DE112020006094T5 - Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements und Gleitelement - Google Patents

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Masato Baba
Hisashi Oogi
Kouichi Kamioka
Takahiro Fujimoto
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Fine Polymer Inc
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, und umfasst die Verarbeitung eines Materials, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, und die Bestrahlung eines verarbeiteten Körpers, der in dem Verarbeitungsschritt erhalten wird, mit einem Elektronenstrahl.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements und ein Gleitelement.
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität auf Grundlage der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-225660 , die am 13. Dezember 2019 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Gleitelemente werden zum Beispiel für Lager für Automobilmotoren und Motoren anderer Industriemaschinen sowie für Antriebsteile, Kolbenpackungen und dergleichen im Automobilbereich verwendet. Als ein solches Gleitelement ist ein Gleitelement, das Fluorharz, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), als Oberflächenschicht enthält, gut bekannt (siehe Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2018-185007 ). Durch die Verwendung von PTFE wird der dynamische Reibungskoeffizient gegenüber einem Gegenwerkstoff reduziert, während die Verschleißfestigkeit beibehalten wird, und das Gleitelement eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, chemische Beständigkeit, hohe Schmierfähigkeit, Wärmebeständigkeit, Wetterbeständigkeit, Nichtentflammbarkeit und dergleichen aufweisen kann. Das heißt, ein Gleitelement, das PTFE verwendet, zeigt hervorragende Gleitfähigkeit.
  • Das Gleitelement kann hergestellt werden, indem ein Material, das PTFE als Hauptkomponente enthält, auf ein Basismaterial geschichtet wird, z.B. durch Extrusion, und das Material mit einem Elektronenstrahl in einer sauerstofffreien Umgebung und geschmolzenem Zustand bestrahlt wird.
  • ZITATLISTE
  • PATENTLITERATUR
  • Patentliteratur 1: japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2018-185007
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, und die Verarbeitung eines Materials umfasst, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält sowie die Bestrahlung eines verarbeiteten Körpers, der durch die obige Verarbeitung erhalten wird, mit einem Elektronenstrahl.
  • Ein Gleitelement gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Gleitelement, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, wobei das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl vernetzt wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung illustriert.
    • 2 ist eine schematische Seitenansicht, die ein Verfahren zur Herstellung von verarbeiteten Beispielkörpern illustriert.
    • 3 ist ein Beispiel für eine DSC-Kurve eines Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • [Zu lösendes Problem in der vorliegenden Offenbarung]
  • PTFE-Gleitelemente werden in geeigneter Weise durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl in einer sauerstofffreien Umgebung und in einem geschmolzenen Zustand vernetzt, um ihre hervorragenden Eigenschaften zu entwickeln. Bei der Herstellung herkömmlicher PTFE-Gleitelemente gibt es daher noch Raum für Verbesserungen in Bezug auf die Effizienz der Herstellung, was die Einrichtungen zur Herstellung der sauerstofffreien Umgebung und des geschmolzenen Zustands sowie die erforderliche Energie und Zeit betrifft.
  • Die vorliegende Offenbarung wurde auf der Grundlage der oben erwähnten Situation erzielt, und ein Ziel ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements bereitzustellen, das eine ausgezeichnete Gleitfähigkeit aufweist und die Herstellungseffizienz erhöhen kann, sowie das Gleitelement.
  • [Vorteilhafte Effekte der vorliegenden Offenbarung]
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß der vorliegenden Offenbarung und das Gleitelement gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen eine ausgezeichnete Gleitfähigkeit auf und können die Herstellungseffizienz erhöhen.
  • [Beschreibung der Ausführungsformen]
  • Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass durch Verwendung eines Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers (ETFE), das durch Polymerisation von Ethylen und Tetrafluorethylen erhalten wird, anstelle eines Polytetraflorethylens (PTFE), das durch Polymerisation von Tetrafluorethylen erhalten wird, ein Gleitelement mit ausgezeichneter Gleitfähigkeit erhalten werden kann, ohne dass das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl in eine sauerstofffreie Umgebung und in einen geschmolzenen Zustand gebracht werden muss.
  • Das heißt, ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, und umfasst die Verarbeitung eines Materials, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält sowie die Bestrahlung eines verarbeiteten Körpers, der in dem Verarbeitungsschritt erhalten wurde, mit einem Elektronenstrahl.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, bei dem ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer, das ein Fluorharz ist, als Hauptkomponente des Gleitelements verwendet wird, kann ein Gleitelement mit ausgezeichneter Gleitfähigkeit liefern. Darüber hinaus ist es bei dem Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements nicht erforderlich, den verarbeiteten Körper bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl in eine sauerstofffreie Umgebung und einen geschmolzenen Zustand zu bringen, was die Herstellungseffizienz erhöhen kann.
  • Die Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl beträgt vorzugsweise nicht weniger als 200 kGy. Wenn die Bestrahlungsdosis des Elektronenstrahls nicht unter dem unteren Grenzwert liegt, kann die Gleitfähigkeit des herzustellenden Gleitelements sicherer verbessert werden.
  • Die Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl beträgt vorzugsweise nicht mehr als 350 kGy. Wenn die Bestrahlungsdosis des Elektronenstrahls nicht über dem oberen Grenzwert liegt, kann die mechanische Festigkeit des herzustellenden Gleitelements leicht gesichert werden.
  • Vorzugsweise wird die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl unter den Bedingungen einer nicht sauerstofffreien Umgebung durchgeführt und der verarbeitete Körper befindet sich in einem nicht geschmolzenen Zustand. Indem die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl unter den Bedingungen einer nicht sauerstofffreien Umgebung und in einem nicht geschmolzenen Zustand durchgeführt wird, kann die Herstellungseffizienz sicherer erhöht werden.
  • Vorzugsweise ist die Umgebungstemperatur bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl Normaltemperatur. Wenn die Umgebungstemperatur Normaltemperatur ist, sind eine Einrichtung und die Energie zum Heizen oder Kühlen nicht erforderlich, wodurch die Herstellungseffizienz weiter erhöht werden kann.
  • Vorzugsweise ist die Umgebung bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl Luft. Wenn die Umgebung Luft ist, sind eine Einrichtung und die Energie zur Einstellung der Umgebung nicht erforderlich, was die Herstellungseffizienz weiter erhöhen kann.
  • Vorzugsweise ist ein Verarbeitungsverfahren in dem Verarbeitungsschritt das Spritzgießen. Durch die Verwendung des Spritzgießens als Verarbeitungsmethode in dem Verarbeitungsschritt kann ein verarbeiteter Körper vorab in eine gewünschte Form eines Gleitelements gebracht werden. Daher ist eine Bearbeitung oder Anpassung an die gewünschte Form nach der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl nicht erforderlich, was die Herstellungseffizienz erhöhen kann.
  • Ein Gleitelement gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Gleitelement, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, wobei das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl vernetzt wird.
  • Das Gleitelement, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, hat eine hohe Herstellungseffizienz. Außerdem weist das Gleitelement eine ausgezeichnete Gleitfähigkeit auf, da das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl vernetzt wird.
  • Ein endothermer Kurvenpeak des Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers ist auf einer DSC-Kurve durch Differential-Scanning-Kalorimetrie vorhanden; und der endotherme Kurvenpeak ist relativ zu einem endothermen Kurvenpeak eines unvernetzten Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers zur Niedertemperaturseite verschoben; und die Temperaturverschiebung beträgt vorzugsweise nicht weniger als 11°C und nicht mehr als 20°C. Wenn die Temperaturverschiebung innerhalb des obigen Bereichs liegt, kann die Gleitfähigkeit erhöht werden, während die mechanische Festigkeit des Gleitelements gesichert ist.
  • Das Verhältnis einer endothermen Größe des Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers zu einer endothermen Größe des unvernetzten Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers, wie durch eine DSC-Kurve durch Differential-Scanning-Kalorimetrie bestimmt, beträgt vorzugsweise nicht weniger als 0,8 und nicht mehr als 0,9. Wenn das Verhältnis der endothermen Größe innerhalb des obigen Bereichs liegt, kann die Gleitfähigkeit erhöht werden, während die mechanische Festigkeit des Gleitelements gesichert ist.
  • Hier bezieht sich die „Hauptkomponente“ auf eine Komponente mit dem Höchstgehalt und bezieht sich beispielsweise auf eine Komponente mit einem Gehalt von nicht weniger als 50 Massen-%. Die „Normaltemperatur“ bezieht sich auf natürliche Temperaturen, die nicht mit einer Erwärmung oder Abkühlung einhergehen, und bezieht sich in der Regel auf eine Temperatur von nicht weniger als 15°C und nicht mehr als 35°C.
  • Der „endotherme Kurvenpeak auf einer DSC-Kurve, bestimmt durch Differential-Scanning-Kalorimetrie“ bezieht sich auf eine Temperatur (P in 3), bei der der absolute Wert der endothermen Größe auf der DSC-Kurve maximal wird. Die „durch eine DSC-Kurve ermittelte endotherme Größe“ entspricht, wie in 3 dargestellt, einer Fläche S, die von der DSC-Kurve und einer Basislinie BL im Bereich des Peaks der endothermen Kurve umgeben ist. Das „unvernetzte Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer“ kann aus dem mit einem Elektronenstrahl bestrahlten Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer rückgewonnen werden, indem es in einem Lösungsmittel aufgelöst wird.
  • [Details der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung]
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung eines Gleitelements und des Gleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • [Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements]
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält. Das Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements umfasst einen schritt S1, bei dem ein Material verarbeitet wird, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, und einen Schritt S2, bei dem ein im Verarbeitungsschritt S1 erhaltener verarbeiteter Körper mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, wie in 1 dargestellt.
  • <Verarbeitungsschritt>
  • Im Verarbeitungsschritt S1 wird ein Material, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, wie oben beschrieben verarbeitet.
  • Das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (ETFE), das ein Hauptbestandteil des Materials ist, ist ein Fluorharz, in dem Ethylen (C2H4) und Tetrafluorethylen (C2F4) polymerisiert sind. ETFE ist in der mechanischen Festigkeit und der chemischen Beständigkeit sogar dem PTFE überlegen.
  • Die untere Grenze des ETFE-Gehalts im Material beträgt, bezogen auf den verarbeiteten Körper, vorzugsweise 60 Massen-%, bevorzugter 85 Massen-% und noch bevorzugter 98 Massen-%. Ferner ist es besonders bevorzugt, dass der ETFE-Gehalt 100 Massen-% beträgt, d.h. der verarbeitete Körper ausschließlich aus ETFE besteht. Wenn der ETFE-Gehalt unter dem oben genannten Grenzwert liegt, kann sich die Gleitfähigkeit des herzustellenden Gleitelements verschlechtern.
  • ETFE kann Polymerisationseinheiten enthalten, die von anderen copolymerisierbaren Monomeren stammen und die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigen. Beispiele für die Polymerisationseinheiten sind Perfluor(alkylvinylether), Hexafluorpropylen, (Perfluoralkyl)ethylen und Chlortrifluorethylen. Die obere Grenze des Gehaltsanteils der Polymerisationseinheiten kann z.B. 3 Mol-% betragen.
  • Das Material kann weitere optionale Komponenten enthalten. Beispiele für optionale Komponenten sind Festschmierstoffe und Verstärkungsmittel. Durch die Zugabe eines Festschmierstoffs, eines Verstärkungsmittels und dergleichen kann die hohe Schmierfähigkeit verbessert werden. Beispiele für den Festschmierstoff sind Molybdändisulfid. Beispiele für das Verstärkungsmittel sind Glasfasern, Glasfüllstoffe wie kugelförmige Gläser, Kohlenstofffasern und anorganische Füllstoffe wie Kalziumkarbonat, Talk, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid und dergleichen.
  • Das Verarbeitungsverfahren des Materials ist nicht besonders beschränkt, und neben der bekannten Extrusion oder dem Spritzgießen können auch Pulverbeschichtung, Schweißen und Kleben auf Basismaterialien und dergleichen verwendet werden.
  • Vorzugsweise ist ein Verarbeitungsverfahren im Verarbeitungsschritt S1 das Spritzgießen. Herkömmliche Gleitelemente aus PTFE werden bei der Herstellung in einen geschmolzenen Zustand versetzt und verformen sich daher leicht. Um die Verformung zu unterdrücken, werden die herkömmlichen Gleitelemente durch Aufschichten von PTFE auf die Oberfläche eines Basismaterials hergestellt. Daher ist es schwierig, Gleitelemente nur aus einem Material, das PTFE als Hauptbestandteil enthält, durch Spritzgießen herzustellen. Im Gegensatz dazu wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements ETFE als Hauptkomponente verwendet, so dass der verarbeitete Körper bei der Herstellung nicht in einen geschmolzenen Zustand gebracht werden muss, was weniger wahrscheinlich zu einer Verformung des verarbeiteten Körpers führt. Daher kann bei dem Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements der verarbeitete Körper vorab in die gewünschte Form eines Bauteils als Gleitelement gebracht werden. Ferner kann die Verformung bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl in dem Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements unterdrückt werden, und daher ist eine Bearbeitung oder Anpassung der Form an eine gewünschte Form nach der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl nicht erforderlich, was die Herstellungseffizienz weiter erhöhen kann.
  • Im Hinblick auf die Form des verarbeiteten Körpers, das im Verarbeitungsschritt S1 erhalten wird, ist es unter dem Gesichtspunkt der oben beschriebenen Herstellungseffizienz bevorzugt, dass die Form des verarbeiteten Körpers die Form eines Bauteils aufweist, obwohl die Form, einschließlich der Formen von Bauteilen und Stückgütern, die als Gleitelemente verwendet werden sollen, in geeigneter Weise entsprechend den Anwendungen und Verarbeitungsverfahren der herzustellenden Gleitelemente ausgewählt wird.
  • Bei dem verarbeiteten Körper kann es sich um einen einfachen Körper handeln, der nur aus einem Material, das ETFE als Hauptkomponente enthält, besteht, oder auch um einen Stapel, der durch Aufschichten einer ETFE-haltigen Oberflächenschicht auf die Oberfläche eines Basismaterials gebildet wird. Handelt es sich bei dem verarbeiteten Körper um einen Stapel, kann als Basismaterial ein Metall, eine Keramik, ein Gummimaterial, ein hitzebeständiges Harz oder dergleichen verwendet werden. Beispiele für Metalle sind Aluminium, Eisen, Kupfer und rostfreier Stahl. Beispiele für Keramik sind Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Wolframkarbid. Beispiele für Gummimaterialien sind Fluorkautschuk, Silikonkautschuk und thermoplastische Elastomere. Beispiele für hitzebeständige Harze sind Polyimidharze, Polyamidimidharze und Polyetheretherketonharze. Die Oberflächenschicht kann aus dem oben erwähnten Material bestehen, das ETFE als Hauptbestandteil enthält. Dabei kann die Oberflächenschicht das gesamte Basismaterial bedecken oder auf einem Teil davon gestapelt sein.
  • <Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl>
  • In dem Bestrahlungsschritt S2 mit einem Elektronenstrahl wird der verarbeitete Körper, der in dem oben beschriebenen Verarbeitungsschritt S1 erhalten wird, mit einem Elektronenstrahl bestrahlt.
  • ETFE, das den verarbeiteten Körper bildet, wird mit einem Elektronenstrahl bestrahlt. Durch die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl wird die Vernetzung von ETFE vorangetrieben und dadurch die Gleitfähigkeit des herzustellenden Gleitelements erhöht.
  • Für die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl braucht es keine sauerstofffreie Umgebung und der verarbeitete Körper befindet sich nicht in einem geschmolzenen Zustand. Wenn die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl unter solchen Bedingungen, also einer nicht sauerstofffreien Umgebung und einem nicht geschmolzenen Zustand, durchgeführt wird, können die Einrichtung, die Energie und die Zeit zur Herstellung der sauerstofffreien Umgebung und des geschmolzenen Zustands reduziert werden, was die Herstellungseffizienz sicherer erhöhen kann.
  • Es ist besonders bevorzugt, wenn die Umgebungstemperatur in dem Bestrahlungsschritt S2 mit einem Elektronenstrahl Normaltemperatur ist. Wenn die Umgebungstemperatur Normaltemperatur ist, sind eine Einrichtung und die Energie zum Heizen oder Kühlen nicht erforderlich. Da außerdem die Verformung des verarbeiteten Körpers durch Wärme unterdrückt werden kann, ist eine Anpassung der Form des verarbeiteten Körpers nach der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl nicht erforderlich. Dadurch kann die Herstellungseffizienz des Verfahrens zur Herstellung eines Gleitelements weiter erhöht werden.
  • Vorzugsweise ist die Umgebung bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl Luft. Wenn die Umgebung Luft ist, sind keine Einrichtung und keine Energie für die Einstellung der Umgebung erforderlich, was die Herstellungseffizienz weiter erhöhen kann.
  • Die untere Grenze der Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls im Bestrahlungsschritt S2 mit einem Elektronenstrahl beträgt vorzugsweise 200 kGy, bevorzugter 220 kGy und noch bevorzugter 240 kGy. Andererseits liegt die obere Grenze der Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls vorzugsweise bei 350 kGy und bevorzugter bei 320 kGy. Wenn die Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls unter dem unteren Grenzwert liegt, kann die Gleitfähigkeit des herzustellenden Gleitelements nicht ausreichend verbessert werden. Wenn die Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls über dem oberen Grenzwert liegt, kann umgekehrt die mechanische Festigkeit des herzustellenden Gleitelements herabgesetzt sein.
  • Wenn die Form des verarbeiteten Körpers, der in dem Verarbeitungsschritt S1 erhalten wurde, die Form eines Bauteils aufweist, das als Gleitelement verwendet werden soll, und die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl in dem Bestrahlungsschritt S2 mit einem Elektronenstrahl unter den Bedingungen eines nicht geschmolzenen Zustands durchgeführt wird, kann das gewünschte Gleitelement durch die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl erhalten werden. Im Gegensatz dazu muss in den anderen als den oben genannten Fällen nach der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl eine Bearbeitung oder Anpassung an die gewünschte Form nach Bedarf durchgeführt werden.
  • <Vorteile>
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, bei dem ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer, das ein Fluorharz ist, als Hauptbestandteil des Gleitelements verwendet wird, kann ein Gleitelement mit ausgezeichneter Gleitfähigkeit liefern. Außerdem erfordert das Verfahren zur Herstellung des Gleitelements keine sauerstofffreie Umgebung und keinen geschmolzenen Zustand bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl, was die Herstellungseffizienz erhöhen kann.
  • [Gleitelement]
  • Das Gleitelement gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gleitelement, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält. In dem Gleitelement wird das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl vernetzt.
  • Das Gleitelement wird z.B. für Lager für Kraftfahrzeugmotoren und Motoren anderer Industriemaschinen sowie für Antriebsteile, Kolbenpackungen und dergleichen im Automobilbereich verwendet. Das Gleitelement kann z.B. gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
  • Bei dem Gleitelement kann es sich um einen einfachen Körper handeln, der nur aus einem Material, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (ETFE) als Hauptkomponente enthält, besteht, oder auch um einen Stapel, der durch Aufschichten einer ETFE-haltigen Oberflächenschicht auf die Oberfläche eines Basismaterials gebildet wird. Handelt es sich bei dem Gleitelement nicht um einen Stapel, sondern um einen einfachen Körper, kann es sich bei dem Material, das ETFE als Hauptbestandteil enthält, um ein Material handeln, das durch Verfestigung des in dem oben genannten Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements beschriebenen Materials gewonnen wird. Handelt es sich bei dem Gleitelement um einen Stapel, können das Basismaterial und die Oberflächenschicht dem Basismaterial bzw. der Oberflächenschicht entsprechen, die in dem oben erwähnten Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements beschrieben sind.
  • Die untere Grenze des PV-Grenzwerts des Gleitelements beträgt vorzugsweise 500 MPa·m/min und bevorzugter 700 MPa·m/min. Wenn der PV-Grenzwert unter dem unteren Grenzwert liegt, kann die Gleitfähigkeit des Gleitelements unzureichend werden. Andererseits ist die obere Grenze des PV-Grenzwertes nicht besonders begrenzt und kann z.B. 3.000 MPa·m/min betragen. Der „PV-Grenzwert“ ist ein Produkt aus dem Anpressdruck (P) und der Geschwindigkeit (V) und wird gemäß JIS K7216:1986, „Testing Methods for Sliding Wear Resistance of Plastics“ (Prüfverfahren für die Gleitverschleißfestigkeit von Kunststoffen), gemessen. In der Nähe des PV-Grenzwerts werden sowohl der Reibungskoeffizient als auch die Verschleißmenge groß und es wird für das Material schwierig, seine Funktion beizubehalten. Daher wird der PV-Grenzwert als Index zur Beurteilung der Gleitfähigkeit eines Gleitelements verwendet. Die Messbedingungen für den PV-Grenzwert sind: ein Gegenwerkstoff weist eine Oberflächenrauheit Ra von 0,28 µm gemäß JIS B0601:2001 auf, der interplanare Anpressdruck (P) wird auf 10 MPa eingestellt und die Geschwindigkeiten werden variiert. Als Teststück für ein Gleitelement wird eine ETFE-Folie mit einer quadratischen Form mit 50 mm Seitenlänge und einer Dicke von 50 µm verwendet, die auf ein kaltgewalztes Stahlblech (SPCC-Material) als Basismaterial mit einer quadratischen Form mit 45 mm Seitenlänge und einer Dicke von 4,5 mm geschweißt wird.
  • Die obere Grenze des dynamischen Reibungskoeffizienten des Gleitelements beträgt vorzugsweise 0,15 und bevorzugter 0,1. Wenn der dynamische Reibungskoeffizient über dem oberen Grenzwert liegt, kann die Gleitfähigkeit des Gleitelements unzureichend werden. Der untere Grenzwert des dynamischen Reibungskoeffizienten des Gleitelements ist nicht besonders begrenzt und kann auch 0 betragen.
  • Wenn das Gleitelement einer Differential-Scanning-Kalorimetrie unterzogen wird, ist ein endothermer Kurvenpeak des Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers auf einer DSC-Kurve vorhanden (siehe 3). Der endotherme Kurvenpeak ist relativ zu einem endothermen Kurvenpeak eines unvernetzten Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers zur Niedertemperaturseite verschoben. Die untere Grenze der Temperaturverschiebung beträgt vorzugsweise 11°C, bevorzugter 12°C und noch bevorzugter 13°C. Die obere Grenze der Temperaturverschiebung beträgt dagegen vorzugsweise 20°C und bevorzugter 18°C. Liegt die Temperaturverschiebung unter dem unteren Grenzwert, kann die Gleitfähigkeit unzureichend werden. Umgekehrt kann die mechanische Festigkeit abnehmen, wenn die Temperaturverschiebung größer als der obere Grenzwert ist.
  • Die untere Grenze des Verhältnisses einer endothermen Größe des Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers zu einer endothermen Größe des unvernetzten Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers, wie durch eine DSC-Kurve mittels Differential-Scanning-Kalorimetrie bestimmt, beträgt vorzugsweise 0,8 und bevorzugter 0,83. Andererseits beträgt die obere Grenze des Verhältnisses der endothermen Größen vorzugsweise 0,9, bevorzugter 0,89 und noch bevorzugter 0,88. Wenn das Verhältnis der endothermen Größen unter dem unteren Grenzwert liegt, kann die mechanische Festigkeit verringert werden. Liegt das Verhältnis der endothermen Größen hingegen über dem oberen Grenzwert, kann die Gleitfähigkeit unzureichend werden.
  • <Vorteile>
  • Das Gleitelement, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptbestandteil enthält, weist eine hohe Herstellungseffizienz auf. Außerdem zeigt das Gleitelement hervorragende Gleitfähigkeit, da das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl vernetzt wird.
  • [Andere Ausführungsformen]
  • Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen Beispiele und nicht in jeder Hinsicht einschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und soll alle in den Ansprüchen angegebenen Modifikationen sowie die Bedeutung und den Umfang von Äquivalenten in den Ansprüchen abdecken.
  • Obwohl in den obigen Ausführungsformen Fälle beschrieben wurden, in denen die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl unter den Bedingungen einer nicht sauerstofffreien Umgebung durchgeführt wird und der verarbeitete Körper sich nicht in einem geschmolzenen Zustand befindet, kann die Bedingung auch eine sauerstofffreie Umgebung und einen geschmolzenen Zustand einschließen. Alternativ kann die Bedingung eine sauerstofffreie Umgebung, aber einen nicht geschmolzenen Zustand, oder umgekehrt, eine nicht sauerstofffreie Umgebung, aber einen geschmolzenen Zustand einschließen.
  • BEISPIELE
  • Nachfolgend werden das Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements und das Gleitelement der vorliegenden Offenbarung speziell anhand von Beispielen beschrieben, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
  • [Nr. 1]
  • Wie in 2 dargestellt, wurden ein Basismaterial 1 aus einem kaltgewalzten Stahlblech (SPCC-Material) und eine ETFE-Folie 2 übereinandergelegt. Das Basismaterial hatte eine quadratische Form mit 45 mm Seitenlänge und einer Dicke von 4,5 mm, und die ETFE-Folie hatte eine quadratische Form mit 50 mm Seitenlänge und einer Dicke von 50 µm. Ferner wurden eine streifenförmige PTFE-Folie 3 und ein streifenförmiges SUS-Blatt 4 auf die Oberfläche der ETFE-Folie 2 gelegt und vollständig zwischen ein Paar Schweißvorrichtungen 5 eingefügt, so dass die Vorrichtungen mit dem Basismaterial 1 und dem SUS-Blatt 4 in Kontakt kamen. In diesem Zustand wurde das Paar von Schweißvorrichtungen 5 mit einem Paar von Schrauben 6 befestigt, wie in 2 dargestellt, um die Schrauben 6 so anzuziehen, dass eine Druckschweißkraft von 3 N·m zwischen dem Basismaterial 1 und der ETFE-Folie 2 entsteht.
  • Nachdem die Schweißvorrichtungen 5 wie oben beschrieben befestigt wurden, wurde das Ergebnis 1,5 Stunden lang bei einer Temperatur von 300°C gehalten, um die ETFE-Folie 2 mit dem Basismaterial 1 zu verschweißen. Dann wurden die Schweißvorrichtungen 5, die PTFE-Folie 3 und das SUS-Blatt 4 entfernt, um einen verarbeiteten Körper zu erhalten, bei dem die ETFE-Folie 2 auf die Oberfläche des Basismaterials 1 gestapelt wurde. In Nr. 1 wurde der verarbeitete Körper als Gleitelement verwendet. Das heißt, Nr. 1 repräsentiert ein unvernetztes ETFE-Folie-geschweißtes Eisenblech.
  • [Nr. 2 bis Nr. 13]
  • Die verarbeiteten Körper wurden wie in Nr. 1 hergestellt. Die ETFE-Folien 2 der verarbeiteten Körper wurden jeweils mit einer in Tabelle 1 angegebenen Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls bestrahlt. Die Bedingungen für die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl waren Luftumgebung und Normaltemperatur ohne Erwärmung oder Abkühlung. Auf diese Weise wurden Gleitelemente Nr. 2 bis Nr. 13 hergestellt. Nr. 2 bis Nr. 13 repräsentieren vernetzte ETFE-Folie geschweißte Eisenbleche.
  • <Bewertungsmethoden>
  • Die hergestellten Gleitelemente Nr. 1 bis Nr. 13 wurden hinsichtlich des PV-Grenzwertes, der Zugfestigkeit, der Zugdehnung, des Zug-Elastizitätsmoduls, der Reißfestigkeit und des dynamischen Reibungskoeffizienten bewertet. Die Bewertungsmethoden werden im Folgenden dargestellt. Die jeweiligen Bewertungsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
  • (PV-Grenzwert)
  • Die Messung des PV-Grenzwertes wurde gemäß JIS K7218:1986, „Testing Methods for Sliding Wear Resistance of Plastics“ (Prüfverfahren für die Gleitverschleißfestigkeit von Kunststoffen) unter Verwendung eines Ring-Scheiben-Reibungs- und Verschleißprüfgeräts (hergestellt von A&D Co., Ltd., EFM-III 1010) durchgeführt. Als ringförmiges Gegenwerkstück wurde ein Zylinder (Außendurchmesser: 11,6 mm, Innendurchmesser: 7,4 mm) aus dem Material S45C verwendet, und die Oberflächenrauhigkeit gemäß JIS B0601:2001 betrug 0,28 µm. Die Testbedingungen waren: trockener Zustand (ölfrei), konstanter Druck von 10 MPa und Erhöhung der Geschwindigkeit.
  • (Zugfestigkeit, Zugdehnung und Zugelastizitätsmodul)
  • Die Messungen der Zugfestigkeit, der Zugdehnung und des Zugelastizitätsmoduls wurden basierend auf JIS K7161-1:2014, „Plastics - Determination of tensile properties - Part 1 General principles“ (Kunststoffe - Bestimmung der Zugfestigkeitseigenschaften - Teil 1 Allgemeine Grundlagen) durchgeführt.
  • (Reißfestigkeit)
  • Die Messung der Reißfestigkeit wurde basierend auf JIS K7128-1:1998, „Plastics - Film and sheeting - Determination of tear resistance“ (Kunststoffe - Folien und Bahnen - Bestimmung der Reißfestigkeit) durchgeführt.
  • (Dynamischer Reibungskoeffizient)
  • Der dynamische Reibungskoeffizient wurde durch Messung des Reaktionsdrehmoments bestimmt, das auf den Zylinder als ringförmiges Gegenmaterial bei der Messung des PV-Grenzwertes erzeugt wird. [Tabelle 1]
    Bestrahlungsdosis (kGy) PV-Grenzwert (MPa·m/min) Zugfestigkeit (N/mm2) Zugdehnung (%) Zugelastizitätsmodul (N/mm2) Reißfestigkeit (N/mm) Dynamischer Reibungskoeffizient µ
    Nr.1 0 100 57,00 459,60 932,80 58,60 0,199
    Nr.2 40 200 48,21 363,33 1102,41 47,20 0, 182
    Nr.3 80 200 47,78 369,78 866,05 17,78 0,159
    Nr.4 120 400 34,63 211,08 1081,08 7,39 0,111
    Nr.5 160 400 36,88 235,39 1309,15 5,72 0,092
    Nr.6 200 700 32,43 190,58 1152,98 6,37 0,076
    Nr.7 240 900 33,42 198,89 1125,73 5,96 0,069
    Nr.8 280 1100 39,21 214,72 740,66 5,41 0,085
    Nr.9 320 1200 36,50 192,17 803,04 4,52 0,057
    Nr. 10 360 100 33,76 168,28 778,45 4,50 0,227
    Nr. 11 400 100 30,73 146,03 1388, 22 3,91 0,245
    Nr. 12 800 100 26,27 44,61 1034,24 2,04 0,136
    Nr. 13 1200 100 26,32 12,69 1150,48 1,32 0,290
  • Aus den Ergebnissen in Tabelle 1 geht hervor, dass durch die Verwendung des Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers als Hauptkomponente selbst dann Gleitelemente erhalten werden können, die einen hohen PV-Grenzwert und einen niedrigen dynamischen Reibungskoeffizienten aufweisen und eine ausgezeichnete Gleitfähigkeit aufweisen, wenn die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl unter den Bedingungen einer nicht sauerstofffreien Umgebung durchgeführt wird und der verarbeitete Körper sich in einem nicht geschmolzenen Zustand befindet.
  • Darüber hinaus ist insbesondere bei den Gleitelementen Nr. 6 bis Nr. 9, die eine Bestrahlungsdosis der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl von nicht weniger als 200 kGy und nicht mehr als 350 kGy hatten, der PV-Grenzwert hoch, während die mechanische Festigkeit einschließlich der Zugfestigkeit kaum sinkt. Daher ist es klar, dass die Gleitfähigkeit erhöht werden kann, wenn die Bestrahlungsdosis der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl innerhalb des oben genannten Bereichs liegt, während die mechanische Festigkeit der Gleitelemente gesichert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    BASISMATERIAL
    2
    ETFE-FOLIE
    3
    PTFE-FOLIE
    4
    SUS-BLECH
    5
    SCHWEISSVORRICHTUNG
    6
    SCHRAUBE
    P
    PEAK
    BL
    BASISLINIE
    S
    FLÄCHE (ENDOTHERME GRÖßE)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2019225660 [0002]
    • JP 2018185007 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält, wobei das Verfahren umfasst: Verarbeitung eines Materials, das ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente enthält; und Bestrahlung eines verarbeiteten Körpers, der durch die Verarbeitung erhalten wird, mit einem Elektronenstrahl.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 1, wobei eine Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl nicht weniger als 200 kGy beträgt.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 2, wobei die Bestrahlungsdosis eines Elektronenstrahls bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl nicht mehr als 350 kGy beträgt.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl unter den Bedingungen einer nicht sauerstofffreien Umgebung und in einem nicht geschmolzenen Zustand durchgeführt wird.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 4, wobei die Umgebungstemperatur bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl Normaltemperatur ist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Umgebung bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl Luft ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Verarbeitungsverfahren bei der Verarbeitung das Spritzgießen ist.
  8. Gleitelement, umfassend ein Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer als Hauptkomponente, wobei das Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl vernetzt wird.
  9. Gleitelement gemäß Anspruch 8, wobei ein endothermer Kurvenpeak des Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers auf einer DSC-Kurve durch Differential-Scanning-Kalorimetrie vorhanden ist; und der endotherme Kurvenpeak relativ zu einem endothermen Kurvenpeak eines unvernetzten Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers zu einer Niedertemperaturseite verschoben ist; und die Temperaturverschiebung nicht weniger als 11°C und nicht mehr als 20°C beträgt.
  10. Gleitelement gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei ein Verhältnis einer endothermen Größe des Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers zu einer endothermen Größe des unvernetzten Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymers, bestimmt durch eine DSC-Kurve mittels Differential-Scanning-Kalorimetrie, nicht weniger als 0,8 und nicht mehr als 0,9 beträgt.
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