RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 199305 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 361708 (51) Int.Cl. C10M 143/00 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 18.08.2003 (54) Smar technologiczny do procesów głębokiego tłoczenia blach karoseryjnych, szczególnie ocynkowanych (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Białostocka,Białystok,PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 21.02.2005 BUP 04/05 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.2008 WUP 09/08 (72) Twórca(y) wynalazku: Jan Ryszard Dąbrowski,Białystok,PL Marek Jałbrzykowski,Białystok,PL (74) Pełnomocnik: Bożenna Żukowska, Politechnika Białostocka PL 199305 B1 (57) Przedmiotem wynalazku jest smar technologiczny do procesów głębokiego tłoczenia blach karoseryjnych, szczególnie ocynkowanych odznaczający się tym, że stanowi kompozycję oleju bazowego z dodatkiem acenaftylenu (C12H10) oraz proszku teflonu o gęstości teoretycznej ρ = 2,21 g/cm 3 i średniej średnicy cząstek w zakresie 0,01-0,5 mm, przy czym zawartość dodatków w oleju bazowym wynosi po około 1% mas każdego dodatku.
2 PL 199 305 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest smar technologiczny do procesów głębokiego tłoczenia blach karoseryjnych, ze szczególnym przeznaczeniem do blach ocynkowanych. W ciągu ostatnich lat opracowano wiele nowych smarów technologicznych do procesów tłoczenia. Do obróbki plastycznej metali stosuje się kilkadziesiąt różnych gatunków smarów i w dalszym ciągu prowadzone są badania w celu opracowania nowych środków smarnych. Znane są smary, które stanowią kompozycję bazy olejowej i różnorodnych dodatków uszlachetniających, mających wpływ, np. na właściwości przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe smarów. Często jednak, stosowane są specjalne składniki zbyt drogie oraz mało uniwersalne, a nawet pogarszające jakość produkcji. Przykładem może być stosowanie smaru z dodatkiem grafitu. W trakcie tłoczenia detali następuje wprasowanie grafitu w powierzchnię - co w dalszej obróbce pogarsza, na przykład przyczepność powłok lakierniczych i galwanicznych. Tak więc, postęp techniczny w technologiach obróbki plastycznej, jest w dużym stopniu uzależniony od osiągnięć w zakresie produkcji smarów i poznania procesów tribologicznych podczas tłoczenia. Oprócz wymogów tribologicznych czy ekologicznych, smarom technologicznym stawia się również inne, istotne wymogi wynikające z właściwości fizykochemicznych smarów, na przykład: zmywalność, brak interakcji z cynkiem, brak korozyjnego działania na materiał wytłoczki. Gdyż może się okazać, że smar, który w procesie tłoczenia wykazuje korzystne charakterystyki tribologiczne, nie spełnia wymogów zmywalności. Dyskwalifikuje to jego przydatność do procesów tłoczenia ze względu na dalszą obróbkę, np. nanoszenia powłok lakierniczych. W roku 1996 Związek Niemieckich Producentów Samochodów (VDA), powołał grupę roboczą Prelubes z głównym celem opracowania koncepcji rozwoju nowych smarów do tłoczenia blach karoseryjnych wraz z unifikacją wymagań stawianych tego typu smarom. Pod koniec lat 90 XX w., również polscy producenci blach oraz tłocznie samochodowe, podjęli działania w celu opracowania wspólnej koncepcji smarów do konserwacji i tłoczenia blach karoseryjnych. Jednak wprowadzenie nowego materiału jakim była blacha ocynkowana, postawiło przed producentami smarów nowe, trudniejsze wyzwanie. Znane smary, stosowane do tłoczenia blach nieocynkowanych (czarnych) nie spełniały wymogów technologicznych przy przeróbce blach ocynkowanych, szczególnie w odniesieniu do ich charakterystyk tribologicznych. Badania tribologiczne, zrealizowane w ramach współpracy Katedry Materiałoznawstwa Politechniki Białostockiej z Tłocznią Daewoo-FSO S.A. w Warszawie wykazały, że smary z dodatkami siarko- i fosforoorganicznymi - typowymi dodatkami EP (Extreme Pressure) - efektywne podczas tarcia blach nieocynkowanych, nie wykazywały oczekiwanej efektywności tribologicznej podczas tarcia blach ocynkowanych. Należy przy tym zaznaczyć, że smary technologiczne obok znaczącej roli w kształtowaniu jakości warstwy wierzchniej detali, mogą wpływać na modyfikację warstw wierzchnich narzędzi. Ma to duże znaczenie, szczególnie z uwagi na trwałość, niezawodność i koszt drogich tłoczników. Przedmiotem wynalazku jest smar technologiczny do tłoczenia blach karoseryjnych szczególnie ocynkowanych, charakteryzujący się tym, że stanowi kompozycję oleju bazowego zawierającą dodatek acenaftylenu (C12H10) oraz proszku teflonu o gęstości teoretycznej ρ = 2,21 g/cm 3 i średniej średnicy cząstek w zakresie 0,01-0,5 mm. Zawartość dodatków w oleju bazowym wynosi po około 1% mas każdego dodatku. Jako olej bazowy korzystne jest zastosowanie oleju technologicznego z grupy hydrorafinatów. Wybór acenaftylenu, jako dodatku uszlachetniającego, podyktowany był jego korzystnym wpływem na obniżenie oporów ruchu i zużycia elementów stalowych. Wysoką efektywność tribologiczną tego dodatku wyjaśnia się tworzeniem π-kompleksów trimerów cząsteczek acenaftylenu silnie związanych z powierzchniami metalicznymi. Takie zaadsorbowane aglomeraty organiczne chronią powierzchnie tarcia przed bezpośrednim kontaktem metalicznym. Stwierdzono też ich podatność do dysocjacji termicznej i w rezultacie tego do intensywnego nawęglania powierzchni tarcia. Prowadzi to do utwardzania takich powierzchni - co korzystnie wpływa na warunki tarcia. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania, w oparciu o rysunek, na którym fig. 1, przedstawia wartości współczynników tarcia dla badanych smarów (aparat PPB, p = 8 MPa), fig. 2 - wartości siły tłoczenia uzyskane w modelowych badaniach tłoczenia ( p = 8 MPa), fig. 3 - skład chemiczny ze środka powierzchni wytłoczki po tarciu w środowisku OB+ACF+TEF, fig. 4 - wyniki analizy składu chemicznego warstwy wierzchniej matrycy po kolejnych bombardowaniach jonowych (do około 200 Å w głąb), fig. 5 - rozkład grubości ścianek wytłoczki na przekroju poprzecznym przy zastosowaniu
PL 199 305 B1 3 oleju OB, fig. 6 - rozkład grubości ścianek wytłoczki na przekroju poprzecznym przy zastosowaniu smaru OB+S 5, fig. 7 - rozkład grubości ścianek wytłoczki na przekroju poprzecznym przy zastosowaniu smaru OB+ACF+TEF, a fig. 8 - wartości siły tłoczenia obliczone za pomocą MES ( Optris & Ficture - p = 8 MPa). Smar technologiczny przygotowano na bazie oleju OB z udziałem adsorpcyjnych dodatków uszlachetniających, typu FM (Friction Modifier) : acenaftylenu (C12H10) oraz proszku teflonu o gęstości teoretycznej ρ = 2,21 g/cm 3 i średniej średnicy cząstek w zakresie 0,01 do 0,5 mm. Zawartość dodatków w oleju bazowym wynosi po około 1% mas każdego dodatku. Jako oleju bazowego użyto SN150 (Hydrorafinat 5). Dla smaru według wynalazku (oznaczenie - OB+ACF+TEF), wykonano testy tribologiczne za pomocą aparatu do przeciągania pasa blachy - PPB, modelowe badania tłoczenia oraz symulację komputerową procesu tłoczenia. Badania laboratoryjne przeprowadzono na próbkach wykonanych z handlowej, ocynkowanej blachy karoseryjnej - 06JA (prod. Huta im. T. Sendzimira S.A.). Jako materiały na modelowe narzędzia do tłoczenia użyto stopowej stali narzędziowej typu NC6. W celu oceny właściwości tribologicznych tego smaru, dokonano jego oceny porównawczej w odniesieniu do oleju bazowego SN150 (oznaczenie - OB) oraz smaru będącego kompozycją oleju bazowego i pięciosiarczku didodecylowego C 12 -S 5 -C 12 (oznaczenie OB+S 5 ) - handlowego dodatku smarowego. Należy dodać, że w dalszej części wykonano również (dla blach i modelowych narzędzi) badania warstw wierzchnich za pomocą mikroskopu skaningowego Hitachi S-3000N z przystawką do mikroanalizy rentgenowskiej Vantage di oraz badania metodą XPS. Wyniki badań tribologicznych przedstawiono na fig. 1. Zamieszczone dane wyraźnie wskazują na korzystne właściwości tribologiczne smaru według wynalazku. Wartość współczynnika tarcia jest tu znacznie mniejsza w porównaniu do OB i OB+S 5. W przypadku procesów tłoczenia jest to bardzo istotne, gdyż ogólna wartość siły tłoczenia jest zależna, m.in. od sił tarcia w obszarze matryca/blacha/ /dociskacz (co modeluje aparat PPB), czy też od sił tarcia na progu ciągowym matrycy. Po badaniach tribologicznych, wykonano modelowe badania tłoczenia. Wyniki tych badań ilustruje fig. 2. Stwierdzono tutaj korzystny wpływ smaru na wartość siły tłoczenia. Znacznie niższa wartość siły tłoczenia, w porównaniu do OB i OB+S 5, oznacza że opory ruchu pod powierzchniami dociskowymi były mniejsze w przypadku smaru OB+ACF+TEF. Co potwierdza się w wartościach współczynnika tarcia z badań tribologicznych. Dodatkowo świadczy to, że materiał łatwiej wypływał spod powierzchni dociskowych, (przy znacznie niższej sile tłoczenia, pomimo takiej samej we wszystkich przypadkach siły docisku), co ma istotne znaczenia, gdyż zwiększenie siły tłoczenia podczas trwania procesu może doprowadzić do urwania wytłoczki. Należy dodać, iż pomimo łatwiejszego wypływania materiału spod dociskacza (w przypadku smaru OB+ACF+TEF), kształtowanie blachy w obszarach docisku przebiegało prawidłowo - bez fałd. Co potwierdzono później w obserwacjach powierzchni wytłoczonych miseczek. Należy dodać, że jednocześnie, znajdujący się w kompozycji, wcierany w mikronierówności teflon, może potęgować korzystne właściwości tribologiczne tego smaru. Po modelowych badaniach tłoczenia przeprowadzono obserwacje mikroskopowe powierzchni próbek i narzędzi, wykonano również badania składu chemicznego warstw wierzchnich. Fig. 3, przedstawia analizę składu chemicznego powierzchni wytłoczki wykonaną w polu odpowiadającym obszarowi jej pracy pod dociskaczem. Jak wynika z widma na powierzchni wytłoczki stwierdzono obecność węgla, tlenu, żelaza i cynku. Pomimo niewielkiego piku od węgla, jego procentowa zawartość wynosi ok. 72%. Może to oznaczać, że znajdujący się w smarze acenaftylen działa nawęglająco na powierzchnię tarcia, może też, być to potwierdzeniem wcierania się teflonu w mikronierówności powierzchni. W celu rozpoznania mechanizmu oddziaływania, z powierzchnią tarcia, smaru według wynalazku, wykonano badania składu chemicznego powierzchni matrycy w okolicach progu ciągowego, zwracając szczególną uwagę na rozkład zawartości węgla w głąb warstwy wierzchniej. Egzemplifikacją tych badań są dane zamieszczone na fig. 4. Stwierdzono dużą zawartość węgla na powierzchni i tuż pod nią. Jego 70% zawartość oznaczona w badaniach XPS, potwierdza się z wynikami mikroanalizy rentgenowskiej. Świadczy to, że obecne w smarze OB+ACF+TEF dodatki (a w szczególności acenaftylen), działają nawęglająco, co jest nie bez znaczenia, bo utwardzona poprzez nawęglanie powierzchnia jest bardziej odporna na ścieranie. Jak wykazały badania tribologiczne z udziałem smaru OB+ACF+TEF, stwierdzono jego korzystny wpływ (w porównaniu do oleju bazowego oraz kompozycji z dodatkiem S 5 ), na warunki tarcia
4 PL 199 305 B1 z wykorzystaniem ocynkowanych blach karoseryjnych. Stwierdzono też, jego korzystne oddziaływanie na stan warstwy wierzchniej modelowych narzędzi do tłoczenia. Uzyskane, dobre wyniki badań tribologicznych, potwierdzono w symulacji komputerowej procesu tłoczenia blach. Do tego celu wykorzystano, oparty na metodzie elementów skończonych, program Optris & Ficture. Główny nacisk w tych obliczeniach położono na wartość siły tłoczenia, pocienienie grubości ścianek wytłoczki i krzywe odkształceń granicznych. Przykładowe wyniki tych stymulacji przedstawiono na fig. 5 - fig. 7, na których pokazano rozkład grubości ścianek wytłoczki (na przekroju poprzecznym), dla trzech przypadków - przy założeniu smarowania: olejem OB (fig. 5), smarem OB+S 5 (fig. 6) oraz smarem OB+ACF+TEF (fig. 7). Jak wskazują przedstawione wykresy największe pocienienie ścianki wytłoczki występuje w okolicach promienia stempla. W dwóch przypadkach (fig. 5 i fig. 6), w okolicach naroża stempla widać puste (białe) miejsca - są to pola odpowiadające pocienieniu, którego symboliczne zaznaczenie za pomocą palety barw, w tym miejscu dało efekt białej plamy. W przypadku tłoczenia z udziałem OB+S 5, to przewężenie jest znacznie dłuższe niż w przypadku tarcia z udziałem OB. Wskazuje to, m.in. na zwiększone opory ruchu pod powierzchniami dociskowymi podczas tarcia w środowisku OB+S 5. W wyniku czego, podczas tłoczenia, blacha jest przytrzymywana przez docisk i następuje jej rozciąganie oraz przewężanie z największym pocienieniem na narożu stempla. Utrudnione wyciąganie materiału spod docisków, może doprowadzić do urwania wytłoczki i wpływa na zwiększenie siły tłoczenia. Należy dodać, że takiego efektu nie uzyskano dla zasymulowanego tłoczenia z udziałem smaru OB+ACF+TEF. Co jeszcze raz podkreśla korzystne właściwości tribologiczne tego smaru. Na fig 8, przedstawiono wartości siły tłoczenia uzyskane w obliczeniach za pomocą programu Optris & Ficture. Największą wartość siły tłoczenia uzyskano przy smarowaniu olejem OB+S 5. Potwierdza to wcześniejsze wyniki modelowych badań tłoczenia. Można tylko dodać, że wyniki modelowych badań tłoczenia wskazują na większe zróżnicowanie wartości siły tłoczenia, aniżeli wyniki symulacji komputerowej. Jest to spowodowane tym, iż symulacja komputerowa, nie uwzględnia szeregu zjawisk zachodzących w styku podczas tarcia. Przykładem tutaj mogą być powstające produkty zużycia czy modyfikacja fizykochemiczna powierzchni narzędzi. Przeprowadzone badania potwierdziły wysoką efektywność tribologiczną smaru technologicznego według wynalazku, w odniesieniu do kompozycji z siarkoorganicznymi dodatkami EP, podczas tarcia z udziałem ocynkowanych blach karoseryjnych. Mikroanaliza rentgenowska oraz badania metodą XPS ujawniły modyfikację fizykochemiczną powierzchni narzędzi, po procesie tarcia w środowisku smaru OB+ACF+TEF. Modyfikacja ta objawia się poprzez korzystne nawęglanie powierzchni modelowych narzędzi, co oznacza, że przy pewnych - ustalonych warunkach, można sterować trwałością i niezawodnością drogich tłoczników, wykorzystując do procesu tłoczenia przedmiotowy smar. Zastrzeżenia patentowe 1. Smar technologiczny do procesów głębokiego tłoczenia blach karoseryjnych, szczególnie ocynkowanych, składający się z oleju bazowego, znamienny tym, że zawiera dodatek acenaftylenu C12H10 oraz proszek teflonu o gęstości teoretycznej ρ = 2,21 g/cm 3 i średniej średnicy cząstek w zakresie 0,01-0,5 mm, przy czym zawartość dodatków w oleju bazowym wynosi po około 1% mas każdego dodatku. 2. Smar według zastrz. 1, znamienny tym, że jako olej bazowy zawiera olej technologiczny z grupy hydrorafinatów.
PL 199 305 B1 5 Rysunki
6 PL 199 305 B1
PL 199 305 B1 7
8 PL 199 305 B1 Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.