WO2024041787A1

WO2024041787A1 - Leitfähiges selbstschmierendes gleitelement

Info

Publication number: WO2024041787A1
Application number: PCT/EP2023/068268
Authority: WO
Inventors: Achim Adam; Oliver MÜNCH; Fan Zhong
Original assignee: Federal-Mogul Wiesbaden Gmbh
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2023-07-03
Publication date: 2024-02-29
Also published as: DE102022121689A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einem metallischen Trägermaterial und einer darauf aufgebrachten Gleitschicht auf der Basis von PTFE oder thermoplastischem Kunststoff, wobei die Gleitschicht eine Grenzfläche zum Trägermaterial und eine Gleitfläche für den Kontakt mit einem Gegenläufer ausbildet. Das Gleitelement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht leitfähige Partikel enthält, die sich jeweils einzeln innerhalb der Gleitschicht mindestens von der Grenzfläche bis zur Gleitfläche erstrecken.

Description

LEITFÄHIGES SELBSTSCHMIERENDES GLEITELEMENT

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein selbstschmierendes Gleitelement mit einem metallischen Trägermaterial und einer darauf aufgebrachten Gleitschicht auf der Basis von PTFE oder thermoplastischem Kunststoff, insbesondere für schmiermittelfreie aber auch für geschmierte Anwendungen, wobei die Gleitschicht eine Grenzfläche zum Trägermaterial und eine freie Gleitfläche für den Kontakt mit einem Gegenläufer ausbildet.

Der typische Aufbau von Verbundwerkstoffen für selbstschmierende Gleitelemente, besteht aus einem Trägermaterial, das mit einem Kunststoff oder einem Kunststoff-Compound beschichtet o- der/und imprägniert ist, um die Gleiteigenschaften zu erzeugen. Das Trägermaterial ist metallisch und besteht aus einem Stützmaterial wie einem Metallband, z.B. Stahl, Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen, das meist mit einer porösen Metallschicht, z.B. aus Bronzepulver, beschichtet ist oder selbst eine poröse Struktur aufweist, wie z.B. Gewebe oder Streckmetall. Erwähnenswert sind auch Materialkombinationen, bei denen das Gewebe oder Streckmetall mit dem Stützmaterial verbunden ist.

Während diese metallischen Komponenten elektrisch leitfähig sind, ist eine Leitfähigkeit bei den üblichen darauf als Gleitschicht aufgebrachten Kunststoffschichten mit den tribologisch wirksamen Zusätzen nicht gegeben. Als Kunststoffmatrix besonders gebräuchlich sind hier z.B. PTFE, PPS, POM, PVDF, PFA, PEEK, darüber hinaus kommen auch verschiedene Polyamide, Polyester, PES, PAI und andere zum Einsatz. Die Funktionsweise kann grob unterteilt werden in Verbundwerkstoffe, bei denen nur eine dünne Einlaufschicht über dem metallischen Trägermaterial vorhanden ist, sodass hier nach dem Einlauf metallische Bestandteile freiliegen und einen Kontakt zur Welle und so die Leitfähigkeit herstellen. Dies ist bei vielen PTFE basierten Beschichtungen, wie zum Beispiel in der DE 102013227187 B4 beschrieben, der Fall.

In Scharnieren kommen häufig sehr dünnwandige Materialien mit PTFE basierten Beschichtungen zum Einsatz, die während der Montage durch Verwendung von Zapfen mit Übermaß gegenüber der Lagerbuchsenbohrung spielfrei kalibriert werden. Diese Materialien können einen Aufbau aus Trägermaterial, porösem Lagermetall und der Kunststoffbeschichtung aufweisen, häufig werden jedoch auch Materialien verwendet, die durch Beschichtung und Imprägnierung von Metallgeweben oder Streckmetallen hergestellt werden, wie in der DE 10147292 B4 beschrieben. In letzterem Fall sollte die PTFE-basierte Beschichtung so verschleißfest sein, dass über die gesamte Lebensdauer das Trägermaterial nicht freigelegt wird, da sonst, aufgrund sich angleichender Reibwerte auf Gleitflache und Lagerrücken, kein Festsitz mehr gewährleistet ist und das Lager z.B. aus dem Gehäuse auswandern kann. Bei den meisten Verbundwerkstoffen auf Thermoplastbasis, wie zum Beispiel in der EP 3087142 B1 beschrieben, wird über die Lebensdauer kein Trägermaterial freigelegt.

Es besteht aber ein zunehmendes Interesse an selbstschmierenden Lagerelementen, die statische Aufladungen der mit den Lagerelementen verbundenen Bauteile verhindern oder bei elektrostatischem Lackieren auch nach der Montage von über diese Lager verbundenen Bauteilen eine elektrische Verbindung sicherstellen. Bei solchen Anforderungen ist es notwendig, dass die Gleitschicht von Beginn an eine ausreichende Leitfähigkeit aufweist. Die Leitfähigkeit der Lager erspart dann das Anbringen zusätzlicher Kontaktierungen an den Bauteilen.

Übliche Zusätze in PTFE sind z.B. M0S2, hBN, ZnS, BaSO4, CaF₂, Fe₂Os, Graphit, Ruß, sowie andere Kunststoffe wie PFA, FEP, ETFE, PEEK, PPS, PAI, Polyaramide, aromatische Polyester, Hartstoffe wie Glas, SisN₄, SiC, darüber hinaus Kohlefasern. Die Verwendung von feinem Bleipulver war üblich, tritt jedoch aufgrund der Regelungen wegen der Toxizität des Bleis mehr und mehr in den Hintergrund. Bilden Thermoplaste die Matrix, wird diesen oft PTFE zugesetzt, zusätzlich jedoch auch Anteile der anderen bereits genannten Zusätze.

Von diesen gebräuchlichen Zusätzen sind zwar Graphit, Ruß und Kohlefasern leitfähig, ihr Anteil reicht aber üblicherweise nicht aus, um eine Leitfähigkeit herzustellen. Auch die Verwendung von Carbon-Nanotubes wurde im Zusammenhang mit Gleitlagern vorgeschlagen, z.B. in der EP 2804902 B1 , allerdings nicht zur Erhöhung der Leitfähigkeit sondern zur Verbesserung der tribolo- gischen Eigenschaften.

Die Erhöhung des Anteils von üblichen leitfähigen Zusätzen wie Kohlefasern, Graphit, Ruß, wie z.B. in der EP 1875091 B1 beschrieben, oder der Einsatz feiner Metallpulver, bis eine zur Leitfähigkeit führende Perkolation erreicht ist, ist möglich, führt jedoch zu einer starken Beeinträchtigung von Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit der Werkstoffe sowie zu einer Beeinträchtigung der Verarbeitungseigenschaften in den üblichen Verfahren zu Bandbeschichtung auf PTFE-Dispersions- basis, Pulverbasis oder Folienbasis. Nanotubes ermöglichen zwar die Leitfähigkeit bereits bei geringeren Konzentrationen, sind aber vergleichsweise teuer und schwerer zu handhaben. In der EP 2069651 B1 wurde auch vorgeschlagen, zur Erhöhung der thermischen, und damit einhergehend auch der elektrischen Leitfähigkeit die Deckschicht der Werkstoffe abzutragen, bis das Substratmaterial freigelegt ist. Dies würde zwar die Leitfähigkeit herstellen, hat aber bei den konventionellen PTFE basierten Werkstoffen auf poröser Bronze den Nachteil, dass die initiale Ausbildung der für den Gleitprozess wichtigen Transferschicht erschwert ist, während bei Thermoplastbasierten Werkstoffen die Zusammensetzung der durch diese Maßnahme entstehende Oberfläche nicht mehr schmierfähig genug ist. Bei den dünnen Werkstoffen mit Gewebe- oder Streckmetallgerüst ohne Trägermaterial würde dies aufgrund gleicher Reibung auf Gleitseite und Rücken den Festsitz und damit die generelle Funktion von Beginn an gefährden.

Aufgabe ist es daher ein selbstschmierendes Gleitelement bereitzustellen, dass einerseits die insbesondere für schmiermittelfreie Anwendungen geforderten tribologischen Eigenschaften und gleichzeitig eine verbesserte Leitfähigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gleitelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 .

Das erfindungsgemäße Gleitelement weist ein metallisches Trägermaterial und eine darauf aufgebrachte Gleitschicht auf der Basis von PTFE oder thermoplastischem Kunststoff, auf, wobei die Gleitschicht eine Grenzfläche zum Trägermaterial und eine freie Gleitfläche für den Kontakt mit einem Gegenläufer ausbildet. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitbeschichtung leitfähige Partikel enthält, die sich jeweils einzeln innerhalb der Gleitschicht mindestens von der Grenzfläche bis zur Gleitfläche erstrecken, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Trägermaterial und der Gleitfläche herzustellen.

Die Grenzfläche zwischen Gleitschicht und Trägermaterial lässt sich in einem Schnitt (Schliffbild) durch das Gleitelement mithilfe der üblichen optischen Hilfsmittel (Licht- oder Elektronenmikroskop) in dem Fachmann geläufiger Weise identifizieren. Der Abstand zwischen der Grenzfläche und der Gleitfläche wird als Dicke der Gleitschicht bezeichnet.

Die in dem Gleitschichtmaterial als Zusatz dispergierten, leitfähigen Partikel durchdringen die gesamte Gleitschicht und stellen jeweils für sich den elektrischen Kontakt zwischen dem Lagergehäuse über das metallische Trägermaterial mit dem an der Gleitfläche anliegenden Gegenläufer her und zwar von Beginn an und nicht etwa erst nach dem Abtrag eines Teils der Gleitschicht. Dies setzt voraus, dass die leitfähigen Partikeln eine mindestens der Dicke der Gleitschicht entsprechende Größe aufweisen. Anders als bei den bekannten leitfähigen Füllstoffen ist die Leitfähigkeit der Schicht also nicht primär von der Füllstoffmenge und der damit verbundenen statistischen Verteilung der Partikel abhängig. Durch die einzelnen leitfähigen Partikel werden punktweise elektrische Kontakte entlang bzw. in der Gleitfläche erzeugt, die die leitende Verbindung zwischen den verbunden Bauteilen zuverlässig herstellen und zugleich die tribologischen Eigenschaften und Her- stellbarkeit des Werkstoffes sowie der Festsitz der Gleitelemente nicht beeinträchtigt. In Abgrenzung zu einer porösen Sinterschicht, welche dem Trägermaterial zugeordnet ist, weisen die leitfähigen Partikel keine feste Verbindung zu der Trägerschicht auf und sind deshalb der Gleitschicht zugeordnet.

Als Gleitelemente werden hierin insbesondere Radiallagerelemente oder ebene Gleitelemente verstanden, wie beispielsweise Gleitlagerbuchsen, Anlaufscheiben, Bundbuchsen, Lagerschalen oder Gleit- oder Führungselemente anderer Geometrien..

Die leitfähigen Partikel bestehen beispielsweise aus metallischen oder leitfähigen nichtmetallischen Materialien. Als nichtmetallische Materialien sind beispielsweise grobes Graphit oder Graphit-Kurzfasern einsetzbar. Bevorzugt sind metallische Materialien wie Kupfer oder Aluminium oder Legierungen davon, insbesondere Lagerlegierungen aus Kupfer-Zinn, Kupfer-Zinn-Zink, Kupfer- Zink, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Nickel-Silizium, Kupfer-Zinn-Bismut, Aluminium-Zinn, Aluminium- Zinn-Silizium, Aluminium-Zinn-Kupfer, Aluminium-Zinn-Nickel-Mangan-Kupfer, ggfs. mit weiteren Legierungszusätzen und/oder unvermeidbaren Verunreinigungen.

Als leitfähige Partikel können beispielsweise sogenannte Bronze- und Aluminiumchips, längliche, gewundene Partikel, hergestellt als Dreh- oder Frässpäne der entsprechenden Werkstoffe, Bronze- Kurzfasern, sowie kugelige und spratzige Bronzepartikel verwendet werden, je nachdem welche Partikelgrößen benötigt werden bzw. gut verfügbar oder kostengünstiger sind. Für die Gleitschichten, die durch Beschichtung mit Pulvern erzeugt werden sind Aluminium-Partikel besonders zu bevorzugen, da diese aufgrund der dem Kunststoff ähnlicheren Dichte beispielsweise im Vergleich zu den Bronze-Partikeln weniger zur Entmischung neigen.

Die Größe der leitfähigen Partikel ist bevorzugt so zu wählen, dass der d50-Wert der kleinsten Ausdehnung der leitfähigen Partikel mindestens 90% der Schichtdicke der Gleitschicht und der d90-Wert der kleinsten Ausdehnung der Partikel nicht größer als 300 %, bevorzugt nicht größer als 150 %, der Schichtdicke der Gleitschicht ist.

Als „kleinste Ausdehnung“ wird die kürzeste Kantenlänge des kleinstmöglichen, den Partikel einhüllenden Quaders verstanden. Bei ideal zylindrischen Faserabschnitten mit größerer Länge als Durchmesser beispielsweise entspräche die kleinste Ausdehnung folglich dem Faserdurchmesser. Man kann Teilchen mittels Sieben durch Längsspalten, also beispielsweise mittels eines Harfensiebs mit geraden Längsdrähten, aus einer geometrisch statistischen Partikelverteilung isolieren. Der d50-Wert bezeichnet den Wert der statistischen Größenverteilung den 50% der Partikel unter bzw. überschreiten. Der d90-Wert ist entsprechend der Wert der statistischen Größenverteilung den 90% der Partikel unterschreiten bzw. 10% überschreiten.

Unter Gleitschichtdicke wird der Abstand der jeweils höchsten Punkte des metallischen Trägermaterials, also der Grenzfläche, und der äußeren Oberfläche der Kunststoff-basierten Gleitschicht, also der Gleitfläche, verstanden. Zur Ermittlung der Dicke der Gleitschicht kann im Schnitt durch ein Gleitelement die über eine sichtbare Länge von > 1 mm jeweils höchste Ehebungen der Grenz- und der Gleitfläche herangezogen werden. Praktisch lässt sich die Schichtdicke ermitteln als Differenzwert der Dicke des Gleitelements minus der Schichtdicke des metallischen Trägermaterials, die sich jeweils auf einfache Weise beispielsweise mittels eine Mikrometerschraube messen lassen. Die Schichtdicke der Gleitschicht beträgt vorzugsweise 5 pm bis 500 pm und besonders bevorzugt 5 pm bis 100pm.

Dadurch, dass der d50-Wert der kleinsten Ausdehnung der leitfähigen Partikel mindestens 90% der Schichtdicke der Gleitschicht beträgt, ist sichergestellt, dass ausreichend Partikel vorliegen, die die gesamte Gleitschicht durchdringen und eine Kontaktierung von Gegenlaufzapfen und Trägermaterial ermöglichen. Dadurch, dass der d90-Wert der kleinsten Ausdehnung der leitfähigen Partikel nicht größer ist als 300 %, in Abhängigkeit von der Porosität des metallischen Trägermaterials an der Grenzfläche, bevorzugt nicht größer als 150%, der Schichtdicke der Gleitschicht wird sichergestellt, dass die Partikel beim Beschichten, etwa durch Aufwalzen, in den Untergrund eingedrückt oder plastisch so verformt werden können, dass keine störende Oberflächenrauheit entsteht.

Der erfindungsgemäße Einsatz der leitfähigen Partikel ist bei allen im Stand der Technik beschriebenen Ausführungsformen der gattungsbildenden selbstschmierenden Gleitelementen möglich und insbesondere bei allen Anwendungen vorteilhaft, bei denen der Substratwerkstoff während der Lebensdauer nicht freigelegt wird. Dies gilt insbesondere für mitteldicke und dicke Gleitschichten, die - alternativ zu den erfindungsgemäß eingesetzten leitfähigen Partikeln - andernfalls durch größere Anteile von feinverteilten leitfähigen Zusätzen in Ihrer tribologischen Stabilität besonders beeinträchtigt werden. Unter dicken Schichten werden hierbei Schichten von 120 pm oder darüber verstanden, unter dünnen Schichten solche zwischen 5 pm und 50 pm. Erstere basieren überwiegend auf Thermolasten, letztere auf PTFE. Schichten mit Dicken von 50 bis 120 pm werden als mittedicke Schichten bezeichnet und können sowohl auf PTFE- als auch auf Thermoplast-Basis gebildet sein. Prinzipiell sind die erfindungsgemäßen Partikel also auch bei solchen dünnen Schichten von Nutzen, wenn bereits vor dem Freilegen des Substrates Leitfähigkeit benötigt wird, etwa in Scharnieren vor einer Lackierung in zusammengebautem Zustand oder wenn statische Aufladungen unabhängig vom Einlaufzustand vermieden werden müssen. Für die Anwendung in Scharnieren für bewegliche Bauteile sind beispielsweise Gleitelemente aus dünnwandigen Materialien ohne Stützschicht interessant, bei denen das metallische Trägermaterial ausschließlich aus z.B. Stahl- oder Bronze-Streckmetall oder Stahl- oder Bronzegewebe besteht und eine mitteldicke PTFE basierte Gleitschicht von über 50 pm zum Einsatz kommt.

Vorteilhaft sind Zugabemengen der Partikel von 0,1 - 1 ,2 Vo|.-% und besonders bevorzugt von 0,2 - 0,9 VoL-% bezogen auf das Volumen der Gleitschicht, d.h. ohne das metallische Trägermaterial.

Hierdurch lässt sich eine bevorzugte mittlere Dichte der durch die leitfähigen Partikel entlang der Gleitfläche hergestellten Kontakte von 1 cm^-2 bis 10 cm^-2 sicherstellen.

Während die dünneren Schichten meist eine PTFE Matrix aufweisen und aus einer Dispersion durch Mischen mit den Zusatzstoffen und Ausfallen hergestellt werden, geschieht dies bei dicken Schichten oft auch auf der Basis von thermoplastbasierten Pulvergemischen oder Compoundfolien. Mitteldicke Schichten können sowohl eine PTFE Matrix als auch eine thermoplastische Kunststoffbasis aufweisen. Die leitfähigen Partikel können in allen Herstellverfahren beigemischt werden, besonders geeignet ist jedoch das Verfahren auf Dispersionsbasis, da hier einer dichtebedingten Entmischung durch kräftiges Rühren während der Fällung bzw. eine spate Zugabe während der Verfestigung der Beschichtungsmasse gut entgegengewirkt werden kann. Im weiteren Verlauf der Herstellung ist eine Entmischung durch die Einbindung in das hochviskose Koagulat behindert.

Weiterhin bevorzugt besteht das Volumen der Gleitschicht überwiegend aus PTFE, d.h. beträgt der Anteil des PTFE bezogen auf die gesamte Gleitschicht mehr als 50 VoL-%.

Weitere Zusätze können die eingangs erwähnten, bekannten Zusätze wie zum Beispiel M0S2, hBN, ZnS, BaSO4, CaF₂, Fe₂Os, Graphit, Ruß, sowie andere Kunststoffe wie PFA, FEP, ETFE, PEEK, PPS, PAI, Polyaramide, aromatische Polyester, Hartstoffe wie Glas, SisN₄, SiC, oder darüber hinaus Kohlefasern sein.

Das metallische Trägermaterial ist vorzugsweise aus einer einzelnen Stützmetallschicht oder einem Schichtverbund mit einer Stützmetallschicht und einer Lagermetallschicht gebildet. Das Gleitelement stellt somit wahlweise bevorzugt ein Dreischichtsystem oder ein Zweischichtsystem dar.

Die Stützmetallschicht oder die Lagermetallschicht ist dabei zumindest nahe der Grenzfläche bevorzugt porös. Unabhängig von der Anzahl der Schichten dient die poröse Stützmetallschicht bzw. die Lagermetallschicht als Verankerung für das Gleitschichtmaterial, welches in die poröse Oberfläche gewissermaßen hinein imprägniert ist. Die Stützmetallschicht oder die Lagermetallschicht müssen dazu nicht aber können auch durchgehend porös ausgestaltet sein. Das metallische Trägermaterial besteht in einer bevorzugten Variante des Dreischichtsystems aus Stahl mit einer aufgesinterten Bronze.

Das metallische Trägermaterial wird in einer bevorzugten Variante des Zweischichtsystems ausschließlich aus einer einzelnen Stützmetallschicht aus Stahl, einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung gebildet.

Das metallische Trägermaterial besteht dabei besonders bevorzugt ausschließlich aus einem metallischen Gewebe oder Streckmetall aus Stahl, Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen.

Sintermaterial wie auch Gewebe oder Streckmetall werden hierin unter die porösen Stützmetall- bzw. Lagermetallschichten subsummiert.

Von besonderer Bedeutung ist die Leitfähigkeit in Scharnieren, für die häufig dünnwandige Materialien zum Einsatz kommen, die während der Montage durch Verwendung von Zapfen mit Übermaß gegenüber der Lagerbuchsenbohrung spielfrei kalibriert werden können. Diese Materialien können einen Aufbau aus Trägermaterial, porösem Lagermetall und der Kunststoffbeschichtung aufweisen, häufig wird jedoch besagtes Trägermaterial aus Metallgewebe oder Streckmetall verwendet, das mit dem Gleitschichtmaterial beschichtet und/oder imprägniert ist.

Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist daher eine Gleitschicht auf PTFE-Basis auf einem solchen metallischen Gewebe oder Streckmetall aus Stahl, Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen aufgebracht.

Verwendet werden die erfindungsgemäßen Gleitelemente also insbesondere als Scharniere für schmiermittelfreie Gelenkverbindungen, wie beispielweise für Kofferraumdeckel oder Ähnliches. Da die Gleitschicht eine ausreichende Leitfähigkeit für eine elektrische Kontaktierung der mit den Gleitelementen verbundenen Bauteile aufweist, wird eine ungewollte elektrostatische Aufladung der Bauteile von Beginn an vermieden und eine elektrische Kontaktierung beispielsweise zum Zweck einer Lackierung bereitgestellt.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 3-Schicht-Gleitelements; Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 3-Schicht-Gleitelements;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 2-Schicht-Gleitelements mit Metallgewebe;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 2-Schicht-Gleitelements mit Streckmetall.

Fig. 5 ein Diagramm mit den Verlauf des elektrischen Widerstands und der Verschleißfestigkeit in Abhängigkeit von dem Volumenanteil der leitfähigen Partikel; und

Fig. 6 eine graphische Gegenüberstellung der benötigten Volumenanteile verschiedener leitfähiger Füllstoffe.

Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleitelements in Form eines Dreischichtsystems ist in Figur 1 gezeigt. Es besteht aus einem metallischen Trägermaterial 10, welches seinerseits aus einer Stützmetallschicht 12, beispielsweise eine Stahlstützschicht, und einer darauf angeordneten Lagermetallschicht 14 aufgebaut ist. Die Lagermetallschicht 14 besteht beispielsweise aus eine aufgesinterten Bronze, illustriert als zusammenhängende Sinterkörper 15, und bildet eine poröse Teilschicht, des Trägermaterials 10. Auf der Lagermetallschicht ist auf der der Stützmetallschicht 12 abgewandten Seite eine Gleitschicht 16 beispielsweise auf PTFE-Basis unter Ausbildung einer Grenzfläche 18 zum Trägermaterial 10 hin aufgebracht. Die freie Oberfläche der Gleitschicht bildet die Gleitfläche 20. Die Gleitschicht ist eine dünne Gleitschicht mit einer Dicke d von weniger als 50 pm. Wie schon erwähnt kann die Schichtdicke ermittelt werden, indem zunächst die Schichtdicke des metallischen Trägermaterials (d?) und nach dem Beschichten die Dicke des Gleitelements (dc) beispielsweise mittels einer Mikrometerschraube, vorzugsweise mehrfach an verschiedenen Stellen, gemessen wird, und anschließend aus den beiden (Mittel-)Werten die Differenz d=dc-dT gebildet wird.

In der Gleitschicht 16 sind vereinzelt leitfähige Partikel 22 enthalten, die sich innerhalb der Gleitschicht 16 mindestens von der Grenzfläche 18 bis zur Gleitfläche 20 erstrecken und eine elektrische Verbindung zwischen dem Trägermaterial 10 und der Gleitfläche 20 herstellen.

Zu beachten ist, dass die Körnung des Sintermaterials und damit auch die Porengröße des metallischen Trägermaterials 10 an der Grenzfläche 18 zu Illustrationszwecken überdimensioniert dar- gestellt ist. Hierbei wird deutlich, dass der d90-Wert der kleinsten Ausdehnung der leitfähigen Partikel bei großer Porengröße des metallischen Trägermaterials im Verhältnis zur Schichtdicke d vorteilhafterweise bis zu 300% der Schichtdicke d betragen kann.

Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleitelements in Form eines Dreischichtsystems ist in Figur 2 gezeigt. Es besteht wie das erste Ausführungsbeispiel aus einem metallischen Trägermaterial 10, welches aus einer Stützmetallschicht 12 und einer darauf angeordneten gesinterten Lagermetallschicht 14 aufgebaut ist. Die Lagermetallschicht 14 bildet dabei auch hier eine poröse Teilschicht, des Trägermaterials 10. Auf der Lagermetallschicht ist auf der der Stützmetallschicht 12 abgewandten Seite eine Gleitschicht 16, beispielsweise auf PTFE-Basis oder auf Basis eines thermoplastischen Kunststoffes, unter Ausbildung einer Grenzfläche 18 aufgebracht. Die freie Oberfläche der Gleitschicht bildet die Gleitfläche 20. Die Gleitschicht ist eine dicke Gleitschicht mit einer Dicke d von mindestens 50 pm.

In der Gleitschicht 16 sind wiederum vereinzelt leitfähige Partikel 22 enthalten, die sich innerhalb der Gleitschicht 16 mindestens von der Grenzfläche 18 bis zur Gleitfläche 20 erstrecken und eine elektrische Verbindung zwischen dem Trägermaterial 10 und der Gleitfläche 20 herstellen.

Diese Darstellung verdeutlicht, dass für den d90-Wert der kleinsten Ausdehnung der leitfähigen Partikel bei feinporigerer Grenzfläche oder bei einer Grenzflächen mit geringer Rauheit im Verhältnis zur Schichtdicke d ein d90-Wert von maximal 150 % der Schichtdicke d genügt.

Eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleitelements in Form eines Zweischichtsystems ist in Figur 3 gezeigt. Es besteht aus einem metallischen Trägermaterial 10, welches ausschließlich aus einem metallischen Gewebe 24 beispielsweise aus Stahl, Kupfer oder Aluminium besteht. Das metallische Gewebe 24 bildet also die poröse Schicht des Trägermaterials 10. Auf dem metallischen Gewebe 24 ist eine Gleitschicht 16 beispielsweise auf PTFE-Basis oder auf Basis eines thermoplastischen Kunststoffes unter Ausbildung einer Grenzfläche 18 aufgebracht. Die freie Oberfläche der Gleitschicht bildet die Gleitfläche 20. Die Gleitschicht ist eine mitteldicke oder dicke Gleitschicht mit einer Dicke d von mindestens 50 pm.

Eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleitelements in Form eines Zweischichtsystems ist in Figur 4 gezeigt. Es besteht aus einem metallischen Trägermaterial 10, welches ausschließlich aus einem Streckmetall 26 beispielsweise aus Stahl, Kupfer oder Aluminium besteht. Das Streckmetall 26 bildet also die poröse Schicht des Trägermaterials 10. Auf dem Streckmetall 26 ist eine Gleitschicht 16 beispielsweise auf PTFE-Basis oder auf Basis eines thermoplastischen Kunststoffes unter Ausbildung einer Grenzfläche 18 aufgebracht. Die freie Oberfläche der Gleitschicht bildet die Gleitfläche 20. Die Gleitschicht ist eine mitteldicke oder dicke Gleitschicht mit einer Dicke d von mindestens 50 pm.

Wie in den Figuren 3 und 4 zu sehen ist, durchdringt das Matrixmaterial (PTFE oder thermoplastischer Kunststoff) der Gleitschicht beim Aufträgen bzw. Aufwalzen auf die offenporige Struktur des metallischen Gewebes 24 bzw. des Streckmetalls 26. Da die Maschenweite des metallischen Gewebes 24 wie auch die Porengröße des Streckmetalls 26 in den Beispielen der Figuren 3 und 4 auch größer sein kann als die kleinste Ausdehnung der leitfähigen Partikel, können diese zusammen mit dem Matrixmaterial auch innerhalb der offenporigen Struktur vorzufinden sein, hier nicht dargestellt.

Tabelle 1

In Tab. 1 sind der Schichtaufbau verschiedener Beispiele von Lagerelementen einschließlich der in der Gleitschicht enthaltenen Additive sowie das Ergebnis einer elektrischen Widerstandsmessung an diesen Lagerelementen wiedergegeben. Die Beispiele 1 bis 6 repräsentieren Vergleichsbeispiele ohne die erfindungsgemäßen leitfähigen Partikel. Die Beispiele 1 a bis 6a sind Ausführungsbeispiele der Erfindung mit leitfähigen Partikeln.

Als Substrat- oder Trägermaterial enthalten die Beispiele 1 und 1 a ein CuSnI O-Bronzegewebe mit einem Drahtdurchmesser von 0,25 mm. Die Beispiele 2 und 2a enthalten als Trägermaterial ein Stahl-Streckmetall auf Basis eines 0,3 mm dicken Stahls. In den Beispielen 3 bis 6 und 3a bis 6a dient ein blanker, geschliffener Stahl mit einem aufgesinterten Bronzegerüst mit einem Porenvolumen von 35% als Trägermaterial.

Diese Substrate sind mit Schichten auf PTFE-Basis (Beispiele 1 bis 3 und 1 a — 3a) sowie mit Schichten auf Thermoplastbasis (Beispiele 4 bis 6 und 4a bis 6a) kombiniert.

Als Leitfähigkeitszusatz verwendet wurden wie in Tabelle 1 angegeben Bronze- und Aluminiumchips, längliche, gewundene Partikel, hergestellt als Dreh- oder Frässpäne der entsprechenden Werkstoffe, Bronze-Kurzfasern, sowie kugelige und spratzige Bronzepartikel. Die Partikelform ist neben Verfügbarkeits- und Kostengesichtspunkten danach ausgewählt welche Partikelgrößen für die jeweiligen Anwendungen bzw. Gleitschichtdicken benötigt werden. Grundsätzlich sind die Partikel in den Beispielkombinationen daher austauschbar.

In den erfindungsgemäßen Beispielen der Tabelle 1 sind die leitfähigen Partikel jeweils so ausgewählt, dass der d50-Wert der kleinsten Ausdehnung mindestens 90% der Schichtdicke entspricht. Bedingt durch die Herstellung variieren die Messergebnisse für die Schichtdicken, wenn man diese an mehreren Stellen oder an mehreren Stücken ermittelt. Deshalb hierfür ein Bereich angegeben wird.

Der elektrische Widerstand über die die Gesamtdicke des Lagerelements wird gemessen mit einer aus zwei als Kontakte dienenden Blöcken bestehenden Vorrichtung, die sowohl eine durch die Blöcke bestimmte Kontaktfläche vorgibt, als auch die Werkstoffprobe definiert belastet, da die Werkstoffprobe die Ränder der Kontaktblöcke vollständig überlappt. Hierdurch werden vergleichbare Kontaktierungsbedingungen erzeugt. Die Kontaktfläche beträgt 28,3 cm² und die Probe wird mit 220 N belastet.

Fig. 5 zeigt den Verlauf des elektrischen Widerstands und der Verschleißfestigkeit ausgehend von dem Gleitelement gemäß Beispiel Nr. 1 mit zunehmendem Volumenanteil zugesetzter leitfähiger Partikel, hier Bronzechips. Die dem Beispiel Nr. 1 a entsprechende Menge ist in der Kurve markiert. Die Verschleißfestigkeit wurde an einem Oszillationsprüfstand an Buchsen der Abmessung 15 mm x 22 mm x 25 mm (Breite x Innendurchmesser x Außendurchmesser) bei einer Belastung von 35 MPa und einer mittleren Gleitgeschwindigkeit von 0,07 m/s gemessen. Wiedergegeben ist die Dickenabnahme der Gleitschicht in pm normiert auf die Reibweglänge (Lagerumfang x Umdrehungen) in km.

Aus dem Kurvenverlauf der Widerstandsmessung ist deutlich erkennbar, dass ab ca. 0,05 VoL-% Bronzechips bezogen auf das Volumen der Gleitschicht der elektrische Widerstand schnell bis zum Minimum sinkt (bzw. die elektrische Leitfähigkeit schnell bis zum Maximum ansteigt). Aus dem Kurvenverlauf der Verschleißmessung ist ebenso deutlich erkennbar, dass mit einem über 1 ,2 Vol.- % liegenden Volumenanteil Bronzechips die Verschleißfestigkeit der Gleitschicht stark abfällt. Aus beiden Beobachtungen ergibt sich als bevorzugter Wertebereich A-A‘ für den zu verwendenden Volumenanteil der leitfähigen Partikel bezogen auf das Volumen der Gleitschicht von 0,1 bis 1 ,2 VoL-%. Besonders bevorzugt ist der Wertebereich B-B‘ von 0,2 bis 0,9 VoL-%.

Diese Mengenangabe entspricht etwa 1 -10 Kontaktpunkte pro cm² auf Gleitfläche. Dieser Wertebereich stellt unabhängig vom Materialtyp eine ausreichende Leitfähigkeit sicher. Unter Berücksichtigung der Größe der Gleitelemente bzw. der Gleitflächen empfiehlt es sich bei sehr kleinen Gleitlagern aus statistischen Gründen eine höhere Dichte von Kontaktpunkten zu wählen als bei sehr großen.

Versucht man, die Leitfähigkeit der Gleitelemente auf das gleiche Niveau mit anderen Zusätzen in der Kunststoffgleitschicht anzuheben, werden zum Beispiel > 15 VoL-% Graphit oder > 5 VoL-% Leitruß benötigt. Das Diagramm in Fig. 6 veranschaulicht diesen Zusammenhang zwischen den für die gleiche Leitfähigkeit benötigten Volumenanteilen verschiedener Zusätze im Vergleich zur erfindungsgemäßen Lösung. Hierdurch verschlechtern sich jedoch die tribologischen Eigenschaften der Gleitschichten so erheblich, dass das Gleitelement für eine Vielzahl von Anwendungen unbrauchbar wäre. Dies gilt insbesondere für mitteldicke und dicke Gleitschichten, die durch größere Anteile von feinverteilten leitfähigen Zusätzen in Ihrer tribologischen Stabilität besonders beeinträchtigt werden. Ein Bereich, wie in Fig. 5 dargestellt, bei dem einerseits die tribologischen Eigenschaften und andererseits die Leitfähigkeit gleichzeitig nahe ihrem erreichbaren Optimum liegen, lässt sich durch einfache Modifikation bekannter Zusammensetzungen nicht finden.

Es kann zusammenfassend festgestellt werden, dass erst durch den erfindungsgemäßen Zusatz von wenigen, größeren leitfähigen Partikeln eine im Hinblick auf die Leitfähigkeit und die Verschleißfestigkeit befriedigende Lösung ermöglicht wird. Nachfolgend wird die Herstellung der beispielhaften Gleitelemente beschrieben:

Beispiele 1 -3, 1 a-3a.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Werkstoffe und der Referenzwerkstoffe auf PTFE-Basis erfolgt in bekannter Weise durch

• Vordispergieren der Zusätze außer PTFE und erfindungsgemäße Partikel in Wasser und Netzmittel mittels geeignetem Mischwerkzeug wie Dissolver o.ä.;

• Zusatz einer wässrigen PTFE-Dispersion einer Konzentration zw. 20 und 40 Gew.-% und homogenes Vermischen;

• Koagulation des PTFE durch Zusatz geeigneter Salze, z.B. Aluminiumnitrat oder Säuren, z.B. Zitronensäure;

• Rühren zur Verfestigung der Masse, ggfs. unter Wasserentnahme und Zugabe eines Lösungsmittels (z.B. Toluol) bis zur Konsistenz, die für das Aufwalzen benötigt wird;

• Die Zugabe der Leitfähigkeitspartikel erfolgt nach der Fällung während der Verfestigung der Masse. Hierdurch wird eine Entmischung aufgrund höherer Dichte vermieden;

• Aufwalzen der Masse auf das Trägermaterial;

• Erwärmen des beschichteten Trägermaterials in einem Ofen auf eine Temperatur über dem PTFE Schmelzpunkt (327°C), z.B. auf 370°C für mindestens 90 s und

• Verwalzen des heißen beschichteten Trägermaterials auf die benötigte Enddicke.

Alternativ können auch andere Verfahren zum Einsatz kommen, z.B. die Herstellung einer Mischung von pulverförmigem PTFE mit den Zusätzen in einem organischen Lösungsmittel, die dann auf das Trägermaterial aufgewalzt wird.

Beispiele 4-6, 4a -6a

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Werkstoffe und der Referenzwerkstoffe auf Thermoplast-

Basis kann in bekannter Weise z.B. durch folgende Schritte erfolgen: • Vermischung aller Bestandteile in Pulverform in einem geeigneten Pulvermischer;

• Aufstreuen des Pulvergemisches auf das Trägermaterial mit einer Rakelvorrichtung; • Erhitzen des bestreuten Trägermaterials auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Themoplasten, bei PEEK z.B. auf 390°C;

• Verwalzen der Schmelze mit dem Trägermaterial; • Ggfs. weiteres Erwärmen und Halten bei einer thermoplastspezifischen Prozesstemperatur und

• Verwalzen des heißen beschichteten Trägermaterials auf die benötigte Enddicke. Alternativ können auch andere Verfahren zum Einsatz kommen, z.B. die Herstellung einer Kunststoff-Folie durch Schmelzextrusion des Komponentengemisches und Aufwalzen dieser Folie auf das Trägermaterial.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Gleitelement mit einem metallischen Trägermaterial und einer darauf aufgebrachten Gleitschicht auf der Basis von PTFE oder thermoplastischem Kunststoff, wobei die Gleitschicht eine Grenzfläche zum Trägermaterial und eine Gleitfläche für den Kontakt mit einem Gegenläufer ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht leitfähige Partikel enthält, die sich jeweils einzeln innerhalb der Gleitschicht mindestens von der Grenzfläche bis zur Gleitfläche erstrecken.

2. Gleitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den leitfähigen Partikeln um metallische Partikel handelt.

3. Gleitelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikeln aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen davon bestehen.

4. Gleitelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der d50 Wert der kleinsten Ausdehnung der Partikel mindestens 90% der Gleitschichtdicke und der d90 Wert der kleinsten Ausdehnung der Partikel nicht größer als 300% der Gleitschichtdicke ist.

5. Gleitelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der leitfähigen Partikel, bezogen auf das Volumen der Gleitschicht 0,1 — 1 ,2 % beträgt.

6. Gleitelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der leitfähigen Partikel, bezogen auf das Volumen der Gleitschicht 0,2 - 0,9 % beträgt.

7. Gleitelement nach einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Dichte der durch die leitfähigen Partikel entlang der Gleitfläche hergestellten Kontakte 1 cm^-2 - 10 cm^-2 beträgt.

8. Gleitelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Gleitschicht überwiegend aus PTFE besteht. Gleitelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht eine Dicke von über 50 pm aufweist. Gleitelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Trägermaterial aus einer einzelnen Stützmetallschicht oder einem Schichtverbund mit einer Stützmetallschicht und einer Lagermetallschicht gebildet ist. Gleitelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützmetallschicht oder die Lagermetallschicht zumindest nahe der Grenzfläche porös ist. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Trägermaterial aus Stahl mit einer aufgesinterten Bronze besteht. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Trägermaterial ausschließlich aus einer einzelnen Stützmetallschicht aus Stahl, einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist. Gleitelement nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Trägermaterial ausschließlich aus einem metallischen Gewebe oder Streckmetall aus Stahl, Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen besteht.