DE1926926A1

DE1926926A1 - Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen selbstschmierenden Lagerwerkstoffen

Info

Publication number: DE1926926A1
Application number: DE19691926926
Authority: DE
Inventors: L Ostrowski
Original assignee: Dow Corning Corp
Current assignee: Dow Silicones Corp
Priority date: 1968-05-27
Filing date: 1969-05-27
Publication date: 1969-12-04
Also published as: FR2009368A1; BR6906498D0; NL6908050A; BE733545A

Description

Dow Corning Corporation, Midland, Michigan, V.St.A.

Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffhaltigen selbstschmierenden Lagerwerkstoffen

Zusammenfassung

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von selbstschmierenden Lagern beschrieben, bei dem eine Mischung aus organischem Polynierharz und feinteiligem selbstschmierendem Füllstoff geformt und das geformte Gebilde gebrannt wird. Die selbstschmierenden Füllstoffe, zum Beispiel Molybdändisulfid, machen 50 bis 97 Gew.-# der Mischung aus. Zusätzlich können verstärkende Füllstoffe vorhanden sein.

Die Erfindung bezieht sich auf Lager und betrifft insbesondere Verfahren zur Herstellung von selbstschmierend en Lagern, die feste schmierende Füllstoffteilchen enthalten. .. ·

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.Es sind bereits verschiedene Arten von selbstschmierenden Lagern in Gehrauch. Solche lager enthalten beispielsweise Stoffe wie Nylon, Metalle, gesinterte Kohlenstoffteilchen, und auch Harzmassen, in denen schmierende Füllstoffteilchen, zürn Beispiel Graphit oder Kolybdändisulfid, eingebettet sind.

selbstschmierende Füllstoff teilchen enthalten. Um diese Lager zu erzeugen, wird eine Mischung aus (1). .3 "bis 50 Gew.-^ό eines organischen Phenolharzes, Pbosphonitrilchloridharzes, I-lelaminharzes, Epoxyharzes oder Allylpolyesterharzes, (2) 0 bis 30 Gew.-50 eines verstärkenden Füllstoffs und (3) 97-50 Gew.-70 eines feinteiligen festen selbstscbn;ierenden Stoffs mit solcher Manne be ständigkeit, daß er eine Erwärmung auf Tempera,türen von wenigstens 300 ⁰G ausbält, geformt. OIe geformte Mischung wird auf eine Temperatur über 300 °C erwärmt, bis das. organisehe Kars pyrolysiert ist, wodurch eine kohlenstoffhaltige kerarnikartige !"lasse erhalten wird. Sie erhaltene Struktur ist bei hohen Temperaturen beständig und wird selbst unter extremer Belastung nur wenig deformiert. Sobald die Pyrolyse erfolgt ist, besteht keine Gefahr mehr, daß bei hohen Temperaturen. Gase entstehen. La die pyiolysierte Ilasse eine hohe festigkeit aufweist, kann die Lagerstruktur im Vergleich su bekannten Anordnungen mit verhältnismäßig dünnen Querschnitten hergestellt v/erden, .wodurch der Raumbedarf sowie der "Wärmestau verringert worden.

L-irfinaung3gei!.ä3 wird ein kohlenstoffhaltiger keramischer. Gegenstand uit der Porin des gewünschten. Lagers erzeugt. Der Jegriff ''kerasiikartig" , der hierin verwendet wird, soll jede starre Struktur, die durch Pyrolyse erhalten wird, bezeichnen. Bui der Definition, des Segriffs "kera&iseb" wird.von einigen Autoren gefordert, da3 eine Phasenänderung der betreffenden Stoffe stattfindet. Pur die erfindungsgeuäßen Zwecke ist dies jedoch nicht wesent lich.

3vf ind.ungsgei:.M3 wird eine Xi se hung aus (1) 3 bis 50 Gew. -ή organische-1· wäi^ehärtender Harze, (2) 0 bis 30 Gew.-5«

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BABORlGiNAL

verstärkender Füllstoffe, die entweder teilcnenförmig .oder faserförmig sein können, und (3) .97 "bis 50 Gewa-$ selbstschmierender Stoffe geformt und dann auf eine Temperatur über
pyrolysiert ist.«

Temperatur über 300 ⁰C erwärmt, Ms das organische Harz

Die Mischung ka.nn beispielsweise durch Formpreßverfahren, zum Beispiel durch Heißformpressen, Preßspritzen, Trockenpulverpressen, Spritzgießen, Strangpressen oder, was im allgemeinen weniger zweckmäßig ist, durch Beschichten; eines Stützteils geformt werden«. Besonders bei formgepreßten Gebilden ist es zweckmäßig, wenn das Harz in der Form zu einem festen Gebilde gehärtet werden ka.nn, so daßes aus der Form durch Brennen entfernt werden kann. Bei einigen Harzen sind dazu selbstvex^ständlich Härtungs^ katalysatoren erforderlich. Dadurch, daß der geformte Gegenstand gehärtet wird, bevor er aus der Form entnommen wird, kann er leicht gehandhabt werden«, Mischungen mit sehr hohem Füllstoffgehalt können selbst in ungehärtetem Zustand vor dem Brennen aus der Form entnommen werden, jedoch muß darauf geachtet werden, daß eine Verformung solcher Gebilde vermieden wird. Der Zusatz von Füllstoffen aus der oben mit (2) bezeichneten Gruppe, zum Beispiel von Asbest oder Siliciumcarbid, und von selbstschmierend en Stoffen wie Kohle oder Graphit in Faserform , verleiht der erzeugten Lagerstruktur sowohl in unpyrolysierten als auch im pyrolysierten Zustand zusätzliche Festigkeit» " " . . .-....,

Wärmehärtende organische Harze sind allgemein für die. erfindungsgemäßen Zwecke geeignet, bevorzugt werden jedoch Phenolharze." Als geeignet haben sich ferner Phosphonitrilchioridharze, Melaminharze, Epoxyharze und AlIyI-polyesterharze erwiesen.

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ORIGINAL INSPECTED

Zu den verstärkenden Füllstoffen, die für die erfindungsgemäßen Zwecke brauchbar sind, gehören beispielsweise Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium, Kupfer, Bronze, Talkum, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Kohle, Zirkoniumsilicat, Glimmer, Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat, Boroxid, Asbest, Magnesiumsilicat, Aluminiumsilicate Calciumsilicat, Lithiumaluminiuiasilicat, Magnesiumoxid und Thoriumoxid.

Wenigstens 25 i° der selbstschmierenden Stoffe in der geformten Mischung nach der Erfindung sollen aus Graphit, Bornitrid und Sulfiden, Seleniden oder Teluriden -von Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob oder Thorium bestehen. Die übrigen Mengen an festen Schmierstoffen sollen aus festen Schmierzusätzen aus Calciumfluorid, Zinkoxid, Kaliumtitanat, Zinksulfid oder Antimontrioxid bestehen. Vorzugsweise soll die Menge an selbstschmierenden Stoffen aus der ersten Gruppe wenigstens 50 io der Gesamtmenge an festen Schmierstoffen in der Mischung ausmachen.

Als untere Grenze für die Pyrolyse des organischen Harzes wurde zwar 300 ⁰C angegeben, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß höhere Temperaturen angewandt werden können, sofern sich die selbstschmierenden Füllstoffe bei den angewandten Temperaturen nicht zersetzen. Die Pyrolyse muß in einer nichtoxydierenden Atmosphäre, zum Beispiel aus Helium, Stickstoff oder Argon, durchgeführt werden, . um Oxydationen auf ein Minimum zu beschränken. Übermäßige Mengen Sauerstoff in dem System führen in vielen .Fällen zu weichen oder rissigen pyrolysierten Massen. Wegen der .,langen Zeiten, die für eine Pyrolyse bei 300 ⁰C erforder lich sind, werden Brenntemperatüren über 500 ⁰C bevorzugt.

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Es wird solange erwärmt,.bis keine Gewichtsverluste mehr festgestellt werden, woraus sich ergibt, daß alle flüchtigen Stoffe abgetrieben sind und eine praktisch vollständige Pyrolyse stattgefunden hat. Zu diesem Zeitpunkt wird die Struktur durch ein verkohltes Bindemittel zusammengehalten. Es wird angenommen, daß der noch vorhandene ■ Kohlenstoff hauptsächlich in Ringstrukturen vorliegt, wodurch sich in gewissem Ausmaß eine Verzahnung mit dem Füllstoff ergibt. Der Zusatz von verstärkenden Füllstoffen verleiht der pyrolysierten Struktur zusätzliche Zug- , festigkeit. Im allgemeinen werden jedoch durch Zusatz solcher Füllstoffe die Schmierexgenschaften des fertigen Gegenstands etwas beeinträchtigt, v/eshalb solche Zusätze im Hinblick auf die erforderliche Festigkeit gering gehalten werden sollen. Wie erwähnt, wurde gefunden, daß befriedigende Produkte mit Preßlingen erhalten werden, die bis zu 30 Gew.-^ verstärkende Füllstoffe, bezogen auf das Gewicht der ungebrannten Mischung, enthalten. Vorzugsweise soll die Menge an nichtschmierenden verstärkenden Füllstoffen unter etwa 20 $ liegen. Für die meisten Anwendungsfälle soll die Menge der Stoffe, die aus der Gruppe der Schmierzusätze stammen, d. h. Calciumfluorid, Kaliumtitanat, Zinkoxid, Zinksulfid und Antimontrioxid, die Menge an festen Schmierstoffen aus der ersten Gruppe nicht überschreiten, um zu vermeiden, daß die Schmiereigenschaften der Masse ernsthaft beeinträchtigt werden.

Außer den verschiedenen Harzen, bekannten Katalysatoren und den oben genannten Füllstoffen können bei Bedarf auch andere Bestandteile in der Mischung zur leichteren Handhabung verwendet werden. Beispielsweise können der Mischung Härtungsbeschleuniger und Formtrennmittel, zum

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Beispiel Metallstearate und Wachse, zugesetzt werden. Calciumstearat und Zinkstearat werden als Entfornungsmittel bevorzugt. " ' '

Die Erfindung wird zwar hierin anhand von"Lagern erläutert, es wird jedoch darauf hingewiesen-, daß "die Änwen-' dung der Erfindung nicht nur auf'Anordnungen zur Lagerung von rotierenden oder gleitenden Maschinenteilen beschränkt ist, sondern auch beliebige andere Anwendungsfälle umfaßt, in denen zwei Teile relativ zueinander bewegt werden müssen. Ein Beispiel für solche Anwendungsgebiete sind Kolbenringe. ■■■■'■" I

Durch die folgenden Beispiele, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen, wird die Erfindung näher erläutert.- '"

' 'Beispiel· 1 ' "-"-'"*■

20 Gewichtsteile Phenolharz werden mit 39»5 Gewichts-· teilen feinteiligem Molybdändisulfid, 3915'Gewiehtsteilen feinteiligem^;Zinksulfid und 1 Gewichtsteil Zinkstearat vermischt. Nach·guter Vermischung werden Testproben . ■ heißgepreßt, bis das Harz gehärtet ist."Die gehärteten Proben werden in Argon^:17 Stunden bei 1113 ⁰G gebrannt "- und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. ■· - · ■

Die Proben werden gewogen, erneut erhitzt und dann wieder gewogen. Es wird kein Gewichtsverlust festgestellt, was darauf· hinweist, · daß' während d-es -Brenrvzyklüs. eine Pyro- . lyse des -Harzes⁴ stattgefunden hat uhd'daß in der,;Masse.. ;■-. keine flüeh'tigen Stoffe -mehr enthalten-·sind,: -.- ·. . . ..=

9 0 9 8 U 9 / 1 3 2 7 ' OR/g/nal WSPected

Die Proben- werden in dem Alpha LFW-1.-Testgerät (USA-Patentschrift 3 028 746) unter Belastung von 40,8 kg/cm geprüft. Bei 200 BpM (21,9 m/Minute Gleitkontakt) wird der Reibungskoeffizient mit 0,0889 gemessen. DIe Temperatur des Gleichgewichtszustands beträgt 721 ⁰G und der Verschleiß 793,8 χ 10 ~⁹cm/m Gleitkontakt. Bei 8Ό0 UpM (87,6 m/Minute) sinkt der Reibungskoeffizient auf 0,0356, die Temperatur steigt auf 100 ⁰C und der Verschleiß fällt auf 6204,9 x 10"⁹ cm/m. Bei 1200 UpM (131,4 m/Minute) beträgt der Reibungskoeffizient 0,0267 und die Temperatur 121 ⁰C,und der Verschleiß sinkt auf 98,3 .10"" cm/m Gleitkontakt. Die Proben werden dann mit steigender Belastung bei 1200 UpM mit folgenden in Tabelle I angegebenen Ergebnissen getestet. ,■

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- ' ORSGlNAL

Tabelle I

Belastung (kg/cm )

Reibungskoeffizient

'S emv. ⁰G

Verschleiß χ 10

-9

cm

co .

Or-CO

54,4

68,1

81,5

95,3

109,0

122,5

0,0250^

0,0200

0,0194

0,01 72 ;

0,0158

0,0159

128'
133^C
H3^C
156^C
166^C

146,6

89,1
191,6
264,1
149,1
585,6

CO

.ro

O) CD

ro

CD

Zu Vergleichszwecken wird eim ungebrannte Probe des gleichen Ansatzes bei einer Belas'tung von 40,8 kg getestet. Der Reibungskoeffizient wird bei 800 UpM mit 0,0556 und bei 1200 UpM mit 0,0472 gemessen, was fast dem zweifachen Wert des an den gebrannten Proben gemessenen Reibungskoeffizienten entspricht.

Beispiel

Eine Mischung aus 20 Gewichtsteilen Phosphonitrilchloridharz, 1 Gewichtsteil (bezogen auf Harz) Hexamethylentetramin, 39,5 Gewichtsteilen Molybdändisulfid, 39,5 Gewichtsteilen Zinksulfid und 1 Gewichtsteil Zinkstearat. wird formgepreßt und dann 17 Stunden in Argon bei 1113 °C gebrannt .

Prüfungen auf Reibung und Verschleiß werden mit dem Alpha-IFW-1-Testgerät bei 40,8 kg/cm Druck durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt.

	Tabelle II	Temp. ⁰C ■	Verschleiß x 10~" cm/m
Geschwindigkeit UpM	Reibungs koeffizient	85° 105° 132°	144,1 167,4 384,8
200 800 ^; 1200	0,1411 . 0,0734 0,0500

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Zu Vergl eichs zwe cken wird auch eine ungebrannte Probe getestet. Bei 200 UpM werden ähnliche Ergebnisse erhalten wie mit den gebrannten Proben. Bei 800 UpM trat Pressen und Schleifen auf, und die Drehung "erfolgte ungleichmäßig und willkürlich.

Beispiel

Eine ähnliche Mischung wie in Beispiel 2, die jedoch 20, Gewichts teile Melaminharz (Monsanto Resimene 817.) statt; des Phosponitrilchloridharzes und kein Hexamethylentetramin enthält, wird formgepreßt und dann 16 Stunden· in Argon bei 1113 ⁰C gebrannt.

Mit dem Alpha-LFW-1-Testgerät werden Tests bei 40,8 kg/

2
cm Druck durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle

III angegeben.

	Tabelle III	Temp. ⁰C	Verschleiß x 10 cm/m
Geschwindigkeit - UpM,	Reibungskoef fizient	66°	305,7 ...
• 200	"■-.; 0,0557	113°	899,6
800	- 0,0256

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Beispiel 4

Eine Mischung aus 20 Teilen hydroxylhaltigern Epoxyharz (Dow Epoxy Fövolac 2174.1), 2 Gewichtsteilen (bezogen auf das Harz) liethylendianilin, 9 Gewichtsteilen (bezogen auf das Harz) Dicyandiamid, 2 Gewichtsteilen (bezogen auf das Harz) Benzyldimethylaminbrenzcatechinat, 39,5 Gewichtsteilen Molybdändisulfid, 39,5 Gewichtsteilen Zinksulfid und 1 Gewichtsteil Calciumstearat"wird formgepreßt und dann 16 Stunden in Argon bei 1113 ⁰O gebrannt.

Mit dem Alpha-LFW-1-Testgerät wird bei einer Belastung , von 40,8 kg/cm der !Reibungskoeffizient bei 200 UpM mit 0,0933 und bei 800 UpM mit 0,0556 -gemessen. Die Gleichgewichts temperature^ bei diesen Geschwindigkeiten werden mit 52 ⁰C bzw. 96 ⁰C bestimmt.

Beispiel

w Wenn nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 anstelle des Phenolharzes jeweils 3isphenol-A-Epoxyharz, Diallylphthalatharz (PMC Dapon 35) und Diallylisophthalatharz (JKC Dapon K) verwendet und 3 Gewichtsteile (bezogen auf das Harz) Dicumylperoxid als Härtungsmittel zugesetzt werden, werden vergleichbare Ergebnisse wie in den vorstehenden Beispielen erhalten.

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Beispiel 6

Wenn der Harzgehalt der in den Beispielen 1 bis 5 "beschriebenen Mischungen zwischen 3 und 50 $ geändert wird, werden ähnliche Ergebnisse wie in diesen Beispielen erzielt.

Beispiel 7 ' -

Wenn das in den vorstehenden Beispielen verwendete Zink sulfid durch Molybdändisulfid, Calciumfluorid oder Anti montrioxid oder Mischungen daraus ersetzt wird, werden vergleichbare Ergebnisse erhalten.

Beispiel 8

Wenn anstelle des in Beispiel 1 angegebenen Molybdändisulfids Wolframdisulfid, Bornitrid, Graphit.oder MolyMändisulfid verwendet werden, werden analoge Ergebnisse wie in diesem Beispiel erhalten.

Beispiel

Wenn Kupfer, Bronze, Siliciumcarbid, Wolframcarbid", Zirkoniumsilicat, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium, Glimmer, Kaliumcarbonat, Asbest, Magnesiumsilicat, AIuminiumsilicat, Magnesiumoxid oder Thoriumoxid in Mengen bis zu 30 Gew.-$ anstelle des in Beispiel 1 angegebenen Zinksulfids verwendet werden, werden analoge,Ergebnisse erhalten.

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Claims

Patentansprüche

Iy Verfahren zur Herstellung von selbstschmierenden Lagern für bewegliche mechanische Teile, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung aus (1) 3 bis 50 Gew.-9& eines organischen Phenolharzes, Phosphonitrilehloridharzes, Melaminharzes, Epoxyharzes oder Allylpolyesterharzes, (2) 0 bis 30 Gew.-# eines teilchenförmigen Füll-φ stoffs, der aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminium, Kupfer, Bronze, Talkum, Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Zirkoniumsilicat, Glimmer, Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat", Boroxid, Asbest, Magnesiumsilieat, Aluminiumsilicat, Calciumsilicat, Lithiumaluminiumsilicat, Magnesiumoxid oder Thoriumoxid bestehen kann, und (3) 97 bis 50 Gew.-jS eines selbstschmierenden Füllstoffs in feinteiliger Form zu der gewünschten Lagerkonfiguration formt und das Harz durch Erwärmen der geformten Mischung in einer nicht- oxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur über 300 C pyrolysiert.

■ 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man der Mischung 0,5 bis 2,5 Gew.-$> eines Entformungsmittels zusetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Formen durchführt, indem man die Mischung in eine Form bringt, die geformte Mischung zu einer starren Masse härtet und die geformte Mischung vor Durchführung der Heizstufe aus der Form entnimmt..

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man der Mischung 10 bis 25 Gew.-?S des organischen Harzes zusetzt.

5- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekerinr lehnet, daß man eine Mischung verwendet, die im wesentlichen aus dem organischen Harz, aus Molybdändisulfid und aus Zinksulfid besteht .'-''■

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß f man als selbstschmierend^ Füllstoffe einen oder mehrere der Stoffe Graphit, Bornitrid, Calciumfluorid, Zinkoxid , Zinksulf id , Kaliumtitanat, Antimontrioxid und der Sulfide, Selenide oder Teluride von Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob oder Thorium verwendet und dabei die Stoffe Calciumfluorid, Zinkoxid, Zinksulfid, Kaliumtitanat oder Antimontrioxid in einer Menge von nicht mehr als 50 # des Gesamtgewichts der selbstschmierenden Füllstoffe zusetzt.

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