DE2415327C2

DE2415327C2 - Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers mit einer Polyphenylensulfid-Gleitschicht

Info

Publication number: DE2415327C2
Application number: DE19742415327
Authority: DE
Inventors: Debbus Stanley High Wycombe Hertfordshire Baker; Glyndwr Hohn London Davies
Original assignee: Glacier Metal Co Ltd
Current assignee: Federal Mogul Engineering Ltd
Priority date: 1973-06-13
Filing date: 1974-03-29
Publication date: 1982-10-21
Also published as: FR2233523B1; DE2415327A1; FR2233523A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Polyphenylensulfid enthaltenden Glciischicht versehenen Verbundgleitlagers oder als .Ausgangsmaterial für die Fertigung von Gleitlagerschalen od. dgl. vorgesehenen Verbundgleitlagerstreifens, bei dem auf die tragende Unterlage eine Polyphenylensulfidt'iilchen enthaltende Mischung aufgebracht, durch Erhitzen verbunden und ausgehärtet wird.

Polyphenylensulfid ist ein kristallinischer Stoff, der durch die Reaktion von p-Dichlorbenzol mit Natriumsulfid in einem polaren Lösungsmittel gewonnen werden kann. Das auf diese Weise gebildete lineare Polymer weist eine gute mechanische Festigkeit auf, läßt sich unter Wärmezufuhr in Luft härten und ist dann \ ernetzt und zäh. duktil und in extremem MaBe unlöslich. Im folgenden wird der Ausdruck »Polyphcnylen- *-ulfid<· als solche Polymere einschließend verstanden, die je nach angewandter Wärmebehandlung verschiedene starke Vernetzung aufweisen.

Gleitlager werden vielfach mit einer Gleitschicht oder Laufschicht aus Kunststoff hergestellt. Für Gleitschicliten sind unterschiedliche Werkstoffe, z. B. PTFE für Verbundgleitlager, vorgeschlagen worden. Diese Werkstoffe werden aber auch dazu verwendet, Lagerplatten oder -büchsen insgesamt herzustellen. Solche Lagerkörper werden auch als Sinterkörper hergestellt.

Es ist eine Gleitlagerplatte in Form eines porösen Sinterkörpers aus Polyarylensulfid, insbes. Polyphenylensulfid, bekannt, der im wesentlichen aus einem Gemisch aus Polvarylensulfidteilchen und Teilchen eines wärmebeständigen Materials, wie Asbest, im Verhältnis von 0,1:1 bis 10:1 besteht sowie eme Porosität von 0,1 bis 2,5 cnrVg und einen Porendurchmesser von 0,1 bis 100 μίτι hat.

Zur Herstellung einer solchen Gleitlagerplatte wird eine Paste aus pulverförmigem Polyarylensulfid der Korngröße 1 μΐη bis 3,5 mm und pulverförmigem wärmebeständigen Material der gleichen Korngröße in einer flüchtigen oder verdampfbaren Anmachflüssigkeit hergestellt. Daraufhin wird aus dieser Masse ein Formkörper gepreßt, der 0,1 bis 70 Gew-% Flüssigkeit enthält, der dann bei einer ersten Temperatur im Bereich von 0 bis 230 C erwärmt wird, um die Flüssigkeit zu verdampfen, worauf der im wesentlichen flüssigkeitsfreie Formkörper bei einer zweiten Temperatur im Bereich von 25Ü"⁷ Cbis500^; C vernetzt bzw. gehärtet wird. Als Anmachflüssigkeit kann Wasser dienen (US-PS 3592783).

Es ist bekannt, daß Polyphenylensulfid bei Temperaturen oberhalb von 250^c C je nach Behandlungsdauer mehr oder minder stark vernetzt bzw. aushärtet. Polyphenylensulfid kann gute thermische Stabilität mit guten mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen vereinen. Daher wird Polyphenylensulfid (PPS) auch zur Beschichtung verschiedener Gegenstände einschließlich Pumpenläufern verwendet. Eine gute Bindung zu Aluminium erfordert im allgemeinen nur einen normalen Entfettungsvorgang. Schwieriger ist eine gute Bindung auf Stahl zu erzielen. Dünne Beschichtungen bis 50 um werden in Form flüssiger oder pastöser Zubereitungen aufgebracht. So lassen sich hohlraumfreie Beschichtungen bis 0.1 mm Stärke erzielen. Die Längung solcher Beschichtungen ist jedoch vergleichsweise groß (32Ci). PPS, pigmentiert oder unpigmentiert, kann mittels Wirbelschichtbeschichtungsverfahren aufgebracht werden (Modem Plastics Encyclopedia. 1970-1971, S. 208).

Es ist auch bereits bekannt (US-PS 3285850), trokkene Schiniermittclhlme durch Aufbringen und Trocknen einer flüssigen Schmiermittelzubereitung aus Alkalimetallsilikat und 1 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-% Polyarylensulfid zu erzeugen. 0 bis 15 Gew.-Vc weitere Zusätze können vorgesehen sein. Das Trocknen und Aushärten der aufgebrachten Beschichtung erfolgt bei 150 bis 550 C. so daß eine Temperaturbeständigkeit von —75 bis 540 C erzielbar ist. Der sehr dünne Schmiermittelfilm enthält bis zu 40 Gew.-Cr Polyarylensulfid bzw. Polyphenylensulfid. Diese Filme eignen sich jedoch lediglich für verhältnismäßig niedrige Lauerlasten.

Der Erfindung liegt die Aulgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgleitlagers oder eines als Ausgangsmaterial für die Fertigung von Gleitlagerschalen od. dgl. vorgesehenen Verbundgleitlagerstreifens zu schallen, welche sich tür höhere

Lagerlasten eignen. Hier ist es besonders wichtig, daß eine gute Bindung gegenüber bzw. Haftung auf der Unterlage erzielt wird.

Ein erstes, diese Aufgabe lösendes Verfahren ergibt sich aus Patentanspruch 1. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Ein zweites, diese Aufgabe lösendes Verfahren, das auf dem gleichen Lösungsprinzip wie das erste Verfahren beruht, ist im Patentanspruch 3 gekennzeichnet.

In beiden Fällen erfolgt das Aufbringen einer überwiegend aus Polyphenylensulfid bestehenden pulverförmigen Mischung auf die Unterlage. Um eine gute Bindung zu dieser zu erzielen, sollte mindestens deren obere Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, da Aluminium an diesem Werkstoff sehr leicht haftet. Es ist aber auch möglich, zunächst eine Metallpulverschicht auf der Unterlage zum Haften zu bringen, auf die dann das PPS-Pulver aufgebracht und. insbes. durch Walzen, in die oberflächennahen Zwischenräume zwischen den Metallpulverteilchen gezwängt wird.

Zur Unterstützung der Vernetzung und zur Förderung der Oxidation an der Oberfläche der Unterlage, um so die Verbindung zu verbessern, kann dem PPS Mangandioxid oder Bleioxid zugemischt sein. Alternativ oder zusätzlich läßt sich mit Titandioxid die Adhäsion des PPS verbessern.

Dem aufzubringenden pulverförmiger! PPS-Gemisch können zur Verbesserung der mechanischen oder der Schmier-Eigenschaften Füllstoffe zugegeben werden, beispielsw. Kupfer oder Bronzepulver, Asbest¹, Molybändisulfid, Bleipulver, Bleioxidpulver, Cadmium, Nickel, Kobalt oder Bornitrid.

Das Gleitlager kann für geschmierten oder trockenen Betrieb bestimmt sein, d. h. es kann so ausgebildet werden, daß es mit Öl, Fett oder einem anderen Schmiermittel zu schmieien ist, oder so, daß es als Trockenlager eingesetzt werden kann. Im ersteren Fall können in der Gleitschicht, z. B. durch Vertiefungen in der Unterlage, Schmiermitteltaschen ausgebildet sein, die mit einer für die Lebensdauer des Gleitlagers ausreichenden Menge Schmiermittel gefüllt sind. Im zweitgenannten Fall ist in die Schicht aus Polyphenylensulfid Polytetrafluoräthylen eingeschlossen.

Bei Gleitlagern, wie z. B. Kurbelwellenlagern für Verbrennungsmotor, ist die Lagerfläche häufig durch Elektroplattieren mit einer weichen Auflage aus einer Blei-Zinn-, Blei-Zinn-Kupfer- oder Blei-Indium-Legierung versehen, deren Aufgabe darin besieht, die Gefahr, daß das Lager zum Festfressen neigt oder vom Schmieröl mitgeführte Schmutzteilchen einluttet, zu vermindern. Auf diese Weise soll in einigen Fällen das Lager auch gegen Korrosion durch das Öl geschützt werden. Der Zinn- oder Indiumanteil der Auflage dient dazu, die Auflage selbst korrosionsfest zu machen. Auch die Dicke einer solchen Auflage muß innerhalb enger Toleranzen, gewöhnlich innerhalb ±0,01 mm, gehalten werden.

Derartige Gleitschichten bedürfen einer aufwendigen Technik, um einwandfrei auf ihre Unterlage aufgebracht zu werden. Das Aufbringen ist also kostspielig und verursacht einen bedeutenden Anteil der gesamten Herstellungskosten.

Der Nachteil üblicher galvanisch aufgebrachter Auflagen von in Verbrennungsmotoren einzusetzenden Gleitlagern besteht im Verlust von Zinn oder Indium durch Diffusion in die Legierungszwischenschicht oder in die Nickel- oder Kupfer-Zwischenschicht. Schwitzen Zinn oder Indium aus, so wird das Gleitlager der Korrosion durch das Motoröl ausgesetzt, die zum vollständigen Verlust der Auflage führen kann.

Bei derartigen Gleitlagern ist es zweckmäßig, die erfindungsgemäße Gleitschicht als Schutzschicht oder Schutzauflage vorzusehen.

Die erfindungsgemäß aufgebrachte Gleitschicht oder Schutzauflage läßt sich bei allen Arten von Gleitlagern, z. B. Axialdruck-oder Zapfen-bzw. Radiallagern sowie bei Lagerschalen aus Verbundwerkstoffen für die Herstellung von Gleitlagern für Motorwellenlager sowie für Gleitlager, die aus ebenen, gegeneinander verschieblichen metallischen Oberflächen bestehen, verwenden. Eine Zapfenlagerschale läßt sich durch Beschichtung eines ebenen Verbundgleitlagerstreifens mit PPS und dessen Umformung in eine teilzylindrische Halbschale gewinnen.

An sich läßt sich Polyphenlylensulfid nicht nur in Pulverform, sondern auch in Gestalt einer dünnen Folie, durch Spritzen, beispielsweise durch elektrostatisches Spritzen, Spritzen aus der Lösung, Plasma- oder Flammspritzen oder aus einer Wirbelschicht auf eine Unterlage auftragen.

Um die Bindung und das Aushärten zu bewirken, wird die Unterlage ausreichend erwärmt und das PPS-Pulvcr zum Schmelzen gebracht. Eine gute Bindung an eine Aluminiumlegierung, z. B. an eine Magnesium-Silicium-Aluniinium- oder Zinn-Aluminium-Legierung erzielt man, wenn man wenigstens die Schicht K) min lang auf wenigstens 370' C in Luft erwärmt. Durch Überwalzen des aufgebrachten Pulvers kann eine Bindung und größere Homogenität erzielt werden. Dabei können auch Schmiermitteltaschen in die Oberfläche eingebracht werden.

Durch eine Wärmebehandlung bei höhreren Temperaturen wird eine stärkere Vernetzung erzielt, was den mechanischen Eigenschaften zugute kommt. Im allgemeinen kommt es im Betrieb bei Temperaturen unter 270" C nicht zum Erweichen der Polyphenylcnsulfid-Schicht. Diese Temperatur stellt in sehr vielen Anwendungsfällen eine adäquate Betriebstemperatur für die Lageroberfläche dar.

Bindung, Formgebung und Härtung des Lagers können in Arbeitsvorgängen erfolgen, die sehr starke Verformungen im Verbundgleitlagerausgangsmaterial hervorrufen, ohne daß die Bindung oder Haftung zerstört wird und ohne Verlust der Fertigungstoleranz. Dies macht PPS-Gleitschichten für Lager besonders geeignet, die bei der Herstellung stark verformt werden.

Insbesondere mit dem Verfahren gemäß Anspruch 3 lassen sich, da PPS weitgehend formbeständig ist, Lager unmittelbar auf Fertigmaß herstellen. Es kann das Gleitlager jedoch auch maschinell auf Fertigmaß feinbearbeitet werden.

Größere Dicken der Gleitlagerschicht erzielt man durch Aufbringen mehrerer Schichten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel I

An einem 1 mm dicken Verbundgleitlager-Tragstreifen aus einer Aluminium-Legierung mit den Legierungselementen Magnesium (4 bis 4,9 Gew.-'J■)

und Mangan (0,5 bis 1,0 Gew.-%), der mittels einer rotierenden Drahtbürste gebürstet wurde, ist zuerst eine Polyphenylensulfid-Pulverschicht mit einer Teilchengröße von 90 bis 350 μΐη aufgetragen worden, worauf man durch Wärmebehandlung in Luft zunächst eine leichte Vernetzung de.; PPS-Pulvers bewirkt hat. Das Pulver wurde mit einem hin- und herbewegten Rakel in einer Dicke von 2 mm aufgetragen und dann durch Erwärmen auf 300^: C auf der Aluminiumseite zum Schmelzen gebracht. Sodann wurde die geschmolzene Schicht in einem Ofen wäiirend einer S^runde bei 375° C gehärtet, worbei eine fertige Gleitschichtdicke von 0,3 bis 0,4 mm erzielt wurde. Aus solchem Ausgangsmaterial lassen sich Lagerbüchsen herstellen.

Beispiel II

Ein 1,5 mm dicker Streifen aus niedergekohltem Stahl wurde mit einer 0,1 mm dicken gebürsteten Folie aus Hüttenaluminium überzogen, deren Bindung oder Haftung an der Unterlage durcl·. Walzen mit 43% Querschnittsabnahme erfolgte. Die obere Aluminiumoberfläche wurde wiederum gebürstet, worauf mit dem im Beispiel I beschriebenen Verfahren eine PPS-Schicht aufgebracht wurde. Die Temperaturgrenze, bei der das Gleitlager sich zu verformen beginnt, läßt sich durch einen entsprechend langen Härtevorgang, z. B. einen 16stündigen Härtevorgang bei 375° C. zu höhreren Werten verschieben.

Beispiel III

Das Verfahren wurde gemäß Beispiel 1 durchgeführt mit der Ausnahme, daß der Verbundgieitlagerstreifen nach dem Schmelzen des PPS rasch abgekühlt und zu einer Lagerbuchse verformt wurde, welche dann während einer Stunde bei einer Temperatur von 375° C gehärtet wurde.

Beispiel IV

Hier wurde entsprechend Beispiel III vorgegangen, jedoch statt einer raschen Abkühlung ein Wärmebehandlungszyklus vorgesehen, der das Erwärmen während einer Minute auf eine Temperatur zwischen 300 und 375° C, das Halten der Behandlungstemperatur von 375° C während 5 min und das Erwärmen während 15 min auf eine Temperatur zwischen 375 und 440° C umfaßt.

Beispiel V

Gemäß Beispiel I wurde ein Gleitlagerstreifen von 1 mm Dicke aus einer Mangan-Aluminium-Legierung mit 0,8 bis 1,5 Gew.-% Mangananteil beschick tet und nach dem Härten mit einer Kerbwalze mit 0,4 mm tiefen rechteckigen Kerben oder Vertiefungen von 2 mm x 1 mm versehen. Dieses Gleitlagerausgangsmaterial wurde in Lagerschalen umgeformt, in denen die Vertiefungen axial verliefen und vor Gebrauch mit Fett gefüllt wurden.

Beispiel VI

In einen gemäß Beispiel V hergestellten Gleitlagerstreifen wurde Polyäthylen-Wachs mit niedrigem Molekulargewicht eingewalzt, worauf die Umformung zu Lagerbüchsen erfolgte.

Beispiel VII

Ein Stück gezogenes Rohr mit einem Innendurchmesser von 30 mm und einem Außendurchmesser von 50 mm sowie einer Länge von 50 mm aus einer Mangan-Aluminium-Legierung mit 3,1 bis 3.9 Gew.-% Magnesium wurde nach dem Entfetten auf 52Ü¹ C erwärmt, worauf es in eine Wirbelschicht aus schwach vernetztem Polyphenylensulfid-Pulver eingebracht wurde, so daß das PPS an der Oberfläche schmolz. Ungeschmolzenes Pulver wird durch Abblasen oder Absaugen entfernt, worauf das so beschichtete Rohrstück bei einer Temperatur von 310 C eingesetzt und nach Erhöhung der Temperatur auf 375 C während einer Stunde gehärtet wurde. Die Bearbeitung des Rohrstücks auf Fertigmaß erfolgt maschinell.

Beispiel VIII

Die Oberfläche einer Lagerschale aus 60% Aluminium und 40% Zinn wurde nach dem Bürsten auf die gereinigte Oberfläche einer Stahlunterlage gebracht, worauf beide auf 4000⁼ C erwärmt und dann gemäß Beispiel VII behandelt wurden.

Beispiel IX

Nicht vernetztes Polyphenylensulfid-Pulver wurde mit der gleichen Menge DQ3-Pulver in einem Schnellmischer vermischt und mit einem hin- und hergehenden Rakel in einer Stärke von 1 mm auf eine gebürstete Oberfläche eines 1 mm dicken Magnesium-Mangan- Aluminium-Legierungs-Tragstreifens mit 4,0 bis 4,9% Magnesium und 0,5 bis 1,0% Mangan aufgetragen. Das Pulver wurde durch Erwärmen von der Aluminiumseite her bei 300^c C geschmolzen. Die Bindung zur Unterlage wurde zunächst durch Aufwalzen mittels einer gekühlten Walze hervorgerufen. Danach wurde der Rohstreifen während einer Stunde bei 375^C C gehärtet, dann abgekühlt und zu einer Büchse verformt.

Beispiel X

75 Teile nichtvernetzten PPS-Pulvers wurden geschmolzen, mit 25 Teilen DQ3-Pulver versetzt und auf eine Teilchengröße von 90 bis 350 μίτι zerkleinert. Dieses Gemisch wurde sodann wie im Beispiel VII erläutert auf einen Rohstreifen aufgebracht.

Das in den Beispielen IX und X genannte DQ3-Pulver hat folgende Zusammensetzung:

Polytetrafluorethylen

Pb₃O₄

PbO₂

Zinn-Bronze-Pulver

26,8 Gew.-%

65,0 Gew.-%

3,7 Gew.-%

4,5 Gew.-%

Beispiel XI

Es wurde gemäß Beispiel VIII eine Lagerschale einer Aluminiumlegierung mit 10,3 bis 11 Gew.-% Silicium und 0,9 bis 11 Gew.-% Kupfer beschichtet.

In den Beispielen wurde eine Temperatur von 375° C genannt. Es lassen sich jedoch auch Temperatur und Behandlungszeit je nach Bedarf zwischen etwa 316° C bei 3 Stunden und etwa 427° C bei 10 min variieren.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines mit einer Polyphenylensulfid enthaltenden Gleitschicht versehenen Verbundgleitlagers oder als Ausgangsmaterial für die Fertigung von Gleitlagerschalen od. dgl. vorgesehenen Verbundgleitlagerstreifens, bei dem auf die tragende Unterlage eine Polyphenylensulfidteilchen enthaltende Mischung aufgebracht, durch Erhitzen verbunden und ausgehärtet wird.

gekennzeichnet durch

das Autbringen einer überwiegend aus Polyphenylensulfid bestehenden pulverförmigen Mischung auf eine Unterlage, bei der mindestens die obere Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

das Aufwalzen der auf die Unterlage aufgebrachten pulverförmigen Mischung.

3. Verfahren zur Herstellung eines mit eines Polyphenylensulfid enthaltenden Gleitschicht versehenen Verbundgleitlagers oder als Ausgangsmaterial für die Fertigung von Gleitlagerschalen od. dgl. vorgesehenen Verbundgleitlagerstreifens, kt'i dem auf die tragende Unterlage eine Polyphenylensulfidteilchen enthaltende Mischung aufgebracht, durch Erhitzen verbunden und ausgehärtet wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Metallpulverschicht auf der Unterlage zum Haften gebracht wird

und daß auf diese eine überwiegend aus PoIyphenylensulfid bestehende pulverförmige Mischung aufgebracht und in die oberflächennahen Zwischenräume zwischen den Metallpulverteilchen eezwiinet wird.