DE102005036690A1 - Composite material consists of a glass fibre reinforced epoxy resin carrier layer, and a gliding layer on top - Google Patents
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Abstract
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.The The invention relates to a composite material for sliding applications glass fiber reinforced epoxy resin base coat and a slip layer applied thereto, which is a sliding layer material made of epoxy resin and solid lubricant. The invention relates also on a manufacturing process.
Mit derartigen wartungsfreien, selbstschmierenden Hochleistungsgleitwerkstoffen lassen sich Gleitlagerkonzepte verwirklichen, die über längere Zeiträume betriebssicher arbeiten.With Such maintenance-free, self-lubricating high-performance sliding materials can be realized slide bearing concepts that are reliable over long periods of time work.
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.These Composites are used in applications with high, long-lasting static and dynamic load for use, in relatively low sliding speeds, with rotating, angular, axial or linear motion, e.g. then, if a conventional one Lubrication not possible or not allowed or other requirements in terms of wear resistance, resistance against operational and environmental influences as well as special items etc. are available.
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.A known composite material which is sold under the brand name devatex ®, is a self-lubricating, glass fiber reinforced composite material, which is manufactured in a special winding technology. The base layer provides high strength, while the overlay contains special nonabrasive fibers and solid lubricants that provide excellent tribological properties even in humid environments with possible edge pressure. The solid lubricants stored in them also ensure extremely low friction values and wear rates in dry running.
Als Anwendungen dieser Verbundmaterialien kommen Ladeluken, Regelringe für Wasserturbinen oder Stirnplatten bei Windkraftanlagen in Frage.When Applications of these composite materials come hatch, control rings for water turbines or end plates in wind turbines in question.
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.The Sliding layer usually has a thickness of about 0.5 to 2 mm. The application of the liquid sliding layer material requires framework with the desired Dimensions that are placed on the base course material. This Method is relatively expensive, because for each size of the plates to be produced or slices corresponding frames must be kept.
Es ist auch wünschenswert, die Gleitschicht in beliebigen Dicken herstellen zu können, um höhere Lebensdauern durch größere Verschleißschichtdicken zu erzielen.It is also desirable be able to produce the sliding layer in any thickness, in order higher Lifetimes due to greater wear layer thicknesses to achieve.
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.task The invention therefore is to develop this composite material in such a way, that any sliding layer thicknesses are adjustable. Also should the Production of the composite material in different dimensions be possible in a simple way.
Diese Aufgabe wird mit einem Verbundmaterial gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gleitschicht aus mindestens einer Lage aus mit Gleitschichtmaterial getränktem Polyestergewebe besteht.These Task is solved with a composite material, which characterized is that the sliding layer of at least one layer of sliding layer material soaked Polyester fabric exists.
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.The Use of a polyester fabric for the sliding layer has the Advantage that the overlay can be prefabricated by webs be soaked in polyester fabric with the sliding layer material. This web-shaped Sliding layers can according to the size, for example the plate to be produced, cut and then opened the glass fiber reinforced Base layer to be applied by the webs or blanks be applied and pressed. There is thus the possibility To put one or more of these layers on each other, so the desired sliding layer thickness to achieve. Sliding layer thicknesses of up to 100 mm are easy produced. Polyester fabric also has the advantage of being not abrasive.
Das Polyestergewebe beeinflusst nicht die Eigenschaften der Gleitschicht und dient lediglich als Trägermaterial zur vereinfachten Herstellung der Gleitschichten.The Polyester fabric does not affect the properties of the overlay and serves only as a carrier material for simplified production of the sliding layers.
Das Epoxydharz der Gleitschicht kann mit dem Epoxydharz der Tragschicht identisch sein. Es gibt aber auch die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien hierfür zu verwenden.The Epoxy resin of the sliding layer can with the epoxy resin of the base layer be identical. But there is also the possibility of different Materials for this to use.
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.Preferably The polyester fabric has 20 to 30 warp threads and 10 to 17 weft threads. Especially are 25 to 30 warp threads, in particular 25 warp threads, and 14 to 17 weft threads, in particular 14 weft threads, prefers. It has been shown that because of the different Number of warp threads and wefts the tribological and mechanical properties of the composite material across from the composites of the prior art can be improved could.
Vorzugsweise sind die Festschmierstoffe PTFE und/oder Graphit.Preferably are the solid lubricants PTFE and / or graphite.
Der Anteil an Festschmierstoffen bezogen auf das Gleitschichtmaterial beträgt vorzugsweise 16 bis 25 Gew.%.Of the Proportion of solid lubricants based on the sliding layer material is preferably 16 to 25 wt.%.
Der PTFE-Anteil bezogen auf das Gleitschichtmaterial liegt vorzugsweise bei 16 bis 18 Gew.%, insbesondere bei 17 bis 17,5 Gew.%.The PTFE content based on the sliding layer material is preferably 16 to 18 wt.%, In particular 17 to 17.5 wt.%.
Der Graphitanteil bezogen auf das Gleitschichtmaterial beträgt vorzugsweise 1 bis 3 Gew.%, insbesondere 1,8 bis 2 Gew.%.Of the Graphite content based on the sliding layer material is preferably 1 to 3 wt.%, In particular 1.8 to 2 wt.%.
Das Verhältnis von PTFE zu Graphit liegt vorzugsweise bei 1:9.The relationship from PTFE to graphite is preferably 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.preferred Uses of the composite material are for passive brakes, azimuth bearings in wind turbines, shipbuilding, in particular hatch covers, rudder stockyards, Expansion bearing for expansion tubes, Spherical plain bearings, construction machinery, water turbine nozzles, Kaplan hubs, Control rings, thrust washers, iron and tram applications, eg. Bogies, Rolling supports as well for the Automobile construction provided.
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.
- - Production of a base layer prepreg, wherein a glass fiber fabric is impregnated with epoxy resin and then dried,
- - production of a sliding layer prepreg, wherein a polyester fabric is impregnated with a sliding layer material of epoxy resin and solid lubricant,
- - Connecting at least one layer of the Gleitschichtprepregs with at least one layer of Tragschichtprepregs.
Vorzugsweise wird für die Herstellung des Gleitschichtprepregs ein Polyestergewebe mit 25 bis 30 Kettfäden und 14 bis 17 Schussfäden verwendet.Preferably is for the production of the Gleitschichtprepregs a polyester fabric with 25 to 30 warp threads and 14 to 17 wefts used.
Vorzugsweise werden die Prepregs in Bahnen hergestellt.Preferably The prepregs are produced in webs.
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.to Production of plates is preferably a predetermined number blanks of prepregs under pressure and temperature. About the Number of blanks and thus over the number of individual layers of both the Tragschichtprepregs as In particular, the Gleitschichtprepregs can the thickness of the plate and also the thickness of the sliding layer depending on the desired requirements be set.
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.The Thickness of the sliding layer prepreg is preferably 0.1 to 3 mm, preferably at 0.1 to 0.2 mm, in particular at 0.15 mm, so that the thickness of the sliding layer in these gradations up to any Sliding layer thickness can be produced. The thickness of the sliding layer is preferably ≥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.at The production of pipes is initially a predetermined number of layers of Tragschichtprepregs wound on a mandrel and subsequently becomes a predetermined number of layers of the sliding layer prepreg wound on the Tragschichtprepreg, followed by the Prepregs are cured together with the mandrel. Subsequently, will The mandrel is removed and the tubes can, for example, be sockets be further processed.
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.The Advantages of the composite material are especially in the geometric variability of the material. Possible Variants are therefore z. As sliding plates, bushes, flanged bushes or also solid parts, which through a subsequent processing to elaborate Share, such. As balls and conical parts are processed can.
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.in the Manufacturing process, there are no restrictions in terms of economic Manufacturability and geometric possibilities, various To produce dimensions. The composite material is both screwable as well as stickable.
Um den Werkstoff bezüglich der tribologischen Eigenschaften zu charakterisieren, wurden Prüfstandsversuche auf den Prüfständen VR1, VRP1, VRS1 und VRU durchgeführt.Around the material regarding To characterize the tribological properties were test bench tests on the test stands VR1, VRP1, VRS1 and VRU performed.
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.VR1 is a test bench for sliding plates the dimension 100 × 40 mm. The maximum load is 250,000 N. The temperature is at room temperature. The sliding speed is a maximum of 0.07 m / s. The maximum bearing load is 50 MPa. An oscillating translatory movement is carried out.
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.Of the test bench VRP1 is a socket tester for sockets with 70 to 90 mm diameter. The maximum specific bearing load is 140 MPa. The experiments are in a temperature range from -20 ° C to room temperature carried out. The sliding movement is an oscillating rotational movement. The Sliding speeds are from 0.001 to 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.Of the test bench VRS1 is a socket tester for vibration simulation for Sockets with dimensions between 100 and 120 mm in diameter. The maximum load is 900 kN. The test temperature is at room temperature. It becomes an oscillating rotational movement carried out. The maximum sliding speed is 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.In Diagram 1, the friction coefficient and the wear rate are a function of the bearing load represented. The measurements were carried out on the VR1 test stand. With increasing surface pressure, the coefficient of friction decreases, while the wear rate increases. At 100 MPa specific load, a friction coefficient of 0.055 μm was determined. The wear rate at this value was 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.in the Diagram 2 is the comparison of the tribological properties in Dry running and wetting with water depending on the specific load shown. The addition of water caused only a slight reduction of the coefficient of friction on μ = 0.07 and an increase to 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.The review of cylindrical bushings in terms of tribological properties was put to the test VRP1. The bushings had an inside diameter of 70 mm and a Length of 40 or 50 mm. The chosen one Running play was in the range of 120 microns to 150 microns. In the diagram 3, the friction coefficient and wear rate are a function of the specific Loading the sockets shown.
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.For the experiments with plain bearings only sliding layer material was used. The outer spherical surface of the test stand VRS1 moves in a receptacle with a recess. This Mating material has a hardness from about 175 HB. The results of this experiment are in the diagram 4, which compares the tribological properties at shows different specific loads.
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.The Results show that the material of the invention with up to 100 MPa specific load can be applied. At low surface pressures one finds relatively high coefficients of friction in the range of 0.25 μ, with increasing load down to 0.08 μ. In return, it rises the wear rate of 12 μm / Rkm at 10 MPa to 81 μm / Rkm at 100 MPa of specific loads.
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.Of the Temperature range from -80 ° C to 120 ° C is only dependent of the type of epoxy resin used. It is preferably a curing at high temperatures Epoxy resin. In particular, the tests with spherical bearings on the test bench VRS1 clearly show the performance of the material.
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