DE19614105A1

DE19614105A1 - Verwendung von Eisenoxid als verschleiß- und kavitationshemmender Zusatz in Kunststoffgleitschichten von Verbundlagern für ölgeschmierte Anwendungen

Info

Publication number: DE19614105A1
Application number: DE19614105A
Authority: DE
Inventors: Achim Dr Adam
Original assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 1996-04-10
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2016-04-11
Also published as: WO1997038046A1; DE59712936D1; KR100499537B1; EP0832155A1; ES2302340T3; ATE393795T1; JPH11507983A; DE19614105B4; BR9706594A; KR19990022692A; EP0832155B1; US6162767A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der Verschleiß- und Kavitationsfestigkeit von Kunststoffgleitschichten an Verbundwerksstoffen, die als Lager für den ölgeschmierten Einsatz Anwendung finden. Insbesondere leistet die Erfindung die Erhöhung der Lebensdauer von Stoßdämpfern und Verbundlagern in Anwendungen mit stoßdämpferähnlichen Bedingungen.

Werkstoffe für Verbundlager mit Kunststoffgleitschicht bestehen aus einer metallischen Stützschicht, vorzugsweise aus Stahl, Bronze oder einer hochfesten Aluminiumlegierung und einer direkt auf dem Metallrücken aufgebrachten geschlossenen Kunststoffgleitschicht. Alternativ hierzu kann die Kunststoffgleitschicht auch so auf einer porösen Zwischenschicht aus Sintermetall aufgebracht sein, daß auch die Poren vollständig mit Kunststoffmaterial gefüllt sind. Die Kunststoffgleitschicht weist PTFE als Basismaterial auf und enthält zusätzlich verschleiß- und reibungsmindernde Zusätze.

Für solche Lagerungen unter Anwesenheit von Öl, ist ein sehr niedriger Reibungskoeffizient bei gleichzeitig hoher Verschleiß- und Kavitationsbeständigkeit von großer Bedeutung, wie z. B. in Stoßdämpfern, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden oder auch in Zahnradpumpen oder hydraulischen Motoren. Aufgrund der erforderlichen niedrigen Reibungskoeffizienten müssen solche Werkstoffe nach heutigem Kenntnisstand zu einem großen Teil aus PTFE bestehen, da alle anderen bekannten, wenn auch in ihren sonstigen Eigenschaften geeigneten Kunststoffe nicht diesen Ansprüchen genügen.

Da PTFE alleine zu weich ist, und daher einen hohen Verschleißkoeffizienten aufweist, müssen Materialien beigemischt werden, die Kavitation und Verschleiß entgegenwirken, ohne den Reibungskoeffizienten wesentlich zu erhöhen.

Die zur Zeit am häufigsten im genannten Anwendungsbereich gebrauchten Lagerwerkstoffe bestehen aus Stahlrücken, poröser Bronzeschicht und einem Kunststoffmaterial, das zu ca. 80 Vol.-% aus PTFE und zum Rest aus Blei oder Molybdändisulfid besteht. Das Kunststoffmaterial ist dabei in das Bronzegerüst eingedrückt und bildet darüber eine dünne geschlossene Schicht. Materialien dieses Aufbaus neigen allerdings unter extremen Bedingungen, wie sie z. B. in Stoßdämpfern durch hohe Lasten, hohe Gleitgeschwindkeiten und Beschleunigungen und hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Lagerspalt entstehen, zu Erosions- und Kavitationserscheinungen, und haben daher, besonders bei hoher Beanspruchung, nur eine begrenzte Lebensdauer.

Es ist zwar möglich, Werkstoffe herzustellen, die unter den beschriebenen Bedingungen kaum Verschleiß und keinerlei Kavitationsanfälligkeit aufweisen, wenn man anstelle des PTFE einen anderen thermoplastischen Werkstoff wie beispielsweise PVDF oder PEEK einsetzt, jedoch muß in solchen Fällen eine deutliche Erhöhung der Reibung bei Ölschmierung in Kauf genommen werden.

In vielen Schriften werden Zusammensetzungen auf PTFE-Basis vorgeschlagen, die bislang jedoch nur vergleichsweise geringe Verbesserungen gegenüber den obengenannten Standardwerkstoffen darstellen, und dabei meist einen erhöhten Reibwert aufweisen, wie im Falle des Calciumfluorid in der EP 183375 A2 oder der Polyimide, die in DE 42 27 909 C2 vorgeschlagen werden.

Die WO 95/02772 schlägt vor, zur Verschleiß- und Kavitationsminderung eine Aramidfaser-Pulpe einzusetzen, was mit Problemen bei der homogenen Einmischung dieser Faser verbunden ist und entsprechende Zusatzeinrichtungen in der Produktion erfordert.

Im Gegensatz hierzu ist es die Aufgabe dieser Erfindung, eine Möglichkeit zur Verfügung zu stellen, ohne Änderung der Produktionsprozesse und ohne Beeinträchtigung des Reibwerts unter Öl zu Lebensdauern zu gelangen, welche die der entsprechenden Werkstoffe gemäß dem Stand der Technik um ein Mehrfaches übertreffen können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Modifikationen und Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Insbesondere gelingt es durch die Verwendung von Eisenoxid als verschleiß- und kavitationshemmendem Zusatz in Kunststoffgleitschichten, die überwiegend aus thermoplastischen Fluorpolymeren bestehen, von Verbundlager für ölgeschmierte Anwendungen, die Lebensdauer dieser Verbundlager für ölgeschmierte Anwendungen deutlich zu erhöhen, ohne den außerordentlich geringen Reibwert der Kunststoffgleitschichten unter Öl nachteilig zu beeinflussen.

Dabei genügt im Rahmen der Erfindung ein geringer Zusatz von Eisenoxid zu den ansonsten üblichen Standardzusammensetzungen für Kunststoffgleitschichten von Verbundwerksstoffen.

Die Möglichkeit der Verwendung von Eisenoxid als Füllstoff in selbstschmierenden Lagerwerkstoffen auf PTFE-Basis ist zwar oft erwähnt, wie z. B. in der DE 41 05 657 C2, jedoch nur als "neutrales Element" und austauschbar gegen andere Oxide oder Oxidkombinationen und nicht als zwingend notwendig zur Erzielung einer bestimmten Eigenschaft. Darüberhinaus wird in diesem Patent zusätzlich die Anwesenheit eines schmelzbaren Fluorthermoplasten vorausgesetzt.

In der JP 04114094 A2 wird Eisenoxid zusammen mit Glasfasern in PTFE für Gleitelemente im Kontakt mit Nahrungsmitteln empfohlen. Dies kommt für die oben beschriebenen Einsatzfälle nicht in Frage, da Hartstoffpartikel wie auch Glas unerwünschte abrasive Wirkung haben und die Funktion der Bauteile in diesen Fällen mit der Zeit beeinträchtigen und weiter einen zu hohen Reibwert bedingen.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Zusatz von Eisenoxid zu Werkstoffen auf PTFE-Basis die Zerrüttung der Gleitoberfläche aufgrund von Kavitationserscheinungen stark abgeschwächt wird. Im Einsatz ohne Anwesenheit von Schmierstoffen schneiden die Werkstoffe mit Eisenoxid- Zugabe dagegen schlechter ab als die entsprechenden Eisenoxid-freien Zusammensetzungen. Ein Zusammenhang mit der Beständigkeit von Gleitlagerwerkstoffen unter den obengenannten Bedingungen mit Eisenoxid- Beigaben ist vorher nie hergestellt worden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung verwendet man bei der Herstellung der Kunststoffgleitschichten für ölgeschmierte Verbundlager

(i) 0,5-10 Vol.-% Eisenoxid in einer Kunststoffgleitschicht, die daneben aus
(ii) 55-90 Vol.-% eines oder mehrerer thermoplastischer Fluorkunststoffe und
(iii) 9,5-44,5 Vol.-% Blei, Bleioxid, Metallsulfide mit Schichtstruktur, Metallfluoride, Bornitrid, Graphit, Ruß oder Koks einzeln oder kombiniert, besteht, wobei
(i), (ii), und (iii) so gewählt werden, daß sie zusammen bis zu 100 Vol.-% ergeben, wobei die Kunststoffgleitschicht
(iv) übliche Zusätze enthalten kann, die in dem Fall, daß (i) + (ii) + (iii) weniger als 100 Vol.-% ausmachen, den Rest bilden.

Daraus folgt, daß ein im Rahmen der Erfindung einsatzbarer Werkstoff für eine Kunststoffgleitschicht eine Kunststoffzusammensetzung auf der Basis von 55-90 Vol.-% PTFE aufweist, dem zu 9,5-44,5 Vol.-% die bekannten Füllstoffe Blei, Bleioxid, Metallsulfide mit Schichtstruktur wie Molybdänsulfid, Metallfluoride, Bornitrid oder Graphit, Ruß, Koks einzeln oder zu mehreren beigemischt sind, wobei die Kunststoffzusammensetzung darüberhinaus noch 0,5-10 Vol.-% Eisenoxid enthält.

Als Eisenoxid wird in bevorzugter Ausführungsform F₂O₃ verwendet. Im Hinblick auf das Kunststoffmaterial der Gleitschicht ist es günstig, wenn dieses überwiegend aus PTFE besteht.

Anteile des PTFE können dabei auch durch Anteile anderer Fluorthermoplaste ersetzt sein. Zu den im Rahmen der Erfindung einsetzbaren Fluorthermoplasten gehören u. a. Homopolymere wie PCTFE (Polychlortrifluorethylen), PVDF (Polyvinylidenfluorid), PVF (Polyvinylfluorid), alternierende Copolymere wie ETFE (Polyethylen-alt-tetrafluorethylen), CM-1 (Polyvinyliden-alt- hexafluorpropylen), und/oder statistische Copolymere wie FEP (Polyetrafluorethylen-co-hexafluorpropylen) und PFA (Copolymeres aus Tetrafluorethylen und Perfluorvinylalkylether). Auch die Verwendung weiterer Zusätze wie Fasern, Kunststoffe, Hartstoffe, Farbstoffe etc. ist im Rahmen o.g. Anteilsverhältnisse möglich.

In einer besonders zweckmäßigen Abwandlung wird als Gleitschicht ein Material verwendet, das man erhält, wenn man

(i) 1-6 Vol.-% F₂O₃,
(ii) 65-75 Vol.-% PTFE und
(iii) 24-34 Vol.-% Blei, Bleioxid, Molybdändisulfid, Metallfluoride, Bornitrid, Graphit, Ruß oder Koks einzeln oder kombiniert, wobei (i) + (ii) + (iii) bis zu 100 Vol.-% ergeben und für den Fall, daß (i) + (ii) + (iii) weniger als 100 Vol.-% betragen, gegebenenfalls zusätzlich
(iv) Fasern, Kunststoffe, Hartstoffe und/oder Farbstoffe in der Kunststoffgleitschicht enthalten sind, die den Rest bilden,

verwendet. Dies führt zu besonders vorteilhaften Eigenschaften der Gleitschicht.

F₂O₃ wird am besten in roter und/oder brauner α-Modifikation verwendet.

Im Rahmen der Erfindung sind weiterhin bevorzugt die Verwendung von F₂O₃ als sphärischem Primärkorn mit einer mittleren Partikelgröße von 5µm.

Besonders zweckmäßig ist die Verwendung von F₂O₃ mit Partikelgrößen 5µm.

Besonders gute Ergebnisse werden mit F₂O₃ durch Füllstoffkombinationen aus Metallsulfiden mit Schichtstruktur und hexagonalem Bornitrid erzielt.

Beispielhaft sind drei mögliche Ausführungsformen den entsprechenden Materialien ohne Zusatz von Fe₂O₃ gegenübergestellt. Die Zusammensetzungen sind in der Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Die Herstellung der Proben kann in bekannter Weise erfolgen:

- Homogenes Aufschlämmen der Füllstoffe und des Eisenoxids in Wasser mit Hilfe eines nichtionischen Netzmittels;
- Zugabe einer 30%igen PTFE-Dispersion und homogenes Vermischen;
- Herbeiführung der Koagulation des Gemisches mit Hilfe von Aluminiumnitrat-Lösung;
- Entfernung überschüssigen Wassers und Fertigrühren bis zur beschichtungsgerechten Konsistenz der Masse;
- Einwalzen des Gemisches in das auf Stahl aufgebrachte poröse Bronzegerüst;
- Sintern des PTFE bei 380°C;
- Heißverdichten der Gesamtstruktur durch Walzen.

Buchsen aus diesen Materialien wurden einem Stoßdämpfertest unterzogen, bei dem die Lebensdauer unter besonders Kavitations- und verschleißfördernden Bedingungen ermittelt wurde. Geprüft wurden Buchsen mit einer Laufflächenbreite von 10 mm in Zweirohrdämpfern mit einem Stangendurchmesser von 22 mm bei einer konstanten Seitenbelastung von 2000N. Dabei wurden abwechselnd 20s lang eine rampenförmige und eine sinusförmige Bewegung von je 0,5Hz und eine Doppelamplitude von 80 mm ausgeführt, bis sich die Zerstörung der Gleitschicht durch Undichtigkeit des Dämpfers bemerkbar machte. Spätestens nach 120h wurden die Tests jedoch abgebrochen.

Darüber hinaus wurden die Reibwerte der Materialien am System Buchse/Stange unter Tropfölschmierung bei einer spezifischen Belastung von 3MPa und einer Gleitgeschwindigkeit von 0,01m/s gemessen.

Die Daten sind in Tab. 2 zusammengefaßt.

Tabelle 2

Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie stark der positive Einfluß des Eisenoxids auf die Verschleiß- und Kavitationsbeständigkeit ist und daß der Reibwert kaum davon beeinflußt wird.

Claims

1. Verwendung von Eisenoxid als verschleiß- und kavitationshemmendem Zusatz in Kunststoffgleitschichten, die überwiegend aus thermoplastischen Fluorpolymeren bestehen, von Verbundlagern für ölgeschmierte Anwendungen.

2. Verwendung nach Anspruch 1 in einer Menge von

(i) 0,5-10 Vol.-% Eisenoxid in einer Kunststoffgleitschicht, die daneben aus
(ii) 55-90 Vol.-% eines oder mehrerer thermoplastischer Fluorkunststoffe und
(iii) 9,5-44,5 Vol.-% Blei, Bleioxid, Metallsulfide mit Schichtstruktur, Metallfluoride, Bornitrid, Graphit, Ruß und/oder Koks besteht,

wobei (i), (ii), und (iii) so gewählt wurden, daß sie zusammen bis zu 100 Vol.-% ergeben,
wobei die Kunststoffgleitschicht gegebenenfalls (iv) noch weitere übliche Zusätze enthalten kann.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 von F₂O₃.

4. Verwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, in Kunststoffgleitschichten, die als Kunststoffmaterial überwiegend PTFE aufweisen.

5. Verwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in einer Menge von

(i) 1-6 Vol.-% F₂O₃ auf
(ii) 65-75 Vol.-% PTFE und
(iii) 24-34 Vol.-% Blei, Bleioxid, Molybdändisulfid, Metallfluoride, Bornitrid, Graphit, Ruß oder Koks,

wobei (i) + (ii) + (iii) bis zu 100 Vol.-% ergeben,
und gegebenenfalls zusätzlich

(iv) Fasern, Kunststoffe, Hartstoffe und/oder Farbstoffe in der Kunststoffgleitschicht enthalten sind.

6. Verwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche von F₂O₃ als rote und/oder braune α-Modifikation.

7. Verwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche von F₂O₃ als sphärischem Primärkorn mit einer mittleren Partikelgröße 5µm.

8. Verwendung nach Anspruch 7 von F₂O₃ mit Partikelgrößen 5µm.

9. Verwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 2-8 in Kunststoffgleitschichten, die als Komponente (iii) Metallsulfide mit Schichtstruktur und/oder hexagonales Bornitrid aufweisen.

10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kunststoffgleitschichten von Verbundlagern, wobei die Kunststoffgleitschicht auf einer porösen Sinterschicht aufgebracht ist, die sich auf einem Stahlrücken befindet.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für Stoßdämpferstangenführungselemente.