DE1246255B

DE1246255B - Werkstoff fuer selbstschmierende Lager

Info

Publication number: DE1246255B
Application number: DEP31584A
Authority: DE
Inventors: William John Davis
Original assignee: Polymer Corp
Current assignee: Polymer Corp
Priority date: 1962-04-13
Filing date: 1963-04-13
Publication date: 1967-08-03
Also published as: CH418738A; GB1034094A; SE307016B; FR1355167A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche KL: 40 b-1/10

Nummer: 1 246 255

Aktenzeichen: P 31584 VI a/40 b

Anmeldetag: 13. April 1963

Auslegetag: 3. August 1967

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für selbstschmierende Lager, wie z. B. Metall-Lager oder andere gleitend beanspruchte Teile und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Lager. Insbesondere betrifft die Erfindung gesinterte Metall-Lager, die in ihren Zwischenräumen Polytetrafluoräthylen als Schmiermittel enthalten.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines selbstschmierenden Lagers, das besonders für den Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet ist und einen niedrigen Reibungskoeffizienten und hohe Elektrizitäts- und Wärmeleitzahlen besitzt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Werkstoff für selbstschmierende Lager, bestehend aus gesintertem Metall und Polytetrafluoräthylen, das in den Zwischenräumen des gesinterten Metalls enthalten ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Polytetrafluoräthylen wachsartig ist.

Als polymeres Schmiermittel wird demnach erfindungsgemäß ein bestimmtes Polytetrafluoräthylen verwendet. Dieses wachsartige Polytetrafluoräthylen ist ein thermisch abgebautes Polytetrafluoräthylen. Es unterscheidet sich vom üblichen Polytetrafluoräthylen durch seinen scharfen Schmelzpunkt, ist jedoch sonst dem üblichen Polytetrafluoräthylen sehr ähnlich, insbesondere mit Bezug auf seinen niedrigen Reibungskoeffizienten.

Die neuen Lager werden erhalten, indem man Polytetrafluoräthylen durch thermischen Abbau in seinen wachsartigen Zustand überführt, das so erhaltene thermisch abgebaute Polytetrafluoräthylen mit einem feinzerkleinerten Metall mischt, die Mischung zu dem gewünschten ungesinterten Gegenstand verformt und verdichtet und diesen dann auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß das Metall sintert. Auf diese Weise wird ein standfestes Metall-Lager erhalten, das einen niedrigen Reibungskoeffizienten und hohe Elektrizitäts- und Wärmeleitzahlen besitzt, selbstschmierend ist und für den Betrieb bei hohen Temperaturen verwendet werden kann.

Die Metalle, mit. denen sich die Erfindung befaßt, sind insbesondere diejenigen, die bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (z. B. unter etwa 55O⁰C) gesintert werden können und auch elektrisch und thermisch gut leitfähig sind, wie Kupfer und Silber; Silber ist besonders geeignet.

Die Herstellung von thermisch abgebautem Polytetrafluoräthylen ist nicht ein Teil der vorliegenden Erfindung; sie geschieht wie folgt:

Thermisch abgebautes oder wachsartiges Polytetrafluoräthylen wird hergestellt, indem handelsübliches Polytetrafluoräthylen so lange Temperaturen oberhalb Werkstoff für selbstschmierende Lager

Anmelder:

The Polymer Corporation,

Reading, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,

Dipl.-Ing. G. E. M. Dannenberg

und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Als Erfinder benannt:

William John Davis, Wyomissing, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 13. April 1962 (187 183)

der Übergangstemperatur von Polytetrafluoräthylen ausgesetzt wird, bis das Polytetrafluoräthylen aus der Gelform in eine bewegliche Flüssigkeit umgewandelt worden ist. Diese Umwandlung kann z. B. durchgeführt werden, indem das Polytetrafluoräthylen eine gewisse Zeit, im allgemeinen weniger als ¹Z₂ Stunde, auf etwa 540 bis 820° C erhitzt wird.

Zweckmäßigerweise wird das Polytetrafluoräthylen während der thermischen Zersetzung leicht gerührt und diese Zersetzung in einem Ofen mit gutem Abzug durchgeführt, da sich bestimmte Zersetzungsprodukte bilden, die schädliche fluorhaltige Verbindungen enthalten.

Nachdem das Polytetrafluoräthylen zu einer beweglichen Flüssigkeit umgewandelt worden ist, kann es auf Zimmertemperatur abgekühlt werden. Das so erhaltene Material besitzt häufig eine schmutziggraue Färbung, die wahrscheinlich auf die Anwesenheit von freiem Kohlenstoff zurückzuführen ist. Außerdem enthält es bestimmte niedrigsiedende polymere Stoffe, die vorzugsweise durch Abdampfen entfernt werden. Nach der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher das thermisch abgebaute Polytetrafluoräthylen auf eine geeignete Teilchengröße zermahlen und in einen auf erhöhte Temperatur (etwa 320 bis 430° C) gehaltenen Ofen eingesetzt, um das freie kohlenstoffhaltige Material zu oxydieren und die in ihm enthaltenen niedrigsiedenden Stoffe zu verflüchtigen. Diese Verfahrensstufe wird der Einfachheit halber als »Wärmestabilisierung« be-

709 619/545

zeichnet. Die Beendigung dieser Wärmestabüisierung kann deutlich beobachtet werden, da die Farbe des thermisch abgebauten Polytetrafluoräthylens von einem schmutzigen Grau nach einem fast reinen Weiß umschlägt. Anstatt das thermisch abgebaute Polytetrafiuoräthylen auf Zimmertemperatur abzukühlen, zu zermahlen und erneut zu erhitzen, kann es auch von den Zersetzungstemperaturen auf etwa 320 bis 43O⁰C abgekühlt und so lange auf dieser Temperatur gehalten werden, bis es wärmestabilisiert worden ist.

Das so erhaltene wachsartige Polytetrafluoräthylen besitzt einen verhältnismäßig scharfen Schmelzpunkt zwischen etwa 310 und 320⁰C. Unterhalb dieser Temperatur gleicht das wachsartige Polytetrafluoräthylen im Aussehen und der Konsistenz einem harten Wachs und oberhalb dieser Temperatur verwandelt es sich plötzlich in eine Flüssigkeit verhältnismäßig geringer Viskosität.

Infolge der geringen Viskosität des wachsartigen Polytetrafluoräthylens kann es bei Temperaturen oberhalb seines Schmelzpunktes in die Zwischenräume eines Metallgegenstandes einfließen. Diese geringe Viskosität ermöglicht auch, daß das nachstehend beschriebene Sintern ohne Druckbildungen im Innern des ungesinterten Gegenstandes durchgeführt werden kann, so daß die innere Struktur des ungesinterten Gegenstandes nicht zerstört wird (wie es jedoch bei Verwendung von üblichem Polytetrafluoräthylen der Fall wäre), obgleich die Sintertemperaturen wesentlich über der Übergangstemperatur des wachsartigen Polytetrafluoräthylens liegen. Bedingt durch die niedrige Viskosität vermag auch das wachsartige Polytetrafluoräthylen bei hohen Temperaturen und starker Belastung aus dem Metallgegenstand auszutreten, und es wirkt somit als »flüchtiges« Schmiermittel, das auf die Lagerflächen gelangt, wie es bei den auftretenden Drücken und den Arbeitstemperaturen erforderlich ist. Hierdurch ergibt sich ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Verwendung des handelsüblichen Polytetrafluoräthylens. Vor allem kann beim Sintern des Metalls auch die Schmelztemperatur des Polytetrafluoräthylens überschritten werden, was bei der Verwendung des handelsüblichen Polytetrafluoräthylens nicht erfolgen

darf. .

Beispiel

Es wurde wachsartiges Polytetrafluoräthylen hergestellt, indem 200 g handelsübliches Polytetrafluoräthylen in eine Eindampfungsschale gegeben wurden. Die Schale wurde in einen elektrischen Ofen eingesetzt und etwa 20 Minuten auf einer Temperatur von etwa 600⁰C erhitzt. Während dieser Zeit wurde das Material gelegentlich durchgerührt, und die sich bildenden Dämpfe wurden ständig aus dem Ofen abgezogen. Nach dieser Zeit war die gelartige Struktur des Polytetrafluoräthylens verschwunden, und es hatte sich eine bewegliche Flüssigkeit gebildet. Die das abgebaute Polytetrafluoräthylen enthaltende Eindampfungsschale wurde dann dem Ofen entnommen und auf Zimmertemperatur abgekühlt. Dieses Material wurde dann in einer Waring-Mischvorrichtung auf eine Teilchengröße unter 2,4 mm zerkleinert, dann in einer dünnen Schicht ausgebreitet und etwa 3 Stunden auf etwa 38O⁰C erhitzt. Während dieser Wärmestabüisierung schlug die Farbe des wachsartigen Polytetrafluoräthylens von einem schmutzigen Grau nach einem reinen Weiß um.

Nach der Wärmestabilisierung wurde das wachsartige Polytetrafluoräthylen erneut auf Zimmertemperatur abgekühlt, in einem Waring-Mischer zerkleinert und dann zermahlen, bis es durch ein 80-Maschen-Sieb (Teilchengröße kleiner als 0,177 mm) hindurchging. Dem so erhaltenen Produkt wurde dann feinzerkleinertes Silber (Teilchengröße unter 0,044 mm) und, als Härtemittel für das Silber, feinzerkleinertes Cadmiunioxyd (Teilchengröße unter 0,044 mm) zugegeben. Die einzelnen Komponenten wurden in folgenden Mengen verwendet:

Material	Gewicht g	Volumprozent
Silber ¹³ Wachsartiges Polytetra fluoräthylen Cadmiumoxyd	10,59 2,2 8,5	79,5 9,6 10,9

so Diese Mischung wurde dann in eine Abbey-Kugelmühle gegeben und etwa 3 Stunden vermählen, wobei Kugeln von 0,225 kg Gewicht benutzt wurden. Hierauf wurde das Material auf eine Teilchengröße unter 0,044 mm gesiebt. Aus dem so erhaltenen Material wurden dann kleine Zylinder eines Durchmessers von etwa 0,6 cm und einer Länge von etwa 0,6 cm bei einem Druck von etwa 3800 kg/cm² gepreßt. Die auf diese Weise hergestellten ungesinterten Zylinder wurden dann 2 Stunden bei etwa 38O⁰C gesintert.

Die so erhaltenen Probestücke besaßen ausgezeichnete Eigenschaften als Lager; der Reibungskoeffizient war gering, und die thermische und elektrische Leitfähigkeit waren hoch.
Außer als Lager können die erfindungsgemäßen Werkstoffe auch für andere Zwecke benutzt werden, z. B. zur Herstellung von elektrischen Kontaktgebern, wie Bürsten für Motoren und Generatoren, elektrische Regelvorrichtungen, wie Stromunterbrecher, Spannungsregler und Motorregler. Es wurde nämlich gefunden, daß die mit Polytetrafluoräthylen überzogenen Metallgegenstände außer ihrem geringen Reibungskoeffizienten und guten elektrischen Eigenschaften auch noch den Vorteil haben, daß sie in elektrischen Kontaktvorrichtungen für Funken- und Lichtbogenanfressungen weniger anfällig sind, was wahrscheinlich auf den schützenden Überzug aus Polytetrafluoräthylen zurückzuführen ist. Die erfindungsgemäß hergestellten Lager eignen sich auch sehr gut zur Verwendung in großen Höhen oder im Weltraum. Es ist bekannt, daß viele Schmiermittel keine befriedigende Wirkung besitzen, wenn nicht eine gewisse Menge Feuchtigkeit auf der Oberfläche vorhanden ist. Aus diesem Grund besitzen auch die üblichen festen Schmiermittel, wie Graphit, außerhalb der Erdatmosphäre keine gute Schmierwirkung mehr, während dieser Nachteil für das wachsartige Polytetrafluoräthylen nicht zutrifft.

Es ist auch noch darauf hinzuweisen, daß die genannten Sintertemperaturen wesentlich niedriger sind, als sie üblicherweise zum Sintern von Metallen angewendet werden, und daß die absolute Festigkeit, die durch Erhitzen von pulverisierten Metallen auf hohe Sintertemperaturen erzielt werden kann, nicht erreicht wird. Die Sintertemperaturen sind indessen doch so hoch, daß brauchbare standfeste Gegenstände erhalten werden und gewährleistet ist, daß das Metall so stark gesintert ist, daß es in einer kontinuierlichen Phase vorliegt.

Claims

Patentansprüche:

1. Werkstoff für selbstschmierende Lager oder andere gleitend beanspruchte Teile, bestehend aus gesintertem Metall und Polytetrafluoräthylen, das in den Zwischenräumen des gesinterten Metalls enthalten ist, dadurchgekennzeichnet, daß das Polytetrafluoräthylen wachsartig ist.

2. Lagerwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Sintertemperatur unter 550°C besitzt.

3. Lagerwerkstoff nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Metall von hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit verwendet wird.

4. Lagerwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Silber oder Kupfer besteht.

5. Lagerwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Silber besteht, das Silber in einer Menge von 75 bis 95 Volumprozent und das wachsartige Polytetrafluoräthylen in einer Menge von 5 bis 25 Volumprozent vorhanden ist.

6. Lagerwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben Silber noch Cadmiumoxyd enthalten ist.

7. Lagerwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Cadmiumoxyd in einer Menge von 5 bis 10 Volumprozent vorhanden ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Lagers aus dem Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man wachsartiges Polytetrafluoräthylen innig mit einem feinzerkleinerten Metall vermischt, die Mischung zu dem gewünschten Lager verpreßt, das dann so lange und auf eine so hohe Temperatur erhitzt wird, bis das Metall gesintert ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Polytetrafluoräthylen vor dem Vermischen mit dem feinzerkleinerten Metall auf eine Korngröße von weniger als 0,177 mm zermahlen wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als feinzerkleinertes Metall Silber verwendet und eine Sintertemperatur von etwa 320 bis 54O⁰C angewendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Silber mit einer Korngröße von weniger als 0,044 mm verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 962 561.