ES2254968T3

ES2254968T3 - Material compuesto para cojinete de desplazamiento.

Info

Publication number: ES2254968T3
Application number: ES03757022T
Authority: ES
Inventors: Frank Haupert; Wolfgang Bickle
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2006-06-16
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: DE50301872D1; US7056589B2; EP1511624B1; BR0309368B1; ATE311979T1; DE10226266A1; BR0309368A; DE10226266B4; US20050181194A1; WO2003103954A1; EP1511624A1

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.

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

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.