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Die Erfindung betrifft ein Drucklager
bzw. Axiallager bzw. Längslager
bzw. Schublager bzw. Spurzapfenlager mit einer Gleitoberfläche. Die
Erfindung betrifft insbesondere ein derartiges Drucklager mit einer Gleitoberfläche, bestehend
aus einer Harzmasse, die ein aromatisches Polyetherketonharz als
Grundmaterial enthält.
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Bekanntlich sind aromatische Polyetherketonharze
Konstruktionsharze mit ausgezeichneter Hitzebeständigkeit, mit ausgezeichneten
mechanischen Eigenschaften und ausgezeichneter Verschleißbeständigkeit. Bei
alleiniger Verwendung des aromatischen Polyetherketonharzes ist
aber der Reibungskoeffizient hoch und seine Aufbringung auf ein
Gleitelement für
ein Lager schwierig. Es sind daher schon Gleitelemente mit niedrigem
Reibungskoeffizienten entwickelt worden, in dem ein Fluorkohlenstoffpolymeres
o. dgl. in ein aromatisches Polyetherketonharz als Grundmaterial
eingearbeitet worden ist. Andererseits werden die Verschleißbeständigkeit
und die mechanische Festigkeit des aromatischen Polyetherketonharzes
durch die Einarbeitung eines Fluorkohlenstoffpolymeren verschlechtert.
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Als eine Technik, die diese aromatischen
Polyetherketonharze betrifft, ist die in der
JP-A 58(1983)-160 346 beschriebene
Technik bekannt geworden. Gemäß dieser
Druckschrift wird eine Harzmasse vorgeschlagen, die ein aromatisches
Polyetherketonharz als Grundmaterial, 10 bis 40 Gew.-% Polytetrafluorethylen (nachstehend
als PTFE abgekürzt)
als Fluorkohlenstoffpolymeres und 10 bis 40 Gew.-% Kohlenstoffasern
enthält.
Es heißt
dort, daß durch
das obige Harz eine hohe Hitzedeformationstemperatur (HDT) und ein
hoher Grenz-PV-Wert erhalten werden.
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In neuerer Zeit ist die Fläche des
Stopfens, der in einem Drucklager verwendet wird, welches in Gegenwart
einer Schmier flüssigkeit
arbeitet und in einen Generator, eine Pumpe o. dgl. eingearbeitet
wird, im Hinblick auf die Tendenz der Miniaturisierung von Vorrichtungen
verkleinert worden, und es wird eine hohe spezifische Last auf den
Stopfen aufgelegt. Ein Drucklager, das bei derart belastenden Bedingungen
arbeitet, muß verschiedene
Eigenschaften wie eine hohe Verschleißbeständigkeit u. dgl. zusätzlich zu
seinen ausgezeichneten Gleiteigenschaften haben. Dazu kommt noch,
daß beispielsweise
im Falle eines Drucklagers, das in einer Vorrichtung verwendet wird,
bei der das Einschalten und das Ausschalten wiederholt vorgenommen
wird, sich das Drucklager teilweise in festem Kontakt mit einem
Gegenelement während
des Ausschaltens befindet, so daß nicht nur eine große Startkraft
zum Zeitpunkt des Einschaltens notwendig wird, sondern auch die
Befürchtung
besteht, daß die
Gleitoberfläche
beschädigt
wird. Das Drucklager muß daher
zum Zeitpunkt des Einschaltens bzw. Startens einen niedrigeren Reibungskoeffizienten
zusätzlich
zu der ausgezeichneten Verschleißfestigkeit während des
Betriebs haben.
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Es kann aber nicht gesagt werden,
daß die
oben beschriebene Technik nach dem Stand der Technik immer hinsichtlich
der Verschleißfestigkeit
und des Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt des Startens bzw. Einschaltens
zufriedenstellend ist. Weiterhin ist bislang kein ausreichender
Effekt durch Zugabe eines festen Schmiermittels, wie üblichem
Graphit, Molybdändisulfid
o. dgl., zur Erniedrigung des Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt
des Startens bzw. Einschaltens erhalten worden.
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von den Erfindern wurden ausgedehnte
Untersuchungen hinsichtlich der oben beschriebenen Probleme durchgeführt, und
sie haben gefunden, daß durch
ein Drucklager mit einer Gleitoberfläche aus einer Harzmasse, erhalten
durch Zugabe von Kohlenstoffasern und eines Fluorkohlenstoffpolymeren,
zu einem Polyetherketonharz und auch durch Zumischen eines Graphits
mit einer Ölabsorption
von 70 bis 500 ml/100 g eine Erhöhung
der Verschleißbeständigkeit
erzielt werden kann und daß hierdurch auch
eine Erniedrigung des Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkts des Starts
bzw. des Einschaltens erreicht werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung
eines Drucklagers mit einer Gleitoberfläche, bestehend aus einer Harzmasse,
in der ein aromatisches Polyetherketonharz als Grundmaterial verwendet
worden ist.
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Gegenstand der Erfindung ist daher
ein Drucklager mit einer Gleitoberfläche aus einer Harzmasse, die Kohlenstoffasern,
ein Fluorkohlenstoffpolymeres, Graphit mit einer Ölabsorption
von 70 bis 500 ml/100 g und aromatisches Polyetherketonharz enthält, wobei
der Gehalt der Kohlenstoffasern 10 bis 45 Gew.-% beträgt, der
Gehalt des Fluorkohlenstoffpolymeren 0,1 bis 30 Gew.-% beträgt, der
Gehalt an Graphit mit einer Ölabsorption
von 70 bis 500 ml/100 g 0,1 bis 20 Gew.-% und der Gesamtgehalt an
Kohlenstoffasern, dem Fluorkohlenstoffpolymeren und dem Graphit
mit einer Ölabsorption
von 70 bis 500 ml/100 g nicht mehr als 65 Gew.-% beträgt.
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Die Erfindung wird in den Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Diagramm, das die Beziehung zwischen den Reibungskoeffizienten zum
Zeitpunkt des Startens bzw. Einschaltens und dem Gehalt an PTFE
einer in den Beispielen verwendeten Probe zeigt; und
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2 ein
Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verschleiß und dem
Gehalt an PTFE der gleichen Probe wie in 1 zeigt.
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Das aromatische Polyetherketonharz
ist ein kristallines thermoplastisches aromatisches Harz, das Konstruktionseinheiten
bzw. wiederkehrende Einheiten der Formel (1) allein oder in Kombination
mit mindestens einer der Konstruktionseinheiten bzw. wiederkehrenden
Einheiten der Formeln (2), (3) und (4) umfaßt
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Das obige aromatische Polyetherketonharz
ist zweckmäßig ein
Polyetheretherketon (nachstehend als PEEK abgekürzt) im Hinblick auf die mechanische
Festigkeit und die Hitzebeständigkeit.
PEEK kann beispielsweise durch das Verfahren gemäß der
JP-A 54(1979)-90 296 hergestellt
werden. Sein Schmelzflußindex,
gemessen nach der ASTM-Norm D1238 bei 360°C unter einer Last von 2,16
kg ist zweckmäßig 1 bis
5 g/10 min.
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Als Fluorkohlenstoffpolymere können Polytetrafluorethylen
(PTEF), Polytetrafluorethylen-Hexafluorpropylencopolymere (FEP),
Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymere
(PFA) u. dgl. verwendet werden. Im Hinblick auf seine niedrige Reibung
ist insbesondere PTFE zweckmäßig.
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Wenn der Gehalt an dem Fluorkohlenstoffpolymeren
weniger als 0,1 Gew.-% beträgt,
dann wird durch seine Zugabe kein genügender Effekt erhalten. Andererseits
wird es bei Mengen über
30 Gew.-% nicht mehr möglich,
eine genügende
Festigkeit zu erhalten. Daher sollte der Gehalt des Fluorkohlenstoffpolymeren
0,1 bis 30 Gew.-% betragen. Insbesondere ist es zweckmäßig, daß der Gehalt
des Fluorkohlenstoffpolymeren 1 bis 9 Gew.-% beträgt, weil
die Verschleißbeständigkeit
ausgezeichnet ist.
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Als Kohlenstoffasern können alle
beliebigen Fasern aus der Gruppe Kohlenstoffasern auf Pechbasis, Kohlenstoffasern
auf Zellulosebasis, Kohlenstoffasern auf Polyacrylnitrilbasis u.
dgl. verwendet werden, wobei Kohlenstoffasern auf Polyacrylnitrilbasis
im Hinblick auf die Reibung und den Verschleiß besonders gut geeignet sind.
Die Faserlänge
beträgt
vorzugsweise 0,1 bis 10 mm. Gewöhnlich
werden Kohlenstoffasern mit einer durchschnittlichen Länge von
etwa 6 mm verwendet.
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Wenn der Gehalt der Kohlenstoffasern
weniger als 10 Gew.-% beträgt,
dann wird die gewünschte
mechanische Festigkeit nicht erreicht. Andererseits wird bei Mengen
von mehr als 45 Gew.-% die Verformung der Harzmasse schwierig. Der
Gehalt der Kohlenstoffasern sollte daher 10 bis 45 Gew.-% betragen.
Insbesondere ist ein Gehalt der Kohlenstoffasern von 25 bis 35 Gew.-%
zweckmäßig, da
die Verformbarkeit gut ist und die mechanische Festigkeit ausgezeichnet
ist.
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Der Graphit hat gewöhnlich eine Ölabsorption
von etwa 50 ml/ 100 g. Die hierin verwendete Bezeichnung "üblicher Graphit" bedeutet ein Graphit
mit einer Ölabsorption
von weniger als 70 ml/100 g. Graphit, der einer Expandierungsbehandlung
zur Vergrößerung der
Abstände
zwischen den Graphitkristallflächen
unterworfen worden ist und der daher viele Hohlräume hat, besitzt eine ausgezeichnete Ölabsorption
und Ölretention.
Somit wird hierin nachstehend ein Graphit mit einer Ölabsorption
von mindestens 70 ml/100 g als expandierter Graphit im Gegensatz
zu dem oben beschriebenen üblichen
Graphit bezeichnet.
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Bei einem Gleitelement mit einer
Gleitoberfläche,
die üblichen
Graphit enthält,
kann nicht erwartet werden, daß der
Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Starts bzw. des Einschaltens
erniedrigt wird. Weiterhin haben Teilchen von expandiertem Graphit
mit einem Ölgehalt
von mehr als 500 ml/100 g größere Teilchendurchmesser,
und die Dispergierbarkeit in dem aromatischen Polyetherketonharz
beim Vermischen damit wird erniedrigt. Daher sollte die Ölabsorption
des expandierten Graphits 70 ml bis 500 ml/100 g betragen. Insbesondere
hat im Hinblick auf die Festigkeit der expandierte Graphit zweckmäßig eine Ölabsorption
von 80 ml bis 300 ml/100 g und vorzugsweise eine Ölabsorption
von 80 ml bis 150 ml/100 g.
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Wenn der Gehalt an expandiertem Graphit
weniger als 0,1 Gew.-% beträgt,
dann wird kein Zugabeeffekt erhalten. Wenn andererseits der Gehalt über 20 Gew.-%
hinausgeht, dann wird das Verformen schwierig. Daher sollte der
Gehalt an expandiertem Graphit 0,1 bis 20 Gew.-% betragen. Insbesondere
ist im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit der Gehalt zweckmäßig 1 bis
10 Gew.-%.
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Weiterhin ist es möglich, 0,1
bis 20 Gew.-% eines festen Schmiermittels wie Molybdändisulfid
(MoS2), üblichen
Graphit o. dgl. zuzusetzen, um den Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt
des Startens bzw. Einschaltens zu erniedrigen. Weiterhin können Metalloxide
und/oder Keramiken zugesetzt werden, um die Verschleißfestigkeit
weiter zu erhöhen.
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Wenn der Gesamtgehalt an Kohlefasern,
Fluorkohlenstoffpolymeren und expandiertem Graphit, die in das aromatische
Polyetherketonharz eingearbeitet worden sind, über 65 Gew.-% hinausgeht, dann
wird die Verformung schwierig. Daher sollte der Gesamtgehalt dieser
Komponenten nicht größer als
65 Gew.-% sein.
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Es ist zweckmäßig, daß das Fluorkohlenstoffpolymere
die Kohlenstoffasern und der expandierte Graphit, die in das aromatische
Polyetherketonharz eingearbeitet werden, jeweils gleichförmig dispergiert
sind. Diese Komponenten werden durch ein geeignetes Verfahren genügend zusammengemischt,
beispielsweise durch ein Verfahren, bei dem diese Komponenten in
einem Mischer so vorgemischt werden, daß die gewünschten Anteilsverhältnisse
erhalten werden, wonach das Gemisch in einen Schmelzextruder o.
dgl. eingespeist wird.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Drucklager
mit einer Gleitoberfläche
ein einschichtiges Drucklager sein, das durch Verformen der Harzmasse
erhalten worden ist. Es kann auch ein mehrschichtiges Drucklager
sein, das durch Aufschichten der Harzmasse auf ein Stützmetall
oder Imprägnierungsbeschichten
der Harzmasse in und auf eine poröse Sinterschicht, die mit einem
Metall unterstützt
ist, erhalten worden ist.
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Wie oben erläutert, kann erfindungsgemäß ein Drucklager
mit einer Gleitoberfläche
mit ausgezeichneter Verschleißbeständigkeit
und niedrigem Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt des Startens bzw.
Einschaltens erhalten werden.
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Weiterhin, wenn ein Drucklager mit
einer erfindungsgemäßen Gleitoberfläche in eine
Drucklagereinrichtung eines Generators, einer Pumpe o. dgl. eingearbeitet
wird, dann kann der Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Startens
bzw. des Einschaltens erniedrigt werden, und zum Zeitpunkt des Startens
bzw. des Einschaltens werden kaum Beschädigungen bewirkt. Daher wird
eine Drucklagereinrichtung mit einfacher Struktur erhalten, die
nicht mit einer Ölhebeeinrichtung
versehen sein muß,
durch die das Öl
durch eine hydraulische Einrichtung geleitet wird. Dies war bislang
erforderlich, um das Gegenelement von der Gleitoberfläche durch Zwang
nach oben zu bewegen.
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Die Erfindung wird in Beispielen
und Vergleichsbeispielen näher
erläutert.
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Beispiele 1 bis 29 und Vergleichsbeispiele
1 bis 15 Die in den Tabellen 1 bis 3 gezeigten Komponenten wurden
in den Mengen gemäß den Tabellen
1 bis 3 in einem Mischer miteinander vermischt, um gleichförmig vermischte
pelletförmige
Harze herzustellen. Die pelletförmigen
Harze wurden jeweils zu Harzplatten mit einer Dicke von 5 mm in
einer Spritzgußmaschine
verformt.
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Als aromatisches Polyetherketonharz
wurde PEEK verwendet. Als PEEK wurde PEEK 450G (Warenbezeichnung
von ICI Großbritannien)
mit einem Schmelzflußindex
von 3,1 g/10 min verwendet.
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Als Fluorkohlenstoffpolymeres wurde
TLP-10 (Warenbezeichnung für
PTFE von Mitsui Dupont Fluorochemical Co., Ltd.) verwendet.
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Als Kohlenstoffasern wurden Torayca
MDL (Warenbezeichnung für
Kohlenstoffasern auf Polyacrylnitrilbasis von TORAY INDUSTRIES,
INC.) mit einer Faserlänge
von 6 mm verwendet.
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Als expandierter Graphit wurde ein
Produkt der Nippon Graphite Industries Co., Ltd. verwendet. Die Ölabsorption
betrug 80 ml/100 g. Im Beispiel 25 betrug sie aber 150 ml/100 g,
im Beispiel 28 300 ml/100 g und im Beispiel 29 500 ml/100 g.
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Der in den Vergleichsbeispielen verwendete übliche Graphit
war ein Produkt mit einer Ölabsorption von
50 ml/100 g, hergestellt von Nippon Graphite Industries Co., Ltd.
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Danach wurde eine pulverförmige Kupferlegierung
mit einer Dikke von 0,5 mm auf einer kupferplattierten Stahlplatte
mit einer Dicke von 3 mm ausgebreitet, und dann zur Bildung einer
porösen
Sinterschicht gesintert. Die poröse
Sinterschicht wurde auf 350–400°C erhitzt,
und in diesem Zustand wurde die oben beschriebene Harzplatte auf
die poröse
Sinterschicht aufgelegt. Das Ganze wurde mit einer Presse druckverschweißt und imprägnierungsbeschichtet.
Danach wurde die resultierende Zusammenstellung zu einem Dichtungsring mit
einem Außendurchmesser
von 27,2 mm und einem Innendurchmesser von 22 mm verarbeitet, wodurch Probekörper gemäß den Beispielen
und den Vergleichsbeispielen erhalten wurden.
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Die jeweiligen Probekörper wurden
einem Reibungs- und Verschleißtest
unter Verwendung eines Reib- und Verschleißtesters vom Drucktyp unter
den Bedingungen gemäß Tabelle
4 unterwor
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Der Test wurde in einem Ölbad in
der Weise durchgeführt,
daß 15mal
ein Zyklus eine Rotation über 30
s und ein Ruhen über
300 s durchgeführt
wurde und daß der
Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Startens bzw. Beginns der
letzten fünf
Wiederholungen gemessen wurde. Der Mittelwert von fünf erhaltenen
Werten wurde als Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Startens
bzw. Beginnens verwendet.
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Der Verschleiß wurde aus der Differenz zwischen
der Dicke des Probekörpers
vor und nach dem Test bestimmt. Die erhaltenen Testergebnisse sind
in den Tabellen 1 bis 3 zusammengestellt.
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Die 1 zeigt
als Diagramm den Einfluß des
Gehalts von PTFE und des expandierten Graphits auf den Reibungskoeffizienten
zum Zeitpunkt des Startens auf der Grundlage der Testergebnisse
der Beispiele 1 bis 14 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 8, in denen
30 Gew.-% Kohlenstoffasern verwendet worden waren. Aus der 1 und den Tabellen 1 bis
3 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 7, bei denen kein expandierter
Graphit verwendet wurde, wird ersichtlich, daß bei einem Gehalt von PTFE
bis zu etwa 10 Gew.-%, je größer der PTFE-Gehalt
ist, desto niedriger der Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Starts
wurde, und daß,
wenn der PTFE-Gehalt mehr als etwa 10 Gew.-% betrug, der Reibungskoeffizient
zum Zeitpunkt des Startens ein im wesentlichen konstanter Wert von
0,10 war. Andererseits zeigen die Beispiele 1 bis 4, bei denen expandierter Graphit
mit einer Ölabsorption
von 80 ml/100 g in einer Menge von 2,5 Gew.-% verwendet worden war,
solche Ergebnisse, daß,
wenn der PTFE-Gehalt
bis zu 5 Gew.-% betrug, der Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Startens
niedrig wurde und daß,
wenn der PTFE-Gehalt über 5 Gew.-%
hinausging, der Reibungskoeffizient ein im wesentlichen konstanter
Wert von 0,07 war. In den Beispielen 1 bis 14, bei denen der Gehalt
an expandiertem Graphit 2,5, 5,0, 7,5 oder 10 Gew.-% betrug, wurde
der Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Startens in dem Ausmaß erniedrigt,
wie die Menge des expandierten Graphits zunahm. Weiterhin wurde,
wenn der Gehalt an expandiertem Graphit erhöht wurde, der PTFE-Gehalt,
bei dem der Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Startens ein niedriger
und konstanter Wert wurde, erniedrigt. Das Beispiel 12 zeigte, daß, wenn
der Gehalt an expandiertem Graphit 10 Gew.-% wurde, dann der Reibungskoeffizient
zum Zeitpunkt des Startens 0,05 bei einem PTFE-Gehalt von 2 Gew.-%
betrug.
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Aus den obigen Testergebnissen wird
ersichtlich, daß der
expandierte Graphit den Effekt einer Erniedrigung des Reibungskoeffizienten
zum Zeitpunkt des Startens hat und daß, wenn PTFE gemeinsam verwendet wird,
der genannte Effekt weiter erhöht
wird.
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Die 2 zeigt
diagrammartig den Einfluß des
Gehalts an PTFE und an expandiertem Graphit auf den Verschleiß. Aus der 2 und den Tabellen 1 bis
3 ist ersichtlich, daß die
Vergleichsbeispiele 1 bis 7, bei denen der Gehalt der Kohlenstoffasern
30 Gew.-% betrug und bei denen kein expandierter Graphit verwendet wurde,
zeigten, daß,
wenn der PTFE-Gehalt 0 Gew.-% betrug (Vergleichsbeispiel 1), der
Verschleiß 7,2 μm betrug
und daß,
wenn der PTFE-Gehalt 2 Gew.-% betrug (Vergleichsbeispiel 3), der
Verschleiß 2,8 μm betrug. Es
wurde aber ersichtlich, daß der
Verschleiß rasch
von einem Punkt eines PTFE-Gehalts von 10 Gew.-% erhöht wurde
und daß der
Verschleiß ein
im wesentlichen konstanter Wert von 7 μm bei PTFE-Gehalten von mehr
als 10 Gew.-% war. Bei den Beispielen 1 bis 14, bei denen expandierter
Graphit verwendet worden war, wurde der Verschleiß im Vergleich
zu den einzelnen Vergleichsbeispielen 1 bis 7, bei denen PTFE in
der gleichen Menge eingesetzt worden war, vermindert. Daher wurde
ein Effekt der Einarbeitung des expandierten Graphits erhalten.
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Wenn weiterhin Vergleichsbeispiel
11, bei dem üblicher
Graphit mit einer Ölabsorption
von 50 ml/100 g verwendet wurde, mit den Beispielen 5, 25, 28 und
29, bei denen expandierter Graphit mit Ölabsorptionen von 80, 150,
300 bzw. 500 ml/100 g verwendet worden war, verglichen wird, dann
wird ersichtlich, daß das Vergleichsbeispiel
11 sowohl hinsichtlich des Reibungskoeffizienten zum Zeitpunkt des
Startens als auch des Verschleißes
schlechter war.
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Die Beispiele 22 und 23 sind Beispiele
für die
Zugabe eines festen Schmiermittels zu den Beispielen 9 bzw. 1. Sie
zeigen, daß der
Reibungskoeffizient zum Zeitpunkt des Startens erhöht wurde.
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Weiterhin zeigt hinsichtlich der
Kohlenstoffasern der Vergleich der Beispiele 6, 17 und 21 mit dem
Vergleichsbeispiel 15, daß durch
Zugabe von mindestens 10 Gew.-% Kohlenstoffasern die Reibungs- und
Verschleißeigenschaften
erhöht
wurden.
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Die Vergleichsbeispiele 12 bis 14
sind Beispiele, bei denen der Gesamtgehalt der Kohlenstoffasern, des
PTFEs, des expandierten Graphits und des festen Schmiermittels über 65 Gew.-%
hinausgingen. Sie zeigten, daß das
Verformen schwierig war und daß keine
Probekörper
erhalten werden konnten.