DE4200385A1 - Schichtverbundwerkstoff mit kunststoff-gleitschicht und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Schichtverbundwerkstoff mit kunststoff-gleitschicht und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schichtverbundwerkstoff
mit Kunststoff-Gleitschicht für die Herstellung von
Trockengleitlagern, bei dem auf einer metallischen
Trägerschicht die Kunststoff-Gleitschicht angebracht
ist, die in einer Matrix aus einem oder mehreren
thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe von
Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide,
Polyarylensulfone und Polyarylenoxide eine Verstärkung
aus Faserstoff und/oder aus Whiskern, PTFE und die
Trockenschmierung verbessernde Zusätze, wie MoS2
aufweist.
Aus DE 29 35 205 A1 sind bereits ein
Schichtverbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner
Herstellung bekannt, bei welchen in die
Kunststoffmatrix der gute Gleiteigenschaften
aufweisenden Funktionsschicht Kurzfasern, und zwar
u. a. auch Kohlenstoff-Kurzfasern zusammen mit
Kunststoff-Endlosfasern eingelagert sind. Die in
DE-OS 29 35 205 beschriebene Herstellungsweise für
solchen Schichtverbundwerkstoff ist kompliziert und
aufwendig. Darüber hinaus hat der aus DE-OS 29 35 205
bekannte Schichtverbundwerkstoff zur Herstellung
von Fertigteilen, wie Lagerschalen und Lagerbuchsen
auch erhebliche Mängel, insbesondere qualitativ sehr
große Schwankungen gezeigt. Besondere Nachteile
bedingen dabei die in die Gleitschicht eingelagerten
Langfasern bzw. Endlosfasern.
Es sind deshalb auch bereits in DE 32 21 785 A1 ein
Schichtverbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner
Herstellung beschrieben, wonach die auf einer
metallischen Trägerschicht angebrachte
Kunststoff-Gleitschicht in ihrer Matrix nur
Kohlenstoff-Kurzfasern als Verstärkungsfasern
enthalten soll. Gemäß DE 32 21 785 A1 sollen
Zusätze zur Verbesserung der Reib- bzw.
Gleiteigenschaften in Form von PTFE oder MoS2 in
die Kunststoffmatrix eingelagert sein. Es hat sich
jedoch gezeigt, daß zwar der Verschleißwiderstand
(mechanischer, kavitativer, erosiver) sehr gut,
jedoch der Reibwert trotz Zusätzen von PTFE und bzw.
oder MoS2zu hoch ist, so daß z. B. Stoßdämpfer im
praktischen Betrieb der modernen Personenkraftwagen
nicht mit solchen Gleitelementen ausgestattet werden
können.
Es ist auch aus EP 00 26 806 bzw. DE 29 39 754 A1
bekannt, einem thermoplastisch verarbeitbaren
Fluorkunststoff PTFE in reiner oder mit Zusätzen
gefüllter Form beizumischen, wobei das PTFE
vorteilhaft aus ausgesintertem und anschließend
durch Zerkleinerung wieder in feinkörniges Pulver
zurückgeführtem Regenerat von Compounds mit die
Trockenschmierung verbessernden Zusätzen bestehen
kann. In dieser Vorveröffentlichung werden als
thermoplastisch verarbeitbare Fluorpolymere
Perfluoräthylenpropylen (FEP) oder solche der
Perfluoralkoxy-Gruppe (PTA oder PFA) angegeben.
Vergleichende Untersuchungen auf
Stift-Walze-Tribometern, Rotations- und
Oszillationsprüfmaschinen sowie auf Prüfständen für
die Untersuchung von Werkstoffen unter
hochfrequenten dynamischen Beanspruchungen zwischen
Reibwerkstoffen und einer Fluorpolymermatrix und
anderen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffen
aus der Gruppe der Polyarylenäther, Polyarylenketone,
Polyarylensulfide, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide
haben jedoch gezeigt, daß die vorgenannten
Kunststoffe solchen Reibwerkstoffen, wie sie die DE
29 39 754 A1 offenbart, bereits ohne
Verstärkungsfasern hinsichtlich des Verschleißes
überlegen sind. Auch die Zugabe von PTFE-Regenerat
vermag diesem Nachteil nicht abzuhelfen. Das
Regenerat senkt lediglich den Reibwert der FEP- oder
PFA-Matrix etwas, aber unbedeutend ab.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung einen
verbesserten Schichtverbundwerkstoff zu schaffen,
der die genannten Mängel der bekannten
Schichtverbundwerkstoffe nicht hat und dabei sowohl
hoch belastbar, insbesondere thermisch hoch
belastbar, ist, hohe Ermüdungsfestigkeit auch gegen
Hydropulsbelastung bei hoher Abriebfestigkeit und
hoher Bindungsfestigkeit der Funktionsschicht an der
Trägerschicht aufweist, als auch sich durch
besonders niedrigen Reibwert auszeichnet. Dabei soll
sich ein solcher Schichtverbundwerkstoff besonders
einfach herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Schichtverbundwerkstoff der eingangs beschriebenen
Art gelöst, die Gleitschicht in einer Matrix aus
einem oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen
aus der Gruppe Polyarylenäther, Polyarylenketone,
Polyarylensulfide, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide
eine Verstärkung aus Faserstoff und/oder aus
Whiskern, PTFE und die Trockenschmierung
verbessernden Zusätze wie MoS2 noch in Kombination
hierzu aufweist, daß das PTFE zumindest zum
überwiegenden Teil als Compound von bereits
ausgesinterten Polytetrafluoräthylen und die
Trockenschmierung verbessernden Zusatz in Form von
feinen Partikeln in die Matrix eingebettet ist.
Eingehende Versuche haben zwar die hervorragende
Verschleißfestigkeit der für die Matrix angegebenden
thermoplastischen Kunststoffe insbesondere von
Polyphenylensulfid in Verbindung mit
Kohlenstoff-Kurzfasern gezeigt. Der Reibwert konnte
aber durch Zugabe von jungfräulichem, nicht
ausgesintertem PTFE bislang nicht in erforderlicher
Weise abgesenkt werden. Es hat sich überraschend
gezeigt, daß durch die Zugabe von PTFE Compound d. h.
feinen Partikeln aus bereits ausgesinterten PTFE mit
die Trockenschmierung verbessertem Zusatz ein
niedriger Reibwert unter gleichzeitiger Beibehaltung
von hohem Verschleißwiderstand erreichbar ist.
Als Faserstoffverstärkung kommen im Rahmen der
Erfindung außer Kohlenstoff-Kurzfasern auch
Boridfasern oder K-Titanatwhisker oder SiC-Whisker
bzw. Fasern oder Whisker folgender
Zusammensetzungen in Betracht:
BN, ZrO2, Al2O3, TiN, B4C, Mo2C, NbC, NbN.
Als die Trockenschmierung verbessernde Zusätze kommen im Rahmen der Erfindung außer Molybdändisulfid (MoS2) in Betracht: Graphit, Antimon-Thioantimonat, Glimmer, Kohle, WSe2, WS2 oder Weichmetalle wie Pb, Sn, oder deren Oxide. Im Rahmen der Erfindung kann einer oder mehrere dieser die Trockenschmierung verbessernden Zusätze in das PTFE-Compound eingelagert sein, dabei können außerdem dem PTFE-Compound auch weiteres PTFE und weitere die Trockenschmierung verbessernde Zusätze in die Kunststoffmatrix eingelagert sein, bevorzugt wird man jedoch sämtliches PTFE und sämtliche die Trockenschmierung verbessernden Zusätze gemeinsam als Compound-Partikel in die Matrix aus thermoplastischem Kunststoff einlagern.
BN, ZrO2, Al2O3, TiN, B4C, Mo2C, NbC, NbN.
Als die Trockenschmierung verbessernde Zusätze kommen im Rahmen der Erfindung außer Molybdändisulfid (MoS2) in Betracht: Graphit, Antimon-Thioantimonat, Glimmer, Kohle, WSe2, WS2 oder Weichmetalle wie Pb, Sn, oder deren Oxide. Im Rahmen der Erfindung kann einer oder mehrere dieser die Trockenschmierung verbessernden Zusätze in das PTFE-Compound eingelagert sein, dabei können außerdem dem PTFE-Compound auch weiteres PTFE und weitere die Trockenschmierung verbessernde Zusätze in die Kunststoffmatrix eingelagert sein, bevorzugt wird man jedoch sämtliches PTFE und sämtliche die Trockenschmierung verbessernden Zusätze gemeinsam als Compound-Partikel in die Matrix aus thermoplastischem Kunststoff einlagern.
Als besonders günstig hat es sich im Rahmen der
Erfindung erwiesen, wenn das PTFE-Compound in eine
Menge von 15 Vol.-% bis 35 Vol.-% in die Matrix
eingelagert ist und eine Zusammensetzung von 60 bis
70 Vol.-% PTFE und 30 bis 40 Vol.-% Molybdändisulfid
(MoS2) aufweist.
Das PTFE-Compound kann besonders vorteilhaft
zumindest teilweise ein Regenerat aus bei der
Beschichtung von Verbundwerkstoffen anfallendem,
PTFE-enthaltendem Pastenabfall sein. Durch das
Aufarbeiten des Pastenabfalls ergibt sich nicht nur
ein wesentlicher Beitrag zum Umweltschutz sondern
auch erheblicher Preisvorteil ohne die Güte des
Produktes zu vermindern.
Als besonders vorteilhaft hat sich im Rahmen der
Erfindung erwiesen, die Matrix der Gleitschicht aus
thermoplastischem Polyphenylensulfid zu bilden. Um
die Bindung zwischen dem PTFE-Compound und der
Matrix zu verbessern und insbesondere die Einbindung
der die Trockenschmierung verbessernden Zusätze
innerhalb des Compounds zu verbessern, empfiehlt es
sich, daß das PTFE-Compound einen oder mehrere
Stoffe der Perfluoralkoxy-Gruppe (PFA) und/oder
Fluoräthylenpropylen-Gruppe (FEP) in Anteilen
zwischen 2 und 10 Vol.-% vorzugsweise 4 Vol.-%,
enthält. Das PTFE-Compound soll als möglichst feine
Partikel vorliegen mit Partikelgröße unterhalb 125 µm.
Die Trägerschicht des erfindungsgemäßen
Schichtverbundwerkstoffs kann wahlweise aus
verschiedensten metallischem Material bestehen,
beispielsweise aus Stahl, Kupferwerkstoff,
beispielsweise CuSn8, Aluminiumwerkstoff,
beispielsweise AlZn5SiCuPb oder entsprechend
plattiertem Werkstoff wie Stahl/Al oder Stahl/Bronze.
Eine besonders vorteilhafte Trägerschicht besteht
aus Stahl und ist mit einem aus kugeliger Bronze
bestehenden porösen Sintergerüst auf der die
Gleitschicht tragenden Oberfläche versehen. Die
Bronze hat hierbei vorteilhaft die Zusammensetzung
CuSn10 oder CuPb10Sn10.
Der erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff läßt
sich in besonders einfachen Verfahren herstellen und
zwar ausgehend davon, daß ein Gemisch ein Teilchen
aus thermoplastischem Kunststoff aus einem, zwei
oder mehreren Stoffen aus der Gruppe der
Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide,
vorzugsweise PPS, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide
mit Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernde
Zusätze enthaltendem, vorgesintertem PTFE-Compound,
ggf. zusätzlichen Teilchen aus die Trockenschmierung
verbessernde Zusätzen und Kurzfasern gebildet und
fortlaufend auf die vorzugsweise aufgerauhte
Oberfläche eines die Trägerschicht bildenden
Metallbandes aufgestreut und in einer gleichmäßigen
Schicht gewünschter Dicke ausgebreitet wird und daß
diese Schicht auf die Oberfläche des Metallbandes
geschmolzen wird. Die Kurzfasern können dabei eine
Länge von 1 mm aufweisen.
Das Aufschmelzen der Gleitschicht kann unmittelbar
nach dem Aufstreuen mittels des Streubalkens oder
Rakelbalkens erfolgen.
Zur Bildung der PTFE-Compound-Teilchen kann
bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch
aus PTFE-Teilchen und Teilchen von die
Trockenschmierung verbessernden Zusätzen mit
gewünschter Zusammensetzung in Pastenform gebildet,
getrocknet, gesintert und durch kaltvermahlen auf
gewünschte Kornfraktion, beispielsweise < 125 µm,
zerkleinert werden. Dabei kann im erfindungsgemäßen
Verfahren zur Bildung der PTFE-Compound-Teilchen als
pastenförmiges Gemisch von PTFE-Teilchen und die
Trockenschmierung verbessernden Zusätzen ein
Pastenabfall eingesetzt werden, wie er bei der
Beschichtung von Gleitlager-Verbundwerkstoff
anfällt. Solcher Pastenabfall kann bereits die für
die PTFE-Compound-Teilchen gewünschte
Zusammensetzung aufweisen. Es ist aber auch möglich
zur Bildung der PTFE-Compound-Teilchen als Grundlage
für das pastenförmige Gemisch auf PTFE-Teilchen und
Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden
Zusätzen ein bei der Beschichtung von
Gleitlager-Verbundwerkstoff anfallenden Pastenabfall
einzusetzen und mit PTFE-Teilchen und/oder Teilchen
aus die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen bis
zur gewünschten Zusammensetzung aufzufüllen, wenn
der zur Verfügung stehende Pastenabfall nicht die
gewünschte Zusammensetzung hat. Bei der Vorbereitung
der PTFE-Compound-Teilchen empfiehlt es sich, im
erfindungsgemäßen Verfahren dem pastösen Gemisch für
die Bildung der PTFE-Compound-Teilchen ein oder
mehrere Stoffe der Perfluoralkoxy-Gruppe (PFA)
und/oder Fluoräthylenpropylen-Gruppe (FEP) in Anteilen
zwischen 2 und 10 Vol.-%, vorzugsweise 4 Vol.-%,
bezogen auf die Trockensubstanz, beizumischen.
Das Aufschmelzen der Schicht auf die Trägerschicht
kann bevorzugt bei Temperaturen von etwa 50 bis 70 K
oberhalb der Schmelztemperatur des die Matrix
bildenden thermoplastischen Kunststoffs, aber
jedenfalls unterhalb der Sintertemperatur des PTFE
vorgenommen werden.
Anschließend an das Aufschmelzen der Gleitschicht
kann vorteilhaft in einem Durchlaufofen durch
Beheizen des gebildeten
Schichtverbundwerkstoff-Bandes von der
Metallband-Seite und durch Halten auf
Schmelztemperatur bzw. 50 bis 70 K oberhalb der
Schmelztemperatur des die Matrix bildenden
thermoplastischen Kunststoffs, vorzugsweise PPS, in
der Gleitschicht durch das Aufstreuen unvermeidlich
enthaltene Luft bis zur Porenfreiheit dieser Schicht
ausgetrieben werden. Das Beheizen des gebildeten
Schichtverbundwerkstoff-Bandes im Durchlaufofen
sollte bevorzugt durch Untenheizung und durch
induktive Heizung erfolgen, um dadurch besonders
gute Bindungsfestigkeit der Gleitschicht auf der
Trägerschicht zu erreichen. Dabei soll aber die
eingesetzte Temperatur unterhalb der
Sintertemperatur des PTFE bleiben, um die
PTFE-Compound-Teilchen in ihrem Zusammenhalt nicht
zu gefährden.
Zur Vermeidung von Schwindungsrissen empfiehlt es
sich, das gebildete Schichtverbundwerkstoff-Band
nach dem Verlassen des Durchlaufofens unter
Einwirkung von Heißluft auf die Gleitschicht langsam
abzukühlen, um einen möglichst hohen
Kristallinitätsgrad der Kunststoffmatrix zu
erzielen. Das Aufrauhen der zu beschichtenden
Oberfläche des die Trägerschicht bildenden
Metallbandes kann in jeglicher herkömmlicher Weise
erfolgen, beispielsweise durch Schleifen, Bürsten
oder Strahlen, beispielsweise Strahlen mit Sandkies
oder Korund. Eine so mechanisch aufgerauhte
Oberfläche sollte bevorzugt vor dem Beschichten
mittels alkalischer oder organischer Kaltreiniger,
beispielsweise Perchloräthylen oder Trichloräthylen
gereinigt und entfettet werden. Eine andere
bevorzugte Möglichkeit zum Aufrauhen der zu
beschichtenden Oberfläche des die Trägerschicht
bildenden Metallbandes besteht im Aufsintern eines
Rauhgrundes, beispielsweise eines aus kugeliger
Bronze, z. B. CuSn10 bestehenden porösen
Sintergerüstes.
Bei einem abgewandelten Herstellungsverfahren für
den erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoff werden
anstelle eines Pulverauftrages der Matrixwerkstoff,
nämlich Teilchen aus thermoplastischen Kunststoff
oder ein Teilchengemisch aus zwei oder mehr
thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe der
Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide,
vorzugsweise PPS, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide,
die die Trockenschmierung verbessernden Zuschläge,
nämlich feine Teilchen aus die die Trockenschmierung
verbessernden Zuschläge enthaltendem PTFE-Compound
mit vorgesintertem PTFE, sowie ggf. zusätzlichen
PTFE-Teilchen sowie ggf. zusätzlichen Teilchen aus
die Trockenschmierung verbessernden Zuschläge, und
die Kurzfasern in dosierten Mengen in einer
Extruderpresse, vorzugsweise in einem
Doppelschneckenextruder, unter Schmelzen des
thermoplastischen Matrixwerkstoffs intensiv
vermischt, so dann diese Schmelzeaufbereitung zu
einer in der Dicke der gewünschten Gleitschicht
entsprechenden Folie extrudiert, wobei diese Folie
auf die vorzugsweise aufgerauhte Oberfläche eines
metallischen Trägerbandes aufgebracht und dort
gebunden wird. Nach dieser Verfahrensweise
hergestellter erfindungsgemäßer
Schichtverbundwerkstoff weist noch günstigere
Reibwerte der Gleitschicht auf als der mit
Pulverauftrag hergestellte erfindungsgemäße
Schichtverbundwerkstoff. Dies ist evtl. auf die
bessere Homogenität der Mischung der
Schmelzeaufbereitung zurückzuführen.
Besonders vorteilhaft kann in diesem
Herstellungsverfahren zunächst der Matrixwerkstoff
in der Extruderpresse verdichtet und geschmolzen
werden während die die Trockenschmierung
verbessernden Zuschläge einschließlich des
PTFE-Compounds, und die Kurzfasern in dosierten
Mengen von der Seite her direkt in die
Polymerschmelze des Matrixwerkstoffes eingeführt und
mit dieser vermischt werden. Der Vorteil dieser
Arbeitsweise liegt in der Verringerung der abrasiven
Wirkung der Fasern. Außerdem zeichnet sich diese
Arbeitsweise durch Verminderung des
Energieverbrauchs aus, da die Füllstoffe nicht vom
Hauptantrieb durch den gesamten Verfahrensteil
transportiert werden müssen.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Schichtverbundwerkstoffes und ein
Herstellungsverfahren werden im folgenden anhand der
Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Verfahrensschema;
Fig. 2 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen
Schichtverbundwerkstoff in Längsrichtung,
d. h. Beschichtungsrichtung mit Vergrößerung
100:1;
Fig. 3 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen
Schichtverbundwerkstoff quer zur
Beschichtungsrichtung mit Vergrößerung
100:1 und
Fig. 4 die graphische Darstellung des in einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Schichtverbundwerkstoffes erzielten
Reibwertes im Vergleich mit dem Reibwert
eines vergleichbaren, bekannten
Schichtverbundwerkstoffes.
Bei dem aus Fig. 1 ersichtlichen
Herstellungsverfahren wird ein Band von metallischem
Trägerwerkstoff, beispielsweise einseitig
verkupfertes Stahlband, mit aufgebrachtem Rauhgrund
aus einem porösen Sintergerüst aufgesinterter
kugeliger Bronze mit Führungsrollen 12 unter einem
Pulvertrichter 13 vorbeigeführt, aus welchem ein
Pulvergemisch aus Polyphenylensulfid mit
Teilchengröße 100 µm mit Graphitkurzfasern mit
einer Länge unter 1,0 mm und einem Durchmesser
zwischen 0,005 mm und 0,03 mm und PTFE-Compound mit
Teilchengröße < 125 µm aufgestreut wird, evtl.
leicht geschichtet beispielsweise mit Polyimiden
und/oder Polyacrylverbindungen. Das Pulvergemisch
wird dadurch vorbereitet, daß der die Matrix
bildende thermoplastische Kunststoff, bevorzugt
Polyphenylensulfid bei Zugabe von flüssigem
Stickstoff auf die genannte Teilchengröße gemahlen
wird. Dem so erzeugten Kunststoffpulver werden die
Kurzfasern, bevorzugt Graphitkurzfasern, und das die
Trockenschmierung verbessernde PTFE-Compound
beigemischt, bevor dieses Pulvergemisch dem
Pulvertrichter 13 zugeführt wird.
Unmittelbar hinter dem Pulvertrichter 13 läuft das
metallische Trägermaterialband 11 unter einem
beheizten Rakelbalken 14 hindurch, der auf eine
Temperatur zwischen 50 und 70 K über der
Schmelztemperatur des jeweiligen die Matrix
bildenden Kunststoffes d. h. im vorliegenden Fall des
Polyphenylensulfids gehalten wird. Der Rakelbalken
bewirkt zunächst ein gleichmäßiges Verteilen des
Pulvergemisches über die gesamte Breite des
Trägermaterialbandes 11 in einem gleichmäßigen
Aufstreumaß, wie es zur Erreichung der gewünschten
Enddicke der Gleitschicht entspricht. Zugleich wird
durch den beheizten Rakelbalken der die Matrix
bildende thermoplastische Kunststoff geschmolzen,
und die Kurzfasern werden in Laufrichtung des
Trägerschichtbandes 11 ausgerichtet. Das so
vorbereitete Schichtverbundwerkstoff-Band 15 gelangt
in einen Sinterofen 16, in welchem es von der
Metallbandseite her durch Unterhitze und
Infrarotbeheizung der Oberseite auf eine Temperatur
im Bereich von 50 bis 70 K oberhalb der
Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs
d. h. des Polyphenylensulfids erhitzt und auf dieser
Temperatur gehalten wird. Während dieses Aufheizens
im Sinterofen bzw. Durchlaufofen 16 wird - ggf.
unter Anwendung von Unterdruck oder Vakuum - die mit
dem Aufstreuen des Pulvergemisches unvermeidlich
eingelagerte Luft bis zur praktisch völligen
Porenfreiheit der gebildeten Gleitschicht
ausgetrieben. Nach dem Verlassen des Durchlaufofens
bzw. Sinterofens 16 wird das Band von fertigem
Schichtverbundwerkstoff 17 unter Bestreichen der
gebildeten Gleitschicht mit Heißluftstrahlen 18
durch Führungsrollen 19 geleitet und zu einem Wickel
oder Rolle 20 aufgewickelt.
In Abwandlung dieses Herstellungsverfahrens kann
auch von einem anderen Trägerwerkstoffband
ausgegangen werden, beispielsweise
Kupferwerkstoffband, Aluminiumwerkstoffband oder
plattierten Werkstoffbändern. Das Aufrauhen des
Trägerwerkstoffbandes kann mechanisch erfolgen durch
Strahlen (Stahlkies oder Korund), Bürsten oder
Schleifen mit Schleifbändern. In jedem Fall soll
aber eine Mindestrauhigkeit von 20 µm Rt erzielt
werden. Unmittelbar vor dem eigentlichen Beschichten
soll dann auch ein Reinigungsvorgang mit organischen
oder alkalischen Kaltreinigern vorgesehen werden.
In einer anderen Abwandlung kann das
Herstellungsverfahren auch die Herstellung einer
extrudierten Folie der gewünschten Zusammensetzung
und Aufbringen dieser Folie auf ein metallisches
Tragermaterialband vorsehen. Die sichere Bindung der
Folie auf dem Trägermaterialband wird durch
Druckanwendung beispielsweise auf Walzen bei
Schmelztemperatur oder etwa 50 bis 70 K oberhalb der
Schmelztemperatur des Matrixwerkstoffs
beispielsweise Polyphenylensulfid vorgenommen, wobei
die Aufrauhung an der Oberfläche des
Trägermaterialbandes ebenso vorgenommen sein kann
wie im Fall des oben beschriebenen Pulverauftrags.
Die Arbeitsweise für die Herstellung der Folie ist
vorzugsweise derart, daß der Matrixwerkstoff, im
vorliegenden Fall PPS über eine Dosiervorrichtung
(Differentialdosierwaage) einem
Doppelschneckenextruder zugeführt wird. Die
Zuschlagstoffe, im vorliegenden Fall das
PTFE-Compound und die Verstärkungsfasern werden über
eine separate Dosiereinrichtung von der Seite direkt
in die Polymerschmelze eingelagert. Von der
Extruderpresse kommt die so vorbereitete
Schmelzaufbereitung durch die Extruderdüse zur
Herstellung der Folie, wobei ebenfalls eine gewisse
Ausrichtung der Kurzfasern in Extrusionsrichtung
eintreten wird.
Die in den Fig. 2 und 3 wiedergegebenen Schnitte
durch den Schichtverbundwerkstoff 17 zeigen die
Trägerschicht 21 aus Stahl, die auf ihrer die Reib-
bzw. Gleitschicht 22 tragenden Oberfläche 23 in
dünner Schicht 24 verkupfert ist. Auf die dünne
Verkupferungsschicht 24 ist ein Rauhgrund 25 aus
kugeliger Bronze als poröses Sintergerüst
aufgesintert. Über diesen Rauhgrund 25 ist die
eigentliche Gleitschicht geschmolzen, die eine
Matrix 26 aus Polyphenylensulfid aufweist. Dabei ist
diese Matrix 26 in die Hohlräume des Sintergerüstes
25 eingeschmolzen oder - bei vorheriger Bildung
einer Folie - eingepreßt. In die Matrix 26 sind
Graphit-Kurzfasern 27 eingelagert. Fig. 2 zeigt
diese eingelagerten Graphit-Kurzfasern 27 im
Längsschnitt und deshalb vornehmlich als längliche
Gebilde, während Fig. 3 die Graphit-Kurzfasern im
Querschnitt und daher punktförmig zeigt. Die
Teilchen aus PTFE-Compound sind bei 28 in den
Fig. 2 und 3 angedeutet. Diese Teilchen aus
PTFE-Compound sind ausschlaggebend für die Erzielung
des niedrigen Reibwertes.
65 Vol.-% Polyphenylensulfid
26 Vol.-% PTFE-Compound
10 Vol.-% Graphit-Stapelfasern.
26 Vol.-% PTFE-Compound
10 Vol.-% Graphit-Stapelfasern.
Dabei ist die Zusammensetzung des PTFE-Compounds 65
Vol.-% PTFE und 35 Vol.-% MoS2.
Das PTFE-Compound ist gewonnen als Regenerat eines
Pastenabfalls, der bei der Beschichtung von
Gleitlagerschichtwerkstoff oder -werkstücken
anfällt. Die Zusammensetzung des Pastenabfalls ist
65 Vol.-% Polytetrafluoräthylen (PTFE) und 35 Vol.-%
Molybdändisulfid (MoS2). Dieser Pastenabfall wird
zunächst getrocknet und gesintert. Das gesinterte
Material wird durch Kaltvermahlen auf Kornfraktion
< 125 µm gebracht.
Anstelle der im obigen Beispiel vorgesehenen
Graphit-Kurzfasern können auch Verstärkungsfasern
anderer Art in die Matrix eingelagert sein,
beispielsweise Kohlenstoffasern, die aus Reyon oder
Bitumen hergestellt sind. Die im oben beschriebenen
Beispiel benutzten Graphit-Kurzfasern sind im
wesentlichen aus Polyacrylnitril hergestellt.
Graphitfasern unterscheiden sich von den übrigen
Kohlenstoffasern dadurch, daß sie einem in der
einschlägigen Literatur beschriebenen zusätzlichem
Graphitierungsvorgang unter Einfluß von erhöhter
Temperatur und mechanischer Belastung unterworfen
worden sind und deshalb einen gegenüber den übrigen
Kohlenstoffasern erhöhten Elastizitätsmodul
aufweisen. Je nach Führung des
Graphitierungsvorganges können solche Graphitfasern
auf speziell hohen Elastizitätsmodul oder auf
speziell hohe Dehnbarkeit bzw. Zugfestigkeit
eingestellt werden. Für die in die Matrix 26
eingelagerten Graphitfasern 27 kann dann je nach dem
vorgesehenen Anwendungsfall des
Schichtverbundwerkstoffs zwischen diesen speziell
eingestellten Graphitfasern gewählt werden.
Anstelle von Graphitfasern oder Kohlenstoffasern
kommen auch Kurzfasern anderer Art beispielsweise
organische Aramidfasern oder Al2O3-Fasern oder
Whisker der verschiedensten Zusammensetzung zur
Verstärkung der Matrix aus thermoplastischem
Kunststoff insbesondere Polyphenylensulfid in
Betracht.
Mit Stoßdämpferbuchsen, die aus dem oben
beschriebenen Schichtverbundwerkstoff geformt worden
sind, wurden Versuche unternommen, die erheblich
günstigere Belastungswerte und wesentlich niedrigere
Ausfallquoten als entsprechende Versuche mit
vergleichbaren Stoßdämpferbuchsen aus bekanntem
Schichtverbundwerkstoff ergaben.
Stoßdämpferbuchsen aus oben beschriebenen
Schichtverbundwerkstoff und Stoßdämpferbuchsen aus
vergleichbarem bekanntem Schichtverbundwerkstoff
wurden bei Versuchen auf einer Hydropuls-Anlage
unter folgenden Bedingungen geprüft:
h₁=+40 mm bei 1 Hz
H₂=+8 mm bei 12 Hz
Hub h₁ wurde hierbei Hub h₂ überlagert
H₂=+8 mm bei 12 Hz
Hub h₁ wurde hierbei Hub h₂ überlagert
Funktion: | |
Dreieck | |
Geschwindigkeit: | h₁=0,16 m/s |
h₂=0,40 m/s | |
Versuchsdauer: | 278 Stunden |
Lastwechsel: | h₁=1 Million Hübe |
h₂=12 Million Hübe | |
Gesamtgleitweg: | 320 000 m |
Seitenbelastung: | Während 1 min 690 N |
Während 15 s 3700 N |
Die Versuche ergaben mit Stoßdämpferbuchsen aus dem
oben beschriebenen Schichtverbundwerkstoff in der
Ausführung Stahl/CuSn10/PPS + C-Faser +
PTFE-Compound eine Ausfallquote von < 1%.
Hingegen zeigen Buchsen mit in eine thermoplastische
Matrix eingelagerten Endlosfasern und nicht
ausgesintertem PTFE in 75% aller Fälle Ablösung der
Gleitschicht vom Träger, bzw. Kavitations- und
Ermüdungsrisse in der Gleitschicht.
Die Reibwertbestimmung für die Gleitschicht des
gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellten
Schichtverbundwerkstoffes wurde im Vergleich zu
einem bekannten Schichtverbundwerkstoff vorgenommen
bei welchem ein Gemisch von 65%
Polytetrafluoräthylen (PTFE) und 35%
Molybdändisulfid (MoS2) zur Bildung der
Gleitschicht in ein Sintergerüst aus
Zinnbronzepulver eingelagert ist. Die Ergebnisse der
Reibwertbestimmung sind in Fig. 4 dargestellt. Es
zeigt sich, daß die Gleitschicht des nach
Ausführungsbeispiel 1 hergestellten
Schichtverbundwerkstoffes zunächst einen höheren
Reibwert hat als die Gleitschicht des bekannten
Schichtverbundwerkstoffes. Im Betrieb steigt der
Reibwert beider Gleitschichten zunächst an. Nach
einer Laufzeit von beispielsweise 2 Stunden beginnt
aber ein merklicher Abfall des Reibwertes bei der
nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellten
Gleitschicht während der Reibwert bei der
Gleitschicht des bekannten Schichtverbundwerkstoffes
weiterhin ansteigt und zwar über den Maximalwert des
für die Gleitschicht des nach Ausführungsbeispiel 1
hergestellten Schichtverbundwerkstoffes.
Die Reibwertbestimmung wurde mit einer
Reibkraft-Meßeinrichtung mit folgenden
Prüfbedingungen durchgeführt:
Schabeballenradius/Breite:|21/10,5 mm | |
Gleitgeschwindigkeit: | 0,01 m/s |
Weg | +20 mm |
Belastung | 300 N |
Trockenlauf |
In Fig. 4 sind die ermittelten Kurven bezeichnet mit
"Beispiel 1" - Voll ausgezogene Kurve
"Bekanntes Material" - Gestrichelte Kurve
"Beispiel 1" - Voll ausgezogene Kurve
"Bekanntes Material" - Gestrichelte Kurve
Bezugszeichenliste
11 Trägerschichtband
12 Führungsrollen
13 Pulvertrichter
14 Beheizter Rakelbalken
15 vorbereitetes Schichtverbundwerkstoff-Band
16 Durchlaufofen (Sinterofen)
17 Schichtverbundwerkstoff (fertig)
18 Heißluft-Strahlen
19 Führungsrollen
20 Wickel, Rolle
21 metallische Trägerschicht
22 Gleitschicht
23 Oberfläche von 21
24 Verkupferungs-Schicht
25 Sintergerüst (Rauhgrund)
26 Matrix
27 Kohlenstoff-Kurzfasern
28 PTFE-Regenerat-Partikel
12 Führungsrollen
13 Pulvertrichter
14 Beheizter Rakelbalken
15 vorbereitetes Schichtverbundwerkstoff-Band
16 Durchlaufofen (Sinterofen)
17 Schichtverbundwerkstoff (fertig)
18 Heißluft-Strahlen
19 Führungsrollen
20 Wickel, Rolle
21 metallische Trägerschicht
22 Gleitschicht
23 Oberfläche von 21
24 Verkupferungs-Schicht
25 Sintergerüst (Rauhgrund)
26 Matrix
27 Kohlenstoff-Kurzfasern
28 PTFE-Regenerat-Partikel
Claims (20)
1. Schichtverbundwerkstoff mit
Kunststoff-Gleitschicht für die Herstellung von
Trockengleitlagern, bei dem die auf einer
metallischen Trägerschicht angebrachte
Kunststoff-Gleitschicht in einer Matrix aus
einem oder mehreren thermoplastischen
Kunststoffen aus der Gruppe von Polyarylenäther,
Polyarylenketone, Polyarylensulfide, Polyarylensulfone
und Polyarylenoxide eine Verstärkung aus
Faserstoff und/oder aus Whiskern, PTFE und die
Trockenschmierung verbessernde Zusätze, wie
MoS2 aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
das PTFE zumindest zum überwiegenden Teil als
Compound von bereits ausgesintertem
Polytetrafluoräthylen und die Trockenschmierung
verbesserndem Zusatz in Form von feinen
Partikeln (28) in die Matrix (26) eingebettet
ist.
2. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Partikel (28) aus
PTFE-Compound als die Trockenschmierung
verbessernden Zusatz einen oder mehrere Stoffe
aus der Gruppe von Molybdändisulfid (MoS2),
Graphit, Antimon-Thioantimonat, Glimmer, Kohle,
WSe21WS2, Weichmetalle wie Pb, Sn und/oder
deren Oxide enthalten.
3. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sämtliches PTFE und
sämtliche die Trockenschmierung verbessernden
Zusätze gemeinsam als Compound-Partikel (28) in
die Matrix (26) aus thermoplastischem Kunststoff
eingelagert sind.
4. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (28)
aus PTFE-Compound in einer Menge von 15 Vol.-%
bis 35 Vol.-% in die Matrix (26) eingelagert
sind und eine Zusammensetzung von 60 bis 70
Vol.-% PTFE und 20 bis 40 Vol.-%
Molybdändisulfid (MoS2) aufweisen.
5. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
PTFE-Compound zumindest teilweise ein Regenerat
aus bei der Beschichtung von Verbundwerkstoffen
anfallendem, PTFE-enthaltendem Pastenabfall ist.
6. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix
(26) der Gleitschicht (22) aus thermoplastischem
Polyphenylensulfid gebildet ist.
7. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
PTFE-Compound-Partikel (28) einen oder mehrere
Stoffe der Perfluoralkoxy-Gruppe (PFA) und/oder
Fluorethylenpropylengruppe (FEP) in Anteilen
zwischen 2 und 10 Vol.-%, vorzugsweise 4 Vol.-%
enthalten.
8. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als
Verstärkung der Matrix (26) Whisker einer oder
mehrerer der folgenden Gruppen eingesetzt sind:
K-Titanatwhisker, SiC-Whisker, Whisker einer
oder mehrerer der folgenden Zusammensetzungen:
BN, ZrO2, Al2O3, TiN, B4C, Mo2C, NbC, NbN.
BN, ZrO2, Al2O3, TiN, B4C, Mo2C, NbC, NbN.
9. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche
1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als
Verstärkung der Matrix (26)
Kohlenstoff-Kurzfasern, insbesondere
Graphit-Kurzfasern, und/oder Aramidfasern
und/oder Al2O3-Fasern eingesetzt sind.
10. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
PTFE-Compound-Partikel Teilchengröße bis
125 µm aufweisen.
11. Verfahren zum Herstellen von
Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche
1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Gemisch aus Teilchen aus thermoplastischen
Kunststoff aus einem, zwei oder mehreren Stoffen
der Gruppe von Polyarylenäther, Polyarylenketone,
Polyarylensulfide, vorzugsweise PPS,
Polyarylensulfone und Polyarylenoxide mit Partikeln
aus die Trockenschmierung verbessernde Zusätze
enthaltendem, vorgesintertem PTFE-Compound, ggf.
zusätzlichen PTFE-Teilchen, ggf. zusätzlichen
Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden
Zusätzen und Kohlenfasern gebildet und
fortlaufend auf die vorzugsweise aufgerauhte
Oberfläche eines die Trägerschicht bildenden
Metallbandes aufgestreut und in einer
gleichmäßigen Schicht gewünschter Dicke
aufgebreitet wird und daß diese Schicht auf der
Oberfläche des Metallbandes geschmolzen und auf
diese gebunden wird.
12. Verfahren zum Herstellen von
Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche
1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Matrixwerkstoff, nämlich Teilchen aus
thermoplastischem Kunststoff oder ein
Teilchengemisch aus zwei oder mehr
thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe
der Polyarylenäther, Polyarylenketone,
Polyarylensulfide, vorzugsweise PPS,
Polyarylensulfone und Polyarylenoxide, die die
Trockenschmierung verbessernden Zusätze nämlich
feine Partikel aus die die Trockenschmierung
verbessernden Zuschläge enthaltendem
PTFE-Compound mit vorgesintertem PTFE sowie ggf.
zusätzlichem PTFE-Teilchen sowie ggf.
zusätzlichen Teilchen aus die Trockenschmierung
verbessernden Zuschlägen, und die Kurzfasern in
dosierten Mengen in einer Extruderpresse,
vorzugsweise in einem Doppelschneckenextruder,
unter Schmelzen des thermoplastischen
Matrixwerkstoffes in dem sie vermischt werden,
daß diese Schmelzeaufbereitung zu einer in der
Dicke der gewünschten Gleitschicht
entsprechenden Folie extrudiert wird und daß
diese Folie auf die vorzugsweise aufgerauhte
Oberfläche eines metallischen
Trägerschichtbandes aufgebracht und dort
gebunden wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß zunächst der Matrixwerkstoff
in der Extruderpresse verdichtet und geschmolzen
wird und die die Trockenschmierung verbessernden
Zuschläge einschließlich des PTFE-Compounds und
die Kurzfasern in dosierten Mengen von der Seite
her direkt in die Polymerschmelze des
Matrixwerkstoffes eingeführt und mit dieser
vermischt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der
PTFE-Compound-Partikel ein Gemisch aus
PTFE-Teilchen und Teilchen von die
Trockenschmierung verbessernden Zusätzen mit
gewünschter Zusammensetzung in Pastenform
gebildet, getrocknet, gesintert und durch
Kaltvermahlen auf gewünschte Kornfraktion,
beispielsweise < 125 µm zerkleinert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Bildung der
PTFE-Compound-Partikel als pastenförmiges
Gemisch von PTFE-Teilchen und die
Trockenschmierung verbessernden Zusätzen ein
Pastenabfall eingesetzt wird, der bei der
Beschichtung von Gleitlager-Verbundwerkstoff
anfällt.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Bildung der
PTFE-Compound-Partikel als Grundlage für das
pastenförmige Gemisch aus PTFE-Teilchen und
Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden
Zusätzen ein bei der Beschichtung von
Gleitlager-Verbundwerkstoff anfallender
Pastenabfall eingesetzt und mit PTFE-Teilchen
und/oder Teilchen aus die Trockenschmierung
verbessernden Zusätzen bis zur gewünschten
Zusammensetzung aufgefüllt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß dem pastenförmigen
Gemisch für die Bildung der
PTFE-Compound-Partikel ein oder mehrere Stoffe
in der Perfluoralkoxy-Gruppe (FEP) und/oder
Fluorethylenpropylengruppe (FEP) in Anteilen
zwischen 2 und 10 Vol.-%, vorzugsweise 4 Vol.-%,
bezogen auf die Trockensubstanz, beigemischt
werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen
bzw. Binden der Gleitschicht auf die
Trägerschicht bei Temperatur von etwa 50 bis 70
K oberhalb der Schmelztemperatur des die Matrix
bildenden thermoplastischen Kunststoffs, aber
jedenfalls unterhalb der Sintertemperatur des
PTFE vorgenommen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Porenfreimachen
an den Schichtverbundwerkstoff in einem
Durchlaufofen bei Schmelztemperatur des
thermoplastischen Matrixwerkstoffes oder bis zu
etwa 70 K oberhalb dieser Schmelztemperatur
Druck angelegt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß ein langsames
Abkühlen des Schichtverbundwerkstoffes unter
Einwirkung von Heißluft auf die Gleitschicht
vorgenommen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4200385A DE4200385A1 (de) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | Schichtverbundwerkstoff mit kunststoff-gleitschicht und verfahren zu seiner herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4200385A DE4200385A1 (de) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | Schichtverbundwerkstoff mit kunststoff-gleitschicht und verfahren zu seiner herstellung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4200385A1 true DE4200385A1 (de) | 1993-07-15 |
Family
ID=6449267
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4200385A Ceased DE4200385A1 (de) | 1992-01-10 | 1992-01-10 | Schichtverbundwerkstoff mit kunststoff-gleitschicht und verfahren zu seiner herstellung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4200385A1 (de) |
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |