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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel-
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lung eines Verbund-Schichtwerkstoffes mit einer auf einem metallischen
Substrat angebrachten Funktionsschicht, die eine im wesentlichen aus thermisch belastbaren
Polymeren aus der Gruppe der Polysulfone aufgebaute Matrix aufweist, bei welchem
Verfahren eines Dispersion von das tribologische Verhalten der Funktionsschicht
bestimmenden oder beeinflussenden Füllstoffen in einer Lösung von Polymerem auf
Poly-sulfon-Basis in unter Wärmeeinwirkung austreibbarem Lösungsmittel auf die durch
Aufrauhen vorbereitete Oberfläche eines metallischen Substrates in gewünschter Schichtdicke
aufgebracht wird, wonach das Lösungsmittel aus dieser Schicht unter Wärmeeinwirkung
ausgetrieben und nach dem vollständigen Entfernen des Lösungsmittels das verbliebene
Polysulfon zu einer die Füllstoffe einschließenden Matrix zusammengesintert wird.
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Aus DE-AS 26 33 940 sind eine Überzugsdispersion und damit beschichtete
Gegenstände bekannt. Diese bekannte Überzugsdispersion soll ein thermoplastisches,
aromatisches Polyäthersulfon als Lösung oder Dispersion mit Teilchengröße von weniger
als 25 um in einem Verdünnungsmittel enthalten, wobei dieser Lösung bzw. Dispersion
PTFE-Teilchen beigemischt sein können. U.a. soll diese Überzugsdispersion zur Bildung
nichtklebender, reibungsarmer Beschichtung vieler Gegenstände geeignet sein. Jedoch
hat sich herausgestellt, daß eine mit dieser bekannten Überzugsdispersion hergestellte
Beschichtung auf metallischen Substraten keine ausreichende Haftfestigkeit erreichen
läßt, um einen solchen Verbund-Schichtwerkstoff als Gleit- bzw. Reibelemente oder
zur Herstellung von Gleit- bzw. Reibelementen zu benutzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen thermisch und mechanisch,
insbesondere dynamisch hochbelastbaren Verbund-Schichtwerkstoff zu schaffen, insbesondere
einen Zweischichtverbundwerkstoff, bei dem die Funktionsschicht eine im wesentlichen
aus thermisch belastbaren Polymeren aus der Gruppe der Polysulfone aufgebaute Matrix
enthält und dabei erhöhte Haftfestigkeit auf metallischem Substrat aufweist. Das
Herstellungsverfahren soll einfach sein, und der Verbund-Schichtwerkstoff soll gut
und sicher bearbeitbar bzw. weiterverarbeitbar sein, insbesondere ein gutes Umformverhalten
aufweisen.
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Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst wird, daß das Aufrauhen der die Funktionsschicht tragenden Oberfläche
des metallischen Substrates durch Strahlen mit Korund vorgenommen wird und daß die
auf die aufgerauhte Oberfläche des metallischen Substrates aufgebrachte Schicht
zum Austreiben des Lösungsmittels durch Erhitzen des metallischen Substrates erwärmt
wird. Der gemäß der Erfindung hergestellte Verbund-Schichtwerkstoff wird einem erheblichen
Anforderungsprofil gerecht und zeichnet sich aus durch gute Haftung zum metallischen
Substrat, thermische Beständigkeit bei mechanisch-dynamischen Belastungen bei erhöhter
Temperatur, gutes Reib- bzw. Gleitverhalten, gute Kavitationsbeständigkeit.
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Dabei hat sich überraschend gezeigt, daß die gewünschte Haftfestigkeit
der Funktionsschicht auf dem metallischen Substrat nur durch Aufrauhen der Substratoberfläche
durch Strahlen und ausschließlich durch die Benutzung von Korund als Strahlmittel
erreichbar ist.
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Besonders vorteilhafte Ergebnisse lassen sich erzielten, wenn Polysulfon
oder Polyäthersulfon mit Kornfraktion
100% < 25 um zu der sechsfachen
Menge Lösungsmittel gegeben und unter Rühren in dieser gelöst wird, wobei das Lösungsmittel
einer der folgenden Stoffe oder ein Gemisch ist, das einen oder mehrere der folgenden
Stoffe enthält: N-Methylpyrrolidon, Methylenchlorid-1,2-Trichloräthan, Dimethylformamid.
Es hat sich herausgestellt, daß eine auf der Grundlage einer solchen Lösung bzw.
Dispersion gebildete Funktionsschicht besonders gute Haftung auf der durch Strahlen
mit Korund vorbereiteten Oberfläche eines metallischen Substrates ergibt, wenn das
metallische Substrat zum Austreiben des Lösungsmittels erhitzt wird.
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Als besonders vorteilhaft hat sich überraschend herausgestellt, in
die Lösung von Polymerem auf Polysulfonbasis zusätzlich zu den das tribologische
Verhalten bestimmenden oder beeinflussenden Füllstoffen noch Glasmehl und/oder Glimmer,
insbesondere synthetischen Glimmer, in einer Kornfraktion 100% < 40 um einzumischen.
Das Glasmehl und/oder deGlimmer, insbesondere der synthetische Glimemr kann dabei
in einer Menge zwischen 5 und 15 Vol.-%, bevorzugt bei 8 Vol.-%, bezogen auf den
Feststoffgehalt eingemischt werden. Wie überraschend festgestellt wurde, besteht
offenbar eire funktionelle Zusammenwirkung zwischen dem Aufrauhen der Substratoberfläche
durch Strahlen mit Korund und der Beigabe von Glasmehl und/oder Glimmer, insbesondere
synthetischen Glimmer in die Funktionsschicht. Es werden nämlich bei Benutzung beider
Merkmale besonders hohe Tragfähigkeit und Verschleißfestigkeit in Verbindung mit
besonders guter Haftfähigkeit der Funktionsschicht erreicht, wobei die freie Oberfläche
der Funktionsschicht frei von jeglichen klebrigen Eigenschaften ist.
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Bevorzugt wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das von Lösungsmittel
befreite Polymere auf Polysulfon-Basis zum Zusammensintern zur Matrix von der Seite
des metallischen
Substrates her auf eine Temperatur von mindestens
460° C erhitzt und für die Dauer von 60 sec. bis maximal 360 sec.
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auf dieser Temperatur gehalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich im Durchlauf eines
bandförmigen Substrates durchgeführt werden.
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Ein solcher kontinuierlicher Verfahrensablauf ist wie folgt: Polyäthersulfon
oder Polysulfon wird in Lösungsmitteln wie N-Methylpyrrolidon, Methylenchlorid-1,2-Trichloräthan
und/ oder Dimethylformamid gelöst, wobei durch die Zugabe des Polymerwerkstoffes
zu der 6-fachen Menge des Lösungsmittels durch Rühren eine Lösung erreicht wird.
Die Kornfraktion der verwendeten Polymerpulver liegt zu 100% unterhalb 25 um.
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Nach Fertigstellung eines oben beschriebenen Ansatzes (Lösung) werden
die zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens notwendigen Füllstoffe in der
erforderlichen Menge in der Lösung dispergiert.
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Nach Fertigstellung der "Lösung" bzw. Dispersion wird diese in einem
kontinuierlichen Bandschichtverfahren auf beispielsweise metallische Träger in Bandform
aufgebracht, um Halbzeug aus einem Schichtverbund zu fertigen, aus welchem dann
Lagerschalen, Lagerbuchsen, Anlaufscheiben u.a. bekannte Formen von Lagerelementen
gefertigt werden.
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Die Beschichtung des kontinuierlich fortlaufenden Trägerbandes erfolgt
über ein Auftragsrakel durch Aufstreichen.
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Hierbei sind jedoch alle denkbaren Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise
Tauchen, Spritzen, Spachteln u.dgl., anwendbar, da die Viskosität der Lösung bzw.
der Dispersion in weiten Grenzen variiert werden kann, so daß sich für jedes einzelne
Beschichtungssystem eine geeignete Viskosität einstellen läßt. Das Substratband,
insbesondere
Stahlband ist vor dem Beschichten durch Strahlen mit
Korund (A1203) zu behandeln. Hierdurch ergaben sich bei Dornbiegeprüfungen Haftfestigkeitswerte,
die bei jeglichem anderen Aufrauhen und auch bei Strahlen der Substratoberfläche
mit anderen bekannten Strahlmitteln bei weitem nicht erreichbar waren.
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Nach Aufbringen der Lösung bzw. Dispersion auf die vo-rbehandelte
Substratoberfläche wird der flüchtige Bestandteil der Beschichtung entfernt. Dies
erfolgt durch induktive Erwärmung des metallischen Trägerwerkstoffes (Substrat)
bis zur vollständigen Verflüchtigung des Lösungsmittels.
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Hierbei wurde überraschend und unerwartet festgestellt, daß bei einer
Erwärmung der Bandbeschichtung, welche nicht über den Trägerwerkstoff bzw. von der
Seite des Trägerwerkstoffs her erfolgt, beispielsweise bei Erwärmung durch Heizstrahler,
die Beschichtung nach erfolgtem Sintervorgang in Form einer Folie wieder abgezogen
werden konnte.
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Nach erfolgter Verflüchtigung der Lösungsmittel durchläuft das Band
eine Sinterstrecke, wobei eine Temperatur von mindestens 4600C innerhalb der Sinterstrecke
erreicht werden muß, welche wiederum über den Trägerwerkstoff auf den Schichtverbund
zumindest für die Dauer von 60 Sekunden bis maximal 360 Sekunden einwirkt.
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Nach dem Durchlaufen der beschriebenen Schritte kann das Band nach
erfolgter Abkühlung mittels Druckluft oder einem anderen Kühlmedium aufgewickelt
und/oder weiterverarbeitet werden.
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Nachfolgend werden einige Beispiele aufgeführt, welche nach dem beschriebenen
Verfahren hergestellte Werkstoffe beschreiben und tribologisch auf einer Stift/Walze-Prüfeinrichtung
hinsichtlichverschiedener Merkmale, wie beispielsweise Verschleißwiderstand und
Reibverhalten, untersucht wurden.
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Beispiel 1: Ein metallischer Träger (Stahl St4, DIN 1624) wird durch
Strahlen mit Al203-Strahlmittel vorbehandelt und mit Polysulfon-Lösung wie beschrieben
beschichtet auf eine Schichtdich von 100 um. Es wurden keine Füllstoffe zur Eigenschaftsverbesserung
im Hinblick auf das tribologische Verhalten verwendet.
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Versuchsbedingungen Gleitgeschwindigkeit: 100 min 1, entspr. 0,523
m/s stat. Belastung: ca. 700 N spez. Belastung: 8,9 N/mm2 Prüfblättchen-: 10 mm
Walzen-# des Gegenläufers: 100 mm p.v.-Wert: 4,68 N/mm2 . m Härte: 60 HRC Rt: 2,78
um Ra: 0,24 um Rz: 1,78 um Anhand der aufgeführten Versuchsbedingungen wurden folgende
Ergebnisse erzielt: Temperatur der Verschleißwalze: Temperatur des Probekörpers:
100°C Reibmoment in N/mm nach 5 min: 25 Verschleiß in um nach 6 min.: 100 Beispiel
2: Herstellung wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch anstelle von Polysulfon wurde
Polyäthersulfon verwendet.
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Temperatur der Verschleißwalze: Temperatur des Probekörpers: 940C
Reibmoment in N/mm nach 5 min: 19 Reibmoment in N/mm nach 10 min: 20 Verschleiß
in um nach 11 min.: 100
Beispiel 3: Analog Beispiel 1, jedoch mit
Anteilen von Füllstoffen aus niedermolekularem PTFE, Teilchengröße ca.5 bis 7 um
mit einem mittleren Molekulargewicht von 35.000 bis 100.000, sowie metallischem
Blei in einer Korngröße 100% < 40 um, in einem Anteil von je 20 Vol.-%, bezogen
auf die Polymer-Matrix.
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Temperatur der Verschleißwalze nach Versuchsablauf 510C Temperatur
des Probekörpers: 720C Reibmomente in N/mm nach 5 min: 8,1 Reibmomente in N/mm nach
10 min: 8,1 Reibmomente in N/mm nach 15 min: 7,0 Reibmomente in N/mm nach 20 min:
8,5 Reibmomente in N/mm nach 25 min: 9,0 Reibmomente in N/mm nach 30 min: 9,2 Der
Verschleiß des Probekörpers betrug 60 um nach einer Laufzeit von T = 30 min.
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Beispiel 4: Wie Beispiel 3, jedoch Polyäthersulfon mit 20 Vol.-% PTFE,
20 Vol.-% Blei.
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Temperatur der Verschleißwalze nach 30 min: 530C Temperatur des Probekörpers:
80°C Reibmomente in N/mm nach 5 min: 7,9 Reibmomente in N/mm nach 10 min: 9,1 Reibmomente
in N/mm nach 15 min: 9,8 Reibmomente in N/mm nach 20 min: 10,0 Reibmomente in N/mm
nach 25 min: 11,0 Reibmomente in N/mm nach 30 min: 12,0 Verschleiß nach einer Laufzeit
von 30 min: 98 um
Beispiel 5: Polysulfon mit 14 Vol.-% PTFE, 8
Vol.-% Blei, 8 Vol.-% Glasmehl (Glasmehl in einer Kornfraktion 100% <40 µm).
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Temperatur der Verschleißwalze: 56°C Temperatur des Probekörpers:
65°C Reibmomente in N/mm nach 5 min: 7,9 Reibmomente in N/mm nach 10 min: 8,0 Reibmomente
in N/mm nach 15 min: 8,2 Reibmomente in N/mm nach 20 min: 8,0 Reibmomente in N/mm
nach 25 min: 8,5 Reibmomente in N/mm nach 30 min: 8,9 Der Verschleiß betrug 9 um
nach 30 min. Laufzeit.
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Beispiel 6: Polyäthersulfon mit der Zusammensetzung wie Beispiel 5.
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Temperatur der Verschleißwalze: 49°C Temperatur des Probekörpers:
510C Reibmomente in N/mm nach 5 min: 8,2 Reibmomente in N/mm nach 10 min: 7,5 Reibmomente
in N/mm nach 15 min: 7,2 Reibmomente in N/mm nach 20 min: 7,2 Reibmomente in N/mm
nach 25 min: 7,4 Reibmomente in N/mm nach 30 min: 7,8 Der Verschleiß betrug 8,3
um nach 30 min. Laufzeit.
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Beispiel 7: Wie Beispiel 5, jedoch wurde der Glasmehlanteil durch
Glimmer ersetzt (Glimmer der Fa. Omya mit der Bezeichnung MIKA M).
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Temperatur der Verschelißwalze: 49°C Temperatur des Probekörpers:
52°C Reibmomente in N/mm nach 5 min: 7,8 Reibmomente in N/mm nach 10 min: 7,6 Reibmomente
in N/mm nach 15 min: 7,3 Reibmomente in N/mm nach 20 min: 7,0 Reibmomente in N/mm
nach 25 min: 6,8 Reibmomente in N/mm nach 30 min: 6,8 Der Verschleiß betrug 4,5
um nach 30 min. Laufzeit.
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Beispiel: Wie Beispiel 7, jedoch Polyäthersulfon als Matrix.Werkstoff.
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Temperatur der Verschleißwalze: 490C Temperatur des Probekörpers:
56°C Reibmomente in N/mm nach 5 min: 8,0 Reibmomente in N/mm nach 10 min: 7,8 Reibmomente
in N/mm nach 15 min: 7,7 Reibmomente in N/mm nach 20 min: 7,6 Reibmomente in N/mm
nach 25 min: 7,5 Reibmomente in N/mm nach 30 min: 7,5 Verschleiß nach 30 min. Aufzeit
4,5 um.
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Durch die Hinzufügung von Füllstoffen, welche im Rahmen der aufgeführten
Beispiele verwendet wurden, ist die Bindung zwischen Trägerwerkstoff und Kunststoff
nicht nachteilig beeinflußt worden. Wie sich überraschenderweise gezeigt hat, wirkt
sich Glimmer sehr vorteilhaft auf das Verhalten unter tribologischer Beanspruchung
aus.
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Während sowohl Polysulfon und auch Polyäthersulfon nur unbefriedigenden
Verschleißwiderstand zeigen, so wird dieser insbesondere durch Glimmer erheblich
verbessert.
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Die Erzielung eines Zweischichtverbundes, welcher mit gutem thermischen
Verhalten auch bei Temperaturen >100°C bis 2000C einsetzbar ist, wird durch einen
Schichtverbund nach beschriebenen Herstellungsverfahren und Zusammensetzung erreicht.
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Wobei z.T. der Werkstoffverbund durch die Beschränkung auf relativ
dünne Gleit- und Reibschichten von ca. 50 bis 300 um, bevorzugt zwischen 100 und
200 um, kavitative Belastung, wie sie in Stoßdämpfern und Pumpen auftreten, standhält
und aufgrund der metallischen Bleibestandteile in der Polymer-Matrix und auch der
verhältnismäßig geringen Kunststoff-Schichtdicken Temperaturspitzen verkraften kann.
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Eine ausreichende Haftung wird durch die beschriebenen Verfahrensschritte
herbeigeführt, wobei die wirkenden Adhäsionskräfte, insbesondere bei der Erwärmung
vom Substrat her, voll zur Anwendung kommen.
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Den Schichtaufbau eines Ausführungsbeispiels des Schichtverbundwerkstoffes
ist in der Zeichnung wiedergegeben.
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Hierbei ist ein Trägerwerkstoff 1, beispielsweise aus Stahl, vorgesehen,
welcher durch Strahlen mit Korund (Korngröße 100% lmm, 78% 0,5mm, 22% 0,2mm) eine
Aufrauhung und Vergrößerung der Oberfläche 2 erhält, auf der über geringe mechanische
Verklammerung aber hohe Adhäsionswirkung die Polymer-Matrix 3 aus einem Polysulfon
oder Polyäthersulfon gebunden ist. In der Polymer-Matrix 3 sind feindispers Füllstoffe
4 verteilt, welche das tribologische Verhalten positiv beeinflussen. Ferner enthält
die Matrix 3 in feiner Verteilung die Tragfähigkeit und Verschleißfestigkeit der
Funktionsschicht erhöhende Teilchen 5 aus Glas, Glimmer oder synthetischem Glimmer.
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Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Schichtwerkstoffes mit Matrix
auf Polysulfon-Basis in der Funktionsschicht Bezugszeichenliste 1 Trägerwerkstoff
(Substrat) 2 aufgerauhte Oberfläche von 1 3 Polymermatrix 4 feindisperse Füllstoffe
für tribologisches Verhalten 5 Teilchen zur Erhöhung der Tragfähigkeit und Verschleißfestigkeit
(Glas, Glimmer, synthetischer Glimmer)
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