Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerwerkstoff mit einem Matrixmaterial und einem Gleitmaterial aus mindestens einem Fluorthermoplasten und Füllstoffen. Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung solcher Gleitlagerwerkstoffe .

Lagermaterialien mit Gleitschichten auf Kunststoffbasis sind als ein-, zwei- oder dreischichtige Verbundwerkstoffe bekannt: Vollkunststofflager, Lager mit äußerem metallischen Stützkörper und direkt aufgebrachtem oder aufgeklebtem Kunststoff, solche mit internem Metallgewebe, sowie Dreischichtlager aus Stützmetall, gesinterter poröser Metallschicht und einer auf und in den Poren ausbildeten Deckschicht. Alle diese Lager werden meist in Bereichen eingesetzt, in denen die Verwendung von Schmierstoffen nicht möglich oder unerwünscht ist. Deshalb müssen sie selbst im Betriebszustand diese Schmierstoffe zur Verfügung stellen.

Die mehrschichtigen Werkstoffe unterscheiden sich von den Vollkunststoffmaterialien z.B. durch eine vernachlässigbare Neigung zu kaltem Fluß unter Belastung, einer wesentlich besseren Wärmeleitfähigkeit und damit verbunden durch deutlich höhere mögliche pv-Werte. Jedoch können auch Vollkunststoffmaterialien in bestimmten Fällen, z.B. aus Kostengründen, von Vorteil sein.

Innerhalb der Dreischichtwerkstoffe kann man nun wieder solche mit Gleitschichten auf der Basis von Fluorthermoplasten wie PTFE, PFA, FEP etc. oder von anderen Kunststoffen, wie z.B. PEEK unterscheiden. Diese beiden Gruppen müssen in ihrer Funktionsweise unterschieden werden: Während die Bronze-Zwischenschicht bei PTFE-Basiswerkstoffen "aktiver" lasttragender Bestandteil der Gleitschicht ist und ähnlich wie ein Füllstoff wirkt, nützen die anderen Kunststofimaterialien diese nur als Verankerung. Sie lassen bei genügend hoher Affinität zum Metallrücken die Herstellung echter Zweischichtmaterialien zu, können aber auch mit Hilfe einer Klebeschicht aufgebracht sein. Auf der aktiven Gleitschicht selbst übernimmt hier der Duro- oder Thermoplast die tragende Rolle der Bronze. Weiter sind Lagermaterialien aus auf Metall geklebten gefüllten Fluorthermoplast-Fblien oder solche mit in Kunststoff inkorporierten MetaUgeweben bekannt, die ebenfalls auf einen Metallrücken aufgeklebt sein können.

Universell einsetzbar und leicht herstellbar sind die Dreischicht- Werkstoffe auf der Basis der Fluorthermoplaste wie PTFE, die auch die höchste Leistungsfähigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Im Produktionsprozeß werden über eine Kunststoffdispersion homogene PTFE/Füllstoff-Pasten erzeugt und nach dem Aufwalzen auf das Trägermaterial durch abschließendes Sintern des PTFE der endgültige Verbundwerkstoff hergestellt.

Die gebräuchlichsten verwendeten Füllstoffe für solche Werkstoffe sind Blei und Molybdändisulfid, wobei diese Materialien nahezu die gleiche Leistungsfähigkeit ergeben. Diese Füllstoffe können auch in Gegenwart von Schmiermitteln angewendet werden.

In vielen Fällen wäre die Lösung konstruktiver Problemstellungen unter Verwendung von wartungsfreien platzsparenden Gleitlagern mit PTFE- Gleitschichten wünschenswert. Die obere Belastungsgrenze, die im mittleren

Last- und Geschwindigkeitsbereich (0,5 - 100 MPa und 0,02 - 2 m/s) bei einem pv-Werk von 2 mPa m/s liegt, kann einen Einsatz dieser Gleitlager jedoch einschränken.

Aus der DE 41 06 001 AI ist es bekannt, daß durch Verwendung von PbO als Füllstoff auch leistungsfähigere Gleitlagerwerkstoffe erzeugt werden können, jedoch wird die Verwendung von Materialien mit einem gesundheitsgefährdenden Potential wie Blei in zunehmendem Maße abgelehnt. Außerdem sind solche für den schmierungsfreien Einsatz optimierte Materialien z.B. für den Einsatz als Führungsbuchsen für Stoßdämpferkolbenstangen ungeeignet, weil sie unter diesen Bedingungen nicht die notwendige Verschleiß- und Kavitationsbeständigkeit oder jedoch unbefriedigend hohe Reibwerte aufweisen.

Lagerwerkstoffe mit Gleitschichten, die nur aus PTFE und Molybdändisulfid bestehen, sind seit langem bekannt und gehören derzeit zu den am häufigsten eingesetzten schmierungsfreien Lagermaterialien. Auch Bornitrid als bekannter Festschmierstoff wird immer wieder als möglicher Füllstoff für PTFE erwähnt, wenngleich die Schmierstoffeigenschaften hier erst bei Temperaturen oberhalb von 800 °C wirksam werden.

So sind sowohl Molybdänsulfid als auch Bornitrid bereits in der DE- PS 11 32 710 als Beispiel in einer Aufzählung von Festschmierstoffen als Füllstoff genannt. Die gleichzeitige Verwendung von Molybdändisulfid und Bornitrid in PTFE wird jedoch nicht erwähnt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Füllstoffkombination zur Verfügung zu stellen, die die o.g. Vorteile der thermoplasthaltigen Kunststoffiagerwerkstoffe erweitert, ohne daß dabei auf Blei oder Bleiverbindungen zurückgegriffen werden muß.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gleitmaterial als Füllstoffe 5 - 48 Vol.-% Bornitrid und 2 - 45 Vol.- % mindestens einer Metallverbindung mit Schichtstruktur enthält, wobei der Anteil des Fluorthermoplasten 50 - 85 Vol. % beträgt. Die Volumenanteile sind auf das Gleitmaterial ohne das Matrixmaterial bezogen.

Es hat sich gezeigt, daß durch die Füllstoffkombination aus Bornitrid, wobei Bornitrid in hexagonaler Modifikation bevorzugt ist, und mindestens einer Metallverbindung mit Schichtstruktur die Eigenschaften von Kunststofflager- Werkstoffen gegenüber den Lagerwerkstoffen, die nur jeweils einen dieser Füllstoffe enthalten, deutlich verbessert werden können. Zu diesen Eigenschaften zählen insbesondere die Belastbarkeit, die Verschleißfestigkeit und die Kavitationsbeständigkeit.

Unter der Schichtstruktur der Metallverbindungen wird eine Anisotropie des Kristallgitters in der Form verstanden, daß durch schwache Wechselwirkungen der atomaren Bausteine bei äußerer Krafteinwirkung eine Verschiebung von bestimmten Gitterebenen gegeneinander erleichtert ist. Als Metallverbindungen kommen z.B. Molybdändisulfid und/oder Wölframsulfid und/oder Titansulfid und/oder Titanjodid in Frage.

Bei den Fluorthermoplasten handelt es sich vorzugsweise um PTFE oder PTFE mit Zusätzen eines oder mehrerer Fluorthermoplaste aus ETFE, PCTFE, ECTFE, PVDF oder FEP.

Die vorteilhaften Eigenschaften zeigen sich insbesondere dann, wenn das Matrixmaterial ein Bronzegerüst ist, in das das Gleitmaterial eingelagert ist, oder wenn das Matrixmaterial ein thermoplastischer Kunststoff ist, in den das Gleitmaterial in feiner Verteilung eingemischt ist, wobei der Anteil des Kunststoff-Matrixmaterials bezogen auf den gesamten Gleitlagerwerkstoff 60- 95 Vol. %, vorzugsweise 70-90 Vol. % beträgt.

Das Kunststofϊmatrixmaterial weist vorzugsweise PPS, PA, PVDF, PSU, PES, PEI, PEEK, PAI oder PI auf.

Bei den Gleitlagerwerkstoffen auf PTFE-Sinterbronze-Basis wird die Leistungsfähigkeit so weit verbessert, daß unter schmierungsfreien Bedingungen PV-Werte im mittleren Last- und Geschwindigkeitsbereich bis zu 5 MPam/s erreicht werden können. Gleichzeitig zeichnen sich diese Materialien durch eine verbesserte Kavitationsbeständigkeit und durch Reibwerte unter Ölschmierung aus, die dem Stand der Technik vergleichbar sind. Auch bei fluorthermoplasthaltigen Werkstoffen mit anderer Kunststoffmatrix wie PPS, PA, PVDF, PSU, PES, PEI, PEEK, PAI oder PI läßt sich die Verschleißbeständigkeit durch die erfindungsgemäße Flüllstoffkombination gegenüber den mit den Einzelkomponenten gefüllten Varianten deutlich erhöhen.

Vorzugsweise liegen die Anteile von Bornitrid bei 6,25 - 32 Vol.-% und die der Metallverbindung bei 5 - 30 Vol.-%. Die Teilchengröße dieser Füllstoffe liegt vorzugsweise unter 40 μm, insbesondere unter 20 μm .

Außerhalb der erfindungsgemäßen Verhältnisse werden gegenüber den Kombinationen von PTFE und Bornitrid oder PTFE und MoS ₂ keine wesentlichen Verbesserungen erreicht. Es ist jedoch möglich, ausgehend von den o.g. Zusammensetzungen bis zu 40 Vol.-% der Füllstoffkombination Bornitrid/Metallsulfid vorzugsweise jedoch nicht mehr als 20 Vol.-% durch weitere Komponenten wie Duroplaste oder Hochtemperaturthermoplaste, wie z.B. Polyimide oder Polyamidimide, andere Festschmierstoffe, z.B. Graphit, durch Pigmente wie z.B. Koks und durch Faserstoffe wie z.B. Graphit- Kurzfasern oder Aramidfasern oder Hartstoffe wie z.B. Borcarbid oder Siliziumnitrid zu ersetzen.

Der erfindungsgemäße Gleitwerkstoff kann in Verbindung mit einem Matrixmaterial aus Thermoplasten als Massivkunststoff-Gleitelement verwendet werden. Der Gleitlagerwerkstoff kann aber auch als Gleitschicht eines Mehrschichtwerkstoffes Verwendung finden, wobei die Gleitschicht direkt auf einen Metallrücken aufgebracht sein kann. Die zuletzt genannten Mehrschichtwerkstoffe mit einer Gleitschicht mit einer Sinterbronze-Matrix sind derart aufgebaut, daß auf dem Stützmetall wie z.B. Stahl oder einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung eine 0,05 - 0,5 mm dicke Schicht Bronze so aufgesintert wird, daß sie ein Porenvolumen von 20 - 45 % aufweist und die Zusammensetzung der Bronze selbst 5 - 15% Zinn und wahlweise bis zu 15% Blei enthält. Die Gleitmaterialmischung wird dann durch Einwalzen so auf den porösen Untergrund aufgebracht, daß die Poren vollständig ausgefüllt sind und je nach Anwendungsfall eine 0 - 50μm dicke Deckschicht entsteht. Im folgenden wird das Material in einem Ofen einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das enthaltene PTFE drei Minuten bei 380°C gesintert wird, um in einem abschließenden Walzschritt den endgültigen Verbund und das erforderliche Endmaß herzustellen.

Beispielhafte Ausführungen werden nachfolgend anhand der Figuren und Tabellen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 die Verschleißrate in Abhängigkeit vom Bornitridgehalt am

Füllstoff, und

Figuren 2-4 die graphischen Darstellungen der in den Tabellen zusammengestellten Versuchsergebnisse.

Die Herstellung der Gleitmaterialmischung kann, wie für Beispiel 1 unten beschrieben ist, über eine PTFE-Dispersion erfolgen, der die Füllstoffe so beigemischt werden, daß sie bei der nachfolgend herbeigeführten Koagulation in homogener Verteilung mitgerissen werden. Hierbei entsteht eine pastöse

Masse, die die für den nachfolgenden Beschichtungsprozeß erforderlichen Eigenschaften aufweist.

Beispiel 1:

12 1 Wasser, 25 g Natriumlaurylsulfat, 3 kg Bornitrid, 15,9 kg Molybdänsulfid und 34 kg einer 35 %-igen PTFE Dispersion werden 20 min kräftig gerührt. Dann werden 100 g einer 20% -igen Aluminiumnitratlösung zugegeben. Nach erfolgter Koagulation wird 1 1 Toluol in das Gemisch eingerührt und die ausgetretene Flüssigkeit entfernt.

Die weiteren, in den Tabellen 1 bis 4 genannten Beispiele aus der Gruppe der Dreischichtsysteme mit PTFE/Bronze-Matrixgleitschicht können alle in dieser Weise hergestellt werden. Im folgenden sind daher nur noch die Zusammensetzungen der Kunststoffmischungen genannt.

Die in beschriebener Weise hergestellten Werkstoffe sind in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen den Standardwerkstoffen auf der Basis PTFE/MoS ₂ oder PTFE/Pb sowohl bezüglich des Reibwertes als auch der Verschleißfestigkeit deutlich überlegen.

Um die Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Reibwert zu untersuchen, wurden die Zusammensetzungen aus PTFE, Bornitrid und Molybdändisulfid über einen großen Bereich variiert und Proben der beschriebenen Dreischichtmaterialien aus 1,25 mm Stahl, 0,23 mm Bronze und 0,02 mm Kunststoff deckschicht hergestellt. An diesen Proben wurden mittels eines Stift/Walzen-Tribometers mit Prüflingen von 0,78 cm ² die Verschleißraten bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 0,52 m/s und einer Belastung von 17,5 MPa gemessen und mit einem Standardmaterial verglichen. Als Standardmaterial wurde ein Verbundmaterial beschriebener Art mit einer Kunststoff schicht aus 80 Vol.-% PTFE und 20 Vol.-% MoS ₂ herangezogen.

In der Figur 1 ist die Verschleißrate in Abhängigkeit vom Bornitridgehalt am Füllstoff dargestellt, wobei der Gesamtfüllstoff konstant bei 30 Vol.-% gehalten wurde. Es ist deutlich zu sehen, daß im schraffierten erfindungsgemäßen Bereich ein ausgeprägtes Verschleißminium vorliegt, das die Zusammensetzungen im Optimum als etwa viermal so gut ausweist, als solche, die z.B. nur Molybdändisulfid enthalten.

Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäß erzielbaren Verbesserungen wurden im weiteren die in Tabelle 1 zusammen mit den Reibwerten und Verschleißraten aus der Stift/Walze-Prüfung zusammengesetzten Materialzusammensetzung geprüft. In der Figur 2 sind die Ergebnisse graphisch gegenübergestellt, die zeigen, daß die Füllstoffkombination in jedem Fall besser abschneidet, als die Verwendung jeweils einer der beiden Komponenten.

Aus den in den Tabellen 2 und der Figur 3 gegenübergestellten Ergebnissen der Beispielzusammensetzungen 7 - 11 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Materialien auch mit weiteren Komponenten kombiniert werden können, ohne die positiven Eigenschaften zu verlieren. Man sieht, daß durch die Zusätze weitere Verbesserungen möglich sind.

Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit von Wolframsulfid geprüft. Das entsprechende Ergebnis vom Stift/Walze-Prüfstand ist in der Tabelle 3 dargestellt. Es wird deutlich, daß zur Herbeiführung des erfindungsgemäßen Effektes auch andere, dem Molybdändisulfid strukturell ähnliche Materialien geeignet sein können.

Von den Beispielzusammensetzungen Nr. 1 und 3 wurden Buchsen des Durchmessers 22 mm hergestellt und im rotierenden Prüflauf auf ihre Grenzbelastbarkeit geprüft. Als Grenzlast wurde die höchstmögliche Last

13,5 km erreicht wurde. Ausfallkriterium war starker Anstieg der Temperatur, was sich bei nachfolgender Untersuchung als gleichbedeutend mit einer mittleren Verschleü-tiefe von 90 μm erwies. Das Ergebnis von Probe 3 entspricht bei anderer Auswertung einem pv-Wert von 4,5 MPam/s. Die Ergebnisse sind in der Figur 4 dem Stand der Technik gegenübergestellt.

Die Tabelle 4 verdeutlicht, daß die erfindungsgemäßen Materialien in ihrer Leistungsfähigkeit in der Stoßdämpferanwendung dem Stand der Technik gleichwertig sind. Sowohl die Kavitationsbeständigkeit als auch der Reibwert sind vergleichbar gut. Der Tabelle liegt ein Stoßdämpfeφrüφrogramm mit extremer Kavitationsbeanspruchung zugrunde. Ausfallkriterium bei der Lebensdauerermittlung war hier die vollständige oder teilweise Gleitflächenablösung. Die Reibwerte wurden an Buchsen o.g. Dimensionen gegen Stoßdämpferkolbenstangen bei einer Belastung von 1000 N und einer Gleitgeschwindigkeit von 20 mm/s unter Tropfölschmierung ermittelt.

Eine andere Möglichkeit, die Erfindung vorteilhaft auszuführen, besteht darin, die erfindungsgemäßen Gleitmaterialmischungen mit PTFE in eine thermoplastische Matrix aus einem anderen Polymeren wie z.B. PPS, PA, PVDF, PES, PSU, PEEK, PI, PA oder PEI einzuarbeiten und diese dann auf beliebige Weise zu einem Gleitelement zu verarbeiten, z.B. auf einem Metallrücken mit oder ohne Bronzezwischenschicht aufzubringen oder Vollkunststoffteile herzustellen. Dabei kann der Thermoplastanteil zwischen 60 und 95 Vol.-%, vorzugsweise zwischen 70 und 90 Vol.-% variiert werden.

Das erfindungsgemäße Fluorthermoplasten/Bornitrid/Molybdändisulfid- Gemisch wird als Pulvergemisch, auf einem Stahlbronzeuntergrund aufgestreut, aufgeschmolzen und angewalzt. Es ist aber auch möglich, die Mischung über Schmelzcompoundierung zu erzeugen. Als Beispiel soll hier der Einfluß auf die tribologischen Eigenschaften eines PES-Compounds dienen, jedoch sind auch viele andere Thermoplaste als Matrix einsetzbar.

Die Figur 5 zeigt zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Effektes die Reib- und Verschleißwerte von PES-Compounds mit PTFE, PTFE/MoS ₂ , PTFE/BN und PTFE/BN/MoS^ Die genauen Zusammensetzungen und Meßwerte sind der Tabelle 5 zu entnehmen. Die besten Werte werden von Beispiel 14 erreicht.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5