КОМПОЗИЦИЯ СМАЗОЧНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ ЗАГОТОВОК ПРИ ГОРЯЧЕЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК C10M173/02 C10M173/02 C10M125/02 C10M125/24 C10M125/26 C10M125/28 C10M145/10 C10M145/40 C10N40/24 

Изобретение относится к новой композиции смазочного средства для заготовок при горячей обработке металлов давлением, прежде всего при горячей прокатке болванок и профилей или при изготовлении полых заготовок в так называемых штоссбанках.

С учетом того фактора, что температура поверхности обрабатываемых металлов составляет от приблизительно 800^oC до 1300^oC, основные усилия на практике до настоящего времени были направлены на смазку инструмента, который благодаря температуре классической смазки, равной максимально 400^oC, более доступен.

В уровне техники, например, в патенте Швейцарии CH-PS 660023, указано, что с помощью заявленного в этой публикации смазочного материала, представляющего собой водную дисперсию твердых компонентов, можно обрабатывать также детали с температурой свыше 600^oC. Однако практика показывает, что в диапазоне температур от 800^oC до 1300^oC не удается получить эффективной адгезионно-прочной пленки из смазочного материала. Такое отсутствие адгезии обусловлено в основном очень быстрым пиролизом органических компонентов, который делает невозможным образование адгезионно-прочной пленки. Кроме того, пиролиз органических компонентов, сопровождаемый к тому же связанным с этим процессом задымлением, создает очень большие неудобства на рабочем месте и в рабочем помещении. При практических испытаниях, проводившихся с применением порошкообразных композиций смазка/травитель согласно патенту Швейцарии CH-PS 670106, также не наблюдалось образование пленки из смазочного материала. Даже одна только необходимость нанесения порошковой смеси равномерным слоем сопряжена в этих случаях со значительными трудностями.

Точно так же смазка инструмента в зависимости от типа последнего связана с различными трудностями. Так, нанесение смазки только в силу различной геометрии инструмента значительно затруднено; другая причина, не позволяющая получить удовлетворительную пленку из смазочного материала, обусловлена низкими температурами инструмента порядка 100^oC. Наряду с этим, вследствие необходимости постоянно использовать для инструмента большие количества охлаждающей воды, как правило, имеют место потери смазочных материалов, что приводит к загрязнению отработанной воды и требует соответственно проведения последующей обработки этой воды. По этой причине для достижения эффективной смазки требуются относительно большие количества смазочных материалов.

Патент Швейцарии 660023 выбран в качестве ближайшего аналога заявленного изобретения.

Исходя из вышеизложенного, в основу изобретения была положена задача получить композицию смазочного средства, которая не имела бы указанных выше недостатков и, следовательно, была бы пригодна для нанесения на обрабатываемые детали с поверхностной температурой в диапазоне от 800^oC до 1300^oC равномерным, адгезионно-прочным и водонерастворимым смазочным слоем.

Поставленную задачу удалось решить с помощью композиции смазочного средства для заготовок при горячей обработке металлов давлением, представляющей собой водную дисперсию которая согласно изобретению содержит:
a₁) 0 - 80 мас.% стеклопорошка;
а₂) 0 - 50 мас.% стеклофритты, причем количество по крайней мере одного из компонентов а₁) или а₂) в композиции не составляет 0 мас. %;
б) 10 - 25 мас.% природного или синтетического графита;
в) 5 - 20 мас.% одного или нескольких силикатов щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4;
г) 1 - 6 мас.% водорастворимого полиметафосфата натрия;
д) 0 - 3 мас.% водонерастворимого полиметафосфата натрия;
е) 0,5 - 4 мас.% загустителя и
ж) 0 - 1 мас.% буры.

Для смазки обрабатываемых деталей с поверхностной температурой от 800^oC и выше предпочтительно применяют композицию смазочного средства следующего состава:
а₁) 0 - 20 мас.% стеклопорошка;
а₂) 30 - 50 мас.% стеклофритты;
б) 20 - 25 мас.% природного или синтетического графита;
в) 7 - 20 мас.% одного или нескольких силикатов щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4;
г) 2 - 6 мас.% водорастворимого полиметафосфата натрия;
д) 0 - 1 мас.% водонерастворимого полиметафосфата натрия;
е) 3 - 4 мас.% загустителя и
ж) 0,2 - 0,7 мас.% буры.

Для смазки обрабатываемых деталей с поверхностной температурой от 1000^oC и выше предпочтительно применяют композицию смазочного средства следующего состава:
a₁) 45 - 70 мас.% стеклопорошка;
а₂) 0 - 20 мас.% стеклофритты,
б) 20 - 25 мас.% природного или синтетического графита;
в) 7 - 20 мас.% одного или нескольких силикатов щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4;
г) 1 - 2 мас.% водорастворимого полиметафосфата натрия;
д) 0 - 1 мас.% водонерастворимого полиметафосфата натрия;
е) 1,5 - 2 мас.% загустителя и
ж) 0 - 0,25 мас.% буры.

В качестве стеклопорошка целесообразно применять стандартное стекло со средним диаметром зерен d₅₀ < 100 мкм и диапазоном температур размягчения от приблизительно 700^oC до 900^oC (стандарт CAS N 65997-17-3). Стеклопорошок играет решающую роль для получения отличных свойств смазочной пленки. Благодаря своей относительно высокой температуре размягчения стеклопорошок находит все более широкое применение в тех случаях, когда температура поверхности обрабатываемой детали превышает 1000^oC.

В отличие от этого стеклофритта находит применение прежде всего тогда, когда работают в более низком температурном режиме, начиная примерно от 800^oC. В этих случаях благодаря более низкому диапазону температур размягчения - от примерно 500^oC до 700^oC - пленкообразующие свойства стеклофритты проявляются в полной мере. По своему химическому составу стеклофритта представляет собой предпочтительно алюмоборсиликат щелочных и щелочноземельных металлов и применяется обычно со средним размером зерен d₅₀ < 100 мкм.

В зависимости от того, в каком из указанных выше диапазонов температур применяют стеклопорошок и стеклофритту, соотношение компонентов, входящих в их состав, может варьироваться в широких пределах.

Другим важным компонентом композиции по изобретению является графит. Использоваться при этом может как синтетический графит, так и природный графит. Преимущественно средний размер зерен d₅₀ используемого графита составляет менее 100 мкм. Предпочтение отдают графиту с высокой кристалличностью, т.е. имеющему длину кристаллов Lc более 100 нм.

Важную функцию в качестве связующих выполняют водорастворимые силикаты щелочных металлов. Для этих целей применяют либо каждый индивидуально, либо в смеси друг с другом водорастворимые силикаты щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4. Предпочтительное применение находит метасиликат натрия приведенной выше общей формулы с n, равным 1-1,5, или силикат натрия с n, равным 3,3 - 3,5 (жидкое стекло), или же эвтектическая смесь указанного силиката натрия с силикатом калия общей формулы K₂O n SiO₂, где n обозначает 2,4 - 3, и/или с силикатом лития общей формулы Li₂O n SiO₂, где n обозначает 2,4 - 3. Особое преимущество отдают применению смеси вышеназванных предпочтительных силикатов щелочных металлов, имеющей соотношение силикат натрия:силикат калия:силикат лития соответственно 12,3%:67,5%:20,2%.

Функцию компонента смазки, подавляющего пенообразование, выполняет водорастворимый метаполифосфат натрия. Целесообразно использовать для этой цели соединение общей формулы (NaPO₃)_n, где n меньше 450. Соединения такого типа известны также под названием "гексаметафосфат" или "соль Грэма".

Кроме того, в качестве связующего возможны добавки водонерастворимого метаполифосфата натрия. Наиболее пригодны для этой цели известные под названием "соль Мэддрелла" соединения общей формулы (NaPO₃)_n, где n обозначает 40 - 70.

Введение добавок загустителя - целесообразно полисахарида либо производного полисахарида - играет решающую роль для обеспечения постоянной вязкости и стабильности смазочной дисперсии в широком диапазоне температур, а также для предотвращения седиментации твердых компонентов в дисперсии. Целесообразно использовать в этих целях биополисахариды, такие, как ксантановый каучук, рамсановый каучук, или алкилцеллюлозу, как, например, гидроксиметилцеллюлозу. Соответствующие результаты получают при использовании в качестве загустителей солей щелочных металлов полиакриловой кислоты, в частности полиакрилатов натрия.

Для предотвращения поражения бактериями целесообразно добавлять в смазочную композицию имеющийся на рынке биоцид.

И, наконец, можно рекомендовать введение добавок буры (декагидрат тетрабората натрия) в качестве усилителя адгезии.

В предлагаемой согласно изобретению смазочной композиции в виде водной дисперсии содержание твердых компонентов предпочтительно составляет от 20 до 50%. При этом вполне допустимо варьирование указанных пределов как в сторону увеличения, так и их уменьшения. Получение дисперсии может осуществляться с помощью обычных, имеющихся на рынке диспергирующих устройств, обеспечивающих высокие усилия сдвига (ср., например, Европейский патент EP-PS 218989).

Готовая к использованию дисперсия имеет преимущественно вязкость в пределах от 1000 МПа•с до 7000 МПа•с (прибор типа Rheomat 15, 20^oC, камера B, скорость 5), однако благодаря добавкам загустителя указанные значения могут варьироваться.

Нанесение смазочной дисперсии на обрабатываемые детали может проводиться с помощью известных устройств, предназначенных для распыления дисперсных систем (ср., например, европейскую патентную заявку EP-A 453801).

Согласно изобретению описанную выше композицию применяют для смазки металлических заготовок, имеющих температуру поверхности от 800^oC до 1300^oC, при горячей обработке давлением, прежде всего при горячей прокатке болванок и профилей или при изготовлении полых болванок в так называемых штоссбанках. Нанесение дисперсии на заготовку осуществляют при этом непосредственно перед процессом обработки. Предварительное удаление окалины с заготовки желательно, но не обязательно. После очень быстрого испарения воды в течение считанных секунд на поверхности обрабатываемой детали образуется равномерная, водонерастворимая пленка из смазки, которая в процессе последующей обработки не утрачивает своих свойств.

Примеры
Приведенные ниже характеристики вязкости определяли с помощью прибора Rheomat 15, 20^oC, камера B, скорость 5.

Композиция 1 (пригодна для смазки заготовок с температурой поверхности 850^oC-1200^oC)
49,17 мас.% стеклофритты (связующая фритта К 2244 с d₇₀ < 100 мкм, фирма Schauer Co., Австрия, Вена);
25,00 мас. % графита (синтетический графит Т 75 с d₅₀ = 24 мкм, фирма LONZA G&T, Швейцария, Синс);
15,67 мас.% жидкого стекла (водорастворимый силикат натрия Na₂O n SiO₂ с n, равным 3,3 - 3,5);
6,00 мас. % водорастворимого полифосфата натрия (Alcopon, фирма Benckiser-Knapsack, Германия, Ладенбург);
3,33 мас.% гидроксиметилцеллюлозы (фирма Dow Chemical);
0,67 мас.% буры и
0,16 мас.% биоцида.

Дисперсия: процентное содержание в воде 20%.

Вязкость: 1000 - 2000 МПа•с
Композиция 2 (пригодна для смазки заготовок с температурой поверхности 1000^oC - 1250^oC)
64,85 мас.% стеклопорошка (стекломука 300 с d₇₀ менее 63 мкм фирмы Mineralienwerke Kuppenheim);
24,94 мас.% графита (синтетический графит Т 75 с d₅₀ = 24 мкм, фирма LONZA G&T, Швейцария, Синс);
6,98 мас.% водорастворимого силиката натрия (Na₂O n SiO₂ с n, равным 1 - 1,15);
1,67 мас. % водорастворимого полифосфата натрия (Alcopon, фирма Benckiser-Knapsack, Германия, Ладенбург);
1,33 мас.% гидроксиметилцеллюлозы (фирма Dow Chemical);
0,22 мас.% ксантанового каучука и
0,01 мас.% биоцида.

Дисперсия: процентное содержание в воде 40%.

Вязкость: 1000 - 3000 МПа•с.

Композиция 3 (пригодна для смазки заготовок с температурой поверхности 1000 - 1250^oC)
47,78 мас.% стеклопорошка (стекломука 300 с d₇₀ менее 63 мкм фирмы Mineralienwerke Kuppenheim);
16,53 мас. % стеклофритты (связующая фритта К 2244 с d₇₀<100 мкм, фирма Schauer Co., Австрия, Вена);
24,84 мас.% графита (синтетический графит Т 75 с d₅₀ = 24 мкм, фирма LONZA G&T, Швейцария, Синс);
6,74 мас. % водорастворимой смеси силикатов щелочных металлов (силикат натрия: силикат калия: силикат лития соответственно 12,3:67,5:20,2, Me₂O n SiO₂ с n, равным 2,7);
1,32 мас. % водорастворимого полифосфата натрия (Alcopon, фирма Вenckiser-Knapsack, Германия, Ладенбург);
0,92 мас. % водонерастворимого полифосфата натрия (Dentphos М, фирма Benckiser-Knapsack, Германия, Ладенбург);
0,25 мас.% буры;
0,45 мас.% ксантанового каучука;
1,10 мас.% гидроксиметилцеллюлозы (фирма Dow Chemical) и
0,07 мас.% биоцида.

Дисперсия: процентное содержание в воде 40%.

Вязкость: 2000 - 5000 МПа•с.

Композиция 4 (пригодна для смазки заготовок с температурой поверхности 850 - 1250^oC)
49,53 мас. % стеклофритты (связующая фритта К 2244 с d₇₀<100 мкм, фирма Schauer Co., Австрия, Вена);
24,76 мас. % графита (синтетический графит Т 75 с d₅₀ = 24 мкм, фирма LONZA G&T, Швейцария, Синс);
6,74 мас. % водорастворимой смеси силикатов щелочных металлов (силикат натрия: силикат калия: силикат лития соответственно 12,3:67,5:20,2, Me₂O n SiO₂ с n, равным 2,7);
2,64 мас. % водорастворимого полифосфата натрия (Alcopon, фирма Benckiser-Knapsack, Германия, Ладенбург);
1,32 мас. % водонерастворимого полифосфата натрия (Dentphos М, фирма Benckiser-Knapsack, Германия, Ладенбург);
0,66 мас.% буры;
3,30 мас.% гидроксиметилцеллюлозы (фирма Dow Chemical);
0,71 мас.% полиакрилата натрия (Carbopol, фирма Goodrich Chemical) и
0,14 мас.% биоцида.

Дисперсия: процентное содержание в воде 20%.

Вязкость: 2000 - 5000 МПа•с.

Сравнительная композиция 1: (согласно патенту Швейцарии CH-PS 660023, пример 1)
54 мас.% кристаллического графита;
11 мас.% "соли Мэддрелла";
5 мас.% буры;
10 мас.% силиката натрия (жидкое стекло SiO₂/Na₂O = 3,3);
18 мас.% полиэтилена и
2 мас.% алкилцеллюлозы.

Водная дисперсия с содержанием твердых компонентов 30 мас.%.

Вязкость 1900 МПа•с.

Сравнительная композиция 2: (согласно патенту Швейцарии CH-PS 670106, пример 2)
70 мас.% триполифосфата натрия (Na₅P₃O₁₀);
4 мас.% графита и
26 мас.% Na₂B₂O₄ 8 H₂O.

Порошковая смесь
Сравнительное тестирование
Условия тестирования
На нагретую до температуры 800 - 1050^oC поверхность перемещаемой в вертикальном направлении со скоростью 1,5 м/с стальной заготовки размером 29 см х 6 см х 3 см с помощью размещенного на расстоянии 43 см сопла (давление 50 бар) наносили методом напыления композиции 1 - 4 и сравнительную композицию 1. Сравнительную композицию 2 распыляли в сухом виде согласно патенту Швейцарии 670106. Образовавшуюся смазочную пленку классифицировали по следующим критериям:
Класс 1
Смазочная пленка не образуется.

Класс 2
Образуется хрупкая смазочная пленка только с кратковременной (несколько секунд) адгезией.

Класс 3
Очень быстро образуется равномерная, напоминающая глазурь, адгезионно-прочная смазочная пленка с высокой механической прочностью и высокой водостойкостью.

Результаты тестирования.

Композиция Результаты тестирования (класс)
1 3 (от 850^oC и выше)
2 3 (от 1000^oC и выше)
3 3 (от 1000^oC и выше)
4 3 (от 850^oC и выше)
Сравнительная композиция 1 1
Сравнительная композиция 2 20

Сущность изобретения: композиция содержит, мас.%: a₁) 0 - 80 стеклопорошка, a₂) 0 - 50 стеклофритты, причем количество по крайней мере одного из компонентов a₁) или a₂) в композиции не составляет 0 мас.%; б) 10 - 25 природного или синтетического графита, в) 5 - 20 одного или нескольких силикатов щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4; г) 1 - 6 водорастворимого полиметафосфата натрия; д) 0 - 3 водонерастворимого полиметафосфата натрия; е) 0,5 - 4 загустителя и ж) 0 - 1 буры. Предпочтительно водная дисперсия содержит 20 - 50% компонентов а-ж. Технический результат: получение равномерной адгезионно-прочной смазочной пленки с высокой механической прочностью и высокой водостойкостью для смазки обрабатываемых деталей с температурой поверхности от 800 до 1300^oС. 9 з.п. ф-лы.

1. Композиция смазочного средства для заготовок при горячей обработке металлов давлением, представляющая собой водную дисперсию, отличающаяся тем, что она содержит: а₁) 0 - 80 мас.% стеклопорошка; а₂) 0 - 50 мас.% стеклофритты, причем количество по крайней мере одного из компонентов а₁) или а₂) в композиции не составляет 0 мас.%; б) 10 - 25 мас.% природного или синтетического графита; в) 5 - 20 мас.% одного или нескольких силикатов щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4; г) 1 - 6 мас.% водорастворимого полиметафосфата натрия; д) 0 - 3 мас.% водонерастворимого полиметафосфата натрия; е) 0,5 - 4 мас.% загустителя и ж) 0 - 1 мас.% буры. 2. Композиция смазочного средства по п.1, отличающаяся тем, что применяют стеклопорошок, имеющий средний диаметр зерен d₅₀ < 100 мкм и температуру размягчения в диапазоне от приблизительно 700 до 900^oC. 3. Композиция смазочного средства по п.1 или 2, отличающаяся тем, что применяют стеклофритту, имеющую средний диаметр зерен d₅₀ < 100 мкм и температуру размягчения в диапазоне от приблизительно 500 до 700^oC. 4. Композиция смазочного средства по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что применяют каждый индивидуально или в смеси между собой водорастворимые силикаты щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4. 5. Композиция смазочного средства по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что в качестве водорастворимого полиметафосфата натрия применяют соль Грэма общей формулы (NaPO₃)_n с n меньше 450. 6. Композиция смазочного средства по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что в качестве водонерастворимого полиметафосфата натрия применяют соль Мэддрелла общей формулы (NaPO₃)_n с n, равным 40 - 70. 7. Композиция смазочного средства по пп.1 - 6, отличающаяся тем, что в качестве загустителя применяют полисахарид, производное полисахарида или соль щелочного металла полиакрилата. 8. Композиция смазочного средства по пп.1 - 7, отличающаяся тем, что водная дисперсия содержит 20 - 50% компонентов а) - ж). 9. Композиция смазочного средства по пп.1 - 8, отличающаяся тем, что для заготовок с температурой поверхности от 800^oC и выше она содержит: а₁) 0 - 20 мас. % стеклопорошка; а₂) 30 - 50 мас.% стеклофритты; б) 20 - 25 мас.% природного или синтетического графита; в) 7 - 20 мас.% одного или нескольких силикатов щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4; г) 2 - 6 мас.% водорастворимого полиметафосфата натрия; д) 0 - 1 мас.% водонерастворимого полиметафосфата натрия; е) 3 - 4 мас.% загустителя и ж) 0,2 - 0,7 мас.% буры. 10. Композиция смазочного средства по пп.1 - 8, отличающаяся тем, что для заготовок с температурой поверхности от 1000^oC и выше она содержит: а₁) 45 - 70 мас.% стеклопорошка; а₂) 0 - 20 мас.% стеклофритты, б) 20 - 25 мас.% природного или синтетического графита; в) 7 - 20 мас.% одного или нескольких силикатов щелочных металлов общей формулы Me₂O n SiO₂, где Me обозначает литий, калий или натрий, а n имеет числовое значение 1 - 4; г) 1 - 2 мас.% водорастворимого полиметафосфата натрия; д) 0 - 1 мас.% водонерастворимого полиметафосфата натрия; е) 1,5 - 2 мас.% загустителя и ж) 0 - 0,25 мас.% буры.