DE2818184B2

DE2818184B2 - Verfahren zur Herstellung von mit mindestens einer reibungsarmen Oberfläche versehenem Schichtwerkstoff zum Formen von Werkstücken, insbesondere Gleitlagern

Info

Publication number: DE2818184B2
Application number: DE2818184A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Chem. Dr. 6361 Rodheim Hodes; Danilo Ing.(Grad.) 6085 Nauheim Sternisa
Original assignee: Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Current assignee: Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Priority date: 1978-04-26
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2818184A1; DE2818184C3

Description

1) einem Trägerwerkstoff einseitig oder beidseitig mit offenem Gefüge, der einseitig oder beidseitig gefüllt und beschichtet ist mit

2) einer kavitations- und verschleißfesten, hochtemperaturbeständigen, reibungsannen Polymerlegierung, enthaltend,

2.1. zwischen 10 und 90% Volumenanteilen PTFE,

22. zwischen 10 und 90% Volumenanteilen eines hochtemperaturbeständigen PoIyimids (PI) in Form einer Formmasse, im wesentlichen Preßmasse, und

23. bis zu 20% Volumenanteilen Kavitations-' und Verschleißfestigkeit erhöhenden Zuschlagstoffen,

bei welchem Verfahren eine pastöse Masse aus den Bestandteilen der Polymerlegierung oder deren Vorprodukten gebildet, auf den Trägerwerkstoff aufgebracht und unter Beseitigen der flüssigen Komponente verfestigt und durch Vernetzen des Polyimids ausgehärtet und auf Enddicke gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die pastöse Masse durch Suspendieren des pulverförmigen PTFE und Einmischen des Polyimids ausschließlich in Form von hochtemperaturbeständigen Reaktionfharz-Formmassetulchen und der anderen Bestandteile in diese Guypension und Ausfällen aus dieser Suspension gebildet wir.>, daß das Verfestigen und Aushärten in einem Schritt erfolgt und daß das Einstellen der Enddicke durch Pressen des vom Aushärten noch warmen Materials vorgenommen wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es kontinuierlich abläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der pastösen Masse auf den Trägerwerkstoff durch Walzen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der pastösen Masse auf den Trägerwerkstoff ein Egalisieren durch Walzen unter Einstellen einer Dicke von etwa 0,0! rum der über dem offenen Gefüge gebildeten, geschlossenen Schicht der pastösen Masse einschließt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das PTFE-Pulver mit kugeliger Struktur mit einer Korngröße zwischen 0,0001 und 0,001 mm in bis zu 70%, vorzugsweise 20 bis 50% Massenanteilen der wäßrigen Suspension und Polyimidteilchen mit einer Korngröße kleiner gleich 0,1 mm verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vernetzen des Polyimids in einer induktiv beheizten, temperature- eo regelten Durchlauf-Ofenanlage oberhalb des Gelpunktes des PTFE bei ca. 330⁰C bis 38O⁰C ausgeführt wird.

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von mit mindesten» einer reibungsarmen Oberflache versehenem Schichtwerkstoff zum Formen von Werkstücken, insbesondere Gleitlagern, bestehend aus

1) einem Trägerwerkstoff einseitig oder beidseitig mit offenem Gefüge, der ein- oder beidseitig gefüllt und beschichtet ist mit

2) einer kavitations- und verschleißfesten, hochtemperaturbeständigen, reibungsarmen Polj/merlegierung, enthaltend

2.1. zwischen 10 und 90% Volumenanteilen PTFE,

22. zwischen 10 und 90% Volumenanteilen eines hochtemperaturbeständigen Polyimids (PI) in Form einer Formmasse, im wesentlichen Preßmasse, und

23. bis zu 20% Volumenanteilen von Kavitationsund Verschleißfestigkeit erhöhenden Zuschlagstoffen,

bei welchem Verfahren eine pastöse Masse aus den Bestandteilen der Polymerlegierung oder deren Vorprodukten gebildet, auf den Trägerwerkstoff aufgebracht und unter Beseitigen der flüssigen Komponente verfestigt und durch Vernetzen des Polyimids ausgehärtet und auf Enddicke gebracht wird Reibungsarme Gleitlager, deren Hauptkomponente ein Fluor-Kohlen-Wasserstoff-Polymer, z.B. Polytetrafluoräthylen ist, sind bekannt

Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist bekannt (DE-OS 22 06400). Bei diesem wird ein lackartiges, in Lösungsmitteln lösbares Polyimtd als Bindemittel genannt, wobei dieser Polyimidlack mit Polyimidpulver und anderen Zusatzstoffen, z. B. auch PTFE, gemischt und auf einen Trägerwerkstoff aufgebracht wird. Dabei wird ein Gemiscn aus PTFE-Teilchen, Polyimid-Teilchen und ggf. die Gleiteigenschaften verbessernden Stoffen mittels Polyimidlack zu einer Paste vorbereitet und diese Paste auf den Trägerwerkstoff aufgetragen. Wesentlich ist bei diesem bekannten Verfahren, daß der Polyimid-Lack.beMandteil auch nach dem Vernetzen und Aushärten einen Kleber bzw. Haftvermittler bildet, der die in der Schicht enthaltenen Feststoffteilchen zusammenhält und die so gebildete reibungsarme Schicht an dem Trägerwerkstoff festhält. Dieses Verfahren hat den Mangel, daß einerseits die mit Polyimidlack angesetzte Paste naturgemäß eine klebrige Konsistenz aufweist und deshalb Schwierigkeiten bei ihrer Verarbeitung bereitet. Bei diesem Verfahren ist es daher notwendig, daß die aufgebrachte Masse zunächst angehärtet werden muß, bevor überhaupt ein Egalisieren und Bearbeiten einer so gebildeten Schicht erfolgen kann. Hierdurch wird der Herstellungvorgang wesentlich erschwert und verteuert Diese, mit Polyimidlack anzusetzende Paste ist nicht geeignet, in das offene Gefüge eines Trägerwerkstoffes eingepreßt zu werden. Sie muß vielmehr in solcher Konsistenz vorbereitet werden, daß sie sich in das offene Gefüge des Trägerwerkstoffes imprägnieren also eintränken läßt. Hieraus folgt, daß ein Einpressen in das offene Gefüge und ein Egalisieren der Schichtdicke nicht vorgenommen werden kann. Erst nachdem die aus Polymerlegiening gebildete Schicht durch weitgehendes Vernetzen des Polyimid'Anteiles vorgehärtet ist, kann ein; Kalibrierung vorgenommen werden. Dies ist aber nur durch span-gebende Behandlung, insbesondere durch Abschälen, möglich. Diese spangebende Behandlung ist einerseits teuer und führt andererseits auch zu Materialverlust.

Schließlich ist mit den gemäß DE-OS 22 06 400

hergestellten Schichtwerkstoffen wegen der Verwendung von Polyamidlack nur eine beschränkte Kavitations- und Verschleißfestigkeit und auch nur eine beschränkte Temperaturbeständigkeit erzielbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren genannter Art so auszugestalten, daß der Schichtwerkstoff ohne zusätzliche spanlose oder verspanende Operationen zur Weiterverarbeitung in Gleitlager geeignet ist, wobei der Verfahi ensablauf insgesamt vereinfacht werden soll. ι ο

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die pastöse Masse durch Suspendieren des pulverförmigen PTFE und Einmischen des Polyimids ausschließlich in Form von hoclitemperaturbeständigen Reaktionsharz-Formmasseteilchen und der anderen Bestandteile in diese Suspension und Ausfällen aus dieser Suspension gebildet wird, daß das Verfestigen und Aushärten in einem Schritt erfolgt und daß das Einstellen der Enddicke durch Pressen des vom Aushärten noch wärmen Materials vorgenommen wird.

Es wird somit eine pastöse Masse ausgehend von einer PTFE-Suspension hergestellt Dieia pastöse Masse ist so standfest, daß sie richtiggehend in das offene Gefüge des Trägerwerkstoffes eingepreßt und als Schicht über dieses offene Gefüge geformt werden kann. Damit ermöglicht sich das Egalisieren der Auftragsdicke vor dem Vernetzen des Polyimidbestandteiles. Das Vernetzen des Polyimid-Bestandteils kann zunächst in so geringen Grenzen gehalten werden, daß noch immer ein Kalibrieren des Dichtwerkstoffes auf seine gewünschte Enddicke durch Pressen und Temperaturregelung möglich ist, also das endgültige Vernetzen bzw. Aushärten unter gleichzeitigem Kalibrieren auf die gewünschte Enddicke erfolgt. Damit entfällt die spangebende Bearbeitung, beispielsweise das Schälen des Schichtwerkstoffes, auf seine gewünschte Dicke, also ein relativ teurer Arbeitsgang, der auch notwendigerweise mit Materialverlust verbunden ist

Durch die Zusammenwirkung dieser Polymerlegierung aus Pl FE und Polyimid sowie ggf. die Kavitationsfestigkeit und Verschleißfestigkeit erhöhenden Zusätzen mit der Verankerung dieser Polymerlegierung in einem Rauhgrund werden bisher unerreichbare Kavitationsfestigkeit und Verschleißfestigkeit derartiger Schichtwerkstoffe erzielt Es ist um so mehr überrasehend, ais bei den bekannten Lager werkstoffen auf der Basis von PTFE und Bleipulver, in eine poröse, gesinterte Bronzeschicht durch Einwalzen bei 300° C eingebracht werden, bisher keine ausreichende Kavitationsfestigkeit erzielt werden konnte. Es ist anzunehmen, daß PTFE durch seine antiadhäsive Eigenschaft eine befriedigende Bindung zur porösen Sinterschicht besitzt, d. h. die mechanische Verklammerung der eingewalzten PTFE/Pb-Mischung nicht ausreicht, um bei kavitativer Belastung ausreichende Bindung zwi- ss sehen dem gesinterten Bronzepulver und der PTFE/Pb-Mischung zu gewährleisten.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Verfahren kontinuierlich abläuft, wobei das Aufbringen der pastösen Masse auf den Trägerwerk- βυ stoff durch Walzen unter Überdecken des offenen Gefüges erfolgt Das Aufbringen der pastösen Masse auf den Trägerwerkstoff schließt dabei in Ausgestaltung des Verfahrens ein Egalisieren durch Walzen unter Einstellen einer Dicke von etwa 0,01 mm der über dem f>5 offenen Gefüge gebildeten, geschlossenen Schicht der pastösen Masse ein.

In Ausgestaltung der Erfindung ist weiter vorgesehen,

daß PTFE-Pulver mit kugeliger Struktur mit einer Korngröße zwischen 0,0001 und 0,001 mm in bis zu 70%, vorzugsweise 20 bis 50% Massenanteilen in der wäßrigen Suspension und Polyimid-Teüchen mit einer Korngröße kleiner gleich 0,1 mm verwendet werden.

Die durch das Verfahren hergestellten Schichtwerkstoffe weisen, wie bei Dauerfestigkeitsversuchen auf servohydraulischen Prflfeinrichtungen und Tests in der Praxis festgestellt wurde, bei hoher, kavitativer Beanspruchung keine Mangelerscheinung auf. Durch den Einsatz der hochbelastbaren Polyimidformmasse bzw. -preßmasse und der Zuschlagstoffe wird ein Schichtwerkstoff mit hochqualifizierter Kavitationsbeständigkeit erzeugt

Zur Bildung der pastösen Masse können folgende Feststoff-Zusammensetzungen in Betracht kommen:

Beispiel 1

40% Volumenanteile PTFE (Dichte 2^ g/cm³)
40% Volumenanteile Polyimid (Dic'^e 13 g/cm³)
20% Volumenanteiie MoS₂ (Dichte 43 «/cm³)

Beispiel 2

50% Volumenanteile PTFE (Dichte 22 g/cm³)
30% Volumenanteile Polyimid (Dichte 13 g/cm³)
10% Volumenanteile Polyphenylensulfid
(Dichte 13 g/cm³)
10% Volumenanteile Graphit (Dichte 2,4 g/cm³)

Beispiel 3

50% Volumenanteile PTFE (Dichte 2,2 g/cm³)
30% Volumenanteile Polyimid (Dichte 13 g/cm³)
20% Volumenanteile PbO (Dichte 9 g/cm³)

Beispiel 4

30% Volumenanteile PTFE (Dichte 2,2 g/cm³)
50% Volumenanteiie Polyimid (Dichte 13 g/cm³)
10% Volumenanteile Homopolyester

(Dichte 135 g/cm³)
10% Volumenanteile Laves-Phasen (Dichte 9 g/cm³)

Dabei sind Laves-Phasen aus Römpps Chemie-Lexikon (1973), Seite 1941 bekannte intermetallische Verbindungen der formalen Zusammensetzung AB₂ mit gewisser Affinität zwischen den Atomstrukturen und günstigem Atomradien-Verhältnis der Partner und zwar optimalen Atomradienverhältnis A : B= 1,225.

Beispiel 5

40% Volumenanteile PTFE (Dichte 22 g/cm³)
40% Volumenanteile Polyimid (Dichte 13 g/cm³)
20% Volumenanteiie Pb (Dichte 1134 g/cm³)

Beispiel 6

40% Volumenanleile PTFE (Dichte 22 g/erc³)
60% Volumenanteile Polyimid (Dichte 13 g/cm³)

Das Vernetzen des o.g. Polyimid-Anteils kann hi einer induktiv beheizten, temperaturgeregelten Durchlauf-Ofena.ilage oberhalb des Gelpunktes des PTFE bei ca. 330⁰C bis 380⁰C ausgeführt werden.

Anhand schematischer Zeichnungen werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es sind:

F i g. 1 eine schemdtische Anordnung in Seitenansicht einer Anlage zur kontinuierlichen Herstellung eines Schichtwerkstoffes in Bandform, insbesondere eines Gleitlager-Schichtwerkstoffes;

Fig.2 bis 8 schematische Darstellungen einiger Varianten des Schichtwerkstoffes in Querschnittsform.

Zu F ig. 1, Variante!:

Ein Trägerwerkstoff 1, z. B. bestehend aus einem 0,75 mm dicken, beidseitig verkupferten Stahlband 21 mit einem Sintergeriist 23 aus zinnhaltiger Kupferlegierung von 0,3 mm Dicke, siehe F i g. 2, wird konstant von einer Abwickelvorrichtung 2 Ober eine z. B. als Rollenbahn ausgebildeten Transportvorrichtung 3 den Auftragwalzen 4 zugeführt.

Eine pastöse Masse, z. B. nach Feststoff-Zusammensetzung des Beispieles 1, bestehend aus 40 Vol.-% PTFE, 40 Vol.-% PI und 20 Vol-% MoS₂, wird kontinuierlich in der Position 5 aufgetragen und anschließend von den Auftragswalzen 4 in das poröse Sintergeriist 23 des Trägerwerkstoffes 1 gedrückt.

Die erforderliche Auftragsmenge wird durch den Aufpreßdruck der Auftragwalzen 4 geregelt.
Der mit pastöser Masse gefüllte Trägerwerkstoff 1 wird alsdann zu einer Egalisierungswalzanlage 6 weitergeleitet. Beim Egalisieren wird die pastöse Masse so weit verdichtet, daß das Sintergerüst 23 des Trägerwerkstoffes 1 vollständig ausgefüllt ist und die über dem Sintergerüst 23 vorhandene Polymerlegierung 24 in einer Dicke von etwa 0,01 mm vorliegt.

Als nächster Operationsschritt erfolgt die Aushärtung z. B. in einer induktiv beheizten, temperaturgeregelten Durchlauf-Ofenanlage 7 für diese pastöse Masse bei ca. 330⁰C bis 380°C, über dem Gelpunkt des PTFE um die Vernetzung des Polyimids durchzuführen.

Nach dem Verlassen der Durchlauf-Ofenanlage 7 wird der noch warme Schichtwerkstoff in einer temperaturgeregelten Kalibrierwalzanlage 8 auf seine Enddicke gedruckt und nachfolgend in einer beispielsweise wasser- oder luftbetriebenen Kühlzone 9 abgekühlt und zum Schluß- auf einen Haspe! 10 zu einer Rolle aufgewickelt.

Zu Fi g. !,Variante 2:

Als Trägerwerkstoff 1 wird z. B. ein 1,5 mm dickes kalotiertes Aluminiumband 27 mit 03 mm Vertiefungen und ca. 40 Gesamtflächenanteil — ähnlich der F i g. 4 oder 5 — mit einer pastösen Masse nach dem Beispiel 4 in die Vertiefungen 28 bzw. 29 gedrückt, zusätzlich mit einer Auflageschicht 25 von 0,01 mm bis 0.015 mm Dicke versehen und bei ca. 260° C in der induktiv beheizten, temperaturgeregelten Durchlauf-Ofenanlage 7 ausgehärtet

Zu Fig. 1, Variante3:

Als Trägerwerkstoff 1 wird z. B. ein ca 1 mm dickes, unverkupfertes Kohlenstoff-Stahlband 21 konstant von der Abwickelvorrichtung 2 den Auftragswalzen 4 zugeführt, von einer zweiten Abwickelvorrichtung 2a wird eine Gewebebahn 26, z. B. aus Polyimid, F i g. 3, ebenso den Auftragswalzen 4 zugeführt

Verfahrenstechnisch wird wie in Variante 1 eine pastöse Masse nach dem Beispiel 1 in die Gewebebahn 26 so eingewalzt, daß sich an der Oberfläche nur noch eine überstehende Auflagcschicht 25 aus der pastösen Masse von maximal 0,005 mm befindet und wiederum bei einer Ofentemperatur von ca. 330⁰C bis 335° C ausgehär tet wird.

Zu F ig. 1, Variante 4:

Als Trägerwerkstoff 1 wird ein mit z. B. quadrati sehen Durchbrüchen — ähnlich der F i g. 6 — versehenes, ca. 0,8 mm dickes Aluminiumband 3C von der Abwickelvorrichtung 2 den Auftragswalzen 4 zugeführt, mit einer pastösen Masse nach

ίο dem Beispiel 2 in die Durchbrüche 31 gefüllt und gleichzeitig eine beidseitige gleichmäßige Auflageschicht 25 in einer Dicke von 0,005 bis 0,02 mm gebildet. Die Ofentemperatur beträgt ca. 360°C zum Aushärten.

Zu Fig. I, Variante5:

Analog Variante 4 wird diesmal als Trägerwerkstoff 1 jedoch ein poröses, zinnhaltiges, kupferlegiertes Sintergerüst 23. wie z. B. in F i g. 7 dargestellt, in einer Dicke von etwa 0,3 mm zugeführt. Stattdessen kann auch ein Gewebeband 36 oder Gelegeband entsprechender Dicke zugeführt werden — wie aus der Fig. 8 zu ersehen ist

Gemäß der F i g. 2 ist ein Stahlband 21 auf einer Seite mit einer Verkupferungsauflage 22 versehen. Auf dieser Verki'pferungsauflage 22 ist ein Sintergerüst 23 aus zinnhaltiger Kupferlegierung angebracht. Das Stahlin band 21 kann beispielsweise 0,75 mm und das Sintergeriist 23,3 mm dick sein. Das Sintergerüst 23 ist mit einer Polymerlegierung 24 voll ausgefüllt, wobei diese Polymerlegierung 24 noch eine Auflageschicht 25 von beispielsweise 0,01 mm Dicke über dem Sintergeriist 23

η bildet.

Während im Beispiel der Fig.2 das den Rauhgrund darstellende Sintergerüst 23 über die Verkupferungsauflage 22 fest mit dem Stahlband 21, d. h. dem Trägerwerkstoff, verbunden ist und somit die Polymerlegierung 24 mehr oder weniger zum Ausfüllen des Sintergerüstes 23 dient, wird im Beispiel der F i g. 3 eine feste Verbindung an der Grenzfläche zwischen Stahlband 21 und Polymerlegierung 24 geschaffen. Der Rauhgrund ist in diesem Beispiel in Form einer

υ Gewebebahn 26 oder -geleges aus Polyamidfasern, Polyesterfasern wie PETP oder Glasfasern in die Polymerlegierung 24 eingebettet, und zwar im Bereich der Grenzfläche zwischen Polymerlegierung 24 und dem Stahlband 21.

Die Fig. 4 zeigt ein Aluminiumband 27 mit Vertiefungen 28, die kegelstumpfförmig ausgebildet sind. Entsprechend der F i g. 5 ist das als Trägerwerkstoff dienende Aluminiumband 27 mit kalottenförmigen Vertiefungen 29 versehen. In beiden Fällen sind die Vertiefungen 28 bzw. 29 mit Polymerlegierung 24 ausgefüllt Ober dem Aluminiumband 27 ist mit der Polymerlegierung 24 auch eine Auflageschicht 25 gebildet die in diesem Beispiel eine Dicke von 15 bis 20 μπι haben soll. Die Dicke dieser Auflageschicht 25 kann jedoch im selben Beispiel bis 50 μπι betragen.

Im Beispiel der F i g. 6 ist ein Aluminiumband 30 mit Durchbrüchen 31 vorgesehen. Dieses zugleich als Trägermaterial und Rauhgrund dienende Aluminiumband 30 ist außer der Füllung seiner Durchbrüche 31 auch auf beiden Seiten noch mit je einer Auflageschicht 25 aus Polymerlegiening 24 versehen.

Andere Möglichkeiten für selbsttragende bandförmige Ausbildung des Rauhgrundes sind in den F i g. 7 und 8

gezeigt. Gemäß F i g. 7 ist ein Sinterband 33 aus Zinnbronze vorgesehen, das ebenfalls zugleich Trägerwerkstoff und Rauhgrund darstellt. Dieses Sinterband 33 ist mit Poly.nerlegierung 24 durchsetzt und auf beiden Seiten mit dieser Polymerlegierung 24 beschichtet, so daß Auflageschichten 25 mit Dicke zwischen 5 und 20 μιη bestehen.

In¹ Beispiel der Fig.8 ist der selbsttragende Rauhgfünd durch eine Gewebebahn 36 oder Gelegebahn gebildet, die in ihrem Aufbau gleich der Gewebebahn 26 nach Fig.3 sein kann. Auch diese

Gewebebahn 36 ist vollständig mit Polymerlegierung 24 ausgefüllt und an beiden Seiten mit einer Auflageschicht 25 aus Polymerlegierung 24 belegt, wobei die Dicke dieser Auflageschichten 25 wiederum bis zu 50 μπι, vorzugsweise bis zu 20 μπι betragen kann. Beispielsweise können in diesem Fall zwei Auflageschichten 25 von 20 μπι Dicke vorgesehen sein.

Die Zusammensetzung der Polymerlegierung 24 kann für alle diese Beispiele aus den bereits oben angeführten Beispielen für Rezepturen direkt oder abgewandelt gewählt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentansprüche:

1, Verfahren zur Herstellung von mit mindestens einer reibungsarmen Oberfläche versehenem Schichtwerkstoff zum Formen von Werkstücken, insbesondere Gleitlagern, bestehend aus