DE4142287A1

DE4142287A1 - Trockengleitlager

Info

Publication number: DE4142287A1
Application number: DE19914142287
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl Ing Wegner; Erich Dipl Chem Dr Hodes
Original assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Current assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Glyco BV and Co KG
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1993-06-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Trockengleitlager mit einem Stützkörper, mit einer Zwischenschicht und mit einer Gleitschicht, wobei die Gleitschicht eine Mischung von Metall/Metalloxid mit Fluorpolymeren enthält.

Es sind bereits Gleitlager und Verfahren zu deren Herstellung bekannt, wobei eine Zwischenschicht aus Bronze so auf einen metallischen Träger, der vorwiegend aus Stahl besteht, aufgesintert ist, daß ein poröses Gefüge entsteht, dessen Struktur mit einer Mischung aus Polytetrafluorethylen allein oder in Verbindung mit metallischem Blei, Indium, Thallium oder Cadmium besteht.

Solche Gleitlager vermögen wartungsfrei, das heißt ohne jeden Zusatz an flüssigen oder festen Schmierstoffen, zu arbeiten, weshalb sie auch als Trockenlager bezeichnet werden.

Zur Herstellung der Ausgangsmaterialien für solche Trockenlager ist es bekannt, auf einen Stahlträger ein vorzugsweise aus Zinnbronze bestehendes poröses Metallgerüst aufzusintern und dann Polytetrafluorethylenpulver oder ein Gemisch aus PTFE und Metallpulver oder einer aus einer PTFE-Dispersion mit Mischung mit Metallen oder deren Oxiden durch Koagulation erhaltene Paste auf das Metallgerüst aufzubringen und unter Zuhilfenahme von Druck und Temperatur dieses auszufüllen und zwar so, daß eine das Metallgerüst überstehende Gleitschicht von etwa 30 µm erhalten wird. Diese bekannten Lager haben jedoch den Nachteil, daß nach dem Verschleiß der etwa 30 µm dicken Gleitschicht das Metallgerüst frühzeitig freigelegt wird und in zunehmendem Maße ein Verschleiß am Gegenläufer hervorgerufen wird. Die Ursache für den hohen Verschleiß der Lager, deren Gleitschichtmatrix aus PTFE besteht, ist darin zu sehen, daß die Haftfestigkeit zwischen Stützschicht (Sinterschicht) und Gleitschicht aufgrund des antiadhäsiven Charakters des PTFE mangelhaft ist. Gleiches gilt für die unzureichende Bindung zwischen den PTFE-Partikeln und den metallischen bzw. nichtmetallischen Füllstoffen in der PTFE-Matrix.

Der Verschleißwiderstand solcher Gleitschichten ist daher sowohl bei drehender, oszillierender Bewegung, ganz besonders aber unter Bedingungen hoher Geschwindigkeit und pulsierenden Stößen (Stoßdämpfer) unzureichend. Es ist daher bereits versucht worden, die Haftfestigkeit bei den auf die vorgeschilderte Weise hergestellten Lagern zu verbessern, indem man warmhärtende Harze auf Epoxid- oder Phenolharzbasis den PTFE-Bindemittel-Gemischen zufügte.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die adhäsiven Kräfte zwischen den Harzen und den PTFE-Partikeln unzureichend sind, so daß der Zweck solcher Vorhaben nicht erreicht wurde. Um hier eine Verbesserung zu erzielen, hat man gemäß DE-OS 19 32 343 z. B. den PTFE-Füllstoff-Mischungen Bindemittel als Haftvermittler zu der die Laufschicht (Gleitschicht) tragenden Sinterschicht beigemischt, wobei das Bindemittel mindestens eine im wesentlichen thermoplastische Verbindung aus der Gruppe von Polytrifluorchlorethylen, Polyvinylfluorid oder Polyvinylidenfluorid, insbesondere ein thermoplatisches Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (FEP) ist.

Hierdurch sollte eine besonders gute Haftfestigkeit der Gleitschicht zur Sinterschicht und gleichzeitig zwischen den PTFE-Partikeln und den Füllstoffen erzielt werden, ohne die hervorragenden Gleiteigenschaften des PTFE zu verschlechtern. Gleichzeitig sollte der Kavitations- und Verschleißwiderstand verbessert werden. Die gesteckten Ziele konnten jedoch nicht erreicht werden.

Eine Weiterentwicklung ist in der DE-OS 37 28 273 beschrieben, wo beansprucht wird, daß die Gleitschicht (hier Lagerschicht genannt) aus einem integrierten Harzpulver aus PTFE-Harz-Präzipitat und FEP-Harz-Präzipitat (Copolymer von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen) und/oder PFA-Harz-Präzipitat (Tetrafluorethylen-Perfluoralkyl-Vinylether-Copolymer) besteht und daß jedes Partikel des integrierten Harzpulvers mit PbSn-Legierungspulvern bedeckt ist. In der DE-OS 37 28 273 wird behauptet, daß die Harz-Präzipitate eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Kavitation besitzen sollen. Dies ist jedoch, wie eingehende Versuche mit dem Magnetostriktions-Schwinggerät zeigen, in keiner Weise der Fall. Es kann als gesichert gelten, daß die Werkstoffschädigungen durch sehr kleinflächige, heftige Druckstöße hervorgerufen werden, die als Dauerwechsel-Beanspruchung die Werkstoffe zerstören. Haupteinflußgröße für den Kavitationswiderstand von Werkstoffen ist ihre Härte, deren Zunahme die Beständigkeit erhöht.

Weiterhin ist es aus der DE-PS 14 94 079 bekannt, neben PTFE als Matrix eines Gleitwerkstoffes Blei als auch Pb und Bronze und darüber hinaus Mischungen aus PbO und Bronze als Füllstoffe zu verwenden. Diese Mischungen vermochten ebenfalls den Anforderungen der modernen Technik nicht zu entsprechen.

Auch die GB 21 74 460 und die US 45 82 368 beschreiben Zusammensetzungen, wonach die Füllstoffe (z. B. Pb) in lamellarer Form in die PTFE-Matrix eingearbeitet sind. Auch diese bekannten Materialien erfüllen die gestellten Bedingungen nicht. Darüber hinaus ist es bekannt, daß zeilenförmige oder lamellar ausgebildete Phasen in einer Metall- oder Kunststoffmatrix bei Beanspruchung auf Wechselfestigkeit in Folge innerer Kerbwirkung Anlaß zu Dauerbrüchen sind, was sich in mehreren Versuchsreihen bestätigt hat.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Trockengleitlager zu entwickeln, deren Gleitschichtmatrix ebenfalls Fluorpolymere enthält, die sich durch besonders gute Gleiteigenschaften und vor allem die Möglichkeit des wartungsfreien Betriebes auszeichnen, vor allem aber unter Bedingungen hochfrequenter Schwingungen eine ausgezeichnete Kavitationsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen. Außerdem sollen die Trockengleitlager leicht und preiswert herzustellen sein und insbesondere sollen der niedrige Reibungskoeffizient und die hohe thermische Belastbarkeit des Fluorpolymeren ausnutzbar sein.

Diese Aufgabe wird mit einem Trockengleitlager gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Da die mechanischen Eigenschaften der Komponenten einer Gleitschicht für ein Trockenlager so aufeinander abgestimmt sein müssen, daß sowohl ein niedriger Reibwert als auch die geforderte Verschleißfestigkeit und ein ausreichender Kavitationswiderstand erzielt werden, wurde als Fluorpolymer PTFE beibehalten.

Um die Haftfestigkeit der PTFE-Matrix am Sintergerüst der Stützschicht und die adhäsive Einbindung der Füllstoffe in der PTFE-Matrix zu verbessern, wurde PFA (Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymer) gewählt, weil dieses Fluorpolymere thermoplastische, gut benetzbare Eigenschaften aufweist.

Hinsichtlich der Wahl der Füllstoffe mußte berücksichtigt werden, daß PTFE unter Druck zum sogenannten "kalten Fluß", d. h. Fließen neigt. Andererseits muß sichergestellt sein, daß die Reibwärme aus der Gleitschicht zum Stahlträger ausreichend abgeleitet wird.

Da die in der DE-OS 37 28 273 im Hinblick auf die thermische Belastbarkeit und Kavitationsbeständigkeit erhobenen Forderungen von metallischem Blei nicht erfüllt wurden, war es überraschend, daß Blei zusammen mit Bleioxid im erfindungsgemäßen Verhältnis und in Kombination mit PTFE und PFA diesbezüglich zu deutlich besseren Eigenschaften beiträgt.

Die Härtung der Gleitfläche zur Erreichung eines ausreichenden Kavitationswiderstandes wird durch Bleioxid erreicht, wobei neben PbO₂ die gelbe Bleioxid-Modifikation (β-Modifikation des PbO) gegenüber der roten Bleioxid-Modifikation zu einer weiteren Verbesserung führte.

Wichtig ist hierbei, daß die härtende Phase, nämlich das Bleioxid in einer möglichst feinen Form vorliegt. Es kann aus den durchgeführten Versuchen geschlossen werden, daß die Pb/Bleioxid-Mischung als dispersionsverfestigte Legierung vorliegt, d. h. es liegt eine metallische Bleimatrix vor, in der die feinen, härteren Teilchen, die vorzugsweise eine Größe < 10 µm aufweisen, gleichmäßig verteilt sind. Damit die härteren Teilchen ihre Funktion auch bei hohen Temperaturen ausüben können, müssen diese so stabil sein, daß sie sich nur schwer verformen und ihr einmal erzeugter Verteilungszustand in der Nähe des Schmelzpunktes des Blei erhalten bleibt, was insbesondere bei PbO-Partikeln der gelben Modifikation der Fall ist.

Zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes haben sich Nitride wie Siliziumnitrid, Bornitrid, Aluminiumnitrid oder Magnesiumnitrid sowie Siliziumcarbid bewährt, wenn sie in Mengen zwischen 1,3 bis 1,7 Vol.-% in der Gleitschicht enthalten sind.

Es hat sich gezeigt, daß Bornitrid in besonders feiner Korngröße von unter 0,1 µm im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit dann wegen sogenannter Verdickungseffekte zu Schwierigkeiten führt, wenn es in Mengen < 1,7 Vol.-% zugesetzt wird. Zur Erreichung ausreichender Verschleißfestigkeit sind - wie Messungen auf einem Stift-Scheibe-Tribometer zeigen - bereits Mengen von ca. 1,5 Vol.-% hinreichend.

Weiterhin hat sich bei Versuchen gezeigt, die im Bereich höherer Temperaturen, d. h. im Bereich der thermischen maximalen Belastbarkeit der Polymermatrix bei ungefähr 300°C durchgeführt wurden, daß sich durch eine Kombination der Nitride bzw. des Carbides mit Fe₃O₄ ein hervorragender Verschleißwiderstand erzielen läßt, der sogar unter oxidierender Atmosphäre Bestand hat.

Besonders vorteilhaft wird ein Bornitrid gemäß folgender Analyse eingesetzt:

B + N: 99,0%
O gesamt: 0,9%
B₂O₃, H₂O löslich: 0,1%
Korngröße: 1 µm
spezifische Oberfläche: 5,5 m²/g.

Die synergistische Wirkung des Fe₃O₄ (Eisen(II-III)-Oxids) mit dem Nitrid oder Carbid wird dessen gutem Leitvermögen, das die Wärmeabfuhr aus der Gleitebene wesentlich unterstützt, entscheidend zugeschrieben. Die Konstitution dieser Doppelverbindung, die zur Klasse der Spinelle gehört, läßt sich durch die Formel Fe′′Fe′′′(Fe′′′O₄) wiedergeben. Daraus, daß die außerhalb der (FeO₄)-Baugruppen gelegenen Fe⁺² und Fe⁺³-Ionen leicht ihre Ladungen austauschen, erklärt sich die gute Leitfähigkeit dieser Verbindung und die unterstützende synergistische Wirkung als Additiv.

Versuche am Magnetostriktions-Schwinggerät auf Oszillations-Hydropuls- und Rotationsprüfständen haben gezeigt, daß eine Verbesserung der Kavitationsbeständigkeit nur dann erzielt wird, wenn bestimmte Mengenverhältnisse eingehalten werden. Diese liegen für Bleioxid/Pb bei 1,66 bis 1,22 und für PFA/PFTE bei 0,8 bis 1,2, wobei die Einzelanteile in folgenden Grenzen variieren können:

Pb 20,5-24,5 Vol.-%
Bleioxid 30-34 Vol.-%
PTFE 20-24 Vol.-%
PFA 20-24 Vol.-%.

Beispiel:

Es wurde ein erfindungsgemäßes Trockenlager wie folgt hergestellt:

Der Stützkörper besteht aus einem beidseitig verkupfertem Hohlband. Auf die Kupferschicht wird ein kugelförmiges Zinnbronze-Pulver so aufgesintert, daß eine poröse Gleitschicht mit einer Dicke von 0,25-0,35 µm erhalten wird, die fest mit der Kupferschicht verbunden ist.

In die poröse Zinnbronze-Sinterschicht wird unter Anwendung eines Walz- und Sinterprozesses eine pastenartige Mischung aus PTFE und PbO so eingearbeitet, daß eine das Sintergerüst überdeckende Kunststoffschicht von etwa 20 µm Dicke erzielt wird. Anschließend läuft das Band in einen langen Ofen, hier wird das Band langsam aufgeheizt, so daß Bearbeitungshilfsmittel und Wasser ausgetrieben werden. Anschließend wird das Band rasch auf Sintertemperatur (380-400°C) gebracht. Das Band verläßt den Ofen mit einer Oberflächentemperatur von 360°C und wird warm auf Endmaß gewalzt. Eine nachgeschaltete Wasser- und Luftdusche kühlt das Band ab.

Dieses als Werkstoff 4 bezeichnete Trockengleitlager wurde Vergleichsversuchen mit bekannten Werkstoffen unterzogen:

Werkstoff 1

Stahl/CuSnlO/PTFE + Pb gemäß GB 657,085

Werkstoff 2

Stahl/CuSnlO/PTFE + z. B. FEP, PVDF, PCTF gemäß DE-OS 19 32 343

Werkstoff 3

Stahl/CuSnlO/PTFE/FEP bzw. PTFE/PFA und PbSn gemäß DE-OS 37 28 273.

Die Kavitationsversuche wurden bei einer Frequenz f = 19 kHz, einer Temperatur ϑ = 20°C in Wasser durchgeführt. Der Schwingkopfdurchmesser beträgt 35 mm und der Abstand Probe Schwingkopf 1 mm. Die Ergebnisse sind in der Figur dargestellt. Wie hieraus zu entnehmen ist, ist die Abtragungsgeschwindigkeit des Werkstoffs 4 am geringsten, was die überlegenen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Trockengleitlagers belegt.

Claims

1. Trockengleitlager mit einem Stützkörper, mit einer Zwischenschicht und mit einer Gleitschicht, wobei die Gleitschicht eine Mischung von Metall/Metalloxid mit Fluorpolymeren enthält, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Metall/Metalloxid eine Mischung aus Bleioxid und Pb im Verhältnis 1,22 bis 1,66 ist,
- daß die Fluorpolymere eine Mischung aus PFA (Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether- Copolymer) und PTFE im Verhältnis 0,8 bis 1,2 sind und
- daß die Gleitschicht einen weiteren nichtmetallischen Anteil in Form eines Nitrides oder Carbids enthält.

2. Trockengleitlager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Anteile:
Pb 20,5 bis 24,5 Vol.-%
Bleioxid 30 bis 34 Vol.-%.

3. Trockengleitlager nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Polymeranteile:
PTFE 20 bis 24 Vol.-%
PFA 20 bis 24 Vol.-%.

4. Trockengleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bleioxid in feiner Verteilung vorliegt, wobei die Partikelgröße < 10 µm beträgt.

5. Trockengleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bleioxid aus der gelben Bleioxid-Modifikation (β-Modifikation des PbO) besteht.

6. Trockengleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bleioxid aus PbO₂ besteht.

7. Trockengleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Nitrid Siliziumnitrid, Bornitrid, Aluminiumnitrid oder Magnesiumnitrid mit einem Anteil von 1,3 bis 1,7 Vol.-% ist.

8. Trockengleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbid SiC ist.

9. Trockengleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht zusätzlich Fe₃O₄ enthält.