DE3343309C2

DE3343309C2 - Schichtverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE3343309C2
Application number: DE3343309A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Chem. Dr. 6365 Rosbach Hodes; Karl-Heinz Ing.(grad.) 6208 Bad Schwalbach Wegner
Original assignee: Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Current assignee: Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1989-09-21
Also published as: AT385471B; ES538090A0; ES8702242A1; GB8430164D0; MX173548B; IT8423615A1; GB2150464A; GB2150464B; IT8423615A0; JPS60139447A; FR2555504B1; ATA378584A; AR245402A1; IT1177228B; US4623590A; FR2555504A2; BR8405638A; DE3343309A1

Abstract

Ein Schichtverbundwerkstoff, der eine Gleit- bzw. Reibschicht mit Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Gemisch von zwei oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe der Polyarylether, Polyarylketone, Polyarylsulfide, Polyarylsulfone und Polyaryloxide und eine in diese Matrix eingelagerte Faserstoffverstärkung aufweist, wird dadurch wesentlich verbessert, daß die Faserstoffverstärkung Kurzfasern mit Elastizitätsmodul von 50 MPa und mehr enthält, und zwar auch Kurzfasern aus anderem Werkstoff als Kohlenstoff und anstelle von oder zusätzlich zu Kohlenstoff-Kurzfasern. Der Werkstoff dieser Kurzfasern soll gute Gleit- bzw. Reibeigenschaften bei hoher Temperaturbeständigkeit (Schmelztemperatur bzw. Erweichungstemperatur bzw. Zersetzungstemperatur oberhalb 300°C) aufweisen und aus den Werkstoffgruppen der Kunststoffe, Gläser, natürlicher und künstlicher Keramik, Metalle und Legierungen gewählt sein. Bevorzugte Werkstoffe für die Kunststoff-Matrix der Gleit- bzw. Reibschicht sind Polyether-Etherketon (PEEK) und Polyethersulfone (PES). Aus dem erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoff lassen sich Gleitlager, insbesondere auch halbzylindrische Gleitlager, für Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen herstellen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schichtverbundwerkstoff für in Verbrennungskraftmaschinen einsetzbare Gleitelemente, der mindestens eine metallische Trägerschicht, eventuell eine Gleiteigenschaften, zumindest Notlaufeigenschaften aufweisende Trägerschicht, und eine Gleitschicht aufweist, die Verstärkungsfasern mit guten Gleiteigenschaften bei hoher Temperaturbeständigkeit aus den Werkstoffgruppen von Kohlenstoff, Kunststoffen, Gläsern, künstlicher und natürlicher Keramik, Metallen und Legierungen in einer aus Kunststoff gebildeten Matrix, ggf. zusammen mit die Gleiteigenschaften verbessernden Zusätzen enthält, wobei die eventuell vorhandenen Zusätze zur Verbesserung der Gleiteigenschaften Feststoffteilchen mit einer Kornfraktion S 40 μίτι enthalten.

Aus DE-OS 29 35 205 ist ein Schichtverbundwerkstoff bekannt, bei welchem zur Bildung einer gute Gleiteigenschaften aufweisenden Funktionsschicht Vefstärkungsfasern mit guten Gleiteigenschaften bei hoher Temperaturbeständigkeit aus den oben angeführten Werkstoffgruppen in Form von Endlosfasern und Kurzfasern in eine Kunststoffmatrix eingelagert sind. Dabei sollen die eingelagerten Fasern hohe Druckbeständigkeit und Schwingungsfestigkeit der Funktionsschicht erreichen lassen, wobei die Verstärkung der Schicht in erster Linie auf den Endlosfasern beruhen soll. Der aus DE-OS 29 35 205 bekannte Schichtverbundwerkstoff hat jedoch zur Herstellung von Fertigteilen, wie Lagerschalen und Lagerbuchsen, noch erhebliche Mangel, insbesondere sehr große qualitative Schwankungen. Außerdem neigen die eingelagerten Endlosfasern beim Längsteilen von Bändern oder Bahnen aus Schichtverbundwerkstoff gemäß DE-OS 29 35 205 zu Scnerungsbrüchen. Beim Stanzen von Plattinen aus solchen Bändern oder Bahnen werden die Endlosfasern teilweise ebenfalls so unkontrolliert gebrochen, daß sie über die Teilfläche der aus den Plattinen hergestellten Buchsen oder Gleitlagerschalen hinausragen. Schließlich hat der aus DE-OS 29 35 205 bekannte Schichtverbundwerkstoff den Nachteil, daß seine Herstellung kompliziert und aufwendig ist, nicht zuletzt weil das geordnete Einbringen von nebeneinanderliegenden Bündeln von Endlosfasern über eine Einführeinrichtung zum Auf-Streichrakel immer wieder zu erheblichen Schwierigkeiten führt.

In der älteren Patentanmeldung DE-OS 32 21 785 wird ein Schichtverbundwerkstoff mit metallischer Trägerschicht und Gleit- bzw. Reibschicht vorgeschlagen, bei dem die Verstärkungsfasern der Gleit- bzw. Reibschicht in einer aus Kunststoff gebildeten Matrix gegebenenfalls zusammen mit die Gleit- bzw. Reibeigenschaften verbessernden Zusätzen enthält. Dabei sind gemäß DE-OS 32 21785 Kohlenstoff-Kurzfasern als alleinige Faserstoffverstärkung der Gleit- bzw. Reibschicht vorgesehen und in die Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Gemisch von zwei oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe der Polyarylether, Polyarylketone, Polyarylsulfide, Polyarylsulfone, Polyaryloxide eingelagert, insbesondere in eine Matrix aus Polyetheretherketon. Die in DE-OS 32 21 785 vorgeschlagenen Schichtverbundwerkstoffe zeichnen sich ebenfalls durch hohe Druckbeständigkeit, Schwingungsfestigkeit und auch durch gute Gleiteigenschaften aus.

Jedoch lassen sich aus Schichtverbundwerkstoff gemäß DE-OS 29 32 205 und auch aus Schichtverbundwerkstoff gemäß DE-OS 32 21 785 hergestellte Werkstücke, beispielsweise Gleitlager, nur an solchen Stellen einsetzen, an denen nur mäßige Temperaturen auftreten. Insbesondere ist der Einsatz solcher Bauelemente in Verbrennungskraftmaschinen nicht möglich.

Demgegenüber soll eine wesentliche Verbesserung sowohl hinsichtlich der verstärkenden Wirkung der Faserstoffverstärkung in der Gleitschicht als auch hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit der Gleitschicht erreicht werden, urn die Einsatzmöglichkeit von aus dem Schichtverbundwerkstoff hergestellten Gleitelementen unter erschwerten Bedingungen, insbesondere bei erhöhter Temperatur, vornehmlich auch in Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen.

£0 Die Aufgäbe wird sri!ndunⁿsⁿernäß dadurch "slcst d»ß Pch'Sthersulfcn £ls KurisisiciFniäirix verwendet wird. Der erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff eignet sich besonders vorteilhaft für die Herstellung von halbzylindrischen oder auch zylindrischen Gleitlagern. Der erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff ist mit einer Gleitschicht so hoher Temperaturbeständigkeit ausgestattet, daß aus solchem Schichtverbundwerkstoff hergestellte Gleitlager auch an solcher Stelle eingesetzt werden können, an der im Betrieb erhöhte Temperaturen auftreten. Dadurch eignet sich der erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff für die Herstellung solcher Gleitlager, die in Verbrennungskraftmaschinen einzusetzen sind.

In· bevorzugter Ausführungsform kann die Dicke der Gleitschicht mit Polyethersulfonmatrix zwischen etwa 5 μπι und 50 μπι, bevorzugt etwa 20 μΐη bis 30 μπι, betragen. Es hat sich im Rahmen der Erfindung

herausgestellt, daß sich der erfindungsgemäße Schicht verbundwerkstoff in solchen Verfahrensweisen zu halbzylindrischen oder zylindrischen Gleitlagern bearbeiten läßt, bei denen die bisher unvermeidlichen örtlichen Verdickungen in der Gleitfläche auftraten. Der erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff läßt solche Verdickungen vermeiden und kann deshalb schon vollständig mit dem für das Gleitlager gewünschten Schichtaufbau hergestellt werden. Hierdurch läßt sich die Herstellung von Gleitlagern, insbesondere halbzylindrischer Gleitlager, wesentlich verbilligen. Es kann vor allem das bisher für das Aufbringen der Gleitschicht auf MeLrschichtlagern notwendige und nur am Fertigteil ausführbare maßgalvanische Elektroplattieren entfallen.

Es kann beispielsweise für die Herstellung halbzylindrischer oder zylindrischer Gleitlager ein erfindungsgemäßer Schichtverbundwerkstoff benutzt werden, bei dem die mit Matrix aus thermoplastischem Kunststoff und temperaturbeständiger Faserstoffverstärkung ausgestattete Gleitschicht unmittelbar auf einer die Stützschale des Gleitlagers bildenden Substratschicht, bevorzugt Stahlschicht, angebracht ist.

Für die Herstellung halbzylindrischer oder zylindrischer Gleitlager für höhere Anforderungen ist in einer anderen Ausführungsform der Erfindung die mit Matrix aus thermoplastischem Kunststoff und temperaturbeständiger Faserstoffverstärkung ausgestattete Gleitschicht auf einer Zwischenschicht aus zumindest Notlaufeigenschaften aufweisendem metallischen Lagerwerkstoff ε ngebracht, wobei die Zwischenschicht von einer die Stützschale des Gleitlagers bildenden Substratschicht, bevorzugt Stahlschicht, getragen ist. Für die Zwischenschicht kommen praktisch jegliche ausreichend temperaturbeständige, Notlaufeigenschaften aufweisende metallische Lagerwerkstoffe, beispielsweise Bleibronze oder Aluminiumlegierungen, in Betracht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein halbzyiindrisches Gleitlager für den Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt nach 2-2 der Fig. 1 mit Vergrößerung 100:1;

Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoff in einer anderen Ausführungsform in Längsrichtung, d.h. Beschichtungsrichtung mit Vergrößerung 100:1;

Fig. 4 ein thermogravimetrisches Diagramm für erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoff im Vergleich mit Schichtverbundwerkstoffen mit Matrix der Gleit- bzw. Reibschicht aus Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetheretherketon (PEEK).

Im Beispiel der Fig. 1 und 2 handelt es sich um ein halbzylindrisches Gleitlager30, das aus Schichtverbundwerkstoff 17 durch Walzformen hergestellt ist. Der Schichtverbundwerkstoff 17, aus dem ein Gleitlager nach Fig. 1 und 2 hergestellt ist, weist eine metallteile Trägerschicht 21 auf, und zwar eine Stahlschicht, auf die eine Zwischenschicht 32 als AlZnSSiCuPbMg über eine Bindungsschicht 31 aus Reinaluminium plattiert ist. Auf die aufgerauhte Oberfläche 33 der Zwischenschicht 32 ist die etwa 20 μΐη bis 30 μΐη dicke Gleitschicht 22 mit einer Matrix 26 aus Polyethersulfon (PES) geschmolzen. In der Matrix 26 sind Kurzfasern 27 und Teilchen 34 aus Festschmiermittel, beispielsweise PTFE, Graphit, MoS₃ u. dgl. eingelagert. Die Kurzfasern 27 haben einen Elastizitätsmodul von mindestens 50 MPa. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um Graphitfasern mit Elastizitätsmodul zwischen 700 und 800 MPa.

Für die Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffs kann wie folgt verfahren werden:

Beispiel

100 g Polyethersulfon (PES), 70 g Graphit-Kurzfaser (Sigrafil-P-Stapelfaser M-102) sowie 20 g Graphit werden in einem Fluidmischer 20 see. gemischt und in ein Vorratsgefäß übergeführt. Von dort wird das Gemisch mit Hilfe einer Rakel auf ein darunter vorbeigeführtes Band aus Schichtverbundwerkstoff Stahl/AlZn5SiCuPbMg aufgetragen (vergl. Fig. 2). Dabei wird gleichzeitig die Enddicke der gewünschten Gleitschicht von etwa 30 μΐη ± 2 μπα eingestellt. In einem elektrisch beheizten Durchlaufofen wird der Kunststoff bei einer Eingangstemperatur von 400⁰C aufgeschmolzen. Das Verbundband wird anschließend von der Bandunterseite mit Wasser auf eine Temperatur von ca. 80⁰C abgekühlt und zu einer Rolle aufgewickelt.

In einer abgewandelten Ausführungsform, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, weist der Schichtverbundwerkstoff 17 eine Stützschicht 21, beispielsweise aus Stahl, darüber eine Zwischenschicht 32 aus zumindest Notlaufeigenschaften aufweisender metallischer Lagerlegierung, über dieser Zwischenschicht eine Gleitschicht 35 aus metallischem Lagermaterial und über dieser Gleitschicht 35 eine zweite oder obere Gleitschicht 22 oder Auflageschicht auf. Die Zwischenschicht 32 kann aus jeglichem geeigneten Lagermaterial bestehen, beispielsweise aus Aluminiumlegierung, wie sie im Beispiel der Fig. 2 genannt ist, wobei zwischen der Stützschicht 21 und der Zwischenschicht noch eine Bindeschicht angeordnet sein kann, die im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert ist. Die untere Gleitschicht 35 kann aus jeglichem geeigneten Lagermaterial bestehen, beispielsweise aus Aluminium-Blei-Suspensionslegierung, die durch thermisches Spritzen auf die Zwischenschicht 32 aufgebracht ist. Auf die Oberfläche dieser unteren Gleitschicht 35 ist eine obere Gleitschicht 22, beispielsweise mit einer Zusammensetzung entsprechend dem obigen Beispiel, aufgebracht, wobei anstelle von Graphitfasern Kohlenstoff-Kurzfasern 27 mit Elastizitätsmodul zwischen 50 MPa und 200 MPa zusammen mit Graphitteilchen 34a in die Matrix 26 aus Polyethersulfon (PES) eingelagert sein so können.

Das für die Bildung der Matrix benutzte Polyethersulfon weist eine Glasübergangstemperatur T₁, von 230⁰C und eine Schmelztemperatur T_m von 365°C auf. Insbesondere ha: die Glasübergangstemperatur T_s wesentliche Bedeutung für den Einsatz von Gleitlagern unter erhöhter Temperatur. Wird die Glasübergangstemperatur im Betrieb des Gleitlagers überschritten, dann kann es durch adhäsiven Verschleiß ausfallen, da die Kunststoffmatrix »teigig« und unter Belastung sehr stark plastisch verformt wird. Beispielsweise wäre das eine Glasübergangstemperatur T_g von 88°C aufweisende Polyphenylensulfid (PPS) nicht als Matrixmaterial geeignet, wenn der Schichtverbundwerkstoff bei höherer Temperatur als etwa 70 bis 80⁰C eingesetzt werden soll.

Als Vergteichsversuch

zur Überprüfung der Korrosionsbeständigkeit wurden jeweils drei Lagerschalen mit Werkstoffaufbau

- Stahlstützschale,
- Zwischenschicht aus AIZn5SiCuPbMg,

Gleitschicht aus Kunststoff-Matrix mit eingelagerten C-Fasern und Graphitteilchen (Kunststoffe PEEK, PES, PSU, PAS, PPS)

in ein 250-mI-Becherglas eingelegt und mit einem Schmierstoff (Shell Rotella X HD 30) bedeckt. Das ?rüfglas wurde mit einer Heizplatte während 168 Stunden auf einer Temperatur von 150⁰C ± 2°C gehalten. Nach Versuchsende wurden die Proben mit Perchlorethylen entfettet, zurückgewogen und die Oberfläche der Kunststoffgleitschicht mit Hilfe eines Stereomikroskopes beurteilt. Nennenswerte Gewichtsverluste wurden nur bei den Gleitlagern mit PPS-Matrix in der Gleitschicht festgestellt.

Fig. 4 zeigt im Diagramm die Werte von thermogravimetrischen Untersuchungen für Gleitlager mit Matrix der Gleitschicht aus PES und PEEK in Vergleich zu Gleitlagern mit PPS-Matrix in der Gleitschicht. Es zeigt sich eine eindeutige Überlegenheit von Gleitlagern mit PES-Matrix und PEEK-Matrix in der Gleitschicht gegenüber Gleitlagern mit PPS-Matrix in der Gleitschicht. Zieht man dazu noch in Betracht, daß PES mit seiner Glasübergangstemperatur T_g um nahezu 100⁰C höher als PEEK liegt (PES-7; = 230⁰C, PEEK-7;. = 143°C) so ergibt sich insgesamt eine erhebliche Überlegenheit der Gleitschicht mit PES-Matrix gegenüber einer Gleitschicht mit PEEK-Matrix und erst recht gegenüber einer Gleitschicht mit PPS-Matrix.

Die in Verbindung mit der Erfindung besonders in Betracht kommenden Faserstoffe sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle

Als Verstärkungsfasern in der Matrix aus Polyethersulfon in Betracht kommende Faserstoffe:

	FasertofF	£-Modul	Wärmeleitfähigkeit	Spez. Wärme	Schmelztemperatur
		MPa	W	1	(Zersetzungstemp.)
30			m-K	g-K	(⁰C)
	Kohlenstoff-Stapelfaser	50-150	15 bis 100	0,7	3600
	Graphitfaser	700-800	81 bis 404	0,8	3500
35					Sublimationspunkt
	PTFE		0,23	1,0	327
	Aramid
	Metallfilamente	100-450
40	Filamente mit Hartmetallseele	350-600
	Glasfasern	75-130	3,8	0,7-0,8	-
	Keramische Fasern			0,8-1
45
		Hierzu 2	Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schichtverbundwerkstoff für in Verbrennungskraftmaschinen einsetzbare Gleiteiemente, der mindestens eine metallische Trägerschicht, eventuell eine Gleitlagereigenschaften, zumindest Notlaufeigen-

s schäften, aufweisende Trägerschicht, und eine Gleitschicht aufweist, die Verstärkungsfasern mit guten Gleiteigenschaften bei hoher Temperaturbeständigkeit aus den Werkstoffgruppen von Kohlenstoff, Kunststoffen, Gläser, natürlicher und künstlicher Keramik, Metallen und Legierungen in einer aus Kunststoff gebildeten Matrix, ggf. zusammen mit die Gleiteigenschaften verbessernden Zusätzen enthält, wobei die eventuell vorhandenen Zusätze zur Verbesserung der Gleiteigenschaften Feststoffteilchen mit einer Kornfraktion £40μΐη enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß Polyethersulfon als Kunststoffmatrix verwendet wird.

2. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Gleitschicht mit Polyethersulfonmatrix zwischen etwa 5 μίτι und 50 μπι, bevorzugt etwa 20 μπι bis 30 μΐη, beträgt.