ES2254968T3 - Material compuesto para cojinete de desplazamiento. - Google Patents
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Abstract
Material compuesto para cojinete de deslizamiento con una capa protectora metálica, dado el caso con una capa soporte porosa aplicada sobre la misma, y con una capa de deslizamiento exenta de plomo que forma una superficie de deslizamiento para una pareja de deslizamiento con un material para capa de deslizamiento sobre base de plástico con PEEK y con un lubricante en forma de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario, caracterizado porque el material para capa de deslizamiento presenta PEEK como componente de plástico que forma la matriz y además presenta el lubricante en forma de 3 a 15% en peso de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario y un componente endurecedor en forma de de 3 a 15% en peso óxido de titanio y adicionalmente de 5 a 25% en peso de fibras de carbono y de 5 a 15% en peso de partículas de grafito.
Description
Material compuesto para cojinete de
deslizamiento.
La invención se refiere a un material compuesto
para cojinete de deslizamiento con una capa protectora metálica,
dado el caso con una capa soporte aplicada sobre la misma, y con una
capa de deslizamiento exenta de plomo que forma una superficie de
deslizamiento para una pareja de deslizamiento con un material para
capa de deslizamiento sobre base de plástico con PEEK y con un
lubricante en forma de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario.
Se conoce un material compuesto para cojinete de
deslizamiento de este tipo del documento DE 3601569 A1, donde se
cita PEEK como uno de varios polímeros, aunque ninguno de los
ejemplos de realización incluye PEEK. La publicación indica el uso
para el aumento de la resistencia al desgaste, de 5 a 40% en volumen
de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario en el material para capa de
deslizamiento. Como los aditivos de aumento de la resistencia se
citan fibras de vidrio, perlas de vidrio, fibras de carbono, fibras
de cerámica y fibras de aramida. Los ejemplos de realización
comprenden todas las fibras de vidrio o perlas de vidrio.
El documento DE 3736292 A1 da a conocer una capa
de deslizamiento sobre base laminar que se puede preparar por
separado, que se puede aplicar sobre una capa intermedia que sirve
como transmisor de adherencia o directamente sobre una capa
protectora metálica. Como material para la capa de deslizamiento se
cita como adecuado plástico fluorado, especialmente PTFE o PTFE
modificado o poliimida o PEEK. Ninguno de los ejemplos de
realización comprende PEEK. A la capa de deslizamiento se puede
añadir según esta publicación una o varias cargas para el refuerzo
y/o para la mejora de la conductibilidad térmica y/o de las
propiedades contra el desgaste. Según cada objetivo pretendido se
incluyen especialmente carbón, óxido de aluminio, materiales de
cerámica, vidrio, bronce, disulfuro de molibdeno o carburo de
silicio.
Los cojinetes de deslizamiento de materiales
compuestos para cojinete de deslizamiento con una capa de
deslizamiento sobre base de plástico han encontrado una amplia
difusión en la técnica, y ciertamente para requerimientos de lo más
exigentes, por ejemplo con relación a la capacidad de carga,
resistencia a productos químicos o la estabilidad a la temperatura.
Se conocen y se pueden adquirir termoplásticos en los que sin
embargo, la estabilidad a la temperatura solo se puede garantizar
para temperaturas de operación hasta aproximadamente 90ºC; estos son
por ejemplo ABS, polietileno de alta presión
(HD-PE), PVC, polisulfona (PS) y otros. Pero también
existe un número de los denominados termoplásticos que son adecuados
para temperaturas de uso de hasta aproximadamente 150ºC, como por
ejemplo POM, PET, PA.
La presente invención se refiere a estos
materiales compuestos para cojinete de deslizamiento, que deben ser
adecuados para el uso a temperaturas de uso prolongado superiores a
180ºC. A este respecto deben presentar también muy buenas
propiedades tribológicas y valores característicos mecánicos
favorables en relación a la conformabilidad así como muy alta
resistencia a productos químicos. Además se somete el material
compuesto para cojinete de deslizamiento a la exigencia de que se
pueda producir en un procedimiento de fabricación viable
industrialmente.
Este objetivo se consigue por medio de un
material compuesto para cojinete de deslizamiento con las
características de la reivindicación 1.
El material compuesto para cojinete de
deslizamiento con polieteretercetona (PEEK) como componente de
plástico formador de matriz demuestra ser en conjunción con los
otros componentes solicitados altamente estable a la temperatura, es
decir, se puede usar de forma prolongada a temperaturas por encima
de 180ºC, por ejemplo de 180 a 250ºC. Al menos en principio sería
ciertamente adecuada la polifenilensulfona (PPS) como componente de
plástico formador de matriz de un material para capa de
deslizamiento debido a su estabilidad a la temperatura de hasta
260ºC; sin embargo la PPS forma con relación a su poder
estabilizador una matriz insuficiente, que es proclive a reventar ya
en la conformación y también con relación a su rendimiento
tribológico, que ni se aproxima a la del
PEEK.
PEEK.
La presente invención no excluye sin embargo que
junto a PEEK como componente de plástico formador de matriz puedan
estar contenidos uno o varios termoplásticos en el material para
capa de deslizamiento. Pero su proporción no debe ser superior al
20% en peso - especialmente no más del 10% en peso - de la
proporción del componente de plástico en el material para capa de
deslizamiento. Preferiblemente el componente de plástico está
formado hasta el 100% de PEEK.
Ciertamente se puede adquirir en el mercado, por
ejemplo, un material para capa de deslizamiento con PEEK como
componente de plástico formador de matriz y con 10% en peso de
fibras de carbono así como 10% en peso de PTFE y 10% en peso de
grafito. Mediante un material compuesto para cojinete de
deslizamiento con una capa soporte porosa y con el material para
capa de deslizamiento conocido, incorporado en los poros de la capa
soporte no se puede conseguir, sin embargo, estabilidad alguna a
alta temperatura. En las medidas de la tasa de desgaste específica
sobre un banco de pruebas perno-arandela el material
compuesto para cojinete de deslizamiento con material para capa de
deslizamiento conocido mostró un deterioro total a temperaturas de
150ºC, mientras que el material para capa de deslizamiento de
acuerdo con la invención con 3 a 15% en peso, especialmente con 5 a
15% en peso de sulfuro de cinc como lubricante y de 3 a 15% en peso,
especialmente de 5 a 15% en peso de dióxido de titanio como
componente endurecedor así como de 5 a 15% en peso de fibras de
carbono se caracteriza por resultados sobresalientes. Aunque el
coeficiente de fricción del material para capa de deslizamiento
conocido es muy satisfactorio, y ciertamente también a temperaturas
elevadas, este material se desgasta muy rápidamente a temperaturas
elevadas por encima de 150ºC.
La tasa de desgaste específica mejorada frente al
material conocido se reduce con la adición de 3 a 15% en peso,
especialmente de 5 a 15% en peso del componente endurecedor en forma
de dióxido de titanio. Preferiblemente se selecciona este componente
endurecedor se selecciona en forma de partículas finas con un valor
de D50 del tamaño de partícula de 500 nm como máximo,
preferiblemente de 400 nm como máximo, y especialmente de 100 a 350
nm, con lo que estas no influyen negativamente sobre los
coeficientes de fricción. El valor de D50 mencionado anteriormente
del tamaño de partícula designa un tamaño de partícula, referido al
50% en peso de la respectiva sustancia con un tamaño de partícula
en comparación mayor y 50% en peso con un tamaño de partícula en
comparación menor. Debido a que las partículas de lubricante que se
añaden y las partículas del componente endurecedor en forma de
dióxido de titanio se trata de partículas en forma de polvo
realizables por procedimientos industriales o clasificadas por
procedimientos industriales, resultará habitualmente una curva de
distribución de tamaños de partícula que muestra una distribución en
forma de campana o aproximadamente normal. El valor de D50 del
tamaño de partículas se encontrará entonces en la proximidad del
máximo de la curva de distribución en forma de campana. Se demuestra
ventajoso en el sentido de la presente invención si la curva de
distribución en forma de campana es de tal forma que al menos el
60%, especialmente al menos el 70%, y preferiblemente al menos el
80% de la sustancia en cuestión se presenta con un tamaño de
partícula dentro de un intervalo de tamaños de partícula en torno al
máximo de la campana o en torno al valor de D50 de \pm50% de este
valor, también por ejemplo en un valor de D50 de 330 nm en un
intervalo de tamaño de partículas de 330 nm \pm165 nm, por tanto
de 165 a 495 nm.
Se ha demostrado además conveniente si una
distribución de tamaños de partícula es tal que el resto de las
sumas en el porcentaje en peso en un análisis por tamiz con anchura
de malla variable t, especialmente entre 1 \mum y 100 nm, se puede
describir mediante la siguiente ecuación:
S = 100\cdot
e^{-\left(\tfrac{1}{d}\right)^{\beta}}
en la que de forma especialmente
ventajosa el tamaño de grano característico d está entre 0,34 y 0,54
\mum y el parámetro de forma \beta de la distribución está entre
2,4 y 3,4. Una distribución preferida se caracteriza por un tamaño
de grano característico de 0,440 \mum (440 nm) y un parámetro de
forma \beta de
2,87.
Se comprobó además que en el material compuesto
para cojinete de deslizamiento de acuerdo con la invención se puede
renunciar, ya en condiciones de carga extrema, a la adición de PTFE,
que está presente en los materiales de deslizamiento habituales
entre el 2 y 15% en peso. Se parte del hecho de que la influencia
deseada del PTFE sobre las propiedades tribológicas de una
composición de material se reemplaza por el componente solicitado
sulfuro de cinc y el componente solicitado para este fin
alternativamente o aditivamente sulfato de bario.
Mediante la adición de fibras de carbono se
refuerza la capa de deslizamiento del material compuesto para
cojinete de deslizamiento, de modo que aumenta su rigidez y
resistencia, pero también aumenta su resistencia a la fluencia.
Además aumenta la resistencia al desgaste por medio de las fibras de
carbono. Corresponde una significancia especial también al aspecto
de la conductibilidad térmica, que se mejora en la capa de
deslizamiento mediante fibras de carbono. Esto conduce a que se
impida el sobrecalentamiento de la capa de deslizamiento, de modo
que se desvía el calor de fricción que se produce en la operación
directamente en la superficie de la capa de deslizamiento al
interior del material compuesto para cojinete de deslizamiento,
especialmente al componente metálico de una capa soporte porosa dado
el caso prevista o directamente a la capa protectora metálica.
Se muestra como ventajoso según una forma de
realización preferida de la presente invención que las fibras de
carbono se traten de fibras cortas de una longitud de 50 a 250
\mum, especialmente de 60 a 150 \mum. A saber, se comprobó que
en tales casos se puede alcanzar una distribución homogénea de las
fibras de carbono en el material para capa de deslizamiento también
dentro de los poros de la capa soporte porosa dado el caso prevista.
De esta forma se puede mejorar más la conductibilidad térmica, de
modo que se cede de forma efectiva el calor generado en la capa
soporte porosa. Si las fibras de carbono presentan las longitudes
dadas, estas se pueden incorporar en los poros de la capa soporte
porosa dado el caso prevista, lo que es difícil para fibras largas
en tanto las fibras de carbono están contenidas en su mayor parte
sólo por encima de la capa soporte en la capa de deslizamiento. La
disipación de calor es entonces frecuentemente insuficiente.
Respecto a una distribución homogénea del
lubricante se muestra como ventajoso que el lubricante, por tanto el
sulfuro de cinc y/o sulfato de bario, estén presentes en forma de
partículas finas con un valor de D50 del tamaño de partícula de 500
nm como máximo, preferiblemente de 400 nm como máximo y
especialmente de 100 a 350 nm.
Las partículas de grafito deberían estar
presentes preferiblemente como partículas finas de un tamaño de
partícula de 15 \mum como máximo, especialmente de 1 a 10 \mum y
preferiblemente de 1 a 5 \mum.
Para la ilustración de la mejor estabilidad a la
temperatura del material de acuerdo con la invención se hace
referencia a continuación a la representación de los resultados de
medidas de la tasa de desgaste específica sobre un banco de pruebas
perno-arandela según la figura 1.
Se selecciona ahí una disposición representada en
la figura, en la que el material compuesto para cojinete de
deslizamiento que se va a ensayar se conforma con el perno ahí
esbozado, que se desliza con una presión superficial de 0,5 Mpa
contra un contracuerpo en forma de anillo que desliza de 100Cr6,
R_{a} = 0,1 a 0,2 \mum. La velocidad de deslizamiento fue de
1,57 m/s. Se ensayó una carrera en seco, por tanto no lubricada. La
duración del ensayo fue de 20 segundos. Se ensayo a dos temperaturas
de ensayo, a saber, 23º y 150ºC.
Un primer material comparativo con la designación
P23 comprende un material para capa de deslizamiento con PVDF como
componente de plástico formador de matriz, en el que como lubricante
se incorporó plomo y PTFE. Se estudió además un material compuesto
para cojinete de deslizamiento con una capa de deslizamiento de un
material para capa de deslizamiento conocido del tipo descrito al
comienzo con una matriz de PEEK y 10% en peso de fibras de carbono,
10% en peso de PTFE y 10% en peso de grafito. Este material
compuesto para cojinete de deslizamiento se designa como PEEK4.
Finalmente se ensayó un material de acuerdo con la invención con la
designación PEEK6, cuya matriz estaba formada de PEEK con 10% en
peso de ZnS, 10% en peso de fibras de carbono, 10% en peso de
grafito y 10% en peso de TiO_{2}. Los datos de porcentaje en peso
anteriores se refieren respectivamente a la masa total del material
de capa de deslizamiento. ZnS y TiO_{2} se presentaban en una
distribución de tamaños de partícula con un valor D50 de
aproximadamente 330 nm. Cada material compuesto para cojinete de
deslizamiento comprendía una capa protectora metálica de acero y una
capa soporte metálica aplicada sobre la misma de bronce, en cuyos
poros se aplicó el material para capa de deslizamiento que forma la
capa de deslizamiento con un resalto sobre esta capa soporte.
La determinación de la tasa de desgaste
específico durante una duración del ensayo de 20 horas mostró en los
materiales conocidos P23 y PEEK4 un desgaste total, lo que significa
que su capa de deslizamiento así como la capa soporte porosa se
desgastaron por fricción completamente hasta la capa protectora
compuesta de acero. El material de acuerdo con la invención PEEK6
por el contrario se caracteriza por una tasa de desgaste específico
sobresaliente inferior a 1 x 10^{6} mm^{3}/Nm.
Se comprobó además que el material para capa de
deslizamiento de acuerdo con la invención se adhiere de forma
notable a una capa protectora metálica y por tanto se puede
prescindir también de una capa soporte porosa.
Mediante la extrusión del material de
deslizamiento de plástico en una forma de fleje delgado, la
aplicación del fleje sobre la banda soporte calentada resultan
ventajas esenciales, y ciertamente se ha mostrado que el material de
deslizamiento de plástico se puede incorporar sin requerir molienda
previa a los poros de la capa soporte porosa.
Claims (5)
1. Material compuesto para cojinete de
deslizamiento con una capa protectora metálica, dado el caso con una
capa soporte porosa aplicada sobre la misma, y con una capa de
deslizamiento exenta de plomo que forma una superficie de
deslizamiento para una pareja de deslizamiento con un material para
capa de deslizamiento sobre base de plástico con PEEK y con un
lubricante en forma de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario,
caracterizado porque el material para capa de deslizamiento
presenta PEEK como componente de plástico que forma la matriz y
además presenta el lubricante en forma de 3 a 15% en peso de sulfuro
de cinc y/o sulfato de bario y un componente endurecedor en forma
de de 3 a 15% en peso óxido de titanio y adicionalmente de 5 a 25%
en peso de fibras de carbono y de 5 a 15% en peso de partículas de
grafito.
2. Material compuesto para cojinete de
deslizamiento según la reivindicación 1, caracterizado porque
el lubricante está presente en forma de partículas finas con un
valor de D50 del tamaño de partícula de 500 nm como máximo,
preferiblemente de 400 nm como máximo.
3. Material compuesto para cojinete de
deslizamiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado
porque el componente endurecedor está presente en forma de
partículas finas con un valor de D50 del tamaño de partícula de 500
nm como máximo, preferiblemente de 400 nm como máximo.
4. Material compuesto para cojinete de
deslizamiento según la reivindicación 1 a 3, caracterizado
porque las fibras de carbono presentan una longitud de 50 a 250
\mum, especialmente de 60 a 150 \mum.
5. Material compuesto para cojinete de
deslizamiento según una de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque las fibras de carbono presentan un
espesor de 8 a 15 \mum.
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