DE10226264B4 - Plain bearing composite material - Google Patents
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Abstract
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 mit PEEK und einem Schmierstoff in Form feiner Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial PEEK als matrixbildende Kunststoffkomponente und ferner eine härtende Komponente, die aus Titandioxid und/oder Siliziumcarbid besteht, aufweist, und dass der Schmierstoff und die härtende Komponente beide in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 500 nm vorliegen und der gewichtsprozentuale Anteil des Schmierstoffs in Form von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat und der härtenden Komponente bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials jeweils 3–15 Gew.-% beträgt.Plain bearing composite material with a metallic support layer, optionally with a porous carrier layer applied thereon, and with a sliding surface for one Gleitpartner forming lead-free sliding layer with a sliding layer material plastic-based with PEEK and a lubricant in the form of fine Particles of zinc sulfide and / or barium sulfate, characterized that the sliding layer material PEEK as a matrix-forming plastic component and also a curing component, which consists of titanium dioxide and / or silicon carbide, and that the lubricant and the hardening Component both in the form of fine particles with a D50 value of Particle size of at most 500 nm and the percentage by weight of the lubricant in Form of zinc sulfide and / or barium sulfate and the hardening Component based on the mass of the sliding layer material respectively 3-15% by weight is.
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 mit PEEK und einem Schmierstoff in Form feiner Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat.The The invention relates to a sliding bearing composite material with a metallic Support layer, if necessary with a porous carrier layer applied thereon, and with one sliding surface for one Gleitpartner forming lead-free sliding layer with a sliding layer material plastic-based with PEEK and a lubricant in the form of fine Particles of zinc sulfide and / or barium sulfate.
Ein
derartiger Gleitlagerverbundwerkstoff ist aus
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.bearings made of plain bearing composite materials with a sliding layer based on plastic have found widespread use in technology, and indeed for far-reaching ones Required areas, for example with regard to load capacity, chemical resistance or the temperature resistance. There are thermoplastics known and available, but where the temperature resistance only for Operating temperatures up to approx. 90 ° C guaranteed can be; These are, for example, ABS, high-pressure polyethylene (HD-PE), PVC, polysulfone (PS) and others. It also exists a number of so-called engineering thermoplastics that are suitable for use temperatures up to 150 ° C are suitable, such. 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 The present invention relates to such sliding bearing composite materials, for themselves suitable for use at continuous service temperatures above 180 ° C should. But they should also have very good tribological properties and cheap mechanical characteristics with regard to formability and a high chemical resistance exhibit. In addition to the sliding bearing composite material is the requirement put it in an industrially feasible way Produce manufacturing process.
Diese Aufgabe wird durch einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These Task is by a sliding bearing composite material with 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 added to the matrix-forming plastic component PEEK is, plays an important role. Using fine Particles in the claimed range can be a "dense" homogeneous distribution of these Reach substances in the PEEK plastic matrix. It was determined, that way, an increase in performance of the sliding bearing composite both in terms of low wear rates as also with regard to a cheap Achieves friction coefficients. The mentioned curing component and the lubricant of the sliding layer material are preferably in the form of fine particles having a D50 value of the particle size of at most 400 nm, preferably from 100-350 nm ago. The aforementioned D50 value of the particle size designated a particle size with respect to 50 wt.% Of the substance in question with a comparatively larger particle size and 50 % By weight with one in contrast smaller particle size. Since it is the lubricant particles to be added and the Particles of the hardening Component in the form of titanium dioxide and / or silicon carbide um in technical process to be produced or by technical methods sorted powdered particles is usually a bell-shaped or approximate Normal distribution form having particle size distribution curve result. Of the D50 value of the particle size becomes then nearby the maximum of the bell-shaped Distribution curve lie. It proves to be within the meaning of the present Invention as advantageous if the bell-shaped distribution curve such is that at least 60%, in particular 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 the bell maximum or around the D50 value of ± 50% of this Value, so for example at a D50 value of 330 nm in a particle size range from 330 nm ± 165 nm, ie 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 furthermore proved to be advantageous if a particle size distribution is such that the sum residue in weight percent can be described in a sieve analysis with varying mesh size t, in particular between 1 μm and 100 nm, by the following relationship: wherein in a particularly advantageous manner, the characteristic grain size d between 0.34 and 0.54 microns and the shape parameter β of the distribution 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.Of the Slide bearing composite with polyether ether ketone (PEEK) as matrix-forming Plastic component proves to be high temperature stable, d. H. he can at temperatures above 180 ° C, for example, 190 to 250 ° C, permanently be used. Although would Polyphenylsulfone (PPS) as a matrix-forming plastic component a sliding layer material due to its temperature stability up to 260 ° C at least in principle suitable; PPS, however, forms an inadequate matrix with respect to its holding power. which just tends to burst when forming and also with regard to on their tribological performance to that of PEEK not to connect can.
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 includes Although not enough, in addition to PEEK as a matrix-forming plastic component one or more other thermoplastics in the sliding layer material may be included. Their proportion should not be more than 20 wt .-%, especially not more than 10 wt .-% of the proportion of the plastic component in the sliding layer material be. Preferably, the plastic component is 100% of PEEK formed.
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 further proves to be beneficial when the fine particles of the lubricant has a particle size D50 value of at most 400 nm, in particular from 100-350 nm. The percentage by weight of the lubricant in Shape of fine particles based on the mass of 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.-%.Of Furthermore, it proves to be advantageous if the sliding layer material to increase the wear resistance a hardening one 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. As a result of that the hardening Component in the form of fine particles in the claimed size range is present, a hardening of the Materials, so an increase the wear resistance, achieved without the coefficient of friction disadvantageously essential elevated has been. The weight percentage of the curing component based to the mass of the sliding layer material is preferably 5 to 15 wt .-%.
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.Of Furthermore, it proves to be advantageous if the sliding layer material additionally Having carbon fibers, which are preferably short fibers a length from 50 to 250 μm, in particular from 60 to 150 μm is. It became namely found that such a very homogeneous distribution of Carbon fibers in the overlay material also within the pores the optionally provided porous carrier layer is achieved. Carbon fibers leave in the mentioned length range So easy in a porous Incorporating carrier layer, so that they are there with essentially the same concentration or "density" as above the carrier layer. As a result, the thermal conductivity be further improved by the resulting heat to the porous backing can be effectively derived. There are carbon fibers with a thickness of 8 to 15 microns proved to be advantageous.
Der eingangs erwähnte Schmierstoff ist von feinen Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat gebildet. 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.Of the mentioned at the beginning Lubricant is formed of fine particles of zinc sulfide and / or barium sulfate. It has been found that in the sliding bearing composite according to the invention especially in its use under extreme load conditions on the addition of PTFE, which in usual Sliding materials between 2 and 15 wt .-% is present, omitted can be. It is assumed that the intrinsically desirable 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.Of Furthermore, it proves to be advantageous if the sliding layer material additions of graphite particles in a percentage by weight to the mass of the 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 further found that the sliding layer material according to the invention adheres well to a metallic support layer and accordingly to a porous backing can also be dispensed with.
Mit dem nachfolgenden Verfahren kann der erfindungsgemäße Gleitlagerverbundwerkstoff hergestellt werden:
- – 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.
- 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 on the carrier material forming the strip material and joining under pressure and at temperatures of 300 to 500 ° C.
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.By extruding the plastic slip material into a thin ribbon shape, the application of the tape to the heated carrier tape is essential Advantages, and indeed it has been shown that the plastic sliding material in this way without requiring prior grinding into the pores of the porous backing can be introduced.
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