DE102014222283A1 - Kunststoffaufweisender selbstschmierender Lagerkäfig - Google Patents

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Abstract

Offenbart wird ein kunststoffaufweisender Lagerkäfig für ein Wälzlager, insbesondere für ein Radlager, der zumindest teilweise aus einer Kunststoffzusammensetzung hergestellt ist, wobei die Kunststoffzusammensetzung strahlenbehandeltes PTFE und einen Matrixkunststoff umfasst, und wobei der Matrixkunststoff PEEK, PA, PPA, PEI, PESU, POM, PPS, PP oder Kombinationen davon umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen kunststoffaufweisenden Lagerkäfig für ein Wälzlager, wobei der Lagerkäfig zumindest teilweise eine Kunststoffzusammensetzung umfasst sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Lagerkäfigs.
  • Lagerkäfige, insbesondere kunststoffaufweisende Lagerkäfige werden in allen Bereichen des Maschinenbaus, eingesetzt und nehmen aufgrund der durch sie erreichbaren Gewichtsreduktion einen großen Stellenwert ein.
  • Neben der Gewichtsreduktion können Kunststoffkäfige gegenüber metallischen Werkstoffen zudem auch mechanische und fertigungstechnische Vorteile aufweisen. So können kunststoffaufweisende Wälzlagerkäfige beispielsweise selbstschmierend und gießbar sein.
  • Als Kunststoff bei selbstschmierenden Lagern kommt unter anderem Polytetrafluorethylen (PTFE) aufgrund seiner positiven Gleiteigenschaften zum Einsatz. PTFE zeichnet sich beispielsweise durch einen geringen Reibungskoeffizienten, Chemikalienbeständigkeit und eine gute Schlagzähigkeit aus. Aufgrund seiner guten Antihafteigenschaft lässt sich PTFE jedoch nur schlecht als Füllstoff an andere Matrixkunststoffe anbinden. Als eine Folge können sich PTFE-Partikel bei Reibung eines Gegenkörpers, beispielsweise bei einem Wälzkörper, sehr leicht aus der umgebenden Matrix herauslösen und stehen somit für eine weitere Schmierwirkung nicht mehr zur Verfügung. Außerdem zeigen mit PTFE-Pulver gefüllte Kunststoffe eine deutliche Reduzierung der Schlagzähigkeit, da die Rissbildung bevorzugt an der schlecht haftenden Grenzfläche zwischen dem PTFE-Pulver und der Kunststoffmatrix stattfindet.
  • Aus der DE 10 2006 030 836 B4 ist ein Wälzlagerkäfig für Dentalgeräte bekannt, der aus strahlenbehandeltem PTFE und dem Matrixkunststoff Polyamidimid (PAI) besteht. Die Strahlenbehandlung von PTFE führt zu einer verbesserten Anbindung an den Matrixkunststoff.
  • Nachteilig an Wälzlagerkäfigen aus dieser Kunststoffzusammensetzung ist jedoch, dass sich PAI direkt nach der Formgebung spröde verhält und deshalb für längere Zeit bei hohen Temperaturen getempert werden muss. Im mittleren und schweren Maschinenbau, zum Beispiel im Fahrzeugbau, werden hinsichtlich des Lagermaterials hohe Anforderungen in Bezug auf Belastbarkeit sowie tribologische Eigenschaften gestellt. Daher sind aus PAI hergestellte Lagerkäfige in diesem Bereich Grenzen gesetzt, da ein Temperschritt, um die im Maschinenbau benötigte strukturelle Stabilität bereitzustellen, beispielsweise aufgrund der größeren Lagermaße, zu zeit- und kostenintensiv wäre.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Lagerkäfig für ein Wälzlager, insbesondere für den Fahrzeugbau, mit verbesserten mechanischen und/oder tribologischen Eigenschaften bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen kunststoffaufweisenden Lagerkäfig gemäß Patentanspruch 1, sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Lagerkäfigs gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein kunststoffaufweisender Lagerkäfig für ein Wälzlager bereitgestellt, der zumindest teilweise aus einer Kunststoffzusammensetzung hergestellt ist. Um verbesserte mechanische und tribologische Eigenschaften bereitzustellen, umfasst die Kunststoffzusammensetzung strahlenbehandeltes Polytetrafluorethylen (PTFE) sowie einen Matrixkunststoff aus Polyetheretherketon (PEEK), Polyamid (PA), Polyphthalamid (PPA), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PESU), Polyoxymethylen (POM), Polyphenylsulfid (PPS), Polypropylen (PP) oder Kombinationen davon.
  • Der Matrixkunststoff PEEK zeichnet sich beispielsweise durch eine hohe Festigkeit und Härte aus. Daneben verfügt PEEK auch über sehr gute Reib- und Gleiteigenschaften sowie eine hohe Abriebsfestigkeit. Die Erfinder haben überraschender Weise festgestellt, dass sich strahlenbehandeltes PTFE sehr gut an PEEK anbinden lässt, wobei die positiven Eigenschaften von PTFE und PEEK erhalten bleiben. Die Kunststoffzusammensetzung aus strahlenbehandeltem PTFE und PEEK zeichnet sich beispielsweise durch eine verbesserte Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit, eine höhere Schlagzähigkeit und Bruchdehnung sowie durch einen niedrigen Reibungskoeffizienten und geringeren Verschleiß aus. Des Weiteren kann ein Temperschritt bei der weiteren Bearbeitung aufgrund der geringen Sprödigkeit der Kunststoffzusammensetzung entfallen. Analoges hat sich für die Matrixkunststoffe PA, PPA, PEI, PESU, POM, PPS, PP gezeigt.
  • Grund für die verbesserte Anbindung von strahlenbehandeltem PTFE ist, dass bei der Strahlenbehandlung funktionelle Gruppen bereitgestellt werden, über die das sonst bindungsresistente PTFE zumindest teilweise chemisch und/oder physikalisch an den Matrixkunststoff gebunden werden kann. Die chemische und/oder physikalische Bindung von PTFE an den Matrixkunststoff kann beispielsweise über kovalente Bindungen, elektrostatische Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Bindungen und/oder hydrophobe Wechselwirkungen erfolgen. Insbesondere weist das oberflächenaktivierte PTFE Carbonsäurefluoridgruppen(-COF Gruppen), -Carbonsäuregruppen(-COOH Gruppen) und/oder Perfluoralkylengruppen auf, die zumindest teilweise an den Matrixkunststoff gebunden vorliegen können, zum Beispiel in Form einer kovalenten Acylbindung oder Wasserstoffbrückenbindung.
  • Diese besonders feste Anbindung des strahlenbehandelten PTFE an den Matrixkunststoff führt zu einer hohen mechanischen und thermischen Belastbarkeit und langen Lebensdauer des Lagerkäfigs. Dadurch ist der erfindungsgemäße Lagerkäfig insbesondere den hohen Geschwindigkeiten und Gewichtsbelastungen des Einsatzes in der Fahrzeugtechnik gewachsen.
  • Die Strahlenbehandlung von PTFE erfolgt vorzugsweise über Elektronenbestrahlung. Generell ist jedoch auch jede andere Art von Oberflächenaktivierung von PTFE möglich. Die Elektronenbestrahlung von PTFE erfolgt beispielsweise mit einer Dosis von 300–900 kGy, vorzugsweise bei 500–700 kGy.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Lagerkäfig einen Anteil von strahlenchemisch behandeltem PTFE in der Kunststoffzusammensetzung von 1 bis 80 Masseprozent, bevorzugt 5 bis 60 Masseprozent und besonders bevorzugt 10 bis 30 Masseprozent in Bezug auf die Gesamtmasse der Kunststoffzusammensetzung auf.
  • In diesen Anteilen werden besonders vorteilhafte tribologische Eigenschaften des Lagerkäfigs erreicht, das heißt eine gute Schmierung bei geringer Reibung und geringem Verschleiß, während gleichzeitig der Anteil des Matrixkunststoffs eine hohe Wärmeformbeständigkeit und mechanische Stabilität gewährleistet.
  • Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel liegt das strahlenbehandelte PTFE in der Kunststoffzusammensetzung in Partikelform vor. Vorzugsweise besitzt dabei das strahlenbehandelte PTFE eine mittlere Partikelgröße d50 von kleiner gleich 150 µm, bevorzugt kleiner gleich 100 µm und besonders bevorzugt kleiner gleich 50 µm. In diesen Ausführungen liegt eine besonders günstige Gesamtoberfläche der strahlenbehandelten PTFE-Partikel in der Kunststoffzusammensetzung vor und es werden vorteilhafte tribologische und mechanische Eigenschaften des Lagerkäfigs erreicht. Grundsätzlich ist der Partikelgröße des strahlenbehandelten PTFE keine Untergrenze gesetzt, solange keine Agglomeration der Partikel stattfindet und sich die Partikel gut an den Matrixkunststoff anbinden lassen.
  • Vorteilhafter Weise umfasst PTFE mindestens 30%, mindestens 50%, mindestens 70% oder mindesten 90% eines PTFE-Rezyklats oder besteht insgesamt aus einem PTFE-Rezyklat. Die Verwendung von rezykliertem PTFE-Pulver wirkt sich kostenreduzierend und umweltschonend aus, da der Ausstoß von gesundheitsgefährlichen Perfluorkohlenwasserstoffe bei der Herstellung beziehungsweise der Entsorgung von PTFE in die Umwelt reduziert werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Kunststoffzusammensetzung zusätzlich Verstärkungsfasern auf. Geeignete Verstärkungsfasern sind beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern sowie Kombinationen dieser Fasermaterialien. Auf diese Weise kann die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Lagerkäfige vorteilhaft erhöht werden, um beispielsweise besonders belastbare Radlager für die Fahrzeugtechnik zu realisieren.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend einen kunststoffaufweisenden Lagerkäfig wie oben beschrieben. Solche Wälzlager können vorteilhafter Weise in allen Bereichen des Maschinenbaus eingesetzt werden. Es ist beispielsweise möglich, das erfindungsgemäße Wälzlager in der Fahrzeugtechnik einzusetzen, beispielsweise als Radlager. Insbesondere ist der Einsatz als Radlager in einem Schienenfahrzeug, beispielsweise einem Hochgeschwindigkeitszug, vorgesehen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerkäfigs gemäß den vorherigen Ausführungsformen, insbesondere für ein Radlager, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • a) Strahlenbehandeln des PTFE,
    • b) Compoundierung von strahlenbehandeltem PTFE mit einem Matrixkunststoff, wobei der Matrixkunststoff PEEK, PA, PPA, PEI, PESU, POM, PPS, PP oder Kombinationen davon umfasst,
    • c) Ausformung des Lagerkäfigs.
  • Eine thermische Nachbehandlung, beispielsweise mittels Tempern, des auf diese Weise hergestellten Lagerkäfigs ist aufgrund der gewählten Matrixkunststoffe nicht erforderlich. Dadurch ist der Lagerkäfig nach der Ausformung und Ausgestaltung direkt verwendbar, zum Beispiel in einem Wälzlager. Dies resultiert in einer Zeit- und Kostenreduzierung.
  • Das Strahlenbehandeln kann in Gegenwart eines Reaktionsgases durchgeführt werden. Ein geeignetes Reaktionsgas ist zum Beispiel Luft oder Sauerstoff. Es kann auch ein Absorbermaterial bei der Strahlenbehandlung zugegen sein, um bei der Bestrahlung entstehenden aggressiven Fluorwasserstoff zu binden. Ein geeignetes Absorbermaterial ist zum Beispiel Aktivkohle. Weitere geeignete Absorbermaterialien sind dem Fachmann bekannt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Mahlen von PTFE, insbesondere von PTFE-Rezyklat. Das Mahlen kann vor oder nach dem Strahlenbehandeln des PTFE erfolgen. Bevorzugt wird das Mahlen des PTFE nach dem Strahlenbehandeln durchgeführt.
  • Bei der Compoundierung von strahlenbehandeltem PTFE und dem Matrixkunststoff kann weiterhin ein Fasermaterial, beispielsweise Kohlenstoff -und/oder Glasfasern, zugefügt werden, um die strukturelle Stabilität zu erhöhen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel ist rein exemplarischer Natur und soll nicht den Schutzbereich der Anmeldung festlegen. Dieser wird allein durch die Patentansprüche definiert.
  • Es zeigt:
  • 1: ein Flussdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Lagerkäfigs aus strahlenbehandeltem PTFE und einem Matrixkunststoff, bei dem in einem ersten Schritt 1 PTFE bereitgestellt wird. Dabei ist besonders bevorzugt ein PTFE-Rezyklat zu verwenden, bei dem es sich um Sekundärmaterial handelt, beispielsweise vorgemahlene sortenreine Dreh- und Frässpäne aus der spanenden Verarbeitung. Selbstverständlich ist auch möglich, ein PTFE-Rezyklat gemischt mit PTFE-Neuware zu nehmen oder insgesamt PTFE-Neuware, wie beisielsweise TF 2025 der Firma Dyneon/3M, zu verwenden.
  • In einem zweiten Schritt 2 wird das PTFE-Rezyklat mittels Strahlenbehandlung, insbesondere einer Elektronenbestrahlung, oberflächenaktiviert. Die Strahlendosis beträgt dabei vorzugsweise ca. 500 kGy. Die Strahlenbehandlung erfolgt unter zu Hilfenahme eines Reaktionsgases, wie beispielsweise Sauerstoff. Zusätzlich kann ein Absorbermaterial, zum Beispiel Aktivkohle, verwendet werden, um den bei der Bestrahlung entstehenden aggressiven Fluorwasserstoff zu binden. Das oberflächenaktivierte PTFE-Rezyklat weist durch die Strahlenbehandlung Carbonsäurefluoridgruppen(-COF Gruppen), Carbonsäuregruppen(-COOH Gruppen) und/oder Perfluoralkylengruppen auf, die Bindungen zum Beispiel in Form einer kovalenten Acylbindung oder Wasserstoffbrückenbindung, eingehen können.
  • Durch die Strahlenbehandlung aus Schritt 2 wird für das weitere Verfahren oberflächenaktiviertes PTFE-Rezyklat (siehe Bezugszeichen 3) bereitgestellt, das als Pulverform vorliegt. Die mittlere Größe d50 der Partikel nimmt mit steigender Strahlendosis ab. Da das PTFE-Rezyklat durch die Strahlenbehandlung im Gegensatz zu PTFE-Neuware jedoch nicht oder nur ungenügend zu Feinpulver zerfällt, wird in einem Schritt 4 das oberflächenaktivierte PTFE-Rezyklat in einem Mahlschritt zerkleinert, wodurch ein feinpulverförmiges oberflächenaktiviertes PTFE-Rezyklat (siehe Bezugszeichen 5) bereitgestellt wird. Das Mahlen erfolgt in entsprechenden Mühlen, die dem Fachmann bekannt sind, beispielweise in einer Rotorschnellmühle. Die mittlere Partikelgröße des PTFE-Rezyklats liegt danach in einem Bereich von d50= 30–100 µm. Es ist jedoch generell möglich, die Partikel weiter zu verkleinern, solange keine Agglomeration dieser Partikel auftritt.
  • Um einen Lagerkäfig aus strahlenbehandelten PTFE und einen Matrixkunststoff herzustellen, wird ein Matrixkunststoff beispielsweise PEEK in einem Schritt 6 bereitgestellt. Der Matrixkunststoff weist zusätzlich Verstärkungsfasern auf, zum Beispiel Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Anschließend wird das pulverisierte oberflächenaktivierten PTFE-Rezyklat mit dem Matrixkunststoff compoundiert (Schritt 7). Die Compoundierung der Kunststoffzusammensetzung erfolgt vorzugsweise durch Beimischung des strahlenbehandelten PTFE-Rezyklat-Pulvers in einem Anteil von ca. 30 Masseprozent in Bezug auf die Gesamtmasse der Kunststoffzusammensetzung.
  • Die Compoundierung selbst kann in einem Extruder erfolgen. Hierbei kommt es beispielsweise durch die Ausbildung von kovalenten Acylbindungen und nicht-kovalenten Wasserstoffbrücken zur chemischen und/oder physikalischen Anbindung des strahlenbehandelten PTFE-Rezyklats an den Matrixkunststoff. In anderen Matrixkunststoffen, zum Beispiel Polyamiden, können auch direkt Amidbindungen (PTFE-CO-NH-PA) erzeugt werden.
  • Nach der Compoundierung erfolgt in einem Schritt 8 das Ausformen des Lagerkäfigs mittels eines Spritzgießverfahrens. Hierdurch ist eine besonders einfache und gestaltungsflexible Formgebung gewährleistet.
  • Eine thermische Nachbehandlung, wie beispielsweise ein Temperschritt, des auf diese Weise hergestellten Lagerkäfigs ist nicht erforderlich. Dies resultiert in einer Zeit- und Kostenersparnis.
  • Nach dem Aushärten kann der Lagerkäfig in ein Wälzlager eingebaut werden (Schritt 9).
  • Der erfindungsgemäße Lagerkäfig zeichnet sich aufgrund seiner Kunststoffzusammensetzung durch besonders hohe Chemikalienbeständigkeit aus und eignet sich daher für die Verwendung in Kombination mit Schmierfetten mit EP-Zusätzen. Gleichzeitig weist der Lagerkäfig eine hohe mechanische Stabilität und Wärmeformbeständigkeit auf. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaftskombination eignet sich der Lagerkäfig zum Beispiel für ein Eisenbahnradsatzlager.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006030836 B4 [0005]

Claims (10)

  1. Kunststoffaufweisender Lagerkäfig für ein Wälzlager, insbesondere für ein Radlager, der zumindest teilweise eine Kunststoffzusammensetzung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffzusammensetzung strahlenbehandeltes Polytetrafluorethylen (PTFE) und einen Matrixkunststoff umfasst, wobei der Matrixkunststoff Polyetheretherketon (PEEK), Polyamid (PA), Polyphthalamid (PPA), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PESU), Polyoxymethylen (POM), Polyphenylsulfid (PPS), Polypropylen (PP) oder Kombinationen davon umfasst.
  2. Kunststoffaufweisender Lagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass PTFE mittels Elektronenbestrahlung behandelt vorliegt, wobei die Strahlendosis vorzugsweise > 400kGy, noch mehr bevorzugt 500–700 kGy beträgt.
  3. Kunststoffaufweisender Lagerkäfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von PTFE in der Kunststoffzusammensetzung 1 bis 80 Masseprozent, bevorzugt 5 bis 60 Masseprozent und besonders bevorzugt 10 bis 30 Masseprozent in Bezug auf die Gesamtmasse der Kunststoffzusammensetzung beträgt.
  4. Kunststoffaufweisender Lagerkäfig nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass PTFE in Partikelform mit einer mittleren Partikelgröße d50 von kleiner gleich 150 µm, bevorzugt kleiner gleich 100 µm und besonders bevorzugt kleiner gleich 50 µm in der Kunststoffzusammensetzung vorliegt.
  5. Kunststoffaufweisender Lagerkäfig nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass PTFE ungefähr mindestens 30%, mindestens 50%, mindestens 70% oder mindesten 90% eines PTFE-Rezyklats umfasst oder aus einem PTFE-Rezyklat besteht.
  6. Kunststoffaufweisender Lagerkäfig nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffzusammensetzung, insbesondere der Matrixkunststoff, Verstärkungsfasern aufweist, vorzugsweise Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern.
  7. Wälzlager mit einem kunststoffaufweisenden Lagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Wälzlager insbesondere ein Radlager ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Lagerkäfigs, insbesondere für ein Radlager, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Strahlenbehandeln des PTFE, vorzugsweise in Gegenwart eines Reaktionsgases; b) Compoundierung von strahlenbehandeltem PTFE und des Matrixkunststoffs, wobei der Matrixkunststoff PEEK, PA, PPA, PEI, PESU, POM, PPS, PP oder Kombinationen davon umfasst; und c) Ausformen des Lagerkäfigs.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin das Mahlen von PTFE umfasst, insbesondere des PTFE-Rezyklat, wobei das Mahlen vorzugsweise nach dem Strahlenbehandeln erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt b) ein Fasermaterial, insbesondere Kohlenstoff -und/oder Glasfasern zu der Kunststoffzusammensetzung hinzugefügt werden.
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