CN101865212B - 滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

为了提供如下的滑动轴承，在所述滑动轴承中，特别是在干运转情况下，提高效率并且其特别在该干运转条件下可在很长的运行时长内耐受比迄今常见的滑动速度更高的滑动速度，提出：所述滑动轴承具有轴承体，轴承衬套构成在该轴承体中，轴承衬套的表面至少区域式地由塑料材料制备，其中，所述塑料材料包括全氟热塑性聚合物材料，必要时，与一种或多种其他高性能热塑性塑料的份额相复合，所述高性能热塑性塑料选自聚醚酮、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSO2)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)和/或聚醚酰亚胺(PEI)，以及所述聚合物和共聚物的共聚物及衍生物。

Description

滑动轴承
技术领域
本发明涉及一种滑动轴承，所述滑动轴承特别是用作干式滑动轴承，所述滑动轴承具有轴承体，在该轴承体中形成轴承衬套，所述轴承衬套的表面至少区域式地由塑料材料制备。
背景技术
在开头提到的滑动轴承的设计方案中，摩擦特性和磨损特性具有决定性的意义。滑动轴承的滑动配对件(一般为轴)通常由塑料或者金属(通常为硬化钢)制成。
开头提到的滑动轴承具有一系列优点：
-干运转(同样在真空中)在较长运行时长内是可行的；
-可通过对塑料材料进行选择或改性使得化学稳定性与相应的应用适配；
-滑动轴承的高的塑型多样性和整合性能；
-热绝缘和电绝缘是毫无问题地可行的；
-机械缓冲可以适应相应需求。
在实践中，对于开头提到的滑动轴承，首先地出现如下问题：
-滑动磨损
-运行面熔化
-轴承变形直至部分轴承熔化。
彼此相对形状配合地运动的材料配对部通常存在摩擦现象和磨损现象，正如这是对于滑动轴承是非常常见的情况那样。固体摩擦的两个主要影响因素是接触面中的粘附和变形。摩擦系数相应地受到粘附因素份额和变形因素份额的影响，所述粘附因素份额与真实接触面积成比例，并且，当极性越高且表面越光滑时，粘附因素份额越高，当粗糙度和压入深度越大时，变形因素份额越高。
因为塑料一般是很差的热导体，滑动面通常具有比整体轴承更高的温度。滑动面作为产生热的位置决定了摩擦系数和磨损，首先通过轴承温度确定滑动配对件的机械负载能力。
在滑动摩擦时，通常观察到粘滑效应，该粘滑效应通常在静态摩擦系数(静摩擦系数)大于动态摩擦系数(滑动摩擦系数)时出现，或者在振动体系中摩擦系数随升高的滑动速度而降低时出现。
为高负荷而设计的常规的滑动轴承通常在使用聚四氟乙烯(PTFE)的情况下来制备，需要的话，PTFE与高性能热塑性塑料复合，其中，在加工的复合物中还可以包含其他滑动介质，例如BN或MoS2。作为所述高性能热塑性塑料，通常使用聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)或聚酰胺(PA)与PTFE的结合。
PTFE在复合物中的高份额当然还有PTFE的单一应用对滑动轴承的滑动摩擦进行优化。而问题在于，PTFE的冷态流特性，该特性在很多情况下导致寿命不足。
在大量的应用中，滑动轴承较长的寿命是所期望的，特别是在需要大量花费以及相应的长时间的运行中断才能完成滑动轴承的更换或者安全风险需要提早更换的情况下。
例如玻璃颗粒、青铜颗粒和碳颗粒的填料的应用可以改善标准PTFE以及化学改性的PTFE的冷态流特性，而对此部分情况下极高的含量是必需的，但极高的含量却可能不利地影响PTFE的其他特性，例如机械特性，摩擦系数以及化学稳定性。将基于标准PTFE和化学改性的PTFE的一些典型材料列于表1中。
表1
表1给出的冷态流数值在23℃下，在15N/mm2的压力负荷下历经100小时并在去负荷24小时之后进行测定。
上文提到的、在其冷态流特性方面进行表征的标准PTFE是来自DuPont的701，化学改性的PTEF是PPVE共聚单体含量为0.15重量％的PTFE共聚物。在说明书的下文中也对所述材料限定进行参引。
发明内容
本发明的任务是，完成如下的滑动轴承，在所述滑动轴承中，特别是在干运转情况下，效率得到提高并且所述滑动轴承特别在该干运转的条件下可在很长的运行时长内耐受比迄今常见滑动速度更高的滑动速度。
通过根据权利要求1所述的滑动轴承来解决该任务。
令人惊讶地，对于全氟热塑性聚合物材料而言调整出显著改善的冷态流特性，所述全氟热塑性聚合物材料与化学改性的PTFE的区别首先在于更高的、以及必要时与之不同的共聚单体份额，并且具有仅稍微偏低的熔点，进一步令人惊讶地，还伴随有显著改善的磨损特性。
因此，发现的是，相对于标准和化学改性的PTFE的327℃的熔点，例如PPVE共聚单体含量为0.2至1摩尔％的材料的熔点为323至315℃。因此对于材料，应用温度也可以为250℃或更高。
另一方面，对于材料获得的冷态流数值为约2.4％，无须应用填料。
在根据本发明的滑动轴承中，可以实现大于5m/s的圆周速度(Umgangsgeschwindigkeit)，该圆周速度远大于标准PTFE和化学改性的PTFE所允许的最大圆周速度(对于标准PTFE最佳情况下为约2.5m/s；对于化学改性的PTFE最佳情况下为约3.5m/s)。
由于全氟热塑性聚合物材料仍然显示出普遍的抗化学性，根据本发明的滑动轴承可以具有那些对于迄今基于标准PTFE和化学改性的PTFE的滑动轴承行不通的应用。
对侧棱压力的不敏感性以及无腐蚀性和缺乏的吸水性以及食品和药物管理局(FDA)许可的可能性为根据本发明的滑动轴承开辟了各种各样的应用领域。
作为全氟热塑性塑料材料，特别考虑包含0.2摩尔％的最低份额共聚单体的四氟乙烯(TFE)共聚物。该共聚单体优选选自六氟丙烯、全氟烷基乙烯基醚、全氟-(2，2-二甲基-1，3-间二氧杂环戊烯)和氯三氟乙烯。
TFE与氯三氟乙烯的共聚物在本发明的上下文中也归入全氟塑料材料，因为其中与氟不同的卤素份额相对较小。
在本发明的范围内，通常使用的聚烷基乙烯基醚类型的共聚单体是全氟正丙基乙烯基醚(PPVE)。对于该共聚单体推荐份额小于3.5摩尔％，这是因为在这里PTFE特性尽可能保持获得，并且尽管如此，热塑性加工是可行的。另外，共聚单体份额优选限制在小于约3摩尔％，更优选的是小于约2.5摩尔％的共聚单体份额，例如1摩尔％或更少或者0.5摩尔％或更少。
特别优选使用可热塑性加工的PTFE，其也被称作可熔融加工的PTFE或简称为m-PTFE。大量的所述材料例如被记载在WO01/60911和WO03/078481中。
在本发明中，四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)也表现为合适的全氟的可热塑性加工的塑料材料。
作为根据本发明的待使用的全卤的、特别是全氟塑料材料，除了上述TFE共聚物之外，还可以使用PTFE和一种或多种其他可热塑性加工氟化塑料的聚合物共混物。
其他全卤塑料材料特别选自PTFE微粉。在这种情况下，涉及的是具有与高分子(标准)PTFE相比分子量低并且熔体粘度低的PTFE类型。该PTFE类型典型地要么通过乳液聚合、通过高分子PTFE在挤出机中的热机械降解，要么通过高分子PTFE的辐照降解和随后的研磨工艺而制得。
常规或高分子(标准)PTFE和低分子PTFE微粉的特性差异如下所示(参见S.Ebnesajjad，Fluoroplastics，Vol.1，Non-MeltProcessibleFluoro-plastics，VerlagWilliamAndrewPublishing，2000)：
产品 分子量 380℃下的熔体粘度，以Pa·s计
标准PTFE 约106-约108 约1010-约1013
微粉 约104-约106 约102-约105
这种聚合物共混物的示例同样被记载于公开文献WO01/60911和WO03/078481中。
需要强调的根据本发明的可使用的塑料材料的特性是，可在进行切削加工的CNC机床上被很好地加工。这为根据本发明的滑动轴承开辟了新的制备方法。
根据本发明的可使用的优选塑料材料可以包含添加剂，特别是占塑料材料总质量至多60重量％的数量份额的添加剂。特别优选的根据本发明的可使用的塑料材料包含至多40重量％的添加剂。
添加剂的典型下限为约0.5重量％。
当塑料材料中包含颜料作为添加剂时，这种类型的添加剂的下限典型地为约0.01重量％。塑料材料中颜料份额的上限典型地为约3重量％。
还可以考虑有机填料和无机填料作为添加剂。
填料可以是例如呈纤维形式，颗粒状或针形。
特别优选的是功能性填料，例如固体润滑物质，例如BN、SiC、MoS2、石墨、青铜、煤灰、碳纤维等。基于填料份额，根据本发明的可使用的塑料材料具有改善的机械特性，而当填料份额保持在上述界限中时，全氟聚合物材料的有利特性未显著恶化。
当在根据本发明的滑动轴承中使用包含全氟热塑性聚合物材料和一种或多种其他高性能热塑性塑料的复合物时，其他高性能聚合物占根据本发明的可使用的复合物的总质量的份额优选为3重量％或更多。在低于该份额的情况下，特性改善部分地不是特别显著。
另一方面，全氟的可热塑性加工聚合物占复合物总质量的份额优选为3重量％或更多。这确保全氟聚合物材料的特性仍然明显。
由于选择PTFE成分作为全卤的、特别是全氟热塑性聚合物材料，可以在结构形成方面获得具有高均质性的复合物。
这特别表现在，对于根据本发明的可使用的复合物，通过对于热塑性塑料常见的方法(即例如通过挤出或压铸方法)加工之后，在凝固的最终产物中，各个成分不再能够作为两种粉末状物质的原来的混合物被识别。
与根据本发明的可使用的复合物相对地，通过特定方法(例如与光学显微镜相结合或使用偏振光的着色技术)在常规复合物中辨识各成分的相。依照所使用的PTFE的类型，在复合物中仍然获得或大或小的PTFE岛状结构，对于乳液聚合的PTFE，尺寸典型地为约0.2μm或更多，在悬液聚合的PTFE的情况下，尺寸典型地为约15μm或更多。
与之相对地，根据本发明的可使用的复合物基本上没有PTFE岛状结构。
在根据本发明的可使用的复合物中，对与其他高性能聚合物的混合比例的限制得以取消，这种对混合比例的限制对于标准PTFE复合物来说是显著的。
根据本发明的可使用的复合物的组成在全氟热塑性聚合物材料(特别是可熔融加工的PTFE)的份额以及一种或多种其他高性能聚合物成分份额方面可以在很宽的范围内改变。
令人惊讶地，根据本发明的可使用的复合物相对于常规PTFE复合物显示出显著改善的机械特性。
特别地，可以制备出根据本发明的包含高份额其他高性能聚合物和低份额可热塑性加工的PTFE的复合物，该复合物具有很高的断裂伸长率，也就是断裂伸长率值为例如20％或更多，更优选为30％或更多。所给出的断裂伸长率值相应于在应用根据ASTMD-638的V型测试体来自根据DINENISO527-1的测试的数值。
当一方面需要高性能聚合物的纯净成分的典型特性范畴(Eigenschaftsspektrum)，即高的模量E(E-Modul)、高的变形抗力和高的断裂强度，另一方面高性能聚合物的高脆性妨碍了成功应用的时候，所述特性在下述情况下是特别需要的。
与其他高性能聚合物相比，PTFE材料，特别还有标准PTFE，本来就具有高得多的断裂伸长率值。但在这里也观察到，在复合物中其份额变大的情况下，断裂伸长率值大大下降。
与此相对地，根据本发明的可使用的复合物在全氟聚合物材料的份额相对于其他高性能聚合物(特别是PI或PPS)的份额比例相同的情况下，具有明显更有利的断裂伸长率值，这在大量的滑动轴承应用中具有重要意义。
此外，根据本发明的可使用的复合物适用于制备耐高温的结构件，该结构件表现出有利的耐火性能。所述结构件在飞机结构中是非常令人感兴趣的。
另外，根据本发明的可使用的复合物极佳地适用于压铸制备，其中，特别地，所获得的结构件的高机械强度对于压力负荷和拉力负荷是有利的。在长期压力负荷下，在室温下以及在至多250℃的温度下，较高的压力稳定性是非常有利的。
此外，可以制备具有改善的滑动特性的根据本发明的可使用的复合物，其中，一方面可以避免粘滑效应，并且另一方面摩擦系数非常低，特别是对于具有高份额可熔融加工的PTFE的根据本发明的复合物。在这里，当滑动速度为V＝0.6m/s且垂直于滑动方向的负荷为0.5至1.5N/mm2时，摩擦系数可以在0.1至0.3的范围内。
低摩擦系数的结果之一是根据本发明的可使用的复合物的低磨损值。这对于滑动轴承应用也是重要的。
此外，由根据本发明的可使用的复合物制成的结构件也适用于较高的单位面积压力，显示出低的磨损以及更长的寿命。在这里又是对于滑动轴承应用的重要特性。
与在相同百分比组成下包含标准PTFE或化学改性的高分子PTFE作为全氟成分的复合物相比，根据本发明的具有全氟热塑性聚合物材料(特别是m-PTFE)的复合物的上述优点是适用的。
优选地，通过熔体复合途径制备根据本发明的可使用的复合物。
附图说明
下面，结合附图和示例对本发明的所述优点和其他优点进行阐释。其中分别为：
图1示出用于根据本发明的滑动轴承的测试机的示意图；
图2示出用于形成根据本发明的滑动轴承的箔片冲切件；
图3示出棒状物(Stift)在盘片上的磨损测试的结果的图形表达；
图4示出棒状物在轴上的磨损测试的结果的图形表达。
具体实施方式
示例1
在测试机(图1)中，以12000min-1下在2周的持续运行下，在室温下对由100重量％MF10005(例如可用于制冰机的搅拌器中)制备的呈滑动轴承套筒形式的滑动轴承在磨损方面进行测试。
所述塑料材料MF10005是共聚单体PPVE的共聚单体份额为1.7重量％的所谓的m-PTFE。熔融流速率MFR(327/5)为5g/10min。
图1的测试机10包括具有轴承接纳部14的轴承座12，该轴承接纳部14穿过整个轴承座12贯穿延伸。该轴承接纳部14在其下端部16上具有突起部18，该突起部18为装入轴承接纳部14中的滑动轴承套筒20形成支座。该滑动轴承套筒具有1mm的壁厚。该滑动轴承套筒的高度为6mm。该滑动轴承套筒的自由直径为10mm。
在测试中该滑动轴承套筒20接纳轴22，该轴22具有10mm的直径并且由不锈钢(X210Cr12型)制备。
该滑动轴承套筒20由箔片件24(图2)通过卷起而形成并且然后被插入轴承接纳部14中，所述箔片件24由从熔体挤出的、1mm厚的、由MF10005形成的箔片中以图2中所示的平行四边形的型体冲切而成。
由此制备的滑动轴承在2周的连续运行之后仍然没有磨损痕迹。
对照例1
为了对比，从由烧结而成的标准PTFE材料(DuPont的701)形成的圆柱体上铣削下来的厚度为1mm的箔片上冲切出具有与上述实施例相同尺寸的箔片件，将箔片件卷起并同样地作为滑动轴承套筒在测试机10中经受测试。测试条件与对于根据本发明的滑动轴承的测试条件相同。2周的持续运行之后，该滑动轴承已被磨损到必须更换的程度。
示例2
对于根据本发明的依照ISO3547-1的滑动轴承(衬套或轴颈衬套)，对于塑料材料组成a、b和c获得表2的最大运行数据。
表2
特性 a b c
干运转下的最大圆周速度[m/s] ＞5 1.5 1.5
最大静态面积压力[N/mm2] 15 45 80
应用温度范围[℃] -250至+250 -250至+250 -250至+250
塑料材料组成a、b和c如下：
a：100重量％MF10005
b：60重量％MF10010、30重量％PEEK、10重量％碳纤维
c：20重量％MF10005，80重量％PEEKMF10010与MF10005的不同在于为10g/min的较高的MFR值，共聚单体含量在两种类型中是相同的。
示例3
在示例3中，对比基于标准PTFE(试件a)和m-PTFE(试件b)的具有不同碳纤维含量的塑料材料的磨损测试结果。使用MF10005作为m-PTFE。
使用直径为10mm的塑料材料棒状物作为试件体。使用0.42N/mm2的力将该塑料材料棒状物压向由不锈钢(X210Cr12)形成的盘片中。钢制盘片的压入深度Rz为2μm。钢制盘片的温度为100℃，相对速度为4m/s。测试时长分别为100h。测试气氛：空气。该测试根据DINISO7148-2进行。
对于10至20重量％的碳纤维含量的测试结果示于图3中。
示例4
在示例4中，对比呈标准PTFE(试件a)、改性的PTFE(试件b)和m-PTFE(MF10005)(试件c)形式的塑料材料的磨损测试结果。
使用直径为10mm的棒状物作为试件体。使用0.21N/mm2的力以1.91μm的压入深度Rz将该棒状物压到由不锈钢(X210Cr12)制成的轴中。在测试中，在轴与棒状物之间的滑动速度为4m/s，测试气氛为空气，测试温度为100℃。该测试根据DINISO7148-2进行。
对于1小时测试时长的测试结果由图4获悉。

Claims (24)

1.滑动轴承，所述滑动轴承具有轴承体，轴承衬套构成在所述轴承体中，所述轴承衬套的表面至少区域式地由塑料材料制备，其中，所述塑料材料是全氟能热塑性加工的聚合物材料与一种或多种其他的高性能热塑性塑料的份额复合而成的复合物，其中，所述高性能热塑性塑料选自聚醚酮类、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSO2)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)和/或聚醚酰亚胺(PEI)，以及聚醚酮类、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSO2)、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)和/或聚醚酰亚胺(PEI)的共聚物及衍生物，其中，所述全氟能热塑性加工的聚合物材料包含能熔融加工的PTFE，其中，所述复合物具有一种或多种其他的高性能热塑性塑料和所述全氟能热塑性加工的聚合物材料的份额的均匀分布，使得在凝固的最终产物中，所述全氟能热塑性加工的聚合物材料和所述高性能热塑性塑料不再能够作为两种粉末状物质的原来的混合物被识别，其中，所述复合物具有为20％或更多的断裂伸长率值，所给出的断裂伸长率值相应于应用根据ASTMD-638的V型测试体根据DINENISO527-1的测试的数值。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述全氟能热塑性加工的聚合物材料占所述塑料材料的份额为3重量％或更多。
3.根据权利要求2所述的滑动轴承，其特征在于，所述全氟能热塑性加工的聚合物材料占所述塑料材料的份额为97重量％或更少。
4.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述聚醚酮类选自聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)和聚芳醚酮(PEAK)以及聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)和聚芳醚酮(PEAK)的共聚物及衍生物。
5.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述PPS和/或所述PPSO2为化学改性的PPS或PPSO2。
6.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述聚酰胺(PA)是高温聚酰胺(HTPA)。
7.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述聚酰胺是聚芳基酰胺和/或聚邻苯二甲酰胺和/或聚间苯二甲酰胺。
8.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述塑料材料以熔体复合途径制成为复合物。
9.根据权利要求8所述的滑动轴承，其特征在于，所述复合物基本是无孔的。
10.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述能熔融加工的PTFE包含TFE共聚物，其中，所述TFE共聚物包含有份额为0.2摩尔％或更多的共聚单体。
11.根据权利要求10所述的滑动轴承，其特征在于，所述共聚单体选自六氟丙烯、全氟烷基乙烯基醚、全氟-(2,2-二甲基-1,3-间二氧杂环戊烯)和氯三氟乙烯。
12.根据权利要求11所述的滑动轴承，其特征在于，所述共聚单体为PPVE并且以大于等于0.2摩尔％并小于3.5摩尔％的含量包含在所述TFE共聚物中。
13.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述塑料材料包含添加剂。
14.根据权利要求13所述的滑动轴承，其特征在于，包含有一种或多种填料作为添加剂。
15.根据权利要求14所述的滑动轴承，其特征在于，所述一种或多种填料选自BN、SiC、MoS2、碳纤维、青铜、煤灰和石墨。
16.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述轴承体基本上完全由塑料材料制成。
17.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，所述轴承体包括金属结构件，所述金属结构件包括轴承衬套，所述轴承衬套至少区域式地被涂以所述塑料材料。
18.根据权利要求17所述的滑动轴承，其特征在于，通过层压或直接挤出将所述塑料材料施加到所述金属结构件上。
19.根据权利要求17或18所述的滑动轴承，其特征在于，所述金属结构件为钢件或青铜件。
20.根据权利要求17或18所述的滑动轴承，其特征在于，所述金属结构件包括由金属织物或金属网制成的元件。
21.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于，在压铸方法中或者借助切削步骤来制备所述滑动轴承。
22.根据权利要求1或2所述的滑动轴承，其特征在于，所述滑动轴承是干式滑动轴承。
23.根据权利要求1至22任一项所述的滑动轴承作为干式滑动轴承的应用。
24.根据权利要求1至22任一项所述的滑动轴承在真空条件下作为滑动轴承的应用。
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