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Die Erfindung betrifft einen Schicht-Verbundwerkstoff mit
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einer Trägerschicht und einer Gleiteigenschaften aufweisenden Funktionsschicht,
die eine Matrix aus mit dem Material der Trägerschicht bindungsfähigem Polymerem,
beispielsweise bindungsfähigem Fluorpolymerem, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF),
Polyäthylenpropylen etc. oder aus eine Diphenylsulfon enthaltendem Polymerem, wie
Polysulfon oder thermoplastischem Polyäthersulfon, aufweist, und in die das tribologische
Verhalten bestimmenden Füllstoffe, insbesondere Polytetrafluoräthylen-Teilchen und/
oder Teilchen aus metallischen Lagerwerkstoffen eingel#agert sind.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Schicht-Verbundwerkstoffes.
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Fluorierte Kunststoffe sind in der Vielzahl der heute bekannten polymeren
Werkstoffe diejenigen, welche sich insbesondere durch ihre chemische Bestandigkeit,
ihre Oberflächeneigenschaften und den damit verbundenen guten Reibwerteigenschaften
auszeichnen. Diese Tatsache führte zu den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in den
unterschiedlichsten Bereichen der industriellen Fertigung.
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Insbesondere Polytetrafluoräthylen - im folgenden als PTFE bezeichnet
- zeichnet sich unter den fluorhaltigen Polymeren durch ausgezeichnete Wärmebeständigkeit
und besonders niedrigen Reibungskoeffizienten aus. Aus diesen Vorteilen folgen jedoch
auch erhebliche Nachteile dieses Kunststoffs, insbesondere sein besonders schlechtes
Verbindungs- Verklebungs- oder Haftungsverhalten, das im allgemeinen als antiadhäsiv
bezeichnet wird.
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Andere Fluorpolymere, wie z.B. Polyvinylidenfluorid - im folgenden
als PVDF bezeichnet -, Fluoräthylenpropylen etc.
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zeigen demgegenüber - aufgrund der geringeren Anzahl von Fluoratomen
im molekularen Grundbaustein - ein gewisses Haftungsvermögen zu z.B. metallischen
Trägern.
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Der Einsatz von selbstschmierenden, aus PVDF bestehenden, mit Zusätzen
versehenen Formmassen ist begrenzt. Das Fehlen eines festigkeitserhöhenden Trägerwerkstoffes
behindert den Einsatz dünnwandiger Gleitlagerelemente aus solchen Werkstoffen, da
bei hochbelasteten Teilen die mechanischen Eigenschaften nicht ausreichend sind.
So ist z.B. eine aus DE-OS 25 45 897 bekannte Form- bzw. Überzugsmasse aus etwa
25 bis 99 Gew.-% eines Mischpolymeres von 3,3,3-Trifluor-2,Trifluormethylpropen
und Vinylidenfluorid und etwa 75 bis ca. 1 Gew.-% eines niedermolekularen, feinteiligen
PTFE-Harzes nur dann verwendbar, wenn Schichtdicken von 0,13 mm bis 2,5 mm erzeugt
werden. Die Haftung dieser Überzugsmassen ist jedoch für einen nachfolgenden Bearbeitungsprozeß,
wie Biegen, Stauchen o dgl. wegen auftretenden Ablösungen vom metallischen Träger
nicht ausreichend.
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Man hat verschiedene Verfahren entwickelt, um den Nachteil einer
mangelhaften adhäsiven Bindung solcher Fluorpolymeren zu beheben (vergl.DE-OS 18
06 551 und DE-OS 24 36 424).
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Die Herstellung eines Schicht-Verbundwerkstoffes, der eine Matrix
aus PVDF aufweist und aùf einen metallischen Träger aufgebracht ist, wird in DE-OS
29 28 081 beschrieben. Der darin erwähnte Zweischicht-Verbundwerkstoff, bei dem
eine brauchbare Haftung der Funktionsschicht zum Trägerwerkstoff durch Zugabe eines
Zusatzwerkstoffes mit einer Dichte P 5 8g/cm3 erhält, zeigt auch brauch-
bare
tribologische Eigenschaften. Dabei werden gegenüber unmodifiziertem PVDF durch Zusatz
von Füllstoffen Verbesserungen im Verschleißwiderstand und im Reibungsverhalten
erzielt. Trotzdem ist dieser bekannte Zweischicht-Verbundwerkstoff noch weiterhin
verbesserungsbedürftig.
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Aus DE-AS 26 33 940 sind eine überzugsdispersion und damit beschichtete
Gegenstände bekannt, wobei ein thermoplastisches, aromatisches Polyäthersulfon als
Lösung oder Dispersion mit Teilchengröße von weniger als 25 um in einem Verdünnungsmittel
vorgesehen ist und dieser Lösung bzw. Dispersion PTFE-Teilchen beigemischt sein
können.
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U.a. soll diese Überzugsdispersion zur Bildung nichtklebender, reibungsarmer
Beschichtung vieler Gegenstände geeignet sein. Jedoch hat sich herausgestellt, dB
eine mit dieser bekannten überzugsdispersion hergestellte Beschichtung auf metallischen
Substraten keine ausreichende Haftfestigkeit erreichen läßt, um einen solchen Verbund-Schichtwerkstoff
als Gleit- oder Reibelemente oder zur Herstellung von Gleit- bzw. Reibelementen
zu benutzen. Außerdem sind die mit einer solchen überzugsdispersion erzielbaren
tribologischen Eigenschaften nicht für ausgesprochene Gleitelemente ausreichend.
Schließlich sind aus Maschinenmarkt, 68 (1980) 60, S. 169 Gleitlager aus PTFE, modifiziert
mit synthetischem -Glimmer bekannt. Jedoch kann das mit synthetischem Glimmer modifizierte
PTFE nur als Formmasse benutzt werden, um massive, blockförmige Gleitlager zu formen.
Für die Herstellung von Schichtverbundwerkstoffen kommt solches mit synthetischem
Glimmer modifiziertes PTFE nicht in Betracht, schon allein deswegen, weil keine
Möglichkeit zu für Gleitlager geeigneter Bindung einer aus solchem mit synthetischem
Glimmer und modifizierten PTFE gebildeten Funktionsschicht auf einem metallischen
Substrat bisher bekannt ist.
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Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schicht-Verbundwerkstoff
vorzuschlagen, der hinsichtlich Haftfestigkeit der Funktionsschicht auf dem metallischen
Substrat und hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften der Funktionsschicht,
insbesondere Tragfähigkeit, Verschleißfestigkeit und niedrigem Reibungskoeffizienten
gegenüber den vergleichbaren bekannten Schicht-Verbundwerkstoffen wesentlich verbessert
ist, wobei dieser Schicht-Verbundwerkstoff in einem einfachen, in konti.-nuierlichem
Durchlauf durchführbaren Verfahren herstellbar sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem
eingangs erläuterten Schicht-Verbundwerkstoff die Funktionsschicht künstlichen Glimmer
in einer Kornfraktion 100% ~ 50 um in einer Menge zwischen etwa 2 und etwa 20 Vol.-%
in feiner Verteilung enthält.
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Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß Zusatz von synthetischem
Glimmer zu dem die Matrix bildenden, mit dem Material der Trägerschicht bindungsfähigen
Polymeren eine wesentliche Senkung des Reibungskoeffizienten herbei führt und damit
zusätzlich das Verschleißverhalten der Funktionsschicht positiv beeinflußt, wobei
dies um so erstaunlicher ist, als die Zugabe von zusätzlichem PTFE anstelle von
synthetischem Glimmer eine gegensätzliche Wirkung innerhalb einer Matrix aus mit
der metallischen Trägerschicht bindungsfähigen Polymeren zeigt.
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Dieser Umstand ist erstaunlich wenn man berücksichtigt, daß gerade
PTFE dafür bekannt ist, daß es das Reibungsverhalten von Polymeren verbessert und
in der Matrix gleichmäßig verteilt vorliegt.
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In vorteilhafter Weise zeigt sich dieser überraschende Umstand bei
Verwendung einer PVDF-Matrix, welche zwar
reibungsmindernde und
verschleißreduzierende Bestandteile enthält. Versuche ergaben, daß bei einer bestimmten
Zusammensetzung d.h. einem bestimmten PVDF/Füllstoffverhältnis ein Maximum an Verschleißwiderstand
und ein Minimum an Reibung erzielt werden. Wurden die Anteile einzeln oder in Kombination
zueinander oder miteinander variiert, insbesondere der Füllstoffgehalt über-dieses
Optimum hinaus erhöht, konnten die optimalen Ergebnisse nicht mehr verbessert werden,
im Gegenteil, es kam zu einer erheblichen Verschlechterung. Dieser Umstand tritt
ebenfalls dann auf, wenn dritte, bis dahin noch nicht eingesetzte Füllstoffe hinzugefügt
wurden, von denen bekannt ist, daß sie reibungsmindernde Eigenschaften besitzen,
wie dies beispielsweise bei Sulfidmaterialien, Graphit, PTFE-Telomeren und bestimmten
Metallen der Fall ist. Weiterhin tritt mit zunehmender Beigabe von das tribologische
Verhalten bestimmenden oder verbessernden Füllstoffen eine Verschlechterung der
Haftung zwischen der Funktionsschicht und der Trägerschicht ein.
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Ähnlich Verhältnisse finden sich auch, wenn die Matrix der Funktionsschicht
aus eine Diphenylsulfon-Gruppe enthaltenden Polymeren, wie Polysulfon oder thermoplastischem
Polyäthersulfon gebildet ist.
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Es ist daher erstaunlich, daß mit zusätzlicher Beigabe von synthetischem
Glimmer die reibungsmindernden Eigenschaften, die Tragfähigkeit und Verschleißfestigkeit
der Funktionsschicht wesentlich verbessert werden können, ohne daß eine Verschlechterung
der Haftung zwischen der Funktionsschicht und der metallischen Trägerschicht eintritt.
Dies ist insofern bemerkenswert, als man weiß, daß die Zunahme des Füllstoffanteiles
das adhäsive Verhalten der Polymermatrix zum Substrat verschlechtert, was den Anwendungsbereich
der herzustellenden Schicht-Verbundwerkstoffe wegen der schlechteren Haftung erheblich
einschränken würde.
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Dagegen werden durch die Erfindung Oberflächenschichten ermöglicht,
die sich gegenüber den bekannten Schicht-Verbundwerkstoffen insbesondere durch ihre
verbesserten tribologischen Eigenschaften abheben, wobei jedoch der volle Umfang
der Einsatzmöglichkeiten trotz gestiegener Füllstoffanteile erhalten bleibt. Gleiches
gilt hinsichtlich hoher dynamischer Belastungen des erfindungsgemäßen Schicht-Verbundwerkstoffes,
der gegenüber Kavitations-und Erosionsbeanspruchungen, wie sie in Pumpen und Stoßdämpfern
und hydraulischen oder pneumatischen Bauteilen auftreten können, bei niedrigem Reibungskoeffizienten
und hohem Verschleißwiderstand beständig ist. Der erfindungsgemäße Schicht-Verbundwerkstoff
ist besonders zweckmäßig und vorteilhaft einsetzbar für Gleitlagerelemente bzw.
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Bauteile, wie sie in Stoßdämpfern benutzt werden.
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In Figur 1 ist ein Diagramm wiedergegeben, das verdeutlicht, wo einer
der zahlreichen Vorteile des erfindungsge mäßen Schichtverbundwerkstoffes gegenüber
den bekannten Schichtverbundwerkstoffen liegt. Kurve A zeigt den Verlauf der Reibwerte
in Abhängigkeit von der Benutzungszeit eines Dreischicht-Verbundwerkstoff mit dem
Aufbau "Stahl-Trägerschicht/Sintergerüst bzw. Rauhgrund/Kunststoffgleitschicht.
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Figur 2 zeigt den Verlauf des Reibwertes in Abhängigkeit von der Benutzungszeit
bei einem bekannten Zweischicht-Verbundwerkstoff mit dem Aufbau Stahl-Trägerschicht/Kunststoff-Gleitschicht.
Im Vergleich hierzu zeigt Kurve C das Reibungsverhalten eines erfindungsgemäßen
Schicht-Verbundwerkstoffs in Zweischicht-Ausbildung "Stahl-Trägerschicht/ Kunststoff-Gleitschicht'
in Abhängigkeit von der Benutzungszeit. Während Dreischicht-Verbundwerkstoffe den
niedrigsten Anfangs-Reibwert aufweisen, liegen die Anfangs-Reibwerte von Zweichschicht-Verbundwerkstoffen
sowie des erfindungsgemäßen Schichtwerkstoffs etwas höher. Der Reibwert steigt jedoch
bei Dreischicht-Verbundwerkstoffen rasch an und wird
im Laufe der
Benutzung sehr hoch, wodurch die Kennlinie eines Stoßdämpfers nachteilig verändert
wird. Der -rasche Anstieg erklärt sich aus dem raschen Verschleiß der Kunststoffgleitschicht,
was dazu' führt, daß Bestandteile des Rauhgrundes durch Abrieb der Kunststoffgleitschicht
in die Gleitfläche kommen. Bei bekannten Zweischicht-Verbundwerkstoffen liegt der
Anfangs-Reibwert relativ hoch, wobei jedoch gegneüber den Dreichschicht-Verbundwerkstoffen
der Vorteil besteht, daß die Änderung des Reibwertes über die Lebensdauer des Bauteiles
nur gering ist bzw. ein geringerer und nahezu linear verlaufender Anstieg des Reibwertes
eintritt. Hiervon unterscheidet sich der erfindungsgemäße Schicht-Verbundwerkstoff
dadurch, daß der Anfangsreibwert deutlich niedriger als bei bekannten Zweischicht-Verbundwerkstoffen
liegt, wenngleich auch oberhalb demjenigen von Dreischicht-Verbundwerkstoffen der
Vorteil des erfindungsgemäßen Schicht-Verbundwerkstoffes auch gegenüber Dreischicht-Verbundwerkstoffen
wird jedoch nach relativ kurzer Einlaufphase erreicht. NachAblauf der Anpassung
der Gleitschicht an den Gegenläufer liegt der Reibwert des erfindungsgemäßen Schicht-Verbundwerkstoffs
unterhalb der Werte der bekannten Dreischicht-Verbundwerkstoffe. Insbesondere ist
dabei von Vorteil, daß Anfangs-Reibwert und End-Reibwert nahezu in der gleichen
Größenordnung liegen und der End-Reibwert weit unterhalb demjenigen der bekannten
Schicht-Verbundwerkstoffe, seien es Dreischicht-Verbundwerkstoffe oder bekannte
Zweischicht-Verbundwerkstoffe, liegt.
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Wenn der Schicht-Verbundwerkstoff für Lagerzwecke vorgesehen ist,
also bei Ausbildung der Funktionsschicht als Gleitschicht, wird man einen Glimmeranteil
zwischen etwa 5 bis 16 Vol.-%, vorzugsweise bei etwa 8 Vol.-%, vorsehen.
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Ist der erfindungsgemäße Schicht-Verbundwerkstoff als Gleitlagerelement
oder Gleitlagermaterial gedacht, so
empfiehlt es sich, daß der
künstliche Glimmer zusammen mit 10 bis 20 Vol.-%, vorzugsweise etwa 14 Vol.-% niedermolekularem
PTFE mit Molekulargewicht zwischen etwa 35.000 und 100.000 und Teilchengröße 100%
c 40 um, vorzugsweise C 20 um und etwa 10 bis 20 Vol.-%, vorzugsweise etwa 14 Vol.-%
metallischem Werkstoff, vorzugsweise Blei, mit Teilchengröße < 50 um in einer
etwa 60 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise etwa 70 Vol.-% der Funktionsschicht ausmachenden
Matrix aus Polyvinylidenfluorid, Polysulfon oder Polyäthersulfon vorgesehen ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein besonders vorteilhaftes, kontinuierlich
im Durchlauf durchführbares Verfahren zur Herstellung eines solchen Schicht-Verbundwerkstoffs.
Dieses Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß eine Dispersion der die Funktionsschicht
bildenden teilchenförmigen und ggf. gelösten Stoffe in einem flüchtigen Lösungsmittel
bzw. Lösungsmittelgemisch gebildet wird, und zwar unter Beigabe der das tribologische
Verhalten bestimmenden oder beeinflussenden Füllstoffe und des synthetischen Glimmers,
die die Funktionsschicht aufnehmende Oberfläche der Trägerschicht gereinigt, aufgerauht
und dann mit der vorbereiteten Dispersion beschichtet wird, wobei die Viskosität
der Dispersion vorher auf die jeweils zu benutzende Beschichtungsmethode einzustellen
ist, daß nach dem Beschichten das Lösungsmittel unter Wärmeeinwirkung abgedampft
und die getrocknete Funktionsschicht unter Ausbildung ihrer Matrix zusammengesintert
wird und daß die Dickeneinstellung der Funktionsschicht mittels der Beschichtungsdicke
und/oder mittels Nachbehandlung erfolgt.
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Bei Benutzung von Polysulfon oder Polyäthersulfon als Matrixmaterial
kann man solches Polysulfon oder Polyäthersulfon mit Kornfraktion 100% < 25 um
zu der 6-fachen Menge Lösungsmittel geben und unter Rührep in dieser lösen, wobei
das
Lösungsmittel einer der folgenden Stoffe oder ein Gemise ist, das einen oder mehrere
der folgenden Stoffe enthält: N-Methylpyrrolidon, Methylenchlorid/1,2-Trichloräthan,
Dimethylformamid, wobei man in diese Lösung die das tribologische Verhalten bestimmenden
oder beeinflussenden Füllstoffe und den synthetischen Glimmer einmischt. Zur Bildung
eines Schicht-Verbundwerkstoffs mit PVDF-Matrix in der Funktionsschicht, kann man
das Polyvinylidenfluorid in Dimethylformamid lösen und in diese Lösung die das tribologische
Verhalten bestimmenden oder beeinflussenden Füllstoffe und den synthetischen Glimmer
einmischen.
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Ist der herzustellende Schicht-Verbundwerkstoff für Gleitlagerzwecke
gedacht, so kann man synthetischen Glimmer in esi-ner Menge zwischen 5 und 15 Vol.-%,
bevorzugt bei 8 Vol.-bezogen auf den Feststoffgehalt der Funktionsschicht in die
jeweilige Lösung bzw. Dispersion einmischen.
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Das Zusammensintern der Matrix sollte im erfindungsgemäßen Verfahren
bevorzugt in der Weise erfolgen, daß die von Lösungsmittel befreite Funktionsschicht
zum Zusammensintern des die Matrix bildenden Kunststoffs von der Seite der metallischen
Trägerschicht her auf die Sintertemperatur des jeweiligen Matrix-Kunststoffs erhitzt
und für die Dauer von 60 sec. bis maximal 360 sec. auf der Sintertemperatur gehalten
wird. Bei Benutzung von Polysulfon oder Polyäthersulfon als Matrix-Kunststoff sollte
eine Sintertemperatur von mindestens 4600C eingestellt werden. Das vorbereitende
Aufrauhen der die Funktionsschicht tragenden Oberfläche des metallischen Substrates
kann bei Benutzung von PVDF als Matrix-Kunststoff in jeglicher herkömmlicher Weise
geschehen. Bei Benutzung von Polysulfon oder Polyäthersulfon als Matrix-Kunststoff
empfiehlt es sich, das Aufrauhen der die Funktionsschicht tragenden Oberfläche des
metallischen Substrates durch Strahlen, insbesondere
Strahlen mit
Korund vorzunehmen, wobei diese Art des Aufrauhens auch bei Verwendung von PVDF
als Matrix-Kunststoff besonders vorteilhaft ist. Außerdem empfiehlt es sich, die
auf die aufgerauhte Oberfläche des metallischen Substrates aufgebrachte Schicht
zum Austreiben des Lösungsmittels durch Erhitzen des metallischen Substrates also
der späteren metallischen Trägerschicht zu erwärmen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der
Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung sind: Fig. 2 eine vergrößerte Teilchenittdarstellung
eines erfindungsgemäßen Schicht-Verbundwerkstoffs in Zweischicht-Ausführung und
Fig. 3 zusammenfassende Diagramme zu den Ausführungsbeispielen 1 bis 8.
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Bei dem in Figur 2 gezeigten beispielsweisen Schichtaufbau ist ein
Trägerwerkstoff 1 aus Stahl vorgesehen, welcher durch Strahlen mit Korund (Korngröße
100% s lmm, T8% s 0,5mm, 2270 <0,2mm) eine Vergrößerung der Oberfläche 2 erhalten
hat, auf der über geringe mechanische Verklammerung, aber hohe Adhäsionswirkung
die Funktionsschicht 3 mit ihrer Polymer-Matrix 4 gebunden ist. Die Polymer-Matrix
4 kann aus PVDF oder aus einem Polysulfon oder einem thermoplastischen Polyäthersulfon
bestehen. In der Polymermatrix 4 sind feindispers das tribologische Verhalten bestimmende
oder positiv beeinflussende Füllstoffe 5 verteilt, die Kunststoffe, beispielsweise
PVDF und/oder metallische Werkstoffe, beispielsweise Blei, sein können. Ferner enthält
die Polymer-Matrix 4 feindispers verteilte Teilchen 6 von synthetischem Glimmer.
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An den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird verdeutlicht, welche
Vorteile die Zugabe von synthetischem Glimmer zur Funktionsschicht aus mit der Trägerschicht
bindungsfähigem
Polymerem, beispielsweise Fluorpolymerem, wie PVDF, Polyäthylenpropylen etc. oder
aus eine Diphenylsulfongruppe enthaltendem Polymerem wie Polysulfon oder thermoplastischem
Polyäthersulfon mit sich bringt. Die Ausführungsbeispiele 1 bis 8 zeigen für das
Beispiel einer PVDF-Matrix den Einfluß der Zugabemenge an synthetischem Glimer auf
das Verhalten der Funktionsschicht.
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Verwendet wurden Proben der in den Beispielen 1 bis 8 genannten Zusammensetzung,
wobei die Proben durch Beschichten eines kontinuierlich fortlaufenden Stahlbandes
St3 nach DIN 1624 hergestellt wurden. Die Stahlträger-Schicht wurde durch Strahlen
der Oberfläche zur Beschichtung vorbereitet.
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Yle beschichteten Bänder wurden nach Bedingungen, die der Matrixwerkstoff
PVDF vorgibt, gesintert. Die Probekörper hatten nach der Entnahme aus dem beschichteten
Band und dessen thermischen Behandlung einen Durchmesser von 10 mm.
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Beschichtet wurde Band der Abmessung 0,9 mm. Die Dicke nach erfolgter
Beschichtung betrug 1,0 mm. Dabei ist die Beschichtung von metallischen Trägern
möglich, die entweder durch Strahlen, Schleifen, Ätzen oder einem anderen Vorbehandlungsverfahren
unterworfen waren. Die Dicke der zu beschichtenden Bänder kann 0,2 bis 5,0 mm, bevorzugt
0,5 bis 2,5 mm betragen.
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Folgende Versuchsparameter wurden bei der Untersuchung im Rahmen der
Ausführungsbeispiele 1 bis 8 konstant gehalten und führten zu den in den nachfolgenden
Beispielen genannten Ergebnissen.
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Gleitgeschwindigkeit: 100 min 1= 0,523 ms statische Belastung: 700
N spezifische Belastung: 8,9 N/mm2 p.V Wert: 4,68 N/mm2 ~m/s
Prüfplättchen
0 : 10 mm Prüfwalzen ~ : 100 mm Härte der Prüfwalze: 60 HRC Versuchsdauer: 30 min
Oberflächenrauhigkeit der Prüfwalzen: Rt 2,8 um Ra 0,2 um Rz 1,8 um Beispiel 1:
Ein Zweischichtverbundwerkstoff mit dem Aufbau metallischer Träger mit aufgebrachter
Kunststoffgleitschicht, bestehend aus 70 Vol.-% entsprechend 39 Gew.% PVDF als Matrixwerkstoff,
14 Vol.-% entsprechend 9,5 Gew.-% PTFE in niedermolekularer Form, 14 Vol.-% entsprechend
49,8 Gew.-% Blei und 2 Vol.-% entsprechend 1,7 Gew.% Glimmer (synthetisch) vom Typ
MICA der Fa. Omya wurde nach den o.g. Parametern untersucht.
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Nach Ablauf derVersuchsdauer von 30 Minuten wurde ein Verschleiß von
2,0 um festgestellt. Die Temperatur des Gegenläufers war um 390 höher wie bei Versuchsbeginn.
Das gemessene, maximale Reibmoment betrug 11 Nm. Der Versuch erfolgte im Trockenlauf
wie alle anderen nachfolgend genannten Beispiele auch.
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Beispiel 2: 70 Vol.-% = 44 Gew.-% PVDF 14 Vol.-% = 10,7 Gew.-% PTFE
12 Vol.-% = 40 Gew.-% Pb 4 Vol.-% = 3,3 Gew.-% Glimmer Verschleiß: 2,2 um Temperaturanstieg:
330 Reibmoment: 9 Nm
Beispiel 3: 70 Vol.-% = 44 Gew.% PVDF 14 Vol.-%
= 10,7 Gew.% PTFE 10 Vol.-% = 40 Gew.% Pb 6 Vol.-% = 5,3 Gew.% Glimmer Verschleiß:
2,3 um Temperaturanstieg: 380 Reibmoment: 6,6 Nm Beispiel 4: 70 Vol.-% = 46,9 Gew.%
PVDF 14 Vol.-% = 11,4 Gew% PTFE 8 Vol.-% = 34,2 Gew.% Pb 8 Vol.-% = 7,5 Gew.% Glimmer
Werschleiß: 2,5 um Temperaturanstieg: 260 Reibmoment: 5,8 Nm Beispiel 5: 70 Vol.-%
= 50,2 Gew.% PVDF 14 Vol.-% = 12,3 Gew.% PTFE 6 Vol.-% = 27,4 Gew.% Pb 10 Vol.-%
= 10,1 Gew.% Glimmer Verschleiß: 3,0 um Temperaturanstieg: 230 Reibmoment: 6,2 Nm
Beispiel 6: 70 Vol.-% = 54 Gew.% PVDF 14 Vol.-% = 13,3 Gew.% PTFE 4 Vol.-% = 19,7
Gew.% Pb 12 Vol.-% = 13,0 Gew.% Glimmer Verschleiß: 1,7 um Temperaturanstieg: 230
Reibmoment: 6,4 Nm
Beispiel 7: 70 Vol.-% = 58,4 Gew.% PVDF 14 Vol.-%
= 14,3 Gew.% PTFE 2 Vol.-% = 20,7 Gew.% Pb 14 Vol.-% = 16,5 Gew.% Glimmer Verschleiß:
1,7 um Temperaturanstieg: 210 Reibmoment: 6,4 Nm Beispiel 8: 70 Vol.- = 36,4 Gew.%
PVDF 14 Vol.-% = 9 Gew.% PTFE 16 Vol.-% = 55 Gew.% Pb Verschleiß: 5 um Temperaturanstieg:
450 Reibmoment: 11 Nm In den Beispielen 1 bis 8 weisen die verwendeten Füllstoffe
Blei, PTFE sowie der synthetische Glimmer eine Kornfraktionvon 100% kleiner als
50 um auf, und zwar: PTFE bevorzugt c 10 um Blei bevorzugt c 50 um synthetischer
Glimmer bevorzugt I 20 um.
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Die in den Beispielen 1 bis 8 gefundenen Werte sind in den Diagrammen
der Figur 3 gegenübergestellt. In Figur 3 bezieht sich das linke Diagramm I auf
den Verschleiß in Abhängigkeit von dem Glimmergehalt. Das mittlere Diagramm II ergibt
den Temperaturanstieg innerhalb 30 min. am Gegenläufer an, und zwar in Abhängigkeit
vom Glimmergehalt in der PVDF-Matrix. Das rechte Diagramm III betrifft die Abhängigkeit
des Reibmoments der Funktionsschicht in Abhängigkeit vom Glimmergehalt wieder.
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Die nachfolgenden Beispiele 9 bis 16 betreffen Schicht-Verbundwerkstoffe
mit Polysulfon-Matrix oder Polyäthersulfon-
Matrix in der Funktionsschicht.
Die Herstellungsweise der in den Beispielen 9 bis 16 aufgeführten Schicht-Verbundwerkstoffe
ist wie folgt: Polysulfon bzw. Polyäthersulfon wird in Lösungsmitteln wie N-Methylpyrrolidon,
Methylenchlorid/1 >2-Trichloräthan und/oder Dimethylformamid gelöst, wobei durch
die Zugabe des Polymerwerkstoffes zu der 6-fachen Menge des Lösungsmittels durch
Rühren eine Lösung erreicht wird. Die Kornfraktion des verwendeten Polymerpulvers
liegt zu 100% unterhalb 25 um.
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Nach Fertigstellung dieses Ansatzes werden die zur Beeinflussung des
tribologischen Verhaltens notwendigen Füllstoffe in der erforderlichen Menge in
der Lösung dispergiert. Nach Fertigstellung der Dispersion wird diese in einem kontinuierlichen
Bandschichtverfahren auf beispielsweise metallische Träger in Bandform aufgebracht,
um Halbzeug aus einem Schichtverbund zu fertigen, aus welchem dann Lagerschalen,
Lagerbuchsen, Anlaufscheiben und andere bekannte Formen von Lagerelementen gefertigt
werden können. Die Beschichtung des kontinuierlich fortlaufenden Trägerbandes erfolgt
über ein Auftragsrakel durch Aufstreichen. Es sind jedoch auch alle anderen denkbaren
Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise Tauchen, Spritzen, Spachteln u.dgl. anwendbar,
da die Viskosität der Dispersion in weiten Grenzen variiert werden kann, so daß
sich für jedes einzelne Beschichtungssystem eine geeignete Viskosität einstellen
läßt. Das Substratband, insbesondere Stahlband wurde vor dem Beschichten durch Strahlen
mit Korund behandelt. Nach Aufbringen der Dispersion auf die vorbehandelte Substratoberfläche
wurde die Beschichtung durch induktives Aufheizen des metallischen Trägerwerkstoffes
bis zur vollständigen Verflüchtigung des Lösungsmittels erwärmt. Nach erfolgter
Verflüchtigung der Lösungsmittel wurde das beschichtete Band durch eine Sinterstrecke
geführt, innerhalb deren eine Temperatur von 4600C erreicht
und
auf die Dauer von 60 Sekunden bis maximal 360 Sekunden aufrechterhalten wurde. Nach
Abkühlen wurden aus dem so hergestellten Schicht-Verbundwerkstoffband Proben geschnitten
und tribologisch auf einer Stift/Walze-Prüfeinrichtung hinsichtlich verschiedener
Merkmale, wie beispielsweise Verschleißwiderstand und Reibverhalten untersucht.
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Hierbei wurden folgende Ergebnisse gefunden.
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Beispiel 9: Ein metallischer Träger (Stahl St4, DIN 1624) wird durch
Strahlen mit Al203-Strahlmittel vorbehandelt und mit Polysulfon-Lösung wie beschrieben
beschichtet auf eine Schichtdicke von 100 um. Es wurden keine Füllstoffe zur Eigenschaftsverbesserung
im Hinblick auf das tribologische Ver-Sålten verwendet.
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Versuchsbedingungen Gleitgeschwindigkeit: 100 min-1, entspr. 0,523
m/s stat. Belastung: ca. 700 N spez. Belastung: 8,9 N/mmz Prüfblättchen-#: 10 mm
Walzen-0 des Gegenläufers: 100 mm p.v-Wert: 4,68 N/mm2 . m .
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Härte: 60 HRC Rt 2,78 um Ra 0,24 um Rz: 1,78 um Anhand der aufgeführten
Versuchsbedingungen wurden folgende Ergebnisse erzielt: Temperatur der Verschleißwalze:
-Temperatur des Probekörpers: 1000C Reibmoment in N/mm nach 5 min: 25 Verschleiß
in um nach 6 min: 100
Beispiel 10: Herstellung wie in Beispiel
9 beschrieben, jedoch anstelle von Polysulfon wurde Polyäthersulfon verwendet.
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Temperatur der Verschleißwalze: Temperatur des Probekörpers: 940C
Reibmoment in N/mm nach 5 min.: 19 Reibmoment in N/mm nach 10 min.: 20 Verschleiß
in um nach 11 min.: 100 Beispiel 11: Analog Beispiel 9, jedoch mit Anteilen von
Füllstoffen aus niedermolekularem PTFE, Teilchengröße ca. 5 bis 7 um, mit einem
mittleren Molekulargewicht von 35.000 bis 100.000, Sowie metallischem Blei in einer
Korngröße 100%<40 um, in einem Anteil von je 20 Vol.-%, bezogen auf die Polymer-Matrix.
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Temperatur der Verschleißwalze nach Versuchsablauf: 510C Temperatur
des Probekörpers: 720C Reibmoment in N/mm nach 5 min.: 8,1 Reibmoment in N/mm nach
10 min.: 8,1 Reibmoment in N/mm nach 15 min.: 7,0 Reibmoment in N/mm nach 20 min.:
8,5 Reibmoment in Nimm nach 25 min.: 9,0 Reibmoment in N/mm nach 30 min.: 9,2 Der
Verschleiß des Probekörpers betrug 60 um nach einer Laufzeit von T = 30 min.
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Beispiel 12: Wie BeispielJ2, jedoch Polyäthersulfon mit 20 Vol.-%
PTFE, 20 Vol.-% Blei.
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Temperatur der Verschleißwalze nach 30 min.: 530C Temperatur des Probekörpers:
800C Reibmoment in N/mm nach 5 min.: 7,9 Reibmoment in N/mm nach 10 min.: 9,1 Reibmoment
in N/mm nach 15 min.: 9,8 Reibmoment in N/mm nach 20 min.: 10,0 Reibmoment in N/mm
nach 25 min.: 11,0 Reibmoment in N/mm nach 30 min.: 12,0 Verschleiß nach einer Laufzeit
von 30 min.: 98 um.
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Beispiel 13: Polysulfon mit 14 Vol.-% PTFE, 8 Vol.-% Blei, 8 Vol.-%
glasmehl (Glasmehl in einer Kornfraktion 100% 4zum).
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Temperatur der Verschleißwalze: 560C Temperatur des Probekörpers:
650C Reibmoment in N/mm nach 5 min.: 7,9 Reibmoment in N/mm nach 10 min.: 8,0 Reibmoment
in N/mm nach 15 min.: 8,2 Reibmoment in N/mm nach 20 min.: 8,0 Reibmoment in N/mm
nach 25 min.: 8,5 Reibmoment in N/mm nach 30 min.: 8,9 Der Verschleiß betrug 9 um
nach 30 min. Laufzeit.
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Beispiel 14: Polyäthersulfon mit der Zusammensetzung wie Beispiel
(3.
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Temperatur der Verschleißwalze: 490C Temperatur des Probekörpers:
510C Reibmoment in N/mm nach 5 min.: 8,2 Reibmoment in N/mm nach 10 min.: 7,5 Reibmoment
in N/mm nach 15 min.: 7,2 Reibmoment in N/mm nach 20 min.: 7,2
Reibmoment
in N/mm nach 25 min.: 7,4 Reibmoment in N/mm nach 30 min.: 7,8 Der Verschleiß betrug
8,3 um nach 30 min. Laufzeit.
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Beispiel 15: Wie Beispiel 13, jedoch wurde der Glasmehlanteil durch
Glimmer ersetzt (Glimmer der Fa. Omya mit der Bezeichnung MIKA M).
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Temperatur der Verschleißwalze: 490C Temperatur des Probekörpers:
520C Reibmoment in Nimm nach 5 min.: 7,8 Reibmoment in N/mm nach 10 min.; 7,6 Reibmoment
in Nimm nach 15 min.: 7,3 Reibmoment in N/mm nach 20 min.: 7,0 Reibmoment in N/mm
nach 25 min.: 6,8 Reibmoment in Nimm nach 30 min.: 6,8 Der Verschleiß betrug 4,5
um nach 30 min Laufzeit.
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Beispiel 16: Wie Beispiel 15, jedoch Polyäthersulfon als Matrix-Werkstoff.
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Temperatur der Verschleißwalze: 490C Temperatur des Probekörpers:
564C Reibmoment in N/mm nach 5 min.: 8,0 Reibmoment in N/mm nach 10 min.: 7,8 Reibmoment
in Nimm nach 15 min.: 7,7 Reibmoment in N/mm nach 20 min.: 7,6 Reibmoment in N/mm
nach 25 min.: 7,5 Reibmoment in Nimm nach 30 min.: 7,5
Verschleiß
nach 30 min Laufzeit 4,5 um.
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Auch die Beispiele 9 bis 16 bestätigen, daß sich überraschender Weise
synthetischer Glimmer sehr vorteilhaft auf das Verhalten der Funktionsschicht unter
tribologischer Beanspruchung auswirkt. Während sowohl Polysulfon als auch Polyäthersulfon
nur unbefriedigenden Verschleißwiderstand aufweisen, wird durch die Zugabe von synthetischem
Glimmer erheblich verbesserter Verschleißwiderstand erzielt.
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Sämtliche Ausführungsbeispiele lassen erkennen, daß die Schaffung
eines Schicht-Verbundwerkstoffes der mit gutem thermischen Verhalten auch bei Temperaturen
größer als 1000C bis 2000C einsetzbar ist, durch die Zugabe von synthetischem Glimmer
zur Polymer-Matrix der Funktionsschicht ermöglicht wird. Dabei ist dieser Schicht-Verbundwerkstoff
auch bei Ausbildung relativ dünner Gleit- bzw. Reibschichten von ca. 50 bis 300
um, bevorzugt zwischen 100 und 200 um, geeignet, kavitative Belastungen, wie sie
beispielsweise in Stoßdämpfern und Pumpen auftreten, sicher auszuhalten.
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Bei Zugabe metallischer Bestandteile, beispielsweise# Blei, in die
Polymer-Matrix und aufgrund der verhältnismäßig geringen Kunststoff-Schichtdicken
ist dieser Schicht-Verbundwerkstoff auch geeignet, Temperaturspitzen sicher auszuhalten.
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Schicht-Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung ========================================================
Bezugszeichenliste 1 Trägerwerkstoff (Substrat) 2 aufgerauhte Oberfläche von 1 3
Funktionsschicht 4 Polymermatrix 5 feindispers verteilte Füllstoffe für tribologisches
Verhalten 6 Teilchen von synthetischem Glimmer