DE2601042A1

DE2601042A1 - Materialzubereitung fuer kunststofflager

Info

Publication number: DE2601042A1
Application number: DE19762601042
Authority: DE
Inventors: Eugene Hayward Hussey
Original assignee: Polymer Corp
Current assignee: Polymer Corp
Priority date: 1975-03-17
Filing date: 1976-01-13
Publication date: 1976-09-30
Also published as: FR2304821A1; ES443999A1; USB559142I5; US4001124A; NL181452B; JPS51126246A; GB1546121A; CA1056983A; NL181452C; FR2304821B1; CH610072A5; NL7515011A; ZA757841B; BE837516A

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF DIPL.-ING. SCKWAEE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45

Anwaltsakte 26 645 ,

13.

The Polymer Corporation
Reading / Pennsylvania / USA

Materialzubereitung für Kunststofflager

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Materialzubereitung für Kunststofflager zur Verwendung in Gleitkontakt mit Metallen, wobei eine Komponente die Fähigkeit besitzt, die Metalloberfläche des Lagers zu beschichten, eine zweite Komponente chemisch inert ist und eine dritte Komponente als Trägermaterial für die chemisch inerte Komponente dient.

Kunststoffe werden auf verschiedenste Weise für Lager verwendet, bei denen Metall und Kunststoff miteinander in gleitendem Kontakt stehen. Bei der Auswahl der Kunststoffe bildeten in der Vergangenheit Eigenschaften wie geringer 609840/0 941 _ ₂ -

V/h

f (089) 98 82 72 8 München 80, Mauerkircherslraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100

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Reibungskoeffizient, Verschleißfestigkeit und die Fähigkeit, hohen Druck-Geschwindigkeits-Belastungen zu widerstehen, die wesentlichen Kriterien. Unter "Druck-Geschwindigkeits-Belastung" versteht man das Produkt aus der auf das Lager wirkenden Kraft in Pounds pro Quadratzoll (P), multipliziert mit der relativen Geschwindigkeit der gleitenden Komponenten gemessen in Fuß pro Minute (m/s). Im großen und ganzen erwiesen sich diese Kriterien für die Vorausbestimmung der Gebrauchsfähigkeit eines Kunststofflagers jedoch nicht als zuverlässig, und Erfolg oder Mißerfolg des Kunststofflagers wurden im allgemeinen rein pragmatisch bestimmt.

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Vorherbestimmung der Brauchbarkeit eines Kunststofflagers unter wechselnden Bedingungen.

Die Erfindung betrifft ferner bestimmte Lagermaterialien mit geringerem Verschleiß und größerer Lebensdauer.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Verschleißzeit von gegen Metall laufendem Kunststoff das Ergebnis einer Vielzahl von Phänomenen ist, die, wenn man sie isoliert, so optimiert werden können, daß niedere Verschleißgeschwindigkeiten und hohe Lebensdauer der

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Lager erreicht werden.

Das erste Phänomen, das die Grundlage dieser Erfindung bildet, ist die Tatsache, daß Verschleißgeschwindigkeit und chemischer Abbau eines Kunststoff lage materials am größten sind, wenn zwischen dem Kunststoff und dem Metall eine relative Gleitbewegung existiert. Besteht ein solcher Gleitkontakt, unterliegt das Metall einer Verformung und bildet Stellen, an denen sich korrodierter und chemisch zersetzter Kunststoff bilden kann. Die Zersetzung des Kunststoffes kann z.B. auf Oxidation, Hydrolyse, Verkohlung zurückzuführen sein.

Um diese anfängliche Verformung des Metalls und die Zersetzung des Kunststoffes auf ein Minimum zu beschränken, ist es folglich wichtig, einen Gleitkontakt zwischen dem Kunststoff und dem Metall zum frühestmöglichen Zeitpunkt zu unterbinden. Es ist bekannt, daß verschiedene Kunststoffe viel schneller als andere an Metall haften, wodurch es möglich wird, den Zeitraum so kurz wie möglich zu halten, in dem der Kunststoff und das Metall miteinander in gleitendem Kontakt stehen. Im folgenden wird die Zeit, die notwendig ist, bis der Kunststoff nichtgleitend am Metall haftet, als "Austauschzeit" bezeichnet.

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Das zweite beobachtete Phänomen besteht darin, daß Kunststofflager auf Grund von Zersetzungsprodukten versagen, die die Metallgrenzfläche erreichen. Es ist offenkundig, daß die Zersetzungsgeschwindigkeit durch die Lagertemperatur beeinfluß wird; dies kann jedoch wenigstens teilweise dadurch ausgeglichen werden, daß man als Lagermaterial einen Stoff wählt, der gegen Oxidation, Hydrolyse oder andere chemische Angriffe relativ inert ist, insbesondere bei erhöhten Temperaturen.

In Untersuchungen, die unter Verwendung verschiedener Materialien für Kunststofflager durchgeführt wurden, wurde kein einzelner Kunststoff gefunden, der gleichzeitig eine geringe Austauschzeit und eine hohe chemische Widerstandsfähigkeit besitzt. Dies führte zu der Erkenntnis, daß durch richtige Auswahl und Kombination mehrerer verschiedener polymerer Stoffe ein gewisser Synergismus erreicht werden kann, bei dem die Austauschzeit möglichst klein und die chemische Widerstandskraft möglichst hoch gehalten werden können.

Es wurde gefunden, daß die Gruppe· der Polyolefine minimale Austauschzeiten haben. Dies trifft besonders auf Polyäthylen und, in geringerem Maß, auf Polypropylen und Polybutylen zu. Da diese Stoffe kurze Austauschzeiten

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haben, wird die Gleitreibung zwischen dem Metall und dem Kunststoff klein gehalten, solange das Lager einläuft. Polyolefine haben jedoch unter anhaltenden Verschleißbedingungen die Tendenz sich zu zersetzen, besonders bei höheren Temperaturen, und zwar entweder durch Oxidation, Hydrolyse oder Verkohlung. Sie sind zwar deshalb anfänglich ausgezeichnete Stoffe auf Grund ihrer kurzen Austauschzeit, sie sind aber nicht zufriedenstellend für die Herstellung von Lagern mit geringer Verschleißgeschwindigkeit und langer Lebensdauer.

Andererseits sind fluorierte Polykohlenwasserstoffe,deren bekanntestes Beispiel Polytetrafluoräthylen ist, chemisch ziemlich inert, und sie können ihre chemischen Eigenschaften ohne unzulässige Zersetzung über längere Zeiträume und bei mäßig erhöhten Temperaturen beibehalten. Die fluorierten Kohlenwasserstoffe haben jedoch verhältnismäßig lange Austauschzeiten und sind deshalb kein geeignetes Material für das anfängliche Einlaufen eines Lagers, da der Gleitkontakt zwischen den fluorierten Kohlenwasserstoffen und dem Metall über eine unbefriedigend lange Zeit stattfindet.

Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man zwei Komponenten in das Material eines Kunststofflagers aufnimmt. Die erste Komponente wird auf Grund ihrer kurzen

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Austauschzeit gewählt und die zweite Komponente, weil sie chemisch inert ist. Als weiteres Kriterium sollte das zweite, chemisch widerstandsfähige Material eine Austauschzeit haben, die so kurz ist, daß es sich mit dem Metalllager verbinden kann, bevor das erste Material mit einer kurzen Austauschzeit beginnt sich aufzulösen. Bei Verwendung der Stoffe, die die besten Eigenschaften zu besitzen scheinen, wird Polyäthylen eine ausreichende Restbeschichtung auf dem Metall hinterlassen, damit das PoIytetrafluoräthylen das Metall beschichten kann, bevor das Polyäthylen übermäßig zersetzt wird.

Anders ausgedrückt heißt das, daß die Lebensdauer des Polyäthylens (unter "Lebensdauer" versteht man den Zeitraum, bis zerstörende Zersetzung stattfindet) ausreichen muß b.is das Polytetrafluoräthylen auf dem Metallsubstrat akkumuliert ist, sodaß kein Gleitkontakt zwischen Metall und Kunststoff stattfindet und chemische Zersetzung des Kunststoffes an der Metallgrenzfläche verhindert oder gehemmt wird.

Es wird deshalb vorgeschlagen, daß ein ideales Kunststofflagermaterial aus einem Polyolefin bestehen soll, das die Austauschzeit auf ein Minimum beschränkt und anderer-

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seits eine ausreichende Lebensdauer besitzt, so daß es durch den fluorierten Kohlenwasserstoff als Beschichtungsmaterial ersetzt werden kann.

Ein derartiges Zweikoraponentensystem wird jedoch trotz der zur Vermeidung verschiedener Zersetzungsformen gemachten Anstrengungen eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer haben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die chemisch widerstandsfähigen Stoffe, wie die fluorierten Polykohlenwasserstoffe, im großen und ganzen verhältnismäßig weiche Materialien sind, die hohe Kriechgeschwindigkeit haben,schwer innerhalb der Begrenzung eines Lagers zu halten sind, und einen hohen Abriebverschleiß haben. Es wird daher die Aufnahme eines dritten Bestandteiles in das Lagermaterial vorgeschlagen, der verhältnismäßig hart und zäh ist und als Trägermaterial dient, um den fluorierten Kohlenwasserstoff zwischen den Lageroberflächen zurückzuhalten. Ein ideales Material dieser Art ist Nylon, das eine hohe Abriebfestigkeit hat, relativ zäh ist, und als Träger oder Binder, des fluorierten Kohlenwasserstoffs innerhalb der Begrenzungen des Lagers dienen kann. Nylon ist für diesen Zweck auch besonders geeignet wegen seiner Härte, seiner geringen Verschleißgesehwindigkeit und seiner kristallinen Struktur. Unter weniger harten Anwendungsbedingungen können jedoch auch

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andere Stoffe, wie Polyester, Polycarbonate, Polysulfone und Polyacetale als Träger für das Polytetrafluoräthylen ausreichen.

Ein Kunststofflager aus einer bevorzugten erfindungsgemäßen Zubereitung besteht beispielsweise aus etwa 5% Polyäthylen, lo# Polytetrafluoräthylen, und im übrigen aus Nylon. Diese Prozentsätze sind nicht kritisch und können den Betriebsbedingungen entsprechend geändert werden, sie haben jedoch den Vorteil, daß sie eine ausreichende Menge Polyäthylen für eine kurze Austauschzeit, eine ausreichende Menge Polytetrafluoräthylen für chemische Widerstandsfähigkeit, und eine ausreichende Menge Nylon für zusätzliche Widerstandsfähigkeit und Verschleißfestigkeit des Lagers bereitstellen.

Bei der Auswahl des für das Lager zu verwendenden Polyäthylens erwies es sich als am wirkungsvollsten, wenn es in Form einzelner Partikel vorliegt, die im Nylon nicht zu fein verteilt oder gelöst sind. Aus diesem Grund werden Polyäthylene mit hohem Molekulargewicht besonders empfohlen, d.h. mit Molekulargewichten im Bereich von etwa 800 000 bis 8 000 000.

Um eine Zubereitung dieser Art mit einem hohen Grad an

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Homogenität herzustellen, wird die Verwendung von fein verteiltem Polytetrafluoräthylen bevorzugt, wie man es durch Suspensionspolymerisation erhält. Es ist unwesentlich, ein bestimmtes Nylon zu verwenden, es erwies sich jedoch als vorteilhaft, ein mit anionischer Lactam-Polymerisation hergestelltes Nylon zu verwenden, wobei ein thixotropisches Mittel zur Aufrechterhaltung der Homogenität der verschiedenen Komponenten verwendet werden kann.

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Claims

Patentansprüche :

1. Kunststofflagermaterial zur Verwendung in Gleitkontakt mit Metall, dadurch gekennzeichnet, daß es besteht aus einer kleinen Menge eines polymeren Polyolefins mit kurzer Austauschzeit, einer kleinen Menge eines chemisch relativ inerten polymeren fluorierten Kohlenwasserstoffs, der das Material mit der kuraen Austauschzeit auf der Metalloberfläche ersetzen oder ergänzen kann, und einem verhältnismäßig zähen, starren Material, ausgewählt aus der aus Nylon, Polyestern, Polycarbonaten, Polyacetalen und Polysulfonen bestehenden Gruppe, das als Träger und Binder für das polymere, chemisch relativ inerte Material dient.

2. Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß das Material mit einer kurzen Austauschzeit Polyäthylen ist.

3. Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der fluorierte Kohlenwasserstoff PoIytetrafluoräthylen ist.

4. Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß das polymere Trägermaterial Nylon ist.

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