DE4200385A1 - Schichtverbundwerkstoff mit kunststoff-gleitschicht und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtverbundwerkstoff mit Kunststoff-Gleitschicht für die Herstellung von Trockengleitlagern, bei dem auf einer metallischen Trägerschicht die Kunststoff-Gleitschicht angebracht ist, die in einer Matrix aus einem oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe von Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide eine Verstärkung aus Faserstoff und/oder aus Whiskern, PTFE und die Trockenschmierung verbessernde Zusätze, wie MoS₂ aufweist.

Aus DE 29 35 205 A1 sind bereits ein Schichtverbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, bei welchen in die Kunststoffmatrix der gute Gleiteigenschaften aufweisenden Funktionsschicht Kurzfasern, und zwar u. a. auch Kohlenstoff-Kurzfasern zusammen mit Kunststoff-Endlosfasern eingelagert sind. Die in DE-OS 29 35 205 beschriebene Herstellungsweise für solchen Schichtverbundwerkstoff ist kompliziert und aufwendig. Darüber hinaus hat der aus DE-OS 29 35 205 bekannte Schichtverbundwerkstoff zur Herstellung von Fertigteilen, wie Lagerschalen und Lagerbuchsen auch erhebliche Mängel, insbesondere qualitativ sehr große Schwankungen gezeigt. Besondere Nachteile bedingen dabei die in die Gleitschicht eingelagerten Langfasern bzw. Endlosfasern.

Es sind deshalb auch bereits in DE 32 21 785 A1 ein Schichtverbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben, wonach die auf einer metallischen Trägerschicht angebrachte Kunststoff-Gleitschicht in ihrer Matrix nur Kohlenstoff-Kurzfasern als Verstärkungsfasern enthalten soll. Gemäß DE 32 21 785 A1 sollen Zusätze zur Verbesserung der Reib- bzw. Gleiteigenschaften in Form von PTFE oder MoS₂ in die Kunststoffmatrix eingelagert sein. Es hat sich jedoch gezeigt, daß zwar der Verschleißwiderstand (mechanischer, kavitativer, erosiver) sehr gut, jedoch der Reibwert trotz Zusätzen von PTFE und bzw. oder MoS₂zu hoch ist, so daß z. B. Stoßdämpfer im praktischen Betrieb der modernen Personenkraftwagen nicht mit solchen Gleitelementen ausgestattet werden können.

Es ist auch aus EP 00 26 806 bzw. DE 29 39 754 A1 bekannt, einem thermoplastisch verarbeitbaren Fluorkunststoff PTFE in reiner oder mit Zusätzen gefüllter Form beizumischen, wobei das PTFE vorteilhaft aus ausgesintertem und anschließend durch Zerkleinerung wieder in feinkörniges Pulver zurückgeführtem Regenerat von Compounds mit die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen bestehen kann. In dieser Vorveröffentlichung werden als thermoplastisch verarbeitbare Fluorpolymere Perfluoräthylenpropylen (FEP) oder solche der Perfluoralkoxy-Gruppe (PTA oder PFA) angegeben. Vergleichende Untersuchungen auf Stift-Walze-Tribometern, Rotations- und Oszillationsprüfmaschinen sowie auf Prüfständen für die Untersuchung von Werkstoffen unter hochfrequenten dynamischen Beanspruchungen zwischen Reibwerkstoffen und einer Fluorpolymermatrix und anderen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffen aus der Gruppe der Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide haben jedoch gezeigt, daß die vorgenannten Kunststoffe solchen Reibwerkstoffen, wie sie die DE 29 39 754 A1 offenbart, bereits ohne Verstärkungsfasern hinsichtlich des Verschleißes überlegen sind. Auch die Zugabe von PTFE-Regenerat vermag diesem Nachteil nicht abzuhelfen. Das Regenerat senkt lediglich den Reibwert der FEP- oder PFA-Matrix etwas, aber unbedeutend ab.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Schichtverbundwerkstoff zu schaffen, der die genannten Mängel der bekannten Schichtverbundwerkstoffe nicht hat und dabei sowohl hoch belastbar, insbesondere thermisch hoch belastbar, ist, hohe Ermüdungsfestigkeit auch gegen Hydropulsbelastung bei hoher Abriebfestigkeit und hoher Bindungsfestigkeit der Funktionsschicht an der Trägerschicht aufweist, als auch sich durch besonders niedrigen Reibwert auszeichnet. Dabei soll sich ein solcher Schichtverbundwerkstoff besonders einfach herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schichtverbundwerkstoff der eingangs beschriebenen Art gelöst, die Gleitschicht in einer Matrix aus einem oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide eine Verstärkung aus Faserstoff und/oder aus Whiskern, PTFE und die Trockenschmierung verbessernden Zusätze wie MoS₂ noch in Kombination hierzu aufweist, daß das PTFE zumindest zum überwiegenden Teil als Compound von bereits ausgesinterten Polytetrafluoräthylen und die Trockenschmierung verbessernden Zusatz in Form von feinen Partikeln in die Matrix eingebettet ist.

Eingehende Versuche haben zwar die hervorragende Verschleißfestigkeit der für die Matrix angegebenden thermoplastischen Kunststoffe insbesondere von Polyphenylensulfid in Verbindung mit Kohlenstoff-Kurzfasern gezeigt. Der Reibwert konnte aber durch Zugabe von jungfräulichem, nicht ausgesintertem PTFE bislang nicht in erforderlicher Weise abgesenkt werden. Es hat sich überraschend gezeigt, daß durch die Zugabe von PTFE Compound d. h. feinen Partikeln aus bereits ausgesinterten PTFE mit die Trockenschmierung verbessertem Zusatz ein niedriger Reibwert unter gleichzeitiger Beibehaltung von hohem Verschleißwiderstand erreichbar ist.

Als Faserstoffverstärkung kommen im Rahmen der Erfindung außer Kohlenstoff-Kurzfasern auch Boridfasern oder K-Titanatwhisker oder SiC-Whisker bzw. Fasern oder Whisker folgender Zusammensetzungen in Betracht:
BN, ZrO₂, Al₂O₃, TiN, B₄C, Mo₂C, NbC, NbN.
Als die Trockenschmierung verbessernde Zusätze kommen im Rahmen der Erfindung außer Molybdändisulfid (MoS₂) in Betracht: Graphit, Antimon-Thioantimonat, Glimmer, Kohle, WSe₂, WS₂ oder Weichmetalle wie Pb, Sn, oder deren Oxide. Im Rahmen der Erfindung kann einer oder mehrere dieser die Trockenschmierung verbessernden Zusätze in das PTFE-Compound eingelagert sein, dabei können außerdem dem PTFE-Compound auch weiteres PTFE und weitere die Trockenschmierung verbessernde Zusätze in die Kunststoffmatrix eingelagert sein, bevorzugt wird man jedoch sämtliches PTFE und sämtliche die Trockenschmierung verbessernden Zusätze gemeinsam als Compound-Partikel in die Matrix aus thermoplastischem Kunststoff einlagern.

Als besonders günstig hat es sich im Rahmen der Erfindung erwiesen, wenn das PTFE-Compound in eine Menge von 15 Vol.-% bis 35 Vol.-% in die Matrix eingelagert ist und eine Zusammensetzung von 60 bis 70 Vol.-% PTFE und 30 bis 40 Vol.-% Molybdändisulfid (MoS₂) aufweist.

Das PTFE-Compound kann besonders vorteilhaft zumindest teilweise ein Regenerat aus bei der Beschichtung von Verbundwerkstoffen anfallendem, PTFE-enthaltendem Pastenabfall sein. Durch das Aufarbeiten des Pastenabfalls ergibt sich nicht nur ein wesentlicher Beitrag zum Umweltschutz sondern auch erheblicher Preisvorteil ohne die Güte des Produktes zu vermindern.

Als besonders vorteilhaft hat sich im Rahmen der Erfindung erwiesen, die Matrix der Gleitschicht aus thermoplastischem Polyphenylensulfid zu bilden. Um die Bindung zwischen dem PTFE-Compound und der Matrix zu verbessern und insbesondere die Einbindung der die Trockenschmierung verbessernden Zusätze innerhalb des Compounds zu verbessern, empfiehlt es sich, daß das PTFE-Compound einen oder mehrere Stoffe der Perfluoralkoxy-Gruppe (PFA) und/oder Fluoräthylenpropylen-Gruppe (FEP) in Anteilen zwischen 2 und 10 Vol.-% vorzugsweise 4 Vol.-%, enthält. Das PTFE-Compound soll als möglichst feine Partikel vorliegen mit Partikelgröße unterhalb 125 µm.

Die Trägerschicht des erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffs kann wahlweise aus verschiedensten metallischem Material bestehen, beispielsweise aus Stahl, Kupferwerkstoff, beispielsweise CuSn8, Aluminiumwerkstoff, beispielsweise AlZn5SiCuPb oder entsprechend plattiertem Werkstoff wie Stahl/Al oder Stahl/Bronze.

Eine besonders vorteilhafte Trägerschicht besteht aus Stahl und ist mit einem aus kugeliger Bronze bestehenden porösen Sintergerüst auf der die Gleitschicht tragenden Oberfläche versehen. Die Bronze hat hierbei vorteilhaft die Zusammensetzung CuSn10 oder CuPb10Sn10.

Der erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff läßt sich in besonders einfachen Verfahren herstellen und zwar ausgehend davon, daß ein Gemisch ein Teilchen aus thermoplastischem Kunststoff aus einem, zwei oder mehreren Stoffen aus der Gruppe der Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide, vorzugsweise PPS, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide mit Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernde Zusätze enthaltendem, vorgesintertem PTFE-Compound, ggf. zusätzlichen Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernde Zusätzen und Kurzfasern gebildet und fortlaufend auf die vorzugsweise aufgerauhte Oberfläche eines die Trägerschicht bildenden Metallbandes aufgestreut und in einer gleichmäßigen Schicht gewünschter Dicke ausgebreitet wird und daß diese Schicht auf die Oberfläche des Metallbandes geschmolzen wird. Die Kurzfasern können dabei eine Länge von 1 mm aufweisen.

Das Aufschmelzen der Gleitschicht kann unmittelbar nach dem Aufstreuen mittels des Streubalkens oder Rakelbalkens erfolgen.

Zur Bildung der PTFE-Compound-Teilchen kann bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch aus PTFE-Teilchen und Teilchen von die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen mit gewünschter Zusammensetzung in Pastenform gebildet, getrocknet, gesintert und durch kaltvermahlen auf gewünschte Kornfraktion, beispielsweise < 125 µm, zerkleinert werden. Dabei kann im erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildung der PTFE-Compound-Teilchen als pastenförmiges Gemisch von PTFE-Teilchen und die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen ein Pastenabfall eingesetzt werden, wie er bei der Beschichtung von Gleitlager-Verbundwerkstoff anfällt. Solcher Pastenabfall kann bereits die für die PTFE-Compound-Teilchen gewünschte Zusammensetzung aufweisen. Es ist aber auch möglich zur Bildung der PTFE-Compound-Teilchen als Grundlage für das pastenförmige Gemisch auf PTFE-Teilchen und Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen ein bei der Beschichtung von Gleitlager-Verbundwerkstoff anfallenden Pastenabfall einzusetzen und mit PTFE-Teilchen und/oder Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen bis zur gewünschten Zusammensetzung aufzufüllen, wenn der zur Verfügung stehende Pastenabfall nicht die gewünschte Zusammensetzung hat. Bei der Vorbereitung der PTFE-Compound-Teilchen empfiehlt es sich, im erfindungsgemäßen Verfahren dem pastösen Gemisch für die Bildung der PTFE-Compound-Teilchen ein oder mehrere Stoffe der Perfluoralkoxy-Gruppe (PFA) und/oder Fluoräthylenpropylen-Gruppe (FEP) in Anteilen zwischen 2 und 10 Vol.-%, vorzugsweise 4 Vol.-%, bezogen auf die Trockensubstanz, beizumischen.

Das Aufschmelzen der Schicht auf die Trägerschicht kann bevorzugt bei Temperaturen von etwa 50 bis 70 K oberhalb der Schmelztemperatur des die Matrix bildenden thermoplastischen Kunststoffs, aber jedenfalls unterhalb der Sintertemperatur des PTFE vorgenommen werden.

Anschließend an das Aufschmelzen der Gleitschicht kann vorteilhaft in einem Durchlaufofen durch Beheizen des gebildeten Schichtverbundwerkstoff-Bandes von der Metallband-Seite und durch Halten auf Schmelztemperatur bzw. 50 bis 70 K oberhalb der Schmelztemperatur des die Matrix bildenden thermoplastischen Kunststoffs, vorzugsweise PPS, in der Gleitschicht durch das Aufstreuen unvermeidlich enthaltene Luft bis zur Porenfreiheit dieser Schicht ausgetrieben werden. Das Beheizen des gebildeten Schichtverbundwerkstoff-Bandes im Durchlaufofen sollte bevorzugt durch Untenheizung und durch induktive Heizung erfolgen, um dadurch besonders gute Bindungsfestigkeit der Gleitschicht auf der Trägerschicht zu erreichen. Dabei soll aber die eingesetzte Temperatur unterhalb der Sintertemperatur des PTFE bleiben, um die PTFE-Compound-Teilchen in ihrem Zusammenhalt nicht zu gefährden.

Zur Vermeidung von Schwindungsrissen empfiehlt es sich, das gebildete Schichtverbundwerkstoff-Band nach dem Verlassen des Durchlaufofens unter Einwirkung von Heißluft auf die Gleitschicht langsam abzukühlen, um einen möglichst hohen Kristallinitätsgrad der Kunststoffmatrix zu erzielen. Das Aufrauhen der zu beschichtenden Oberfläche des die Trägerschicht bildenden Metallbandes kann in jeglicher herkömmlicher Weise erfolgen, beispielsweise durch Schleifen, Bürsten oder Strahlen, beispielsweise Strahlen mit Sandkies oder Korund. Eine so mechanisch aufgerauhte Oberfläche sollte bevorzugt vor dem Beschichten mittels alkalischer oder organischer Kaltreiniger, beispielsweise Perchloräthylen oder Trichloräthylen gereinigt und entfettet werden. Eine andere bevorzugte Möglichkeit zum Aufrauhen der zu beschichtenden Oberfläche des die Trägerschicht bildenden Metallbandes besteht im Aufsintern eines Rauhgrundes, beispielsweise eines aus kugeliger Bronze, z. B. CuSn10 bestehenden porösen Sintergerüstes.

Bei einem abgewandelten Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoff werden anstelle eines Pulverauftrages der Matrixwerkstoff, nämlich Teilchen aus thermoplastischen Kunststoff oder ein Teilchengemisch aus zwei oder mehr thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe der Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide, vorzugsweise PPS, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide, die die Trockenschmierung verbessernden Zuschläge, nämlich feine Teilchen aus die die Trockenschmierung verbessernden Zuschläge enthaltendem PTFE-Compound mit vorgesintertem PTFE, sowie ggf. zusätzlichen PTFE-Teilchen sowie ggf. zusätzlichen Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden Zuschläge, und die Kurzfasern in dosierten Mengen in einer Extruderpresse, vorzugsweise in einem Doppelschneckenextruder, unter Schmelzen des thermoplastischen Matrixwerkstoffs intensiv vermischt, so dann diese Schmelzeaufbereitung zu einer in der Dicke der gewünschten Gleitschicht entsprechenden Folie extrudiert, wobei diese Folie auf die vorzugsweise aufgerauhte Oberfläche eines metallischen Trägerbandes aufgebracht und dort gebunden wird. Nach dieser Verfahrensweise hergestellter erfindungsgemäßer Schichtverbundwerkstoff weist noch günstigere Reibwerte der Gleitschicht auf als der mit Pulverauftrag hergestellte erfindungsgemäße Schichtverbundwerkstoff. Dies ist evtl. auf die bessere Homogenität der Mischung der Schmelzeaufbereitung zurückzuführen.

Besonders vorteilhaft kann in diesem Herstellungsverfahren zunächst der Matrixwerkstoff in der Extruderpresse verdichtet und geschmolzen werden während die die Trockenschmierung verbessernden Zuschläge einschließlich des PTFE-Compounds, und die Kurzfasern in dosierten Mengen von der Seite her direkt in die Polymerschmelze des Matrixwerkstoffes eingeführt und mit dieser vermischt werden. Der Vorteil dieser Arbeitsweise liegt in der Verringerung der abrasiven Wirkung der Fasern. Außerdem zeichnet sich diese Arbeitsweise durch Verminderung des Energieverbrauchs aus, da die Füllstoffe nicht vom Hauptantrieb durch den gesamten Verfahrensteil transportiert werden müssen.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffes und ein Herstellungsverfahren werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Verfahrensschema;

Fig. 2 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoff in Längsrichtung, d. h. Beschichtungsrichtung mit Vergrößerung 100:1;

Fig. 3 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoff quer zur Beschichtungsrichtung mit Vergrößerung 100:1 und

Fig. 4 die graphische Darstellung des in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffes erzielten Reibwertes im Vergleich mit dem Reibwert eines vergleichbaren, bekannten Schichtverbundwerkstoffes.

Bei dem aus Fig. 1 ersichtlichen Herstellungsverfahren wird ein Band von metallischem Trägerwerkstoff, beispielsweise einseitig verkupfertes Stahlband, mit aufgebrachtem Rauhgrund aus einem porösen Sintergerüst aufgesinterter kugeliger Bronze mit Führungsrollen 12 unter einem Pulvertrichter 13 vorbeigeführt, aus welchem ein Pulvergemisch aus Polyphenylensulfid mit Teilchengröße 100 µm mit Graphitkurzfasern mit einer Länge unter 1,0 mm und einem Durchmesser zwischen 0,005 mm und 0,03 mm und PTFE-Compound mit Teilchengröße < 125 µm aufgestreut wird, evtl. leicht geschichtet beispielsweise mit Polyimiden und/oder Polyacrylverbindungen. Das Pulvergemisch wird dadurch vorbereitet, daß der die Matrix bildende thermoplastische Kunststoff, bevorzugt Polyphenylensulfid bei Zugabe von flüssigem Stickstoff auf die genannte Teilchengröße gemahlen wird. Dem so erzeugten Kunststoffpulver werden die Kurzfasern, bevorzugt Graphitkurzfasern, und das die Trockenschmierung verbessernde PTFE-Compound beigemischt, bevor dieses Pulvergemisch dem Pulvertrichter 13 zugeführt wird.

Unmittelbar hinter dem Pulvertrichter 13 läuft das metallische Trägermaterialband 11 unter einem beheizten Rakelbalken 14 hindurch, der auf eine Temperatur zwischen 50 und 70 K über der Schmelztemperatur des jeweiligen die Matrix bildenden Kunststoffes d. h. im vorliegenden Fall des Polyphenylensulfids gehalten wird. Der Rakelbalken bewirkt zunächst ein gleichmäßiges Verteilen des Pulvergemisches über die gesamte Breite des Trägermaterialbandes 11 in einem gleichmäßigen Aufstreumaß, wie es zur Erreichung der gewünschten Enddicke der Gleitschicht entspricht. Zugleich wird durch den beheizten Rakelbalken der die Matrix bildende thermoplastische Kunststoff geschmolzen, und die Kurzfasern werden in Laufrichtung des Trägerschichtbandes 11 ausgerichtet. Das so vorbereitete Schichtverbundwerkstoff-Band 15 gelangt in einen Sinterofen 16, in welchem es von der Metallbandseite her durch Unterhitze und Infrarotbeheizung der Oberseite auf eine Temperatur im Bereich von 50 bis 70 K oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs d. h. des Polyphenylensulfids erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten wird. Während dieses Aufheizens im Sinterofen bzw. Durchlaufofen 16 wird - ggf. unter Anwendung von Unterdruck oder Vakuum - die mit dem Aufstreuen des Pulvergemisches unvermeidlich eingelagerte Luft bis zur praktisch völligen Porenfreiheit der gebildeten Gleitschicht ausgetrieben. Nach dem Verlassen des Durchlaufofens bzw. Sinterofens 16 wird das Band von fertigem Schichtverbundwerkstoff 17 unter Bestreichen der gebildeten Gleitschicht mit Heißluftstrahlen 18 durch Führungsrollen 19 geleitet und zu einem Wickel oder Rolle 20 aufgewickelt.

In Abwandlung dieses Herstellungsverfahrens kann auch von einem anderen Trägerwerkstoffband ausgegangen werden, beispielsweise Kupferwerkstoffband, Aluminiumwerkstoffband oder plattierten Werkstoffbändern. Das Aufrauhen des Trägerwerkstoffbandes kann mechanisch erfolgen durch Strahlen (Stahlkies oder Korund), Bürsten oder Schleifen mit Schleifbändern. In jedem Fall soll aber eine Mindestrauhigkeit von 20 µm Rt erzielt werden. Unmittelbar vor dem eigentlichen Beschichten soll dann auch ein Reinigungsvorgang mit organischen oder alkalischen Kaltreinigern vorgesehen werden.

In einer anderen Abwandlung kann das Herstellungsverfahren auch die Herstellung einer extrudierten Folie der gewünschten Zusammensetzung und Aufbringen dieser Folie auf ein metallisches Tragermaterialband vorsehen. Die sichere Bindung der Folie auf dem Trägermaterialband wird durch Druckanwendung beispielsweise auf Walzen bei Schmelztemperatur oder etwa 50 bis 70 K oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixwerkstoffs beispielsweise Polyphenylensulfid vorgenommen, wobei die Aufrauhung an der Oberfläche des Trägermaterialbandes ebenso vorgenommen sein kann wie im Fall des oben beschriebenen Pulverauftrags. Die Arbeitsweise für die Herstellung der Folie ist vorzugsweise derart, daß der Matrixwerkstoff, im vorliegenden Fall PPS über eine Dosiervorrichtung (Differentialdosierwaage) einem Doppelschneckenextruder zugeführt wird. Die Zuschlagstoffe, im vorliegenden Fall das PTFE-Compound und die Verstärkungsfasern werden über eine separate Dosiereinrichtung von der Seite direkt in die Polymerschmelze eingelagert. Von der Extruderpresse kommt die so vorbereitete Schmelzaufbereitung durch die Extruderdüse zur Herstellung der Folie, wobei ebenfalls eine gewisse Ausrichtung der Kurzfasern in Extrusionsrichtung eintreten wird.

Die in den Fig. 2 und 3 wiedergegebenen Schnitte durch den Schichtverbundwerkstoff 17 zeigen die Trägerschicht 21 aus Stahl, die auf ihrer die Reib- bzw. Gleitschicht 22 tragenden Oberfläche 23 in dünner Schicht 24 verkupfert ist. Auf die dünne Verkupferungsschicht 24 ist ein Rauhgrund 25 aus kugeliger Bronze als poröses Sintergerüst aufgesintert. Über diesen Rauhgrund 25 ist die eigentliche Gleitschicht geschmolzen, die eine Matrix 26 aus Polyphenylensulfid aufweist. Dabei ist diese Matrix 26 in die Hohlräume des Sintergerüstes 25 eingeschmolzen oder - bei vorheriger Bildung einer Folie - eingepreßt. In die Matrix 26 sind Graphit-Kurzfasern 27 eingelagert. Fig. 2 zeigt diese eingelagerten Graphit-Kurzfasern 27 im Längsschnitt und deshalb vornehmlich als längliche Gebilde, während Fig. 3 die Graphit-Kurzfasern im Querschnitt und daher punktförmig zeigt. Die Teilchen aus PTFE-Compound sind bei 28 in den Fig. 2 und 3 angedeutet. Diese Teilchen aus PTFE-Compound sind ausschlaggebend für die Erzielung des niedrigen Reibwertes.

Ausführungsbeispiel 1: Zusammensetzung der Gleitschicht:

65 Vol.-% Polyphenylensulfid
26 Vol.-% PTFE-Compound
10 Vol.-% Graphit-Stapelfasern.

Dabei ist die Zusammensetzung des PTFE-Compounds 65 Vol.-% PTFE und 35 Vol.-% MoS₂.

Das PTFE-Compound ist gewonnen als Regenerat eines Pastenabfalls, der bei der Beschichtung von Gleitlagerschichtwerkstoff oder -werkstücken anfällt. Die Zusammensetzung des Pastenabfalls ist 65 Vol.-% Polytetrafluoräthylen (PTFE) und 35 Vol.-% Molybdändisulfid (MoS₂). Dieser Pastenabfall wird zunächst getrocknet und gesintert. Das gesinterte Material wird durch Kaltvermahlen auf Kornfraktion < 125 µm gebracht.

Anstelle der im obigen Beispiel vorgesehenen Graphit-Kurzfasern können auch Verstärkungsfasern anderer Art in die Matrix eingelagert sein, beispielsweise Kohlenstoffasern, die aus Reyon oder Bitumen hergestellt sind. Die im oben beschriebenen Beispiel benutzten Graphit-Kurzfasern sind im wesentlichen aus Polyacrylnitril hergestellt. Graphitfasern unterscheiden sich von den übrigen Kohlenstoffasern dadurch, daß sie einem in der einschlägigen Literatur beschriebenen zusätzlichem Graphitierungsvorgang unter Einfluß von erhöhter Temperatur und mechanischer Belastung unterworfen worden sind und deshalb einen gegenüber den übrigen Kohlenstoffasern erhöhten Elastizitätsmodul aufweisen. Je nach Führung des Graphitierungsvorganges können solche Graphitfasern auf speziell hohen Elastizitätsmodul oder auf speziell hohe Dehnbarkeit bzw. Zugfestigkeit eingestellt werden. Für die in die Matrix 26 eingelagerten Graphitfasern 27 kann dann je nach dem vorgesehenen Anwendungsfall des Schichtverbundwerkstoffs zwischen diesen speziell eingestellten Graphitfasern gewählt werden.

Anstelle von Graphitfasern oder Kohlenstoffasern kommen auch Kurzfasern anderer Art beispielsweise organische Aramidfasern oder Al₂O₃-Fasern oder Whisker der verschiedensten Zusammensetzung zur Verstärkung der Matrix aus thermoplastischem Kunststoff insbesondere Polyphenylensulfid in Betracht.

Mit Stoßdämpferbuchsen, die aus dem oben beschriebenen Schichtverbundwerkstoff geformt worden sind, wurden Versuche unternommen, die erheblich günstigere Belastungswerte und wesentlich niedrigere Ausfallquoten als entsprechende Versuche mit vergleichbaren Stoßdämpferbuchsen aus bekanntem Schichtverbundwerkstoff ergaben.

Stoßdämpferbuchsen aus oben beschriebenen Schichtverbundwerkstoff und Stoßdämpferbuchsen aus vergleichbarem bekanntem Schichtverbundwerkstoff wurden bei Versuchen auf einer Hydropuls-Anlage unter folgenden Bedingungen geprüft:

h₁=+40 mm bei 1 Hz
H₂=+8 mm bei 12 Hz
Hub h₁ wurde hierbei Hub h₂ überlagert

Funktion:
Dreieck
Geschwindigkeit:	h₁=0,16 m/s
	h₂=0,40 m/s
Versuchsdauer:	278 Stunden
Lastwechsel:	h₁=1 Million Hübe
	h₂=12 Million Hübe
Gesamtgleitweg:	320 000 m
Seitenbelastung:	Während 1 min 690 N
	Während 15 s 3700 N

Die Versuche ergaben mit Stoßdämpferbuchsen aus dem oben beschriebenen Schichtverbundwerkstoff in der Ausführung Stahl/CuSn10/PPS + C-Faser + PTFE-Compound eine Ausfallquote von < 1%.

Hingegen zeigen Buchsen mit in eine thermoplastische Matrix eingelagerten Endlosfasern und nicht ausgesintertem PTFE in 75% aller Fälle Ablösung der Gleitschicht vom Träger, bzw. Kavitations- und Ermüdungsrisse in der Gleitschicht.

Die Reibwertbestimmung für die Gleitschicht des gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Schichtverbundwerkstoffes wurde im Vergleich zu einem bekannten Schichtverbundwerkstoff vorgenommen bei welchem ein Gemisch von 65% Polytetrafluoräthylen (PTFE) und 35% Molybdändisulfid (MoS₂) zur Bildung der Gleitschicht in ein Sintergerüst aus Zinnbronzepulver eingelagert ist. Die Ergebnisse der Reibwertbestimmung sind in Fig. 4 dargestellt. Es zeigt sich, daß die Gleitschicht des nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Schichtverbundwerkstoffes zunächst einen höheren Reibwert hat als die Gleitschicht des bekannten Schichtverbundwerkstoffes. Im Betrieb steigt der Reibwert beider Gleitschichten zunächst an. Nach einer Laufzeit von beispielsweise 2 Stunden beginnt aber ein merklicher Abfall des Reibwertes bei der nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Gleitschicht während der Reibwert bei der Gleitschicht des bekannten Schichtverbundwerkstoffes weiterhin ansteigt und zwar über den Maximalwert des für die Gleitschicht des nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Schichtverbundwerkstoffes.

Die Reibwertbestimmung wurde mit einer Reibkraft-Meßeinrichtung mit folgenden Prüfbedingungen durchgeführt:

Schabeballenradius/Breite:|21/10,5 mm
Gleitgeschwindigkeit:	0,01 m/s
Weg	+20 mm
Belastung	300 N
Trockenlauf

In Fig. 4 sind die ermittelten Kurven bezeichnet mit
"Beispiel 1" - Voll ausgezogene Kurve
"Bekanntes Material" - Gestrichelte Kurve

Bezugszeichenliste

11 Trägerschichtband
12 Führungsrollen
13 Pulvertrichter
14 Beheizter Rakelbalken
15 vorbereitetes Schichtverbundwerkstoff-Band
16 Durchlaufofen (Sinterofen)
17 Schichtverbundwerkstoff (fertig)
18 Heißluft-Strahlen
19 Führungsrollen
20 Wickel, Rolle
21 metallische Trägerschicht
22 Gleitschicht
23 Oberfläche von 21
24 Verkupferungs-Schicht
25 Sintergerüst (Rauhgrund)
26 Matrix
27 Kohlenstoff-Kurzfasern
28 PTFE-Regenerat-Partikel

Claims (20)

1. Schichtverbundwerkstoff mit Kunststoff-Gleitschicht für die Herstellung von Trockengleitlagern, bei dem die auf einer metallischen Trägerschicht angebrachte Kunststoff-Gleitschicht in einer Matrix aus einem oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe von Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide eine Verstärkung aus Faserstoff und/oder aus Whiskern, PTFE und die Trockenschmierung verbessernde Zusätze, wie MoS₂ aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das PTFE zumindest zum überwiegenden Teil als Compound von bereits ausgesintertem Polytetrafluoräthylen und die Trockenschmierung verbesserndem Zusatz in Form von feinen Partikeln (28) in die Matrix (26) eingebettet ist.

2. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (28) aus PTFE-Compound als die Trockenschmierung verbessernden Zusatz einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe von Molybdändisulfid (MoS₂), Graphit, Antimon-Thioantimonat, Glimmer, Kohle, WSe₂₁WS₂, Weichmetalle wie Pb, Sn und/oder deren Oxide enthalten.

3. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliches PTFE und sämtliche die Trockenschmierung verbessernden Zusätze gemeinsam als Compound-Partikel (28) in die Matrix (26) aus thermoplastischem Kunststoff eingelagert sind.

4. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (28) aus PTFE-Compound in einer Menge von 15 Vol.-% bis 35 Vol.-% in die Matrix (26) eingelagert sind und eine Zusammensetzung von 60 bis 70 Vol.-% PTFE und 20 bis 40 Vol.-% Molybdändisulfid (MoS₂) aufweisen.

5. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das PTFE-Compound zumindest teilweise ein Regenerat aus bei der Beschichtung von Verbundwerkstoffen anfallendem, PTFE-enthaltendem Pastenabfall ist.

6. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (26) der Gleitschicht (22) aus thermoplastischem Polyphenylensulfid gebildet ist.

7. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die PTFE-Compound-Partikel (28) einen oder mehrere Stoffe der Perfluoralkoxy-Gruppe (PFA) und/oder Fluorethylenpropylengruppe (FEP) in Anteilen zwischen 2 und 10 Vol.-%, vorzugsweise 4 Vol.-% enthalten.

8. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkung der Matrix (26) Whisker einer oder mehrerer der folgenden Gruppen eingesetzt sind: K-Titanatwhisker, SiC-Whisker, Whisker einer oder mehrerer der folgenden Zusammensetzungen:
BN, ZrO₂, Al₂O₃, TiN, B₄C, Mo₂C, NbC, NbN.

9. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkung der Matrix (26) Kohlenstoff-Kurzfasern, insbesondere Graphit-Kurzfasern, und/oder Aramidfasern und/oder Al₂O₃-Fasern eingesetzt sind.

10. Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die PTFE-Compound-Partikel Teilchengröße bis 125 µm aufweisen.

11. Verfahren zum Herstellen von Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Teilchen aus thermoplastischen Kunststoff aus einem, zwei oder mehreren Stoffen der Gruppe von Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide, vorzugsweise PPS, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide mit Partikeln aus die Trockenschmierung verbessernde Zusätze enthaltendem, vorgesintertem PTFE-Compound, ggf. zusätzlichen PTFE-Teilchen, ggf. zusätzlichen Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen und Kohlenfasern gebildet und fortlaufend auf die vorzugsweise aufgerauhte Oberfläche eines die Trägerschicht bildenden Metallbandes aufgestreut und in einer gleichmäßigen Schicht gewünschter Dicke aufgebreitet wird und daß diese Schicht auf der Oberfläche des Metallbandes geschmolzen und auf diese gebunden wird.

12. Verfahren zum Herstellen von Schichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixwerkstoff, nämlich Teilchen aus thermoplastischem Kunststoff oder ein Teilchengemisch aus zwei oder mehr thermoplastischen Kunststoffen aus der Gruppe der Polyarylenäther, Polyarylenketone, Polyarylensulfide, vorzugsweise PPS, Polyarylensulfone und Polyarylenoxide, die die Trockenschmierung verbessernden Zusätze nämlich feine Partikel aus die die Trockenschmierung verbessernden Zuschläge enthaltendem PTFE-Compound mit vorgesintertem PTFE sowie ggf. zusätzlichem PTFE-Teilchen sowie ggf. zusätzlichen Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden Zuschlägen, und die Kurzfasern in dosierten Mengen in einer Extruderpresse, vorzugsweise in einem Doppelschneckenextruder, unter Schmelzen des thermoplastischen Matrixwerkstoffes in dem sie vermischt werden, daß diese Schmelzeaufbereitung zu einer in der Dicke der gewünschten Gleitschicht entsprechenden Folie extrudiert wird und daß diese Folie auf die vorzugsweise aufgerauhte Oberfläche eines metallischen Trägerschichtbandes aufgebracht und dort gebunden wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Matrixwerkstoff in der Extruderpresse verdichtet und geschmolzen wird und die die Trockenschmierung verbessernden Zuschläge einschließlich des PTFE-Compounds und die Kurzfasern in dosierten Mengen von der Seite her direkt in die Polymerschmelze des Matrixwerkstoffes eingeführt und mit dieser vermischt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der PTFE-Compound-Partikel ein Gemisch aus PTFE-Teilchen und Teilchen von die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen mit gewünschter Zusammensetzung in Pastenform gebildet, getrocknet, gesintert und durch Kaltvermahlen auf gewünschte Kornfraktion, beispielsweise < 125 µm zerkleinert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der PTFE-Compound-Partikel als pastenförmiges Gemisch von PTFE-Teilchen und die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen ein Pastenabfall eingesetzt wird, der bei der Beschichtung von Gleitlager-Verbundwerkstoff anfällt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der PTFE-Compound-Partikel als Grundlage für das pastenförmige Gemisch aus PTFE-Teilchen und Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen ein bei der Beschichtung von Gleitlager-Verbundwerkstoff anfallender Pastenabfall eingesetzt und mit PTFE-Teilchen und/oder Teilchen aus die Trockenschmierung verbessernden Zusätzen bis zur gewünschten Zusammensetzung aufgefüllt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem pastenförmigen Gemisch für die Bildung der PTFE-Compound-Partikel ein oder mehrere Stoffe in der Perfluoralkoxy-Gruppe (FEP) und/oder Fluorethylenpropylengruppe (FEP) in Anteilen zwischen 2 und 10 Vol.-%, vorzugsweise 4 Vol.-%, bezogen auf die Trockensubstanz, beigemischt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen bzw. Binden der Gleitschicht auf die Trägerschicht bei Temperatur von etwa 50 bis 70 K oberhalb der Schmelztemperatur des die Matrix bildenden thermoplastischen Kunststoffs, aber jedenfalls unterhalb der Sintertemperatur des PTFE vorgenommen wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zum Porenfreimachen an den Schichtverbundwerkstoff in einem Durchlaufofen bei Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixwerkstoffes oder bis zu etwa 70 K oberhalb dieser Schmelztemperatur Druck angelegt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein langsames Abkühlen des Schichtverbundwerkstoffes unter Einwirkung von Heißluft auf die Gleitschicht vorgenommen wird.