DE1155253B

DE1155253B - Verfahren zur Herstellung eines Gleit- oder Reibwerkstoffes

Info

Publication number: DE1155253B
Application number: DEF30914A
Authority: DE
Inventors: Dr Hermann Franssen
Original assignee: HERMANN FRANSSEN DR
Current assignee: HERMANN FRANSSEN DR
Priority date: 1960-04-01
Filing date: 1960-04-01
Publication date: 1963-10-03

Description

Verfahren zur Herstellung eines Gleit-oder Reibwerkstoffes Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung eines Werkstoffes, der aus metallischen und nichtmetallischen Komponenten zusammengesetzt ist und zur Verwendung als Gleit- bzw. Reibschicht in Gleitlagern bzw. Kupplungen oder Bremsvorrichtungen bestimmt ist. Solche Werkstoffe sind in verschiedenen Ausführungsformen und nach verschiedenen Verfahren hergestellt worden.
Nach einem bekannten Verfahren (deutsche Patentschrift 916 609) werden zur Herstellung von Reibbelägen Metallpulver und organische Stoffe, wie Kunstharze, Hartlacke, Gummi, gemischt, diese Mischung wird geformt, und dann werden die Metallteile zum Sintern gebracht. Dabei hat man auch die Metallteilchen oberflächlich mit einem leicht schmelzenden Metall überzogen und durch punktförmige Verschmelzung der überzugsschicht unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen eine Verbindung untereinander herbeigeführt. Diese überzugsschicht soll vorzugsweise aus Blei oder bleihaltigen Legierungen bestehen. Als Metalle werden in diesem Zusammenhang vorzugsweise Weicheisen, Aluminium, Kupfer, Bronze, Stahl genannt.
Es ist weiterhin ein Gleitlager aus mindestens an der Oberfläche porösem Metall, das eine reibungsvermindernde Substanz enthält, bekanntgeworden (deutsche Patentschrift 962 561), wobei den Poren des zusammenhängenden Metallgefüges von vorzugsweise feiner Struktur Polytetrafluoräthylen einverleibt ist. Ein solches Gleitlager wird dadurch hergestellt, daß ein Gemisch aus pulverförmigem Polytetrafluoräthylen und einem Metall wie Silber, das sich bei Temperaturen unter 400° C sintern läßt, oder einer entsprechenden Metallegierung gesintert wird. Dabei kann das Pulvergemisch zunächst kalt gepreßt und dann in einer Atmosphäre eines Schutzgases gesintert werden. Dieser gesinterte Körper wird alsdann, während er noch heiß ist, in die genaue, endgültige Form gepreßt. Nach einer anderen Ausführungsform kann zur Herstellung eines zusammengesetzten, dünnwandigen Lagers mit einer Stahl-, Bronze- oder anderen geeigneten Unterlage ein z. B. aus Stahl bestehender ebener Rohling auf seiner Oberfläche durch Elektroplattierung mit einer Kupferschicht und danach mit einer Silberschicht versehen werden, worauf auf diesen elektroplattierten Rohling eine Schicht des Pulvergemisches aus Polytetrafluoräthylen und Silber aufgebracht und unter Druckanwendung gesintert und gepreßt wird.
Schließlich sind auch weitere Verfahren zur Herstellung solcher Gleitlager bekannt, die grundsätzlich auf dem Prinzip beruhen, einen porösen Metallkörper herzustellen und diesen mit geeigneten Gleit- oder Reibstoffen zu versehen. Im wesentlichen bedient man sich bei der Herstellung des porösen Trägerkörpers der Sinterung von Metallpulvern. So werden beispielsweise poröse Gleitlager aus Kupferpulver und geringen Mengen von Zinnpulver durch Sintern oberhalb des Schmelzpunktes von Zinn und anschließende Tränkung mit Schmieröl hergestellt.
Demgemäß wird gemäß der Erfindung zur Herstellung eines Werkstoffes aus metallischen und nichtmetallischen Komponenten zur Verwendung als Gleit- oder Reibwerkstoff, bei dem eine poröse Schicht mit einem die Gleit- bzw. Reibfläche bildenden Kunststoff ausgefüllt ist, in der Weise verfahren, daß ein Gemisch aus Kupferpulver und gegebenenfalls Bleipulver mit Zinndioxyd zu einem Preßling geformt und dieser unter Anwesenheit eines reduzierenden Schutzgases auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Zinndioxyd durch den Wasserstoff des Schutzgases zu Metall reduziert wird, so daß das gebildete Zinn die Kupferteilchen untereinander verlötet und daß der verbleibende Porenraum mit dem Kunststoff aufgefüllt wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei die Verwendung von Kupferpulver oder komplexem Kupfer-Blei-Pulver und Zinndioxyd, insbesondere in Form von Metazinnsäure, erwiesen. Hierbei wird unter einem komplexen Pulver ein Pulver verstanden, bei dem jedes Pulverteilchen beide Komponenten enthält, im Gegensatz zu einem Gemisch, bei dem einzelne Teilchen nur aus der einen und andere Teilchen nur aus einer anderen Komponente bestehen. Im vorliegenden Zusammenhang liegt der Vorteil der Verwendung des komplexen Pulvers darin, daß bei einer etwaigen Beschädigung der Kunststoffoberfläche oder einer Unterbrechung in ihr die dann hervortretenden Metallteilchen aus einem lagergünstigeren Metallgemisch bestehen.
Es ist von in der Praxis auftretenden Fällen ausgegangen, in denen es sich als besonders erwünscht zeigte, daß ein Lötmetall, welches einen sehr niedrigen Schmelzpunkt hat, erst bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur angewendet wird. Würde ein solches niedrigschmelzendes Lötmetall bei tiefer Temperatur angewendet, so kann unter Umständen die Gefahr bestehen, daß der Körper zerläuft, weil keine Legierungsbildung eintritt oder weil eine größere Menge des Lötmetalls angewendet werden muß. Bei höheren Temperaturen kann dagegen - was manchmal erwünscht ist - eine Legierungsbildung zwischen dem hochschmelzenden und dem niedrigschmelzenden Metall bewirkt werden, ohne daß eine Zerstörung der äußeren Form des Körpers eintritt. Ein Beispiel für diese Art des Einsatzes eines Lötmetalles ist die Bildung eines Bronzeskelettes auf dem Lötwege aus Kupfer und Zinn. Bronzeskelette haben den Vorteil einer erheblichen mechanischen Festigkeit. Die bisher bekannten Bronzeskelette wurden jedoch lediglich durch einfaches Sintern gewonnen und hatten deshalb im allgemeinen zwischen den Einzelteilchen nicht den festen Verbund, wie ihn gelötete Skelette haben. Um jedoch die Diffusion des Zinns in Kupfer zu begünstigen, sind erhöhte Temperaturen von z. B. 600 bis 800° C oder mehr erforderlich, die bei Verwendung von Zinnmetall als Lot ungünstig zu erreichen sind, da ein Zerfließen des Körpers eintritt.
Diesen Umständen trägt die Erfindung dadurch Rechnung, daß das Lötmetall in der Form seines Oxydes zugegeben und die Zerlegung der chemischen Verbindung durch Reduktion des Zinnoxydes mit Wasserstoff (Schutzgas) erst bei hoher Temperatur herbeigeführt wird. Dies wird auf zweierlei Weise bewirkt, nämlich dadurch, daß das Zinnoxyd ohnehin erst bei hoher Temperatur von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasen zerlegt wird, und andererseits dadurch, daß man die wasserstoffhaltigen Gase erst bei der gewünschten Löt- und Diffusionstemperatur hinzutreten läßt.
Die Verwendung von Zinn in Form von Zinnoxyd ist bei einem pulvermetallurgischen Verfahren zur Herstellung von Bronze bekanntgeworden. Hierbei wird eine Mischung der pulverförmigen Ausgangsstoffe bis unterhalb des Schmelzpunktes zwecks Erzeugung einer Legierung im metallischen Endzustand in reduzierender Atmosphäre erhitzt, wobei das Zinn in oxydischer Form und das Kupfer als Metall oder in oxydischer Form verwendet wird.
Bei diesem Verfahren handelt es sich darum, eine spröde Legierung herzustellen, die anschließend zerkleinert und dann nach den Methoden der Pulvermetallurgie weiter verarbeitet werden soll. Dazu ist es erforderlich, die Ausgangsstoffe sorgfältig zu vermahlen und gut zu vermischen, damit sich eine erträgliche Diffusionsglühzeit ergibt.
Beim Verfahren gemäß der Erfindung ist eine feine Vermahlung und gründliche Vermischung der Ausgangsstoffe nicht erforderlich. Hier überziehen die im allgemeinen feineren Teilchen des Zinndioxydpulvers die Kupferteilchen, so daß diese, im Mikroskop betrachtet, wie von Zinndioxyd eingepudert erscheinen. Insbesondere werden also an den Stellen, an denen sich die Kupferteilchen berühren, immer Zinndioxydteilchen genügend benachbart sich befinden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kommt es nicht zu einer vollständigen Homogenisierung, sondern lediglich zu einer Erleichterung der Kantenverbindung durch die flüssige Phase aus zinnreicher Kupferlegierung.
Da, wie gesagt, eine spröde Legierung nicht beabsichtigt ist, kommen beim Verfahren der Erfindung geringere Gehalte an Zinndioxyd zum Einsatz, aber diese geringen Mengen reichen gut aus, um die Kupferteilchen hinreichend einzuhüllen und damit den Erfolg der Erfindung zu gewährleisten. Es erübrigen sich hierbei auch die weiteren Schritte, die bei dem bekannten Verfahren notwendig sind, wie z. B. ein Zerkleinern und ein erneutes Zusammensintern.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß beim Sintern in der allgemein gebräuchlichen Bedeutung ein anderer Vorgang und auch andere Wirkungen eintreten als bei einem Lötvorgang insbesondere eines porösen Metallkörpers im Sinne der erfindungsgemäßen Maßnahme.
Der Sintervorgang besteht darin, daß bei erhöhter Temperatur Atome der Oberfläche von sich berührenden Teilchen zu neuen Kristallnen zusammenwachsen, wodurch ein Zusammenhang der zunächst nur in mechanischem Kontakt befindlichen Teilchen eintritt. Es werden beim Sintern zunächst nur Brücken zwischen den einzelnen Teilchen gebildet, deren Querschnitt und Festigkeit gering sind. Der Sintervorgang geht zwischen gleichartigen Stoffen leichter vonstatten als zwischen verschiedenartigen. Beim Sintern homogener Stoffe tritt im allgemeinen keine flüssige Phase auf. Beim Sintern von heterogenen Stoffen mit Verwendung flüssiger Phasen tritt im allgemeinen bei der Temperatur, bei der die flüssige Phase sich bildet, eine mehr oder weniger starke Kontraktion unter Umständen bis zur maximalen Dichte auf.
Beim Verlöten von Metallteilchen im Sinne des erfindungsgemäßen Vorschlages wird gleichfalls eine flüssige Phase verwendet, die jedoch die Lage der festbleibenden Teile zueinander nicht ändert. Dabei wird eine gute Benetzung der festen Teilchen durch das flüssige Lötmetall und eine ausreichende Dünnflüssigkeit des Lotes vorausgesetzt, so daß das Lot sich in die Kapillarräume zwischen den festbleibenden Metallteilchen hineinziehen und sie nach dem Erstarren verbinden kann. Es ist insbesondere beim Löten sehr viel einfacher, verschiedenartige metallische Festkörper untereinander zu verbinden, als das durch Ansintern möglich ist. Wird z. B. ein homo- genes Bronzepulver auf einen Stahlkörper aufgelegt und bis zu seiner Sintertemperatur erhitzt, so werden zwar durch das Sintern eine Brückenbildung und ein Zusammenhang der Bronzeteilchen untereinander erreicht, aber nur eine verhältnismäßig leichte Verbindung mit dem Stahlkörper, während im Falle des Verlötens die einzelnen Bronzeteilchen sich sowohl untereinander als auch mit dem Stahluntergrund fest verbinden.
Die Verwendung eines Lötmetalls macht sich auch in der Eigenschaft des gebildeten Skelettes bemerkbar. Andererseits ist nicht nur die Bindung mit dem Stahlträger mechanisch fester, sondern das Skelett ist in diesem Bereich räumlich kompakter und wird nach außen hin lockerer, wodurch dann auch eine gute Verklammerungsmöglichkeit mit dem unterzubringenden Kunststoff gegeben ist, und darüber hinaus wirkt sich der kompaktere Querschnitt zum Stahlträger hin auf die Wärmeableitung günstiger aus.
Unterschiedlich von einem oben beschriebenen, bekannten Verfahren wird vorteilhaft gemäß der Erfindung als Kunststoff, mit dem der Porenraum des Metallskelettes ausgefüllt wird, Polyoxymethylen verwendet. Dieser Kunststoff ist in seinen Eigenschaften und damit auch in den bei seiner Verwendung als Gleit- oder Reibstoff auftretenden technischen Wirkungen vorteilhaft.
Bei der Verwendung von Polytetrafluoräthylen (im folgenden kurz »PTFE« genannt) wird zunächst eine Reibung von Metall auf Metall und damit eine Erwärmung erzeugt. Diese Erwärmung bewirkt ein Ausdehnen und damit Hervorquellen des »PTFE« aus den Poren des Skeletts. Das »PTFE« verteilt sich dann zwischen Lager und Welle und verschmiert dort, so daß seine Wirkungsweise vergleichsweise die eines Schmiermittels ist. Bei starker Lokalüberhitzung depolymerisiert das »PTFE« außerdem und repolymerisiert an kalten Stellen, so daß also im eigentlichen Sinne eine Stoffwanderung auftritt. Damit verbunden ist verständlicherweise eine Formunbeständigkeit, die sich darin äußert, daß ein mit »PTFE« versehenes Lager sich ausweitet und allgemein seine geometrische Form nicht beibehält. Die Einhaltung von Toleranzen ist deshalb bei solchen Lagern in einem nur geringen Maß möglich oder mit einer größeren Toleranzbreite als bei anderen Lagern. Die Wirkung des »PTFE« ist also mehr die eines Schmiermittels und nicht die eines Antifriktionswerkstoffes.
Demgegenüber tritt bei der Verwendung von Polyoxymethylen (im folgenden kurz »POM« genannt) keine Stoffwanderung ein, da das »POM«-Molekül ein sehr fest stabilisiertes Molekül ist, das vollständig abgesättigt ist und bei einer etwaigen Aufspaltung gleich vollständig zerfällt und nicht repolymerisierbar ist. Dementsprechend besitzt es eine wesentlich größere Festigkeit als das »PTFE« und damit größere Form- und Kantenbeständigkeit, die sich darin äußert, daß mit einem solchen Lager wesentlich engere Toleranzen eingehalten werden können. Die Reibung erfolgt auch nicht im Stoff selbst, sondern zwischen »POM« und Stahlwelle. Der Beweis hierfür ist einfach in folgender Weise zu erbringen: Während bei der Gleitung von »POM« auf »POM« der sogenannte »Stick-sfp«-Effekt auftritt, fehlt er beim Gleiten von Stahl auf »POM«. Es hat sich erwiesen, daß Lager gemäß der Erfindung keinen »Stick-slip«-Effekt zeigen, so daß also die Gleitung sicher zwischen »POM« und Stahl auftritt. Das »POM« ist demnach also ein eigentliches Antifriktionsmaterial und verhält sich demnach ähnlich wie ein Lagermaterial, während das »PTFE« ein Schmiermittel darstellt. Durch das Austreten von »PTFE« aus den Poren des Metallskelettes verliert das Metallskelett an Festigkeit, wodurch die Formbeständigkeit weiter herabgesetzt wird.
Werkstoffe nach der Erfindung können in an sich bekannter Weise mit anderen Trägerwerkstoffen, wie Stahl, geschichtet verbunden werden. Insbesondere kann die Verbindung im gleichen Arbeitsgang mit dem Verlöten des Skelettes hergestellt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, das das Skelett bildende Pulver oder Pulvergemisch gegebenenfalls unter Zugabe von weiterem Lot auf das Trägerelement aufzustreuen oder aufzulegen (ohne Anwendung von zusätzlichem Preßdruck) und dann die Wärmebehandlung oberhalb der Lotschmelztemperatur vorzunehmen.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, zwischen dem als Träger dienenden kompakten Grundwerkstoff und der beim Löten anzubindenden Werkstoffschicht eine Schicht von beispielsweise gepulvertem Werkstoff mit etwas niedrigerem Schmelzpunkt einzubringen, als der Behandlungstemperatur beim Zusammenlöten entspricht.
Vorteilhafterweise kann bei der Verwendung einer Untergrundschicht aus Stahl eine Skelettschicht aus einer hochschmelzenden, z. B. 5- bis 8o/oigen Zinnbronze und zur Verlötung der Skelettschicht in sich und mit der Stahlunterlage eine niedrigerschmelzende, z. B. 10- bis 14o/oige Zinnbronze verwendet werden. Zur Vervollständigung des Lagerkörpers wird dann in den verbleibenden Porenraum der Kunststoff, also insbesondere Polyoxymethylen, eingebracht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus metallischen und nichtmetallischen Komponenten zur Verwendung als Gleit-oder Reibwerkstoff, bei dem eine poröse Schicht mit einem die Gleit- bzw. Reibfläche bildenden Kunststoff ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Kupferpulver und gegebenenfalls Bleipulver mit Zinndioxyd zu einem Preßling geformt und dieser auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Zinndioxyd durch den Wasserstoff des Schutzgases zu Metall reduziert wird und das gebildete Zinn die Kupferteilchen untereinander verlötet, und daß der verbleibende Porenraum mit dem Kunststoff aufgefüllt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kupferpulver oder komplexen Kupfer-Blei-Pulver und Zinndioxyd, insbesondere in Form von Metazinnsäure.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff ein Polyoxymethylen verwendet wird.
4. Anwendung eines Verbundwerkstoffes nach den Ansprüchen 1 bis 3 zur Herstellung eines geschichteten Gleit- bzw. Reibwerkstoffes mit Hilfe einer Zwischenschicht, mit der das den Kunststoff tragende Skelett an der Stahlunterlage angebunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Skelettschicht aus einer hochschmelzenden, z. B. 5- bis 8°/oigen Zinnbronze besteht und zur Verlötung der Skelettschicht in sich und mit der Stahlunterlage eine niedrigschmelzende, z. B. 10-bis 14°/oige Zinnbronze verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 916 609, 962 561; deutsche Auslegeschriften Nr. 1062 434, 1065182; R. K i e f f e r und W. H o t o p , Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe, 1943, S. 334 bis 336.