ES2229150T3 - Material compuesto para cojinetes de deslizamiento con una capa de apoyo metalica. - Google Patents
Material compuesto para cojinetes de deslizamiento con una capa de apoyo metalica.Info
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Abstract
Material compuesto (2) para cojinetes de deslizamiento, con una capa de apoyo (4) metálica, una capa portadora (6) porosa aplicada sobre ella y una capa de deslizamiento (12) basada en PTFE que forma una superficie de deslizamiento (14) para una pareja de deslizamiento, en el que el material (10) de la capa de deslizamiento que forma la capa de deslizamiento (12) rellena también los poros de la capa portadora (6) y comprende al menos un 60% en vol. de PTFE y de 10 a 25% en vol. de sulfuro de cinc, caracterizado porque el material (10) de la capa de deslizamiento presenta además de 1, 5 a 3, 5% en vol. de fibras de carbono y de 3 a 7% en
Description
Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento con una capa de apoyo metálica.
La invención se refiere a un material compuesto
para cojinetes de deslizamiento, con una capa de apoyo metálica, una
capa portadora porosa aplicada sobre ella y una capa de
deslizamiento basada en PTFE que forma una superficie de
deslizamiento para una pareja de deslizamiento, en el que el
material de la capa de deslizamiento que forma la capa de
deslizamiento rellena también los poros de la capa portadora y
comprende al menos un 60% en vol. de PTFE y de 10 a 25% en vol. de
sulfuro de cinc.
Un material compuesto de este tipo para cojinetes
de deslizamiento se conoce, por ejemplo, por el documento EP 0232922
B1. En él no se menciona un contenido mínimo del 60% en vol. de
PTFE. La solicitante, sin embargo, fabrica desde hace mucho tiempo
un material compuesto para cojinetes de deslizamiento compuesto por
un 75% en vol. de PTFE y un 25% en vol. de ZnS. En el documento de
patente citado se señala también que puede contener adicionalmente
como cargas 5 a 40% en vol. de fibras de aramida, fibras de carbono,
fibras de vidrio.
El documento EP 0708892 B1 da a conocer un
material compuesto no genérico para cojinetes de deslizamiento cuyo
material de la capa de deslizamiento comprende PTFE y de 2 a 20% en
vol. de fibras de aramida fibriladas. Los ejemplos de realización
comprenden, además del PTFE, PPS o PFA o fluoruro cálcico en
diferentes proporciones. De este documento no se desprenden más
datos.
El documento WO 99/45285 da a conocer un material
compuesto no genérico para cojinetes de deslizamiento cuyo material
de la capa de deslizamiento comprende PTFE, de 10 a 30% en vol. de
un fluoruro metálico, en particular fluoruro cálcico, y de 2 a 10%
de fibras de aramida fibriladas, así como de 2 a 10% de un polímero
fluorado fusible, FEP, PFA o MFA, prefiriéndose FEP. Concretamente
se da a conocer un ejemplo de realización con un 4% en vol. de
fibras de aramida, un 7% en vol. de FEP, un 18% en vol. de CaF y el
resto de PTFE.
El documento WO 99/01675 da a conocer un material
compuesto para cojinetes de deslizamiento cuyo material de la capa
de deslizamiento comprende al menos un 60% en vol. de PTFE, de 15 a
25% en vol. de una carga metálica, preferentemente plomo, y, dado el
caso, de 8 a 12% en vol. de PVDF, así como de 1 a 3% en vol. de
fibras de carbono orientadas en una dirección preferente. Se señala
que también se puede usar sulfuro de cinc como carga metálica. Este
documento es, por lo tanto, genérico.
El documento DE 69327377 T2 da a conocer un
material compuesto para cojinetes de deslizamiento, con una capa de
apoyo metálica y una capa portadora porosa y con una capa de
deslizamiento, en el que el material de la capa de deslizamiento
comprende PTFE como componente principal. Además se prevé óxido de
cinc-triquita y oxisulfato de magnesio para mejorar
la baja resistencia del PTFE al desgaste. Según una variante de
realización se menciona sulfuro de cinc, además de numerosos
componentes adicionales a elegir. Un único ejemplo de realización
contiene PFA en la composición de 65% en peso de PTFE, 15% en peso
de óxido de cinc-triquita, 5% en peso de MgO y 20%
en peso de PFA.
El documento DE 3343697 A1 da a conocer
igualmente un material compuesto para cojinetes de deslizamiento,
con una capa de apoyo y una capa portadora, así como con una capa de
deslizamiento, cuyo material de la capa de deslizamiento presenta
una mezcla de los siguientes componentes: de 0,1 a 50% en vol. de al
menos una masa del grupo formado por FEP, PFA, ETFE, PVDF, PCTFE y
EPE; de 0,1 a 35% en vol. de al menos una masa del grupo formado por
lubricantes sólidos, tales como lubricantes metálicos de bajo punto
de fusión, tales como Pb, Sn o sus aleaciones, óxidos metálicos,
sulfuros metálicos, fluoruros metálicos, grafito o similares,
materiales fibrosos, tales como fibras de carbono, y cerámicas,
tales como SiC; y el resto fundamentalmente de PTFE, encontrándose
la cantidad total de los contenidos de las masas, excepto de PTFE,
en el intervalo del 0,2 al 70% en vol..
El documento DE 19745667 A1 menciona un sistema
de recubrimiento polimérico que se considera para numerosas
aplicaciones, entre otras cosas también para aplicaciones de
cojinetes de deslizamiento. Se dan a conocer composiciones con menos
del 40% en peso de PTFE y más del 30% en peso de PFA, así como con
un 10 ó 20% en peso de PAI y con contenidos de PPSO_{2} del 2,5,
5, 10 ó 20% en peso (Tablas 2 y 3). Asimismo se dan a conocer
composiciones con al menos un 60% en peso de PTFE, un 20% en peso de
PAI y un 2,5, 5, 10 ó 20% en peso de PPSO_{2} (Tabla 1).
El documento DE 19728131 A1 da a conocer un
cojinete de implante para la prótesis articular artificial en el
hombre, en el que como carga en un polímero de base se menciona, por
ejemplo, PPSO_{2}.
El documento
US-A-5.750.221 A da a conocer un
material de deslizamiento para la envoltura de un cable Bowden, con
un 1 a un 25% en peso de PPSO_{2} como carga; se puede añadir
adicionalmente hasta un 15% en peso de otras cargas.
El documento DE 19654102 A1 describe mezclas de
polímeros fluorados con PTFE y PPSO_{2}. Se usa, por ejemplo, un
25% en peso de PPSO_{2}. Además de numerosas aplicaciones se
mencionan usos en materiales para cojinetes.
Partiendo de esta base, la presente invención se
basa en el objetivo de crear un material compuesto para cojinetes de
deslizamiento del tipo mencionado al principio, que presente una
elevada resistencia al desgaste y aún así un bajo coeficiente de
fricción.
Este objetivo se alcanza de acuerdo con la
invención con un material compuesto genérico para cojinetes de
deslizamiento, en el que el material de la capa de deslizamiento
presenta además de 1,5 a 3,5% en vol. de fibras de carbono y de 3 a
7% en vol. de PPSO_{2}.
El aumento de la resistencia al desgaste, por una
parte, y la conservación de un bajo coeficiente de fricción y, con
ello, el logro de propiedades tribológicamente adecuadas son en la
práctica objetivos opuestos. Por ejemplo, un material compuesto para
cojinetes de deslizamiento basado únicamente en PTFE presenta un
excelente coeficiente de fricción, pero la resistencia al desgaste
no es satisfactoria y se puede mejorar mediante la adición de
cargas, por ejemplo de cargas metálicas. Las cargas metálicas
mejoran la disipación de calor y, por lo tanto, se mantienen más
bajas las temperaturas de funcionamiento, lo que significa una mayor
resistencia al desgaste.
Asimismo se conoce, por ejemplo, como se mencionó
al principio, el uso de cargas fibrosas, especialmente de fibras de
carbono, para aumentar la resistencia al desgaste. Sin embargo, si
la proporción de fibras de carbono es demasiado alta, en especial si
asciende al 4% en vol. y más, la resistencia al desgaste aumenta,
pero el coeficiente de fricción se ve afectado considerablemente.
Además, la adición de cargas fibrosas conlleva el problema de que
las fibras no se pueden sujetar o anclar sin más en el material de
la capa de deslizamiento y constituyen posibles puntos de fatiga.
Por ese motivo, con el documento WO 99/45285 mencionado al principio
se presentó la propuesta de usar las denominadas fibras de aramida
"fibriladas", que, debido a su superficie fuertemente
aumentada, muestran una mejor integración en el material de la capa
de deslizamiento.
Con la presente invención se reconoció que se
obtienen unos resultados óptimos cuando la proporción de fibras de
carbono asciende como mínimo al 1,5% en vol. y como máximo al 3,5%
en vol. y cuando el material de la capa de deslizamiento contiene
adicionalmente de 3 a 7% en vol. de PPSO_{2}. Se observó que
mediante la adición de PPSO_{2} como componente adicional, además
de las fibras de carbono, más resistente al desgaste que PTFE, se
puede lograr una disminución del desgaste, es decir, un aumento de
la resistencia al desgaste.
De acuerdo con la invención se creó un material
de la capa de deslizamiento que a pesar de una proporción no muy
alta de fibras de carbono, del 1,5 al 3,5% en vol., presenta una
elevada resistencia al desgaste debido a la adición de
PPSO_{2}.
Según una forma de realización preferida de la
invención, el material de la capa de deslizamiento comprende de 3 a
6, preferentemente de 4 a 6% en vol. de PPSO_{2}.
Con una proporción de fibras de carbono del 2,5
al 3,5% en vol. se logran propiedades óptimas del material de la
capa de deslizamiento en cuanto a una resistencia al desgaste lo más
elevada posible y un coeficiente de fricción aún así bueno.
Preferentemente se usan fibras de carbono con un
grosor de 10 a 20 \mum, en especial de 10 a 16 \mum y muy
preferentemente de 12 a 16 \mum. La longitud de las fibras de
carbono asciende, en especial, a entre 100 y 250 \mum,
preferentemente a entre 100 y 200 \mum y muy preferentemente a
entre 100 y 160 \mum. Si las fibras son demasiado largas, se
presentan problemas al incorporar las fibras en los poros de la capa
portadora. Si las fibras son demasiado cortas, éstas no contribuyen
a la resistencia a la carga y son más difíciles de anclar en el
material de la matriz.
El material de la capa de deslizamiento comprende
preferentemente de 65 a 85% en vol. de PTFE, en especial de 70 a 77%
en vol. de PTFE.
Según otra forma de realización de la invención,
la proporción de sulfuro de cinc asciende a entre el 15 y el 25% en
vol..
El tamaño medio de grano de las partículas de
sulfuro de cinc usadas, medido en el procedimiento de centrifugación
según DIN ISO 9001, es inferior a 1 \mum, preferentemente se
encuentra entre 0,2 y 0,5 \mum. Se observó que la adición de
sulfuro de cinc apoya la separación y, con ello, el mezclado
homogéneo de las fibras de carbono con los demás componentes. En el
microscopio se observa que las finas partículas de sulfuro de cinc
se asocian o adhieren a la superficie de las fibras de carbono casi
humectándolas. De este modo se mejora la distribución homogénea y la
introducción individual de las fibras de carbono en la matriz
compuesta. También se observa que cuando se usan partículas de
sulfuro de cinc de grano fino se reduce la tendencia del material
compuesto al hinchamiento durante el funcionamiento.
Otras características, detalles y ventajas de la
invención resultan de las reivindicaciones y de la descripción
siguiente y de la representación gráfica de una forma de realización
preferida del material compuesto para cojinetes de deslizamiento de
acuerdo con la invención.
La figura muestra un material compuesto para
cojinetes de deslizamiento designado en conjunto con el símbolo de
referencia 2, con una capa de apoyo 4 metálica de acero y una capa
portadora 6 porosa aplicada sobre ella, preferentemente una capa de
bronce sin plomo, por ejemplo con un 90% en peso de cobre y un 10%
en peso de cinc. En la cara superior 8 de la capa portadora 6
situada en frente de la capa de apoyo 4 está incorporado, en los
poros de la capa portadora 6, un material 10 de la capa de
deslizamiento. El material 10 de la capa de deslizamiento sobresale
ligeramente de la cara superior 8 de la capa portadora 6 y forma una
capa de deslizamiento 12 con una superficie de deslizamiento 14 para
una pareja de deslizamiento no representada. El material 10 de la
capa de deslizamiento presenta una matriz de PTFE con al menos un
60% en vol. de PTFE y de 10 a 25% en vol. de sulfuro de cinc y, de
acuerdo con la invención, de 1,5 a 3,5% en vol. de fibras de carbono
y de 3 a 7% en vol. de PPSO_{2}. Una composición preferida del
material de la capa de deslizamiento comprende de 65 a 85% en vol.
de PTFE que forma la matriz, de 10 a 25% en vol de ZnS, de 1,5 a
3,5% en vol. de fibras de carbono y de 3 a 7% en vol. de PPSO_{2}.
El material de la capa de deslizamiento consta preferentemente de
los componentes antes mencionados.
Una composición ejemplar preferida comprende un
72% en vol. de PTFE, un 20% en vol. de ZnS, un 3% en vol. de fibras
de carbono y un 5% en vol. de PPSO_{2}.
Claims (10)
1. Material compuesto (2) para cojinetes de
deslizamiento, con una capa de apoyo (4) metálica, una capa
portadora (6) porosa aplicada sobre ella y una capa de deslizamiento
(12) basada en PTFE que forma una superficie de deslizamiento (14)
para una pareja de deslizamiento, en el que el material (10) de la
capa de deslizamiento que forma la capa de deslizamiento (12)
rellena también los poros de la capa portadora (6) y comprende al
menos un 60% en vol. de PTFE y de 10 a 25% en vol. de sulfuro de
cinc, caracterizado porque el material (10) de la capa de
deslizamiento presenta además de 1,5 a 3,5% en vol. de fibras de
carbono y de 3 a 7% en vol. de PPSO_{2}.
2. Material compuesto (10) para cojinetes de
deslizamiento según la reivindicación 1, caracterizado porque
el material de la capa de deslizamiento comprende de 4 a 6% en vol.
de PPSO_{2}.
3. Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado
porque el material de la capa de deslizamiento comprende de 2,5 a
3,5% en vol. de fibras de carbono.
4. Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado
porque el material de la capa de deslizamiento comprende de 65 a 85%
en vol. de PTFE.
5. Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento según la reivindicación 4, caracterizado porque
el material de la capa de deslizamiento comprende de 70 a 77% en
vol. de PTFE.
6. Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento según una de las reivindicaciones precedentes,
caracterizado porque el material de la capa de deslizamiento
comprende de 15 a 22% en vol. de sulfuro de cinc.
7. Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento según una o varias de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el tamaño medio de grano de
las partículas de sulfuro de cinc usadas es
< 1 \mum.
< 1 \mum.
8. Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento según la reivindicación 7, caracterizado porque
el tamaño medio de grano de las partículas de sulfuro de cinc se
encuentra entre 0,2 y 0,5 \mum.
9. Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento según una o varias de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el grosor de las fibras de
carbono es de 10 a 20 \mum, en especial de 10 a 16 \mum.
10. Material compuesto para cojinetes de
deslizamiento según una o varias de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la longitud de las fibras
de carbono es de 100 a 250 \mum, en especial de 100 a 200 \mum,
en especial de 100 a 160 \mum.
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