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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Antifriktionsmischungen für die Herstellung von Antifriktionskonstruktionsmaterialien, die in Trockenreibungsbaugruppen verwendet werden.
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Es sind Antifriktionsmischungen für Antifriktionsmaterialien bekannt, in denen man als Bindemittel karboranhaltige Polymere verwendet (US-PS 38 50 820).
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Ein Nachteil der bekannten Materialien ist die komplizierte und arbeitsintensive Technologie ihrer Herstellung und die Schwierigkeit ihrer Verarbeitung zu Erzeugnissen.
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Die US-PS 22 46 086 (1949) betrifft die ersten Polymergleitlager aus aliphatischen Polyamiden. Diese Lager arbeiten, insbesondere in Gegenwart von Graphit als Füllstoff, mit einem Schmiermittel zusammen.
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Bei Trockenreibung ist ihre Wärmebeständigkeit gering, bei Gleitreibung beschränkt sich der Betriebsfähigkeitsbereich auf 100°C.
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Sämtliche danach folgenden erfinderischen Schritte betrafen gerade die Wärmebeständigkeit von Polymergemischen, die Verbesserung ihrer Schmiereigenschaften und die Erweiterung des Temperaturbereichs ihrer Betriebsfähigkeit bei Trockengleitreibung (in Abwesenheit eines flüssigen Schmiermittels).
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Die DE-AS 19 56 461 beschreibt ein polymeres Antifriktionsmaterial auf der Basis eines von Karbonanfragmenten freien Polymers, und zwar eines Polyimids, das als Mittel zur Regulierung der Autohäsionseigenschaften 1 bis 20 Gew.-% eines aromatischen Polyamins und Polyarylats enthält, die auf den Reibungskoeffizienten stabilisierend wirken.
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Die DD-PS 1 00 491 betrifft einen Lagerwerkstoff, der als Bindemittel karboranhaltige Polymere (darunter auch Polyamide und Lagerwerkstoffüller (Graphit und Molybdändisulfid) enthält. Kennzeichnend für dieses Material ist die hohe Wärmebeständigkeit, sein Hauptnachteil ist jedoch die geringe mechanische Festigkeit, die erhöhte Sprödigkeit, das ungenügende Vorhandensein von Polymerbindemitteln, d. h. karboranhaltigen Polymeren, die im Material in hohen Mengen enthalten sind (10 bis 50 Gew.-%).
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Die DE-OS 25 48 194 beschreibt Lagerwerkstoffgemische auf der Basis von Polyimid oder Polyphenylchinoxalin mit 1 bis 10% modifizierenden Zusätze (Metallpolyphospniate, Oligo- und Polymere, Polyester und Polyamide, darunter auch karboranhaltige). Diese Zusätze besitzen für das Hauptbindemittel Vernetzerfunktion.
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Das erfindungsgemäße Antifriktionsgemisch ist entweder ein Zweikomponentensystem, bestehend aus einem festen Schmierstoff (Graphit oder Molybdändisulfid) und 0,1 bis 10% m-karboranhaltiges Polyamid oder ein Dreikomponentensystem, bestehend aus einem festen Schmierstoff + einem aromatischen Polyamid (ohne Karboranfragmente) + 0,1 bis 10% m-karboranhaltiges Polyamid.
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Das Zweikomponentensystem ist ein wärmestabilisierter trockener pulverförmiger Festschmierstoff, der in verschiedenen Reibungsteilen verwendet werden kann.
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Das Dreikomponentensystem ist eine Preßmasse, aus der durch Preßguß verschiedene selbstschmierende wärmestabilisierte Reibungsteile (Gleithülsen, Kugellagerkäfige, Teile von Verzahnungen) hergestellt werden. Die stabilisierende Rolle des m-karboranhaltigen Polyamids zeigt sich sowohl im Hinblick auf das Polymerbindemittel (aromatisches Polyamid) als auch im Hinblick auf den Festschmierstoff (Graphit, Molybdändisulfid), d. h. sowohl im Zweikomponentengemisch als auch im Dreikomponentengemisch. Daraus wird klar, daß die selektive Wirkung der Wärmestabilisierung, die gerade das m-karboranhaltige Polyamid im Hinblick auf das aromatische Polyamid und die festen Schichtschmierstoffe bei Verwendung eines Stabilisators in geringen Mengen (0,1 bis 10%, Optimum 0,5 bis 5%) aus den genannten Druckschriften - weder einzeln genommen noch in ihrer Gesamtheit - hervorgeht, da diese keinerlei Angaben zur wärmestabilisierenden Wirkung von m-karboranhaltigen Polyamiden bei der Reibung von Lagerwerkstoffgemischen auf der Basis von aromatischen Polyamiden und Festschmierstoffen enthalten, was gerade die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Lagerwerkstoffgemische ausmacht. Wie aus einer Vergleichsanalyse hervorgeht, überschneidet sich die erzielbare positive Wirkung nicht mit den Eigenschaften der bekannten Stoffe, d. h. die erfindungsgemäßen Lagerwerkstoffgemische sind sowohl hinsichtlich der einzelnen Komponenten als auch im Hinblick auf ihr Mengenverhältnis, bei dem sich die selektive Wirkung der Wärmestabilisierung der Friktionseigenschaften zeigt, neu. Wie die Literaturangaben und die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, weisen bei weitem nicht alle karboranhaltigen Polyamide die genannte Wirkung auf, die sich lediglich bei einigen Polymerklassen zeigt.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.
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In Übereinstimmung mit dem Zweck wurde die Aufgabe gestellt, welche in der Entwicklung von Antifriktionsmischungen bestand, die gute Verarbeitbarkeit zu Erzeugnissen sowie erhöhte thermische Beständigkeit bei Temperaturen von 300°C und höher unter dynamischen Bedingungen der Trockenreibung aufweisen.
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Die gestellte Aufgabe wird wie aus den vorstehenden Ansprüchen ersichtlich gelöst.
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Die Zugabe der m-karboranhaltigen Polyamide zu den Antifriktionsmischungen erhöht also wesentlich ihre Beständigkeit gegen die Wirkung von Wärme, Feuchtigkeit und Sauerstoff bei erhöhten Temperaturen sowie erhöht ihre Schmierfähigkeit unter den Bedingungen der Trockenreibung.
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Die erfindungsgemäßen Antifriktionsmischungen können für die Herstelltung von Antifriktionsmaterialien verwendet werden. Sie können insbesondere für die Herstellung von Wälzlagerkäfigen, Gleitlagerbuchsen, Bürsten, Zahnradübersetzungsteilen u.ä.m., die in Trockenreibungsbaugruppen betrieben werden, wo die Verwendung flüssiger oder konsistenter Schmiermittel unmöglich oder unzulässig ist wie verschiedene Elektrovakuumeinrichtungen, Elektronengeräten, Vorführgeräten, Ausrüstungen für Leicht- und Nahrungsmittelindustrie, sowie für die Einrichtungen, die der Einwirkung hoher Temperaturen, aggressiver Medien, des Vakuums, der Strahlung ausgesetzt werden, verwendet werden.
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Die erfindungsgemäßen Mischungen können erfindungsgemäß neben dem Antifriktionsfüllstoff, also Graphit und Molybdändisulfid, zusätzlich Metallpulver wie Kupfer, Eisen, Nickel enthalten. In diesem Falle erhält man Antifriktionsmaterialien, die verbesserte technologische und physikalisch-mechanische Eigenschaften und erhöhte Wärme- und elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Die erfindungsgemäßen Antifriktionsmischungen erhält man durch Vermischen auf einer Schwingmühle von pulverförmigen Polymeren und Füllstoffen bis zur Erzielung einer homogenen Masse. Die bereitete Mischung wird bei Temperaturen von 320 bis 500°C unter einem Druck von 800 bis 5000 bar verpreßt. Durch Verarbeitung der Mischungen erhält man Antifriktionskonstruktionsmaterialien, die eine Monolithmasse darstellen und als Halbzeuge für die Herstellung von Trockenreibungsbaugruppen verwendet werden.
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Die auf der Basis der erfindungsgemäßen Mischungen erhaltenen Antifriktionsmaterialien können in einem breiten Temperaturbereich bis zu 400°C sowohl an der Luft als auch im Vakuum bei der Einwirkung von Strahlung sowie unter anderen Bedingungen mit Erfolg eingesetzt werden, die die Verwendung flüssiger und konsistenter Schmiermittel nicht zulassen.
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Die aus den erfindungsgemäßen Antifriktionsmischungen erhaltenen Antifriktionsmaterialien weisen hohe physikalisch-mechanische Kennwerte auf. So beträgt die Druckfestigkeit 500 bis 2000 bar, die Härte 18 bis 40 bar und die Kerbschlagzähigkeit 20 bis 100 N · cm/cm². Sie besitzen auch verbesserte Antifriktionskennwerte in einem breiten Temperaturbereich bis zu 400°C, und zwar eine niedrige und stabile Reibungszahl 0,01 bis 0,10 und unbedeutende Intensität des linearen Verschleißes 0,4 bis 5 × 10-9.
Beispiel 1
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0,1 g m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;vom Molekulargewicht 100 Tausend, 10 g aromatisches Polyamid des Baus °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;vom Molekulargewicht 150 Tausend und 89,9 g Graphit vermischte man auf einer Kugel-Schwingmühle während 1 Minute. Die erhaltene homogene Masse brachte man in die Preßform ein und preßte eine Buchse. Die Bedingungen des Pressens sind wie folgt: Temperatur 400°C, Druck 3000 bar, Haltedauer bei dieser Temperatur 5 Minuten. Dann kühlte man die Preßform auf eine Temperatur von 50°C ab, trieb das Erzeugnis aus und unterwarf die erhaltene Buchse den Friktionsprüfungen. Die Prüfungen wurden auf einer Stirnreibmaschine bei einer Gleitgeschwindigkeit von 2 m/sec und einer Beanspruchung von 2 bar durchgeführt. Als Gegenkörper diente eine ähnliche Buchse aus Chromstahl. Die Buchse der genannten Zusammensetzung weist folgende Kennwerte auf: Reibungszahl bei einer Temperatur von 300 bis 350°C 0,02, Intensität des linearen Verschleißes bei einer Temperatur von 300°C 5 × 10-9.
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Nachstehend werden Antifriktionsmischungen anderer Zusammensetzungen angeführt, die analog zu Beispiel 1 bereitet werden.
Beispiel 2
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:70&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz6&udf54; &udf53;vu10&udf54;1,5 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 100 Tausend
b) Graphit 50 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:70&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz6&udf54; &udf53;vu10&udf54;48,5 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 100 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300 bis 350°C 0,03; Intensität des linearen Verschleißes 1 × 10-9; Prüfbedingungen analog zu Beispiel 1.
Beispiel 3
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 1 5 Gewichtsprozent
b) Graphit 95 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300 bis 350°C 0,01; Prüfbedingungen analog zu Beispiel 1.
Beispiel 4
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 2 2 Gewichtsprozent
b) Graphit 80 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:70&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz6&udf54; &udf53;vu10&udf54;18 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 75 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 350°C 0,03; Intensität des linearen Verschleißes 3 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 5
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;10 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 50 Tausend
b) Graphit 20,1 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:70&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz6&udf54; &udf53;vu10&udf54;69,9 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 50 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300°C 0,10; Intensität des linearen Verschleißes 4,5 × 10-9; Prüfbedingungen analog zu Beispiel 1.
Beispiel 6
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 1 2 Gewichtsprozent
b) Graphit 54 Gewichtsprozent
Molybdändisulfid 9 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid nach Beispiel 1 35 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300 bis 350°C 0,03; Intensität des linearen Verschleißes bei einer Temperatur von 320°C 0,9 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 7
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;4 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 25 Tausend
b) Graphit 60 Gewichtsprozent
Eisenpulver 6 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid nach Beispiel 1 30 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 350°C 0,04; Intensität des linearen Verschleißes 3 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 8
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;0,1 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 50 Tausend
b) Molybdändisulfid 99,9 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 380°C 0,05; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 9
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;4 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 25 Tausend
b) Graphit 60 Gewichtsprozent
Molybdändisulfid 10 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid nach Beispiel 1 26 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 350°C 0,04; Intensität des linearen Verschleißes 3,2 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 10
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 7 10 Gewichtsprozent
b) Graphit 52 Gewichtsprozent
Molybdändisulfid 7 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid nach Beispiel 1 31 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 400°C 0,03; Intensität des linearen Verschleißes 1 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 11
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 1 8 Gewichtsprozent
b) Graphit 60 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid nach Beispiel 1 32 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 370°C 0,02; Intensität des linearen Verschleißes 1,2 × 10-6, Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 12
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;1 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 50 Tausend
b) Graphit 42 Gewichtsprozent
Molybdändisulfid 7 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;50 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 20 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300°C 0,03; Intensität des linearen Verschleißes 1,4 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 13
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 2 0,1 Gewichtsprozent
b) Graphit 60 Gewichtsprozent
Kupferpulver 6 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;33,9 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 30 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300°C 0,06; Intensität des linearen Verschleißes 3 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 14
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 1 0,5 Gewichtsprozent
b) Graphit 99,5 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300°C 0,02; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 15
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 1 1 Gewichtsprozent
b) Molybdändisulfid 99 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 380°C 0,03. Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 16
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 1 1 Gewichtsprozent
b) Graphit 24,5 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid nach Beispiel 1 74,5 Gewichtsprozent
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300 bis 350°C 0,01; Intensität des linearen Verschleißes bei einer Temperatur von 300°C 0,5 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 17
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 9 5 Gewichtsprozent
b) Graphit 36 Gewichtsprozent
Molybdändisulfid 6 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;53 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 30 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300 bis 350°C 0,05; Intensität des linearen Verschleißes bei einer Temperatur von 320°C 1,0 × 10-9. Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 18
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;10 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 50 Tausend
b) Graphit 72 Gewichtsprozent
Kupferpulver 8 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;10 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 50 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300 bis 350°C 0,03; Intensität des linearen Verschleißes bei 300°C 3,2 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 19
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid nach Beispiel 1 4 Gewichtsprozent
b) Graphit 60 Gewichtsprozent
Nickelpulver 10 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;26 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 20 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300°C 0,04; Intensität des linearen Verschleißes 2,1 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
Beispiel 20
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- a) m-karboranhaltiges Polyamid des Baus °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;5 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 25 Tausend
b) Graphit 15,5 Gewichtsprozent
c) aromatisches Polyamid des Baus °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;79,5 Gewichtsprozent vom Molekulargewicht 30 Tausend
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Reibungszahl bei einer Temperatur von 300°C 0,10; Intensität des linearen Verschleißes 5 × 10-9; Prüfbedingungen nach Beispiel 1.
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In Tabelle 1 sind die Ergebnisse von Vergleichstests bei der Gleitreibung P = 2 kg/cm² und v = 2 m/sec (Stirnreibung Stahl 45 × Stahl 45) beim Schmieren mit nichtmodifiziertem Graphit und modifiziertem Graphit (gleichzeitig Rüttelvermahlung von Graphit + 0,1 Gew.-% Polyamid der Formel °=c:60&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz5&udf54; &udf53;vu10&udf54;und 2,0% gegeben. Tabelle 1 Schmiereigenschaften von modifizierten und nichtmodifizierten Festschmierstoffen an der Luft &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz22&udf54; &udf53;vu10&udf54;