DE102004029729A1

DE102004029729A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102004029729A1
Application number: DE102004029729A
Authority: DE
Inventors: Peter Radden; Rochus Hiekisch; Wolfgang Wieth; Jürgen Reichert
Original assignee: Ticona GmbH; SKF AB
Current assignee: Ticona GmbH; SKF AB
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-19
Also published as: WO2005124172A1; EP1789688A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, bestehend aus mindestens einem Innenring und mindestens einem Außenring, zwischen denen eine Anzahl Wälzkörper, insbesondere Kugeln, angeordnet sind, wobei die Wälzkörper in einem Käfig geführt werden, wobei der Käfig aus Kunststoff besteht und wobei der Kunststoff zumindest teilweise Polyarylensulfid ist. Um eine verbesserte Materialeigenschaft zu erreichen, hat der Kunststoff des Käfigs folgende Zusammensetzung: 5 bis 50 Gew.-% modifiziertes Polyolefin; 40 bis 95 Gew.-% Polyarylensulfid; 0 bis 60 Gew.-% weitere Zusatzstoffe und/oder Verarbeitungshilfsmittel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, bestehend aus mindestens einem Innenring und mindestens einem Außenring, zwischen denen eine Anzahl Wälzkörper, insbesondere Kugeln, angeordnet sind, wobei die Wälzkörper in einem Käfig geführt werden, wobei der Käfig aus Kunststoff besteht und wobei der Kunststoff zumindest teilweise Polyarylensulfid ist.
Als Material für Wälzlagerkäfige wurde bereits erfolgreich die Kunststoffe Polyethersulfon (PES), Polyetherimid (PEI), Polyamid-Imid (PAI) und Polyether-Etherketon (PEEK) eingesetzt, insbesondere, um eine hohe Temperaturbeständigkeit des Käfigmaterials bei Betriebstemperaturen von über 150°C zu erreichen.

Ein Wälzlager der eingangs genannten Art ist aus der US 5,590,225 bekannt. Dort wird Polyarylensulfid in Form von Polyphenylensulfid (PPS) als Kunststoffmaterial eingesetzt, um das Lager bzw. den Käfig weiter gegen hohe Temperaturen und raue Umgebungsbedingungen tauglich bzw. unempfindlich zu machen; angestrebt wird auch, dass die Zähigkeit des Materials möglichst hoch ist. Um dieses Ziel zu erreichen, wird dort linearkettiges Polyphenylensulfid eingesetzt, dem Glasfasern in einem Mengenanteil bis zu 45 Gewichtsprozent zugesetzt werden.

Wenngleich mit dieser Kunststoffart bzw. Kunststoffzusammensetzung bereits Käfige für Wälzlager herstellbar sind, die hohen Ansprüchen an Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturen und aggressiven Umgebungsbedingungen genügen, besteht der Wunsch nach weiterer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen raue Umgebungsbedingungen, wobei die Funktionalität des Käfigs insbesondere im Hinblick auf Zähigkeit und Härte optimiert werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kunststoffkäfig der eingangs genannten Art vorzuschlagen, dessen Material sich durch weiter verbessertes Verhalten in Bezug auf thermische Stabilität und Duktilität auszeichnet und dessen Eigenschaften ein weiter verbessertes Laufverhalten des Wälzlagers möglich macht.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Käfigs folgende Zusammensetzung hat:

5 bis 50 Gew.-%	modifiziertes Polyolefin;
40 bis 95 Gew.-%	Polyarylensulfid;
0 bis 60 Gew.-%	weitere Zusatzstoffe und/oder Verarbeitungshilfsmittel.

Vorzugsweise sind folgende Bandbreiten für die einzelnen Komponenten der Kunststoffmischung vorgesehen:

7 bis 25 Gew.-%	modifiziertes Polyolefin;
50 bis 90 Gew.-%	Polyarylensulfid;

0 bis 50 Gew.-%

weitere Zusatzstoffe und/oder Verarbeitungshilfsmittel.

Als besonders bevorzugte Mischung hat sich folgende Zusammensetzung bewährt:

10 bis 15 Gew.-%	modifiziertes Polyolefin;
55 bis 80 Gew.-%	Polyarylensulfid;
0 bis 40 Gew.-%	weitere Zusatzstoffe und/oder Verarbeitungshilfsmittel.

Der Anteil an Polyarylensulfid liegt dabei bevorzugt zwischen 57,5 Gew.-% und 66,5 Gew.-%. Der Anteil an Polyarylensulfid bei Einsatz ohne Farbmittel liegt dabei besonders bevorzugt zwischen 60,75 Gew.-% und 65,75 Gew.-% und vermindert sich beim Einsatz von Farbmittel um die Menge des eingesetzten Farbmittels.

Polyarylensulfide im Sinne der Erfindung sind lineare oder verzweigte Polymere, die Arylensulfideinheiten enthalten. Bevorzugte Polyarylensulfide sind Polyarylenthioether mit wiederkehrenden Einheiten der Formel -[(Ar¹)_n-X]_m-[(Ar²)_iY]_j-[(Ar³)_k-Z]_l-[(Ar⁴)_o-W]_p- (I)worin Ar¹, Ar², Ar³, Ar⁴ bzw. W, X, Y und Z unabhängig voneinander gleich oder verschieden sind, die Indizes n, m, i, j, k, l, o und p unabhängig voneinander Null oder ganze Zahlen 1, 2, 3 oder 4 sind, wobei ihre Summe mindestens 2 ist, Ar¹, Ar², Ar³ und Ar⁴ Arylensysteme mit 6 bis 18 C-Atomen sind und W, X, Y und Z zweiwertige Verknüpfungsgruppen darstellen, ausgewählt aus -SO₂-, -S-, -SO-, -CO-, -O-, -COO- oder Alkylen- oder Alkylidengruppen mit 1 bis 6 C-Atomen, und mindestens eine der Verknüpfungsgruppen W, X, Y oder Z aus -S- besteht.
Die Arylensysteme Ar¹, Ar², Ar³ und Ar⁴ können wahlweise substituiert oder unsubstituiert sein. Bevorzugte Arylensysteme sind Phenylen, Biphenylen, Naphthylen, Anthracen und Phenanthren. Besonders bevorzugtes Polyarylensulfid ist linearkettiges Polyphenylensulfid (PPS), welches u.a. unter den Namen ^®Fortron bekannt ist.
Das erfindungsgemäß vorgesehene modifizierte Polyolefin kann mindestens eine der folgenden Gruppen enthalten: Carboxyl-, Carboxylanhydrid-, Metalcarboxylat-, Carboxylester-, Imino-, Amino- oder Epoxygruppe. Beispiele für den modifizierten Polyolefin-Kunststoff umfassen modifizierte Polyolefin-Copolymere oder gepfropfte Copolymere, die hergestellt werden indem chemisch folgende beispielhaft aufgeführte Verbindungen, wie Maleinsäureanhydrid, Fumarsäureanhydrid, Zitronensäureanhydrid, N-Phenylmaleimid, N-Cyclohexylmaleinimid, Glyicidylacrylat, Glycidylmethacrylat, Glycidylvinylbenzoat, N-[4-(2,3-epoxpropoxy)-3,5-dimethylbenzylacrylamid (AXE), Alkylmethacrylate und/oder Derivate davon in Polyolefine, wie Polypropylen, Polyethylen oder Ethylen/Propylen-Copolymere und in Polyamid-gepfropfte Polyolefine eingeführt werden. Das modifizierte Polyolefin ist im Polymerisationsgrad nicht beschränkt, es kann auch ein Oligomer sein. Bevorzugte modifizierte Polyolefine sind
Maleinsäureanhydrid-modifiziertes Polyethylen,
Maleinsäureanhydrid-modifiziertes Polypropylen,
Maleinsäureanhydrid-modifiziertes Polyethylen/Polypropylen-Copolymer,
Fumarsäureanhydrid-modifiziertes Polyethylen,
Fumarsäureanhydrid-modifiziertes Polypropylen,
Fumarsäureanhydrid-modifiziertes Polyethylen/Polypropylen-Copolymer,
Glycidylmethacrylat-modifiziertes Polyethylen,
Glycidylmethacrylat-modifiziertes Polypropylen,
AXE-modifiziertes Polyethylen,
AXE-modifiziertes Polypropylen und
Polyamid-gepfropfte Polyolefine.
Als Zusatzstoffe und/oder Verarbeitungshilfsmittel kann der Kunststoff des Käfigs Haftvermittler, Füllstoffe, Verstärkungsstoffe, Stabilisatoren, Oxydationsverzögerer, Mittel gegen Wärmezersetzung und Zersetzung durch UV-Strahlung, Gleit- und Entformungsmittel, Färbemittel wie Farbstoffe und Pigmente, Keimbildungsmittel, Weichmacher usw. enthalten.
Als Haftvermittler kommen bevorzugt Verbindungen auf Organosilan-Basis zum Einsatz, die dem Kunststoff des Käfigs in Mengen zwischen 0 und 2 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,3 Gew.-%, zugesetzt werden. Besonders bevorzugt sind Hydroxyalkoxysilane, Epoxyalkoxysilane, Aminoalkoxysilane und Vinylalkoxysilane der allgemeinen Formel R_nSi(OR')_(4-n), wobei R einen Kohlenwasserstoff-Rest darstellt, der eine Epoxy-, Amin- oder Vinylgruppe als funktionelle Einheit enthält, n eine ganze Zahl von 1 bis 3 ist (wobei in Mischungen verschiedener Organosilane n im Durchschnitt zwischen 1 und 3 liegt) und R' eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen ist. Beispiele der erfindungsgemäßen Organosilane offenbart die US 5,731,397 (Spalte 6–8), worauf Bezug genommen wird.
Beispiele für Gleitmittel sind Ester oder Amide gesättigter oder ungesättigter aliphatischer Carbonsäuren mit 10 bis 40 C-Atomen mit aliphatischen gesättigten Alkoholen oder Aminen mit 2 bis 40 C-Atomen. Die Carbonsäuren können 1- oder 2-wertig sein. Als Beispiele seien Pelargonsäure, Palmitinsäure, Laurinsäure und besonders bevorzugt Stearinsäure, Caprinsäure sowie Montansäure (Mischung von Fettsäuren mit 30 bis 40 C-Atomen) genannt. Die aliphatischen Alkohole können 1- bis 4-wertig sein. Beispiele für Alkohole sind Glycerin, n-Butanol, n-Octanol, Stearylalkohol, Ethylenglykol, Propylenglykol, Neopentylglykol, Pentaerythrit, wobei Glycerin und Pentaerythrit bevorzugt sind. Die aliphatischen Amine können 1- bis 3-wertig sein. Beispiele für Amine sind Stearylamin, Ethylendiamin, Propylendiamin, Hexamethylendiamin, wobei Ethylendiamin und Hexamethylendiamin bevorzugt sind. Bevorzugte Ester oder Amide sind entsprechend Glycerindistearat, Glycerintristearat, Ethylendiamindistearat, Glycerinmonopalmitat, Glycerintrilaurat, und Pentaerythrittetrastearat. Die Ester oder Amide werden in Mengen zwischen 0 und 2 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,3 Gew.-%, zugesetzt. Es könne auch Mischungen verschiedener Ester oder Amide oder Ester mit Amiden in Kombination eingesetzt werden, wobei das Mischungsverhältnis beliebig ist.
Bei Füll- und/oder Verstärkungsstoffen handelt es sich um u.a. um faserförmige Verstärkungsmaterialien wie Glasfasern, Kohlenstofffasern etc. sowie nicht faserige Füllstoffe wie Glaspulver, Graphit, Ruß, Metallpulver, Metalloxide, Silikate, Carbonate und Molybdän (IV)-Sulfid. Diese Füllstoffe können mit einem Haftvermittler bzw. Haftvermittlersystem ausgerüstet sein. Die Gesamtmenge an Füll- und/oder Verstärkungsstoffen beträgt gewöhnlich bis zu 50 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 30 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmischung. Bevorzugt werden Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern eingesetzt.
Optional kann der Kunststoff des Käfigs Farbmittel in Form von beliebigen anorganischen Pigmenten, wie Titandioxid, Ultramarinblau, Kobaltblau oder organischen Pigmenten und Farben wie Phthalocyanine, Anthrachinone oder Ruß entweder einzeln oder als Gemisch oder zusammen mit polymerlöslichen Farbstoffen in Mengen von im Allgemeinen bis zu 10,0 Gew. %, bevorzugt bis zu 5,0 Gew. % enthalten, besonders bevorzugt bis zu 4,0 Gew.-%. Bevorzugt als Farbmittel werden Farbmittelkonzentrate. Die Farbmittel werden dabei üblicherweise zunächst in hoher Konzentration, meist unter Verwendung von zusätzlichen Dispergierhilfen, in polymere Trägermaterialien, auch Carrier genannt, eingemischt. Die so erhaltene Farbmittelzubereitung, auch Farbkonzentrat oder Masterbatch genannt, wird dann dem einzufärbenden Kunststoff beigemischt, um schließlich den gewünschten Farbeindruck zu erzielen. Bevorzugt werden zur Einfärbung des erfindungsgemäßen Käfigs Farbmittelkonzentrate eingesetzt.
Das vorgeschlagene Kunststoffmaterial hat in Tests eine besonders gute Eignung für Wälzlagerkäfige zutage gefördert. Insbesondere ergibt sich eine sehr gute Schlagzähigkeit, die deutlich oberhalb den Werten liegt, die bislang bei zum Einsatz kommenden Materialien beobachtet wurden.
Darüber hinaus ergab sich in überraschender Weise eine Härte des Materials, die zu einer optimalen Eignung für den Einsatz im Wälzlager führt. Die erreichte niedrigere Härte der Materialkomposition hat für Anwendungen im Wälzlager in vorteilhafter Weise zur Folge, dass ein verbesserter Schmierfilmaufbau möglich ist, der zu einer Verlängerung der Betriebsdauer des Lagers führt. Dies lässt sich durch eine erhöhte Elastizität des Materials im Mikrobereich erklären, wo es zu lokalen Oberflächentopographie-Verformungen kommt. Dadurch ist der Aufbau eines mikro-elastohydrodynamischen Schmierfilms möglich.
Weiterhin geht mit diesem Effekt ein geringerer Verschleiß einher, was sich sehr positiv im Wälzlagerbau bemerkbar macht.
Ebenfalls positiv ist die niedrigere Reibung unter Schmierung, eine geringere Geräuschentwicklung und eine höhere Elastizität des Käfigs. Dies ist durch ein sehr gutes Dämpfungsverhalten des Materials zu erklären.
Schließlich haben Untersuchungen ergeben, dass auch die Alterungsbeständigkeit der vorgeschlagenen Kunststoffmischung sehr gut ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht wie folgt aus: Die Kunststoffmischung weist folgende Zusammensetzung auf:

63,25 Gew.-%	linearkettiges Polyphenylensulfid;
11,25 Gew.-%	modifiziertes Polyolefin;
0,25 Gew.-%	Haftvermittler auf Organosilan-Basis;
0,25 Gew.-%	Gleitmittel;
25,00 Gew.-%	Verstärkungsfasern.

Als Polyphenylensulfid (PPS) kommt ^®Fortron 02141B der Ticona GmbH, Kelsterbach, zum Einsatz (CAS-Nummer: 26125-40-6).
Als modifiziertes Polyolefin wird Lotader AX8840, ein Copolymer aus Ethylen und 8 Gew.-% Glycidylmethacrylat (GMA) der Atofina Chemicals, Inc., Philadelphia (USA), eingesetzt.
Als Haftvermittler auf Organosilan-Basis wird 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (^®Silquest A-187) von GE Bayer Silicones BV, Bergen op Zoom, Niederlande, verwendet.
Das im Ausführungsbeispiel verwendete Gleitmittel ist Pentaerythrit-Tetrastearat (PETS), das unter der Markenbezeichnung ^®Glycolube P von der Lonza Ltd. oder unter der Marke ^®Loxiol EP861 von der Henkel KGaA (CAS-Nummer: 115-83-3) verfügbar ist.
Als Verstärkungsfasermaterial kommt Fiberglass 165A-11C von Owens-Corning Fiberglass Corp., Toledo, Ohio, USA, zum Einsatz.
Eine alternative Lösung sieht zusätzlich schwarzes Farbkonzentrat mit einem Anteil von 2,5 Gew.-% vor, wobei sich der Anteil des Polyphenylensulfids dann auf 60,75 Gew.-% reduziert.
Ein Härtetest (nach EN ISO 2039-1, Kugeldruckhärte getempert; 30 sec-Wert) zeigte Härtewerte zwischen 120 und 150 N/mm², was deutlich unterhalb der zu erwartenden Härte liegt, die bei dem als Grundwerkstoff zum Einsatz kommenden Polyarylensulfid jedenfalls oberhalb von 190 N/mm² liegt, und zwar bereits ohne Verstärkungsmaterial (Glas- oder Kohlenstofffasern); mit Verstärkungsmaterial von beispielsweise 40 % Glasfasern liegt die Härte sogar im Bereich von 322 N/mm².
Des weiteren ist das vorgeschlagene Kunststoffmaterial sehr gut temperaturstabil, so dass auch Lagertemperaturen von ca. 150°C und darüber dauerhaft ausgehalten werden. Dies gilt insbesondere auch bei aggressiven Umgebungsbedingungen, beispielweise in Ölen, Fetten oder sauren Chemikalien.

Claims

Wälzlager, bestehend aus mindestens einem Innenring und mindestens einem Außenring, zwischen denen eine Anzahl Wälzkörper, insbesondere Kugeln, angeordnet sind, wobei die Wälzkörper in einem Käfig geführt werden, wobei der Käfig aus Kunststoff besteht und wobei der Kunststoff zumindest teilweise Polyarylensulfid ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Käfigs folgende Zusammensetzung hat: 5 bis 50 Gew.-% modifiziertes Polyolefin; 40 bis 95 Gew.-% Polyarylensulfid; 0 bis 60 Gew.-% weitere Zusatzstoffe und/oder Verarbeitungshilfsmittel.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Käfigs folgende Zusammensetzung hat: 7 bis 25 Gew.-% modifiziertes Polyolefin; 50 bis 90 Gew.-% Polyarylensulfid; 0 bis 50 Gew.-% weitere Zusatzstoffe und/oder Verarbeitungshilfsmittel.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Käfigs folgende Zusammensetzung hat: 10 bis 15 Gew.-% modifiziertes Polyolefin; 55 bis 80 Gew.-% Polyarylensulfid; 0 bis 40 Gew.-% weitere Zusatzstoffe und/oder Verarbeitungshilfsmittel.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Polyarylensulfid zwischen 57,5 Gew.-% und 66,5 Gew.-% liegt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyarylensulfid linearkettiges Polyphenylensulfid ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das modifizierte Polyolefin ein Copolymer aus Polyethylen und Glycidylmethacrylat ist.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Copolymer zwischen 4 und 12 Gew.-%, vorzugsweise von 8 Gew.-%, Glycidylmethacrylat aufweist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Füll- und/oder Verstärkungsstoff Fiberglasfasern sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Füll- und/oder Verstärkungsstoff Kohlenstofffasern sind.