DE3143384A1 - Gleitkoerper - Google Patents

Gleitkoerper

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DE3143384A1 DE19813143384 DE3143384A DE3143384A1 DE 3143384 A1 DE3143384 A1 DE 3143384A1 DE 19813143384 DE19813143384 DE 19813143384 DE 3143384 A DE3143384 A DE 3143384A DE 3143384 A1 DE3143384 A1 DE 3143384A1
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Wolf Dipl.-Chem. Dr. 6301 Biebertal Hüttner
Günter Ing.(grad.) 6338 Hüttenberg Keuscher
Karl Heinz Ing.(Grad.) 6301 Biebertal Sauer
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Description

  • Gleitkörper
  • Die Hauptanmeldung 31 13 oo4.6 betrifft einen Gleitkörper, bestehend aus zwei Schichten unterschiedlichen Materials, wobei die die Lauffläche aufweisende Schicht aus einem Kohlenstoff-Gleitwerkstoff und mindestens eine weitere Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.
  • Reispielhafte Anwendungen dieser Verbundwerkstoff-Gleitkörper sind Lagerbuchsen, Dichtungsringe für Gleitringdichtungen und Kolbentrennschieber für Rotationskompressoren.
  • Es hat sich nun gezeigt, daß verschiedene mögliche Anwendungsfälle bei ausschließlicher Verstärkung durch Kohlenstoffasern aus preislichen oder technischen Gründen nicht zum Tragen kommen können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gleitkörper zu schaffen, der unter Beibehaltung der guten Eigenschaften des Verbundwerkstoff-Gleitkörpers nach Patentanmeldung 31 13 oo4.6 eine größere Anwendungsbreite erlaubt.
  • Die Aufgabe wird mit einem Gleitkörper der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Faserverbundwerkstoff faserverstärkter Kohlenstoff oder faserverstärkter Kunststoff ist und die Verstärkungsfasern aus einer oder mehreren Gruppen folgender Faserarten ausgewählt sind: a) Kohlinstoffasern b) Glasfasern c) Polymerfasern d) Keramikfasern.
  • Falls Kohlenstoffasern verwendet werden, sollten mindestens 1o Vol.-% vorzugsweise 30 - 70 Vol.-% eingebracht werden.
  • Unter "ohlenst:off-Gleifwerkstoff" werden alle für Kohlelager, Kohledichtuiigsringe und Kohletrennschieber gebräuchlichen Kohlenstoff-Werkstoffe verstanden, wie insbesondere Elektrographit , Kohlenstoff-Graphit, kunstharzgebundener Kohlenstoff und kunstharzgebundener Graphit, aber auch kunstharzimprägnierter Elektrographit und kunsharzimprägnierter Kohlenstoff-Graphit sowie schließlil:h metallimprägnierter Elektrographit und metallimprätrnierter Kohlenstoff-Graphit.
  • Zur Metallimprägnierung werden beispielsweise Antimon, Blei, Kupfer und deren l.egierungen verwendet.
  • Unter "faserverstärktem Kohlenstoff" werden Werkstoffe verstanden, die in einer Kohlenstoffmatrix Verstärkungsfasern enthalten. Als Fasern sollen Kohlenstoffasern, Glasfasern und Keramikfasern einzeln oder in Kombination verwendet werden. Vorzuqsweise liegen die Fasern als Stränge von Endlosfäden vor, die beispielsweise mit einem in hohen Kohlenstoffrückständen abbaubaren Polymer wie Phenolharz oder Furanharz, mit einem Steinkohlenteerpech oder einem Petrolpech imprägniert werden und dann unter Zug auf einen Kern aufgewickelt werden. Der Kern kann im einfachsten Fall der Ring aus dem die Lauffläche tragenden Kohlenstoff-Gleitmaterial sein. Der Faserring kann jedoch auch auf einem anderen Kernmaterial gewickelt werden und anschließend auf oder in den Kohlenstoffring eingepaßt werden. Eine anschließende Pyrolyse des Imprägniermittels bei 400 bis 3.000 OC, vorzugsweise 650 bis 1.lot °C in Inertgasatmosphäre führt zu einem hochfesten faserverstärkten Kohlenstofl.
  • Bei der Verwendung eines Po]ymeren als Matrix wird ein "faserverstärkter Kunststoff" erhalten. Als Polymere können Duromere wie z.B. Epc,xide, Phenolharze, Furanharze, Polyester und Polyimide, aber auch Plastomere wie z.B. Polyamide, Polycarl)onate, Polysulfone und schließlich Elastomere wie z.B. Si]ikonharze eingesetzt werden.
  • Durch das Herstellverfahren bedingt, liegt nach der Pyrolyse bzw. Härtung der Matrix ein Gleitkörper aus zwei fest verbundenen Schichten unterschiedlichen Materials vor. Je nach Anwendung kann es zweckmäßig sein, diesen Körper zur Erhöhung der Dichtheit mit Kunstharz oder Metallender oben beschriebenen Art zu imprägnieren. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Gleitkörpers ist in der Kombination guter Laufeigenschaften mit einer hohen Festigkeit zu sehen.
  • Durch die Einbindung verschiedener Verstärkungsfasern mit unterschiedlichen Eigenschaften läßt sich das Anwendungsgebiet der Erfindung erweitern. Insbesondere bei Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Verstärkungsfasern in einem Bauteil ergeben sich Verbesserungen durch die Kombination der positiven, Eigenschaften. So läßt sich z.B. die Schlagzähigkeit von kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen durch zusätzliche Einlagerung von Polymerfasern erheblich erhöhen.
  • Andererseits läßt sich durch Einlagerung eines bestimmten Anteils von Kohlenstoffasern in glasfaserverstärkte oder polymerfaserverstärkte Verbundwerkstoffe die Steifigkeit erheblich verbessern.
  • Der Erfindung wird im folgenden durch verschiedene Ausführungsformen anhand von Zeichnungen beispiel haft erläutert. Es zeichen Fig. 1 - den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Lagerbuchse Fig. 2 - den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Dichtungsrings Fig. 3 - den Querschnitt eines Trennschiebers In den Figuren ist 1 die Schicht aus Kohlenstoff-Gleitwerkstoff, die eine Laiiffläche 3 aufweist. Mit 2 ist die Schicht aus Faservelrbundwerkstoff bezeichnet. Im Falle des Trennschieber-s, Fig. 3, sind zwei Schichten 2, 2' aus Faserverbund,erkstoff dargestellt.
  • Im folgenden wird an einem Beispiel das Herstellverfahren des erfinduncsgemäßen Gleitkörpers erläutert.
  • Beispiel 1 Ein Gleitring aus Kohl<rnstoff wird mit einer Kombination aus Kohlenstoff- und GLasfasern verstärkt. Die Kohlenstoffasern weisen eine Zugfestigkeit von 2,4 kN/mm und einen E-Modul von 400 kN/mm2 auf; die Glasfasern haben eine Zugfestigkeit von 2,4 kN/mm² und einen E-Modul von 79 kN/mm². Als Matrix wird ein epoxydierter Novolak verwendet, bestehend al1s Harz, Härter und Beschleuniger im Mischungsverhältnis von 1oo : 111 : 2. Die Verstärkung des Gleitringes erfolg mit Hilfe des Naßwickelverfahrens.
  • Hierbei werden die Fasern über eine Anzahl von Führungs-und Tränkrollen zum Imprägnieren durch die Matrix geführt und mit einem Fa<lenauge definiert auf dem Gleitring abgelegt. Die Ver:stårkungsfasern werden dabei mit einer definierten, gleichbleibenden Abzugskraft von 12,5 N aufgewickelt. Hieraus resultiert ein mittlerer Faservolumenanteil von'65 ':. Die liarz/liärter/Beschleunigermischung wird auf einer koiistanten Temperatur von 55°C gehalten, ebenfalls die Wickelstrecke und die Gleitringe, auf welche die Verstärkung aufgebracht wird.
  • Der Mischverbund wird dadurch erzielt, daß abwechselnd Glasfasern und Kohlenstoff'sern auf den Gleitring aufgewickelt werden. Es folgt auf jede zweite Lage Glasfasern eine Lage Kohlenstoffasern, somit beträgt der Kohlenstoffaseranteil 33 %. Nach Abschluß des Wickelvorganges werden die WickeLkörper unter andauernder Rotation und WärmebeaufschLagung (140 °C) angehärtet.
  • Anschließend werden die Wickelkörper für 6 h bei bei 18o und für 15 h bei 210 °C im Trockenschrank vollständig ausgehärtet. Abschließend erfolgt die spanabhebende Endbearbeitung (Außen- und Innenprofilierung und Oberflächenglättung) der verstirkten Gleitringe.
  • Die derartig verstärkten Gleitringe weisen Innendruckfestigkeiten von 120 bar auf und zeigen bei Drtckbeaufschlagung eine gleichmäßige Aufweitung am Außendurchmesser bei unterschiedlich großen Innendurchmessern und einem gleichzeitigen Druckgefälle über die Ringhöhe.
  • Beispiel 2 Zur Verstärkung einer Trennschieberlamelle aus Kohlenstoff werden vorimprägnierte, unidirektionale Fasergelege (sogenannte Prepregs) aus Kohlenstoffasern und Polyaramidfasern (Polymerfasern) verwendet. Die Kohlenstoffasern weisen eine Zugfestigkeit von 2,8 kN/mm2 und einen E-Modul von 215 kN/mm2, die Polyaramidfasern eine Zugfestigkeit von 2,64 kN/mm² und einen E-Modul von 124 kN/mm² auf. Al; Imprägniermatrix wird ein in chlorierten Kohlenwasserstoffen gelöstes Polysulfonharz verwendet. Die trockenen Prepregs werden auf die Größe der Kohlenstofftrennschieberlamelle zurechtgeschnitten und auf deren Vorder- und Rückseite aufgelegt. Hierbei bilden die Polyaramidfaserlaminate die innersten Lagen mit der Faserrichtung senkrecht zur Längsachse der Lamelle, gefolgt von zwei Lagen Kohlenstoffaserlaminaten, wobei die unidirektionalen Fasern, jeweils senkrecht und waagrecht zur Längsachse der Lamelle ausgerichtet snd. Der Kohlenstoffaseranteil beträgt damit rund 67 . Dieser Körper wird dann bei 315 °C verpreßt. EIierb(i wird das Vakuumsackverfahren angwendet. Der Verbundiörper wird unter Druck auf 50°C vor Entnahme gekiihlt. Die Endbearbeitung erfolgt spanabhebend.
  • Durch die Verstärkung cler Kohlenstofftrennschieberflanken resultiert eine Erhöhung der Biegebruchfestigkeit von 45 N/mm² auf 205 N/mm² und eine Erhöhung der Schlagzähigkeit von 1,3 KJ/mm² auf 5,1 KJ/mm².

Claims (6)

  1. Patentansprüche 1. Gleitkörper, bestehend aus Schichten unterschiedlichen Materials, wobei tie die Lauffläche aufweisende Schicht aus einem K(hlenstoff-Gleitwerkstoff und mindestens eine weitere Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff be;teht, nach Patentanmeldung 31 13 oo4.6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Faserverbundwerkstoff faserverstärkter Kohlensloff ist und als Verstärkungsfasern Kohlenstoffa;ern und/oder Glasfasern und/oder Keramikfasern eiithält.
  2. 2. Gleitkörper nach Ansprucil 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Faserverbundwerkstoff faserverstärkter Kunststoff ist und als Verstärkungsfasern Kohlenstoffasern und/oder Glasfasern und/oder Keramik fasern und/oder Polymerfasern enthält.
  3. 3. Gleitkörper nach Ansprucli 1 und 2, d a d u r c h -g e k e n n z e i c h n e t , daß der Anteil der Kohlenstoffasern am Gesalntfaseranteil mindestens lo Vol.-% beträgt.
  4. 4. Gleitkörper nach Anspructi 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Kohlenstoffaseranteil 30 - 70 Vol.-% beträgt.
  5. 5. Gleitkörper nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Faserverbundwerkstoff faserverstärkter Kohlenstoff ist und als Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Keramikfasern enthält.
  6. 6. Gleitkörper nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Faserverbundwerkstoff faserverstirkter Kunststoff ist und als Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Keramikfasern und/oder Polymerfasern enthält.
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