DE19545425A1

DE19545425A1 - Zweischicht-Gleitlagerwerkstoff

Info

Publication number: DE19545425A1
Application number: DE1995145425
Authority: DE
Inventors: Juergen Deinert
Original assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Current assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Priority date: 1995-12-06
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 1997-06-12

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweischicht-Gleitlagerwerkstoff, der eine Kunststoffgleitschicht mit einer Polyamid-Matrix und ein Trägermaterial aufweist.

Ein solcher Zweischicht-Gleitlagerwerkstoff ist aus der DE-PS-29 13 745 bekannt, dessen Gleitschicht aus modifiziertem Polyamid 11 besteht. In diesem Werkstoff werden als metallische Stützschicht bevorzugt Stahl DIN 1624, Qualität St3 oder St4 eingesetzt, es wird jedoch auch Aluminium oder Aluminium-plattierter Stahl in Betracht gezogen, wodurch die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden soll. Obwohl der Polyamidschicht zur Verbesserung der Gleitfähigkeit, Temperaturstabilisierung und Beeinflussung physikalischer Eigenschaften 5%-20% Volumenanteile Blei und zur Reduzierung des Verschleißes 1%-3% niedermolekulares PTFE (Polytetrafluorethylen) zugegeben werden, sind die Trockenlaufeigenschaften nicht zufriedenstellend. Ein weiterer Nachteil dieses Werkstoffes besteht darin, daß die Gleitschicht große Anteile an Blei enthält, was insbesondere im Hinblick auf den Abrieb, der sich beim Einsatz von Gleitlagern nicht vermeiden läßt, gesundheitlich bedenklich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstigen, temperatur- und korrosionsbeständigen Gleitlagerwerkstoff zu entwickeln, der gegenüber den bekannten Gleitlagerwerkstoffen, insbesondere den Dreischicht- Verbundstoffen, verbesserte Trockenlaufeigenschaften aufweist. Die Kunststoff-Gleitschicht sollte außerdem eine hohe Dehnbarkeit aufweisen, um den Einsatzbereich dieses Werkstoffes zu erweitern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Polyamid- Matrix verwendet, die mit 3 bis 40 Vol-%, bevorzugt 10-20 Vol.-% PTFE (Polytetrafluorethylen) modifiziert ist. Vorzugsweise werden Polyamid 11 oder Polyamid 12 verwendet, welche neben einer ausreichenden Temperaturbeständigkeit eine hohe Affinität gegenüber Metallen, gute Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Der erfindungsgemäße Gleitlagerschmierstoff besitzt eine hohe Dehnbarkeit, so daß er sich insbesondere für die Herstellung von Bundbuchsen eignet.

Der erfindungsgemäße Werkstoff zeigt aufgrund der erhöhten Konzentration von PTFE gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Gleitlagerwerkstoff, der aus mit Blei und geringen Mengen PTFE versetztem Polyamid 11 besteht, bessere tribologische Eigenschaften und kann im Trockenlauf betrieben werden. Außerdem kann aufgrund der erhöhten Konzentration von PTFE auf den Einsatz von Blei verzichtet werden.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften, wie zum Beispiel Wärmeabfuhr aus der Reibungszone und verbesserte Bindung der Gleitschicht auf dem Trägermaterial, können erfindungsgemäß durch Zugabe weiterer Additive erzielt werden. Diese Additive bzw. Schmier- und Füllstoffe dienen außerdem zur weiteren Modifizierung bzw. Verbesserung der tribologischen Eigenschaften, insbesondere der Senkung des Reibwerts im Trockenlauf und der Erhöhung der Verschließfestigkeit. Beispiele für diese Additive sind Calciumcarbonat, Glimmer, PE, Wachse, mineralisches Öl, synthetisches Öl, Calciumfluorid, Molybdänsulfid, Graphit, Bronzepulver, Fasern oder Kombinationen dieser Stoffe. Als besonders geeignet haben sich die Schmierstoffkombinationen PTFE/MoS₂, PTFE/CaCO₃, PTFE/Glimmer und PTFE/Graphit sowie der Zusatz polymerer Schmierstoffe (z. B. PE) und Wachse herausgestellt. Je nach Art des Additivs und des Anwendungsfalls haben sich Konzentrationen zwischen 2 Gew.-% und 40 Gew.-% für das Additiv bewährt. Höhere Konzentrationen führen zum Nachlassen der mechanischen Eigenschaften des Polyamids, während Konzentrationen von weniger als 2 Gew.-% eine zu geringe tribologische Wirkung zeigen.

Zur Erhöhung der Belastbarkeit kann die Gleitschicht mit Fasern unterschiedlicher Struktur und chemischer Zusammensetzung verstärkt und so gezielt an spezielle Anforderungen angepaßt werden.

Die Adhäsionskräfte zwischen Polyamid und einem metallischen Trägermaterial zur Ausbildung der Haftung der Gleitschicht bei einer PTFE- Konzentration von 3-40 Vol.-% können verbessert werden, indem das Absenken der Oberflächenenergie in der Grenzschicht durch das PTFE kompensiert wird. Die Kompensation der Absenkung der Oberflächenenergie kann erzielt werden, indem aktive Zentren in die Polymerschmelze oder auf die Oberfläche des zur Beschichtung erzeugten Polymerfilms eingebracht werden. Diese aktiven Zentren an der Oberfläche des Polymerfilms bilden die Bindungsstellen zum Trägermaterial, während Zentren in der Polymerschmelze auch Bindungen zu Füll- oder Verstärkungsstoffen herstellen können. Als aktive Zentren eignen sich vor allem polare funktionelle Gruppen, wie z. B. Carbonyl-, Carboxyl- oder Hydroxylgruppen. Aber auch Gruppen mit radikalischen Funktionen sind als aktive Zentren denkbar. Die aktiven Zentren werden durch bekannte Verfahren erzeugt. Ein Beispiel ist die chemische Verankerung von aktiven Zentren am Polymermolekül, bei der polare Monomere, wie z. B. Maleinsäureanhydrid, im Extruder in die Polymerschmelze eingebracht und radikalisch auf das Polymermolekül gepfropft werden. Weitere Methoden sind das Einmischen eines zweiten Polymeren, das eine hohe Konzentration an aktiven Zentren, wie z. B. Ethylen/Ethylacrylat-Copolymere oder Ionomere, aufweist, oder die Oberflächenbehandlung des Polymerfilms mit Ozon, Fluor bzw. die Koronabehandlung. Erfindungsgemäß werden die aktiven Zentren jedoch bevorzugt durch einen mechanischen Energieeintrag in die Polymerschmelze eingebracht, wobei spezielle Knetelemente entlang einer Extruderschnecke installiert werden.

Die Gleitschicht kann z. B. als homogener Schmelzefilm oder als Pulver auf das Trägermaterial aufgebracht werden. Im Falle des homogenen Schmelzefilmes wird die Gleitschicht auf das Trägermaterial aufgebracht, indem zunächst eine Polyamidschmelze hergestellt wird. In diese Schmelze werden die aktiven Zentren eingebracht und anschließend wird die Schmelze als homogener Film auf das Trägermaterial aufgetragen und mit diesem verbunden. Wird das Polyamid als Pulver aufgetragen, so wird aus der Schmelze, in die die aktiven Zentren eingebracht worden sind, zunächst ein Pulver hergestellt, das auf das Trägermaterial aufgetragen wird und anschließend in geschmolzenem Zustand mit dem Trägermaterial verbunden wird. Soll die Gleitschicht als Pulvermischung aufgetragen werden, muß das PTFE homogen in die Pulverkörner der Polyamidmatrix verteilt werden. Dadurch wird es sogar möglich, als Trägermaterial oberflächenpassives Aluminium bzw. wenig reaktive Kupferlegierungen einzusetzen. Die Verwendung von Aluminium bietet neben dem Vorteil, daß es relativ korrosionsbeständig ist, den Vorteil, daß es eine geringe Dichte hat und somit eine Gewichtsreduzierung der daraus hergestellten Bauteile erzielt werden kann.

Als Trägermaterialien können ferner Messing, Bronze, Stahl oder Gewebe aus korrosionsbeständigen Fasern eingesetzt werden.

Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, eine den Anforderungen entsprechende Korrosionsbeständigkeit zu erzielen, indem der metallische Stützkörper, hier insbesondere der Stahlstützkörper, auch auf der Rückseite mit einer Polyamid 11- oder Polyamid 12-Schicht versehen wird, wobei diese Polyamid-Schutzschicht keine Schmierstoffe oder Fasern enthalten muß. Die Dicke dieser Schutzschicht beträgt vorzugsweise 10 µm bis 25 µm. Den Kosten für diese zweite Polyamidschicht steht gegenüber, daß als Stützmaterial untereutektoider Stahl DIN 1624, Qualität St3 oder St4 eingesetzt werden kann. Berücksichtigt werden muß hierbei allerdings die durch die zweite Polyamidschicht verminderte Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes.

Bei Ausführung mit metallischem Trägermaterial wird das Metallsubstrat vor der Beschichtung mit der Polyamidgleitschicht mechanisch aufgerauht, um die Oberfläche und damit die Haftung des Polyamids zu vergrößern. Dieser Prozeßschritt muß bei besonders hohen Anforderungen an die Scherfestigkeit unter Schutzgas durchgeführt werden. Außerdem ist eine chemische Oberflächenaktivierung, z. B. durch Phosphatierung bzw. Auftragen eines Primers möglich.

Erfindungsgemäß können als Trägermaterial auch Gewebe eingesetzt werden. Diese Gewebe bestehen aus Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- oder Metallfasern. Sie bieten sich insbesondere für die Herstellung von Folienwerkstoffen an.

Vorzugsweise wird der Werkstoff als Bandware gefertigt. Der Trägerwerkstoff kann zwischen 0,5 und 3,5 mm und die Reib- bzw. Gleitschicht zwischen 0,05 mm und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,08 mm und 0,3 mm, stark sein.

Im folgenden sind einige Beispiele vorteilhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gleitlagerwerkstoffe aufgeführt, von denen Beispiel 1 eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist.

Beispiel 1

Trägermaterial:
Aluminium, Oberfläche mechanisch behandelt
Gleitschicht:
85 Gew.-% Polyamid 12
10 Gew.-% PTFE
5 Gew.-% MoS₂

Beispiel 2

Trägermaterial:
Bronze, Oberfläche mechanisch behandelt
Gleitschicht:
70 Gew.-% Polyamid 11
15 Gew.-% PTFE
10 Gew.-% Aramidfaser
5 Gew.-% Wachs

Beispiel 3

Trägermaterial:
C-Fasergewebe
Gleitschicht:
70 Gew.-% Polyamid 11
15 Gew.-% PTFE
10 Gew.-% Aramidfaser
5 Gew.-% Wachs

Anhand von Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen stark vergrößerten Schnitt durch einen Gleitlagerwerkstoff in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen stark vergrößerten Schnitt durch einen Gleitlagerwerkstoff in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 einen stark vergrößerten Schnitt durch einen Gleitlagerwerkstoff in einer dritten Ausführungsform und

Fig. 4 den Reibwert und den Verschleiß einer erfindungsgemäßen Ausführung des Werkstoffs im Vergleich mit einem Dreischicht-Verbundwerkstoff.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gleitlagerwerkstoff, der aus einer Gleitschicht 1 und einem Trägermaterial 2 besteht. Die Gleitschicht 1 weist Polyamid 12 auf, das zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften mit Schmierstoffen 6 und Fasern 7 modifiziert ist.

Wird als Trägermaterial 2 einfacher Stahl eingesetzt, so wird der Stützkörper auf der Rückseite mit einer Polyamid 11- oder einer Polyamid 12 aufweisenden Schutzschicht 3 versehen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Schutzschicht 3 muß keine Fasern oder Schmierstoffe enthalten.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, in der das Trägermaterial ein Gewebe 5 ist, das in eine Gleitschicht 1, die aus mit Schmierstoffen modifiziertem Polyamid besteht, eingelagert ist.

In Fig. 4 sind der Reibwert und der Verschleiß eines erfindungsgemäßen Zweischicht-Werkstoffes im Vergleich zu einem Dreischicht-Werkstoff gegen die spezifische Belastung aufgetragen. Der Zweischicht-Werkstoff weist als Trägermaterial Aluminium auf, das mit einer Gleitschicht aus Polyamid, das mit PTFE und MoS₂ modifiziert ist, beschichtet ist. Der Dreischicht-Werkstoff besteht aus Stahl als Trägermaterial, einer Adhäsionsschicht aus Bronze und einer Gleitschicht aus Polyoxymethylen (POM) und PTFE. Der erfindungsgemäße Gleitlagerwerkstoff zeichnet sich durch niedrigere Reibwerte und einen geringen Verschleiß aus.

Claims

1. Zweischicht-Gleitlagerwerkstoff, der eine Kunststoffgleitschicht mit einer Polyamid- Matrix und ein Trägermaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (1) PTFE in einer Konzentration von 3 bis 40 Vol.-% enthält.

2. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (1) PTFE in einer Konzentration von 10-20 Vol.-% enthält.

3. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial Polyamid 11 oder Polyamid 12 ist.

4. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (1) kein Blei enthält.

5. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (1) mit Additiven modifiziert ist.

6. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Additiven um Calciumcarbonat, Glimmer, PE, Wachse, mineralisches Öl, synthetisches Öl, Calciumfluorid, Molybdänsulfid, Graphit, Bronzepulver, Fasern oder Kombinationen dieser Stoffe handelt.

7. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtkonzentration der Additive in der Gleitschicht (1) im Bereich von 2 Gew.-% bis 40 Gew.-% liegt.

8. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (2) aus einem Metall besteht.

9. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Trägermaterial (2) um untereutektoiden Stahl, wie Stahl DIN 1624, Qualität St3 oder St4, handelt, der auf der der Gleitschicht (1) abgewandten Seite mit einer Schutzschicht (3) aus Polyamid 11 oder Polyamid 12 versehen ist.

10. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz-Schicht (3) eine Dicke zwischen 10 µm und 25 µm aufweist.

11. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Trägermaterial (2) um Bronze, Messing, Aluminium oder eine wenig reaktive Kupferlegierung handelt.

12. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (2) aus einem Gewebe (5) besteht.

13. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe (5) aus Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- oder Metallfasern aufgebaut ist.

14. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Trägermaterial (2) zur mechanischen Oberflächenaktivierung gestrahlt, gebürstet, geschliffen oder geritzt ist.

15. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 8 bis 11 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Trägermaterial (2) zusätzlich oder alternativ zur mechanischen Oberflächenaktivierung chemisch behandelt ist.

16. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (1) eine Dicke zwischen 0,05 mm und 1 mm aufweist.

17. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (1) eine Dicke zwischen 0,08 mm und 0,3 mm aufweist.

18. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (2) eine Dicke zwischen 0,5 mm und 3,5 mm aufweist.

19. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht ein polares Monomer aufweist.

20. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem polaren Monomer um Maleinsäureanhydrid handelt.

21. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht Ethylen/Ethylacryl-Copolymere oder Ionomere aufweist.

22. Verwendung des Gleitlagerwerkstoffes für die Herstellung von Bundbuchsen.

23. Verfahren zur Herstellung eines Zweischicht-Gleitlagerwerkstoffes, bei dem eine Kunststoffgleitschicht mit einer Polyamid-Matrix, die PTFE in einer Konzentration von 3 bis 40 Vol.-% enthält, auf ein Trägermaterial aufgebracht wird, indem zunächst eine Polymerschmelze hergestellt wird, in die aktive Zentren eingebracht werden, und die Polymerschmelze anschließend als Film auf das Trägermaterial aufgetragen und mit diesem verbunden wird.

24. Verfahren zur Herstellung eines Zweischicht-Gleitlagerwerkstoffes, bei dem eine Kunststoffgleitschicht mit einer Polyamid-Matrix, die PTFE in einer Konzentration von 3 bis 40 Vol.-% enthält, auf ein Trägermaterial aufgebracht wird, indem zunächst eine Polymerschmelze hergestellt wird, in die aktive Zentren eingebracht werden, aus der Polymerschmelze ein Pulver hergestellt wird, das Pulver auf das Trägermaterial aufgetragen wird und anschließend in geschmolzenem Zustand mit dem Trägermaterial verbunden wird.