DE1246255B - Material for self-lubricating bearings - Google Patents
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. Cl.:Int. Cl .:
C22cC22c
Deutsche KL: 40 b-1/10 German KL: 40 b -1/10
Nummer: 1 246 255Number: 1 246 255
Aktenzeichen: P 31584 VI a/40 bFile number: P 31584 VI a / 40 b
Anmeldetag: 13. April 1963 Filing date: April 13, 1963
Auslegetag: 3. August 1967Opened on August 3, 1967
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für selbstschmierende Lager, wie z. B. Metall-Lager oder andere gleitend beanspruchte Teile und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Lager. Insbesondere betrifft die Erfindung gesinterte Metall-Lager, die in ihren Zwischenräumen Polytetrafluoräthylen als Schmiermittel enthalten.The present invention relates to a material for self-lubricating bearings, such as. B. Metal bearings or other slidingly claimed parts and a method for making such bearings. In particular The invention relates to sintered metal bearings, which are in their interstices as polytetrafluoroethylene Contain lubricants.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines selbstschmierenden Lagers, das besonders für den Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet ist und einen niedrigen Reibungskoeffizienten und hohe Elektrizitäts- und Wärmeleitzahlen besitzt.The aim of the present invention is to produce a self-lubricating bearing that is particularly suitable for is suitable for operation at high temperatures and has a low coefficient of friction and high electricity and has thermal conductivity.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Werkstoff für selbstschmierende Lager, bestehend aus gesintertem Metall und Polytetrafluoräthylen, das in den Zwischenräumen des gesinterten Metalls enthalten ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Polytetrafluoräthylen wachsartig ist.The present invention is a material for self-lubricating bearings, consisting of sintered metal and polytetrafluoroethylene contained in the interstices of the sintered metal is, and is characterized in that the polytetrafluoroethylene is waxy.
Als polymeres Schmiermittel wird demnach erfindungsgemäß ein bestimmtes Polytetrafluoräthylen verwendet. Dieses wachsartige Polytetrafluoräthylen ist ein thermisch abgebautes Polytetrafluoräthylen. Es unterscheidet sich vom üblichen Polytetrafluoräthylen durch seinen scharfen Schmelzpunkt, ist jedoch sonst dem üblichen Polytetrafluoräthylen sehr ähnlich, insbesondere mit Bezug auf seinen niedrigen Reibungskoeffizienten. According to the invention, a certain polytetrafluoroethylene is used as the polymeric lubricant. This waxy polytetrafluoroethylene is a thermally degraded polytetrafluoroethylene. It differs from the usual polytetrafluoroethylene by its sharp melting point, but is otherwise very similar to the usual polytetrafluoroethylene, especially with regard to its low coefficient of friction.
Die neuen Lager werden erhalten, indem man Polytetrafluoräthylen durch thermischen Abbau in seinen wachsartigen Zustand überführt, das so erhaltene thermisch abgebaute Polytetrafluoräthylen mit einem feinzerkleinerten Metall mischt, die Mischung zu dem gewünschten ungesinterten Gegenstand verformt und verdichtet und diesen dann auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß das Metall sintert. Auf diese Weise wird ein standfestes Metall-Lager erhalten, das einen niedrigen Reibungskoeffizienten und hohe Elektrizitäts- und Wärmeleitzahlen besitzt, selbstschmierend ist und für den Betrieb bei hohen Temperaturen verwendet werden kann.The new bearings are obtained by adding polytetrafluoroethylene to its thermal degradation transferred waxy state, the thermally degraded polytetrafluoroethylene thus obtained with a mixes finely ground metal, deforms the mixture into the desired green object and compacted and then heated to such a high temperature that the metal sinters. That way will a stable metal bearing obtained, which has a low coefficient of friction and high electricity and has thermal conductivities, is self-lubricating and used for high temperature operation can be.
Die Metalle, mit. denen sich die Erfindung befaßt, sind insbesondere diejenigen, die bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (z. B. unter etwa 55O0C) gesintert werden können und auch elektrisch und thermisch gut leitfähig sind, wie Kupfer und Silber; Silber ist besonders geeignet.The metals, with. which the invention is concerned are in particular those at relatively low temperatures (e.g., below about 55O 0 C.) can be sintered and are good electrical and thermal conductivity, such as copper and silver; Silver is particularly suitable.
Die Herstellung von thermisch abgebautem Polytetrafluoräthylen ist nicht ein Teil der vorliegenden Erfindung; sie geschieht wie folgt:The manufacture of thermally degraded polytetrafluoroethylene is not part of the present Invention; it happens as follows:
Thermisch abgebautes oder wachsartiges Polytetrafluoräthylen wird hergestellt, indem handelsübliches Polytetrafluoräthylen so lange Temperaturen oberhalb Werkstoff für selbstschmierende LagerThermally degraded or waxy polytetrafluoroethylene is made by using commercially available polytetrafluoroethylene for so long temperatures above Material for self-lubricating bearings
Anmelder:Applicant:
The Polymer Corporation,The Polymer Corporation,
Reading, Pa. (V. St. A.)Reading, Pa. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,
Dipl.-Ing. G. E. M. DannenbergDipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg
und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,and Dr. V. Schmied-Kowarzik, patent attorneys,
Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39Frankfurt / M., Große Eschenheimer Str. 39
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
William John Davis, Wyomissing, Pa. (V. St. A.)William John Davis, Wyomissing, Pa. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
V. St. v. Amerika vom 13. April 1962 (187 183)V. St. v. America April 13, 1962 (187 183)
der Übergangstemperatur von Polytetrafluoräthylen ausgesetzt wird, bis das Polytetrafluoräthylen aus der Gelform in eine bewegliche Flüssigkeit umgewandelt worden ist. Diese Umwandlung kann z. B. durchgeführt werden, indem das Polytetrafluoräthylen eine gewisse Zeit, im allgemeinen weniger als 1Z2 Stunde, auf etwa 540 bis 820° C erhitzt wird.is exposed to the transition temperature of polytetrafluoroethylene until the polytetrafluoroethylene has been converted from the gel form into a mobile liquid. This conversion can e.g. B. be carried out by the polytetrafluoroethylene for a certain time, generally less than 1 Z 2 hours, to about 540 to 820 ° C is heated.
Zweckmäßigerweise wird das Polytetrafluoräthylen während der thermischen Zersetzung leicht gerührt und diese Zersetzung in einem Ofen mit gutem Abzug durchgeführt, da sich bestimmte Zersetzungsprodukte bilden, die schädliche fluorhaltige Verbindungen enthalten. The polytetrafluoroethylene is expediently stirred gently during the thermal decomposition and this decomposition is carried out in a furnace with a good exhaust, as there are certain decomposition products that contain harmful fluorine-containing compounds.
Nachdem das Polytetrafluoräthylen zu einer beweglichen Flüssigkeit umgewandelt worden ist, kann es auf Zimmertemperatur abgekühlt werden. Das so erhaltene Material besitzt häufig eine schmutziggraue Färbung, die wahrscheinlich auf die Anwesenheit von freiem Kohlenstoff zurückzuführen ist. Außerdem enthält es bestimmte niedrigsiedende polymere Stoffe, die vorzugsweise durch Abdampfen entfernt werden. Nach der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher das thermisch abgebaute Polytetrafluoräthylen auf eine geeignete Teilchengröße zermahlen und in einen auf erhöhte Temperatur (etwa 320 bis 430° C) gehaltenen Ofen eingesetzt, um das freie kohlenstoffhaltige Material zu oxydieren und die in ihm enthaltenen niedrigsiedenden Stoffe zu verflüchtigen. Diese Verfahrensstufe wird der Einfachheit halber als »Wärmestabilisierung« be-After the polytetrafluoroethylene has been converted into a mobile liquid, it can on Room temperature. The material obtained in this way often has a dirty gray color Coloration likely due to the presence of free carbon. Also contains there are certain low-boiling polymeric substances which are preferably removed by evaporation. According to the preferred embodiment of the present invention, therefore, the thermally degraded Grind polytetrafluoroethylene to a suitable particle size and place in an elevated temperature (about 320 to 430 ° C) held furnace is used to add the free carbonaceous material oxidize and volatilize the low-boiling substances it contains. This procedural stage will for the sake of simplicity as "heat stabilization"
709 619/545709 619/545
zeichnet. Die Beendigung dieser Wärmestabüisierung kann deutlich beobachtet werden, da die Farbe des thermisch abgebauten Polytetrafluoräthylens von einem schmutzigen Grau nach einem fast reinen Weiß umschlägt. Anstatt das thermisch abgebaute Polytetrafiuoräthylen auf Zimmertemperatur abzukühlen, zu zermahlen und erneut zu erhitzen, kann es auch von den Zersetzungstemperaturen auf etwa 320 bis 43O0C abgekühlt und so lange auf dieser Temperatur gehalten werden, bis es wärmestabilisiert worden ist.draws. The end of this heat stabilization can be clearly observed, since the color of the thermally degraded polytetrafluoroethylene changes from a dirty gray to an almost pure white. Instead of cooling the thermally degraded Polytetrafiuoräthylen to room temperature, grind and reheat it can be cooled and also on the decomposition temperatures of about 320 to 43o 0 C maintained at this temperature for as long has been heat stabilized to it.
Das so erhaltene wachsartige Polytetrafluoräthylen besitzt einen verhältnismäßig scharfen Schmelzpunkt zwischen etwa 310 und 3200C. Unterhalb dieser Temperatur gleicht das wachsartige Polytetrafluoräthylen im Aussehen und der Konsistenz einem harten Wachs und oberhalb dieser Temperatur verwandelt es sich plötzlich in eine Flüssigkeit verhältnismäßig geringer Viskosität.The waxy polytetrafluoroethylene obtained in this way has a relatively sharp melting point between about 310 and 320 ° C. Below this temperature, the waxy polytetrafluoroethylene resembles a hard wax in appearance and consistency, and above this temperature it suddenly turns into a liquid with a relatively low viscosity.
Infolge der geringen Viskosität des wachsartigen Polytetrafluoräthylens kann es bei Temperaturen oberhalb seines Schmelzpunktes in die Zwischenräume eines Metallgegenstandes einfließen. Diese geringe Viskosität ermöglicht auch, daß das nachstehend beschriebene Sintern ohne Druckbildungen im Innern des ungesinterten Gegenstandes durchgeführt werden kann, so daß die innere Struktur des ungesinterten Gegenstandes nicht zerstört wird (wie es jedoch bei Verwendung von üblichem Polytetrafluoräthylen der Fall wäre), obgleich die Sintertemperaturen wesentlich über der Übergangstemperatur des wachsartigen Polytetrafluoräthylens liegen. Bedingt durch die niedrige Viskosität vermag auch das wachsartige Polytetrafluoräthylen bei hohen Temperaturen und starker Belastung aus dem Metallgegenstand auszutreten, und es wirkt somit als »flüchtiges« Schmiermittel, das auf die Lagerflächen gelangt, wie es bei den auftretenden Drücken und den Arbeitstemperaturen erforderlich ist. Hierdurch ergibt sich ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Verwendung des handelsüblichen Polytetrafluoräthylens. Vor allem kann beim Sintern des Metalls auch die Schmelztemperatur des Polytetrafluoräthylens überschritten werden, was bei der Verwendung des handelsüblichen Polytetrafluoräthylens nicht erfolgenDue to the low viscosity of the waxy polytetrafluoroethylene, it can at temperatures above its melting point flow into the interstices of a metal object. This low Viscosity also enables the sintering described below to take place without internal pressure build-up of the green article can be carried out, so that the internal structure of the green Object is not destroyed (as is the case with the use of conventional polytetrafluoroethylene This would be the case), although the sintering temperatures are significantly higher than the transition temperature of the waxy polytetrafluoroethylene lie. Due to its low viscosity, the waxy polytetrafluoroethylene is also capable to escape from the metal object at high temperatures and heavy loads, and it thus acts as a "volatile" lubricant that gets onto the bearing surfaces as it does with the ones that occur Pressures and working temperatures is required. This results in a significant advantage over the use of commercially available polytetrafluoroethylene. Especially when sintering the metal also the melting temperature of the polytetrafluoroethylene can be exceeded, which is when using the commercial polytetrafluoroethylene does not take place
darf. .allowed. .
Es wurde wachsartiges Polytetrafluoräthylen hergestellt, indem 200 g handelsübliches Polytetrafluoräthylen in eine Eindampfungsschale gegeben wurden. Die Schale wurde in einen elektrischen Ofen eingesetzt und etwa 20 Minuten auf einer Temperatur von etwa 6000C erhitzt. Während dieser Zeit wurde das Material gelegentlich durchgerührt, und die sich bildenden Dämpfe wurden ständig aus dem Ofen abgezogen. Nach dieser Zeit war die gelartige Struktur des Polytetrafluoräthylens verschwunden, und es hatte sich eine bewegliche Flüssigkeit gebildet. Die das abgebaute Polytetrafluoräthylen enthaltende Eindampfungsschale wurde dann dem Ofen entnommen und auf Zimmertemperatur abgekühlt. Dieses Material wurde dann in einer Waring-Mischvorrichtung auf eine Teilchengröße unter 2,4 mm zerkleinert, dann in einer dünnen Schicht ausgebreitet und etwa 3 Stunden auf etwa 38O0C erhitzt. Während dieser Wärmestabüisierung schlug die Farbe des wachsartigen Polytetrafluoräthylens von einem schmutzigen Grau nach einem reinen Weiß um.Waxy polytetrafluoroethylene was produced by placing 200 g of commercially available polytetrafluoroethylene in an evaporation dish. The shell was placed in an electric oven and heated to a temperature of about 600 ° C. for about 20 minutes. During this time the material was agitated occasionally and the vapors formed were continually vented from the oven. After this time the gel-like structure of the polytetrafluoroethylene had disappeared and a mobile liquid had formed. The evaporation tray containing the degraded polytetrafluoroethylene was then removed from the oven and cooled to room temperature. This material was then crushed in a Waring blender to a particle size below 2.4 mm, then spread in a thin layer and heated for about 3 hours to about 38O 0 C. During this heat stabilization, the color of the waxy polytetrafluoroethylene changed from a dirty gray to a pure white.
Nach der Wärmestabilisierung wurde das wachsartige Polytetrafluoräthylen erneut auf Zimmertemperatur abgekühlt, in einem Waring-Mischer zerkleinert und dann zermahlen, bis es durch ein 80-Maschen-Sieb (Teilchengröße kleiner als 0,177 mm) hindurchging. Dem so erhaltenen Produkt wurde dann feinzerkleinertes Silber (Teilchengröße unter 0,044 mm) und, als Härtemittel für das Silber, feinzerkleinertes Cadmiunioxyd (Teilchengröße unter 0,044 mm) zugegeben. Die einzelnen Komponenten wurden in folgenden Mengen verwendet:After heat stabilization, the waxy polytetrafluoroethylene was returned to room temperature cooled, ground in a Waring blender and then grind until it passes through an 80-mesh sieve (Particle size smaller than 0.177 mm) passed through. The product thus obtained was then finely ground Silver (particle size below 0.044 mm) and, as a hardening agent for the silver, finely ground cadmium dioxide (Particle size below 0.044 mm) added. The individual components were in the following amounts used:
gweight
G
13 Wachsartiges Polytetra
fluoräthylen
Cadmiumoxyd silver
13 Waxy polytetra
fluoroethylene
Cadmium oxide
2,2
8,510.59
2.2
8.5
9,6
10,979.5
9.6
10.9
so Diese Mischung wurde dann in eine Abbey-Kugelmühle gegeben und etwa 3 Stunden vermählen, wobei Kugeln von 0,225 kg Gewicht benutzt wurden. Hierauf wurde das Material auf eine Teilchengröße unter 0,044 mm gesiebt. Aus dem so erhaltenen Material wurden dann kleine Zylinder eines Durchmessers von etwa 0,6 cm und einer Länge von etwa 0,6 cm bei einem Druck von etwa 3800 kg/cm2 gepreßt. Die auf diese Weise hergestellten ungesinterten Zylinder wurden dann 2 Stunden bei etwa 38O0C gesintert.so This mixture was then placed in an Abbey ball mill and milled for about 3 hours using balls weighing 0.225 kg. The material was then sieved to a particle size below 0.044 mm. Small cylinders about 0.6 cm in diameter and about 0.6 cm in length were then pressed from the material thus obtained at a pressure of about 3800 kg / cm 2. The non-sintered cylinder produced in this way were then sintered for 2 hours at about 38O 0 C.
Die so erhaltenen Probestücke besaßen ausgezeichnete Eigenschaften als Lager; der Reibungskoeffizient
war gering, und die thermische und elektrische Leitfähigkeit waren hoch.
Außer als Lager können die erfindungsgemäßen Werkstoffe auch für andere Zwecke benutzt werden,
z. B. zur Herstellung von elektrischen Kontaktgebern, wie Bürsten für Motoren und Generatoren, elektrische
Regelvorrichtungen, wie Stromunterbrecher, Spannungsregler und Motorregler. Es wurde nämlich gefunden,
daß die mit Polytetrafluoräthylen überzogenen Metallgegenstände außer ihrem geringen Reibungskoeffizienten
und guten elektrischen Eigenschaften auch noch den Vorteil haben, daß sie in elektrischen
Kontaktvorrichtungen für Funken- und Lichtbogenanfressungen weniger anfällig sind, was wahrscheinlich
auf den schützenden Überzug aus Polytetrafluoräthylen zurückzuführen ist. Die erfindungsgemäß
hergestellten Lager eignen sich auch sehr gut zur Verwendung in großen Höhen oder im Weltraum. Es ist
bekannt, daß viele Schmiermittel keine befriedigende Wirkung besitzen, wenn nicht eine gewisse Menge
Feuchtigkeit auf der Oberfläche vorhanden ist. Aus diesem Grund besitzen auch die üblichen festen
Schmiermittel, wie Graphit, außerhalb der Erdatmosphäre keine gute Schmierwirkung mehr, während
dieser Nachteil für das wachsartige Polytetrafluoräthylen nicht zutrifft.The test pieces thus obtained had excellent properties as bearings; the coefficient of friction was low and the thermal and electrical conductivity were high.
In addition to being used as bearings, the materials according to the invention can also be used for other purposes, e.g. B. for the production of electrical contactors, such as brushes for motors and generators, electrical control devices, such as circuit breakers, voltage regulators and motor regulators. It has been found that the metal objects coated with polytetrafluoroethylene, in addition to their low coefficient of friction and good electrical properties, also have the advantage that they are less prone to sparks and arcing in electrical contact devices, which is probably due to the protective coating of polytetrafluoroethylene. The bearings produced according to the invention are also very well suited for use at great heights or in space. It is known that many lubricants will not function satisfactorily unless some amount of moisture is present on the surface. For this reason, the usual solid lubricants such as graphite no longer have a good lubricating effect outside the earth's atmosphere, while this disadvantage does not apply to the waxy polytetrafluoroethylene.
Es ist auch noch darauf hinzuweisen, daß die genannten Sintertemperaturen wesentlich niedriger sind, als sie üblicherweise zum Sintern von Metallen angewendet werden, und daß die absolute Festigkeit, die durch Erhitzen von pulverisierten Metallen auf hohe Sintertemperaturen erzielt werden kann, nicht erreicht wird. Die Sintertemperaturen sind indessen doch so hoch, daß brauchbare standfeste Gegenstände erhalten werden und gewährleistet ist, daß das Metall so stark gesintert ist, daß es in einer kontinuierlichen Phase vorliegt.It should also be pointed out that the sintering temperatures mentioned are much lower, than they are usually used for sintering metals, and that the absolute strength that by heating powdered metals to high sintering temperatures is not achieved will. The sintering temperatures are, however, so high that useful, stable objects are obtained and it is ensured that the metal is so strongly sintered that it is in a continuous phase is present.
Claims (11)
Deutsche Patentschrift Nr. 962 561.Considered publications:
German patent specification No. 962 561.
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