DE10226264B4

DE10226264B4 - Gleitlagerverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE10226264B4
Application number: DE10226264A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr.-Ing. Haupert; Wolfgang Bickle
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2022-06-08
Also published as: DE10226264A1

Abstract

Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht, gegebenenfalls mit einer darauf aufgebrachten porösen Trägerschicht, und mit einer eine Gleitfläche für einen Gleitpartner bildenden bleifreien Gleitschicht mit einem Gleitschichtmaterial auf Kunststoffbasis mit PEEK und einem Schmierstoff in Form feiner Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial PEEK als matrixbildende Kunststoffkomponente und ferner eine härtende Komponente, die aus Titandioxid und/oder Siliziumcarbid besteht, aufweist, und dass der Schmierstoff und die härtende Komponente beide in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 500 nm vorliegen und der gewichtsprozentuale Anteil des Schmierstoffs in Form von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat und der härtenden Komponente bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials jeweils 3–15 Gew.-% beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht, gegebenenfalls mit einer darauf aufgebrachten porösen Trägerschicht, und mit einer eine Gleitfläche für einen Gleitpartner bildenden bleifreien Gleitschicht mit einem Gleitschichtmaterial auf Kunststoffbasis mit PEEK und einem Schmierstoff in Form feiner Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat.

Ein derartiger Gleitlagerverbundwerkstoff ist aus DE 36 01 569 A1 bekannt. Dieser Druckschrift ist auch zu entnehmen, dass die Korngröße des Schmierstoffs Zinksulfid und/oder Bariumsulfat 0,1–1,0 μm betragen soll mit einer mittleren Korngröße von 0,3 μm. Ferner sind die Festigkeit erhöhende Zusätze von Glasfasern, Glasperien, Kohlefasern, Keramikfasern oder Aramidfasern erwähnt. Die Fasern haben eine bevorzugte Länge von 50–300 μm, und der Durchmesser der Glasperlen wird mit 1–50 μm angegeben.

Gleitlager aus Gleitlagerverbundwerkstoffen mit einer Gleitschicht auf Kunststoffbasis haben in der Technik eine weite Verbreitung gefunden, und zwar für weitestreichende Anforderungsbereiche, etwa im Hinblick auf die Belastbarkeit, Chemikalienbeständigkeit oder die Temperaturbeständigkeit. Es sind Thermoplaste bekannt und erhältlich, bei denen jedoch die Temperaturbeständigkeit nur für Betriebstemperaturen bis ca. 90°C gewährleistet werden kann; es sind dies beispielsweise ABS, Hochdruck-Polyethylen (HD-PE), PVC, Polysulfon (PS) und andere. Es existiert aber auch eine Anzahl von sogenannten technischen Thermoplasten, die sich für Einsatztemperaturen bis ca. 150°C eignen, wie z. B. POM, PET, PA.

Die vorliegende Erfindung betrifft solche Gleitlagerverbundwerkstoffe, die sich für den Einsatz bei Dauergebrauchstemperaturen von oberhalb 180°C eignen sollen. Sie sollen dabei aber auch sehr gute tribologische Eigenschaften und günstige mechanische Kennwerte im Hinblick auf Umformbarkeit sowie eine hohe Chemikalienbeständigkeit aufweisen. Zudem wird an den Gleitlagerverbundwerkstoff die Forderung gestellt, dass er sich in einem industriell durchführbaren Herstellungsverfahren produzieren lässt.

Diese Aufgabe wird durch einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es wurde mit der Erfindung festgestellt, dass der Teilchengröße des Schmierstoffs, welcher der matrixbildenden Kunststoffkomponente PEEK zugesetzt ist, eine wichtige Bedeutung zukommt. Unter Verwendung von feinen Teilchen im beanspruchten Bereich lässt sich eine "dichte" homogene Verteilung dieser Stoffe in der PEEK-Kunststoffmatrix erreichen. Es wurde festgestellt, dass auf diese Weise eine Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gleitlagerverbundwerkstoffs sowohl im Hinblick auf geringe Verschleißraten als auch im Hinblick auf einen günstigen Reibkoeffizienten erreichen lässt. Die erwähnte härtende Komponente und der Schmierstoff des Gleitschichtmaterials liegen vorzugsweise in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 400 nm, vorzugsweise von 100–350 nm vor. Der vorerwähnte D50-Wert der Teilchengröße bezeichnet eine Teilchengröße, bezüglich der 50 Gew.% des betreffenden Stoffs mit einer demgegenüber größeren Teilchengröße und 50 Gew.% mit einer demgegenüber kleineren Teilchengröße vorliegen. Da es sich bei den zuzusetzenden Schmierstoffpartikeln und bei den Partikeln der härtenden Komponente in Form von Titandioxid und/oder Siliziumcarbid um in technischen Verfahren herzustellende bzw. nach technischen Verfahren sortierte pulverförmige Partikel handelt, wird üblicherweise eine glockenförmige oder annähernd Normalverteilungsform aufweisende Teilchengrößenverteilungskurve resultieren. Der D50-Wert der Teilchengröße wird dann in der Nähe des Maximums der glockenförmigen Verteilungskurve liegen. Es erweist sich im Sinne der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft, wenn die glockenförmige Verteilungskurve derart ist, dass sich wenigstens 60%, insbesondere wenigstens 70% und vorzugsweise wenigstens 80 Gew.% des betreffenden Stoffs mit einer Teilchengröße innerhalb eines Teilchengrößenbereichs um das Glockenmaximum herum oder um den D50-Wert herum von ± 50% dieses Werts vorliegen, also beispielsweise bei einem D50-Wert von 330 nm in einem Teilchengrößenbereich von 330 nm ± 165 nm, also von 165 nm bis 495 nm.

Es hat sich des Weiteren als zweckmäßig erwiesen, wenn eine Teilchengrößenverteilung derart ist, dass der Summenrückstand in Gewichtsprozent bei einer Siebanalyse mit variierender Maschenweite t, insbesondere zwischen 1 μm und 100 nm, durch folgende Beziehung beschrieben werden kann:

wobei in besonders vorteilhafter Weise die charakteristische Korngröße d zwischen 0,34 und 0,54 μm und der Formparameter β der Verteilung zwischen 2,4 und 3,4 beträgt. Eine bevorzugte Verteilung ist gekennzeichnet durch eine charakteristische Korngröße von 0,440 μm (440 nm) und einem Formparameter β von 2,87.

Der Gleitlagerverbundwerkstoff mit Polyetheretherketon (PEEK) als matrixbildender Kunststoffkomponente erweist sich als hochtemperaturstabil, d. h. er kann bei Temperaturen oberhalb von 180°C, beispielsweise 190 bis 250°C, dauerhaft eingesetzt werden. Zwar würde sich Polyphenylsulfon (PPS) als matrixbildende Kunststoffkomponente eines Gleitschichtmaterials aufgrund seiner Temperaturstabilität bis 260°C zumindest grundsätzlich eignen; PPS bildet jedoch eine im Hinblick auf ihr Haltevermögen ungenügende Matrix, die gerade beim Umformen zum Aufplatzen neigt und auch im Hinblick auf ihre tribologische Leistungsfähigkeit an diejenige von PEEK nicht anzuschließen vermag.

Die vorliegende Erfindung schließt zwar nicht aus, dass neben PEEK als matrixbildender Kunststoffkomponente noch ein oder mehrere weitere Thermoplaste in dem Gleitschichtmaterial enthalten sein dürfen. Ihr Anteil sollte aber nicht mehr als 20 Gew.-%, insbesondere nicht mehr als 10 Gew.-% des Anteils der Kunststoffkomponente in dem Gleitschichtmaterial betragen. Vorzugsweise ist die Kunststoffkomponente zu 100% von PEEK gebildet.

Es erweist sich des weiteren als vorteilhaft, wenn die feinen Teilchen des Schmierstoffs einen D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 400 nm, insbesondere von 100–350 nm aufweisen. Der gewichtsprozentuale Anteil des Schmierstoffs in Form feiner Teilchen bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials beträgt vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%.

Des weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Gleitschichtmaterial zur Erhöhung des Verschleißwiderstands eine härtende Komponente in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 400 nm, insbesondere von 100 nm bis 350 nm aufweist. Dadurch, dass die härtende Komponente in Form feiner Teilchen im beanspruchten Größenbereich vorliegt, wird eine Härtung des Materials, also eine Erhöhung des Verschleißwiderstands, erreicht, ohne dass der Reibkoeffizient in nachteiliger Weise wesentlich erhöht wurde. Der gewichtsprozentuale Anteil der härtenden Komponente bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials beträgt vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-%.

Des weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Gleitschichtmaterial zusätzlich Kohlenstofffasern aufweist, bei denen es sich vorzugsweise um Kurzfasern einer Länge von 50 bis 250 μm, insbesondere von 60 bis 150 μm handelt. Es wurde nämlich festgestellt, dass solchenfalls eine sehr homogene Verteilung der Kohlenstofffasern im Gleitschichtmaterial auch innerhalb der Poren der gegebenenfalls vorgesehenen porösen Trägerschicht erreicht wird. Kohlenstofffasern im genannten Längenbereich lassen sich also leicht in eine poröse Trägerschicht einarbeiten, so dass sie dort im wesentlichen mit derselben Konzentration oder "Dichte" vorliegen wie oberhalb der Trägerschicht. Hierdurch kann die Wärmeleitfähigkeit weiter verbessert werden, indem die entstehende Wärme an die poröse Trägerschicht effektiv abgeleitet werden kann. Es haben sich Kohlenstofffasern mit einer Dicke von 8 bis 15 μm als vorteilhaft erwiesen.

Der eingangs erwähnte Schmierstoff ist von feinen Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat gebildet. Es wurde festgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoff gerade bei dessen Einsatz unter Extremlastbedingungen auf den Zusatz von PTFE, das in üblichen Gleitwerkstoffen zwischen 2 und 15 Gew.-% vorhanden ist, verzichtet werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass der an sich erwünschte Einfluss von PTFE auf die tribologischen Eigenschaften einer Werkstoffzusammensetzung von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat erbracht werden kann.

Des weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Gleitschichtmaterial Zusätze von Graphitpartikeln in einem gewichtsprozentualen Anteil bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials von 5 bis 15 Gew.-% aufweist.

Es wurde des weiteren festgestellt, dass das erfindungsgemäße Gleitschichtmaterial hervorragend auf einer metallischen Stützschicht haftet und demgemäß auf eine poröse Trägerschicht auch verzichtet werden kann.

Mit dem nachfolgenden Verfahren kann der erfindungsgemäße Gleitlagerverbundwerkstoff hergestellt werden:

– Zuführen eines die Trägerschicht bildenden Bandmaterials und Vorerwärmen des Bandmaterials,
– Bilden eines bandförmigen Gleitschichtmaterials aus dem zuvor gemischten und erschmolzenen Gleitschichtmaterial durch Extrudieren der Schmelze,
– Zuführen des bandförmigen Gleitschichtmaterials auf das die Trägerschicht bildende Bandmaterial und Zusammenfügen unter Druck und bei Temperaturen von 300 bis 500°C.

Durch das Extrudieren des Kunststoffgleitmaterials in eine dünne Bandform, das Aufbringen des Bands auf das erhitzte Trägerband ergeben sich wesentliche Vorteile, und zwar hat es sich gezeigt, dass das Kunststoffgleitmaterial auf diese Weise ohne vorheriges Zermahlen zu erfordern in die Poren der porösen Trägerschicht eingebracht werden kann.

Claims

Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht, gegebenenfalls mit einer darauf aufgebrachten porösen Trägerschicht, und mit einer eine Gleitfläche für einen Gleitpartner bildenden bleifreien Gleitschicht mit einem Gleitschichtmaterial auf Kunststoffbasis mit PEEK und einem Schmierstoff in Form feiner Teilchen von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial PEEK als matrixbildende Kunststoffkomponente und ferner eine härtende Komponente, die aus Titandioxid und/oder Siliziumcarbid besteht, aufweist, und dass der Schmierstoff und die härtende Komponente beide in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 500 nm vorliegen und der gewichtsprozentuale Anteil des Schmierstoffs in Form von Zinksulfid und/oder Bariumsulfat und der härtenden Komponente bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials jeweils 3–15 Gew.-% beträgt.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff und/oder die härtende Komponente in Form feiner Teilchen mit einem D50-Wert der Teilchengröße von höchstens 400 nm, insbesondere von 100–350 nm vorliegen
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtsprozentuale Anteil des Schmierstoffs in Form feiner Teilchen bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials 5–15 Gew.-% des Gleitschichtmaterials beträgt.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtsprozentuale Anteil der härtenden Komponente bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials 5–15 Gew.-% beträgt.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial zusätzlich Kohlenstofffasern aufweist.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern eine Länge von 50–250 μm, insbesondere 60–150 μm aufweisen.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern eine Dicke von 8–15 μm aufweisen.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial Zusätze von Graphitpartikeln in einem gewichtsprozentualen Anteil bezogen auf die Masse des Gleitschichtmaterials von 5–15 Gew.-% aufweist.