DE4430474C1

DE4430474C1 - Gleitlagerwerkstoff und dessen Verwendung zur Herstellung eines Verbundschichtwerkstoffes

Info

Publication number: DE4430474C1
Application number: DE4430474A
Authority: DE
Inventors: Achim Dr Adam; Juergen Deinert
Original assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 1994-08-27
Filing date: 1994-08-27
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2014-08-28
Also published as: GB9516430D0; FR2723955A1; ITMI951798A0; GB2292742B; US5686176A; IT1277491B1; FR2723955B1; GB2292742A; BR9503811A; JPH08225661A; ITMI951798A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerwerkstoff mit einer Matrix aus thermoplatischem Polymer, die Gleiteigenschaften verbessernde Zusatzstoffe als Einlagerungen aufweist. Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung des Gleitlagerwerkstoffs zur Herstellung eines Verbundschichtwerkstoffs.

Aus der DE-AS 15 69 243 ist ein schmierungsloses Gleitlager bekannt, das aus Polytetrafluorethylenfasern und Polyoxymethylen besteht, wobei die Polytetrafluorethylenfasern eine Faserlänge bis zu 1,6 mm aufweisen und in einer Menge von 5-40 Gew.% eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Polytetrafluorethylenfasern können andere Fasern oder Füllstoffe zugesetzt werden, solange sie die Niederreibungseigenschaften der Polytetrafluorethylenfasern nicht unangemessen herabsetzen.

Aus der DE-PS 15 54 921 ist eine Formmasse aus 70-99,5 Gew.% eines Polyacetals und 0,5-30 Gew.% Kreide bekannt, die zur Herstellung von wartungsfreien Gleitlagern verwendet wird. Unter Polyacetal werden Homopolymerisate aus Formaldehyd oder Trioxan verstanden. Die dem Polyacetal zugesetzte Kreide sei sowohl von der Teilchengröße als auch von der Herkunft (Lagerstätte) und der Aufarbeitung bzw. dem Herstellungsverfahren unabhängig. Diese bekannten Gleitlager weisen den Nachteil auf, daß unter Trockenlaufbedingungen die Reibwerte zu hoch und die Abriebfestigkeit zu niedrig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen temperaturbeständigen Gleitlagerwerkstoff bereitzustellen, der gegenüber den bekannten Gleitlagerwerkstoffen verbesserte Trockenlaufeigenschaften und gute Laufeigenschaften unter hydrodynamischer Schmierung aufweist. Insbesondere sollen unter Trockenlaufbedingungen die Reibwerte gesenkt und die Abriebfestigkeit sowie die Belastbarkeit erhöht werden. Der Gleitlagerwerkstoff kann zur Herstellung eines Verbundschicht werkstoffes verwendet werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Gleitlagerwerkstoff gelöst, bei dem als Zusatzstoff in der Matrix PTFE und Kreide enthalten sind.

Es hat sich überraschend herausgestellt, daß die Kombination von Kreide und PTFE zu einer signifikanten Erhöhung der Verschleißfestigkeit und der Belastbarkeit führt, die durch das Vorsehen von nur einer der beiden Komponenten PTFE oder Kreide in eine Kunstoffmatrix nicht erreicht werden kann.

Gemäß einer ersten Ausführungsform kann auch das Matrixmaterial aus PTFE bestehen, so daß keine Unterscheidung zwischen PTFE-Matrixmaterial und PTFE-Zusatzstoff vorgenommen wird. Die Anteile des PTFE liegen bei dieser Ausführungsform bei 50-95 Gew.% und die der Kreide bei 5-50 Gew.%.

Die zweite Ausführungsform sieht ein Matrixmaterial aus einem anderen thermoplastischen Kunststoff vor, der beispielsweise PE, PA, POM, PVDF, PBT, PFA, FEP, PPA, LCP oder PEEK sein kann.

In diesen Fällen ist PTFE nur als Zusatzstoff mit geringeren Anteilen zugesetzt, die bei 10-60 Gew.% liegen. Der Kreideanteil liegt dann vorzugsweise bei 5-20 Gew.%.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das PTFE und/oder die Kreide in Pulverform vorliegen. Vorzugsweise liegt das PTFE in Pulverform mit einer Korngröße 10 µm und mit einer spezifischen Oberfläche < 5 m² pro Gramm vor. Die Kreide besitzt vorzugsweise eine Korngröße 20 µm mit einer spezifischen Oberfläche < 3 m² pro Gramm. Eine enge Korngrößenverteilung ist besonders vorteilhaft.

Durch die Verwendung von pulverförmiger Kreide mit Korngrößen 10 µm kann ein sehr guter Homogenisierungsgrad erreicht werden. Die mit der Korngröße verbundene spezifische Oberfläche der Zusatzstoffe führt hierbei zu einer verbesserten Einbindung in die Thermoplastmatrix.

Die PTFE- und die Kreidepartikel lagern sich offensichtlich aneinander an, so daß sich insbesondere während des Trockenlaufs die positiven Eigenschaften dieser Zusatzstoffe verstärken.

Die Kreide wird vorzugsweise in der Kristallmodifikation Calcit oder Aragonit zugesetzt.

Als zusätzliche Additive können Calciumfluorid, Molybdändisulfid, Graphit, Blei, Bleioxid, Bronzepulver und/oder Fasern unterschiedlicher Länge, Gestalt und chemischer Zusammensetzung im Gleitlagerschichtwerkstoff vorhanden sein.

Aus dem Gleitlagerwerkstoff können Vollkunststoffgleitlager oder Verbundschichtwerkstoffe hergestellt werden, die weitaus höher thermisch und mechanisch belastbar sind als Vollkunststoffgleitlagerwerkstoffe.

Zur Herstellung des Vollkunststoffgleitlagerwerkstoffs kann der Austrag aus dem Extruder in Form von Rohren als Halbzeug erfolgen, aus denen anschließend die Lager hergestellt werden. Alternativ kann der Austrag als Granulat erfolgen, um Gleitelemente mittels Kunststoff-Spritzgrußverfahren herzustellen.

Bei den Verbundschichtwerkstoffen kann gemäß einer Ausführungsform der Gleitlagerwerkstoff unmittelbar auf der mechanisch aufgerauhten oder chemisch vorbehandelten Oberfläche einer metallischen Trägerschicht aufgebracht werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Gleitlagerwerkstoff auf einem auf einer metallischen Trägerschicht aufgesinterten oder aufgespritzten Rauhgrund aufgetragen werden. Die Dicke des Gleitlagerwerkstoffs beträgt 50 µm - 1 mm, vorzugsweise 80-300 µm.

Zur Herstellung des Verbundschichtwerkstoffes erfolgt der Austrag der Polymerschmelze aus dem Extruder als Film (Extrusionsbeschichtung) oder als Strang (Kalanderverfahren), der anschließend auf das bandförmige Trägermaterial aufgebracht wird. Alternativ kann der Schmelzefilm auch als Folie verfestigt werden. Diese Folie wird dann in einem zweiten Verfahrensschritt auf das Trägermaterial aufgebracht (Kaschierverfahren).

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch einen Verbundschichtwerkstoff gemäß einer Ausführungsform,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch einen Verbundschichtwerkstoff gemäß einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 3 ein Rohr aus Gleitlagerwerkstoff in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 ein Reibwertdiagramm für Werkstoffe mit PTFE-Matrix,

Fig. 5 ein Reibwert/Verschleißdiagramm für Werkstoffe mit einer PE-Matrix,

Fig. 6 ein Reibwert/Verschleißdiagramm für Werkstoffe mit einer POM-Matrix und

Fig. 7 ein Reibwert/Verschleißdiagramm für Werkstoffe mit einer PEEK-Matrix.

Beispiel 1

Ein Stahlband 3 ist mit einem aufgesinterten porösen Bronzegerüst 4 versehen, in das die Gleitschicht 2, bestehend aus
60 Gew.% PTFE und
40 Gew.% Kreide
als Paste aufgetragen, getempert und eingewalzt wird. Bei dieser Ausführungsform besteht die Matrix 5 aus PTFE, in die die Kreidepartikel 8 als Zusatzstoff eingelagert sind.

In der Fig. 1 ist ein solcher Verbundschichtwerkstoff 1 mit Stahlband 3 und Gleitschicht 2 im Schnitt dargestellt.

Beispiel 2

Ein Stahlband 3 ist mit einem aufgesinterten, porösen Bronzegerüst 4 versehen, in das die Gleitschicht 2, bestehend aus
60 Gew.% POM
25 Gew.% PTFE und
15 Gew.% Kreide
eingearbeitet ist. Das Gleitschichtmaterial wurde in einem Extruder geschmolzen, homogenisiert, verdichtet und als Schmelzefilm auf den Metallträger 3 aufgebracht (Extrusionsbeschichtung).

In der Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen solchen Verbundschichtwerkstoff 1 dargestellt. In der Matrix 5 aus POM sind die teilweise aneinandergelagerten PTFE/Kreide-Teilchen 6/8 eingezeichnet, die in der Matrix 5 homogen verteilt sind.

Beispiel 3

Eine Mischung aus
60 Gew.% POM
25 Gew.% PTFE und
15 Gew.% Kreide
wird in einem Extruder verdichtet, plastifiziert, homogenisiert, und über ein entsprechendes Extrusionswerkzeug als Rohr 7 (s. Fig. 3) ausgetragen und anschließend kalibriert. Das so erzeugte Rohr 7 aus dem Gleitlagerwerkstoff dient als Halbzeug für die Gleitlagerproduktion. Analog können Profile für Gleitschienen usw. hergestellt werden.

Beispiel 4

Ein mechanisch aufgerauhtes Stahlband ist mit einer Gleitschicht, bestehend aus
80 Gew.% PE
10 Gew.% PTFE und
10 Gew.% Kreide
beschichtet. Die Beschichtung des Metallträgers mit der thermoplastischen Gleitschicht erfolgt hierbei auch nach dem Extrusionsbeschichtungsverfahren.

Beispiel 5

Ein Stahlband ist mit einem aufgesinterten porösen Bronzegerüst versehen, in das die Gleitschicht, bestehend aus
70 Gew.% PA
20 Gew.% PTFE und
10 Gew.% Kreide
eingearbeitet ist.

In der Fig. 4 ist ein Reibwert-Diagramm für Werkstoffe mit PTFE-Matrix dargestellt. Die Versuche wurden auf einer Stift-Walze-Prüfmaschine mit folgenden Parametern durchgeführt: P = 8,9 MPa, v = 0,5 m/s, t = 90 min, trocken. Mit zunehmender Versuchsdauer nehmen die Reibwerte der ungefüllten PTFE-Werkstoffe und der mit 30% Glas gefüllten PTFE- Werkstoffe deutlich zu. Die Werkstoffe mit 33% MOS bzw. 35% PI zeigen keine Zunahme der Reibwerte, sie liegen jedoch immer noch deutlich oberhalb des erfindungsgemäßen Werkstoffes mit einer PTFE-Matrix und 45 Gew.% Kreide als Zusatzstoff.

In der Fig. 5 sind Balkendiagramme für Werkstoffe mit PE-Matrix dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, daß mit Werkstoffen, die entweder nur PTFE oder oder nur Kreide enthalten, nicht die Reibwerte und Verschleißwerte erhalten werden, die beispielsweise ein erfindungsgemäßer Werkstoff mit 80 Gew.% Polyethylen, 10 Gew.% PTFE und 10 Gew.% Kreide aufweist. Die Überlegenheit der Kombination aus PTFE und Kreide zeigt sich hier insbesondere bei den Verschleißwerten.

Die Versuche wurden ebenfalls auf einer Stift-Walze-Prüfeinrichtung durchgeführt, wie dies im Zusammenhang mit der Fig. 4 erläutert wurde.

In der Fig. 6 ist ein weiteres Balkendiagramm für Werkstoffe mit einer POM- Matrix dargestellt. Die Untersuchungen wurden ebenfalls auf einer Stift-Walze- Prüfeinrichtung mit den unter Fig. 4 genannten Parametern durchgeführt. Auch hier zeigt sich die deutliche Überlegenheit der Kombination der Zusatzstoffe PTFE und Kreide in einer POM-Matrix.

In der Fig. 7 ist ein weiteres Balken-Diagramm für Werkstoffe mit einer PEEK-Matrix dargestellt. Die Untersuchungen wurden ebenfalls auf einer Stift- Walze-Prüfeinrichtung mit den unter Fig. 4 beschriebenen Parametern durchgeführt. Auch bei einer PEEK-Matrix zeigen sich bei der Kombination von 10% PTFE und 10% Kreide deutliche Vorteile hinsichtlich der Reib- und Verschleißwerte gegenüber Werkstoffen, die entweder nur Kreide oder nur PTFE enthalten.

Bezugszeichenliste

1 Verbundwerkstoff
2 Gleitschicht
3 Trägerschicht
4 Bronzegerüst
5 Matrix
6 PTFE-Partikel
7 Rohr
8 Kreidepartikel

Claims

1. Gleitlagerwerkstoff mit einer Matrix aus thermoplastischem Polymer, die Gleiteigenschaften verbessernde Zusatzstoffe als Einlagerungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff in der Matrix PTFE und Kreide enthalten sind.

2. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Matrix bildende thermoplastische Polymer PTFE, PE, PA, POM, PVDF, PBT, PFA, FEP, PPA, LCP oder PEEK ist.

3. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß PTFE in Pulverform mit einer Korngröße 10 µm und einer spezifischen Oberfläche 5 m² pro Gramm vorliegt.

4. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreide in Pulverform mit einer Korngröße 20 µm und einer spezifischen Oberfläche 3 m² pro Gramm vorliegt.

5. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreide in der Kristallmodifikation Calcit oder Aragonit vorliegt.

6. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das PTFE als Matrixmaterial in einer Menge von 50-95 Gew.% enthalten ist.

7. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreide in einer Menge von 5-50 Gew.% enthalten ist.

8. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnete daß das PTFE als Zusatzstoff in einer Menge von 10- 60 Gew.% enthalten ist.

9. Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das PTFE als Zusatzstoff in einer Menge von 15-50 Gew.% enthalten ist.

10. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreide in einer Menge von 5-20 Gew.% enthalten ist.

11. Gleitlagerwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Additive Calciumfluorid, Molybdändisulfid, Graphit, Blei, Bleioxid, Bronzepulver und/oder Fasern unterschiedlicher Länge, Gestalt und chemischer Zusammensetzung enthalten ist.

12. Verwendung des Gleitlagerwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines Verbundschichtwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitlagerwerkstoff unmittelbar auf der mechanisch aufgerauhten oder chemisch vorbehandelten Oberfläche einer metallischen Trägerschicht (3) aufgebracht wird.

13. Verwendung des Gleitlagerwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines Verbundschichtwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitlagerwerkstoff auf einem auf einer metallischen Trägerschicht (3) aufgesinterten oder aufgespritzten Rauhgrund (4) aufgetragen wird.

14. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitlagerwerkstoff mit einer Dicke von 50 µm- 1 mm aufgetragen wird.

15. Verwendung nach der einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitlagerwerkstoff mit einer Dicke von 80- 300 µm beträgt aufgetragen wird.