DE2321877C3 - Werkstoff mit niedrigem Reibbeiwert - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkstoff mit niedrigem Reibbeiwert, insbesondere Gleitwerkstoff aus einem temperaturbeständigen Polyimid-Werkstoff und 5 bis 95 Gew.-% Festschmierstoffen einer Korngröße bis zu 500 Mikron.

Für die Anwendung als Gleitwerkstoffe sind verschiedene Chemiewerkstoffe als Thermo- und Duroplaste bekannt. Diese Werkstoffe weisen jedoch entweder einen sehr großen Reibbeiwert, eine nur geringe Temperaturbeständigkeit oder eine relativ schlechte Belastbarkeit auf, was ihrer Verwendung vielfach eine Grenze setzt.

Neuere entwickelte Chemiewerkstoffe haben zwar die für Gleitwerkstoff erforderliche größere Eigenfestigkeit sowie die ebenfalls erforderliche höhere Temperaturbeständigkeit, sind aber mit dem Nachteil eines ziemlich großen Reibbeiwertes behaftet. Bei diesen temperaturbeständigeren Chemiewerkstoffen handelt es sich um Werkstoffe aus der Gruppe der Polyimide, bei denen sich deren schwieriger Verarbeitungsgrad auch noch nachteilig auf eine wirtschaftliche Vorarbeit- -₎₀ barkeit auswirkt, weswegen bisher eine wirtschaftliche Nutzung dieser Werkstoff bei der Serienherstellung für Gleitwerkstoffe nicht erfolgen konnte.

Es ist weiter bekannt, daß man versuchte, durch eine einfache Beigabe von Festschmierstoffen, wie z. B. -,5 Graphit oder M0S2, in feinstverteilter Form die Laufeigenschaften dieser Werkstoffe zu verbessern. Die hierbei erzielten Ergebnisse führten jedoch nicht zu den angestrebten Verbesserungen, die als Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Einsatz solcher Stoffe _6C a|s GleitwerkstofTe erforderlich sind. Die gewünschte Verbesserung dieser Chemiewerkstoffe blieb den bisher bekannten Verfahren deswegen versagt, weil die Aktivität der Festschmierstoffe infolge deren vollkommener Einkapselung in den Grundwerkstoff zu- _b5 mindest teilweise beseitigt wird.

Die Dfc-OS 20 00 885 befaßt sich u. a. mit einem Polyimid-Werkstoff. der Festschmierstoffe in feinster Verteilung enthält, deren Körnung im Bereich von 1 bis 5000 Mikron, vorzugsweise zwischen 10 und 500 Mikron liegt. Als geeignete Festschmierstoffe werden PbS, MoS₂, Bornitrid und Graphit genannt Graphit soll insbesondere nach den Beispielen in einer Körnung zwischen 1 und II Mikron in dem Polyimid-Werkstoff eingesetzt werden, der allerdings nur unbefriedigende Reibungskoeffizienten zeigt

In »British Plastics«, 1968, S. 69-72, wird zwar ebenfalls ein Polyimid-Werkstoffbeschrieben, der 15 Gew.-% und mehr Graphit als Füllstoff und damit wohl auch als Festschmierstoff enthält Jedoch wird für den Festschmierstoff keine bestimmte Körnung angegeben.

Auch in »Piastikverarbeiter«, 1970, Heft 8, S. 758, der BE-PS 6 64078 sowie der FR-PS 13 50946 werden übliche Polyimid-Werkstoffe beschrieben, die die obenerwähnten Nachteile aufweisen.

Im Chem. Zentralblatt, 1965, Heft 46, Ref. 2966, wird ein Material für Gleitflächen beschrieben, das aus einem Elastomerengemisch mit einem Gehalt an Festschmierstoffen besteht Ein derartiges Material ist jedoch im !!inblick auf seine thermische Belastbarkeit Polyimid-Materialien unterlegen, da es bereits bei Temperaturen von ca. 150°C bis 200°C merkliche Zersetzungserscheinigungen zeigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff der vorgenannten Gattung zu schaffen, der insbesondere verbesserte Reibeigenschaften, wie einen verbesserten Reibbeiwert aufweist, ohne daß die Druckfestigkeit und die Härte abnehmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Polyimid-Werkstoff 15 bis 80 Gew.-% organische und/oder anorganische Festschmierstoffe einer Korngröße von 30 bis 500 Mikron und zusätzlich 3 bis 5 Gew.-% Festschmierstoffe einer Korngröße kleiner 10 Mikron enthält

Besonders gute Ergebnisse werden mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff erzielt, wenn die Festschmierstoffe in einem Korngrößenbereich von 40 bis 300 Mikron liegen.

Als Festschmierstoffe werden in dem erfindungsgemäßen Werkstoff vorzugsweise Graphit, MoS₂ oder Polytetrafluoräthylen verwendet, die sich durch besonders gute Festschmiereigenschaften auszeichnen.

Die technologischen Zusammenhänge, die der Erfindung zugrundeliegen, können wie folgt erläutert werden:

Durch die Einlagerung von Festschmierstoffen einer Korngröße zwischen 30 und 500 Mikron in den PoIyimid-Grundwerkstoff wird möglicherweise erreicht, daß die Festschmierstoffe ihre Schmieraktivität während eines Gleitvorgangs voll beibehalten, da die sich beim Gleitvorgang aus den eingelagerten Festschmierstoff-Nestern lösenden Feinstpartikel nicht bereits als solche vom umgebenden Polyimid eingekapselt und damit schmierinaktiv sind. Durch die Erfindung wird nun erreicht, daß die Aktivität des Festschmierstoffs bei dessen Freisetzung in feinstverteilter Form in die Gleitzone voll erhalten bleibt, wenn er aus den besagten Festschmierstoff-Nestern stammt. Durch den zusätzlichen Anteil von 3 bis 5Gew.-% Festschmierstoffen einer Korngröße kleiner als 10 Mikron wird die Schmieraktivität des beladenen Polyimid-Werkstoffs überraschenderweise erheblich gesteigert, was demnach auf ein vorteilhaftes funktionelles Zusammenwirken zwischen den beiden Festschmierstoff-Fraktionen unterschiedlicher Körnung hinweist.

Die Beigaben von Festschmierstoffen einer Körnung

kleiner als JO Mikron lagern sich im übrigen unmittelbar in das zu vernetzende Gefüge des Polyimid-Grundwerkütoffs ein, der mit diesem Festschmierstoffanteil versehen, dann granuliert und anschließend mit den Festschmierstoffen der größeren Körnung erst zum Endpunkt verarbeitet wird. Durch die zuerst erfolgte Einlagerung der FestschmierstofTpartikel einer Körnung kleiner als 10 Mikron wird im übrigen das Fließverhalten des granulierten Polyimid-GrundwerkstofTs im Sinne einer preßtechnischen Verarbeitbarkeit verbessert.

Durch die geeignete Auswahl der verwendeten PoIyimid-Werkstoffe sowie durch eine passende Einlagerung von Festschmierstoffen im Rahmen der durch die Erfindung aufgezeigten Variationsbereiche ist es möglich, den verschiedensten Betriebseinflüssen des jeweils vorgesehenen Einsatzfalles, die sich aus Flächenpressung, Gleitgeschwindigkeit, Reibflächenzustand und Betriebstemperatur ergeben, Rechnung zu tragen und ein optimales Verschleißverhalten bei günstigsten Reibbetwerten zu erzielen.

Das oben bereits genannte Granulat aus dem PoIyimid-GrundwerkstofTund den Festschmierstoffen einer Körnung kleiner als 10 Mikron wird im übrigen zunächst bei erhöhter Temperatur, die jedoch unter dem Schmelzpunkt liegt, vorvernetzt, d. h. es handelt sich um ein Prepolymerisat Danach erfolgt die A¹ "..rbeitung zu einem Granulat, das mit den ebenfalls granulierten, vorbehandelten Festschmierstoffen des genannten größeren Körnungsbereictu zu einem Verarbeitungsgranulat gemischt, anschließend unter Druck verdichtet, sodann zur Erdvernetzung erneut einer Wärmebehandlung unterzogen und hiernach bei erhöhter Temperatur gealtert wird.

In der ersten Stufe dieses Heistellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Werkstoffs win. durch die Einwirkung einer unter seinem Schmelzpunkt liegenden Temperatur, die vorteilhafterweise zwischen 70 und HO⁰C liegt und sich über eine Zeitspanne von 30 bis 90 Minuten, die ihrerseits wiederum von der Höhe der gewählten Temperatur abhängig ist, erstreckt, eine teilweise Vorvernetzung des Polyimid-Grundwerkstoffes erreicht, um die Voraussetzung für eine weitere Verarbeitung durch Einbringen des Festschmierstoffes zu schaffen. Danach erfolgt die Aufbereitung des PoIyimid'Werkstoffes als Granulat und die Beigabe der ebenfalls granulierten Festschmierstoffe in der vorbehandelten Kornfraktion von 30 bis 500 Mikron, vorzugsweise 40 bis 300 Mikron. Das dabei entstehende Granulat ist äußerst rieselfähig und leicht verarbeitbar. Es ermöglicht eine automatische Zuführung zu den Werkzeuggesenken für die anschließende Verdichtung und ergibt gleichzeitig niedrige Füllhöhen. Die sich anschließende Verdichtung im Werkzeug erfolgt auf herkömmlichen Pressen mit einem Verdichtungsdruck, der vorteilhafter Weise über l,0Mp/cm², vorzugsweise 5 bis 6 Mp/cm², liegt.

Der so erzeugte Grünling wird in einer nachgeschalteten Wärmebehandlung vollständig vernetzt, vorteilhafterweise bei einer Temperatur von 170 bis 200°C während einer Zeitdauer von 1 bis 2 Stunden. Es sind hier auch höhere Temperaturen und entsprechend niedrigere Einwirkzeiten oder tiefere Temperaturen und entsprechend längere Zeiten vorstellbar. Diese Wärmebehandlung erfolgt in der Art der Freisinterung, wobei der Grünling außerhalb des Preßwerkzeuges im freien Raum der Temperatureinwirkung ausgesetzt wird. Ihr schließt sich unmittelbar eine weitere Wärmebehandlung zur Alterung des Werkstoffs an, die bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise bei 250C während einer Zeitdauer von mindestens einer Stunde erfolgt. Der Vorteil bei dieser Herstellungsmethode liegt auch darin, daß der Polyimid-Werkstoff hierbei keine Scbmelzphasi? durchläuft und somit eine maßlich einwandfreie und formgerechte Herstellung von Gleitelementen ohne weitere Nachbehandlung gleichzeitig mit der Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstolfes er-

IU folgen kann.

Zwar zeigen die vorstehenden Ausführungen bereits eine Vielzahl technischer Vorzüge des erfindungsgemäßen Werkstoffs gegenüber den Produkten des Standes der Technik. Die anschließende Tabelle belegt jedoch zusätzlich die wesentlichen Vorteile der erfindun&sgemäßen Erzeugnisse zahlenmäßig sowie des zu deren Herstellung angewandten Verfahrens. Die Proben 1 bis 5 sowie 8 und 9 sind erfindungsgemäße PoIyimid-Werkstoffe, während die Proben 6 und 7 zwar nach einer Firmenfertigungsanweisung gewonnen wurden, jedoch den Produkten nach der DE-OS 20 00 885 entsprechen. Außer der Herstellungszeit pro Stück (reine Preßzeit) sind die für einen Gleitwerkstoff wesentlichen Eigenschaften, nämlich der Reibbeiwert, die Druckfestigkeit und die Brinellhärte angegeben.

Aus der Herstellungszeit pro Stück für eine Scheibe von 76 mm 0 x 37 mm Höhe (diese Größe wurde gewählit, um Vergleichsweue zu den Produkten nach der genannten Fertigungsanweisung zu erhalten), ergibt sich, daß nach der bekannten Verfahrensweise eine reine Preßzeit von 42 Minuten erforderlich ist. Demgegenüber erfordert die Herstellung des erfindungsgemäßen Produktes lediglich eine Preßzeit von 20 Sekunden, wobei sogar im Gegensatz zu der bekannten Verfahrensweise bei Normaltemperatur (Kaltpressen) gepreßt werden kann. Des weiteren ist aus der Tabelle ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Erzeugnisse den bekannten hinsichtlich der Druckfestigkeit überwiegend und bezüglich der Brinellhärte grundsätzlich überlegen sind. Hinsichtlich des Reibbei .wertes sind die beanspruchten Produkte den Vergleichsprodukten weit überlegen. Der deutliche Unterschied zeigt sich insbesondere bei Raumtemperatur (etwa 25^GC), die für den praktischen Anwendungsfall besonders bedeutsam ist.

Das folgende Beispiel dienst der weiteren Erläuterung der Herstellung des erfindungsgemäßen Polyimid-Werkstoffs.

Beispiel

Ein geeignetes Polyimid wird mit 3 bis 5 Gew.-% Graphit, der in Feinstform kleiner Korngrößen unter 10 Mikron vorliegt, zu einem Granulat verarbeitet und hiervon 40 Gew.-% mit 60 Gew.-% vorbehandeltem Graphit in der Kornfraktion von 40 bis 300 Mikron zu einem Verarbeitungsgranulat gemischt. Das Granulat wird über eine Füllvorrichtung automatisch in ein Preßwerkzeug eingefüllt und zur Erzeugung des Grünlings

einem Preßdruck von 5 Mp/cm² ausgesetzt. Das ausgeformte Teil wird in einem Umluftwärmeschrank in einer ersten Stufe zwei Stunden lang einer Temperatur von 190 C ausgesetzt und ohne Veränderung anschließend eine Stunde lang bei 250 C vollständig vernetzt

h5 (gealtert). Durch eine entsprechende maßliche Auslegung des Werkzeuges befindet sich nunmehr auch gleich das so hergestellte Teil in einem passungsgerechten, einbaufahigen Zustand.

I	5	Tabelle	I (Elf.)	23 21	877	6	4 (Erf.)	5 (ErT.)	20 Sek.	20 Sek.	9 (Erf.)
ι Si	Probe	60				60	60
If	Zusammensetzung, %								60
§ if./'	Ρί-Harz	Talkum	2(ErH)	3 (erf,)	PTFE	Graphit
ir it	FestschmierstofT	5	60	60	5	5	1400	1300	Polyvinylidenfluorid
	Körnung < IO μ	35			35	35	30	40	und Graphit
Se	Körnung 40-300 μ		PbO	WS,			0,18	J, 105	5 % Graphit
	(granuliert)	Kaltpressen	5	5		Kaltpressen Kaltpressen			15% Graphit und
ίέ	Herstellung	20 Sek.	35	35		20 Sek.		20 % Polyvinylidenfluorid
	Herstellungszeit							Kaltpressen
	pro Stück Scheibe		Kaltpressen	Kaltpressen			20 Sek.
-Τ-	76 mm 0 x 37 mm Höhe		20 Sek.	20 Sek.
Jl	(nur Preßzeit)	1400			1000
	Druckfestigkeit in kp/cm2	55			25
Hi-	Brinellhärte in kp/mm2	0,12			0,08		1100
	Reibbeiwert μ (bei 25°C)		1500	1100			25
	Fortsetzung	6 Vergleichs	65	44			0,17
	Probe	produkt	0,11	0,09
		75
	Zusammensetzung, %		7 Vergleichs	8 (Erf.)
	Pi-Harz	Graphit	produkt		Polyvinylidenfluorid
	Festschmierstoffe		60	60
		-
	Körnung < 10 μ	25	Graphit		5 % Polyvinyliden fluorid
	Körnung 40-300 μ			35% Polyvinyliden
	(granuliert)	Warmpressen	-	fluorid
	Herstellung	42 Min.	40	Warmpressen Kaltpressen
	Herstellungszeit			42 Min.
	pro Stück Scheibe
	76 mm 0 x 37 mm Höhe
	(nur Preßzeit)	1440
	Druckfestigkeit in kp/cm2	30	1100
	Brinellhärte in kp/mm2	0,25	25
	Reibbeiwert, μ (bei 25 C)	Anmerkung: l'i = l'olybismaleinimidharz.	0,20

Claims (4)

1. Patentansprüche;

   K Werkstoff mit niedrigem Reibbeiwert, insbesonder Gleitwerkstoff, aus einem temperaturbestän-(Jigen Polyimid-Werkstoff und 5 bis 95 Gew,-% Festschmierstoffen einer Korngröße bis zu 500 Mikron, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyimid-Werkstoff 15 bis 80Gew.-% organische und/oder anorganische Festschmierstoffe einer Korngröße von 30 bis 500 Mikron und zusätzlich 3 bis 5 Gew.-% Festschmierstoffe einer Korngröße kleiner als 10 Mikron enthält
2. 2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festschmierstoffe eine Korngröße zwischen 40 und 300 Mikron aufweisen.
3. 3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er als FestschmierstolT Graphit, MoS₂ oder Polytetrafluoräthylen enthält
4. 4. Verwendung des Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Lagerwerkstoff.