DE3128412C2

DE3128412C2 - Selbstschmiermittel

Info

Publication number: DE3128412C2
Application number: DE3128412A
Authority: DE
Inventors: Vladimir A. Minsk Bely; Vladimir V. Me&scaron;kov; Nikolaj K. Gomel My&scaron;kin; Valentin G. Savkin; Anatolij I. Sviridenok
Original assignee: Institut mechaniki metallopolimernych sistem Akademii Nauk Belorusskoj SSR, Gomel
Priority date: 1981-09-11
Filing date: 1981-07-17
Publication date: 1987-04-02
Also published as: FR2510009A1; GB2105751A; SE8104285L; SE454519B; DE3128412A1; FR2510009B1; US4425247A; GB2105751B

Abstract

Das erfindungsgemäße Selbstschmierkompositionsmaterial stellt eine Metallmatrix dar, welche funktionelle Zusatzstoffe enthält, wobei die Matrix durch zwei Komponenten gebildet wird, deren eine die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Die vorliegende Erfindung kann im Maschinenbau, der Elektrotechnik und Elektronik Verwendung finden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Selbstschmiermittel, insbesondere für tribotechnische Zweckbestimmung.
Die genannten Materialien werden im Maschinenbau, in der Elektrotechnik, Elektronik, insbesondere für die Herstellung von Elementen elektrischer Gleitkontakte, Gleitlagern, die unter extremen Bedingungen wie im Vakuum, bei hohen und tiefen Temperaturen, bei der Einwirkung elektrischer Felder, mechanischer Überbeanspruchungen usw. betrieben werden, eingesetzt.
Für einen sicheren Betrieb unter solchen Bedingungen sollen die Selbstschmiermittel folgenden Forderungen genügen:
- eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen;
- eine hohe mechanische Festigkeit bei hohen und tiefen Temperaturen und Wärmestößen besitzen;
- ausreichende Korrosionsbeständigkeit unter den Bedingungen hoher Feuchtigkeit und erhöhter Temperatur, sowie Strahlenresistenz aufweisen;
- im Betrieb stabil sein, das heißt eine niedrige Reibungszahl, niedrige Verschleißintensität, große Lebensdauer und Betriebssicherheit aufweisen;
- in der Herstellung, Montage und Wartung technologiegerecht sein.
Außerdem spielt für solche Materialien, die unter den Bedingungen elektrischer Felder betrieben werden, eine wichtige Rolle die Stabilität der elektrischen Kennwerte dieser Materialien, beispielsweise ihr Pulsationspegel, der Kontaktwiderstand usw.
Bekannt sind verschiedene Gegenkörper von Reibeinheiten aus Selbstschmiermitteln (Selbstschmierkompositionsmaterialien), die nach den Methoden der Pulvermetallurgie hergestellt werden wie Lager, welche Metalle, beispielsweise Kupfer, Eisen, Bronze, und funktionelle Zusatzstoffe enthalten (UdSSR-Urheberschein Nr. 144015, 1962, Nr. 158824, 1963, Nr. 160298, 1964, Nr. 419318, Klasse B 22f 3/12, Nr. 568076, Klasse B 22 3/12, C 22c 1/04; GB-PS 14 83 328, US-PS 40 04 889, US-PS 40 49 428, japanische Anmeldungen Nr. 52-15241, Nr. 52-2604 und Nr. 52-26737).
Bekannt sind außerdem Bürsten für Motoren aus Selbstschmiermitteln, welche Metalle, beispielsweise Silber, Kupfer, und funktionelle Zusatzstoffe enthalten (UdSSR-Urheberschein Nr. 312314, Klasse C 22c 5/00; Nr. 599228, Klasse B 22f; US-PS 24 18 710, US-PS 28 54 597, US-PS 34 37 592, US-PS 34 55 023, US-PS 40 56 365; FR-PS 12 03 011, FR-PS 13 06 535, FR-PS 13 92 967, DE-PS 12 15 938, DE-PS 27 12 209 und DE-PS 27 15 347) und andere Erzeugnisse.
Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man:
1. Polymere:
- thermostabile funktionelle Zusatzstoffe, wie stickstoffhaltige oder fluorhaltige Polymere (US-PS 40 45 400), Epoxydzusatzstoffe (GB-PS 14 79 402);
- organische Bindemittel (FR-PS 23 37 750 und 23 37 751).
2. Fasern von Graphit, Kunststoffen, Metallen (orientiert und nichtorientiert mit einer Größe von 1 bis 100 µm in einer Menge von 20 bis 80 Volumenprozent), beispielsweise DE-PS 17 83 124.
3. Metalloxide, beispielsweise Kadmiumoxid (GB-PS 14 86 011).
4. Metalle (Fe, Ni, Ag, Pb, Cd, In, Al), Metallkarbide (WC, FeC), Oxydkomponenten (1 bis 20%), beispielsweise Osmiumtetroxid, die mit der Grundkomponente vorzugsweise in fester Lösung vorliegen (US-PS 33 70 942, DE-PS 12 49 536).
5. Schmierstoffe:
- korrosionsbeständige feste Antifrikationsschmiermittel auf der Basis eines härtbaren Harzes sowie von Graphit, Molybdändisulfid, Zinkchromat oder der Metalle Kadmium, Silber, Wolfram (US-PS 30 51 586);
- Hochtemperaturschmierstoffe, welche Schmiermittel (Molybdänsulfid, Bornitrid oder Graphit), Metalle (Kupfer, Zink, Indium oder Blei) und Kadmiumoxid mit einer Teilchengröße von höchstens 10 µm (FR-PS 13 45 589);
- auf der Basis von Polymeren, beispielsweise von Kondensationsprodukten eines aromatischen Epoxydharzes in einer Menge von 15 bis 60 Gewichtsprozent, festen Schmierstoffen in einer Menge von 40 bis 85 Gewichtsprozent, Graphit, Metalloxiden (DE-PS 12 71 875);
- Diselenide der Übergangsmetalle (Tantaldiselenid, Tantalsulfid, Niobdiselenid und ihre Gemische) zum Betrieb im Hochvakuum in der Größenordnung von unterhalb 10^-7 Torr (DE-PS 12 84 017).
Die Selbstschmiermittel, beispielsweise die elektrisch leitenden, werden vorzugsweise nach den Methoden der Pulvermetallurgie, insbesondere nach der Methode der trockenen Sinterung hergestellt.
Bekannt ist ein Selbstschmiermittel (UdSSR- Urheberschein Nr. 347845, Klasse H 01r 39/20), welches für die Herstellung von Bürsten verwendet wird, die vorzugsweise im Hochvakuum bei Minustemperaturen betrieben werden. Zur Verbesserung der Betriebskennwerte wird dem Material, welches metallisiertes Kohlenstoffpulver, Teilchen des Antifriktionsstoffes und Bindemittel enthält, zusätzlich metallisiertes Molybdändisulfid in einer Menge von 40 bis 70 Gewichtsprozent zugesetzt, wobei das metallisierte Molybdändisulfid selber 30 bis 50 Gewichtsprozent Metall enthält. Als Beispiel wird die folgende Zusammensetzung angeführt: 50 Gewichtsprozent verkupferter Naturgraphit, 50 Gewichtsprozent verkupfertes Molybdändisulfid, welches 30 Gewichtsprozent Kupfer enthält, sowie 20 Gewichtsprozent Resol-Phenol-Formaldehyd-Harz.
Die aus diesem Material nach der Warmpreßmethode hergestellten Bürsten weisen folgende Kennwerte auf: spezifischer elektrischer Volumenwiderstand 2,5 bis 2,8 Ω · mm²/m, Härte 33 bis 43 kp/mm², Bürstenpaarübergangsspannung (Kupferring) 1,3 bis 1,4 V. Der Verschleiß im Vakuum 4 · 10^-6 Torr bei einer Temperatur von -75°C innerhalb von 30 Stunden beträgt 0,02 mm.
Aus den angeführten Angaben folgt, daß trotz einigen Vorteilen, und zwar der hohen Verschleißfestigkeit im Vakuum, der Erosionsbeständigkeit, der niedrigen Reibungszahl dem genannten Material Eigenschaften anhaften, die es nicht gestatten, dieses in vollem Maße unter extremen Betriebsbedingungen einzusetzen:
- die Anwesenheit des Füllstoffes bewirkt zwar eine Senkung der Reibungszahl, es erfolgt jedoch dabei eine Verschlechterung anderer Eigenschaften, beispielsweise der Schwingungs- und der Schlagfestigkeit;
- das Material weist eine niedrige Festigkeit, beispielsweise Druckfestigkeit, auf, weil sich der größere Teil der mechanischen Beanspruchung des Materials auf die Phasengrenze Metall/Füllstoff verteilt. Die Haftfestigkeit im Kontakt Metall/Füllstoff ist sehr niedrig, was aus der Technologie der Herstellung des Materials resultiert;
- die hohe Bürstenübergangsspannung verursacht elektrische Verluste, Geräusche, hohe Strompulsationen;
- Verschlechterung der Betriebseigenschaften des Materials nach längerer Lagerung (10 Tage und mehr) in statischer Lage unter Bedingungen hoher relativer Feuchtigkeit (98%) und erhöhter Temperatur (+40°C). In diesem Falle beobachtet man eine Erscheinung des "Haftens" des Materials an dem Metallgegenteil, beispielsweise an einem Kupfergegenteil. Dabei wächst der elektrische Widerstand im Bürstenkontakt bedeutend an und es nimmt die Anzugsspannung der Elektromaschine unzulässig sprunghaft (um das 3 bis 5fache) zu.
Infolge der genannten Ursachen weist das Material niedrige Betriebssicherheit auf.
Bekannt sind eine Reihe von Selbstschmiermitteln auf der Basis einer Metallmatrix, die höhere Betriebseigenschaften aufweisen.
Es ist ein Material solchen Typs bekannt, welches eine poröse Bronzematrix aufweist, die durch Sinterung von Metallpulver gebildet ist, wobei in den Poren der Metallmatrix funktionelle Zusatzstoffe, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, enthalten sind (F.P. Powden, Frictional properties of porous impregneted with plasties-Research, 1950, V.3, S. 147).
Bekannt ist ein weiteres Selbstschmiermittel für Bandlager (GB-PS 11 14 061, B 912121, 756950).
Das Material stellt eine poröse Metallmatrix mit einem Porenvolumen bis zu 35% dar, die mit funktionellen Zusatzstoffen regellos gefüllt sind. Als Matrix verwendet man Metalle, beispielsweise zinnreiche Bronze, während als funktionelle Zusatzstoffe Polytetrafluoräthylen und Blei dienen. Das Material wird nach der Methode der Pulvermetallurgie, beispielsweise durch Sinterung, aus den nach dem elektrolytischen Verfahren erhaltenen Dendritpulvern reiner Metalle oder aus sphärischem Pulver zinnreicher Bronze, die bis zu 10 Gewichtsprozent Zinn enthält, hergestellt. Das Verfahren zur Herstellung solcher Materialien sieht vor: Hochtemperaturpressen des Pulvers, dessen Vorsinterung unter reduzierender Atmosphäre zum Halbzeug, mehrstufige Durchtränkung dieses Halbzeuges mit einer Suspension der funktionellen Zusatzstoffe, Endsinterung des durchtränkten Halbzeuges, beispielsweise mit der Stahlgrundlage in einem inerten Medium und Kalibrierung des erhaltenen Teils durch plastische Verformung (Stauchung). Im Falle der Herstellung von Erzeugnissen aus diesem Material, beispielsweise von Bandlagern ist es notwendig, daß in der Stufe der Durchtränkung der Matrix mit den funktionellen Zusatzstoffen die letzteren über die Kontaktfläche in einer cirka 0,02 mm dicken Schicht hinausragen, was eine unbedingte Voraussetzung für eine hohe Betriebsfähigkeit des Lagers ist.
Die Materialien werden in Form von 1,21 bis 2,05 mm dicken und 101,6 mm breiten Bändern, Buchsen von 10 bis 100 mm Durchmesser, hemisphärischen Stützen von 16 bis 38 mm Durchmesser, Draht, Lagern usw. hergestellt. Die Materialien werden unter den Bedingungen der Trocken- und Mischreibung eingesetzt.
Die genannten Materialien besitzen hohe Betriebsfähigkeit (niedrige Verschleißintensität und niedrige Reibungszahl), auch bei hoher Beanspruchung, ohne Schmierung in einem breiten Temperaturenintervall (von -200 bis +260°C) in Luft- und anderen Gasmedien, in Vakuum sowie in flüssigen Medien, die keine Schmierwirkung ausüben. An diesen Materialien bilden sich keine statischen elektrischen Ladungen und sie rufen keine Fretting-Korrosion hervor.
Einer der Vorteile der genannten Materialien ist die Möglichkeit, diese in Reibeinheiten zu verwenden, die unter extremen Bedingungen betrieben werden.
Bekannt ist die Verwendung dieser Materialien als Kugellagerkäfige, hergestellt aus mit Polytetrafluoräthylen unter Zusatz von wenig Wolframdiselenid durchtränktem gesintertem Silber. Solche Kugellagerkäfige werden bei tiefen und hohen Temperaturen in hohem Vakuum von 10^-7 bis 10^-9 Torr erfolgreich betrieben. Die Materialien finden in der aerokosmischen, Kraftfahrzeug-, elektrotechnischen, Textilindustrie und anderen Industriezweigen breite Verwendung.
Dieses Material findet aber eine begrenzte Verwendung, insbesondere aus dem Grunde, daß
a) nicht alle Poren des Materials gleichmäßig durchtränkt werden, weil sie nicht gleich groß und räumlich verschieden angeordnet sind und es als Folge dessen im Prozeß des Betriebs des Materials zu einer Erschöpfung der Schmiermittelvorräte in den Poren kommt, die zu dem jeweiligen Zeitpunkt an der Gleitfläche liegen;
b) es zu einem Verschließen der Poren durch deren Verstopfung mit den Verschleißprodukten, durch Verunreinigung mit Fremdstoffen, infolge plastischer Verformung der Oberflächenschichten der Matrix, beispielsweise bei hohen Beanspruchungen und Temperaturen, kommen kann;
c) die Betriebseigenschaften des Materials durch seine physikalisch-mechanischen, Reibungs- und andere Kennwerte an den Kontaktmikrobereichen bestimmt werden, wobei ein und derselbe Kennwert an verschiedenen Bereichen nicht gleich groß ist, sondern in einem breiten Bereich schwankt;
d) die Adhäsionswechselwirkung zwischen dem funktionellen Zusatzstoff (das Polytetrafluoräthylen ist gegenüber den Metallen reaktionsträge) und der Metallmatrix im Prozeß der Durchtränkung sehr unbedeutend ist, was die Festigkeitswerte des Materials senkt und letzten Endes zu einer Senkung vieler Betriebskennwerte, wie Verschleißfestigkeit im Vakuum, Schwingungs- und Schlagfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit und anderer führt, was letztlich die Betriebssicherheit senkt.
e) das Material eine relativ niedrige Wärmebeständigkeit (bis +280°C) infolge der Zersetzung des Polytetrafluoräthylens besitzt;
f) das Material eine niedrige Strahlenresistenz an der Luft infolge der Zersetzung des Bindemittels aufweist;
g) die Herstellungstechnologie eines solchen Materials die Durchführung einer Reihe zusätzlicher Operationen wie inniges Verrühren, mehrfache Durchtränkung, mehrfaches Pressen und Sintern der Metallpulver, zahlreiche Finish-Operationen (Kalibrieren, komplizierte mehrstufige Wärmebehandlung, Fertigbearbeitung usw.) erfordert.
Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt, ein Selbstschmierkompositionsmaterial zu entwickeln, welches verbesserte Betriebskennwerte unter den Bedingungen des Vakuums, bei hohen und tiefen Temperaturen, bei der Einwirkung von elektrischen und Kraftfeldern aufweist und zuverlässig im Betrieb ist.
Diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 wird gelöst durch ein Selbstschmiermittel, bestehend aus einer Metallmatrix und funktionellen Zusatzstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus zwei Komponenten besteht, wobei die erste Komponente das Raumgerüst der Matrix bildet und aus untereinander verbundenen, eine zusammenhängende Zellstruktur bildenden Schalen für die funktionellen Zusatzstoffe besteht, die in der ersten Komponente in geschlossenen Zellen eingelagert sind und wobei die zweite Komponente in den Zwischenräumen zwischen den Schalen angeordnet ist, und daß die Komponenten aus Metallen der III. bis VI. Reihe des Periodensystems und/oder ihrer Legierungen bestehen, wobei die Schmelztemperatur der zweiten Komponente nicht über das 0,9-fache der Schmelztemperatur der ersten Komponente hinausgeht und daß die Gesamtmenge der funktionellen Zusatzstoffe 3 bis 80 Vol.-% beträgt.
Als Komponenten der Matrix verwendet man sowohl reine Metalle, beispielsweise Silber, Kupfer, Barium, Aluminium, Wolfram, Zinn, als auch Metallegierungen, beispielsweise Bronze, während als funktionelle Zusatzstoffe Stoffe organischer und anorganischer Herkunft verwendet werden.
Solche Stoffe können Polymere, feste Schmierstoffe, beispielsweise Graphit oder Diselenide der Übergangsmetalle sein. Dabei erfolgt die Auswahl und die Kombination der Metallkomponenten unter Berücksichtigung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Metalle und/oder der Legierungen. Die geeignete Auswahl der Komponenten bewirkt die Ausbildung der oben genannten Struktur des Materials. Eine solche Struktur gestattet es, ein Material zu erhalten, welches hohe Antifriktionseigenschaften, hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Festigkeitswerte aufweist. Die Komponente, welche die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet, erfüllt im wesentlichen die Funktion des Konstruktionsmaterials, das heißt sie bildet das Raumgerüst der Matrix. Die zweite Komponente, die die Zwischenräume zwischen den Schalen ausfüllt, bewirkt in Verbindung mit den funktionellen Zusatzstoffen den selbstschmierenden Effekt bei der Reibung und erhöht die mechanische Festigkeit der Matrix. Die Matrix des Selbstschmierkompositionsmaterials stellt im allgemeinen Fall sowohl reguläre als auch nichtreguläre Struktur dar.
Zur Verbesserung der Betriebskennwerte des Selbstschmierkompositionsmaterials ist es vorteilhaft, daß die genannten Schalen eine reguläre Zellenstruktur bilden.
Beim Betrieb des Materials ist von großer Bedeutung die Stabilität seiner Betriebskennwerte an der Kontaktfläche. Diese wird durch eine gelenkte Regelung der Zusammensetzung und der Konstruktion des Materials, insbesondere durch das Vorliegen zerkleinerter Komponenten und Zusatzstoffe an der Kontaktfläche gewährleistet. Deshalb ist es vorteilhaft, daß die Schalen eine reguläre Struktur aufweisen und die Abmessungen der Zellen in Richtung zur Kontaktfläche mit dem Gegenkörper abnehmen.
Wie oben hingewiesen, verwendet man als Komponenten der Matrix sowohl reine Metalle als auch deren Legierungen. Man verwendet für die Herstellung von Teilen tribotechnischer Zweckbestimmung Metalle der III. bis VI. Periode des Periodensystems und/oder Legierungen dieser Metalle.
Die Verwendung von Seltenerdmetallen, Lanthanoiden, Aktinoiden ist wirtschaftlich nicht vertretbar. Es wird vorgeschlagen, als Matrix des Materials Metalle der III. bis VI. Periode, beispielsweise Silber, Kupfer, Barium, Blei, Molybdän, Wolfram, und/oder deren Legierungen, beispielsweise Silber mit Kupfer, Blei mit Barium, zu verwenden. Zur Herstellung eines Materials der oben beschriebenen Struktur ist es notwendig, daß der Schmelzpunkt der zweiten Komponente nicht mehr als 0,9 des Schmelzpunktes der ersten Komponente beträgt. Wird die genannte Bedingung nicht erfüllt, so kommt es zu einer ungeregelten Umverteilung der Komponenten in der Matrix, was zu einer Verschlechterung der Betriebseigenschaften, insbesondere der Stabilität der Reibungszahl und der elektrischen Kontaktkennwerte führt.
In Abhängigkeit von der Zeckbestimmung des Selbstschmiermittels kann die Menge der funktionellen Zusatzstoffe verschieden sein und in einem Bereich von 3 bis 80 Volumenprozent liegen.
Eine minimale Menge (3 Volumenprozent) derselben ist eine Grenze, bei der noch der Selbstschmiereffekt bei der Reinigung beobachtet wird.
Bei einem über der genannten oberen Grenze (80 Volumenprozent) liegenden Gehalt an funktionellen Zusatzstoffen kommt es zu einer Störung der beschriebenen Struktur des Materials. Die Folge der letzteren ist eine unzulässige Verschlechterung der Festigkeitswerte, der elektrischen Leitfähigkeit und anderer Eigenschaften des Materials.
Die Größe der funktionellen Zusatzstoffe spielt eine sehr große Rolle beim Betrieb des Materials. Davon hängt nämlich die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Reibeinheit und außerdem die Stabilität der Kontaktkennwerte ab. Die Verteilung der funktionellen Zusatzstoffe in der Matrix ist so vorzunehmen, daß der Abstand zwischen den Zusatzstoffen, das heißt die Schalendicke, die Erhaltung der beschriebenen Struktur gewährleistet und keine Verschlechterung der Betriebskennwerte hervorruft.
Dabei ist ein wichtiges Kriterium der Struktur des Materials das Verhältnis der maximalen Größe der funktionellen Zusatzstoffe zu dem minimalen Abstand zwischen diesen. Grundsätzlich kann das Verhältnis beliebig groß sein, jedoch wird dieses Verhältnis vorzugsweise zwischen 0,7 und 10 gewählt.
Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man vorzugsweise härtbare oder thermoplastische Polymere. Dabei verwendet man als härtbare Polymere Phenol-Formaldehyd- Harz, glasfasergefülltes Epoxydharz oder Polyimidharz und als thermoplastische Polymere Polyäthylen, ölgestrecktes Polykarproamid, Polytetrafluoräthylen.
Ein hoher Selbstschmiereffekt bei der Reibung wird bei der Verwendung pulverförmiger Produkte des thermischen bzw. thermooxydativen Abbaus härtbarer bzw. thermoplastischer Polymere als funktionelle Zusatzstoffe erzielt. Als Produkte des thermischen Abbaus, der in einem nichtoxydativen Mittel, beispielsweise im Vakuum, durchgeführt wird, verwendet man beispielsweise Polyäthylen, Phenol-Formaldehyd-Harz, und als Produkte des thermooxydativen Abbaus, der an der Luft durchgeführt wird, Polykaproamid, Epoxydharz oder Polyimidharz.
Man verwendet vorzugsweise Abbauprodukte der Polymere, die beim Abbau von mindestens 90 Gewichtsprozent des Polymers erhalten werden.
Beim Betrieb des Selbstschmierkompositionsmaterials bei hohen Temperaturen, in elektrischen Feldern, bei der Einwirkung mechanischer Überbeanspruchungen, der ionisierenden Strahlung soll das Material zuverlässige physikalisch-mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. In diesem Fall setzt man als funktionelle Zusatzstoffe dem Material zusätzlich Pulver der Metalle der III. bis VI. Periode des Periodensystems oder ihrer Oxyde, beispielsweise von Silber, Kupfer, Kadmium, Wolfram, sowie ihrer basischen Oxyde, beispielsweise von Kupferdioxid, Silberoxid zu. Man verwendet sie vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 45 Volumenprozent, bezogen auf das Gesamtvolumen der funktionellen Zusatzstoffe.
Zum Zwecke einer Erhöhung der Festigkeitswerte des Materials, insbesondere der spezifischen Festigkeit, verwendet man funktionelle Zusatzstoffe, welche hohe Festigkeitswerte aufweisen. Als solche funktionellen Zusatzstoffe verwendet man vorzugsweise hochfeste Fasern von Bor, Kohlenstoff oder Silizium. Ihre Zugabe zum Material bewirkt auch eine sprunghafte Steigerung der Verschleißfestigkeit und der Wärmebeständigkeit. Man gibt diese Zusatzstoffe dem Material vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 90%, bezogen auf das Gesamtvolumen der funktionellen Zusatzstoffe, zu. Die Zugabe der Zusatzstoffe in einer Menge von weniger als 2 Volumenprozent beeinflußt die Verbesserung der Betriebseigenschaften des Materials nicht wesentlich, während deren Zugabe in einer Menge von mehr als 90 Volumenprozent die Selbstschmierfähigkeit trotz hoher Verschleißfestigkeit des Materials verschlechtert. In diesem Falle kommt es zu einem unzulässigen Verschleiß des Gegenkörpers.
Eine Erhöhung der Festigkeitswerte der Selbstschmierkompositionsmaterialien bei gleichzeitiger Verbesserung der elektrischen und der Wärmeleitfähigkeit des Materials wird durch die Zugabe von Metallen der III. bis VI. Periode des Periodensystems in Form von Fasern in einer Menge von 2 bis 90%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Zusatzstoffe erreicht. Die Zugabe der Zusatzstoffe in einer Menge von weniger als 2 Volumenprozent beeinflußt die Betriebseigenschaften des Materials nicht wesentlich, während deren Zugabe in einer Menge von mehr als 90 Volumenprozent das Zustandekommen des Selbstschmiereffektes erschwert, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Reibpaarung senkt.
Das erfindungsgemäße Selbstschmiermittel besitzt einen Komplex notwendiger Betriebseigenschaften, wie Selbstschmierfähigkeit unter extremen Bedingungen, hohe physikalisch- mechanische Kennwerte, hohe Betriebssicherheit und große Lebensdauer.
Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Materials ist seine hohe Betriebsfähigkeit unter extremen Bedingungen, was eine große Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit der Teile tribotechnischer Zweckbestimmung in Reibeinheiten gewährleistet. So sind die Selbstschmier- und die Festigkeitskennwerte des erfindungsgemäßen Materials wesentlich (um das 1,5 bis 2fache) höher als bei den bekannten Materialien.
Besonders wirksam kann das Material im Maschinenbau, der Elektrotechnik, Elektronik für die Herstellung von Elementen des elektrischen Gleitkontaktes, der Gleitlager eingesetzt werden, die unter normalen klimatischen Bedingungen, im Vakuum, bei hohen und tiefen Temperaturen, bei der Einwirkung elektrischer Felder, mechanischer Überbeanspruchungen, ionisierender Strahlungen betrieben werden.
Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand einer Beschreibung konkreter Varianten der Durchführung und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt eines Selbstschmiermittels;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Selbstschmiermittels mit regulärer Zellenstruktur;
Fig. 3 einen Querschnitt eines Selbstschmiermittels, das zur Lauffläche eines Gegenkörpers perpendikulär angeordnet ist;
Fig. 4 einen Diametralquerschnitt eines Lagers aus dem Selbstschmiermittel.
Die in Fig. 1 dargestellte Variante des Querschnitts des Selbstschmiermittels stellt eine Metallmatrix, dar, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine die Schalen 1 der funktionellen Zusatzstoffe 2 bildet und die andere 3 in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt des Selbstschmiermittels mit regulärer Zellenstruktur, wobei das Verhältnis der maximalen Größe der Zusatzstoffe A zu dem minimalen Abstand B zwischen ihnen 0,7 bis 10 beträgt.
Fig. 3 zeigt den Querschnitt des Selbstschmiermittels der zur Lauffläche des Gegenkörpers perpendikulär angeordnet ist, wobei die Schalen der regulären Zellenstruktur mit in Richtung zur Kontaktfläche des Materials mit dem Gegenkörper abnehmenden Abmessungen der Zellen ausgeführt sind.
Fig. 4 zeigt den Diametralquerschnitt eines Gleitlagers aus dem Selbstschmiermittel, wobei als funktionelle Zusatzstoffe 2 metallische Fasern verwendet sind.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Selbstschmierkompositionsmaterials ist einfach in technologischer Gestaltung und wird wie folgt durchgeführt.
Die funktionellen Zusatzstoffe metallisiert man zweimal, indem man beispielsweise Graphitteilchen zunächst mit einer Silberschicht und dann mit einer Zinnschicht vorzugsweise nach einem der folgenden Verfahren überzieht: Verdampfen der Metalle im Vakuum, auf chemischem oder elektrochemischem Wege. Dabei spielen die Verträglichkeit, Gleichmäßigkeit und Dicke der Überzüge sowie Abmessungen und die Form der zu metallisierenden funktionellen Zusatzstoffe eine wichtige Rolle.
Das auf diese Weise bereitete Halbzeug preßt man und sintert dann in Gegenwart einer Andruckkraft in einem kontrollierbaren neutralen oder reduzierenden Mittel unter den in der Pulvermetallurgie optimalen Sinterbedingungen.
In der Anfangsstufe des Sintervorganges schmilzt die Außenschicht des niedriger schmelzenden Metalls und füllt die Zwischenräume zwischen den Schalen der höher schmelzenden Metallkomponente aus. Dann kommt es (unter den Bedingungen der Andruckkraft) zu einer Annäherung der Schalen der funktionellen Zusatzstoffe und zu ihrer Sinterung in der Kontaktzone.
Nach der Beendigung der Sinterung kommt es zur Kristallisation der Komponenten der Matrix. Im Ergebnis ist die Matrix des Materials durch zwei Komponenten gebildet, deren eine die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Im Falle der Verwendung funktioneller Zusatzstoffe mit Teilchen gleichgroßen Volumens stellt das Material eine reguläre Zellenstruktur dar.
Zum besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung werden folgende konkrete Beispiele angeführt.

Beispiel 1

Das Ausgangsprodukt, bis 50 µm große Graphitteilchen, überzieht man auf elektrochemischem Wege mit einer Kupferschicht und dann einer Bleischicht. Die auf diese Weise beschichteten Graphitteilchen vermischt man mit Zinnpulver in einer Menge von 30 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen des Graphits, und preßt in einer Preßform bei einem spezifischen Druck bis 400 MPa. Dann sintert man das Halbzeug in einer Form in Gegenwart einer Andruckkraft im Medium von Wasserstoff bei einer Temperatur, die 0,7 des Schmelzpunktes des Silbers (530 bis 540°C) beträgt, innerhalb von 3 Stunden. Der Gehalt des Materials an Graphit beträgt 3 Volumenprozent.
Aus dem dadurch erhaltenen Material stellt man Bürsten, beispielsweise für Mikroelektromotoren, her. Das Material weist eine nichtreguläre Struktur auf. Die Eigenschaften des Materials sind in Tabelle 1 angeführt.

Beispiel 2

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Magnesium, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Indium-Zinn-Legierung, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man ein pulverförmiges thermoplastisches Polymer, Polyäthylen, in einer Menge von 80 Volumenprozent. Das Material weist eine reguläre Struktur auf. Das Material kann als Gleitlager verwendet werden.

Beispiel 3

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Molybdän, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Bronze, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man pulverförmiges glasfasergefülltes Epoxydharz in einer Menge von 40 Volumenprozent unter Zugabe von Kupferpulver in einer Menge von 0,5%, bezogen auf das Volumen des Zusatzstoffes. Das Material weist eine nichtreguläre Struktur auf und kann für die Herstellung von Teilen tribotechnischer Zweckbestimmung verwendet werden.

Beispiel 4

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Messing, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Kalium, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man ein thermoplastisches Polymer, Polykaproamid, in einer Menge von 3 Volumenprozent. Das Material weist eine reguläre Struktur auf und kann für die Herstellung von Teilen tribotechnischer Zweckbestimmung verwendet werden.

Beispiel 5

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Kupfer, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Kadmium, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man ölgefülltes Polykaproamid in einer Menge von 45 Volumenprozent unter Zugabe von Bariumoxidpulver in einer Menge von 5%, bezogen auf das Volumen des funktionellen Zusatzstoffes. Das Material weist eine nichtreguläre Struktur auf und kann für die Herstellung von Teilen tribotechnischer Zweckbestimmung verwendet werden.

Beispiel 6

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Silber, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Indium, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man ein Gemisch von Produkten des thermischen Abbaus von Polyäthylen und Phenol-Formaldehyd-Harz in einer Menge von 20 Volumenprozent. Das Material weist eine reguläre Struktur auf und kann für Wälzlagerkäfige verwendet werden.

Beispiel 7

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Vanadin, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Kalzium, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man ein Gemisch von Produkten des gemeinsamen thermooxydativen Abbaus von Polykaproamid und Polyimidharz in einer Menge von 55 Volumenprozent. Das Material weist eine reguläre Struktur auf und kann für die Herstellung von Teilen tribotechnischer Zweckbestimmung verwendet werden.

Beispiel 8

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Rhenium, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, nichtrostender Stahl, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Die Schalen bilden eine reguläre Zellenstruktur und sind mit in Richtung zur Kontaktfläche des Materials mit dem Gegenteil von 60 auf 5 µm abnehmenden Abmessungen ausgeführt. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man Silberpulver in einer Menge von 45 Volumenprozent, wobei das Verhältnis der maximalen Abmessungen der Zusatzstoffe zu dem minimalen Abstand zwischen diesen 0,7 beträgt. Das Material kann für die Herstellung von Bürsten und Kontaktringen verwendet werden.

Beispiel 9

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, eine Silber-Kupfer-Legierung, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Blei, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man Molybdändisulfid in einer Menge von 10 Volumenprozent, wobei das Verhältnis der maximalen Abmessungen der Zusatzstoffe zu dem minimalen Abstand zwischen diesen 5,5 beträgt. Das Material weist eine reguläre Struktur auf und kann für die Herstellung von Elementen des elektrischen Gleitkontaktes verwendet werden.

Beispiel 10

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Aluminium, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Kadmium, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man Bornitrid in einer Menge von 20 Volumenprozent, wobei das Verhältnis der maximalen Abmessungen der Zusatzstoffe zu dem minimalen Abstand zwischen diesen 10 beträgt. Das Material weist eine reguläre Struktur auf und kann als Gleitlager verwendet werden.

Beispiel 11

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Nickel, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Kupfer, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man Bornitrid in einer Menge von 20 Volumenprozent unter Zugabe eines Gemisches von Silizium- und Borfasern in einer Menge von 2%, bezogen auf das Gesamtvolumen der funktionellen Zusatzstoffe. Das Material weist eine nichtreguläre Struktur auf und kann für die Herstellung von Teilen tribotechnischer Zweckbestimmung verwendet werden.

Beispiel 12

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Chrom, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Kadmium, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man Graphit in einer Menge von 15 Volumenprozent unter Zugabe von Fasern von Tantal in einer Menge von 40%, bezogen auf das Volumen der Zusatzstoffe. Das Material weist eine nichtreguläre Struktur auf und kann für die Herstellung von wärmebeständigen Teilen tribotechnischer Zweckbestimmung verwendet werden.

Beispiel 13

Das Selbstschmiermittel besteht aus einer Matrix, gebildet durch zwei Komponenten, deren eine, Rhenium, die Schalen der funktionellen Zusatzstoffe bildet und die andere, Silber, in den Zwischenräumen zwischen den Schalen untergebracht ist. Als funktionelle Zusatzstoffe verwendet man Molybdändisulfid in einer Menge von 30 Volumenprozent unter Zugabe von Kohlenstoffasern in einer Menge von 90%, bezogen auf das Gesamtvolumen der funktionellen Zusatzstoffe. Das Material weist eine nichtreguläre Struktur auf und kann für die Herstellung von Bürsten verwendet werden.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Selbstschmierkompositionsmaterialien sind in Tabelle 1 angeführt. In Tabelle 2 sind die Eigenschaften der bekannten Selbstschmierkompositionsmaterialien angeführt. Tabelle 1 Eigenschaften des Selbstschmierkompositionsmaterials &udf53;ns&udf54;¸&udf50;&udf53;ns&udf54;¸&udf50;&udf53;ns&udf54;¸&udf50; Tabelle 2 Hauptkennwerte elektrisch leitender Selbstschmierkompositionsmaterialien, hergestellt nach Methoden der Pulvermetallurgie &udf53;ns&udf54;¸&udf50;&udf53;ns&udf54;

Claims

1. Selbstschmiermittel, bestehend aus einer Metallmatrix und funktionellen Zusatzstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus zwei Komponenten besteht, wobei die erste Komponente das Raumgerüst der Matrix bildet und aus untereinander verbundenen, eine zusammenhängende Zellstruktur bildenden Schalen für die funktionellen Zusatzstoffe besteht, die in der ersten Komponente in geschlossenen Zellen eingelagert sind und wobei die zweite Komponente in den Zwischenräumen zwischen den Schalen angeordnet ist, und daß die Komponenten aus Metallen der III. bis VI. Reihe des Periodensystems und/oder ihrer Legierungen bestehen, wobei die Schmelztemperatur der zweiten Komponente nicht über das 0,9-fache der Schmelztemperatur der ersten Komponente hinausgeht und daß die Gesamtmenge der funktionellen Zusatzstoffe 3 bis 80 Vol.-% beträgt.

2. Selbstschmiermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der eine reguläre Zellstruktur bildenden Schalen der Zellen in Richtung zur Kontaktfläche des Materials mit dem Gegenkörper hin abnehmen.

3. Selbstschmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der maximalen Abmessungen der Zusatzstoffe zum minimalen Abstand zwischen ihnen 0,7 bis 10 beträgt.

4. Selbstschmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionellen Zusätze härtbare und thermoplastische Polymere sind.

5. Selbstschmiermittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als härtbare Polymere Phenol-Formaldehydharz, glasfasergefülltes Epoxydharz, Polyimidharz enthält.

6. Selbstschmiermittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als thermoplastische Polymere Polyäthylen, ölgefülltes Polycaproamid oder Polytetrafluoräthylen enthält.

7. Selbstschmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten funktionellen Zusatzstoffe pulverförmige Produkte des thermischen bzw. des thermooxidativen Abbaus der härtbaren und thermoplastischen Polymere sind.

8. Selbstschmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie als funktionelle Zusatzstoffe zusätzlich noch Pulver der Metalle der III. bis VI. Reihe des Periodensystems bzw. der Oxide dieser Metalle in einer Menge von 0,5 bis 45%, bezogen auf die Gesamtmenge der funktionellen Zusätze, enthält.

9. Selbstschmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie als funktionelle Zusatzstoffe zusätzlich noch Bor, Kohlenstoff oder Silicium in Form von Fasern in einer Menge von 2 bis 90%, bezogen auf das Gesamtvolumen der funktionellen Zusätze, enthält.

10. Selbstschmiermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie als funktionelle Zusatzstoffe zusätzlich Metalle der III. bis VI. Reihe des Periodensystems in Form von Fasern in einer Menge von 2 bis 90%, bezogen auf das Gesamtvolumen der funktionellen Zusätze, enthält.