DE3912716A1 - Gleit- bzw. schiebeelemente aus einem einzigen material und aus einem verbundmaterial - Google Patents

Gleit- bzw. schiebeelemente aus einem einzigen material und aus einem verbundmaterial

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Description

Die Erfindung betrifft Gleit- bzw. Schiebeelemente aus einem einzigen Material und aus einem Verbundmaterial, welche nied­ rige Reibungseigenschaften und Abnutzungsbeständigkeit auf­ weisen. Die Gleit- bzw. Schiebeelemente werden im folgenden der Einfachheit halber als Einzelkörper- und Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelemente bezeichnet.
Von der Anmelderin wurde eine Harzmasse für Einzelkörper- Gleit- bzw. -Schiebeelemente entwickelt, die hauptsächlich aus einem aromatischen Polyetherketon besteht. Für diese Harz­ masse wurde eine Patentanmeldung als japanische Patentanmel­ dung Kokai (offengelegt) Nr. 63-297 457 (japan. Patentanmel­ dung Nr. 62-134 401) hinterlegt. Andererseits sind als Materia­ lien für Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelemente zusammengesetzte Materialien bekannt, die eine poröse Metallunterlage enthal­ ten, die mit einer Masse, welche ein Gemisch aus Graphit­ fasern enthält, mit einer Masse, die ein Gemisch aus Graphit­ fasern, Polytetrafluorethylen (im folgenden als PTFE bezeich­ net), Graphit, Bronze oder einem ähnlichen Material und Poly­ etherketon enthält, imprägniert ist oder auf ihrer Oberfläche beschichtet ist, wie es beispielsweise in den japanischen Patentanmeldungen Kokai (offengelegt) Nrn. 59-2 839 und 59- 1 82 843 beschrieben wird.
Die Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelemente, bei denen diese Harzmasse verwendet wird, sind hinsichtlich ihrer mechani­ schen Festigkeit, wie der Beständigkeit unter Belastung, der Wärmeleitfähigkeit, der Abnutzungsbeständigkeit, der Backbeständigkeit und der Dimensionsstabilität, ungenügend, insbesondere wenn sie in Industriemaschinen, Kraftfahrzeugen usw. verwendet werden, wo die Verwendung dieser Elemente bei relativ strengen Bedingungen stattfindet. Andererseits sind die bekannten Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelemente hin­ sichtlich ihrer Reibungseigenschaften und dem Verschleiß­ widerstand nicht zufriedenstellend, die wesentliche Faktoren bei den Gleit- bzw. Schiebeeigenschaften sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenerwähnten Schwierigkeiten zu beseitigen, die den Einzel­ körper-Gleit- bzw. -Schiebeelementen der früheren Erfindung und den bekannten Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelementen in­ härent sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die fol­ genden Strukturen bzw. Elemente bzw. Körper zur Verfügung gestellt werden:
  • 1) ein Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelement, welches die im folgenden beschriebene Harzmasse (a) enthält,
  • 2) ein Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelement, welches die im folgenden beschriebene Harzmasse (b) enthält,
  • 3) ein Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement, welches eine metallkaschierte poröse Schicht enthält, die mit der im folgenden beschriebenen Harzmasse (a) imprägniert und auf ihrer Oberfläche beschichtet ist,
  • 4) ein Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement, das eine metall­ kaschierte poröse Schicht enthält, welche mit der im folgenden beschriebenen Harzmasse (b) imprägniert und auf ihrer Oberfläche beschichtet ist.
Harzmasse (a)
aromatisches Polyetherketon
30 bis 98 Gew.-%
Polytetrafluorethylen 1 bis 35 Gew.-%
Metallfluorid 1 bis 35 Gew.-%
Harzmasse (b)
aromatisches Polyetherketon
30 bis 97 Gew.-%
Polytetrafluorethylen 1 bis 35 Gew.-%
Metallfluorid 1 bis 35 Gew.-%
Kaliumtitanat-Fasern 1 bis 20 Gew.-%
Der in der vorliegenden Anmeldung verwendete Ausdruck "Einzel­ körper-Gleit- bzw. -Schiebeelement" bedeutet ein Gleit- bzw. Schiebeelement, das aus einer einzigen Harzmasse hergestellt wurde, wie es oben bei 1) und 2) beschrieben wurde. Der Ausdruck "Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement" betrifft ein Gleit- bzw. Schiebeelement, bei dem eine Metallunterlage mit der Harzmasse imprägniert und beschichtet ist, wie es oben unter 3) und 4) beschrieben wurde.
Das aromatische Polyetherketon, das bei der vorliegenden Er­ findung verwendet wird, ist bevorzugt ein kristallines aro­ matisches thermoplastisches Polyetherketon-Harz (welches im folgenden als PEEK bezeichnet wird) und das sich wiederholen­ de Einheiten, die durch die folgende Formel (1) dargestellt werden, enthält:
PEEK kann die folgenden, sich wiederholenden Einheiten außer den sich wiederholenden Einheiten (1) enthalten:
Trotz seines hohen Kristallschmelzpunkts, der 334°C beträgt, kann PEEK durch Spritzgießen einer heißen Schmelze verformt werden.
Die kontinuierliche Arbeitstemperatur von PEEK ist so hoch wie 240°C - der höchste Wert bei den vorhandenen thermopla­ stischen Harzen.
Diese aromatischen Polyetherketone können nach an sich bekann­ ten Verfahren hergestellt werden, wie sie in der japanischen Patentanmeldung Kokai (offengelegt) Nr. 54-90 296 beschrieben werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann man ein Polyether­ keton oder ein Gemisch aus zwei oder mehreren solcher Poly­ etherketone verwenden.
Das bevorzugte PEEK ist für die Verwendung bei der vorliegen­ den Erfindung eines, dessen Schmelzflußindex, bestimmt gemäß ASTM D-1238, bei 360°C und einer Belastung von 2,16 kg im Bereich von 1 bis 5 g/10 min liegt.
Bei der vorliegenden Erfindung sollte der Gehalt an PTFE in dem aromatischen Polyetherketon im Bereich von 1 bis 35 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-%, liegen. lrgendein geringerer PTFE-Gehalt als 1% ergibt bei der Verbesserung der niedrigen Reibungseigenschaften, der Backbeständigkeit und bei dem kri­ tischen PV-Wert nur geringe Verbesserungen. Wenn andererseits der PTFE-Gehalt 35% übersteigt, besitzt die Harzmasse eine niedrigere Festigkeit, was eine Verringerung in der Abnut­ zungsbeständigkeit, den Belastungseigenschaften und der Kriechbeständigkeit und eine Verschlechterung der Verformbar­ keit ergibt.
Beispiele für Metallfluoride , die bei der vorliegenden Er­ findung verwendet werden können, sind Zinkfluorid, Aluminium­ fluorid, Eisenfluorid, Kaliumfluorid, Bleifluorid, Calcium­ fluorid, Kupferfluorid, Kadmiumfluorid, Bariumfluorid, Li­ thiumfluorid, Magnesiumfluorid und ähnliche. Unter diesen sind Bleifluorid und/oder Calciumfluorid besonders bevorzugt.
Der Gehalt solcher Metallfluoride in der erfindungsgemäßen Masse sollte im Bereich von 1 bis 35 Gew.-%, bevorzugt 2 bis 20 Gew.-%, liegen. Wenn der Gehalt an Metallfluorid unter 1 Gew.-% liegt, tritt bei den Belastungseigenschaften, der Abnutzungsbeständigkeit, der Backbeständigkeit, den Reibungs­ eigenschaften und der Kriechbeständigkeit kaum eine Verbesse­ rung auf, wohingegen, wenn der Metallfluoridgehalt 35% über­ steigt, die Harzmasse eine niedrigere Festigkeit besitzt und die Reibungseigenschaften und die Verarbeitbarkeit durch Verformen verschlechtert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, zusätzlich Kaliumtitanat-Fasern zu verwenden. ln diesem Fall sollte der Gehalt an solchen Kaliumtitanat-Fasern im Bereich von 1 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 15 Gew.-%, liegen. Wenn der Ge­ halt an Kaliumtitanat-Fasern unter 1 Gew.-% liegt, ver­ schlechtert sich die Wirkung bei der Verbesserung der Bela­ stungseigenschaften, der Abnutzungsbeständigkeit, der Backbe­ ständigkeit und der Kriechbeständigkeit. Wenn andererseits dieser Gehalt 20 Gew.-% übersteigt, erhält man eine Verrin­ gerung der Reibungseigenschaften und eine Verringerung der Bearbeitbarkeit durch Verformung.
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Harzmasse ent­ hält entweder ein Gemisch aus drei Substanzen, d.h. PEEK, PTFE und Metallfluorid, oder ein Gemisch aus vier Substanzen, d.h. die drei Substanzen plus Kaliumtitanat-Fasern. ln jedem Fall ist es erforderlich, daß das Gemisch ein homogenes Gemisch ist.
Verschiedene Verfahren sind zur Herstellung der Gleit- bzw. Schiebeelemente in Form des Einzelkörpers oder als Verbund­ material verfügbar. Beispielsweise können Pulver oder Pellets aus PEEK zu Pulvern von PTFE, Metallfluorid und Kaliumtitanat- Fasern zugegeben werden, und das Gemisch wird in einem Hen­ schel-Mischer, einem Supermischer, einem Bandmischer usw. vorgemischt. Dieses homogene Pulvergemisch wird dann bei der Herstellung eines Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelements zu der gewünschten Form des Gleit- bzw. Schiebeelements durch Spritzgießen bzw. Injektionsverformung oder durch andere Ver­ fahren verformt. Bei der Herstellung eines Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelements wird das homogene pulverförmige Gemisch oder eine pelletisierte Form davon direkt auf ein poröses Sub­ strat aufgebracht oder das Gemisch wird zu einer Folie oder einer Platte nach einem geeigneten Verformungsverfahren ver­ arbeitet, und diese Folie oder Platte wird auf eine Tempera­ tur erhitzt, die höher ist als die Schmelzpunkte der Harz­ bestandteile, um eine Imprägnierung und Beschichtung des po­ rösen Substrats mit der Folien- bzw. Plattenmasse zu ergeben. Die folgenden Verfahren können ebenfalls verwendet werden: Das homogene Pulvergemisch wird in einen Schmelzextruder gegeben, so daß direkt eine Platte bzw. Folie hergestellt und die Imprägnierung und Beschichtung des porösen Substrats mit der Platten- bzw. Folienmasse erfolgt. Das Gemisch wird pelletisiert und dann in einen Schmelzextruder gegeben, um eine Folie bzw. Platte herzustellen und die Imprägnierung und Beschichtung des porösen Substrats zu bewirken. Bei der vorliegenden Erfindung ist es, solange die Wirkung der vor­ liegenden Erfindung nicht beeinflußt wird, möglich, wenn es erforderlich ist, faserartige Verstärkungsmaterialien (wie Kohlenstoffasern, Glasfasern, Keramikfasern, aromatische Amid­ fasern etc.), granulare Füllstoffe (wie Calciumcarbonat, Talk, Ton, Siliciumdioxid, Graphit, Graphitfluorid, Aluminiumoxid, Chromoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Kadmiumoxid, Molybdändisulfid, Wollastonit etc.), ein Antioxidans, einen thermischen Stabilisator, ein Mittel zur Absorption von Ul­ traviolett, ein Schmiermittel, ein Entformungsmittel (wie verschiedene Typen von Ölen, Wachsen, Stearinsäure und ihre Salze, Ester, Halbester, Stearylalkohol, Stearamid etc.), einen Farbstoff und ein Pigment (wie Kadmiumsulfid, Phthalo­ cyanin, Ruß bzw. Carbon Black, Titanoxid, Eisenoxid, Blei­ oxid, Kobaltoxid etc.) und andere thermoplastische Harze (wie Polyamid, Polycarbonat, Polyetherimid, Polysulfon, Polyether­ sulfon, Polyphenylensulfid, aromatische Polyester etc.) und wärmehärtende Harze (wie ein Phenolharz, ein Epoxyharz, ein Siliconharz, ein Polyimid, ein Polyamidimid etc.) zuzugeben.
Beispiele
Beispiele für die Produkte gemäß der früheren Erfindung der Anmelderin (japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 63-297 457), die erfindungsgemäßen Produkte und die bekannten Produkte wer­ den im folgenden erläutert. Als Materialien werden bei die­ sen Beispielen verwendet: PEEK 450G (Warenzeichen für PEEK, hergestellt von ICI Corp., Großbritannien; M.F.I.: 3,1 g/10 min), Tetrafluorethylen-Harz M-12 (Warenzeichen, erhältlich von Daikin Kogyo K.K., welches als PTFE verwendet wird), Blei­ fluorid (hergestellt von Junsei Kagaku K.K.), Calciumfluorid, (hergestellt von Junsei Kagaku K.K.), TISMO-D (Warenzeichen für Kaliumtitanat-Fasern, hergestellt von Otsuka Kagaku Ya­ kuhin K.K.), Blue P (Warenzeichen für Graphit, hergestellt von Nippon Kokuen Kogyo K.K.), Kohlenstoffasern, die von Pech abstammen M-107T (Warenzeichen, hergestellt von Kureha Kagaku Kogyo K.K.), und Kohlenstoffasern, die von PAN abstam­ men, TOREKA CHOPPED STRAND TOO8A-003 (Warenzeichen, herge­ stellt von Toray Corporation). Die Komponenten der Massen, die in Tabelle 2 angegeben werden, werden zuerst trocken ver­ mischt und dann unter Schmelzen und Mischen mit einem 40-mm ⌀- Extruder (Extrudiertemperatur: 360°C) extrudiert, wobei man Pellets mit einheitlicher Zusammensetzung erhält. Diese Pel­ lets werden durch Spritzgießen unter Verwendung einer übli­ chen Spritzgußvorrichtung unter Bildung eines Einzelkörper- Gleit- bzw. -Schiebeelements gemäß der früheren Erfindung (japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 63-297 457) (Proben Nrn. 1 bis 10), der vorliegenden Erfindung (Proben Nrn. 11 bis 16) und nach den bekannten Verfahren (Proben Nrn. 17 und 18) ver­ formt. Die Produkte werden einem Reibungs-Abnutzungstest bei den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen unterworfen. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Reibungs-Abnutzungs-Testbedingungen
Testvorrichtung
Reibungs-Abnutzungs-Testgerät des Schub- bzw. Drucktyps
Dimensionen der Proben 50 mm×50 mm×1,5 mm
Belastung 100 kgf/cm²
Periphere Geschwindigkeit 0,05 m/s
Testzeit 4 Stunden
Schmieröl keins
Die erfindungsgemäßen Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelemente (Proben Nrn. 11 bis 16) wurden auf folgende Weise hergestellt. Die homogenen Pellets der in Tabelle 2 aufgeführten Massen wurden zu 0,40 mm dicken Platten mittels eines Plattenextru­ ders (Extrudiertemperatur: 360°C) verarbeitet. In einem ge­ trennten Arbeitsvorgang wurde Bronzepulver in einer Dicke von 0,4 mm auf eine 0,80 mm dicke Kupferunterlage aufgetragen und bei 800°C unter Bildung einer porösen Schicht gesintert. Der mit Kupfer plattierte poröse Körper wurde auf 350°C er­ hitzt, und die Folie bzw. Platte wurde auf den porösen Kör­ per gelegt und zwischen Walzen geleitet, so daß der poröse Körper und seine Oberfläche mit der Masse der Folie bzw. der Platte imprägniert und beschichtet wurden. Die bekannten Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelemente (Proben Nrn. 17 und 18) wurden hergestellt, indem ein einheitlich vermischtes Pulver der in Tabelle 2 aufgeführten Massen auf den porösen Körper aufgetragen wurde und indem dann auf 350°C erhitzt wurde, um eine lmprägnierung und Beschichtung des porösen Körpers mit der Pulvermasse zu erhalten. Diese Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelemente wurden zuerst dem Reibungs-Abnutzungstest bei den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen unterworfen. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Beispiele beschränkt und umfaßt andere Formen.
Aus Tabelle 2 folgt, daß die erfindungsgemäßen Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelemente (Proben Nrn. 11 bis 16) wesentlich bessere niedrige Reibungseigenschaften und Abnutzungsbestän­ digkeit aufweisen, verglichen mit den Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelementen der früheren Anmeldung (japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 63-297 457) (Proben Nrn. 1 bis 10) und den bekannten Verbund-Gleit- bzw. -Schiebelementen (Pro­ ben Nrn. 17 und 18). Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfin­ dung zugrundelag, konnte somit gelöst werden.

Claims (12)

1. Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Harzmasse enthält, welche 30 bis 98 Gew.-% eines aromatischen Polyetherketons, 1 bis 35 Gew.-% Polytetrafluorethylen und 1 bis 35 Gew.-% eines Metallfluorids enthält.
2. Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aroma­ tische Polyetherketon ein Polyetheretherketon ist.
3. Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfluorid Bleifluorid und/oder Calciumfluorid ist.
4. Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelement, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Harzmasse ent­ hält, welche 30 bis 97 Gew.-% eines aromatischen Polyether­ ketons, 1 bis 35 Gew.-% Polytetrafluorethylen, 1 bis 35 Gew.-% eines Metallfluorids und 1 bis 20 Gew.-% Kaliumtita­ nat-Fasern etnhält.
5. Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aroma­ tische Polyetherketon ein Polyetheretherketon ist.
6. Einzelkörper-Gleit- bzw. -Schiebeelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfluorid Bleifluorid und/oder Calciumfluorid ist.
7. Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine metallkaschierte po­ röse Schicht enthält, welche mit einer Harzmasse, welche 30 bis 98 Gew.-% eines aromatischen Polyetherketons, 1 bis 35 Gew.-% Polytetrafluorethylen und 1 bis 35 Gew.-% eines Metallfluorids enthält, imprägniert und auf ihrer Ober­ fläche beschichtet ist.
8. Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aromatische Polyetherketon ein Polyetheretherketon ist.
9. Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Me­ tallfluorid Bleifluorid und/oder Calciumfluorid ist.
10. Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine metallkaschierte po­ röse Schicht enthält, die mit einer Harzmasse, welche 30 bis 97 Gew.-% aromatisches Polyetherketon, 1 bis 35 Gew.-% Poly­ tetrafluorethylen, 1 bis 35 Gew.-% eines Metallfluorids und 1 bis 20 Gew.-% Kaliumtitanat-Fasern enthält, imprägniert und auf ihrer Oberfläche beschichtet ist.
11. Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das aromatische Polyetherketon ein Polyetheretherketon ist.
12. Verbund-Gleit- bzw. -Schiebeelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfluorid Bleifluorid und/oder Calciumfluorid ist.
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