DE2517845C3 - Selbstschmierendes thermostabiles Material und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Selbstschmierendes thermostabiles Material und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf polymere Antifriktionsmatcrialien und Verfahren zu ihrer Herstellung, insbesondere auf ein selbstschmierendes thermostabiles Material und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Das Material kann in vielen Zweigen des Maschinenbaus (Flugzeugindustrie, Kraftfahrzeugindustrie, Industrie deir Massenbedarfsartikel und der Haushaltstechnik usw.) für die Herstellung von Teilen der Reibungsbaugruppen verwendet werden, die die Betriebsfähigkeit der Maschinen und Mechanismen ohne Verwendung flüssiger oder plastischer Schmiermittel gewährleistet.
Es sind selbstschmierende Materialien bekannt, in denen man als Bindemittel Polycarbonat (SU-PS 292487) oder Phenolphthalein-Phenolformaldehydharz (SU-PS 294475) und als Antifriktionsfüllstoff Tetrafluoräthylen oder Molybdändisulfid verwendet. Es ist außerdem ein polymeres Antifriktionsmaterial auf der Basis von Polyimidharz (SU-PS 379592, US-PS 3629103) bekannt, welches ebenfalls Polyarylate oder aromatische Polyamide und einen Antifriktionsfüllstoff, Molybdändisulfid oder Graphit, enthält. Neben den genannten Komponenten kann das beschriebene Material Pulver von Metallen (Kupfer oder Silber) enthüllten. Dieses Material erhält man durch Pressen bei Temperaturen von 390 bis 500° C und Drücken vom 1000 bis 12(K) kp/cm2 einer Mischung auf der Basis von polymerem Bindemittel, Polyimid in Kombination mit Polyarylaten oder aromatischen Polyamiden, und Antifriktionsfüllstoff, Molybdändisulfid oder Graphit, unter oder ohne Zugabe der Pulver von Metallen, wie Silber oder Kupfer.
Das Anwendungsgebiet der beschriebenen Antifriktionsmaterialien ist durch 270° C nicht übersteigende Temperaturen begrenzt. Einer der wesentlichen Nachteile dieser Materialien ist es, daß die polymeren Bindemittel, auf deren Basis sie geschaffen sind, durch eine komplizierte organische Synthese erhalten werden, was ihrer breiten Verwendung infolge hoher Rohstoffkosten im Wege steht.
In der US-PS 2871216 werden weiche »Kompositionen« auf der Basis von Naturkautschuk und synthetischem Kautschuk mit Bornitridzusatzanstelle von Ruß als Verstärkungsmittel zur Verbesserung der physiko-mechanischen Eigenschaften von Weichgummi beschrieben. Die Vulkanisation bzw. Vernetzung des Kautschuks erfolgt dabei in Gegenwart von Schwefel. Obwohl das Material durch Thermopressen hergestellt werden kann, werden die Verfahrensbedingungen nirgends erwähnt, auch wird nirgends der Vernetzungsgrad des erhaltenen Bindemittels angegeben.
Trotz der äußeren Ähnlichkeit sind somit die nach dieser PS enthaltenen Materialien mit den erfindungsgemäßen überhaupt nicht vergleichbar. In der genannten PS werden Ersatzstoffe für rußgefüllte Dekorkautschuke sowie Werkstoffe für die Isolierung von Leitern und Kabeln beschrieben, was mit dem erfindungsgemäßen wärmebeständigen, bei — 150 bis + 350° C einsetzbaren Antifriktionsmaterial überhaupt nichts zu tun hat.
In der FR-PS 1293 328 werden Gemische aus Elastomeren, Bronze bzw. Phosphor oder Kupfer-, Bleioxid oder anderen Stoffen beschrieben, wobei das Elastomer Naturkautschuk oder ein anderes Material mit elastischen naturkautschukähnlichen Eigenschaften sein kann. Den Elastomeren wird vorzugsweise ein Kunststoff in Form eines linearen Polymers und zwar Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen oder Polyvinyliden zugesetzt. Die erhaltenen Gemische werden gewalzt und dann weiter bei 150" C in entsprechenden Formen vulkanisiert. Von der Verwendung von Polybutadien mit einem Vernetzungsgrad von 30 bis 95 % als Bindemittel ist dabei nirgends die Rede. Auch werden keine Eigenschaften erzielt, die einen Einsatz als Lager bei — 150 bis +350° C ermöglichen.
Im Gegensatz zu diesem Stand der Technik enthält das erfindungsgemäße Material keinerlei Vulkanisierungsmittel, was in Kombination mit den Besonderheiten des Verfahrens zu seiner Herstellung sowie die Einsatzfähigkeit bei - 55 bis + 350° C ermöglicht.
Es ist darauf hinzuweisen, daß ein v.ichtiges kennzeichnendes Merkmal des Erfindungsgegenstandes die Tatsache ist, daß als polymere» Bindemittel ein bestimmtes vernetztes Polybutadien zum Einsatz gelangt und zwar ein Polybutadien, das der Vernetzung ohne spezielle Vernetzungsmittel unterworfen worden ist. Aufgrund des angegebenen Vernetzungsgrades von 30 bis 95 % erhält man ein Produkt mit überraschenden Eigenschaften, darunter einer hohen Thermostabilität bis 350° C sowie eine Verwendbarkeit auch bei niederen Temperaturen bis — 150° C.
Das erfindungsgemäße Material zeigt nämlich eine ganze Reihe einzigartiger physiko-mcehanischer Eigenschaften, was nicht so sehr vom Verhältnis der einzelnen Komponenten der Komposition zueinander und von ihrer Art abhängt, als vielmehr vom Zusammenwirken der Zusammensetzung der Kompositionen mit dem Verfahren zur Herstellung der entsprechenden Erzeugnisse, das in der Vulkanisierung des
Gemisches bei einem Druck von I bis 7 kbar bei Temperaturen von 200 bis 330° C bis zu einem Vernetzungsgrad der in der Zusammensetzung enthaltenen Polybutadienkompositionen von 30 bis 95% besteht - und das alles ohne Vernetzer,
Gerade aufgrund des eben erwähnten ohne Verwendung von Vernetzern bei gleichzeitiger Einwirkung hoher Temperaturen und hoher Drücke erzielbaren Vernetzungsgrades des Polymerbindemittels erlangt das selbstschmierende Material jene spezifische Eigenschaften, die es von allen anderen bekannten Materialien auf der Basis von Polymerbindemitteln unterscheidet. Besonders wichtig ist dabei für die Praxis die Betriebsfähigkeit in einem Bereich von —150 bis +350° C, was für die Verwendung und die Herstellung selbstschmierender Materialien keineswegs alltäglich ist.
Das selbstschmierende thermostabile Material kann erfindungsgemäß 20 bis 40 Gew.-% Kupferpulver enthalten.
Der Erfindungsgsgenstand ist in den vorangestellten Patentansprüchen beschrieben.
Nachstehend wird eine ausführliche Beschreibung der Erfindung angeführt.
Das selbstschmierende thermostabile Material weist eine Thermostabilität bis zu einer Temperatur von 350° C auf, gewährleistet einen üiabilen Wert der Reibungszahl und eine hohe Verschleißfestigkeit in einem Temperaturbereich von — 150 bis +350° C an der Luft, im Medium von Inertgasen und im Hochvakuum. Das Material läßt sich leicht mechanisch bearbeiten, behält die Form und die Abmessungen während längerer Erhitzung bei vsrschic ienen Temperaturen (bis zu 350° C) bei.
Einer der wichtigen Vorteile diese- Antifriktionsmaterials gegenüber den bekannten ist es, daß man für seine Herstellung ein zugängliches und billiges Produkt, wie Polybutadien, verwendet, das in vielen Tonnen hergestellt wird.
Die Gesamtheit der oben genannten Eigenschaften des selbstschmierenden thermostabilen Materials wird einerseits durch die Zusammensetzung der Mischung, aus der es erhalten wird, und andererseits durch das Verfahren zu seiner Herstellung aus dieser Mischung gewährleistet.
Die hohe Thermostabilität, Härte und Verschleißfestigkeit des Materials gewährleistet durch Jie Verwendung als Bindemittel von Polybutadien, das einer Vernetzung ohne spezielle Vernetzungsmittel unterworfen wurde, wobei die entscheidende Rolle der Vernetzungsgrad des Polybutadiens spielt. So besitzt das Material bei einem Vernetzungsgrad von unterhalb 30% niedrige Härte, niedrige thermooxydative Stabilität und schlechte Verschleißfestigkeit. Andererseits führt eine Steigerung des Vernetzungsgrades auf über 95% zur Bildung eines spröden Materials, welches die mechanische Bearbeitung nicht aushält.
Gute Antfriktionseigenschaften des Materials sind bedingt durch die Anwesenheit der Antifriktionskomponente, weshalb das Material bei einem Gehalt der Mischung an dieser Komponente von unterhalb 10% durch eine hohe (0,3 bis 0,5) Reibungszahl gekennzeichnet wird. Bei einem Gehalt der Mischung an Antifriktionskomponente von über 80% kann das Material wegen niedrigen Gehaltes der Mischung ;jn Bindemittel nicht geformt werden.
Zur Verleihung einer höheren Wärmeleitfähigkeit kann der Mischung Kupferpulver in einer Menge von 20 bis 40% zugegeben werden.
Die Herstellung des selbstschmierenden thermostabilen Materials beruht in folgendem.
Polybutadien mit einem Molekulargewicht von 20
ί bis 800 Tausend (20 bis 90 Gew.-%) und Molybdändisulfid. Graphit oder Bornitrid oder ein Gemisch derselben bei beliebigem Verhältnis der genannten Komponenten im Gemisch (10 bis 80 Gew.-%) vermischt man auf Walzen bis zur Erzielung einer ho:-no-
Hi genen Mischung. Dann preßt man die genannte Mischung bei einem Druck von 1000 bis 7000 kp/cnr und einer Temperatur von 200 bis 330° C. Während des Pressens kommt es zur Vernetzung des Polybutadiens durch die öffnung der Doppelbindungen unter
ι» Bildung eines räumlichen Netzes, wodurch eine hohe Thermostabilität des Materials gewährleistet wird. Die kennzeichnende Besonderheit des Verfahrens ist die Herstellung des vernetzten Polybutadiens ohne Verwendung konventioneller Vernetzungsmittel. Die
λι Dichte des Netzes oder der Vernetzungsgrad des Polybutadiens wird durch die Änderung der Bedingungen des Pressens der Mischung (Temperatur, Druck) geregelt, wobei eine Steigerung der Temperatur und des Druckes zu einer Erhöhung des Vernetzungsgra-
2~' des führt, wodurch es möglich wird, das Material mit verschiedenen physikalisch-mechanischen Kennwerten zu erhalten. Jedoch erhält man bei Drucken über 7000 kp/cm2 und Temperaturen über 330° C ein sprödes Material, während bei der Anwendung eines
ι» Druckes von unterhalb 1000 kp/cm2 und einer Temperatur von unterhalb 200 ° C das sich bildende Material niedrige Härte, Thermostabilität und Verschleißfestigkeit aufweist.
Nachstehend werden Beispiele für die Herstellung
ii des selbstschmierenden thermostabilen Materials und seine physikalisch-mechanischen Kennwerte angeführt.
Beispiel 1
4(1 r
20 g Polybutadien mit einem Molekulargewicht von 20000 und 80 g Molybdändisulfid (Teilchengröße 1 bis 10 μίτι) vermischt man auf Mikrowalzen bis zur Erzielung einer homogenen Mischung. Dann wird die -ti Mischung bei einem Druck von 7000 kp/cm2 und einerTemperatur von 330° C während 30 min gepreßt.
Das erhaltene Antifriktionsmittel weist folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf: Vernetzungsgrad von Polybutadien - 95%, Vickershärte -,o 45,6 kp/mm2, Schubmodul - 3,3 X 10lndyn/cm2, linearer Verschleiß bei einem spezifischen Druck von
1 kp/cm2 - 0,8 x ΙΟ"9, Reibungszahl - 0,04, maximale Arbeitstemperatur 350° C, minimale Arbeitstemperatur - 150° C.
Beispiel 2
50 g Polybutadien mit einem Molekulargewicht von
800000 und 50 g Graphit vermischt man auf Mikro-
ho walzen bis zur Erzielung einer homogenen Mischung,
die dann bei einem Druck von 1000 kp/cm2 und einer Temperatur von 280° C während 1 h gepreßt wird.
Das erhaltene Antifriktionsmaterial weist folgende
physikalisch-mechanische Kennwerte auf: Vernet-
fT) zungsgrad von Polybutadien - 30%, Schubmodel -
5,0 X 10" dyn/cm2, Reibungszahl im Vakuum von
2 X K)"7 Torr - 0,07, maximale Arbeitstemperatur 350° C, minimale Arbeitstemperatur — 150° C.
Beispiel 3
90 g Polybutadien mit einem Molekulargewicht von 219 000 und 10 g Bornitrid vermischt man auf Mikrowalzen bis zur Erzielung einer homogenen Mischung, die dann bei einem Druck von 5000 kp/cm2 und einer Temperatur von 200° C während 2 h gepreßt wird.
Das erhaltene Antifriktionsmaterial weist folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf: Vernetzungsgrad von Polybutadien — 65%, Schubmodul
8.0 X 109 dyn/cm2, Vickershärte - 22,0 kp/mm2, Reibungszahl im Medium von Helium — 0,16, maximale Arbeitstemperatur 350° C, minimale Arbeitstemperatur - 150° C.
Beispiel 4
30 g Polybutadien mit einem Molekulargewicht von 300000, 15 g Graphit, 15 g Bornitrid und 40 g Kupferpulver vermischt man auf Mikrowalzen und preßt bei einem Druck von 5000 kp/cm2 und einer Temperatür von 300° C während 1 h.
Das erhaltene Antifriktionsmaterial 'feist folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf: Vernetzungsgrad von Polybutadien - 84%, Schubmodul -
4.1 X 10in dyn/cm2, Vickershärte - 42,2 kp/mm2, linearer Verschleiß bei einem spezifischen Druck von 1 kp/cm2-7,2x 10"'°,Reibungszahl-0,1, maximale Arbeitstemperatur + 350° C, minimale Arbeitstemperatur - 150° C.
Beispiel 5
30 g Polybutadien mit einem Molekulargewicht von 219000, 50 g Molybdändisulfid und 20 g Kupferpulver vermischt man auf Mikrowalzen und preßt bei einem Druck von 3000 kp/cm2 und einer Temperatur von 250° C während 30 min.
Das erhaltene Antifriktionsmaterial weist folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf. Vernetzungsgrad von Polybutadien - 48%, Schubmodul 5,6 x 1Π8 dyn/cm2, linearer Verschleiß bei einem spezifischen Druck von 1 kp/cm2 - 3,7xl0"g, Reibungszahl - 0,07, maximale Arbeitstemperatur + 350° C, minimale Arbeitstemperatur - 150° C,
Beispiel 6
20 g Polybutadien mit einem Molekulargewicht von ϊ 300000, 60 g Graphit und 20 g Kupferpulyer vermischt man auf Mikrowalzen und preßt bei einem Druck von 7(K)O kp/cm2 und einer Temperatu von 280° C während 1 h.
Das erhaltene Antifriktionsmaterial weist folge nde ι» physikalisch-mechanische Kennwerte auf: Vernetzungsgrad von Polybutadien - 90%, Schubrnodul 5,3 x 10in dyn/cm2, Vickershärte - 46,4 kp/mm2, Reibungszahl 0,06, maximale Arbeitstemperatur + 350° C, minimale Arbeitstemperatur — 150° C.
Beispiel7
70 g Polybutadien mit einem Molekulargewicht von 80000,10 g Molybdändisulfid und 20 g Kupferpulver vermischt man auf Mikrowalzen und preßt bei einem
-(| Druck von 5000 kp/cm2 und einer Temperatur von 330° C während 30 min.
Das erhaltene Antifriktionsmaterial weist folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf: Vernetzungsgrad von Polybutadien - 81%, Schubmodul -
-'5 1,3 X 10'" dyn/cm2, Vickershärte - 47,4 kp/mm2, Reibungszahl - 0,12, maximale Arbeitstemperatur + 350° C, minimale Arbeitstemperatur — 150° C.
Beispiel 8
n> 30 g Polybutadien mit einem Molekulargewicht von 219 000 und 70 g Molybdändisulfid vermischt man auf Mikrowalzen und preßt bei einem Druck von 3000 kp/cm2 und einer Temperatur von 250° C während 30 min.
r» Das erhaltene thermostabile selbstschmierende Antifriktionsmaterial weist folgende physikalischmechanische Kennwerte auf: Vernetzungsgrad von Polybutadien - 48%, Schubmodul - 5,6 X 108dyn/ cm, linearer Verschleiß bei einem spezifischen Druck
vonl kp/mm2-3,7x 10 ', Reibungszahl-0,07, maximale Arbeitstemperatur + 350° C, minimale Arbeitstemperatur -150° C.

Claims (4)

Patentansprüche;
1. Selbstschmierendes thermostabiles Material auf der Basis eines elastomeren Bindemittels und Molybdändisulfid, Graphit, Bornitrid oder Gemischen davon als Antifriktionsfüllstoff, dadurch gekennzeichnet, daß es besteht aus 20 bis 90 Gew.-% vernetztem Polybutadien mit einem Vernetzungsgrad von 30 bis 95% und einem Molekulargewicht von 20000 bis 800000 und 10 bis 80 Gew.-% Antifriktionsfüllstoff.
2. Sellbstschmierendes thermostabiles Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 30 bis 50 Gew.-% vernetztes Polybutadien und 50 bis 70 Gew.-% Molybdändisulfid enthält.
3. Selbstschmierendes thermostabiles Material, dadurch gekennzeichnet, daß es besteht aus 20 bis 70 Gew.-% vernetztem Polybutadien mit einem Veriietzuingsgrad von 30 bis 95% und einem Molekulargewicht von 20000 bis 800000, 10 bis 60 Gew.-% Molybdändisulfid, Graphit, Bornitrid oder ein Gemisch derselben und 20 bis 40 Gew.-% Kupferpulver.
4. Verfahren zur Herstellung von selbstschmierendem !thermostabilem Material nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Mischungen bei einer Temperatur von 200 bis 330° C und einem Druck von 1000 bis 7000 kp/cm2 gepreßt werden.
DE2517845A 1974-04-24 1975-04-22 Selbstschmierendes thermostabiles Material und Verfahren zu seiner Herstellung Expired DE2517845C3 (de)

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