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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Metall und Kunststoff, insbesondere für den Trockenlauf.
Trockenlaufende Lagermaterialien sind in der Technik überall dort gefragt, wo sich die Verwendung eines Schmieröles oder-fettes verbietet, wie z. B. in der Vakuumtechnik, bei Lebensmittelmaschinen, beim Transport von fettempfindlichen Materialien wie Papier usw., aber auch einfach dort wo man ein wartungsfreies Lager braucht.
Derartige Lager werden nach verschiedenen Verfahren hergestellt. Bekannt sind Verfahren zur Herstellung metallischer Gleitlager in kompakter wie auch poröser Form. Die Trocken- und Notlaufeigenschaften sind beschränkt ; Ohne trennenden Ölfilm tritt rasch Abtragung wenigstens eines der Gleitpartner ein. Zur Verbesserung werden derartigen Lagern oft Zusätze von einigen Gewichtsprozenten eines Trockenschmierstoffes beigegeben.
Zur Herstellung derartiger Lager wird häufig die pulvermetallurgische Verfahrensweise angewendet. Das jeweilige Material wird in Pulverform mit dem gewünschten pulverförmigen Trockenschmierstoff (meist Graphit) fein vermischt, in einem zweiten Verfahrensschritt in Pressgesenken zu einem grünen noch bruchempfindlichen Formkörper verpresst und in einem dritten Verfahrensschritt durch Anwendung von Wärme zu einem festen Körper unter weitgehender Beibehaltung der äusseren Form gesintert.
Als vierter Verfahrensschritt kann noch das Kalibrieren, ein weiteres Verdichten in einem besonderen Gesenk hinzukommen, um die mechanischen Kennwerte zu verbessern, hauptsächlich aber um die Massgenauigkeit zu erhöhen.
Eine derartige Verfahrensweise bringt die Vorteile hoher Massgenauigkeit der Lager, Wegfall einer spangebenden Nacharbeit und die rationelle Herstellung grosser Stückzahlen mit sich.
Derartige Werkstoffe sind in den Werkstoffleistungsblättern des deutschen Fachverbandes für Pulvermetallurgie, Schwelm unter den Bezeichnungen "Sint H51", "Sint H52", "Sint H53" und "Sint H54" genannt und enthalten laut Spezifikation bis zu 8, 5 Gew.-% Graphit und bis zu 6 Grew.-% Blei als Trockenschmierstoffe.
Nichtsdestoweniger sind die Gleiteigenschaften solcher Verbundlager noch in vielen Fällen unbefriedigend.
In einigen Versuchen wurde beispielsweise für eine Zusammensetzung ähnlich "Sint H 53" bei Gleitgeschwindigkeiten von 8 cm/sec und einer radialen mittleren Flächenpressung von 10 kp/cm2 nach 300 h Laufzeit ein Abrieb von 40 um gegen eine gehärtete Stahlwelle von 0, 7 Mm Rt Rauhtiefe ermittelt.
Bekannt ist weiterhin auch die Herstellung von Kunststofflagern. Als Verfahren kommt meist der rationelle Spritzguss in Frage. Leider weisen auch solche Lager bedeutende Mängel auf. Das Grundmaterial ist sehr weich, so dass es unter dem Druck der Welle zu fliessen beginnt. Darüber hinaus ist der thermische Ausdehnungskoeffizient gegenüber Metallen um wenigstens den Faktor 10 höher, was zu beträchtlichen Massänderungen bei Temperaturänderungen führt. Auch die thermische Leitfähigkeit derartiger Lager ist gering, so dass sie leicht zu Überhitzungen neigen, was die genannten Schwierigkeiten verstärkt. Um diesen Übelständen zu begegnen, hat man vielfach den Kunststoffen Füllstoffe zugegeben.
Ein derartiges Lager, dessen Kunststoffmatrix aus Polytetrafluoräthylen besteht und dem als Füllstoffe Bronze und Graphit beigegeben sind, wird von einem der Hersteller als besonders geeignet für
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optimalen Stand der Technik widerspiegeln.
Leider ist auch die mögliche Herstellungsgenauigkeit beschränkt. Ohne spangebende Nachbearbeitung kann etwa die ISA Toleranzreihe 9 nach DIN7151 eingehalten werden. Anderseits scheitert der Versuch, Kunststofflager zu kalibrieren am elastischen Verhalten der Kunststoffe, nach Wegfall der äusseren Krafteinwirkung wieder die ursprüngliche Form anzunehmen.
Aus allen diesen Gründen haben sich Lager aus thermoplastischen Kunststoffen bisher nur bei Lagerungen mit geringer erforderlicher Genauigkeit bei sehr geringen Gleitgeschwindigkeiten durchsetzen können.
Wie sich aus dem oben Mitgeteilten ergibt, wäre dann ein geeigneter Trockenlauf-Lagerwerkstoff erreicht, wenn es gelänge, die positiven Eigenschaften der Metalle, nämlich hohe thermische Leitfähigkeit, mechanische Beständigkeit und Duktilität zur Erzielung hoher Massgenauigkeit mit den positiven Eigenschaften von Kunststoff, nämlich günstige Gleiteigenschaften und eventuell chemische Beständigkeit, ohne die negativen Eigenschaften der beiden Werkstoffgruppen zu verbinden.
Die deutsche Offenlegungsschrift 1608135 geht von porös-metallischen Oberflächen aus und schlägt vor, diese mit einer Kunststoff-Suspension zu imprägnieren. Dieses Verfahren ergibt keine Genauteile für die Feinmechanik, da die Schichtdichte des Kunststoffes sich nur ungenügend steuern lässt. Darüber hinaus ist die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf grosse Stückzahlen fragwürdig, das Verfahren ist zumindest aufwendig.
Demgegenüber weist das erfindungsgemässe Verfahren den Vorteil hoher Genauigkeit bei rationeller Herstellung auch grosser Stückzahlen auf.
Die deutsche Auslegeschrift 1065182 beschreibt die Ausfüllung von löcherigen metallischen Oberflächen
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mit Blei und Kunststoff. Aus verständlichen Gründen wird auf die Herstellung von kleinen Feinteilen hoher
Genauigkeit nicht eingegangen ; sie scheint kaum möglich, im Gegensatz zu dem erfindungsgemässen Verfahren.
Die franz. Patentschrift Nr. 2. 044. 739 schlägt vor, den gewünschten Verbundwerkstoff durch
Zusammenwalzen der geeigneten Ausgangsstoffe, Zusammenlegen des Walzgutes und erneutes Zusammenwalzen herzustellen, ein Verfahren, nach dem keine Formkörper hergestellt werden können, was jedoch nach dem erfindungsgemässen Verfahren möglich ist.
Die brit. Patentschrift Nr. 708, 906 geht ebenfalls vom Gedanken der Imprägnierung eines porösen
Formkörpers aus, der hier auch das Aufpressen einer Folie auf einen porösen Körper, besonders bei hoher
Temperatur umfasst. Auch dieser Methode sind bei hoher Stückzahl, geringen Teilgrössen und hoher erforderlicher Genauigkeit enge Grenzen gesetzt, wogegen das erfindungsgemässe Verfahren alle diese
Erfordernisse aufweist.
Die franz. Patentschrift Nr. 1. 355. 167 stellt hier den vorgenannten Erfindungen gegenüber eine Verbesserung dar, indem sie vorschlägt, Metallpulver und Kunststoffpulver zu vermischen und hieraus durch Pressen und
Sintern Formkörper herzustellen. Es können jedoch nur bei niedrigen Temperaturen sinternde Metalle verwendet werden, während als Kunststoffkomponente nur thermisch abgebautes PTFE brauchbar ist. Dieses weist jedoch z. B. gegenüber nicht thermisch abgebauten PTFE bedeutend ungünstigere Gleiteigenschaften auf. Dagegen ist es nach dem erfindungsgemässen Verfahren möglich, weitgehend beliebige Metalle und weitgehend beliebige thermoplastische Kunststoffe, nur nach Auswahl ihrer Gleiteigenschaften zu verwenden.
Die deutsche Offenlegungsschrift 1955082 dagegen weist gleichzeitig Wärme und Druck an. Auf diese Weise kann die Sintertemperatur einiger Metalle soweit erniedrigt werden, dass auch bei den Temperaturen der
Kunststoffverarbeitung eine deutliche Verfestigung des Metallanteiles auftritt. Leider scheint dieses Verfahren für die rationelle Herstellung grosser Stückzahlen nicht sehr geeignet, jedoch ist dies nach dieser Erfindung leicht durchführbar.
Die gegenständliche Erfindung geht von dem Gedanken eines Metall-Kunststoff-Verbundwerkstoffes aus.
Sie geht weiterhin davon aus, dass zur rationellen Fertigung einer grossen Zahl von Genauteilen das oben beschriebene pulvermetallurgische Fertigungsverfahren besonders geeignet ist. Die pulvermetallurgische
Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundkörpers bereitet jedoch Schwierigkeiten, weil es nicht möglich scheint, ein beliebiges Metall und einen beliebigen thermoplastischen Kunststoff gemeinsam zu sintern, da die
Verarbeitungstemperaturen von Kunststoffen und die Sintertemperaturen der meisten Metalle zu sehr unterschiedlich sind. Verwendet man für die Verarbeitung des Kunststoffanteiles geeignete Temperaturen, so tritt eine merkliche Verfestigung des Metallanteiles nicht auf, da hiefür die Temperatur zu niedrig ist und keine Sinterung stattfindet.
Umgekehrt, werden die für die Sinterung des Metallanteiles geeingeten Temperaturen gewählt, so unterliegt bei diesen der Kunststoffanteil einer praktisch vollständigen thermischen Zersetzung.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe zur Herstellung eines besonders gute Gleiteigenschaften aufweisenden Metall-Kunststoff-Verbundkörpers dadurch gelöst, dass Metallpulver und Kunststoffpulver miteinander vermischt werden, wobei der Metallanteil aus einer höher schmelzenden und einer niedriger schmelzenden Komponente besteht, wobei die niedriger schmelzende Komponente unterhalb der Zersetzungstemperatur des Kunststoffpulvers schmilzt.
Die so beschaffene Pulvermischung wird anschliessend zu Formkörpern verpresst und bei einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunktes der niedriger schmelzenden Metallkomponente, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der höher schmelzenden Metallkomponente sowie der Zersetzungstemperatur der Kunststoffkomponente liegt, gesintert.
Auf diese Weise wird wohl kein eigentliches Sintern bewirkt, jedoch gelingt es, die einzelnen Metallteilchen miteinander nach Art einer Lötung zu verbinden und ein festes metallisches Gerippe herzustellen.
Der so hergestellte Verbundwerkstoff braucht nicht notwendig ein Einlagerungsverbund von Kunststoff in eine metallische Matrix sein, es hat sich vielmehr eigenartigerweise gezeigt, dass ein aus zwei in sich geschlossenen Gerüstkörpern, deren einer aus Metall und deren anderer aus Kunststoff besteht, vom Gesichtspunkt des Trockenlagers aus besonders geeignet ist.
Als metallische Grundsubstanz hat sich Bronze besonders gut bewährt, es können aber auch andere lötbare Metallpulver wie beispielsweise Kupfer, Eisen, Nickel und deren Legierungen verwendet werden.
Als Lötmaterial können Blei, Zinn und deren Legierungen, aber auch andere niedrig schmelzende Metalle, die die Grundsubstanz benetzen, Verwendung finden.
Der Kunststoffanteil wird besonders vorteilhaft durch Polytetrafluoräthylen gebildet, das thermische Stabilität mit besonders günstigen Gleiteigenschaften verbindet. Es können aber auch alle andern Kunststoffe, die diese beiden Eigenschaften in ausreichendem Masse aufweisen, verwendet werden.
Das Verpressen der Pulvermischung zu Formkörpern kann in konventionellen pulvermetallurgischen Gesenken erfolgen, wobei Pressdrücke über 5 t/cm2 nicht erforderlich sind.
Die Presslinge werden anschliessend bei Temperaturbedingungen wie oben beschrieben gesintert. Zur Vermeidung einer Oxydation des Metalls empfiehlt es sich, unter reduzierendem Schutzgas oder Vakuum zu sintern, doch ist dies kein Kennzeichen des Verfahrens.
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<tb> :Metall-Graphit-Verbundkörper <SEP> 40, <SEP> um <SEP>
<tb> Käuflicher <SEP> PTFE-Verbundkörper <SEP> mit
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