Концентрат смазочно-охлаждающих технологических сред
Использование: при обработке металлов давлением, в частности при прокатке и волочении тугоплавких металлов и сплавов, например, циркония, титана, ниобия, гафния, тантала и других. Сущность: концентрат содержит, мас.%: триэтаноламиновые соли моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот 40-45, триэтаноламиновые соли карбоновых кислот 20-30, сложные эфиры карбоновых кислот и многоатомных спиртов 20-30, полиэтиленгликолевые эфиры алкилфенолов остальное. Технический результат - снижение трения в системе инструмент-заготовка, улучшение теплоотвода от пары трения, что позволяет устранить налипание обрабатываемого металла на инструменте и получить трубы с шероховатостью поверхности Ra менее 0,5 мкм. 1 табл.
Изобретение относится к смазочно-охлаждающим технологическим средам (СОТС), приготавливаемым в виде концентратов и используемых в виде водных эмульсий при обработке металлов давлением, в частности при прокатке и волочении тугоплавких металлов и сплавов, например циркония, титана, ниобия, гафния, тантала и других.
Холодная прокатка изделий из химически инертных металлов и сплавов на основе циркония, титана, гафния, ниобия характеризуется тяжелыми трибологическими условиями, связанными с высокой вязкостью поверхностного слоя металла в зоне деформации и низкой адгезией молекул СОТС к поверхности обрабатываемого металла. Результатом этого является сплошное налипание деформируемого металла на поверхности инструмента (сваривание металлов).Изменить условия трения в очаге деформации удается нанесением на поверхность обрабатываемого металла медного подсмазочного покрытия. Антифрикционные свойства СОТС при холодной прокатке труб с медным подсмазочным покрытием значительно повышаются за счет образования более прочных хемосорбированных экранирующих пленок.В настоящее время технология холодной прокатки труб из сплавов на основе циркония, титана, гафния, ниобия предусматривает применение двух различных типов СОТС, наносимых отдельно на внутреннюю и наружную поверхность труб.В качестве смазки для внутренней поверхности труб на роликовых станах типа ХПТР используют минеральное масло "цилиндровое 52" (вапор) по ГОСТ 6411-76. На валковых станах типа ХПТ и ХПТС применяется смазка на основе СП-3 (40-45 мас.%) в смеси с касторовым маслом (15-20 мас.%), тальком (35-37 мас.%) и жидким стеклом (3-5 мас.%), которая наносится на внутреннюю поверхность предварительно омедненных труб.В качестве СОТС для наружной поверхности на валковых и роликовых станах всех типов используется 2-10%-ная водная эмульсия технологической смазки СП-3 (59ц) (ГОСТ 5702-75), концентрат которой содержит триэтаноламиновую соль олеиновой кислоты (15-17 мас.%) и трансформаторное масло (83-85 мас.%). Станы типа ХПТ, ХПТР и ХПТС имеют охлаждающую систему замкнутого цикла. Эмульсия СОТС СП-3, циркулирующая в этой системе, подается для охлаждения очага деформации и смазывания соприкасающихся поверхностей инструмента и деформируемого металла.Основным недостатком применяемых водных СОТС на основе эмульсолов и технологических смазок [Грудев А.П. и др., справочник "Трение и смазки при обработке металлов давлением". М.: Металлургия, 1982, с.193-196] является то, что они не обеспечивают прокатку труб на ХПТ и ХПТС из указанных сплавов в гидродинамическом, эластогидродинамическом или граничном режиме смазки без нанесения подсмазочного покрытия.Нанесение подсмазочного покрытия требует проведения операции химической обработки (травление, активация, нанесение и удаление покрытия) поверхности трубных заготовок. Химическая обработка ухудшает чистоту поверхности изделий и повышает трудоемкость процесса.При проникновении во время прокатки на ХПТР эмульсии СП-3 в минеральное масло Ц-52, которое не растворяется и не эмульгируется в воде, ухудшаются защитные, разделительные и антифрикционные свойства смазки. Это приводит к налипанию металла на инструмент и, как следствие, к развитию дефектов.Возрастающие требования к качеству поверхности труб и точности их геометрических размеров при одновременном снижении затрат на их производство формируют новые требования к СОТС.Возникла необходимость в создании унифицированной (один состав для внутренней и наружной поверхности труб и станов всех типов) СОТС на водной основе, которая бы обеспечила эффективное снижение контактного трения в зоне деформации без применения подсмазочного покрытия.Использование предлагаемого концентрата в качестве исходного продукта для приготовления СОТС связано с возможностью получения из него водных эмульсий различной концентрации, а также удобством и экономичностью при транспортировке и хранении.Изобретение решает задачу создания концентрата СОТС для процесса холодной деформации изделий преимущественно из тугоплавких металлов и сплавов на основе циркония, титана, гафния, ниобия и др., повышающего качество обрабатываемой поверхности без нанесения подсмазочного покрытия.Ее решение достигается тем, что концентрат содержит триэтаноламиновые соли карбоновых кислот и дополнительно содержит триэтаноламиновые соли моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот, сложные эфиры карбоновых кислот и многоатомных спиртов, полиэтиленгликолевые эфиры алкилфенолов при следующем содержании компонентов, мас.%:Триэтаноламиновые соли моно- идиэфиров ортофосфорнойкислоты и моноэтаноламидовкарбоновых кислот 40,0-45,0Триэтаноламиновые соли карбоновыхкислот 20,0-30,0Сложные эфиры карбоновыхкислот и многоатомных спиртов 20,0-30,0Полиэтиленгликолевые эфирыалкилфенолов ОстальноеВ составе предлагаемого концентрата СОТС могут быть использованы следующие соединения.1 Триэтаноламиновые соли моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот, полученные при нейтрализации триэтаноламином смеси, состоящей из моноэфира ортофосфорной кислоты (МФК) и диэфира ортофосфорной кислоты (ДФК), которым соответствуют формулы (1) и (2). В формулах символом R обозначен остаток моноэтаноламида карбоновой кислоты формулы RIC(O)N(H)CH2CH2, где RI - неразветвленный углеводородный радикал, содержащий в цепи 12-25 атомов углерода, и который может включать одну или две несопряженные двойные связи углерод-углерод.Смесь МФК (1) и ДФК (2) может быть получена этерификацией (фосфорилированием) моноэтаноламидов карбоновых кислот фосфорным ангидридом.Моноэтаноламиды карбоновых кислот, используемые при фосфорилировании, представляют собой смесь моноэтаноламидов насыщенных алифатических кислот (миристиновой, пальмитиновой, стеариновой) и мононенасыщенных алифатических кислот (олеиновой, эруковой). В смеси моноэтаноламидов должны преобладать соединения с насыщенным углеводородным радикалом.Для синтеза концентрата СОТС используют триэтаноламиновые соли моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот, в которых содержание триэтаноламиновой соли МФК (ТМФК) соответствует 50-90 мас.% при содержании триэтаноламиновой соли ДФК (ТДФК) 10-50 мас.%.2. Триэтаноламиновые соли карбоновых кислот, полученные при нейтрализации триэтаноламином индивидуальных неразветвленных насыщенных или ненасыщенных карбоновых кислот, углеводородный радикал которых содержит 12-25 атомов углерода, или их смесей.Предпочтение отдается смеси насыщенных (пальмитиновой, маргариновой, стеариновой) и ненасыщенных (олеиновой, эруковой, линолевой) кислот, при их весовом соотношении в смеси, равном 2:1.3. Сложные эфиры карбоновых кислот и многоатомных спиртов, полученные путем этерификации насыщенных и многоатомных спиртов с разветвленной и неразветвленной углеводородной цепью, содержащих от двух до шести спиртовых групп (глицерин, эритрит, ксилит, сорбит, триметилолпропан, пентаэритрит), монокарбоновыми насыщенными и ненасыщенными кислотами с неразветвленным углеводородным радикалом, содержащим 12-25 атомов углерода (пальмитиновой, стеариновой, олеиновой, эруковой и др.) или их смесью.Спиртовые группы указанных полиолов должны быть полностью проацилированы карбоновыми кислотами (полные эфиры).В составе концентрата СОТС предпочтительно использование полных сложных эфиров многоатомных спиртов с неразветвленной углеводородной цепью (глицерин, эритрит, ксилит) и смеси насыщенных (пальмитиновая, стеариновая) и ненасыщенных (олеиновая, линолевая, эруковая) карбоновых кислот. Примерами таких сложных эфиров могут служить полувысыхающие высокоочищенные растительные масла (соевое, подсолнечное, рапсовое и др.), полные эфиры глицерина, эритрита, ксилита на основе смеси олеиновой, пальмитиновой и стеариновой кислот.4. Полиэтиленгликолевые эфиры алкилфенолов, представляющие собой соединения общей формулы R(С6Н4)O(С2Н4O)nН, в которой R-изононильный радикал, находящийся в параположении к этоксильной группе, а n - число молей окиси этилена, присоединенной к одному молю алкилфенола (степень оксиэтилирования). Предпочтительным является использование полиэтиленгликолевых эфиров алкилфенолов со степенью оксиэтилирования n=9-12 и их смесей. В качестве последних можно использовать неонолы (ТУ 2483-077-05766801-98) марок АФ 9-9, АФ 9-10, АФ 9-12, АФБ 9-10 и АФБ 9-12 или их смеси.При 20С концентрат СОТС представляет собой пластичную смазку светло-коричневого цвета.Концентрат СОТС получают смешиванием компонентов при температуре 80-100С.Пример 1. В реактор из нержавеющей стали объемом 2,5 м3, оборудованный мешалкой и рубашкой для обогрева, загружали при помощи насоса 1000 кг триэтаноламиновых солей моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот (разогретых до 70-80С), содержащих 70 мас.% ТМФК и 30 мас.% ТДФК, синтезированных на основе моноэтаноламидов кислот соевого масла с использованием фосфорного ангидрида в качестве фосфорилирующего агента; 400 кг триэтаноламиновой соли стеариновой кислоты (разогретой до 70-80С); 400 кг рафинированного соевого масла (разогретого до 40-50С); 200 кг смеси, состоящей из 100 кг неонола АФ 9-9 и 100 кг неонола АФ 9-12 (разогретой до 40-50С). Смесь продуктов в реакторе непрерывно перемешивали в течение 30-40 минут при температуре 80-90С. Готовый концентрат СОТС сливали в тару при температуре смешивания.Пример 2. В реактор из нержавеющей стали объемом 2,5 м3, оборудованный мешалкой и рубашкой для обогрева, загружали при помощи насоса 1000 кг триэтаноламиновых солей моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот (разогретых до 70-80С), содержащих 50 мас.% ТМФК и 50 мас.% ТДФК, синтезированных на основе моноэтаноламидов стеариновой и олеиновой кислот, взятых в весовом соотношении 2:1 с использованием фосфорного ангидрида в качестве фосфорилирующего агента; 500 кг триэтаноламиновых солей кислот рапсового масла (разогретых до 60-70С); 400 кг смеси сложных полных эфиров, состоящей из 100 кг стеарата пентаэритрита, 100 кг пальмитата глицерина, 200 кг эфиров ксилита и кислот рапсового масла (разогретой до 40-50С); 100 кг неонола АФБ 9-12 (разогретого до 40-50С). Смесь продуктов в реакторе непрерывно перемешивали в течение 30-40 минут при температуре 80-90С. Готовый концентрат СОТС сливали в тару при температуре смешивания.Пример 3. В реактор из нержавеющей стали объемом 2,5 м3, оборудованный мешалкой и рубашкой для обогрева, загружали при помощи насоса 800 кг триэтаноламиновых солей моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот (разогретых до 80-90С), содержащих 80 мас.% ТМФК и 20 мас.% ТДФК, синтезированных на основе моноэтаноламидов стеариновой кислоты с использованием полифосфорной кислоты в качестве фосфорилирующего агента; 600 кг триэтаноламиновых солей кислот подсолнечного масла (разогретых до 50-60С); 400 кг рафинированного рапсового масла (разогретого до 40-50С); 200 кг неонола АФ 9-10 (разогретого до 40-50С). Смесь продуктов в реакторе непрерывно перемешивали в течение 30-40 минут при температуре 90-100С. Готовый концентрат СОТС сливали в тару при температуре смешивания.Пример 4. В реактор из нержавеющей стали объемом 2,5 м3, оборудованный мешалкой и рубашкой для обогрева, загружали при помощи насоса 800 кг триэтаноламиновых солей моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот (разогретых до 70-80С), содержащих 50 мас.% ТМФК и 50 мас.% ТДФК, синтезированных на основе моноэтаноламидов кислот рапсового масла с использованием фосфорного ангидрида в качестве фосфорилирующего агента; 600 кг триэтаноламиновых солей смеси стеариновой и пальмитиновой кислот, взятых в весовом соотношении 1:1 (разогретых до 60-70С); 500 кг смеси сложных полных эфиров, состоящей из 300 кг рафинированного соевого масла и 200 кг стеарата пентаэритрита (разогретой до 40-50С); 100 кг неонола АФ 9-12 (разогретого до 40-50С). Смесь продуктов в реакторе непрерывно перемешивали в течение 30-40 минут при температуре 80-90С. Готовый концентрат СОТС сливали в тару при температуре смешивания.Пример 5. В реактор из нержавеющей стали объемом 2,5 м3, оборудованный мешалкой и рубашкой для обогрева, загружали при помощи насоса 800 кг триэтаноламиновых солей моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот (разогретых до 70-80С), содержащих 70 мас.% ТМФК и 30 мас.% ТДФК, синтезированных на основе моноэтаноламидов пальмитиновой кислоты с использованием полифосфорной кислоты в качестве фосфорилирующего агента; 400 кг триэтаноламиновых солей кислот рапсового масла (разогретых до 60-70С); 600 кг эфиров эритрита и смеси стеариновой, олеиновой и эруковой кислот, взятых для этерификации в весовом соотношении 2:1:2 (предварительно нагретых до 40-50С); 200 кг неонола АФ 9-10 (разогретого до 40-50С). Смесь продуктов в реакторе непрерывно перемешивали в течение 30-40 минут при температуре 80-90С. Готовый концентрат СОТС сливали в тару при температуре смешивания.СОТС для прокатки труб готовили перед применением, смешивая концентрат СОТС с водой. Для приготовления СОТС использовали воду с общей жесткостью не более 7 мг-экв/дм3 (водопроводная вода). Воду и концентрат СОТС перед смешиванием нагревали до температуры 70±5С. В емкость, оборудованную мешалкой, загружали (в любой последовательности) расчетное количество концентрата СОТС и воды. Приготовление эмульсии проводили при постоянном перемешивании (без дополнительного нагрева) до получения однородной по виду эмульсии. Полученные эмульсии относятся к типу "масло в воде". Эмульсии устойчивы при значениях рН не более 7,0.Эмульсию с массовой долей концентрата СОТС 50-60% используют в качестве СОТС для внутренней поверхности труб. СОТС представляет собой пасту, которую наносят на внутреннюю поверхность труб шприцеванием.Эмульсию с массовой долей концентрата СОТС 5-15% используют в качестве СОТС для наружной поверхности труб. СОТС представляет собой жидкость, которую заливают в циркуляционную систему охлаждения и подают непосредственно в зону контакта инструмента с деформируемым металлом.Пример использования.Эффективность СОТС на основе предлагаемого концентрата была установлена в ходе испытаний на станах роликового и валкового типа.За критерий эффективности концентрата принималось качество внутренней и наружной поверхностей труб и точность их геометрических размеров после деформации.Для проведения испытаний были выбраны два состава концентрата, описанные в примерах 1 и 3 (ТЦП-1 и ТЦП-2). На их основе были приготовлены СОТС с массовой долей основного вещества 40-80% - для внутренней поверхности труб и 5-10% - для наружной поверхности.Испытания, проведенные на роликовых станах типа ХПТР, по маршрутам12,58,5 мм10,57,9 мм09,27,7 ммпоказали, что качество поверхности труб, прокатанных на смазках ТЦП-1 и ТЦП-2 лучше, чем на "штатной" смазке Ц-52.Уровень шероховатости труб в исследуемом диапазоне концентраций испытываемых смазок составил Ra 0,11-0,18 мкм, на Ц-52 0,60-0,96 мкм. Контролируемые размеры труб находятся в пределах допусков.Испытания ТЦП-1 60%-ной концентрации и 10%-ной эмульсии на ее основе на станах валкового типа ХПТ-55 и ХПТ-32 без медного подсмазочного покрытия заготовок по маршрутам:45,08,25 мм30,25,2 мм14,82,35 ммпоказали, что качество наружной и внутренней поверхности труб не хуже, чем после прокатки на "штатной" смазке и эмульсии с медным подсмазочным покрытием.Поверхность образцов однородная, без задиров, рисок и микронадрывов. Геометрические размеры труб находятся в поле допуска соответствующих НТД.В таблице приведены значения шероховатости внутренней и наружной поверхностей труб. Из таблицы видно, что уровень шероховатости как внутренней, так и наружной поверхности труб, полученных с применением СОТС на ТЦП-1 без медного подсмазочного покрытия, ниже, чем после прокатки труб с медным подсмазочным покрытием и с применением СОТС на основе СП-3.Таким образом, из полученных результатов можно сделать заключение о том, что СОТС на основе разработанного концентрата обеспечивают эффективное снижение трения в системе инструмент-заготовка, улучшают теплоотвод от пары трения, что позволяет устранить налипание обрабатываемого металла на инструмент и получить трубы с шероховатостью поверхности Ra менее 0,5 мкм.Формула изобретения
Концентрат смазочно-охлаждающих технологических сред для обработки давлением тугоплавких металлов и сплавов, содержащий триэтаноламиновые соли карбоновых кислот, отличающийся тем, что он дополнительно содержит триэтаноламиновые соли моно- и диэфиров ортофосфорной кислоты и моноэтаноламидов карбоновых кислот, сложные эфиры карбоновых кислот и многоатомных спиртов, полиэтиленгликолевые эфиры алкилфенолов при следующем соотношении компонентов, мас.%:Триэтаноламиновые соли моно- идиэфиров ортофосфорной кислотыи моноэтаноламидов карбоновыхкислот 40,0-45,0Триэтаноламиновые соли карбоновых кислот 20,0-30,0Сложные эфиры карбоновых кислот имногоатомных спиртов 20,0-30,0Полиэтиленгликолевые эфиры алкилфенолов Остальное