DE10226264A1 - Friction bearing composite has sliding layer with nanoparticles of lubricant and hardening component in polyether ether ketone matrix, produced by melt extrusion and bonding under pressure on supporting strip - Google Patents

Friction bearing composite has sliding layer with nanoparticles of lubricant and hardening component in polyether ether ketone matrix, produced by melt extrusion and bonding under pressure on supporting strip

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Abstract

In a friction bearing composite with a metallic supporting layer, optional porous bearing layer and a lead-free sliding layer with plastics-based material forming a sliding area for a sliding partner, the sliding layer material has a PEEK (polyether ether ketone) matrix and also contains a lubricant and a hardening component, both in the form of fine particles with a D50 value of at most 500 nm. An Independent claim is also included for production of the composite material by supplying and preheating a strip forming the supporting layer, forming a strip of the sliding layer material by extrusion of the premixed and molten material, placing this on the supporting strip and bonding under pressure at 300-500 degrees C.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht, gegebenenfalls mit einer darauf aufgebrachten porösen Trägerschicht, und mit einer eine Gleitfläche für einen Gleitpartner bildenden bleifreien Gleitschicht mit einem Gleitschichtmaterial auf Kunststoffbasis. The invention relates to a plain bearing composite material a metallic support layer, optionally with a porous carrier layer applied thereon, and with a Lead-free sliding surface for a sliding partner Sliding layer with a sliding layer material Plastic base.

Gleitlager aus Gleitlagerverbundwerkstoffen mit einer Gleitschicht auf Kunststoffbasis haben in der Technik eine weite Verbreitung gefunden, und zwar für weitestreichende Anforderungsbereiche, etwa im Hinblick auf die Belastbarkeit, Chemikalienbeständigkeit oder die Temperaturbeständigkeit. Es sind Thermoplaste bekannt und erhältlich, bei denen jedoch die Temperaturbeständigkeit nur für Betriebstemperaturen bis ca. 90°C gewährleistet werden kann; es sind dies beispielsweise ABS, Hochdruck-Polyethylen (HD-PE), PVC, Polysulfon (PS) und andere. Es existiert aber auch eine Anzahl von sogenannten technischen Thermoplasten, die sich für Einsatztemperaturen bis ca. 150°C eignen, wie z. B. POM, PET, PA. Plain bearings made of plain bearing composite materials with a Plastic-based sliding layers have one in technology found widespread, for far-reaching Requirement areas, for example with regard to resilience, Chemical resistance or temperature resistance. It Thermoplastics are known and available, but the Temperature resistance only for operating temperatures up to approx. 90 ° C can be guaranteed; for example ABS, high pressure polyethylene (HD-PE), PVC, polysulfone (PS) and other. But there are also a number of so-called engineering thermoplastics, suitable for operating temperatures up to approx. 150 ° C, such as B. POM, PET, PA.

Die vorliegende Erfindung betrifft solche Gleitlagerverbundwerkstoffe, die sich für den Einsatz bei Dauergebrauchstemperaturen von oberhalb 180°C eignen sollen. Sie sollen dabei aber auch sehr gute tribologische Eigenschaften und günstige mechanische Kennwerte im Hinblick auf Umformbarkeit sowie eine hohe Chemikalienbeständigkeit aufweisen. Zudem wird an den Gleitlagerverbundwerkstoff die Forderung gestellt, dass er sich in einem industriell durchführbaren Herstellungsverfahren produzieren lässt. The present invention relates to such Plain bearing composite materials that are suitable for use in Continuous use temperatures of above 180 ° C should be suitable. But they are also said to be very good tribological Properties and favorable mechanical characteristics with regard on formability and high chemical resistance exhibit. In addition, the slide bearing composite material Requested that he be in an industrial feasible manufacturing process.

Diese Aufgabe wird durch einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This task is accomplished by using a plain bearing composite solved the features of claim 1.

Es wurde mit der Erfindung festgestellt, dass der Teilchengröße des Schmierstoffs, welcher der matrixbildenden Kunststoffkomponente PEEK zugesetzt ist, eine wichtige Bedeutung zukommt. Unter Verwendung von feinen Teilchen im beanspruchten Bereich lässt sich eine "dichte" homogene Verteilung dieser Stoffe in der PEEK-Kunststoffmatrix erreichen. Es wurde festgestellt, dass auf diese Weise eine Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gleitlagerverbundwerkstoffs sowohl im Hinblick auf geringe Verschleißraten als auch im Hinblick auf einen günstigen Reibkoeffizienten erreichen lässt. Die erwähnte härtende Komponente und der Schmierstoff des Gleitschichtmaterials liegen vorzugsweise in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 400 nm, vorzugsweise von 100-350 nm vor. Der vorerwähnte D50-Wert der Teilchengröße bezeichnet eine Teilchengröße, bezüglich der 50 Gew.-% des betreffenden Stoffs mit einer demgegenüber größeren Teilchengröße und 50 Gew.-% mit einer demgegenüber kleineren Teilchengröße vorliegen. Da es sich bei den zuzusetzenden Schmierstoffpartikeln und bei den Partikeln der härtenden Komponente in Form von Titandioxid und/oder Siliziumcarbid um in technischen Verfahren herzustellende bzw. nach technischen Verfahren sortierte pulverförmige Partikel handelt, wird üblicherweise eine glockenförmige oder annähernd Normalverteilungsform aufweisende Teilchengrößenverteilungskurve resultieren. Der D50-Wert der Teilchengröße wird dann in der Nähe des Maximums der glockenförmigen Verteilungskurve liegen. Es erweist sich im Sinne der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft, wenn die glockenförmige Verteilungskurve derart ist, dass sich wenigstens 60%, insbesondere wenigstens 70% und vorzugsweise wenigstens 80 Gew.-% des betreffenden Stoffs mit einer Teilchengröße innerhalb eines Teilchengrößenbereichs um das Glockenmaximum herum oder um den D50-Wert herum von ±50% dieses Werts vorliegen, also beispielsweise bei einem D50-Wert von 330 nm in einem Teilchengrößenbereich von 330 nm ±165 nm, also von 165 nm bis 495 nm. It was found with the invention that the Particle size of the lubricant, which of the matrix-forming Plastic component PEEK is added, an important one Importance. Using fine particles in the claimed area can be a "dense" homogeneous Distribution of these substances in the PEEK plastic matrix to reach. It was found that in this way a Increase the performance of the Plain bearing composite material both in terms of low Wear rates as well in terms of a cheap one Coefficient of friction can be achieved. The mentioned hardening Component and the lubricant of the sliding layer material are preferably in the form of fine particles with a D50 value the particle size of at most 400 nm, preferably of 100-350 nm. The aforementioned D50 value of particle size denotes a particle size with respect to which 50% by weight of the substance with a larger one Particle size and 50 wt .-% with a smaller one Particle size are available. Since it is to be added Lubricant particles and the particles of the hardening Component in the form of titanium dioxide and / or silicon carbide to be produced in technical processes or according to technical Process is sorted powdered particles usually a bell-shaped or approximate Normal distribution form Particle size distribution curve result. The D50 value of the Particle size is then close to the maximum of bell-shaped distribution curve. It turns out in According to the present invention as advantageous if the bell-shaped distribution curve is such that at least 60%, especially at least 70% and preferably at least 80% by weight of the substance in question with a Particle size within a particle size range around that Bell maximum around or around the D50 value of ± 50% this value, for example with a D50 value of 330 nm in a particle size range of 330 nm ± 165 nm, that is from 165 nm to 495 nm.

Es hat sich des Weiteren als zweckmäßig erwiesen, wenn eine Teilchengrößenverteilung derart ist, dass der Summenrückstand in Gewichtsprozent bei einer Siebanalyse mit variierender Maschenweite t, insbesondere zwischen 1 µm und 100 nm, durch folgende Beziehung beschrieben werden kann:


wobei in besonders vorteilhafter Weise die charakteristische Korngröße d zwischen 0,34 und 0,54 µm und der Formparameter β der Verteilung zwischen 2,4 und 3, 4 beträgt. Eine bevorzugte Verteilung ist gekennzeichnet durch eine charakteristische Korngröße von 0,440 µm (440 nm) und einem Formparameter β von 2,87. It has also proven to be expedient if a particle size distribution is such that the total residue in percent by weight in a sieve analysis with a varying mesh size t, in particular between 1 μm and 100 nm, can be described by the following relationship:


in a particularly advantageous manner the characteristic grain size d is between 0.34 and 0.54 μm and the shape parameter β of the distribution is between 2.4 and 3.4. A preferred distribution is characterized by a characteristic grain size of 0.440 μm (440 nm) and a shape parameter β of 2.87.

Der Gleitlagerverbundwerkstoff mit Polyetheretherketon (PEEK) als matrixbildender Kunststoffkomponente erweist sich als hochtemperaturstabil, d. h. er kann bei Temperaturen oberhalb von 180°C, beispielsweise 190 bis 250°C, dauerhaft eingesetzt werden. Zwar würde sich Polyphenylsulfon (PPS) als matrixbildende Kunststoffkomponente eines Gleitschichtmaterials aufgrund seiner Temperaturstabilität bis 260°C zumindest grundsätzlich eignen; PPS bildet jedoch eine im Hinblick auf ihr Haltevermögen ungenügende Matrix, die gerade beim Umformen zum Aufplatzen neigt und auch im Hinblick auf ihre tribologische Leistungsfähigkeit an diejenige von PEEK nicht anzuschließen vermag. The plain bearing composite with polyether ether ketone (PEEK) as a matrix-forming plastic component proves to be high temperature stable, d. H. it can at temperatures above from 180 ° C, for example 190 to 250 ° C, permanently be used. While polyphenylsulfone (PPS) would prove to be Matrix-forming plastic component of a Sliding layer material due to its temperature stability 260 ° C are at least generally suitable; However, PPS forms one insufficient matrix with regard to their holding capacity, the tends to burst especially when forming and also with regard to on their tribological performance to that of PEEK is unable to connect.

Die vorliegende Erfindung schließt zwar nicht aus, dass neben PEEK als matrixbildender Kunststoffkomponente noch ein oder mehrere weitere Thermoplaste in dem Gleitschichtmaterial enthalten sein dürfen. Ihr Anteil sollte aber nicht mehr als 20 Gew.-%, insbesondere nicht mehr als 10 Gew.-% des Anteils der Kunststoffkomponente in dem Gleitschichtmaterial betragen. Vorzugsweise ist die Kunststoffkomponente zu 100% von PEEK gebildet. The present invention does not rule out that in addition to PEEK as a matrix-forming plastic component or several other thermoplastics in the sliding layer material may be included. Your share should not exceed 20% by weight, in particular not more than 10% by weight of the proportion of the plastic component in the sliding layer material. The plastic component is preferably 100% PEEK educated.

Es erweist sich des weiteren als vorteilhaft, wenn die feinen Teilchen des Schmierstoffs einen D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 400 nm, insbesondere von 100-350 nm aufweisen. Der gewichtsprozentuale Anteil des Schmierstoffs in Form feiner Teilchen bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials beträgt vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%. It also proves to be advantageous if the fine Particles of the lubricant have a D50 value of particle size of at most 400 nm, in particular from 100-350 nm. The percentage by weight of the lubricant in the form fine particles based on the mass of the The sliding layer material is preferably 5 to 15% by weight.

Des weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Gleitschichtmaterial zur Erhöhung des Verschleißwiderstands eine härtende Komponente in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 400 nm, insbesondere von 100 nm bis 350 nm aufweist. Dadurch, dass die härtende Komponente in Form feiner Teilchen im beanspruchten Größenbereich vorliegt, wird eine Härtung des Materials, also eine Erhöhung des Verschleißwiderstands, erreicht, ohne dass der Reibkoeffizient in nachteiliger Weise wesentlich erhöht wurde. Der gewichtsprozentuale Anteil der härtenden Komponente bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials beträgt vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%. Furthermore, it proves advantageous if that Sliding layer material to increase wear resistance a hardening component in the form of fine particles with a D50 value of the particle size of at most 400 nm, in particular from 100 nm to 350 nm. Because the hardening Component in the form of fine particles in the claimed Size range, there is a hardening of the material, ie an increase in wear resistance achieved without the coefficient of friction is significantly increased disadvantageously has been. The percentage by weight of the hardening component based on the mass of the sliding layer material preferably 5 to 15% by weight.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die härtende Komponente Titandioxid und/oder Siliciumcarbid umfasst. Ganz besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die härtende Komponente von Titandioxid gebildet ist. It has proven to be particularly advantageous if the curing component titanium dioxide and / or silicon carbide includes. An embodiment is very particularly preferred, in which the hardening component is formed by titanium dioxide.

Des weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Gleitschichtmaterial zusätzlich Kohlenstofffasern aufweist, bei denen es sich vorzugsweise um Kurzfasern einer Länge von 50 bis 250 µm, insbesondere von 60 bis 150 µm handelt. Es wurde nämlich festgestellt, dass solchenfalls eine sehr homogene Verteilung der Kohlenstofffasern im Gleitschichtmaterial auch innerhalb der Poren der gegebenenfalls vorgesehenen porösen Trägerschicht erreicht wird. Kohlenstofffasern im genannten Längenbereich lassen sich also leicht in eine poröse Trägerschicht einarbeiten, so dass sie dort im wesentlichen mit derselben Konzentration oder "Dichte" vorliegen wie oberhalb der Trägerschicht. Hierdurch kann die Wärmeleitfähigkeit weiter verbessert werden, indem die entstehende Wärme an die poröse Trägerschicht effektiv abgeleitet werden kann. Es haben sich Kohlenstofffasern mit einer Dicke von 8 bis 15 µm als vorteilhaft erwiesen. Furthermore, it proves advantageous if that Sliding layer material additionally has carbon fibers, which are preferably short fibers of a length of 50 to 250 microns, in particular from 60 to 150 microns. It it was found that such a very homogeneous distribution of the carbon fibers in the Sliding layer material also within the pores of the optionally provided porous carrier layer is reached becomes. Carbon fibers in the length range mentioned can be So work easily into a porous support layer so that they there with essentially the same concentration or "Density" is present as above the carrier layer. hereby the thermal conductivity can be further improved by the resulting heat to the porous support layer effectively can be derived. There are carbon fibers a thickness of 8 to 15 microns has proven to be advantageous.

Der eingangs erwähnte Schmierstoff kann in vorteilhafter Weise in Form feiner Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat gebildet sein. Es wurde festgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoff gerade bei dessen Einsatz unter Extremlastbedingungen auf den Zusatz von PTFE, das in üblichen Gleitwerkstoffen zwischen 2 und 15 Gew.-% vorhanden ist, verzichtet werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass der an sich erwünschte Einfluss von PTFE auf die tribologischen Eigenschaften einer Werkstoffzusammensetzung von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat erbracht werden kann. The lubricant mentioned at the outset can advantageously in the form of fine particles of zinc sulfide and / or barium sulfate be educated. It was found that the Slide bearing composite material according to the invention just at its Use under extreme load conditions on the addition of PTFE, in conventional sliding materials between 2 and 15% by weight is present, can be dispensed with. It will assumed that the desired influence of PTFE on the tribological properties of a Material composition of zinc sulfide and / or barium sulfate can be provided.

Des weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Gleitschichtmaterial Zusätze von Graphitpartikeln in einem gewichtsprozentualen Anteil bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials von 5 bis 15 Gew.-% aufweist. Furthermore, it proves advantageous if that Addition of graphite particles in one percentage by weight based on the mass of the Has sliding layer material of 5 to 15 wt .-%.

Es wurde des weiteren festgestellt, dass das erfindungsgemäße Gleitschichtmaterial hervorragend auf einer metallischen Stützschicht haftet und demgemäß auf eine poröse Trägerschicht auch verzichtet werden kann. It was also found that the inventive Sliding layer material excellent on a metallic Support layer adheres and accordingly to a porous carrier layer can also be dispensed with.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Durch das Extrudieren des Kunststoffgleitmaterials in eine dünne Bandform, das Aufbringen des Bands auf das erhitzte Trägerband ergeben sich wesentliche Vorteile, und zwar hat es sich gezeigt, dass das Kunststoffgleitmaterial auf diese Weise ohne vorheriges Zermahlen zu erfordern in die Poren der porösen Trägerschicht eingebracht werden kann. The invention further relates to a method for Manufacture of a plain bearing composite material according to the invention with the features of claim 13. By extruding the Plastic sliding material in a thin band shape, the Applying the tape to the heated carrier tape results substantial advantages, and it has been shown that the Plastic sliding material in this way without prior Require grinding into the pores of the porous support layer can be introduced.

Claims (13)

1. Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht, gegebenenfalls mit einer darauf aufgebrachten porösen Trägerschicht, und mit einer eine Gleitfläche für einen Gleitpartner bildenden bleifreien Gleitschicht mit einem Gleitschichtmaterial auf Kunststoffbasis, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial PEEK als matrixbildende Kunststoffkomponente und ferner einen Schmierstoff und eine härtende Komponente, beide in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 500 nm aufweist. 1. plain bearing composite material with a metallic support layer, optionally with a porous carrier layer applied thereon, and with a lead-free sliding layer forming a sliding surface for a sliding partner with a sliding layer material on a plastic basis, characterized in that the sliding layer material PEEK as a matrix-forming plastic component and also a lubricant and a hardening agent Component, both in the form of fine particles with a D50 value of the particle size of at most 500 nm. 2. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff und/oder die härtende Komponente in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 400 nm, insbesondere von 100-350 nm vorliegen 2. plain bearing composite material according to claim 1, characterized characterized that the lubricant and / or the hardening component in the form of fine particles with a D50 value of the particle size of at most 400 nm, in particular from 100-350 nm 3. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtsprozentuale Anteil des Schmierstoffs in Form feiner Teilchen bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials 3-15 Gew.-%, insbesondere 5-15 Gew.-% des Gleitschichtmaterials beträgt. 3. plain bearing composite material according to claim 1 or 2, characterized in that the weight percentage Proportion of the lubricant in the form of fine particles on the mass of the sliding layer material 3-15% by weight, in particular 5-15% by weight of the sliding layer material is. 4. Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtsprozentuale Anteil der härtenden Komponente bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials 3-15 Gew.-%, insbesondere 5-15 Gew.-% beträgt. 4. Plain bearing composite material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the percentage by weight of the hardening component based on the mass of the sliding layer material 3-15% by weight, is in particular 5-15% by weight. 5. Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die härtende Komponente Titandioxid und/oder Siliziumcarbid umfasst. 5. Plain bearing composite material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the hardening component titanium dioxide and / or silicon carbide includes. 6. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die härtende Komponente aus Titandioxid und/oder Siliziumcarbid besteht. 6. plain bearing composite material according to claim 5, characterized characterized that the curing component from Titanium dioxide and / or silicon carbide. 7. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die härtende Komponente von Titandioxid gebildet ist. 7. plain bearing composite material according to claim 6, characterized characterized that the hardening component of Titanium dioxide is formed. 8. Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial zusätzlich Kohlenstofffasern aufweist. 8. Plain bearing composite material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the Sliding layer material additionally carbon fibers having. 9. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern eine Länge von 50-250 µm, insbesondere 60-150 µm aufweisen. 9. plain bearing composite material according to claim 8, characterized characterized in that the carbon fibers have a length of Have 50-250 microns, especially 60-150 microns. 10. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern eine Dicke von 8-15 µm aufweisen. 10. plain bearing composite material according to claim 8 or 9, characterized in that the carbon fibers have a Have a thickness of 8-15 µm. 11. Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff in Form feiner Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat gebildet ist. 11. Plain bearing composite material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the Lubricant in the form of fine particles of zinc sulfide and / or barium sulfate is formed. 12. Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial Zusätze von Graphitpartikeln in einem gewichtsprozentualen Anteil bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials von 5-15 Gew.-% aufweist. 12. Plain bearing composite material according to one or more of the preceding claims, characterized in that the Sliding layer material additions of graphite particles in a percentage by weight based on the mass of the sliding layer material of 5-15% by weight. 13. Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagerverbundwerkstoffs nach Anspruch 1, umfassend: - Zuführen eines die Trägerschicht bildenden Bandmaterials und Vorerwärmen des Bandmaterials, - Bilden eines bandförmigen Gleitschichtmaterials aus dem zuvor gemischten und erschmolzenen Gleitschichtmaterial durch Extrudieren der Schmelze, - Zuführen des bandförmigen Gleitschichtmaterials auf das die Trägerschicht bildende Bandmaterial und Zusammenfügen unter Druck und bei Temperaturen von 300 bis 500 C°. 13. A method of making a plain bearing composite material according to claim 1 comprising: Feeding a strip material forming the carrier layer and preheating the strip material, Forming a band-shaped sliding layer material from the previously mixed and melted sliding layer material by extruding the melt, - Feeding the band-shaped sliding layer material onto the band material forming the carrier layer and joining under pressure and at temperatures of 300 to 500 ° C.
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