DE19621787A1

DE19621787A1 - Gleitmaterial für Leichtmetallmaterialien

Info

Publication number: DE19621787A1
Application number: DE19621787A
Authority: DE
Inventors: Tatsuei Sakata
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2016-05-31
Also published as: JP3587894B2; JPH08159292A; DE19621787C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gleitmateri al für ein Leichtmetallmaterial.

In der Automobilindustrie sind Dichtbauteile weit verbrei tet im Einsatz, um eine Leckage von Öl zu verhindern, das einem Hydraulikkreis, beispielsweise für ein Automatikge triebe (als AG bezeichnet), zugeführt wird. Zur Reduzierung des Gewichts von AG beabsichtigt man, die Mehrzahl der Teile für die Verwendung in einem AG derart aus einem Leichtmetallmaterial, wie z. B. aus einer auf Aluminium ba sierenden Legierung (beispielsweise ADC-12Z, japanischer Industriestandard) herzustellen, daß Dichtringe mit einem aus dem Leichtmetallmaterial hergestellten gegenüberliegen den oder zugehörigen Teil in einen Gleitkontakt gebracht werden. Wenn die Dichtringe aus einem Stahlmetallmaterial hergestellt sind, dann unterliegen derartige aus dem Leichtmetallmaterial hergestellten zugehörigen Teile einem nicht normalen, erhöhten Verschleiß. Im Gegensatz dazu un terliegen die Gleitflächen der Dichtringe einem übermäßigen Verschleiß, wenn die Dichtringe aus einem weichen Metallma terial bestehen. Tatsächlich wurde die Erfahrung gemacht, daß sich die Ölleckage bei einem Öldruck von 1 MPa (etwa 10 kgf/cm²) auf 500 bis 1000 cm³/min (500-1000 cc/min) be läuft, wenn die aus einem Gußeisenmaterial bestehenden Dichtringe in Ringnuten eingepaßt bzw. eingebaut werden, die an einer aus ADC-12Z hergestellten rotierbaren Welle ausgebildet sind.

Um die zuvor erwähnte Ölleckage zu beheben, die in Verbin dung des aus dem Gußeisenmaterial hergestellten Dichtrings und der aus ADC-12Z bestehenden Welle angetroffen wird, wird der aus einem synthetischen Harz bzw. Kunstharz beste hende Dichtring mit einem hohen thermischen Ausdehnungs koeffizienten entwickelt. Jedoch hat diese Art von Dicht ring auf die aus einer auf Aluminium basierenden Legierung hergestellten zugehörigen Teile, die bezüglich den Dicht ringen gleitbar sind, einen nachteiligen Effekt, nämlich das Auftreten eines übermäßigen Verschleißbetrags an den Gleitflächen der aus einer auf Aluminium basierenden Legie rung hergestellten zugehörigen Bauteile. Zur Verringerung des Grads an Verschleiß oder Abrieb wird der aus Polytetrafluorethylen (mit PTFE bezeichnet) hergestellte Dichtring, der aus Polyetheretherketon (mit PEEK bezeich net) hergestellte Dichtring, der mit Kohlefasern und PTFE gefüllt ist, oder der aus einem Material bestehende Dicht ring, das aus PEEK, Kohlefasern, PTFE und Sericitpulver zu sammengesetzt ist, vorgeschlagen (siehe die offengelegte japanische Patentveröffentlichung (KOKAI) 262976/1993). Wenn dieser Dichtring dazu verwendet wird, eine Ölleckage zwischen dem Dichtring und dem damit in Gleitkontakt ste henden gegenüberliegenden oder zugehörigen Bauteil aus ei ner auf Aluminium basierenden Legierung zu verhindern, dann tritt an einem derartigen gegenüberliegenden oder zugehöri gen Bauteil ein großer Verschleiß auf, und es wurde zugege ben, daß der Dichtring der zuvor erwähnten Zusammensetzun gen in solchen Anwendungsfällen nicht brauchbar ist, in de nen im Hinblick auf eine Gewichtsreduzierung das Gegenüber liegende oder Zugehörige Bauteil aus einer auf Aluminium basierenden Legierung äußerst wünschenswert wäre.

Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleitmaterial für Leichtmetallmaterialien vorzusehen, das die zuvor erwähnten, in der bekannten Tech nik angetroffenen, Nachteile behebt.

Des weiteren soll die vorliegenden Erfindung ein Gleitmate rial mit einer guten Verschleißbeständigkeit vorsehen, das derart angepaßt ist, daß es den Verschleiß eines bezüglich des Gleitmaterial gleitbaren Leichtmetallmaterials unter drückt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Vor sehung eines Gleitmaterials erreicht, das sich mit einem Leichtmetallmaterial in Gleitkontakt befindet, eine Abdich tung für das für einen Gleitkontakt dazwischen aufgetragene Öl vorsieht und Polyetheretherketon und/oder Polyethernitrid und desweiteren Sericit aufweist, wobei 20 bis 35 Gew.-% Sericit zugegeben ist.

Ein Dichtring besteht vorzugsweise aus dem zuvor erwähnten Gleitmaterial, und eine rotierbare oder hin- und hergehende aus einem Leichtmetall oder einer auf Aluminium basierenden Legierung bestehende Welle ist mit dem Dichtring ausgerü stet.

Das erfindungsgemäße Gleitmaterial hat bezüglich einem Leichtmetallmaterial, das mittels des Gleitmaterials eben falls einem niedrigen Verschleißgrad unterliegt, eine gute Verschleißbeständigkeit. Das erfindungsgemäße Gleitmaterial weist nämlich bezüglich den Gleitflächen in Öl zwischen dem erfindungsgemäßen Gleitmaterial und dem gegenüberliegenden oder zugehörigen Leichtmetallmaterial eine hervorragende Verschleißbeständigkeitskorrelation auf. Anders ausgedrückt besteht die Möglichkeit, den Verschleiß des Gleitmaterials und des Leichtmetallmaterials davon abzuhalten, einen vor gegebenen oder festen Betrag zu überschreiten.

Das erfindungsgemäße Gleitmaterial kann beispielsweise durch ein Extrudier- oder Spritzverfahren eines Materials hergestellt werden, das aus VICTRE-PEEK (Handelsbezeichnung der I.C.I. in GB) und/oder Polyethernitrid, nämlich PEN (von der Idemitsu Chemical Company in Japan) und ferner Sericit, das eines der festen Schmiermittel ist, zusammen gesetzt ist.

Das erfindungsgemäße Gleitmaterial enthält derart Sericit, daß dessen Selbst-Verschleißbeständigkeitseigenschaft gut und der Verschleißpegel des Zugehörigen Teils, wie z. B. ADC-12Z, ebenfalls gering ist. Das Fließvermögen des Gleit materials wird erhöht, da es keine Kohlefasern enthält, so daß die Herstellung von Dichtringen einfach ist. Vorzugs weise werden 20 bis 35 Gew.-% Sericit in das aus PEEK und/oder PEN zusammengesetzte Basismaterial zugegeben. Im besonderen werden im Hinblick auf die hervorragende Selbst- Verschleißbeständigkeitseigenschaft des Gleitmaterials und des geringeren Verschleißpegels des zugehörigen Teils, wie z. B. des Leichtmetallmaterials (z. B. ADC-12Z), 30 Gew.-% Sericit in das aus PEEK und/oder PEN bestehende Basismate rial zugegeben. Das Sericit hat eine Größe von 325 mesh oder weniger und einen mittleren Durchmesser von 10 µm (10 µ); eine geeignete Menge an Sericit wird abgewogen und das abgewogene Sericit zur Ausbildung von Pellets in eine Ex trudiervorrichtung gegeben. Diese Pellets werden zur For mung von Dichtringen in eine Spritzgußmaschine geladen.

Die vorstehende Aufgabe und weiteres, sowie die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Be schreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervorge hen, wobei die vorliegende Erfindung auf ein Gleitbauteil für Leichtmetallmaterialien angewendet wird, wie es in der begleitenden Zeichnung gezeigt ist.

Fig. 1 ist eine Mikrophotographie (x 100) der Struktur in einem Material, bei dem das erfindungsgemäße PEEK-Basisma terial mit Sericit gefüllt ist;

Fig. 2 ist eine Mikrophotographie (x 100) der Struktur in einem Material, bei dem das erfindungsgemäße PEN-Basismate rial mit Sericit gefüllt ist;

Fig. 3 ist eine Ansicht, die eine Verschleiß- oder Abriebs prüfvorrichtung zeigt;

Fig. 4 ist ein Graph, der das Ergebnis des Verschleißtests zeigt, wobei ein D-Material, das das erfindungsgemäße PEEK-Basis material verwendet, und ein Kunstharz-Vergleichsmate rial verglichen wird;

Fig. 5 ist ein Graph, der das Ergebnis des Verschleißtests zeigt, bei dem PEEK als ein Basismaterial verwendet wird;

Fig. 6 ist ein Graph, der das Ergebnis des Verschleißtests zeigt, wobei ein J-Material, das das erfindungsgemäße PEN-Basis material verwendet, und ein Kunstharz-Vergleichsmate rial verglichen wird;

Fig. 7 ist ein Graph, der das Ergebnis des Verschleißtests zeigt, wobei PEN als ein Basismaterial verwendet wird;

Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die eine Ölleckage-Prüfvor richtung zeigt;

Fig. 9 ist ein Graph, der das Ergebnis des Ölleckagetests zeigt, wobei ein aus dem erfindungsgemäßen D-Material be stehender Dichtring und ein aus einem herkömmlichen Materi al bestehender Kolbenring verglichen wird; und

Fig. 10 ist ein Graph, der das Ergebnis des Haltbarkeits tests für 50 Stunden zeigt, wobei die in Fig. 8 darge stellte Prüfvorrichtung verwendet wird, und das erfindungs gemäße D-Material, das herkömmliche Material und ADC-12Z in Verwendung für Dichtringe und eine Welle verglichen werden.

Das PEEK-Basismaterial und/oder PEN-Basismaterial werden mit Sericit einer Größe von 325 mesh oder weniger und einem mittleren Durchmesser von ungefähr 10 µm gefüllt. Nach der Mischung und Umrührung dieser Materialien werden die ge mischten Materialien in eine Extrudiervorrichtung gespeist, um Pellets auszubilden. Um Prüfstücke von einer Dichtring- Gestalt vorzusehen, werden diese Pellets in eine Spritzguß maschine gespeist.

Die aus einem erfindungsgemäßen Gleitmaterial hergestellten Dichtringe haben jeweils die Abmessungen eines äußeren Durchmessers von 55 mm, eines inneren Durchmessers von 50 mm und einer Breite von 3 mm. Mittels einer Schleifvorrich tung wird die Breite von 3 mm auf 2,5 mm reduziert.

Die Vergleichsprüfstücke (A, A′, B und C) mit Dichtring-Ge stalt sind aus folgenden Materialien geformt:
A-Material: Das PEEK-Basismaterial ist mit 15 Gew.-% Kohlefasern und 15 Gew.-% PTFE gefüllt.
A′-Material: Das PEN-Basismaterial ist mit 15 Gew.-% Koh lefasern und 15 Gew.-% PTFE gefüllt.
B-Material: Das PTFE-Basismaterial ist mit 10 Gew.-% Kohlefasern und 30 Gew.-% Bronzepulver gefüllt.
C-Material: Das PTFE-Basismaterial ist mit 30 Gew.-% Sumi-Casper E101 (eine Handelsbezeichnung der Sumitomo Che mical Company in Japan) gefüllt.

Die Verschleißbeständigkeitseigenschaft in einem Gleitzu stand für jedes der erfindungsgemäßen Prüfstücke und der Vergleichsprüfstücke wird gemessen; die Prüfbedingungen sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Tabelle 1

Ein aus ADC-12Z (JIS, japanischer Industriestandard) herge stelltes zugehöriges Teil hat die Abmessungen eines äußeren Durchmessers von 80 mm, eines inneren Durchmessers von 20 mm und eine Dicke von 10 mm. Durch die zentrale Öffnung von 20 mm Durchmesser wird dem zugehörigen Teil ATF-Öl zuge führt.

In Fig. 1 und Fig. 2 sind die mikroskopischen Strukturen der erfindungsgemäßen Gleitmaterialien dargestellt, wobei man PEEK und PEN in den weißen Teilen und Sericit als Füll material in den dunklen Teilen beobachtet, was dazu dient, einen niedrigen Verschleißpegel zu erreichen.

Die Spritzgußbedingungen zur Herstellung der Prüfstücke sind wie folgt:
Formtemperatur: 150°C
Düsentemperatur: 400°C
Spritzdruck: 1500 kg/cm².

Fig. 3 zeigt den Umriß einer Verschleiß- oder Abriebs-Prüf vorrichtung, wobei ein Scheibenhalter 1 lösbar mit einer Scheibe 2 versehen ist, die aus einer auf Aluminium basie renden Legierung (ADC-12Z) besteht und die Abmessungen ei nes Durchmessers von 80 mm und eine Dicke von 10 mm hat. Die Schmierölauftragung erfolgt in der Mitte der Scheibe 2 durch einen darin ausgebildeten Durchgangsölkanal 3. Der vorgegebene Druck P wird durch eine geeignete Hydraulikvor richtung (nicht dargestellt) an der linken Seite (in Fig. 3) des Scheibenhalters 1 ausgeübt. Ein Prüfstückhalter 4 steht derart mit einer rotierbaren Welle in Verbindung, daß sich der rotierbare Halter 4 dem Halter 1 gegenüber befin det. Ein Prüfstück 5 in Ringform, das am Halter 4 lösbar befestigt ist, hat die Abmessungen eines äußeren Durchmes sers von 55 mm, eines inneren Durchmessers von 50 mm und eine Breite von 2,5 mm.

Der vorgegebene Druck P wird bei dieser Prüfvorrichtung so auf den Scheibenhalter 1 aufgebracht, daß die Scheibe 2 aus einer auf Aluminium basierenden Legierung gegen das Prüf stück 5 gedrückt wird. Während der Aufbringung des Drucks P wird der Prüfstückhalter 5 mit einer feststehenden Ge schwindigkeit gedreht und das Öl durch den Ölkanal 3 an die Gleitflächen zwischen dem Prüfstück 5 und der Scheibe 2 ge liefert.

Diese Prüfvorrichtung wurde unter den folgenden Prüfbedin gungen betrieben.

1. Die Vergleichs-Prüfstücke in Dichtring-Gestalt sind aus folgenden Materialien hergestellt:
A-Material: Das PEEK-Basismaterial ist mit 15 Gew.-% Kohlefasern und 15 Gew.-% an PTFE gefüllt.
A′-Material: Das PEN-Basismaterial ist mit 15 Gew.-% Koh lefasern und 15 Gew.-% an PTFE gefüllt.
B-Material: Das PTFE-Basismaterial ist mit 10 Gew.-% Kohlefasern und 30 Gew.-% an Bronzepulver gefüllt.
C-Material: Das PTFE-Basismaterial ist mit 30 Gew.-% Sumi-Casper E101 (eine Handelsbezeichnung der Sumitomo Che mical Company in Japan) gefüllt.
2. Die D-0-Materialien der erfindungsgemäßen Prüfstücke (Ringgestalt) sind in den Tabellen 2 und 3 aufgelistet.
3. Kontaktflächendruck
Durch die geeignete Hydraulikvorrichtung wird ein Druck von 12 kg/cm² auf den Scheibenhalter 1 ausgeübt. Während der Druckbeaufschlagung von 12 kg/cm² auf den Scheibenhalter wird die Scheibe 2 unter der Bedingung eines festen Drucks in einen Gleitkontakt mit jedem Prüfstück 5 gebracht und durch einen Ölkanal 3 erfolgt eine Ölzufuhr an die Gleit flächen der Scheibe 2 und jedes Prüfstücks 5.
Schmieröl: ATF
Öltemperatur: 80°C
Ölversorgungsrate: 200 cm³/min (200 cc/min)
4. Laufdistanz
Laufdistanz (oder Dauer): 7,2 km.
Relative Drehgeschwindigkeit zwischen der Scheibe 2 und je dem Prüfstück 5: 2 m/s.
5. Messungen
Nach dem Durchlaufen einer Distanz von 7,2 km jedes Prüf stücks werden die Scheibe 2 und jedes Prüfstück 5 von der Prüfvorrichtung gelöst. Bei Scheibe 2 werden Querschnitts flächen aller Verschleißspuren in der Form von ringförmigen Rillen, die an der Gleitfläche der Scheibe 2 erzeugt wer den, gemessen, und bei jedem Prüfstück 5 wird ein Ver schleißbetrag gemessen.

Tabelle 2

Tabelle 3

Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Fig. 4 bis 7 darge stellt. Wenn das PEEK-Basismaterial für die Prüfstücke und ADC-12Z für die Scheiben verwendet wurden (siehe Fig. 4 und 5), dann kann man bei den aus A-, B-, C-, E- und J-Ma terialien hergestellten Prüfstücken einen großen Ver schleißbetrag erkennen. Wenn das PEN-Basismaterial für die Prüfstücke und ADC-12Z für die Scheibe verwendet wurde (siehe Fig. 6 und 7), dann stellt man bei den aus A′-, B-, C-, K- und O-Materialien bestehenden Prüfstücken einen gro ßen Verschleißbetrag fest.

In den Fig. 4 bis 7 zeigt jeder obere Teil einen Ver schleißbetrag für eine Laufdistanz von 7,2 km jedes Prüf stücks und jeder untere Teil eine mittlere Verschleißtiefe jeder Verschleißspur für eine Laufdistanz von 7,2 km jeder Scheibe (Prüfstück aus ADC-12Z). Wie aus diesen Figuren er sichtlich ist, weisen die Prüfstücke B und C selbst einen großen Verschleißpegel auf, und die zugehörigen Teile zei gen daher einen großen Verschleißpegel. Der Verschleißpegel der Prüfstücke A und A′ ist derselbe wie der der erfin dungsgemäßen Prüfstücke, und der Verschleißpegel der zuge hörigen Teile (ADC-12Z) ist hoch.

Bezüglich der Verschleißkorrelation einer Füllmenge Sericit zu dem Berührungsmaterial ADC-12Z stellte sich heraus, daß die Verwendung von 20 Gew.-% oder weniger von Sericit einen nachteiligen Effekt auf die Verschleißkorrelation hat und die Verwendung von 35 Gew.-% oder mehr von Sericit zeigt einen niedrigen Pegel der Zugbruchfestigkeitseigenschaft Es besteht die Wahrscheinlichkeit, daß ein Ablösen bzw. Ab blättern von Sericit von der Gleitoberfläche auftritt.

Anhand der erhaltenen Prüfergebnisse stellte sich heraus, daß die hervorragendste Gleiteigenschaft mit dem Prüfstück erhalten wird, das aus dem Material, das PEEK- und/oder PEN-Basismaterialien enthält, und aus etwa 30 Gew.-% Sericit (350 mesh oder weniger) besteht. Sericit ist weich und beschädigt nicht die zugehörigen Teile von einer auf Aluminium basierenden Legierung.

Hinsichtlich eines neuen Anwendungsgebietes, daß die aus dem erfindungsgemäßen Gleitmaterial bestehenden Dichtringe in eine Ringnut eingepaßt werden, die an einer rotierbaren Welle (ADC-12Z) für AG ausgebildet sind, wurden Dichtringe gemäß dem D-Material vorbereitet, wobei jeder die Abmessun gen eines äußeren Durchmessers von 52 mm, eine Breite von 2,3 mm und eine Dicke von 2,3 mm hat.

Fig. 8 zeigt eine Prüfvorrichtung zur Durchführung von Tests einer Verschleißbeständigkeit der Welle aus ADC-12Z, einer Dichtfähigkeit des Dichtrings aus D-Material, der be züglich der Welle aus ADC-12Z gleitbar ist, und einer Halt barkeit der hervorragenden Dichtleistung. Eine rotierbare Welle 7 ist aus ADZ-12Z hergestellt und an ihrer äußeren Umfangsfläche mit einem Paar von ringförmigen Ringnuten 8, 8 versehen, in die die Dichtringe 9, 10 eingepaßt bzw. ein gebaut sind. Die äußeren Umfangsoberflächen der Dichtringe 9, 10 stehen mit einer inneren Oberfläche eines Gehäuses 11, das aus Kohlenstoffstahl (S45C von japanischem Stan dard) besteht, in Gleitkontakt, während die Welle 7 rotiert wird. Ein Ölversorgungskanal 13 mit einer Ölmeßuhr 12 ist an einer Stelle des Gehäuses 11 zwischen den Dichtringen 9, 10 befestigt, sowie ein Ölabzugskanal 14 mit einem Ventil 15 an einer Bodenwand des Gehäuses 11. Leckageöl von den Dichtringen 9, 10 wird durch den Abzugskanal 14 in einem Becher 16 gesammelt und eine Ölmenge im Becher 16 gemessen.

Die Testbedingungen sind wie folgt:
Öl: Getriebeöl für ein Automatik-Getriebe
Geschwindigkeit der Welle 2,000 U/min (2,000 rpm)
Öldruck: 12 kg/cm²
Prüfdauer: 50 Stunden.

Fig. 9 zeigt die gemessenen Ergebnisse der Öltemperaturver änderung und der Ölleckage nach dem Haltbarkeitstest. Der Ölleckagetest wurde unter Verwendung des aus dem erfin dungsgemäßen D-Material (siehe Tabelle 2) bestehenden Dichtrings, des aus dem D-Material bestehenden Dichtrings und des herkömmlichen Gußeisen-Dichtrings durchgeführt. Der erfindungsgemäße Dichtring zeigt in einem breiten Gebiet der Öltemperaturveränderung eine stabile Dichtfähigkeit und einen schwachen Anstieg in der Ölleckage.

Fig. 10 zeigt den Verschleißbetrag der Gleitflächen der Dichtringe und den Verschleiß der Welle (ADC-12Z) bei der Öltemperatur von 120°C. Es ist ersichtlich, daß der Dicht ring aus dem erfindungsgemäßen D-Material einen niedrigen Verschleißpegel zeigt.

Das erfindungsgemäße J-Material enthält das PEN-Basismate rial und 30 Gew.-% Sericit (350 mesh oder weniger) und der Haltbarkeitstest des aus J-Material bestehenden Dichtrings wurde unter denselben Bedingungen wie zuvor erwähnt durch geführt. Die Ölleckage wurde gemessen. Es ergaben sich die selben Prüfergebnisse wie beim Dichtring aus dem D-Materi al. D. h., der Dichtring aus dem J-Material zeigt eine sta bile Dichtfähigkeit und in einem weiten Bereich der Öltem peraturveränderung einen schwachen Anstieg in der Öl leckage.

Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurden, sollte es klar sein, daß viele Ver änderungen und Modifikationen angestellt werden können, oh ne vom Rahmen der angefügten Ansprüche abzuweichen.

Ein Gleitmaterial für ein Leichtmetallmaterial enthält so mit Polyetheretherketon und/oder Polyethernitrid. Ferner werden 20 bis 30% Sericit in das Gleitmaterial als ein fe stes Schmiermittel zugegeben, um die Selbst-Verschleißbe ständigkeit des Gleitmaterials und der Verschleiß beständigkeit eines zugehörigen Teils bezüglich des Gleitmaterials zu verbessern.

Claims

1. Gleitmaterial, das mit einem Leichtmetallmaterial in Gleitkontakt steht und eine Abdichtung für das auf die Gleitkontaktfläche dazwischen aufgetragene Öl vorsieht, mit Polyetheretherketon und Sericit, wobei 20 bis 35 Gew.-% Sericit zugegeben sind.

2. Gleitmaterial, das mit einem Leichtmetallmaterial in Gleitkontakt steht und eine Abdichtung für das auf die Gleitkontaktfläche dazwischen aufgetragene Öl vorsieht, mit Polyethernitrid und Sericit, wobei 20 bis 35 Gew.-% Sericit zugegeben sind.

3. Gleitmaterial nach Anspruch 2, das ferner Polyetheretherketon aufweist.

4. Dichtring, der gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 hergestellt ist.