DE19808541C1 - Schichtverbundwerkstoff - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Schichtverbundwerkstoff beschrieben, der ohne Beeinträchtigung des Reibwertes unter Öl eine höhere Verschleiß- und Delaminationsbeständigkeit aufweist. Der Schichtverbundwerkstoff enthält in der Gleitschicht mindestens ein pulverförmiges Polyamid, wobei der Anteil des PTFE oder des PTFE zusammen mit den anderen Fluorthermoplasten, die das Matrixmaterial bilden, 55-90 Vol.-%, der Anteil weiterer Füllstoffe 9,5-44,5 Vol.-% und der Anteil des Polyaramids 0,5-10 Vol.-% beträgt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Schichtverbundwerkstoff mit einer metallischen
Stützschicht, einer porösen Zwischenschicht und einer darauf aufgebrachten
Gleitschicht aus PTFE oder PTFE in Kombination mit anderen
Fluorthermoplasten, deren Schmelzpunkt über 260°C liegt, in die Füllstoffe
eingelagert sind.
Obwohl solche Werkstoffe auch problemlos in ungeschmierten Fällen
eingesetzt werden können, soll der erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff
insbesondere für solche Lagerungen unter Anwesenheit von Öl geeignet sein,
für die ein sehr niedriger Reibungskoeffizient bei gleichzeitig hoher
Verschleiß- und Kavitationsbeständigkeit von großer Bedeutung ist, wie z. B. in
Stoßdämpfern, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden oder auch in
Zahnradpumpen oder hydraulischen Motoren. Aufgrund der erforderlichen
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 die Kavitation und dem
Verschleiß entgegenwirken, ohne den Reibungskoeffizienten wesentlich zu
erhöhen.
Die 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
z. B. in Stoßdämpfern, durch hohe Lasten, hohe Gleitgeschwindigkeiten und
Beschleunigungen und hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Lagerspalt 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 oben genannten Standardwerkstoffen darstellen, und dabei meist
einen erhöhten Reibwert aufweisen, wie im Falle des Calciumfluorid in der EP
0 183 375 A2 oder der Polyimide, die in der DE 42 27 909 C2 vorgeschlagen
werden.
In der GB 2272029 A wird eine erhöhte Kavitationsbeständigkeit auf eine
besonders hohe spezifische Oberfläche eines eingesetzten Bleipulvers
zurückgeführt. Jedoch wird die Verwendung von Blei oder Bleiverbindungen
von den Anwendern der Gleitelemente zunehmend kritischer betrachtet und
stellt deshalb keine völlig befriedigende Lösung dar.
Die Möglichkeit der Verwendung von Poly-(p-phenylenterephthalamid) als
Füllstoff in selbstschmierenden Lagerwerkstoffen auf PTFE-Basis wird zwar
oft erwähnt, jedoch ausnahmslos in der Form von Fasern, wie z. B. in der GB
2291879 A.
Die WO 95/02772 A1 schreibt einen besonderen fibrillierten Fasertyp, der in die
PTFE-Matrix eingearbeitet wird. Die Faserform bedingt Probleme bei der
homogenen Einmischung in die PTFE-Matrix und erfordert entsprechende
Sondereinrichtungen in der Produktion. Solche Fasern haben darüber hinaus
den Nachteil, daß sie lungengängige Anteile enthalten und unter dem Verdacht
stehen, krebserregend zu sein.
Die Fasern werden als eine Art unregelmäßiges Flechtwerk in die Matrix
eingelagert und schwächen so Zerrüttung und Erosion der ansonsten weichen
PTFE-Matrix ab.
Auch als neutrales Element in Faserform und austauschbar gegen andere
Fasern und daher offenbar nicht zwingend notwendig zur Erzielung einer
bestimmten Eigenschaft tauchen Aramidfasern immer wieder auf, wie z. B. in
der WO 97/03299 A1 oder der GB 2177099 A.
Ein wesentlicher Grund für die Eignung und Verwendung von solchen Fasern
sind die außergewöhnlichen mechanischen Kennwerte - sehr hohe Zugfestigkeit
und E-Modul -, die auf der besonders hohen molekularen Orientierung in
Faserlängsrichtung sowie der starken physikalischen Parallelverknüpfung der
einzelnen starren Molekülstränge basieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schichtverbundwerkstoff bereitzustellen,
der ohne Änderung des Produktionsprozesses und ohne Beeinträchtigung des
Reibwertes unter Öl eine höhere Verschleiß- und Delaminationsbeständigkeit
aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einem Schichtverbundwerkstoff gelöst, bei dem die
Gleitschicht mindestens ein pulverförmiges Polyaramid enthält und bei dem der
Anteil des PTFE oder des PTFE zusammen mit den anderen
Fluorthermoplasten 55-90 Vol.-%, der Anteil weiterer Füllstoffe 9,5-44,5
Vol.-% und der Anteil des Polyaramids 0,5-10 Vol.-% beträgt.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der Zusatz dieser vergleichsweise
geringen Mengen an Polyaramidpulver geeignet ist, die Zerrüttung der
Gleitschichtoberfläche aufgrund von Erosions- und Kavitationserscheinungen
gegenüber den entsprechenden zusatzfreien Zusammensetzungen stark
abzuschwächen. Im Einsatz ohne Anwesenheit von Schmierstoffen schneiden
die erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffe dagegen gleich oder
unwesentlich verbessert ab.
Vorteilhafterweise beträgt der Anteil des PTFE oder des PTFE zusammen mit
den anderen Fluorthermoplasten 65-80 Vol.-%, der Anteil weiterer Füllstoffe
10-34 Vol.-% und der Anteil des Polyaramids 2-10 Vol.-%.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Polyaramiden um Poly-(p-
phenylenterephthalamid) (PPTA) und/oder Poly-(p-benzamid) (PBA), die eine
hohe molekulare Steifigkeit aufweisen.
Die Korngröße des Polyaramidpulvers liegt vorzugsweise unter 100 µm.
Vorteilhafterweise ist die Korngröße des Polyaramidpulvers < 50 µm.
Als weitere Füllstoffe sind besonders Blei, Bleioxid, Metallsulfide mit
Schichtstruktur wie Molybdänsulfid, Metallfluoride, Bornitrid, Graphit, Ruß,
Koks, Eisenoxid, einzeln oder zu mehreren geeignet.
Zusätzlich zu den bereits genannten Füllstoffen können noch Füllstoffe aus
einem oder mehreren aus der Gruppe der Hartstoffe, der Pigmente, der
Fasermaterialien, der Festschmierstoffe, der Duro- oder
Hochtemperaturthermoplaste, der Polyimide oder der Duroplaste eingesetzt
werden.
Eine bevorzugte Füllstoffkombination besteht aus Metallsulfiden mit
Schichtstruktur, hexagonalem Bornitrid und Eisen(III)oxid.
Wenn Fe2O3 in Kombination mit einem anderen Füllstoff enthalten ist, beträgt
der Anteil vorzugsweise 1-6 Vol.-%.
Wenn außer dem PTFE noch andere Fluorthermoplaste als Matrixmaterial
verwendet wird, so sind vorteilhafterweise PFA, FEP, ETFE oder EPE
geeignet. Ihr Anteil darf höchstens gleichgroß sein wie der des PTFE.
Eine bevorzugte Verwendung des Schichtverbundwerkstoffes ist für
Gleitelemente für den Einsatz in Stoßdämpfern oder anderen hydraulischen
Anwendungen.
Beispielhaft sind mögliche Ausführungsformen den entsprechenden Materialien
ohne Zusatz von Poly-(p-phenylenterephthalamid)-Pulver oder Poly-(p-
benzamid)-Pulver gegenübergestellt. Die Zusammensetzungen sind in der
Tabelle 1 angegeben.
Die Herstellung der Materialien kann in bekannter Weise erfolgen:
- - Homogenes Aufschlämmen der Füllstoffe und des Polyaramid-Pulvers 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 und
anschließend der Verschleiß ermittelt. Es handelt sich dabei um ein 30 h-
Prüfprogramm auf der Basis einer Rampenfunktion mit 80 mm Hub und 0,5
Hz. Darüber hinaus wurden die Reibwerte der Materialien unter
Tropfölschmierung bei 1000 N Belastung und der Gleitgeschwindigkeit von 20
mm/s gemessen.
Die Daten sind in Tabelle 2 zusammengefaßt. Dort sind in Beispiel 1-6 jeweils
vergleichbare Materialien mit und ohne Zusatz von Polyaramidpulver
gegenübergestellt. Beispiel 7 belegt, daß zur Herbeiführung des
erfindungsgemäßen Effekts auch dem PPTA strukturell ähnliche
Polymermaterialien geeignet sind.
Diese Ergebnisse verdeutlichen den positiven Einfluß des Polyaramid-Pulvers
auf die Verschleißbeständigkeit und belegen, daß der Reibwert nur geringfügig
beeinträchtigt wird.
Claims (11)
1. Schichtverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht, einer
porösen Zwischenschicht und einer darauf aufgebrachten Gleitschicht
mit einer Matrix aus PTFE oder PTFE in Kombination mit anderen
Fluorthermoplasten, deren Schmelzpunkt über 260°C liegt, in die
Füllstoffe eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleitschicht mindestens ein pulverförmiges Polyaramid enthält,
und daß der Anteil des PTFE oder des PTFE zusammen mit den anderen Fluorthermoplasten 55-90 Vol.-%, der Anteil weiterer Füllstoffe 9,5-44,5 Vol.-% und der Anteil des Polyaramids 0,5-10 Vol.-% beträgt.
und daß der Anteil des PTFE oder des PTFE zusammen mit den anderen Fluorthermoplasten 55-90 Vol.-%, der Anteil weiterer Füllstoffe 9,5-44,5 Vol.-% und der Anteil des Polyaramids 0,5-10 Vol.-% beträgt.
2. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anteil des PTFE oder des PTFE zusammen mit den anderen
Fluorthermoplasten 65-80 Vol-%, der Anteil der Füllstoffe 10-34
Vol.-% und der Anteil des Polyaramids 2-10 Vol.-% beträgt.
3. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei dem Polyaramid um Poly-(p-
phenylenterephtalamid) und/oder Poly-(p-benzamid) handelt.
4. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Korngröße des Polyaramidpulvers < 100 µm
beträgt.
5. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Korngröße des Polyaramidpulvers < 50 µm
beträgt.
6. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei den Fluorthermoplasten um PFA,
FEP, ETFE oder EPE handelt und daß ihr Anteil höchstens gleichgroß
wie der des PTFE ist.
7. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei den Füllstoffen um Blei, Bleioxid,
Metallsulfide mit Schichtstruktur wie Molybdänsulfid, Metallfluoride,
Bornitrid, Graphit, Ruß, Koks, Eisenoxid, einzeln oder zu mehreren,
handelt.
8. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich Füllstoffe aus einem oder mehreren aus der Gruppe der
Hartstoffe, der Pigmente, der Fasermaterialien, der Festschmierstoffe,
der Duro- oder Hochtemperaturthermoplaste, Polyimide oder
Duroplaste enthalten sind.
9. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß 1-6 Vol.-% Fe2O3 zusammen mit mindestens
einem weiteren Füllstoff enthalten sind.
10. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß es sich bei den Füllstoffen um ein Gemisch aus
Metallsulfiden mit Schichtstruktur, Bornitrid und Fe2O3 handelt.
11. Verwendung des Schichtverbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1
bis 10 für Gleitelemente für den Einsatz in Stoßdämpfern oder anderen
hydraulischen Anwendungen.
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8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: FEDERAL-MOGUL WIESBADEN GMBH & CO. KG, 65201 WIESB |
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8330 | Complete renunciation |