DE102005036690A1

DE102005036690A1 - Verbundmaterial für Gleitanwendungen und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE102005036690A1
Application number: DE102005036690A
Authority: DE
Original assignee: Federal Mogul Deva GmbH
Current assignee: Federal Mogul Deva GmbH
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: DE102005036690B4

Abstract

Es wird ein Verbundmaterial für Gleitanwendungen aus einer glasfaserverstärkten Epoxydharztragschicht und einer darauf aufgebrachten Gleitschicht beschrieben, die ein Gleitschichtmaterial aus Epoxydharz und Festschmierstoffen aufweist, wobei die Gleitschicht aus mindestens einem Lager aus mit Gleitschichtmaterial getränktem Polyestergewebe besteht. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundmaterials beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundmaterial für Gleitanwendungen aus einer glasfaserverstärkten Epoxydharztragschicht und einer darauf aufgebrachten Gleitschicht, die ein Gleitschichtmaterial aus Epoxydharz und Festschmierstoff aufweist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Herstellungsverfahren.
Mit derartigen wartungsfreien, selbstschmierenden Hochleistungsgleitwerkstoffen lassen sich Gleitlagerkonzepte verwirklichen, die über längere Zeiträume betriebssicher arbeiten.

Diese Verbundwerkstoffe kommen unter anderem bei Anwendungen mit hoher, langanhaltender statischer und dynamischer Belastung zum Einsatz, bei relativ niedrigen Gleitgeschwindigkeiten, bei drehender, winkelförmiger, axialer oder linearer Bewegung, z.B. dann, wenn eine konventionelle Schmierung nicht möglich oder nicht zulässig ist oder weitere Anforderungen im Hinblick auf Verschleißfestigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Betriebs- und Umwelteinflüsse sowie Sondereinflüsse usw. vorliegen.

Ein bekanntes Verbundmaterial, das unter dem Markennamen devatex^® angeboten wird, ist ein selbstschmierender, glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff, der in einer speziellen Wickeltechnologie hergestellt wird. Die Tragschicht ermöglicht die hohe Festigkeit, während die Gleitschicht spezielle nichtabrasive Fasern und Festschmierstoffe enthält, die für hervorragende tribologische Eigenschaften auch in feuchter Umgebung bei eventuell auftretenden Kantenpressungen sorgt. Die darin eingelagerten Festschmierstoffe sorgen zudem für extrem niedrige Reibwerte und Verschleißraten im Trockenlauf.

Als Anwendungen dieser Verbundmaterialien kommen Ladeluken, Regelringe für Wasserturbinen oder Stirnplatten bei Windkraftanlagen in Frage.

Die Gleitschicht hat in der Regel eine Dicke von etwa 0,5 bis 2 mm. Das Aufbringen des flüssigen Gleitschichtmaterials erfordert Rahmen mit den gewünschten Abmessungen, die auf das Tragschichtmaterial aufgelegt werden. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig, weil für jede Größe der herzustellenden Platten oder Scheiben entsprechende Rahmen bereitgehalten werden müssen.

Es ist auch wünschenswert, die Gleitschicht in beliebigen Dicken herstellen zu können, um höhere Lebensdauern durch größere Verschleißschichtdicken zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, dieses Verbundmaterial derart weiterzuentwickeln, dass beliebige Gleitschichtdicken einstellbar sind. Auch soll die Herstellung des Verbundmaterials in unterschiedlichen Abmessungen auf einfache Weise möglich sein.

Diese Aufgabe wird mit einem Verbundmaterial gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gleitschicht aus mindestens einer Lage aus mit Gleitschichtmaterial getränktem Polyestergewebe besteht.

Die Verwendung eines Polyestergewebes für die Gleitschicht hat den Vorteil, dass die Gleitschicht vorgefertigt werden kann, indem Bahnen aus Polyestergewebe mit dem Gleitschichtmaterial getränkt werden. Diese bahnenförmigen Gleitschichten können entsprechend der Größe, beispielsweise der zu fertigenden Platte, zugeschnitten und anschließend auf der glasfaserverstärkten Tragschicht aufgebracht werden, indem die Bahnen oder Zuschnitte aufgelegt und verpresst werden. Es besteht dadurch die Möglichkeit, eine oder mehrere dieser Lagen aufeinander zu legen, um so die gewünschte Gleitschichtdicke zu erzielen. Gleitschichtdicken von bis zu 100 mm sind problemlos herstellbar. Polyestergewebe hat außerdem den Vorteil, dass es nicht abrasiv ist.

Das Polyestergewebe beeinflusst nicht die Eigenschaften der Gleitschicht und dient lediglich als Trägermaterial zur vereinfachten Herstellung der Gleitschichten.

Das Epoxydharz der Gleitschicht kann mit dem Epoxydharz der Tragschicht identisch sein. Es gibt aber auch die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien hierfür zu verwenden.

Vorzugsweise weist das Polyestergewebe 20 bis 30 Kettfäden und 10 bis 17 Schussfäden auf. Besonders sind 25 bis 30 Kettfäden, insbesondere 25 Kettfäden, und 14 bis 17 Schussfäden, insbesondere 14 Schussfäden, bevorzugt. Es hat sich gezeigt, dass aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Kettfäden und Schussfäden die tribologischen und mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes gegenüber den Verbundwerkstoffen nach dem Stand der Technik verbessert werden konnten.

Vorzugsweise sind die Festschmierstoffe PTFE und/oder Graphit.

Der Anteil an Festschmierstoffen bezogen auf das Gleitschichtmaterial beträgt vorzugsweise 16 bis 25 Gew.%.

Der PTFE-Anteil bezogen auf das Gleitschichtmaterial liegt vorzugsweise bei 16 bis 18 Gew.%, insbesondere bei 17 bis 17,5 Gew.%.

Der Graphitanteil bezogen auf das Gleitschichtmaterial beträgt vorzugsweise 1 bis 3 Gew.%, insbesondere 1,8 bis 2 Gew.%.

Das Verhältnis von PTFE zu Graphit liegt vorzugsweise bei 1:9.

Bevorzugte Verwendungen des Verbundmaterials sind für Passivbremsen, Azimutlager in Windkraftanlagen, Schiffsbau, insbesondere Ladelukendeckel, Ruderschaftslager, Ausdehnungslager für Expansionsrohre, Gelenklager, Baumaschinen, Leitapparat für Wasserturbinen, Kaplan-Naben, Regelringe, Anlaufscheiben, Eisen- und Straßenbahnanwendungen, z. B. Drehgestelle, Wankabstützungen sowie für den Automobilbau vorgesehen.

Das Verfahren zur Herstellung dieses Verbundmaterials für Gleitanwendungen sieht folgende Schritte vor:

– Herstellung eines Tragschichtprepregs, wobei ein Glasfasergewebe mit Epoxydharz getränkt und anschließend getrocknet wird,
– Herstellung eines Gleitschichtprepregs, wobei ein Polyestergewebe mit einem Gleitschichtmaterial aus Epoxydharz und Festschmierstoff getränkt wird,
– Verbinden mindestens einer Lage des Gleitschichtprepregs mit mindestens einer Lage des Tragschichtprepregs.

Vorzugsweise wird für die Herstellung des Gleitschichtprepregs ein Polyestergewebe mit 25 bis 30 Kettfäden und 14 bis 17 Schussfäden verwendet.

Vorzugsweise werden die Prepregs in Bahnen hergestellt.

Zur Herstellung von Platten wird vorzugsweise eine vorgegebene Anzahl von Zuschnitten der Prepregs unter Druck und Temperatur miteinander verbunden. Über die Anzahl der Zuschnitte und somit über die Anzahl der einzelnen Lagen sowohl des Tragschichtprepregs als auch insbesondere des Gleitschichtprepregs kann die Dicke der Platte und auch die Dicke der Gleitschicht je nach gewünschten Anforderungen gezielt eingestellt werden.

Die Dicke des Gleitschichtprepreg liegt vorzugsweise bei 0,1 bis 3 mm, vorzugsweise bei 0,1 bis 0,2 mm, insbesondere bei 0,15 mm, so dass die Dicke der Gleitschicht in diesen Abstufungen bis zu einer beliebigen Gleitschichtdicke hergestellt werden kann. Die Dicke der Gleitschicht ist vorzugsweise ≥0,5 mm.

Bei der Herstellung von Rohren wird zunächst eine vorgegebene Anzahl von Lagen des Tragschichtprepregs auf einen Dorn aufgewickelt und anschließend wird eine vorgegebene Anzahl von Lagen des Gleitschichtprepregs auf den Tragschichtprepreg aufgewickelt, wobei anschließend die Prepreglagen zusammen mit dem Dorn ausgehärtet werden. Anschließend wird der Dorn entfernt und die Rohre können beispielsweise zu Buchsen weiterverarbeitet werden.
Die Vorteile des Verbundmaterials liegen insbesondere auch in der geometrischen Variabilität des Werkstoffes. Mögliche Varianten sind daher z. B. Gleitplatten, Buchsen, Bundbuchsen oder auch Massivteile, die durch eine Folgebearbeitung zu aufwendigeren Teilen, wie z. B. Kugeln und konischen Teilen, bearbeitet werden können.
Im Fertigungsprozess gibt es keine Einschränkungen in Bezug auf wirtschaftliche Herstellbarkeit und geometrische Möglichkeiten, verschiedenste Dimensionen herzustellen. Das Verbundmaterial ist sowohl schraubbar als auch klebbar.
Um den Werkstoff bezüglich der tribologischen Eigenschaften zu charakterisieren, wurden Prüfstandsversuche auf den Prüfständen VR1, VRP1, VRS1 und VRU durchgeführt.
VR1 ist ein Prüfstand für Gleitplatten der Dimension 100 × 40 mm. Die maximale Belastung liegt bei 250.000 N. Die Temperatur liegt bei Raumtemperatur. Die Gleitgeschwindigkeit liegt bei maximal 0,07 m/s. Die maximale Lagerbelastung beträgt 50 MPa. Es wird eine oszillierende translatorische Bewegung ausgeführt.
Der Prüfstand VRP1 ist ein Buchsenprüfstand für Buchsen mit 70 bis 90 mm Durchmesser. Die maximale spezifische Lagerbelastung liegt bei 140 MPa. Die Versuche werden in einem Temperaturbereich von –20°C bis Raumtemperatur durchgeführt. Die Gleitbewegung ist eine oszillierende Rotationsbewegung. Die Gleitgeschwindigkeiten liegen bei 0,001 bis 0,01 m/s.
Der Prüfstand VRS1 ist ein Buchsenprüfstand zur Schwingungssimulation für Buchsen mit Abmessungen zwischen 100 und 120 mm Durchmesser. Die maximale Belastung liegt bei 900 kN. Die Versuchstemperatur liegt bei Raumtemperatur. Es wird eine oszillierende Rotationsbewegung durchgeführt. Die maximale Gleitgeschwindigkeit liegt bei 0,01 m/s.
Im Diagramm 1 ist der Reibungskoeffizient und die Verschleißrate als Funktion der Lagerbelastung dargestellt. Die Messungen wurden auf dem Prüfstand VR1 durchgeführt. Mit zunehmender Flächenpressung sinkt der Reibungskoeffizient ab, während die Verschleißrate ansteigt. Bei 100 MPa spezifischer Belastung wurde ein Reibungskoeffizient von 0,055 µm ermittelt. Die Verschleißrate betrug bei diesem Wert 233 µm/Rkm.
Im Diagramm 2 ist der Vergleich der tribologischen Eigenschaften im Trockenlauf und bei Benetzung mit Wasser in Abhängigkeit der spezifischen Belastung dargestellt. Die Zugabe von Wasser bewirkte nur eine geringe Erniedrigung des Reibwertes auf µ = 0,07 und eine Erhöhung auf 51 µm/Rkm.
Die Überprüfung von zylindrischen Buchsen hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften erfolgte auf dem Prüfstand VRP1. Die Buchsen hatten einen Innendurchmesser von 70 mm und eine Länge von 40 bzw. 50 mm. Das gewählte Laufspiel lag im Bereich von 120 µm bis zu 150 µm. Im Diagramm 3 sind der Reibungskoeffizient und die Verschleißrate als Funktion der spezifischen Belastung der Buchsen dargestellt.
Für die Versuche mit Gelenklagern wurde nur Gleitschichtmaterial verwendet. Die äußere Kugelfläche des Prüfstandes VRS1 bewegt sich in einer Aufnahme mit einer Aussparung. Dieser Gegenwerkstoff hat eine Härte von ca. 175 HB. Die Ergebnisse dieses Versuches sind im Diagramm 4 dargestellt, das den Vergleich der tribologischen Eigenschaften bei verschiedenen spezifischen Belastungen zeigt.
Die Ergebnisse zeigen, dass der erfindungsgemäße Werkstoff mit bis zu 100 MPa spezifischer Belastung beaufschlagt werden kann. Bei geringen Flächenpressungen findet man relativ hohe Reibwerte im Bereich von 0,25 µ, die mit zunehmender Belastung auf bis zu 0,08 µ sinken. Im Gegenzug dazu steigt die Verschleißrate von 12 µm/Rkm bei 10 MPa auf 81 µm/Rkm bei 100 MPa spezifischer Belastungen.
Der Temperatureinsatzbereich von –80°C bis 120°C ist nur abhängig vom verwendeten Epoxydharztyp. Es handelt sich vorzugsweise um ein bei hohen Temperaturen aushärtendes Epoxydharz. Insbesondere die Versuche mit Gelenklagern auf dem Prüfstand VRS1 zeigen deutlich die Leistungsfähigkeit des Werkstoffes.

Claims

Verbundmaterial für Gleitanwendungen aus einer glasfaserverstärkten Epoxydharztragschicht und einer darauf aufgebrachten Gleitschicht, die ein Gleitschichtmaterial aus Epoxydharz und Festschmierstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht aus mindestens einer Lage aus mit Gleitschichtmaterial getränktem Polyestergewebe besteht.
Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyestergewebe 20 bis 30 Kettfäden und 10 bis 17 Schussfäden aufweist.
Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffe PTFE und/oder Graphit sind.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Festschmierstoffen bezogen auf das Gleitschichtmaterial 16 bis 25 Gew.% beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der PTFE-Anteil bezogen auf das gesamte Gleitschichtmaterial 16 bis 18 Gew.% beträgt.
Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil bezogen auf das Gesamtgleitschichtmaterial 1 bis 3 Gew.% beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials für Gleitanwendungen mit folgenden Schritten: – Herstellung eines Tragschichtprepregs, wobei ein Glasfasergewebe mit Epoxydharz getränkt und getrocknet wird, – Herstellung eines Gleitschichtprepregs, wobei ein Polyestergewebe mit einem Gleitschichtmaterial aus Epoxydharz und Festschmierstoff getränkt wird, – Verbinden mindestens einer Lage des Gleitschichtprepregs mit mindestens einer Lage des Tragschichtprepregs.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polyestergewebe mit 25 bis 30 Kettfäden und 14 bis 17 Schussfäden verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prepregs in Bahnen hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Platten eine vorgegebene Anzahl von Zuschnitten der Prepregs unter Druck und Temperatur miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Rohren eine vorgegebene Anzahl von Lagen des Tragschichtprepregs auf einen Dorn aufgewickelt wird, dass anschließend eine vorgegebene Anzahl von Lagen des Gleitschichtprepregs auf den Tragschichtprepreg aufgewickelt wird und dass die Prepreglagen auf dem Dorn ausgehärtet werden.