Brevet FR2521041A1 — publié le 19830812

La présente invention concerne un composé pour l'étirage d'un métal et son procédé d'utilisation. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2.876.200, n0 2.343.036, n0 2.372.052 et n0 2.975.139 sont relatifs au présent problème et le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 2.876.200 décrit un procédé de fabrication d'un détergent en granules ne se cristallisant pas ayant un pouvoir de blanchiment. Il n'existe dans ces brevets aucune description du cas où un produit fabriqué par le procédé décrit a des caractéristiques de lubrification ou forme un film assurant une bonne protection contre la corrosion. Les autres brevets cités ci-dessus n'ont aucun rapport avec l'objet du présent brevet. .I1 est classique de préparer des composés pour l'étirage d'un métal, sous forme de film sec, par mélange d'un savon à titrage élevé (contenant normalement des stéréates et des palmitates) et du borax (pentahydrate de tétraborate de sodium), puis d'appliquer la composition à la surface d'un métal suivant une dilution d'environ 88-147 grammes par litre dans l'eau à des températures élevées comprises dans la plage 65#800c; après ladite application, la pièce est séchée de façon à produire le revêtement par film de faible épaisseur souhaité .Alors qu'il est possible de conférer des formes diverses aux métaux sur des presses, avec la pièce revêtue de ces compositions savon-borax classiques, une déformation importante n'est pas possible, en ce sens qu'une usure excessive de la matrice et une mauvaise durée de vie de celle-ci peuvent s'être produites.En outre, dans le cas de telles déformations importantes,il n'est pas possible de produire une pièce de qualité,étant donné que les parties ainsi déformées peuvent se gondoler ou présenter une amorce de soudage avec-la matrice.Un tel soudage pourrait avoir la forme d'un soudage,puis d'un éraflement.En outre,les compositions savon-borax classiques ne confèrent sensiblement aucune résistance à la corrosion aux substrats ferreux,c'est-à-dire qu'avec un film savonborax classique appliqué sur une surface en acier au carbone il apparatt une rouille uniforme,presque complète sur la totalité de la surface de l'acier l'issue d'une présence de 24 heures dans ce qui est appelé la Cabine de Condensation Classique de Cleveland (ot la surface revêtue est exposée a une atmosphère uniforme d'eau en condensation à une température de 38*C).La nécessité d'appliquer à des températures élevées les solutions classiques formant un film sec en savon-borax est due au fait que de telles solutions ont tendance à devenir très visqueuses, de fait à ressembler à un gel,à des températures inférieures à environ 650C.Une solution pouvant être appliquée à la température ambiante est par conséquent hautement désirable. Les systèmes savon-borax classiques ne peuvent être utilisés en coeposés l'humides", car ils ont un faible pouvoir de lubrification et ne peuvent être appliqués à la température ambiante à cause de la tendance quant les solutions à former un gel. Leur utilisation en composé pour l'étirage ne peut se faire que sous forme de film sec. Compte-tenu des limitations des revêtements classiques en film sec en savon-borax,l'industrie a utilisé des compositions plus chères du type lubrifiant non-aqueux, telles que des composés chlorés et des composés contenant du bisulfure de molybdène chloré pour les étirages sévères. En plus du coût supplémentaire de ces composés, ceux-ci laissent souvent des revêtements organiques indésirables sur la surface du métal, lesquels posent des problèmes de nettoyage. C'est avec surprise que les présents inventeurs ont découvert qu'un composé en forme de film sec pour l'étirage d'un métal se trouve obtenu lorsque certaines compositions savon-borax sont formulées dans des solutions aqueuses ayant un pH compris entre environ 7,6 et une valeur inférieure à environ 9. La composition de borax classique dans une solution aqueuse a un pH d'au moins 9,0. Les compositions aqueuses de la présente invention peuvent être préparées en dissolvant un composé contenant du borate qui en solution à partir de 0,01M jusqu a la saturation donne un pH dans l'eau neutre compris entre environ 7,6 et une valeur inférieure à environ 9,0, et en'mélangeant cette solution avec un savon approprié.D'autre part, une so- lution de borax ou une autre solution d'un composé contenant un borate, qui,en solution, donne un pH d'au moins environ 9,0 peut avoir son pH ajusté par des acides organiques ou minéraux de façon à le porter à une valeur#compri- se entre environ 7,6 et une valeur inférieure à environ 9,0. En dehors des propriétés uniques de ce composé comme film sec, la solution aqueuse ayant un pH compris dans la gamme indiquée peut fonctionner convenablement en film humide en donnant des résultats comparables à ceux des com- posés classiques du type à pâte servant à l'étirage. Dans les exemples suivants de la préparation et de l'utilisation des compositions de la présente invention, des essais de corrosion ont été exécutés dans le dispositif dit Appareil D'Essai Cyclique de l'Environnement Q-C-T selon la norme ASTM D-2247-68. En outre, dans les exemples suivants, l'aptitude à l'étirage de bandes revêtues est déterminée en utilisant une machine contituée essentiellement de deuxcomposants. Le premier composant est un bloc qui maintient en position des matrices plates et fournit la charge hydraulique à celles-ci et à une bande d'essai tout en restant stationnaire pendant le test. Le second composant est un ensemble d'assuj & tissem#nt qui maintient une extrémité de la bande d'essai et se déplace vers le haut en tirant l'autre extrémité de la bande par l'intermédiaire des matrices stationnaires. La force nécessaire au déplacement de cet ensemble d'assujettissement alors que la bande d'essai revêtue est placée entre les matrices donne une mesure de la lubrification assurée par le revêtement de la bande.Selon la procédure d'essai, des panneaux en essai (dits panneaux Q) en acier laminé à froid QD-412 standard sont revêtus par immersion dans la solution d'essai pendant une durée de 2 minutes et séchés à l'air pendant une durée d'au moins 2 heures. Aucune différence n'est décelée si les panneaux sont séchés au four à une température de 650C pendant 10 minutes. Les deux matrices plates sont nettoyées avec de l'alcool isopropylique de façon à enlever tout le lubrifiant résiduel provenant de l'essai précédent, redressées avec un papier émeri fin et nettoyées de nouveau à l'alcool. La bande d'essai revêtue est alors placée entre les matrices et la charge appliquée à celles-ci. L'autre extrémité de la bande d'essai est placée entre les mâchoires de l'ensemble d'assujettissement,puis la machine est mise en marche.L'ensemble d'assujettissement se déplace vers le haut et, pendant ce déplacement, les mâchoires se rapprochent jusqu'à ce qu'elles accrochent la bande d'essai. On obtient ainsi un taux de charge de la bande uniforme et régulier. A ce stade, l'autre extrémité de la bande commence à se déplacer entre les matrices. La pression nécessaire pour que l'ensemble d'assujettissement se déplace à une vitesse constante et indiquée dans un manomètre et enregistrée automatiquement par un transducteur de pression. Après ltéti- rage, 'les matrices et la bande d'essai sont examinées quant au transfert de lubrifiant entre la bande d'essai et les matrices, et le résultat est considéré comme étant nul (5), léger (4), modéré (3), sévère (2) ou total (1). Un trans- fert excessif du composé de lubrification de l'étirage empêche l'utilisation du matériau dans une production normale où celui-ci pourrait s'amonceler dans -les matrices et avoir un effet néfaste sur les tolérances.Les forces d'éti rage enregistrées sont examinées et considérées comme égales à 5 dans le cas d'une force très faibîe,c'est-à-dire que l'aptitude à l'étirage est excellente et à 1 pour une force très élevée, c'est-à-dire pour une mauvaise aptitude à l'étirage.La valeur de l'aptitude finale à l'étirage est obtenue en multipliant l'indice de transfert du matériau par 60 S et l'indice de force d'étirage par 40 OO. Ces deux nombres sont alors ajoutés et arrondis à l'entier le plus proche de façon à donner une valeur globale d'aptitude à l'étirage. Si un transfert total de matériau s'est produit, ou si les matrices ont été éraflées par la bande d'essai, l'indice d'aptitude à l'étirage est automatiquement considéré comme étant égal à 1 (mauvais). Dans l'évaluation des solutions aqueuses de notre composé en tant que film humide, on a utilisé l'équipement décrit ci-dessus. Cependant, le procédé d'évaluation utilisé pour un film humide est différent. Des composés normaux sous forme de pâte à base d'eau sont évalués en déterminant la valeur de la force nécessaire à l'étirage des bandes revêtues par l'intermédiaire des matrices. La plage d'évaluation pour la plupart des composés d'étirage du type pâte à base d'eau en forme de film humide est comprise entre 400 et 1.000 kg par rapport à la plage 90-315 kg trouvée pour un film sec. EXEMPLE 1 On prépare une solution par mélange, avec agitation modérée, à une température de 550C, de 5 Ó de pentahydrate de tétraborate de sodium,90 Dó d'eau et 5 Ó d'un savon de sodium avec un acide# gras typique comprenant 6,3 Ó d'acide myristique, 27,4 n d'acide palmitique, 14,1 Ó d'acide stéarique, 49,0 . d'acide oléique et 3,2 d'acide linoléique. A une température de 600C, cette solution a un pH de 9,0 et une viscosité de 16 secondes mesurées avec une coupe dite Zahn n0 5. Un revêtement de cette solution effectué par immersion à une température de 60 C, puis séchage d'une durée da 2 heures à une température de 270C donne une valeur de 4 pour l'aptitude à l'étirage. Cette solution ne peut être appliquée à une température de 300C car elle forme un gel dur. La même solution est alors traitée avec 1,0 N d'acide chlorhydrique jusqu'à un pH de 8,4. La viscosité de la solution tombe à 12 secondes à une température de 600C et la valeur de l'aptitude à l'étirage reste égale à 4. Cette solution ne peut être également utilisée à une température de 300C à cause de la formation d'un gel.Le pH est alors ajusté de nouveau à 7,8. A ce point, il y a une diminution dramatique de la viscosité jusqu'à une valeur de 6 secondes pour une température de 600C et de 7 secondes pour une température de 300C. Les panneaux d'essai revêtus ont, à ces deux températures, une valeur de l'aptitude à l'étirage de 5. EXEMPLE 2 On prépare une solution avec 5 de pentahydrate de pentaborate de potassium, 90 OO d'eau et 5 Ó du savon décrit dans l'exemple 1. Le pH de cette solution est de 8,4.La viscosité est de 6 secondes à une température de 600C et de 7 secondes à une température de 300C. Les valeurs de l'aptitude à l'étirage des revêtements appliqués à ces deux températures sont de 5. Le pH de cette solution est alors ajusté à 8,7, à une température de 600C avec 1,0 N d'hydrate de soude sans changement soit de la viscosité,soit de la valeur de l'aptitude à l'étirage. Le pH est alors ajusté à 9,3 à une température de 600C et la viscosité à 12 secondes à une température de 300C. L'aptitude à l'étirage des revêtements appliqués à ces deux températures passe à 4.Une nouvelle augmentation du pH pour le porter à 9,7 avec 1,0 N d'hydrate de soude a pour effet d'augmenter dramatiquement la viscosité de la solution à une valeur supérieure à 20 secondes pour une température de 600C. A cette viscosité, il devient très difficile d'obtenir un revêtement uniforme sur la bande d'essai. A la température de 30 C, le matériau forme un gel dur. EXEMPLE 3 On prépare une solution contenant 6 S de savon au sodium, 4#% de pentahydrate de tétraborate de sodium et 90 d'eau. Le pH de la solution est de 9,0 à une température de 60 C. Deux panneaux en acier doux laminé à froid sont re vêtus par immersion dans cette solution à une température de 600C pendant 2 minutes, puis sèchent à l'air à une température de 270C pendant 2 heures. Ces panneaux sont alors placés dans l'appareil d'essai d'environnement cyclique Q-C-T pour l'évaluation de la corrosion (norme ASTI D-224768). Une sévère corrosion se développe en moins de 30 heures sur les deux panneaux. Un jeu de panneaux revêtus à une température de 300C ne peut être évalué car la solution forme un gel dur à cette température. On prépare une solution similaire avec 2,0 OD de pentahydrate de tétraborate de sodium, 2,0 Ó d'acide borique, 6,0 Ó de savon au sodium et de 90 Ó d'eau. Le pH de cette solution est de 8,7 à une température de 600C. Des panneaux en acier ne peuvent être revêtus avec cette solution aux températures de 600C et 300C, où les viscosités sont de 6 secondes (Zahn n0 5) et de 9 secondes, respectivement. Les panneaux revêtus restent dans l'appareil d'essai Q-C-T pendant 300 heures, durée maximum d'essai, sans qu'il n'y ait manifestation d'une quelconque corrosion. EXEMPLE 4 Des résultats semblables à ceux de l'exemple 3 sont obtenus lorsque du phosphate monosodique est utilisé à la place d'acide borique pour régler le pH de la solution, sauf toutefois que le pH de la solution avec le phosphate monosodique est de 8,9 à une température de 600C. EXEMPLE 5 On prépare une solution avec 6 Ó de savon au sodium, 4 Ó de pentahydrate de pentaborate de potassium et 90 Ó d'eau de robinet (la séquence de l'addition d'eau est sans importance). La solution est portée à une température de 650C. Quatre panneaux sont alors revêtus individuellement par une immersion de deux minutes à une température de 65-700C et séchés à l'air pendant 2 heures. Deux panneaux sont placés dans l'appareil d'essai q-C-T et évalués quant à leur aptitude à l'étirage. La valeur de l'aptitude à l'étirage est alors estimée à 5 pour les deux panneaux,et les panneaux de l'appareil d'essai Q-C-T sont enlevés après 300 heures sans qu'il y ait trace de corrosion sur la partie revêtue.Des panneaux revêtus d'une façon similaire avec la solution refroidie jusqu'à une température de 270C donnent des résultats identiques. Le pH de la solution est de 8,7. EXEMPLE 6 On prépare une solution et on procède au revêtement des panneaux d'une manière identique à celle de l'exemple 5, sauf toutefois que de l'octahydrate de pentaborate d'ammonium est utilisé à la place du pentahydrate de pentaborate de potassium. Les panneaux revêtus présentent une aptitude à l'étirage de 5 et une durée de corrosion de 300 heures pour les deux températures de solution (700C et 270C). Le pH de la solution est de 8,2. EXEMPLE 7 On prépare une solution et procède au revêtement des panneaux d'une manière identique à celle de l'exemple 5, sauf toutefois que du tétrahydrate d'octoborate de sodium est utilisé à la place du pantahydrate de pentaborate de potassium.Les panneaux revêtus présentent une aptitude à l'étirage de 5 et une durée de corrosion de 300 heures aux deux températures de la solution (700C et 270C). Le pH de la solution est de 8,2. EXEMPLE 8 On prépare une solution contenant 7,5 Ó en poids de décahydrate de pentaborate de potassium et 7,5 Ó en poids de savon dans l'eau. Le pH de la solution est de 8,2, et la solution est fluide à une température de 220C. Le film est évalué sans avoir été séché dans la machine d'essai d'étirage décrite précédemment à une pression des matrices de 21 bars. Lors de l'#valuation, la pression d'étirage a une valeur uniforme comprise entre 635 et 650 kg; il n'y a pas d'éraflures, ce qùi indique une bonne onctuosité. EXEMPLE 9 (Exemple de comparaison) On prépare une solution contenant 7,5 Ó en poids de savon et 7,5 en poids de pentahydrate de borax dans l'eau. Le gel résultant a un pH de 9,0 à une température de 220C et le film est appliqué au panneau sous une épaisseur de 0,1 mm avec une barre étirée enroulée en fil. La pression résultante nécessaire au maintien de l'ensemble d'assujettissement se déplaçant à une vitesse constante dépasse 1.000 kg, ce qui est l'indication d'une très mauvaise onctuosité avec présence de sérieux éraflements. EXEMPLE 10 On règle la solution de l'exemple à un pH de 7,7 avec une solution de 15 en poids d'acide borique. La solution devient complètement fluide pour cette valeur du pH à une température de 22 C. Lors de l'évaluation dans la machine d'essai d'étirage , la pression a une valeur uniforme comprise entre 635-658 kg sans qu'il y ait présence d'éraflures, ce qui indique une bonne onctuosité. EXEMPLE li On prépare une solution par mélange de 2,1 Ó en poids d'hydrate de potassium, de 7,9 en poids d'acide borique et de 7,1 en poids d'acide gras huileux toluique ayant un indice d'acide de 193, un indice de saponification de 195 et un indice d'iode de 132, le reste étant de l'eau. Le pH du mélange est réglé à 8,2 avec de L'hydrate de potassium après agitation constante du mélange pendant une heure à une température de 710C. Après refroidissement, cette solution est fluide à une température de 22du. Lors de l'évaluation dans la machine d'essai, la pression reste à une valeur de 530 kg, sans qu'il y ait présence d'éraflures,ce qui indique une bonne onctuosité. Il apparaîtra facilement dans l'exemple 11 qu'une composition aqueuse savon-borate selon la présente invention peut être préparée in ait à partir d'acide borique et de la fraction basique appropriée. D'autres essais ont été exécutés en conformité avec les exemples 1 à 10 et sont résumés dans le tableau I. Une composition selon la présente invention a été utilisée dans une chaîne industrielle de revêtement de bobines sur de l'acier inoxydable 409 de 1,4 mm. Une solution aqueuse à 10 du composé d'étirage est appliquée à une température de 20-270C avec un dispositif de revêtement à rouleau inverse. La bobine est alors acheminée dans un four de 33 mètres, lequel sert normalement au séchage des peintures. Le four est fermé et les portes d'accès ouvertes avant l'application du revêtement. La température du four est d'environ 900C avec une vitesse de la chaîne de 27-30 mètres par minute. Le poids du revêtement sec varie entre 5 et 7 grammes par mètre carré. Cet acier est alors expédié à un client où des pièces pouvant être très difficilement étirées sont fabriquées avec succès.En utilisation normale, pendant l'étirage de ces pièces difficiles à étirer, il faut des huiles très visqueuses contenant du bisulfure de molybdène. De telles huiles sont très chères et déposent des films épais qui sont difficiles à enlever des parties étirées par des procédés de nettoyage classiques. En général, de tels films devraient être enlevés avant le soudage des pièces. D'autre part, les pièces produites avec utilisation de la composition de la présente invention peuvent être soudées sans nettoyage et, en fonction de l'utilisation finale de la pièce, le film ayant la composition de la présente invention peut rester sur la pièce et faciliter réellement l'opération de soudage. Alors que le contenu total recommandé en matières solides du savon et du composé produisant un ion borate est compris entre 10 et 15 ' de la solution aqueuse, des compositions effectives selon la présente invention peuvent contenir un pourcentage aussi faible que 3 # pour un film humide, un pourcentage de 5 ' pour un film sec sur la base du savon et du composé produisant un ion borate, et peut atteindre le point de saturation du mélange du savon et des borates pour différents étirages. TABLEAU I % de sa- Type de #pH Valeur Heures Caractère von dans borate d'aptitu- jusqu a de la les soli- de à corrosion solution des to- l'étirage aux bas taux ses tem pératu- I res (25 C) 100 I 10 4 3 5 T Gel 80 KPB 8,9 5 160 Gel 60 8,7 5 160 1 OK 40 8,1 4 300 1 MN 20 7,9 3 300 MM 10 7,7 3 300 MM 80 Borax 9,0 3 10 Gel 60 9,0 4 30 Gel 40 9,0 3 30 Gel 20 9,0 3 200 Gel 10 8,9 3 200 Gel 80 AM.PB 8,9 5 300 OK 60 8,2 5 300 OK 40 7,8 4 300 MM 20 7,6 3 300 MM 10 7,3 3 300 MM 50 Savon 9,0* 4 Gel 50 % pH réglé 8,4 4 Gel Borax avec 1,0 N 7,8 5 OK HCl * Non ajusté MM - Mauvais mouilla ge KPB - Pentahydrate de pentaborate de potassium (pH = 7,6-8,5) Borax - Pentahydrate de tétraborate de sodium (pH = 9,0) AM.PB - Octahydrate de pentaborate d'ammonium (pH = 7,7-8,5). L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles pro viennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Bain de dépôt de composés d'étirage de métaux, caractérisé en ce qu'il est contitué essentiellement d'une solution aqueuse d'un mélange d'un savon et d'un composé qui produit un ion borate, le savon et le composé produisant un ion borate ayant des proportions relatives comprises entre environ 1 : 4 et environ 4 : 1 et la solution aqueuse ayant un pH compris entre environ 7,6 et une valeur inférieure à environ 9. 2 - Bain selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poids total des solides du savon et du composé produisant un ion borate est d'au moins environ 3 Ó de la solution. 3 - Bain selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé produisant un ion borate est choisi dans la classe comprenant le pentaborate de potassium, le pentaborate d'ammonium et l'octaborate de sodium. 4 - Procédé de travail de pièces métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (1) le revêtement de la surface du métal avec un composé d'étirage par application d'une solution aqueuse d'un mélange d'un savon et d'un composé qui produit un ion borate, le savon et le composé produisant un ion borate ayant des proportions relatives comprises entre environ 1 : 4 et environ 4 : 1 et la solution aqueuse ayant un pH compris entre environ 7,6 et une valeur inférieure à environ 9; (2) le séchage de la surface, à la suite de quoi un film sec est formé sur la surface; et (3) le travail de la pièce métallique. 5 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le poids total des solides du savon et du com- posé produisant un ion borate est d'au moins environ 5 Ó de la solution. 6 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le composé produisant un ion borate est choisi dans la classe comprenant le pentaborate de potassium, le pentaborate d'ammonium et l'octaborate de sodium. 7 - Pièce métallique, à titre de nouvel article de fabrication, pouvant être utilisée dans des opérations d'étirage, caractérisée en ce qu'on forme sur cette pièce un composé d'étirage, ce composé ayant été déposé à partir d'une solution aqueuse d'un mélange d'un savon et d'un composé qui produit un ion borate, le savon et le composé produisant un ion borate ayant des proportions relatives comprises entre environ 1 : 4 et environ 4 : 1 et la solution aqueuse ayant un pH compris entre environ 7,6 et une valeur inférieure à environ 9. 8 - Pièce métallique selon la revendication 7, caractérisée en ce que le composé d'étirage est formé à partir d'une solution aqueuse dans laquelle le composé produisant un ion borate est choisi dans le groupe constitué du pentaborate de potassium, du pentaborate d'ammonium et de l'octaborate de sodium. 9 - Procédé de travail des pièces métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (1) le revêtement de la surface du métal avec un composé d'étirage par application d'une solution aqueuse d'un mélange d'un savon et d'un composé qui produit un ion borate, le savon et le composé produisant un ion borate ayant des proportions relatives comprises entre environ 1 : 4 et environ 4 : 1 et la solution aqueuse ayant un pH compris entre environ 7,6 et une valeur inférieure à environ 9; puis (2) le travail de la pièce métallique. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le poids total de solides du savon et du composé produisant un ion borate est d'au moins environ 3 O de la solution. ll - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le composé produisant un ion borate est choisi dans le groupe comprenant le pentaborate de potassium, le pentaborate d'ammonium et le pentaborate de sodium.