DE102012205606A1

DE102012205606A1 - Selbstschmierende Struktur und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102012205606A1
Application number: DE201210205606
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2012-10-25
Also published as: US20120251020A1

Abstract

Eine selbstschmierende Struktur wie ein Lager mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten, einer hohen Belastbarkeit und geringer Abrasivität wird bereitgestellt. Das selbstschmierende Lager weist eine auf einer Metall-Trägerschicht abgelagerte PTFE-basierte Gleitschicht auf. Die Gleitschicht umfasst eine PTFE-basierte Matrix, selbstschmierende Füllstoffe wie flüssigkristallines Polymer und Hochtemperatur-Verstärkungsfaser wie Kohlenstofffaser. Ein Verfahren zur Herstellung des selbstschmierenden Lagers wird ebenfalls bereitgestellt.

Description

HINTERGRUND
Gleitflächen sind Teil einer Anzahl von praktischen Anwendungen. Ein Beispiel für eine Gleitflächenanwendung sind Lager. Einige Anwendungen werden als selbstschmierend bezeichnet, da sie keine äußere Schmieranwendung auf Teilen, die der Reibung unterliegen, erfordern, da das Schmiermittel enthalten ist. Lager mit einer polymerbasierten selbstschmierenden Gleitschicht werden zum Beispiel bei Anwendungen verwendet, wobei von außen zugeführte Schmiermittel unwirksam oder schwer einzubringen sind. Lager mit einer solchen Gleitschicht umfassen einschichtige Lager, doppelschichtige Lager und mehrschichtige Lager (d. h. Lager mit drei oder mehr Schichten). Ein einschichtiges Lager ist beispielsweise ein massives Kunststofflager. Ein doppelschichtiges Lager ist beispielsweise ein Lager mit einem äußeren Metallträger und einer Kunststoff-Gleitschicht. Ein mehrschichtiges Lager ist typischerweise ein Lager mit einem Metallträger, einer Zwischenschicht und einer Kunststoff-Gleitschicht.
Eine geeignete Kunststoffgleitschicht umfasst Polytetrafluorethylen (PTFE). PTFE weist einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine hohe chemische Beständigkeit auf und behält die Gleiteigenschaften bei Temperaturen von bis zu 260°C bei. Bei einigen Anwendungen wird eine PTFE-Matrix in Kombination mit Füllstoffen verwendet, um selbstschmierende Lager-Verbundmaterialien mit niedriger Reibung und guten mechanischen Eigenschaften zu bilden. Füllstoffe werden typischerweise mit dem Ziel zugesetzt, die Belastbarkeit, Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu verbessern. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff ”PTFE-basierte Lager” auf Lager mit einer selbstschmierenden Gleitfläche mit einer PTFE-basierten Matrix.
Ein Beispiel für ein einschichtiges PTFE-basiertes Lagermaterial ist Rulon^®J, ein von der Firma Saint-Gobain Performance Plastics hergestelltes PTFE-basiertes Verbundmaterial, das maschinell bearbeitet werden kann, um Gleitlager herzustellen.
Allgemein hat PTFE eine schlechte Haftung an Metallen. Demnach werden, bei herkömmlichen Lagern, viele verschiedene Typen von Zwischenschichten auf einen Metallträger aufgebracht, um die PTFE-basierte Gleitschicht zu halten. Bei einigen Anwendungen dient die Zwischenschicht als Reservoir für das PTFE und stellt mechanische Merkmale bereit, die die Belastbarkeit des Lagers und die Wärmeleitfähigkeit des Lagers verbessern. Beispiele für solche Zwischenschichten umfassen eine auf die Metall-Trägerschicht gesintert poröse Bronzeschicht, ein auf die metallische Trägerschicht gebondetes Metallgitter, und eine auf die Metall-Trägerschicht geprägte Musterstruktur.
Bei einigen Anwendungen stellt die Zwischenschicht Klebeeigenschaften bereit und verklebt die Trägerschicht mit der PTFE-basierten Gleitschicht. Beispiele für solche Zwischenschichten umfassen eine Hotmelt-Bondierfolienschicht und eine Klebeschicht.
Mehrschichtige PTFE-basierte Lager kombinieren die Merkmale der Metall-Trägerschicht, die Dimensions- und Strukturstarrheit, kompakte Bauweise und hohe Belastbarkeit bereitstellt, mit den selbstschmierenden Eigenschaften der der PTFE-basierten Gleitschicht. Mehrschichtige PTFE-basierte Lager sind im Allgemeinen dünner als einschichtige PTFE-basierte Lager. Sie können zu Rohlingen geschnitten und als flache Lagerstreifen verwendet werden, oder sie können zu einfachen zylindrischen Hülsen geformt, gestanzt oder tiefgezogen werden.
Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung herkömmlicher mehrschichtiger PFTE-basierter Lager. Ein Verfahren umfasst das Sintern einer porösen Bronze-Zwischenschicht auf eine Metall-Trägerschicht, das Ablagern eines PTFE-Breis, einschließlich schmierender Füllstoffe, auf der porösen Bronze-Zwischenschicht, das Anwenden von Wärme und Druck auf den Brei, um damit die poröse Bronze-Zwischenschicht zu tränken und um ihn zu verfestigen. Ein weiteres Verfahren umfasst das Herstellen eines mit selbstschmierenden Füllstoffen gefüllten PTFE-Blocks und Abschleifen des Blockes, um ein PTFE-basiertes Band herzustellen, und das Anwenden von Wärme und Druck, um eine Metall-Trägerschicht, eine Bondierfolie und das PTFE-basierte Band zu laminieren. Dieses alternative Verfahren kann modifiziert werden, um den zusätzlichen Schritt des Prägens einer dreidimensionalen Wabenstruktur auf der Oberfläche von einem Metallträger vor der Herstellung des mehrschichtigen Lagers zu umfassen. Jede Schicht in einem mehrschichtigen Lager umfasst mindestens einen zusätzlichen Fertigungsschritt, der wiederum die Herstellungsdauer und allgemein die Kosten der Lager-Herstellung erhöht.
Es bleibt wünschenswert, eine verbesserte PTFE-basierte selbstschmierende Struktur vorliegen zu haben, die gute Betriebseigenschaften zeigt, wie geringer Reibungskoeffizient und hohe Belastbarkeit, die leichter und kostengünstiger herzustellen ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine selbstschmierende Struktur, wie ein selbstschmierendes Lager mit einer selbstschmierenden Gleitschicht mit einer PTFE-basierten Matrix und selbstschmierenden Füllstoffen. Die selbstschmierende Struktur zeigt gute Betriebseigenschaften und ist kostengünstig herzustellen.
Ausführungsformen der Erfindung stellen eine selbstschmierende Struktur mit einem Metallträger und einer direkt auf dem Metallträger aufgebrachten PTFE-basierten Gleitschicht bereit. Die Zusammensetzung der Gleitschicht umfasst eine PTFE-basierte Matrix, selbstschmierende Füllstoffe und Hochtemperaturfasern. Die Struktur hat einen geringen Reibungskoeffizienten, eine hohe Belastbarkeit und eine geringe Abrasivität. In einigen Ausführungsformen besitzt die Gleitschicht eine im Wesentlichen gleichmäßige Struktur. In alternativen Ausführungsformen wird die Gleitschicht in mehr als einem Arbeitsgang abgelagert. In einigen dieser alternativen Ausführungsformen hat die Gleitschicht eine variierte Struktur.
Ausführungsformen der Erfindung stellen auch ein Verfahren zur Ablagerung der PTFE-basierten Gleitschichtdirekt auf dem Metallträger bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Metallträgers mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm und das Herstellen einer wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung hat eine PTFE-Dispersion und selbstschmierende Füllstoffe. Das Verfahren umfasst weiterhin die Schritte des Aufbringens der Beschichtung direkt auf den Metallträger, des Verdampfens des Wassers und des Sinterns der Beschichtung oberhalb der PTFE-Schmelztemperatur. In einigen Ausführungsformen umfasst die Beschichtungszusammensetzung weiterhin Fasern, wie Hochtemperaturfasern. Das Verfahren stellt ein selbstschmierendes Lager mit den für ein Lager gewünschten Merkmalen durch ein Verfahren bereit, das rationell und effizient ist.
Die vorliegende Erfindung inklusive der obigen und weiteren Vorteile kann am besten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der in den Zeichnungen beispielhaft erläuterten Ausführungsformen der Erfindung verstanden werden. Es zeigen darin.
ZEICHNUNGEN
1 einen Querschnitt des selbstschmierenden Lagers nach Prinzipien der Erfindung;
2 Verfahren zur Herstellung des selbstschmierenden Lagers aus 1; und
3 ein Flussdiagramm von einem Verfahren zur Herstellung des selbstschmierenden Lagers aus 1; und
4 eine Beschichtungszusammensetzung zur Verwendung bei der Herstellung des selbstschmierenden Lagers aus 1.
BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Erfindung stellen eine selbstschmierende Struktur bereit, wie ein selbstschmierendes Lager mit einem Metallträger und einer direkt auf den Metallträger aufgebrachten PTFE-basierten Gleitschicht. Die Zusammensetzung der Gleitschicht umfasst eine PTFE-basierte Matrix, selbstschmierende Füllstoffe und Hochtemperaturfasern. Die Gleitschicht ermöglicht ein Lager mit einem geringen Reibungskoeffizienten, einer hohen Belastbarkeit und einer geringen Abrasivität. In einigen Ausführungsformen hat die Gleitschicht eine im Wesentlichen gleichmäßige Struktur. In alternativen Ausführungsformen wird die Gleitschicht in mehr als einem Arbeitsgang abgelagert. In einigen von diesen alternativen Ausführungsformen der Erfindung hat die Gleitschicht eine variierte Struktur.
Ausführungsformen der Erfindung stellen auch ein Verfahren zur Ablagerung der PTFE-basierten Gleitschicht direkt auf der Trägerschicht bereit. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Metallträgers mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm und des Herstellens einer wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung. Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung hat eine PTFE-Dispersion und selbstschmierende Füllstoffe. Das Verfahren des Ablagerns der Gleitschicht umfasst weiterhin die Schritte des Aufbringens der Zusammensetzung direkt auf den Metallträger, des Verdampfens des Wassers und des Sinterns der Beschichtung oberhalb der PTFE-Schmelztemperatur. In einigen Ausführungsformen umfasst die Beschichtungszusammensetzung weiterhin Fasern, wie Hochtemperaturfasern. Das Verfahren erzeugt ein selbstschmierendes Lager mit gewünschten Merkmalen durch ein Verfahren, das rationell und effizient ist.
1 zeigt eine Ausführungsform von einem selbstschmierenden Lager nach Prinzipien der Erfindung. Das selbstschmierende Lager 100 ist im Querschnitt gezeigt. Das Lager 100 umfasst eine PTFE-basierte Gleitschicht 120 und eine Trägerschicht 110. Die Trägerschicht 110 stützt die PTFE-basierte Gleitschicht 120 und stellt Dimensions- und Strukturstarrheit bereit. Die Trägerschicht 110 kann aus verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen gefertigt sein, darunter Stahl, Aluminium, Edelstahl, Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen. Die Empfängerfläche 111 der Trägerschicht 110 besitzt eine Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm. Die Haftung der PTFE-basierten Gleitschicht 120 an der Empfängerfläche 111 ist durch eine Gitterschnitthaftungsbewertung von mindestens 2B auf der Grundlage von ASTM D 3359 gekennzeichnet.
In einer ersten Ausführungsform umfasst die PTFE-basierte Gleitschicht 120, volumenbezogen, 50–95% PTFE-basierte Matrix 121, 4,5–50% selbstschmierende Füllstoffe 122. In einer zweiten alternativen Ausführungsform umfasst die PTFE-basierte Gleitschicht 120 außerdem 0,5–30% Hochtemperaturfasern 123. In einer dritten alternativen Ausführungsform umfassen die Hochtemperaturfasern organische Hochtemperaturfasern. In dieser Offenbarung bezeichnet der Begriff ”selbstschmierend” durchwegs ein Material, das Schmierfähigkeit und begrenzte Abrasisivtät zeigt. Der Begriff „Hochtemperaturfaser” bezieht sich auf ein faserartiges Material, das der PTFE-Bearbeitung und der Sintertemperatur standhalten kann, ohne dass seine Eigenschaften nennenswert beeinträchtigt werden. Der Begriff ”organische Hochtemperaturfaser” bezeichnet eine Hochtemperaturfaser, die elementaren Kohlenstoff enthält. In dieser Offenbarung bezieht sich das Wort ”Sintern” durchwegs auf ein Verfahren, wobei kleine Teilchen unter der Wirkung von Wärme und/oder Druck miteinander verschmolzen werden, um ein massives Material zu bilden. Die selbstschmierenden Füllstoffe 122 sind typischerweise überall in der PTFE-basierten Matrix 121 homogen verteilt. Die Verbundstruktur und die Zusammensetzung der PTFE-basierten Gleitschicht gestattet es, dass das Lager 100 einen geringen Reibungskoeffizienten, geringen Verschleiß, hohe Belastbarkeit und geringe Abrasivität aufweist. Geringe Abrasivität ist erwünscht, wenn das Lager mit einer weichen Kopplungsfläche wie Aluminium verwendet wird. Die Verwendung von selbstschmierenden Füllstoffen 122 vermindert den Verschleiß der PTFE-basierten Matrix 121 ohne dass der Reibungskoeffizient und die Abrasivität der PTFE-basierten Gleitschicht 122 nennenswert erhöht werden. Die Verwendung von Hochtemperaturfasern 123 wie organische Hochtemperaturfasern erhöht die Kriechbeständigkeit und Kompressionsfestigkeit und verbessert so die Belastbarkeit ohne die Abrasivität zu erhöhen.
Die PTFE-basierte Matrix 121 ist aus 60–100 Gew.-% PTFE gebildet. In dieser Offenbarung bezeichnet der Begriff ”PTFE” durchwegs ein Homopolymer von Tetrafluorethylen oder ein Copolymer von Tetrafluorethylen mit solchen geringen Konzentrationen von copolymerisierbaren modifizierenden Monomeren, wobei der Schmelzpunk des resultierenden Polymers nicht geringer ist als 320°C.
Zusätzlich kann die PTFE-basierte Matrix 1–40 Gew.-% Hochtemperaturschmelzverarbeitbare Polymere umfassen. In dieser Offenbarung bezeichnet der Begriff ”Hochtemperatur-schmelzverarbeitbare Polymere” durchwegs ein schmelzverarbeitbares Polymer, das der PTFE-Verarbeitung und der Sintertemperatur standhalten kann, ohne dass seine Eigenschaften nennenswert beeinträchtigt werden. Beispiele für Hochtemperatur-schmelzverarbeitbare Polymere, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, umfassen schmelzverarbeitbare Fluorpolymere, wie fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), Perfluoralkoxypolymer (PFA), Monofluoralkylpolymer (MFA), Tetrafluorethylen-Ethylen (ETFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), und Polychlortrifluorethylen (PCTFE). Weitere Beispiele für Hochtemperatur-schmelzverarbeitbare Polymere umfassen Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), thermoplastisches Polyimid (TPI), Polyetherimid (PEI), Polyamidimid (PAI) und Flüssigkristallpolymere (LCP). Überraschenderweise stellt die Verwendung von einem Hochtemperaturschmelzverarbeitbaren Polymer in der PTFE-basierten Matrix 121 verbesserte Haftung zwischen der PTFE-basierten Gleitschicht und der Empfängerschicht 111 auf dem Träger 110 bereit, obwohl der Prozentsatz an Hochtemperaturschmelzverarbeitbarem Polymer in der PTFE-basierten Matrix geringer ist als 20 oder 15 Gew.-%. Die Verwendung von einem Hochtemperaturschmelzverarbeitbaren Polymer erhöht auch die Kriechbeständigkeit und die Belastbarkeit ohne dass der Reibungskoeffizient nennenswert erhöht wird.
Die selbstschmierenden Füllstoffe 122 können anorganisch oder organisch sein. Beispiele für anorganische selbstschmierende Füllstoffe umfassen Calciumfluorid, Magnesiumfluorid, Molybdändisulfid, oder andere Metallsulfide mit einer Schichtstruktur, Bornitrid, Bleioxid, Bleilegierungen und Zinnlegierungen. Beispiele für organische selbstschmierende Füllstoffe umfassen Graphit, Polyimid, Polyphenylensulfon, Polyetheretherketon, Polyamidimid, und aromatische Polyester-Flüssigkristallpolymere. Ein breiter Bereich von Größe, Form und Kombination von selbstschmierenden Füllstoffen 122 ist in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wirksam. Die Verwendung von selbstschmierenden Füllstoffen 122 erhöht die Verschleißfestigkeit und die Kriechbeständigkeit ohne dass der Reibungskoeffizient der PTFE-basierten Gleitschicht 120 nennenswert erhöht wird. Die Verwendung von organischen selbstschmierenden Füllstoffen kann verwendet werden, wenn eine PTFE-basierte Gleitschicht mit einer geringen Abrasivität erwünscht ist. In einer Ausführungsform ist die PTFE-basierte Gleitschicht 120 mit p-Oxybenzoylhomopolyester gefüllt, ein organischer selbstschmierender Füllstoff, der durch einen geringen Reibungskoeffizienten und eine geringe Abrasivität gegenüber weichen koppelnden Gegenstücken, wie Aluminium, Messing oder Kunststoff gekennzeichnet ist. p-Oxybenzoylhomopolyesterpulver stehen von der Firma Sait-Gobain unter dem Handelsnamen EKONOL^®, von SUMITOMO CHEMICAL COMPANY, LIMITED unter dem Handelsnamen SUMIKASUPER^® E101, und von der Firma Egene Optoelectronic Materials Company, Ltd. unter dem Handelsnamen SUPERNOL^® zur Verfügung. In einer Ausführungsform ist die PTFE-basierte Gleitschicht aus 5 bis 45 Vol.-% p-Oxybenzoylhomopolyester-Füllstoffen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße zwischen 2 und 20 Mikron hergestellt.
Hochtemperaturfasern umfassen anorganische Fasern und organische Hochtemperaturfasern. Beispiele für anorganische Fasern, die für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen nadelförmige anorganische Füllstoffe, wie Wollastonit, Glasfaserschnitzel, keramische Fasern, metallische Fasern, anorganische Submikron- und Nanogrößen-Whisker, und anorganische Submikron- und Nanogrößen-Fasern. Beispiel für Materialen, die zur Herstellung von anorganischen Fasern oder Whiskern verwendet werden, die für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titandioxid, Titannitrid, Siliciumoxid, Siliciumnitrid-Whisker, Zirkoniumoxid, Zinkoxid, und Eisenoxid.
Beispiele für organische Hochtemperaturfasern, die für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen flüssigkristalline Polymerfasern wie KEVLAR^®, Aramidfaser, pechbasierte Kohlenstofffasern, cellulosebasierte Kohlenstofffasern, polyacrylnitrilbasierte Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanofasern, und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Organische Hochtemperaturfasern haben auf die Abrasivität der PTFE-basierten Gleitschicht einen begrenzten Einfluss. Die Zugabe von organischen Hochtemperaturfasern erhöht die Kompressionsfestigkeit und daher die Belastbarkeit der PTFE-basierten Gleitschicht. In einigen Ausführungsformen stellt die Kombination von organischen Hochtemperaturfasern wie Graphit-Nanofaser und selbstschmierenden Füllstoffen, wie p-Oxybenzoylhomopolyester, Lager mit einer hohen Belastbarkeit, aber einem überraschend geringen Reibungskoeffizienten bereit. Die organischen Hochtemperaturfasern können ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von größer als 3, 10, 50 oder sogar 250 aufweisen. In einigen Ausführungsformen können die organischen Hochtemperaturfasern eine durchschnittliche Länge aufweisen, die geringer ist als die Dicke der PTFE-basierten Gleitschicht. In einigen Ausführungsformen können die organischen Hochtemperaturfasern eine durchschnittliche Länge aufweisen, die größer ist die Dicke der PTFE-basierten Gleitschicht. In einigen Ausführungsformen sind die organischen Hochtemperaturfasern vorzugsweise in Richtungen parallel zur oberen Fläche des Lagers 100 orientiert. In einigen Ausführungsformen beträgt die Kompressionsfestigkeit in der Richtung senkrecht zu der Lager-Oberfläche auf Grund der Zugabe von organischen Hochtemperaturfasern das Zwei- oder Mehrfache. Alternativ kann die Hochtemperaturfaser die Wärmeleitfähigkeit der PTFE-basierten Gleitschicht 120 erhöhen. Dadurch lässt sich die Betriebstemperatur der PTFE-basierten Gleitschicht reduzieren und führt somit typischerweise zu einer Zunahme der Lebensdauer.
Alternative Ausführungsformen der PTFE-basierten Gleitschicht 120 umfassen auch 0–20 Vol.-% Extenderfüllstoffe, wie Ruß, Graphit, Graphen, Talk, Mica, Eisenoxid, Tone, Silica, Calciumcarbonat, Titandioxid, Tonerde, Eisenoxid, Nano-Füllstoffe und anorganische Pigmente.
Bezüglich des Trägermaterials 110 kann ein Metall oder eine Metalllegierung wie Edelstahl, Aluminium, Bronze oder Messing verwendet werden. Das Trägermaterial ist vorzugsweise in der Lage, der PTFE-Sintertemperatur standzuhalten. Das Trägermaterial ist vorzugsweise dünn, besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um die Wärme abzuführen. Die Trägerschicht stellt für das Lager Dimensions- und Strukturstarrheit bereit. Bei vielen Anwendungen sind die Lager geschnitten, gekrümmt oder geflanscht. Demnach hat ein Trägermaterial vorzugsweise einen hohe Streckgrenze (mehr als 50 MPA und vorzugsweise mehr als 150 MPA) und einen hohen Modul (mehr als 50 Gpa, vorzugsweise mehr als 100 Gpa). Das Trägermaterial hat eine Empfängerfläche 111 mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm. In einigen Ausführungsformen ist die Empfängerfläche 111 mechanisch oder chemisch behandelt, um eine Oberflächenrauigkeit Rz von höher als 1 Mikron und vorzugsweise höher als 2 Mikron zu erzielen. Beispiele für mechanische oder chemische Behandlungen, die die zur Erhöhung der Oberflächenrauigkeit in Ausführungsformen des Lagers verwendet werden, umfassen mechanisches Sandstrahlen, Zerspanen, Bürsten, saures oder/und alkalisches Ätzen, elektrochemisches Ätzen, Zinkphosphat- oder Zink-Calciumbehandlung, Galvanisieren, und Anodisieren (im Falle von einem Aluminiumträger).
Es können auch Oberflächenbehandlungen verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung der Empfängerfläche 111 zu modifizieren. In einer Ausführungsform ist die Empfängerfläche 111 mit einem Primer beschichtet, um die Haftung zwischen dem Metallträger 110 und der PTFE-basierten Gleitschicht 120 weiter zu erhöhen. In einer anderen Ausführungsform ist der Metallträger 110 ein Bimetall mit einem Stahlkern und einer kupferbasierten oder aluminiumbasierten Lager-Legierungsschicht. Eine solche Lager-Legierung verhindert katastrophales Versagen des Lagers am Ende seines Lebens durch Exposition der Lager-Legierung, nachdem die PTFE-basierte Gleitschicht 120 verschlissen ist. In einer anderen Ausführungsform kann der Träger 110 gegenüber von der Seite mit der Gleitschicht ebenfalls behandelt sein, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
In einigen Ausführungsformen kann die PTFE-basierte Gleitschicht aus mehreren Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt sein. In diesen Ausführungsformen wird die Gleitschicht in mehr als einem Arbeitsgang abgelagert. In jedem Arbeitsgang besitzt die Beschichtung eine unterschiedliche Zusammensetzung, die eine Gleitschicht mit variierter Struktur ergibt.
Die 2 und 3 erläutern Verfahren zur Herstellung einer selbstschmierenden Struktur, wie ein Lager mit einer auf einem Metallträger abgelagerten PTFE-basierten Gleitschicht. In Schritt 210 wird ein Metallträger bereitgestellt. Der Metallträger hat eine Empfängerfläche mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm. Die Oberflächenrauigkeit kann durch mechanische oder chemische Behandlungen realisiert werden. Beispiele für diese Behandlungen umfassen mechanisches Sandstrahlen, Zerspanen, Bürsten, saures oder/und alkalisches Ätzen, elektrochemisches Ätzen, Zinkphosphat- oder Zink-Calciumbehandlung, Galvanisieren, und Anodisieren (im Falle von einem Aluminiumträger). Oberflächenbehandlungen können auch verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung der Empfängerfläche 111 zu modifizieren, um die Haftung zu erhöhen. Die Fachwelt versteht, dass Verfahren der Bereitstellung von Oberflächenrauigkeit für Haftungszwecke nicht auf die hier aufgeführten Verfahren begrenzt sind.
In Schritt 220 wird eine Zusammensetzung auf Wasserbasis hergestellt. Diese Zusammensetzung ist nachstehend unter Bezugnahmen auf 4 ausführlicher beschrieben.
In Schritt 230 wird die Beschichtungszusammensetzung direkt auf die Empfängerfläche des Metallträgers aufgebracht. Beispiele für Beschichtungsverfahren umfassen Sprühbeschichten, Beschichten mit einer Walzen-Streichmaschine, Beschichten mit einer Platten-Streichmaschine, Walzenbeschichten, Vorhangbeschichten, Schlitzdüsenbeschichten, Tauchbeschichten und Gravurbeschichten.
In Schritt 240 wird das Wasser in der Beschichtungszusammensetzung bei einer Temperatur im Allgemeinen zwischen 70 und 150°C verdampft.
In Schritt 250 werden die Beschichtungsschicht und die Trägerschicht in einem Ofen bei einer Temperatur gebrannt, die geringer ist als die Schmelztemperatur des PTFE, um die flüchtigen Stoffe zu entfernen.
In Schritt 260 wird die Beschichtungsschicht dann in einem Ofen bei einer Temperatur gesintert, die höher ist als die Schmelztemperatur des PTFE.
Das Verfahren gestattet die Herstellung von selbstschmierenden Lagern mit einer PTFE-basierten Gleitschicht durch ein Verfahren, das rationell und effektiv ist. Das vorliegende Verfahren zur Herstellung besitzt eine Anzahl von Vorteilen, darunter, dass es nicht die Verwendung von einem Hochtemperatur-Laminierverfahren erfordert, um die PTFE-basierte Gleitschicht an den Metallträger zu bonden. Das Verfahren besitzt mehrere andere Vorteile, die in den verschiedenen Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben sind, besonders betont werden.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Gleitschicht in mehreren Arbeitsgängen hergestellt. Ein beispielhaftes Verfahren der Herstellung ist wie folgt. Ein Metallträger mit einer Empfängerfläche mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm wird bereitgestellt. Eine erste wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung mit einer Fluorpolymerdispersion wird auf die Empfängerfläche aufgebracht. Die Fluorpolymerdispersion in der ersten wasserbasierten Zusammensetzung kann eine PTFE-Dispersion oder eine schmelzverarbeitbare Fluorpolymerdispersion wie FEP sein. Das Wasser in der Beschichtungszusammensetzung wird wie vorstehend beschrieben verdampft. Dann wird die Beschichtungszusammensetzung oberhalb der Fluorpolymer Schmelztemperatur gesintert, um eine erste Beschichtung zu bilden. Eine zweite wasserbasierte Beschichtungszusammensetung mit PTFE-Dispersion und umfassend eine selbstschmierende Füllstoffdispersion wird dann auf die erste Beschichtung aufgebracht. Das Wasser in der zweiten Beschichtungszusammensetzung wird anschließend verdampft. Dann wird die zweite Beschichtung oberhalb der PTFE-Schmelztemperatur gesintert, um eine Gleitschicht zu bilden. Auf diese Weise kann eine Gleitschicht mit einer nichtgleichmäßigen Zusammensetzung abgelagert werden. Dieses mehrstufige Verfahren ermöglicht es auch, dass eine dicke Gleitschicht abgelagert wird. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird eine dickere Beschichtung durch Wiederholen der Schritte 230, 240 und 250 abgelagert, um eine Beschichtung in mehreren Schichten abzulagern und dann werden die Schichten gemäß Schritt 260 gesintert.
4 erläutert die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung 300. In dieser Offenbarung bezeichnet der Begriff „wasserbasierte Zusammensetzung” durchwegs eine Zusammensetzung, die Wasser einschließt, wobei die Zusammensetzung auf eine feste Oberfläche aufgebracht werden kann. Die Zusammensetzung umfasst weiterhin eine PTFE-Dispersion 311, eine selbstschmierende Füllstoffdispersion 320 und eine flüssige Phase 340. Der Begriff „PTFE-Dispersion” bezieht sich auf eine Dispersion von PTFE-Teilchen in einer Flüssigkeit. PTFE-Dispersionen können durch Emulsionspolymerisation unter Verwendung verschiedener auf dem Fachgebiet bekannter Verfahren erzeugt werden und sind zum Beispiel von E. I. Du Pont de Nemours and Company (DuPont), Wilmington, Delaware, Asahi Company, Ltd. Osaka, Japan, Daikin Industries, Ltd., Osaka, Japan und Dyneon L-L.C. Oakdale, Minnesota, eine Tochter von 3M Company, Maplewood, Minnesota verfügbar. Alternativ können PTFE-Dispersionen durch Dispergieren feiner PTFE-Pulver in einer Flüssigkeit hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen umfasst die PTFE-Dispersion PTFE-Teilchen von kleiner als 1 Mikron, beispielsweise im Bereich von 100 bis 500 nm. Der Begriff „selbstschmierende Füllstoffdispersion” bezeichnet in einer Flüssigkeit dispergierte selbstschmierende Füllstoffe.
Die flüssige Phase 310 der wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung 300 umfasst (ein) grenzflächenaktive(s) Mittel und andere Additive. Grenzflächenaktive Mittel werden verwendet, um die PTFE-Teilchen und selbstschmierenden Füllstoffe in der flüssigen Phase in Suspension zu halten. Anionische Fluor-grenzflächenaktive Mittel oder nichtionische grenzflächenaktive Mittel, wie Polyoxyalkylenalkyl, werden im Allgemeinen verwendet, um die PTFE-Teilchen in Wasser zu dispergieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Beschichtungszusammensetzung auf Wasserbasis 300 ein Gemisch von einer PTFE-Dispersion 311 und von einer oder mehreren anderen Polymerdispersionen 312. Beispiele für andere Polymerdispersionen umfassen Hochtemperatur-schmelzverarbeitbare Polymerdispersionen. In einer Ausführungsform umfasst die Beschichtungszusammensetzung eine Kombination von einer PTFE-Dispersion und einer FEP-Dispersion.
Die Dispersion mit selbstschmierende Füllstoffen kann unter Verwendung verschiedener Verfahren wie Mischen mit hoher Scherkraft oder Mahlen mit der Kugelmühle hergestellt werden. Die Wahl des grenzflächenaktiven Mittels um den selbstschmierenden Füllstoff in entsprechender Weise in Wasser zu dispergieren, hängt von der chemischen Natur des selbstschmierenden Füllstoffs ab. In einer Ausführungsform umfasst die Beschichtungszusammensetzung eine Dispersion von p-Oxybenzoylhomopolyester-Füllstoffen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße zwischen 2 Mikron und 20 Mikron und einem nicht ionischen grenzflächenaktiven Mittel.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Beschichtungszusammensetzung weiterhin eine Dispersion von Fasern wie anorganische Fasern oder organischen Hochtemperaturfasern. Bei herkömmlichen Herstellungsverfahren, die mechanischen Methoden verwenden, besteht die Tendenz, die Fasern zu zerschneiden oder anderweitig zu beschädigen. Durch das vorliegende Verfahren lässt sich die physikalische Unversehrtheit der Fasern beibehalten. In einigen Ausführungsformen lassen sich die Fasern durch das Verfahren vorzugsweise in einer Ebene parallel zu der Oberfläche des Lagers orientieren. Diese Vorzugsorientierung, die aus dem vorliegenden Verfahren herrührt, erhöht weiterhin die Kriechbeständigkeit des Lagers, wenn auf das Lager eine Belastung in der Richtung senkrecht zu der Lageroberfläche ausgeübt wird.
Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung kann weiterhin verschiedene Additive, wie Netzmittel, um die Beschichtungsqualität zu verbessern, Haftbeschleuniger, Antischaummittel, um Luftblasen zu vermindern und somit die Beschichtungsqualität zu verbessern, Pigmente, um Farbe hinzuzufügen, und einen Viskositätsmodifizierer einschließen. In einer alternativen Ausführungsform umfasst eine wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung eine PTFE-Dispersion, eine selbstschmierende Füllstoffdispersion, ein grenzflächenaktives Mittel und einen Viskositätsmodifizierer. Der Viskositätsmodifizierer wird in dieser Ausführungsform hergestellt und die Konzentration an Viskositätsmodifizierer wird so eingestellt, dass eine Viskosität zwischen 100 cps und 10.000 cps vorhanden ist.
Die wasserbasiert Beschichtungszusammensetzung 300 ist dazu geeignet, direkt auf die Empfängerfläche 111 des Metallträgers 110 des Lagers aufgebracht zu werden. Die Beschichtung wird getrocknet, um Wasser zu verdampfen, und wird dann in einem Ofen bei einer Temperatur gebrannt, die ausreicht, um grenzflächenaktive Mittel und andere flüchtige Substanzen zu entfernen. Schließlich wird die Beschichtung oberhalb der Schmelztemperatur der PTFE-Teilchen gesintert. Im Gegensatz zu anderen thermoplastischen Polymeren ist PTFE nicht schmelzverarbeitbar. Seine Schmelztemperatur entspricht einem Erweichungspunkt. PTFE besitzt typischerweise eine Schmelzkriechviskosität von mindestens einer Milliarde Pascal-Sekunden. In einigen Ausführungsformen wird die Beschichtung oberhalb von 350°C gesintert. In anderen Ausführungsformen wird die Beschichtung oberhalb von 375°C gesintert.
Zusammenfassend wird eine neue wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung, die eine PTFE-Dispersion und selbstschmierende Füllstoffe einschließt, die verwendet wird, um ein selbstschmierendes Lager mit einer PTFE-basierten Gleitschicht zu erzeugen, offenbart. Das hierin offenbarte Verfahren umfasst das Versintern der PTFE-Teilchen miteinander, wenn die Beschichtung bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des PTFE gebrannt wird, um eine dichte Beschichtung mit begrenzter Porosität ohne die Verwendung von hohem Druck zu realisieren. Das Verfahren gestattet auch eine überraschend hohe Haftung zwischen der PTFE-basierten Gleitschicht und dem Metallträger ohne die Verwendung eines Hochtemperatur-Laminierverfahrens oder einer Zwischenschicht-Innenstruktur, wie eine poröse Bronze-Zwischenschicht. Zusätzlich ist es möglich, die Haftung zwischen der PTFE-basierten Gleitschicht und dem Metallträger weiter zu erhöhen, wenn die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung, die auf den Metallträger aufgebracht ist, eine Hochtemperatur-schmelzverarbeitbare Polymerdispersion wie eine FEP-Dispersion umfasst.
Die hierin offenbarten Verfahren gestattet typischerweise die Herstellung von einer PTFE-basierten Gleitschicht mit einer Dicke zwischen 10 und 250 Mikron. Eine Dicke von weniger als 10 Mikron ist möglich, kann aber die Lagerprodukt-Lebensdauer vermindern. Eine Dicke von höher als 250 Mikron ist auch möglich, sofern eine längere Lager-Lebensdauer gewünscht ist.
In einigen Ausführungsformen wird eine PTFE-Geleitschicht auf dem Metallträger in mehreren Stufen abgelagert: eine Schicht über der anderen Schicht, um eine dickere PTFE-basierte Gleitschicht zu erzeugen. Es ist möglich, die gleiche oder verschiedene Beschichtungszusammensetzungen für jede Schicht zu verwenden. In einem speziellen Beispiel werden zwei Beschichtungszusammensetzungen verwendet, um eine PTFE-basierte Gleitschicht zu erzeugen. Die erste Beschichtungszusammensetzung umfasst beispielsweise ein Hochtemperatur-schmelzverarbeitbares Polymer, eine PTFE-Dispersion und gegebenenfalls selbstschmierende Füllstoffe. Die erste Beschichtungszusammensetzung kann auch eine Fluorpolymerdispersion wie FEP und gegebenenfalls eine PTFE-Dispersion und/oder selbstschmierende Füllstoffe umfassen. Die erste Beschichtungszusammensetzung wird direkt auf die Empfängerfläche des Metallträgers aufgebracht, getrocknet und dann gesintert. Die zweite Beschichtungszusammensetzung umfasst eine PTFE-Dispersion, selbstschmierende Füllstoffe und gegebenenfalls Hochtemperaturfasern. Die zweite Beschichtungszusammensetzung wird auf die erste Schicht aufgebracht, getrocknet und schließlich gesintert. Das Verfahren kann mehrmals wiederholt werden, um die Dicke der PTFE-basierten Gleitschicht aufzubauen.
Die hierin offenbarten Verfahren wurden im Labormaßstab bewertet, um die Beschichtungszusammensetzung auf eine Metallfolie aufzubringen. Die Verfahren zum Aufbringen der PTFE-basierten Gleitschicht direkt auf einen Metallträger umfassen Sprühbeschichten, Beschichten mit einer Walzen-Streichmaschine, Beschichten mit einer Platten-Streichmaschine, Walzenbeschichten, Schlitzdüsenbeschichten, Tauchbeschichten und Gravurbeschichten. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die hier aufgeführten Verfahren beschränkt. Ein Fachmann versteht, dass weitere Beschichtungsverfahren im Umfang der Erfindung möglich sind. Der Metallträger besitzt im Allgemeinen eine Dicke im Bereich von 0,01 mm und 1,5 mm. In einer Ausführungsform, wird die PTFE-basierte Gleitschicht zur leichten Herstellung auf einem dünnen Metallträger mit einer Dicke von weniger als 0,15 mm oder vorzugsweise weniger als 0,075 mm abgelagert.
Anschließend kann der dünne mit der PTFE-basierte Gleitschicht beschichtete Metallträger an einem dickeren Metallträger festgeklebt werden.
Die durch die vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten selbstschmierenden Lager können zu einer Vielzahl von verschiedenen Strukturen geformt werden, darunter eine Vielzahl von Lagerypen. Diese Lagertypen umfassen Hülsen oder Kugellager, Anlaufscheiben und Unterfahrschutzplatten. Beispielsweise können Hülsen oder Kugellager durch Schneiden der selbstschmierenden Lager zu Streifen hergestellt werden. Ein jeder von diesen Streifen kann dann zu hohlen Zylindern geformt werden, wobei eine PTFE-basiert Gleitschicht auf der Innenseite der zylindrischen Oberfläche davon oder alternativ auf der Außenfläche davon angeordnet ist, in Abhängigkeit von der bestimmten Anwendung. Die zylindrischen Lager können dann unter Verwendung von der Fachwelt vertrauten Techniken, wie Tiefziehen, geflanscht werden. In einigen Ausführungsformen kann das selbstschmierende Lager zuerst auf einen kautschukartigen Träger laminiert und kann dann zu jeder beliebigen Lagertyp-Anzahl geformt werden.
Es folgen nun Beispiele, die die Erfindung erläutern.
Beispiel 1
Eine wasserbasierte Dispersion von p-Oxybenzoylhomopolyesterteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 10 Mikron, die von der Firma Egene OptoElectronic Materials Company Ltd., zu Verfügung steht, und eine von der Firma Dupont zur Verfügung stehende PTFE-Dispersion wurden miteinander vermischt, um eine wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung A herzustellen. Die relativen Gewichtsverhältnisse von p-Oxybenzoylhomopolyester und PTFE in der Beschichtungszusammensetzung wurden eingestellt, um eine Beschichtung mit 35 Vol.-% p-Oxybenzoylhomopolyesterteilchen und 65 Vol.-% PTFE bereitzustellen.
Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung A wurde auf eine Edelstahlfolie aufgebracht, wobei die Empfängerfläche der Folie eine Oberflächenrauigkeit Rz von 0,8 Mikron aufwies. Die Beschichtung wurde unter Verwendung von einem 8-Pfad-Naßfolienapplikator (Spalt von 254 Mikron) realisiert.
Die Folie mit der Beschichtungszusammensetzung wurde dann in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um Wasser zu verdampfen, und in einem Ofen bei 380°C gesintert, um ein selbstschmierendes Lager mit einem Metallträger mit einer PTFE-basierten Gleitschicht, die mit p-Oxybenzoylhomopolyester gefüllt ist, zu erzeugen. Die Gleitschicht besaß eine Dicke von 43 Mikron.
Die Haftung zwischen der PTFE-basierten Gleitschicht und dem Metallträger wurde unter Verwendung des in ASTM D 3359-02 beschrieben Gitterschnitt-Bandtests getestet. Die Haftung wurde mit 5B bewertet, welches die beste Bewertung ist gemäß ASTM-Verfahren. Dieses Ergebnis war überraschend, da PTFE für seine schlechte Haftung an anderen Materialen bekannt ist. Dies zeigt die Fähigkeit des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung gute Haftung zwischen dem Metallträger und PTFE-basierten Gleitschicht zu erzielen.
Beispiel 2
Eine wasserbasierte Dispersion von p-Oxybenzoylhomopolyesterteilchen und Kohlenstofffasern mit einem Länge-zu-Breiteverhältnis von 400, erhältlich von Applied Science, Inc. Cedarville, Ohio, eine PTFE-Dispersion und eine FEP-Dispersion wurden miteinander vermischt, um eine wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung B herzustellen. Die relativen Gewichtsverhältnisse von p-Oxybenzoylhomopolyester, Kohlenstofffasern, PTFE und FEP in der Beschichtungszusammensetzung wurden eingestellt, um eine Beschichtung mit 28 Vol.-% p-Oxybenzoylhomopolyesterteilchen, 2 Vol.-% Kohlenstofffasern, 63 Vol.-% PTFE und 7 Vol.-% FEP bereitzustellen.
Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung B wurde auf eine Edelstahlfolie aufgebracht, wobei die Empfängerfläche der Folie eine Oberflächenrauigkeit Rz von 0,8 Mikron aufwies. Die Beschichtung wurde unter Verwendung von einem 8-Pfad-Naßfolienapplikator (Spalt von 152 Mikron) realisiert. Die Beschichtung auf der Trägerschicht wurde dann in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um Wasser zu verdampfen, und in einem Hochtemperaturofen bei 380°C gesintert, um ein selbstschmierendes Lager mit einem Metallträger und einer PTFE-basierten Gleitschicht, die mit p-Oxybenzoylhomopolyester und Kohlenstofffasern gefüllt ist, zu erzeugen. Die Gleitschicht besaß eine Dicke von 25 Mikron.
Die Haftung zwischen der PTFE-basierten Gleitschicht und dem Metallträger wurde unter Verwendung des in ASTM D 3359-02 beschrieben Gitterschnitt-Bandtests getestet. Das selbstschmierende Lager dieses Beispiels zeigte eine hervorragende Haftung mit der Bewertung 5B gemäß ASTM D 3359-02.
Beispiel 3
Eine wasserbasierte Dispersion von p-Oxybenzoylhomopolyesterteilchen und Kohlenstoff-Nanofasern und eine PTFE-Dispersion wurden miteinander vermischt, um eine wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung C herzustellen. Die relativen Gewichtsverhältnisse von p-Oxybenzoylhomopolyester, Kohlenstofffasern und PTFE in der Beschichtungszusammensetzung wurden eingestellt, um eine Beschichtung mit 27,5 Vol.-% p-Oxybenzoylhomopolyesterteilchen und 5,5 Vol.-% Kohlenstofffasern und 67 Vol.-% PTFE bereitzustellen.
Die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung C wurde unter Verwendung von einem 8-Pfad-Naßfolienapplikator (Spalt 254 Mikron) auf die Gleitschicht von Beispiel 2 gegossen, in einem Ofen bei 100°C getrocknet, um Wasser zu verdampfen, und dann in einem Hochtemperaturofen bei 380°C gesintert, um ein selbstschmierendes Lager mit einem Metallträger und einer PTFE-basierten Gleitschicht, die mit p-Oxybenzoylhomopolyester und Kohlenstofffasern gefüllt ist, zu erzeugen. Die Gleitschicht besaß eine Dicke von 68 Mikron.
Das selbstschmierende Lager der vorliegenden Ausführungsform zeigte eine hervorragende Haftung mit der Bewertung 5B gemäß ASTM D 3359-02.
Beispiel 4
Der Reibungskoeffizient der selbstschmierenden Lager der Beispiele 1 und 3 wurde unter Verwendung eines Universaltestgeräts, ausgestattet mit einer Lastzelle und einem auf ASTM D1894-01 basierten Reibungskoeffizient-Aufsatz gemessen. Die Geschwindigkeit des Tests betrug 175 mm/min, die Oberfläche des Schlittens betrug 40,3 cm², und das Gewicht des Schlittens betrug 1250 g. Das Flächen-Gegenstück war eine Edelstahlfolie mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von 0,8 Mikron. Zum Vergleich wurde auch der Reibungskoeffizient von einer im Handel erhältlichen PTFE-Folie gemessen.

Lager Beispiel 1 Lager Beispiel 3 Handelsübliche PTFE-Folie

Kinetischer Reibungskoeffizient 0,08 0,105 0,19
Die Zusammensetzungen mit p-Oxybenzoylhomopolyester (Beispiel 1) und mit p-Oxybenzoylhomopolyester und Kohlenstofffasern (Beispiel 3) weisen überraschenderweise einen kinetischen Reibungskoeffizienten auf, der gleich oder besser ist als eine Probe der PTFE-Folie.
Beispiel 5
Das selbstschmierende Lager von Beispiel 1 und das selbstschmierende Lager von Beispiel 3 wurden unter Verwendung eines Kunststoffstifts unter einem Druck von 15 MPa angeritzt. In beiden Lagerflächen zeigte sich eine Verformung. Die Zusammensetzung mit p-Oxybenzoylhomopolyester und Kohlenstofffasern (Beispiel 3) zeigte eine geringere Verformung (ca. 3 Mal geringer) und eine bessere Kriechbeständigkeit als die Zusammensetzungen ohne Kohlenstofffasern (Beispiel 1).
Ausführungsformen der hierin beschriebenen selbstschmierenden Strukturen können in Lager-Anwendungen sowie anderen Anwendungen verwendet werden, wobei die Verwendung von einer Metallfolie, die mit einer PTFE-basierten Beschichtung mit geringem Reibungskoeffizienten und höherer Kriechbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit als reines PTFE beschichtet ist, wünschenswert ist.
Beispiele für solche Anwendungen umfassen industrielle Schutzbeschichtungen.
Es versteht sich, dass die oben genannten Ausführungsformen einfach eine Erläuterung der Prinzipien der Erfindung sind. Verschiedene andere Modifikationen und Änderungen, die die Prinzipien der Erfindung ausführen und in den Geist und Umfang derselben fallen, können von der Fachwelt vorgenommen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM D 3359 [0019]
ASTM D 3359-02 [0055]
ASTM D 3359-02 [0058]
ASTM D 3359-02 [0058]
ASTM D 3359-02 [0061]
ASTM D1894-01 [0062]

Claims

Selbstschmierende Struktur, umfassend: einen Metallträger mit einer Empfängerfläche, wobei die Empfängerfläche eine Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm aufweist; und eine Gleitschicht, die direkt auf der Empfängerfläche abgelagert ist, wobei die Gleitschicht folgendes umfasst: 50 bis 95 Vol.-% PTFE-basierte Matrix, umfassend 60 bis 100 Gew.-% PTFE; und 5 bis 50 Vol.-% selbstschmierenden Füllstoff.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 1, wobei der selbstschmierende Füllstoff organischen selbstschmierenden Füllstoff umfasst.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 2, wobei der organische selbstschmierende Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Graphit, Polyimid, Polyphenylensulfon, aromatischen flüssigkristallinen Polyesterpolymeren, Polyetheretherketon und Polyamidimid, oder Kombinationen davon.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 3, wobei der organische selbstschmierende Füllstoff p-Oxybenzoylhomopolyester-Füllstoff umfasst.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 4, wobei der p-Oxybenzoylhomopolyester-Füllstoff eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen 1 und 30 Mikron aufweist.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 1, wobei die PTFE-basierte Matrix 60 bis 99 Gew.-% PTFE und 1 bis 40 Gew.-% Hochtemperaturschmelzverarbeitbares Polymer umfasst.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 6, wobei die PTFE-basierte Matrix 3 bis 20 Gew.-% Hochtemperatur-schmelzverarbeitbares Polymer umfasst.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 7, wobei das Hochtemperaturschmelzverarbeitbare Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP), Perfluoralkoxypolymer (PFA), Monofluoralkylpolymer (MFA), Tetrafluorethylenethylen (ETFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), und Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), thermoplastischem Polyimid (TPI), Polyetherimid (PEI), Polyamidimid (PAI) und flüssigkristallinen Polymeren (LCP), oder Kombinationen davon.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 1, wobei die Empfängerfläche eine Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 2 μm aufweist.
Selbstschmierendes Lager, umfassend: einen Metallträger mit einer Empfängerfläche, wobei die Empfängerfläche eine Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm aufweist; und eine Gleitschicht, die direkt auf der Empfängerfläche abgelagert ist, wobei die Gleitschicht folgendes umfasst: 50 bis 95 Vol.-% PTFE-basierte Matrix, umfassend 60 bis 100 Gew.-% PTFE; 4,5 bis 50 Vol.-% selbstschmierenden Füllstoff, und 0,5 bis 30 Vol.-% Hochtemperaturfasern.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 10, wobei der selbstschmierende Füllstoff organischen selbstschmierenden Füllstoff umfasst.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 11, wobei der organische selbstschmierende Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Graphit, Polyimid, Polyphenylensulfon, aromatischen flüssigkristallinen Polyesterpolymeren, Polyetheretherketon und Polyamidimid, oder Kombinationen davon.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 12, wobei der organische selbstschmierende Füllstoff p-Oxybenzoylhomopolyester-Füllstoff umfasst.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 13, wobei der p-Oxybenzoylhomopolyester-Füllstoff eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen 1 und 30 Mikron aufweist.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 10, wobei die Hochtemperaturfasern organische Hochtemperaturfasern umfassen.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 15, wobei die organischen Hochtemperaturfasern aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Aramidfasern, pechbasierten Kohlenstofffasern, cellulosebasierten Kohlenstofffasern, polyacrylnitrilbasierten Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, und Graphitfasern, oder Kombinationen davon.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 10, wobei die Hochtemperaturfasern ein Länge-zu-Breiteverhältnis von größer als 10 aufweisen.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 17, wobei die Hochtemperaturfasern in einer Richtung parallel zur Lager-Oberfläche orientiert sind.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 10, wobei die Empfängerfläche eine Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 2 μm aufweist.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 10, wobei die PTFE-basierte Matrix 60 bis 99 Gew.-% PTFE und 1 bis 40 Gew.-% Hochtemperaturschmelzverarbeitbares Polymer umfasst.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 20, wobei die PTFE-basierte Matrix 3 bis 20 Gew.-% Hochtemperatur-schmelzverarbeitbares Polymer umfasst.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 21, wobei das Hochtemperaturschmelzverarbeitbare Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus fluoriertem Ethylen-Propylen (FEP), Perfluoralkoxypolymer (PFA), Monofluoralkylpolymer (MFA), Tetrafluorethylenethylen (ETFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), und Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK), thermoplastischem Polyimid (TPI), Polyetherimid (PEI), Polyamidimid (PAI) und flüssigkristallinen Polymeren (LCP), oder Kombinationen davon.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 20, wobei der selbstschmierende Füllstoff aus einem organischen selbstschmierenden Füllstoff besteht, der aus der Gruppe ausgewählt ist bestehend aus Graphit, Polyimid, Polyphenylensulfon, Polyetheretherketon, Polyamidimid und aromatischen flüssigkristallinen Polyesterpolymeren oder Kombinationen davon.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 23, wobei der organische selbstschmierende Füllstoff p-Oxybenzoylhomopolyester-Füllstoff umfasst.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 24, wobei der p-Oxybenzoylhomopolyester-Füllstoff eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen 1 und 30 Mikron aufweist.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 20, wobei die Hochtemperaturfaser organische Hochtemperaturfasern umfasst.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 26, wobei die organischen Hochtemperaturfasern aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Aramidfasern, pechbasierten Kohlenstofffasern, cellulosebasierten Kohlenstofffasern, polyacrylnitrilbasierten Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, und Graphitfasern, oder Kombinationen davon.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 20, wobei die Empfängerfläche eine Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 2 μm aufweist.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 10, wobei die Gleitschicht eine im Wesentlichen gleichmäßige Struktur aufweist.
Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 10, wobei die Gleitschicht eine variierte Struktur aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines selbstschmierenden Lagers, umfassend: Bereitstellen von einem Metallträger mit einer Empfängerfläche mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm; Herstellen einer wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung umfassend eine PTFE-Dispersion und eine selbstschmierende Füllstoffdispersion; Aufbringen der wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung auf die Empfängerfläche; Verdampfen des Wassers von der beschichteten Empfängerfläche; und Sintern der Beschichtung oberhalb der PTFE-Schmelztemperatur, um eine Gleitschicht zu bilden, wobei die Gleitfläche 50 bis 95 Vol.-% PTFE-basierte Matrix und 5 bis 50 Vol.-% selbstschmierende Füllstoffe umfasst; wobei die PTFE-basierte Matrix 60 bis 100 Gew.-% PTFE umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung weiterhin eine Hochtemperaturschmelzverarbeitbare Polymerdispersion umfasst, die PTFE- und Hochtemperatur-schmelzverarbeitbaren Polymermaterialien in der wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung in relativen Mengen eingeschlossen sind, die zur Bereitstellung einer Gleitschicht mit einer PTFE-basierten Matrix umfassend 60 bis 99 Gew.-% PTFE und 1 bis 40 Gew.-% Hochtemperatur-schmelzverarbeitbares Polymer wirksam sind.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die selbstschmierenden Füllstoffe in der Gleitschicht homogen verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der selbstschmierende Füllstoff aus einem organischen selbstschmierenden Füllstoff besteht, der aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Graphit, Polyimid, Polyphenylensulfon, Polyetheretherketon, Polyamidimid und aromatischen flüssigkristallinen Polyesterpolymeren, oder Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der organische selbstschmierende Füllstoff einen p-Oxybenzoylhomopolyesterfüllstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung weiterhin organische Hochtemperaturfasern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung eine Viskosität zwischen 20 und 50.000 cps aufweist.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die wasserbasierte Beschichtungszusammensetzung eine Viskosität zwischen 100 und 10.000 cps aufweist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Gleitschicht in einer Vielzahl von Stufen durch Aufbringen einer weiteren wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung auf eine vorhergehende Schicht gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines selbstschmierenden Lagermaterials, umfassend Bereitstellen von einem Metallträger mit einer Empfängerfläche mit einer Oberflächenrauigkeit Rz von ≥ 0,5 μm; Herstellen einer ersten wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung umfassend eine Fluorpolymer-Dispersion; Aufbringen der ersten wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung auf die Empfängerfläche; Verdampfen des Wassers in der Beschichtungszusammensetzung; Sintern der Beschichtungszusammensetzung oberhalb der Fluorpolymer-Schmelztemperatur, um eine erste Beschichtung zu bilden; Herstellen einer zweiten wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung umfassend eine PTFE-Dispersion und eine selbstschmierende Füllstoffdispersion; Aufbringen der zweiten wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung auf die erste Beschichtung; Verdampfen des Wassers in der zweiten Beschichtungszusammensetzung; und Sintern der zweiten Beschichtung oberhalb der PTFE-Schmelztemperatur, um eine Gleitschicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Gleitschicht in einer Vielzahl von Stufen durch Aufbringen einer weiteren wasserbasierten Beschichtungszusammensetzung auf eine vorhergehende gesinterte Beschichtung gebildet wird, wobei die Gleitschicht 5 bis 95 Vol.-% PTFE-basierte Matrix und 5 bis 50 Vol.-% selbstschmierenden Füllstoff umfasst und wobei die PTFE-basierte Matrix 60 bis 100 Gew.-% PTFE umfasst.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 41, wobei die Gleitschicht eine im Wesentlichen gleichmäßige Struktur aufweist.
Selbstschmierende Struktur nach Anspruch 42, wobei die Gleitschicht eine variierte Struktur aufweist.