi di tossicità e sicurezza ambientale collegati all’uso di resine fenoliche;

- infine, le composizioni dell’invenzione sono realizzabili in fase acquosa e, cambiando le percentuali e il tipo di pigmenti/coloranti, ottenibile anche in versione trasparente.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Composizione per il rivestimento di utensili da taglio, comprendente: dal 5% al 60% in peso di un primo componente, A, prodotto per reazione di una resina epossidica con uno o più composti aventi funzione di modificanti scelti tra gli acidi organici, in cui detti composti modificanti sono presenti complessivamente in quantità compresa tra Γ1 % e il 35% in peso di detta resina epossidica; - dallo 0,2% al 10% in peso di un secondo componente, B, costituito da una cera con punto di fusione compreso tra 60 e 150 °C; - dal 30% all’80% di una fase liquida, preferibilmente costituita da acqua.
2. 2. Composizione secondo la rivendicazione 1 in cui a detti acidi organici sono aggiunti, con funzione di modificanti, uno o più composti scelti tra monomeri acrilici, viniltoluene e stirene, in quantità tale che la somma di tutti i composti modificanti sia compresa tra l’1% e il 35% in peso di detta resina epossidica.
3. 3. Composizione secondo la rivendicazione 1 in cui detta resina epossidica è scelta tra resine a base di bisfenolo A, di novolacca, di bisfenolo F, di bisfenolo T o loro miscele.
4. 4. Composizione secondo la rivendicazione 1 in cui detti acidi organici sono uno o più tra acido acrilico, acido metacrilico, acido crotonico, acido maleico o acido fumarico.
5. 5. Composizione secondo la rivendicazione 2 in cui detti monomeri acrilici sono uno o più tra tra etilacrilato, metilmetacrilato, etilmetacrilato e butilmetacrilato.
6. 6. Composizione secondo la rivendicazione 1 in cui detta cera è una cera paraffinica.
7. 7. Composizione secondo la rivendicazione 6 in cui detta cera è di tipo etilenico o propilenico, o una miscela di queste.
8. 8. Composizione secondo la rivendicazione 1 in cui detta cera ha punto di fusione compreso tra 80 e 120 °C.
9. 9. Composizione secondo la rivendicazione 1 comprendente inoltre uno o più componenti opzionali scelti tra i seguenti: - dall’1% al 35% in peso della composizione finale di un componente C idrosolubile, costituito da uno o più composti scelti tra resine ureiche, resine melamminiche, un isocianato o resolo; - dall’1% al 20% in peso della composizione finale di un componente lubrificante, D, costituito da un polimero fluorurato micronizzato; - pigmenti/coloranti e altri additivi noti nel settore dei rivestimenti.
10. 10. Metodo per la preparazione di una composizione della rivendicazione 1, che comprende le seguenti operazioni: - dissoluzione ad una temperatura compresa tra 90 e 150 °C di una resina epossidica in un solvente organico; - accrescimento del peso molecolare della resina epossidica tramite reazione, in presenza di un catalizzatore di reazioni radicaliche, di detta resina con uno o più composti scelti tra gli acidi organici, presenti in quantità complessiva compresa tra N% e il 35% rispetto alla resina epossidica; - alla fine di detta reazione di accrescimento della resina epossidica, neutralizzazione della miscela di reazione; - diluizione con solvente, preferibilmente acqua, della miscela di reazione fino alla concentrazione desiderata; - aggiunta alla miscela di reazione di una cera con punto di fusione compreso tra 60 e 150 °C, polverizzata e messa in sospensione meccanica nella miscela di reazione.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10 in cui a detti acidi organici sono aggiunti, con funzione di modificanti, uno o più composti scelti tra monomeri acrilici, viniltoluene e stirene, in quantità tale che la somma di tutti i composti modificanti sia compresa tra Γ1 % e il 35% in peso di detta resina epossidica.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui in detta operazione di neutralizzazione si impiega un’ammina.
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 10, comprendente inoltre una o più delle seguenti operazioni opzionali: - dissoluzione nella composizione di uno o più composti scelti tra resine ureiche, resine melamminiche, isocianati e resolo in quantità complessiva compresa tra Γ1 % e il 35% in peso della composizione finale; - aggiunta alla composizione di un polimero fluorurato micronizzato in quantità comprese tra Γ1% e il 20% in peso della composizione finale; - aggiunta alla composizione di pigmenti e altri additivi noti nel settore.
14. 14. Metodo per la formazione di un rivestimento su un utensile da taglio, che comprende le seguenti operazioni: applicazione della composizione sulla superficie di detto utensile in una singola operazione tramite verniciatura per spruzzatura o immersione dell’utensile nella composizione; - asciugatura e indurimento della composizione con un trattamento termico ad una temperatura superiore a quella di evaporazione del solvente ed inferiore a 200 °C.
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detta temperatura di indurimento è inferiore a 180 °C.
16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detta operazione di indurimento è seguita da un trattamento di affilatura realizzato con macchine utensili di precisione, ed eventualmente di lavaggio e di marchiatura con tampografia o serigrafia.
17. 17. Utensile da taglio con rivestimento a base di resine epossidiche ottenibile secondo una qualunque delle rivendicazioni da 14 a 16.