DE19621787C2

DE19621787C2 - Gleit- und Dichtmaterial für Leichtmetallmaterial

Info

Publication number: DE19621787C2
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: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2016-05-31
Also published as: JPH08159292A; DE19621787A1; JP3587894B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gleit- und Dichtmaterial für ein Leichmetallmaterial.

In der Automobilindustrie sind Dichtbauteile weit ver breitet im Einsatz, um eine Leckage von Öl zu verhindern, das einem Hydraulikkreis, beispielsweise für ein Automatik getriebe (als AG bezeichnet), zugeführt wird. Zur Reduzie rung 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 auf 500 bis 1000 cm³/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 Ver bindung des aus dem Gußeisenmaterial hergestellten Dicht rings und der aus ADC-12Z bestehenden Welle angetroffen wird, wird der aus einem synthetischen Harz bzw. Kunstharz bestehende Dichtring mit einem hohen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten entwickelt. Jedoch hat diese Art von Dichtring auf die aus einer auf Aluminium basierenden Le gierung hergestellten zugehörigen Teile, die bezüglich den Dichtringen gleitbar sind, einen nachteiligen Effekt, näm lich das Auftreten eines übermäßigen Verschleißbetrags an den Gleitflächen der aus einer auf Aluminium basierenden Legierung hergestellten zugehörigen Bauteile. Zur Verringe rung des Grads an Verschleiß oder Abrieb wird der aus Poly tetrafluorethylen (mit PTFE bezeichnet) hergestellte Dicht ring, der aus Polyetheretherketon (mit PEEK bezeichnet) hergestellte Dichtring, der mit Kohlefasern und PTFE ge füllt 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 vorliegen den Erfindung, ein Gleit- und Dichtmaterial für Leichtme tallmaterialien vorzusehen, das die zuvor erwähnten Nach teile behebt.

Desweiteren soll die vorliegenden Erfindung ein Gleit- und Dichtmaterial mit einer guten Verschleißbeständigkeit vorsehen, das derart angepaßt ist, daß es den Verschleiß eines bezüglich des Gleit- und Dichtmaterial gleitbaren Leichtmetallmaterials unterdrückt.

Diese Aufgabe wird durch das Gleit- und Dichtmaterial gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Dichtring nach dem Merkmal des Patentanspruchs 2 stellt ein Beispiel für die Verwendung des erfindungsgemä ßen Gleit- und Dichtmaterials dar.

Das erfindungsgemäße Gleit- und Dichtmaterial kann bei spielsweise durch ein Extrudier- oder Spritzverfahren eines Materials hergestellt werden, das aus VICTRE-PEEK (Handelsbezeichnung der I.C.I. in GB) und/oder Polyetherni tril, nämlich PEN (von der Idemitsu Chemical Company in Ja pan) und ferner Sericit, das eines der festen Schmiermittel ist, zusammengesetzt ist.

Das erfindungsgemäße Gleit- und Dichtmaterial enthält Sericit, wodurch die Selbst-Verschleißbeständigkeitseigen schaft gut und der Verschleißpegel des Zugehörigen Teils, wie z. B. ADC-12Z, ebenfalls gering ist. Das Fließvermögen des Gleit- und Dichtmaterials wird erhöht, da es keine Koh lefasern enthält, wodurch die Herstellung von Dichtringen einfach ist. Das erfindungsgemäße Gleit- und Dichtmaterial enthält 20 bis 35 Gew.-% Sericit. Im Hinblick auf die her vorragende Selbst-Verschleißbeständigkeitseigenschaft des Gleit- und Dichtmaterials und des geringeren Verschleißpe gels des zugehörigen Teils, wie z. B. des Leichtmetallmate rials (z. B. ADC-12Z), sind 30 Gew.-% Sericit bevorzugt. Das Sericit hat eine Größe von 325 mesh oder weniger und einen mittleren Durchmesser von 10 µm; eine geeig nete Menge an Sericit wird abgewogen und das abgewogene Se ricit zur Ausbildung von Pellets in eine Extrudiervorrich tung gegeben. Diese Pellets werden zur Formung von Dicht ringen in eine Spritzgußmaschine geladen.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Gleit- und Dichtmaterial nachstehend an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert.

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

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

Fig. 3 ist eine Ansicht, die eine Verschleiß- oder Ab riebsprüfvorrichtung zeigt;

Fig. 4 ist ein Graph, der das Ergebnis des Verschleiß tests zeigt, wobei ein D-Material, das das erfindungsgemäße PEEK-Basismaterial verwendet, und ein Kunstharz-Vergleichs material verglichen wird;

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

Fig. 6 ist ein Graph, der das Ergebnis des Verschleiß tests zeigt, wobei ein J-Material, das das erfindungsgemäße PEN-Basismaterial verwendet, und ein Kunstharz-Vergleichs material verglichen wird;

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

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

Fig. 9 ist ein Graph, der das Ergebnis des Ölleckage tests zeigt, wobei ein aus dem erfindungsgemäßen D-Material bestehender Dichtring und ein aus einem herkömmlichen Mate rial bestehender Kolbenring verglichen wird; und

Fig. 10 ist ein Graph, der das Ergebnis des Haltbar keitstests 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 wer den 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 gemischten Materialien in eine Extrudiervorrichtung ge speist, um Pellets auszubilden. Um Prüfstücke von einer Dichtring-Gestalt vorzusehen, werden diese Pellets in eine Spritzgußmaschine gespeist.

Die aus einem erfindungsgemäßen Gleit- und Dichtmate rial hergestellten Dichtringe haben jeweils die Abmessungen eines äußeren Durchmessers von 55 mm, eines inneren Durch messers von 50 mm und einer Breite von 3 mm. Mittels einer Schleifvorrichtung wird die Breite von 3 mm auf 2,5 mm re duziert.

Die Vergleichsprüfstücke (A, A', B und C) mit Dicht ring-Gestalt 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.-% Kohlefasern 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 Chemical Company in Japan) gefüllt.

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

Tabelle 1

Prüfgerät	Riken Hochdruckabriebsprüfgerät
Abriebsgeschwindigkeit	2 m/s
Abriebszeit	1 Std.
Kontaktgewicht	50 kg (Oberflächendruck = 1,2 MPa)
Reibungsart	ATF geschmierte Gleitreibung
ATF Ölversorgung 200 cm³/min Öltemperatur 50°C

Ein aus ADC-12Z (JIS, japanischer Industriestandard) hergestelltes 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 Öff nung von 20 mm Durchmesser wird dem zugehörigen Teil ATF-Öl zugeführt.

In Fig. 1 und Fig. 2 sind die mikroskopischen Struktu ren der erfindungsgemäßen Gleit- und Dichtmaterialien dar gestellt, wobei man PEEK und PEN in den weißen Teilen und Sericit als Füllmaterial in den dunklen Teilen beobachtet, was dazu dient, einen niedrigen Verschleißpegel zu errei chen.

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- Prüfvorrichtung, wobei ein Scheibenhalter 1 lösbar mit ei ner Scheibe 2 versehen ist, die aus einer auf Aluminium ba sierenden Legierung (ADC-12Z) besteht und die Abmessungen eines 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 Prüfstück 5 gedrückt wird. Während der Aufbringung des Drucks P wird der Prüfstückhalter 5 mit einer feststehenden Geschwindigkeit gedreht und das Öl durch den Ölkanal 3 an die Gleitflächen zwischen dem Prüfstück 5 und der Scheibe 2 geliefert.

Diese Prüfvorrichtung wurde unter den folgenden Prüfbe dingungen 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.-% Kohlefasern 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 Chemical Company in Japan) gefüllt.
2. Die D-0-Materialien der erfindungsgemäßen Prüf stücke (Ringgestalt) sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeli stet.
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 Scheibenhal ter 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 Gleitflächen der Scheibe 2 und jedes Prüfstücks 5.
Schmieröl: ATF
Öltemperatur: 80°C
Ölversorgungsrate: 200 cm³/min
4. Laufdistanz
Laufdistanz (oder Dauer): 7,2 km
Relative Drehgeschwindigkeit zwischen der Scheibe 2 und jedem Prüfstück 5: 2 m/s
5. Messungen
Nach dem Durchlaufen einer Distanz von 7,2 km jedes Prüfstücks werden die Scheibe 2 und jedes Prüfstück 5 von der Prüfvorrichtung gelöst. Bei Scheibe 2 werden Quer schnittsflächen aller Verschleißspuren in der Form von ringförmigen Rillen, die an der Gleitfläche der Scheibe 2 erzeugt werden, gemessen, und bei jedem Prüfstück 5 wird ein Verschleißbetrag gemessen.

Tabelle 2

Tabelle 3

Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Fig. 4 bis 7 dargestellt. 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- Materialien 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 Se ricit zu dem Berührungsmaterial ADC-12Z stellte sich her aus, daß die Verwendung von 20 Gew.-% oder weniger von Se ricit einen nachteiligen Effekt auf die Verschleißkorrela tion hat und die Verwendung von 35 Gew.-% oder mehr von Se ricit zeigt einen niedrigen Pegel der Zugbruchfestigkeits eigenschaft. Es besteht die Wahrscheinlichkeit, daß ein Ab lösen bzw. Abblättern von Sericit von der Gleitoberfläche auftritt.

Anhand der erhaltenen Prüfergebnisse stellte sich her aus, daß die hervorragendste Gleiteigenschaft mit dem Prüf stück 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.

Im Hinblick auf ein neues Anwendungsgebiet, in dem die aus dem erfindungsgemäßen Gleit- und Dichtmaterial beste henden 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 Abmessungen 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-Ge triebe
Geschwindigkeit der Welle: 2000 U/min (2000 rpm)
Öldruck: 12 kg/cm²
Prüfdauer: 50 Stunden

Fig. 9 zeigt die gemessenen Ergebnisse der Öltempera turveränderung 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-Basis material und 30 Gew.-% Sericit (350 mesh oder weniger) und der Haltbarkeitstest des aus J-Material bestehenden Dicht rings wurde unter denselben Bedingungen wie zuvor erwähnt durchgeführt. Die Ölleckage wurde gemessen. Es ergaben sich dieselben Prüfergebnisse wie beim Dichtring aus dem D-Mate rial. D. h., der Dichtring aus dem J-Material zeigt eine stabile Dichtfähigkeit und in einem weiten Bereich der Öl temperaturveränderung einen schwachen Anstieg in der Öl leckage.

Claims

1. Gleit- und Dichtmaterial für Leichtmetallmaterial, be stehend aus Polyetheretherketon und/oder Polyethernitril, das 20 bis 35 Gew.-% Sericit enthält.

2. Dichtring, hergestellt aus dem Gleit- und Dichtmateri al nach Anspruch 1.