保护金属热加工时不产生锈皮并用作金属热加工的润滑剂的组合物的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于保护金属热加工时不产生锈皮（scale)并用作金属热加工的润 滑剂的组合物。
[0002] 发明背景
[0003] 在金属特别是钢材的500-1300°C的温度范围的热加工中，例如在乳制或落锤锻造 中，在环境空气下在加热的金属表面处发生锈皮的形成，且取决于到下一加工步骤的转移 时间，锈皮形成的显著程度不同。在生产无缝管的钢的热乳工艺过程中，固体材料被穿孔， 形成空心块，然后在之后的乳制步骤中伸长。在此，在转移到伸长工艺的过程中在空心块的 热金属表面上形成锈皮的风险非常高。在后续的乳制步骤中，锈皮形成可在无缝管中导致 形成内部瑕疵。为此，例如使用压缩空气或惰性气体将出现的锈皮吹掉。此外，将大量粉末 形式的不同物质施加到空心块的内表面，作为润滑剂或蚀刻剂或锈皮溶解剂。这种试剂的 示例包括石墨、氮化硼、硫化钼、硅酸盐、钠盐、碱金属硫酸盐、皂化脂肪酸或碱土金属磷酸 盐及其混合物。常常使用具有不同结晶水的碱金属硼酸盐或者硼酸。
[0004] 在其它应用领域，在锻造过程特别是用于大和重的零件例如火车车轮的锻造中， 在进行轮廓锻造、车轮乳制和精磨锻造的主要成形步骤之前，将预热到高于1200°C的圆柱 金属块在预成形压制机中进行缩锻（upset)，即大致将其预成形为盘状形式。因为加热零件 的停留时间较长，和因为所涉及的加工条件，在表面处发生次级锈皮现象，它们对成形操作 以及零件表面的质量都具有不利影响。如果在加热步骤或第一成形步骤之前，用如上所述 的那些润滑剂、蚀刻剂和锈皮溶解剂涂覆这种金属零件，可显著降低那些不利的影响。
[0005] 为了保证快速形成熔体用于润滑和保护免于形成锈皮，通过喷雾以粉末或颗粒材 料的形式，将如上所述的试剂施加到灼热的表面。这样的结果是因为在已知试剂中的硼化 合物水溶性好且难以阻止其在空间上扩散，在已知试剂中的硼化合物进入废水中并对水源 存在潜在的危险。此外，当以如上所述的粉末或颗粒材料形式施加使用硼盐和硼酸时，有吸 入的风险。关于这方面的研究表明会导致生育障碍和危害胚胎中的胎儿，导致在将硼化合 物和由其组成的混合物被分类为有繁殖毒性。因此，这些性质对人类和环境具有显著的危 险，因此就粉末混合物的制备、储存、运输、加工、处理以及那些材料在金属加工中的实际应 用和目的而言是相关的。许多用于金属热加工的润滑剂包含石墨，因为石墨具有良好的锻 造性质和温度稳定性。但是，应注意，石墨具有严重的缺点，例如石墨碳吸收到加工的金属 的表面中，从而改变金属表面的组成和性质。另外，石墨不受欢迎的原因还在于工作卫生方 面，因为石墨粉末容易雾化到大气中且意味着在附近工作的人有吸入石墨粉末的风险。此 外，石墨粉尘可给电子设备在操作时的操作能力带来风险。因此，希望提供没有石墨或石墨 比例尽可能低且同时具有良好润滑作用的润滑剂。
[0006] 此外，许多已知润滑剂因为其物理性质和晶粒尺寸而没有良好的自由流动或流动 性能。大粒度的粗材料通常导致金属表面不充分和无规律的覆盖，因而导致锈皮减少的情 况较差。因此，更细的晶粒尺寸优势在于可实现更好的形成。但是，尤其是在储存时，已知 的小晶粒尺寸（例如小于50微米）的细晶粒材料常常趋于形成团块，因此难以将它们以粉 末形式喷到金属表面上，这使得已知组合物的细晶粒尺寸的优势消失。
[0007] 发明目的
[0008] 因此，本发明的目的是提供用于金属热加工的组合物，该组合物用于保护免于形 成锈皮并用作润滑剂，其中与现有技术相比降低了到目前为止因使用硼化合物作为成分造 成的潜在风险，该组合物具有良好的自由流动和流动性能，就在加热的金属表面上锈皮溶 解和润滑而言该组合物具有良好的性质，当以粉末形式施加时该组合物使得在金属表面上 形成良好的涂层，以及该组合物需要尽可能少的石墨或完全不需要石墨。
【具体实施方式】
[0009] 依据本发明，通过保护金属热加工时不产生锈皮并用作金属热加工的润滑剂的组 合物来实现所述目的，该组合物包括细粉末材料的混合物，其中所述混合物至少包含以下 组分：
[0010] (a)0重量％ -15重量％的磷酸氢钙或正磷酸钙化合物、羟磷灰石或其混合物，
[0011] (b)0. 1重量％ -35重量％的脂肪酸、脂肪酸盐或其混合物，
[0012] (c) 1重量％ -90重量％的研磨的硼硅酸盐玻璃，相对于该硼硅酸盐玻璃，该硼硅 酸盐玻璃分别包括下述比例的Na、B、Si和A1，所述比例以它们各自的氧化物的重量为基准 计：
[0013] 1 重量 ％ -30 重量 ％ 的 Na20，
[0014] 2 重量 ％ -70 重量 ％ 的 B203,
[0015] 10 重量％ -70 重量％的 Si02,，和
[0016] 0 重量 ％-10 重量 ％的 A1203，
[0017] (d) 9重量％ -85重量％的缩合的碱金属磷酸盐，
[0018] (e)硼酸、硼酸盐或其混合物，其用量对应于以氧化物表示的0重量％ -3. 2重量％ 的B203的硼含量，和
[0019] (f)0重量％-10重量％的石墨，
[0020] 其中所述化合物的平均粒度D50 < 300微米。
[0021] 应理解，本发明的润滑剂可包含其它组分，只要它们对所需的有利性质不会造成 明显的负面影响。
[0022] 令人惊讶地发现，尽管根据本发明的组合物不包括任何比例的硼酸盐或硼酸，或 者任选的与基于硼酸盐的已知润滑剂相比该硼酸盐或硼酸的比例只是非常小的，但根据本 发明的组合物非常适于用作保护金属热加工时不产生锈皮并用作金属热加工的润滑剂的 组合物。与已知试剂相比，根据本发明的组合物显著降低了易溶于水的硼酸盐比例给人类 和环境带来的潜在的高风险，在最佳情况下，甚至完全消除了这种风险。当施加到热的金属 表面时，根据本发明的组合物比使用已知润滑剂时更快地形成所需的熔体，并提供良好的 润滑和良好的免于形成锈皮的保护。这通过根据本发明组合成分来实现，就这方面而言，不 管研磨的硼硅酸盐玻璃的比例和小比例的硼酸或硼酸盐，可实现组合物的润滑和保护免于 形成锈皮的要求。
[0023] 根据本发明的组合物的特别优势在于与现有技术相比，显著降低了硼酸盐组分的 溶解度，并具有相当的或甚至更好的效率和功能。降低硼酸盐组分的溶解度通过低比例或 者零比例的如成分（e)所述的硼酸和/或硼酸盐来实现，以及可进一步通过改变如成分（b) 所述的脂肪酸和/或脂肪酸盐与如成分（e)所述的硼酸和/或硼酸盐的比例来影响。在研 磨的硼硅酸盐玻璃中的硼酸盐比例就水溶性来说是极端低劣的。因此，根据本发明的组合 物的优势是，因为低水平的硼酸盐溶解度，使用者可更容易地符合通常适用于废水规定的 高要求，例如如ENIS011885:2007的规定。
[0024] 在本发明的另一优选的实施方式中，组合物的半球温度>400°C。在加热显微镜中， 当测试中的测试主体的灰熔化大致接近半球形状时，到达半球温度。根据本发明的组合物 的半球温度>400°C的优势在于不会过早地到达组合物的熔点，并保留适于施用的粘度。如 果组合物的半球温度低于400°C，那么在600 - 1300°C使用范围的熔体的粘度过低，不能实 现充分的熔体膜。
[0025] 令人惊讶地发现，在根据本发明的用于金属热加工的组合物中，磷酸氢钙和/或 正磷酸钙化合物是特别合适的自由流动辅助添加剂。磷酸二氢钙是不合适的，因为空气中 的湿气会导致其形成团块。
[0026] 在本发明的优选的实施方式中，磷酸钙化合物（a)选自羟磷灰石[Ca5(P0 4)30H]和 磷酸三钙[Ca3(P04)2]，且羟磷灰石是特别优选的。
[0027] 在本发明的其它优选的实施方式中，组合物中包含的磷酸钙化合物（a)的量是 0. 5重量％ -10重量％，特别优选地是1重量％ -5重量％。
[0028] 根据本发明的组合物还包括脂肪酸、脂肪酸盐或其混合物，以及其它成分。令人惊 讶地发现，就细颗粒粉末而言，使用脂肪酸或脂肪酸盐显著降低团块形成，并可改善储存耐 受性。虽然无意受限于理论，但申请人猜想脂肪酸或脂肪酸盐沉积在混合物的一种或多种 其它成分的晶粒上，这样阻止或减少晶粒团块形成，并使水分远离晶粒，结果改善了润滑剂 的储存耐受性以及自由流动或流动性能。还假设脂肪酸或脂肪酸盐通过在600 - 1300Γ的 使用范围分解和形成气体缓冲垫，改善润滑效果。
[0029] 在本发明的其它优选的实施方式中，脂肪酸或脂肪酸盐（b)选自下组：具有 6-26个碳原子的饱和以及不饱和脂肪酸，或者它们的盐，优选地选自癸酸、辛酸、正亮氨酸 (caprinic acid)、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、十七酸、硬脂酸、花生酸、二十二烷酸、二十四 烧酸、錯酸、棕榈油酸、油酸、反油酸、11-十八碳稀酸（vaccenic acid)、二十稀酸（icosenic acid)、芥酸、神经酸、亚油酸、亚麻酸、花生四稀酸、二十碳五稀酸（timnodonic acid)、鲦鱼 酸（clupanodonic acid)以及它们的盐，前提是脂肪酸或脂肪酸盐在>30°C的温度下是固 体形式。特别优选地，脂肪酸或脂肪酸盐是硬脂酸和它们的盐。
[0030] 在本发明的