DE3913893A1 - Werkstoff fuer mehrschicht-gleitlager - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für
Mehrschicht-Gleitlager, bestehend aus einem ein- oder
mehrschichtigen Stützrücken und einer mit diesem verbundenen
0,01 bis 0,20 mm, vorzugsweise 0,05 bis 0,08 mm, dicken
Gleitschicht aus einer Matrix aus fluorhaltigem Polymerem,
in der 5 bis 50 Masse-%, vorzugsweise 30 bis 40 Masse-%, von
eine hohe Affinität zu Fluor besitzendem Metallpulver mit
einer Korngröße von 40 µm feindispergiert ist, sowie ein
Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs.
Aus der EP-PS 00 44 577 und der DE-PS 29 28 061 ist ein
Werkstoff für Gleitlager mit Kunststoff-Gleitschicht
bekannt, der aus einem metallischen Stützrücken,
vorzugsweise Stahlstützrücken, mit einer darauf befindlichen
30 bis 500 µm dicken Gleitschicht aus die Matrix bildendem
fluorhaltigem Polymerem, d.h. Polyvinylidenfluorid (PVDF),
mit 5 bis 50 Vo1.-% Bleiteilchen mit einer Korngröße von
50 µm besteht, und die das Gleitverhalten verbessernde
Stoffe wie PTFE, MoS2, Graphit als Einlagerungen in
feindisperser Form enthalten kann. Die
Kunststoff-Gleitschicht ist in vorteilhafter Weise auf eine
auf dem Stützrücken porös aufgesinterten oder aufgespritzten
Rauhschicht mit einer Dicke von 250 bis 350 µm aus gute
Gleiteigenschaften aufweisendem metallischen Werkstoff,
vorzugsweise Bronze, aufgetragen, wobei das Lückenvolumen
der Rauhschicht mit dem Kunststoff der Gleitschicht
ausgefüllt ist.
Die aus diesem Werkstoff hergestellten
Mehrschicht-Gleitlager besitzen zwar einen relativ breiten
Einsatzbereich, lassen sich jedoch nicht für die Lagerung
von Pleuel- und Lagerzapfen von Kurbelwellen sowie
Nockenwellen und Massenausgleichswellen in
Hubkolbenmaschinen, insbesondere in
Verbrennungskraftmaschinen, verwenden, da die aus
fluorhaltigem Polymerem bestehende Gleitschicht im Betrieb
aufschmilzt, als Folge davon Ablagerungen an den
Gleitpartnern entstehen und schließlich die Gleitschicht
zerstört wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs
beschriebenen Werkstoff für Mehrschicht-Gleitlager so zu
modifizieren, daß daraus gefertigte Lagerschalen für die
Lagerung von Pleuel- und Lagerzapfen von Kurbelwellen sowie
Nockenwellen und Massenausgleichswellen in
Hubkolbenmaschinen, insbesondere in
Verbrennungskraftmaschinen, geeignet sind, d.h. ihre
Lebensdauer verlängert und damit die Standzeit der
Kolbenmaschine deutlich erhöht werden. Gleichzeitig soll
ihre Elastizität so verbessert werden, daß die Schwingungen
der Kurbelwelle, Nockenwelle und Massenausgleichswelle
deutlich gedämpft und damit ein wesentlich ruhigerer und
schallärmerer Lauf der Hubkolbenmaschine gewährleistet ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das
fluorhaltige Polymere 0,5 bis 5,0 Masse-% Metallfluorid
sowie 0,5 bis 5,0 Masse-% Metalloxifluorid enthält und aus
2,5 bis 25 Masse-% monoklin kristallisiertem PVDF, 2,5 bis
40 Masse-% amorphem PVDF sowie 10 bis 90 Masse-% neuartigem
Polymerem, das in einem mittels CuKa-Strahlung erstellten
Röntgendiffraktogramm ein scharfes Intensitätsmaximum bei
einem doppelten Braggwinkel von 2 R = 18,07 ± 0,03° sowie
einen Schmelzbereich von 320 bis 350°C besitzt, besteht und
frei von ortho-rhombisch kristallisiertem PVDF ist.
Vorzugsweise beträgt der Gehalt an neuartigem Polymerem 15
bis 50 Masse-%.
Als Metallpulver, die eine besonders hohe Affinität zu Fluor
besitzen, kommen insbesondere solche aus Blei, Zinn, Zink,
Indium, Thallium, Kadmium, Wismut, Barium, Kupfer, Silber
und deren Legierung einzeln oder zu mehreren in Betracht,
wobei auch die bekannten Lagermetalle auf Blei- und
Zinn-Basis mitumfaßt sind.
Der erfindungsgemäß aufgebaute Werkstoff für
Mehrschicht-Gleitlager zeichnet sich nicht nur durch einen
hohen Verschleißwiderstand, sondern auch durch eine hohe
Druckfestigkeit bei den üblichen Öltemperaturen bis 220°C
aus, so daß eine hohe Lebensdauer der daraus gefertigten
Gleitlager auch nach vergleichsweise langen Laufzeiten der
Kolbenmaschine gewährleistet ist. Darüber hinaus werden die
durch die Kurbelwelle verursachten Schwingungen in
erheblichem Maße gedämpft, wodurch ein wesentlich ruhigerer
und schallärmerer Lauf der Hubkolbenmaschine erreicht wird.
Die Matrix kann zur Verbesserung der Gleiteigenschaften
sowie zur Stabilisierung noch 1 bis 20 Masse-%, vorzugsweise
5 bis 15 Masse-%, feindispergierte Pulverteilchen, bestehend
aus PTFE, MoS2, Graphit, ZnS, BaSO4, Stearaten einzeln oder
zu mehreren, enthalten, wobei die Korngröße dieser
Pulverteilchen zweckmäßigerweise in Anpassung an die
Metallpulverteilchen 40 µm ist.
Der Werkstoff für Mehrschicht-Gleitlager kann auch in der
Matrix 1 bis 10 Gew.-% Fasern, vorzugsweise Kohlenstoffasern
und/oder Aramidfasern, enthalten.
Im Rahmen der vorzugsweisen Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Werkstoffs für Mehrschicht-Gleitlager sind
in der 15 bis 20 Masse-% monoklines PVDF enthaltenden Matrix
aus neuartigem Polymerem noch 15 bis 25 Masse-% amorphes
PVDF, 1 bis 3 Masse-% Bleifluorid, 1 bis 3 Masse-%
Bleioxyfluorid und 5 bis 25 Masse-% Blei sowie ggf. noch 3
bis 10 Masse-% PTFE eingelagert.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Matrix besteht in der
Zusammensetzung 25 Masse-% neuartiges fluorhaltiges
Polymeres, 25 Masse-% amorphes PVDF, 10 Masse-% monoklin
kristallisiertes PVDF 25 Masse-% Blei, 3 Masse-%
Bleifluorid 2 Masse-% Bleioxyfluorid, 10 Masse-% PTFE.
In einer weiteren Zusammensetzung kann die Matrix aus
50 Masse-% neuartigem fluorhaltigem Polymerem, 10 Masse-%
monoklin kristallisiertes PVDF, 10 Masse-% amorphes PVDF,
15 Masse-% PTFE, 2,5 Masse-% Bleifluorid, 2,5 Masse-%
Bleioxyfluorid und 10 Masse-% Blei bestehen.
Die erfindungsgemäß aufgebaute Gleitschicht ist unmittelbar
mit der mechanisch oder chemisch aufgerauhten Oberfläche des
Stützrückens verbunden, der aus Stahl, Gußeisen, Bronze,
Aluminium, Aluminiumlegierung, faserverstärktem Kunststoff,
Keramik, den Verbundmaterialien Stahl/Weißmetall,
Stahl/Bronze, Stahl/Aluminiumlegierung, hochfeste
Aluminiumlegierung/Aluminiumlagerlegierung oder dergleichen
bestehen kann.
Es ist auch die Möglichkeit gegeben, die Gleitschicht über
eine Zwischenschicht aus porös aufgesintertem,
aufgespritztem oder durch Kathodenzerstäubung aufgetragenem
metallischen Gleitwerkstoff, vorzugsweise Bronze oder
Aluminiumlagerlegierung, mit dem Stützrücken zu verbinden.
Mit dem Gleitschichtwerkstoff ist das Lückenvolumen der
Poren so ausgefüllt, daß über der Schicht des metallischen
Gleitwerkstoffs die Gleitschicht gebildet ist.
Darüber hinaus kann die Gleitschicht mit dem Stützrücken
verklebt werden.
Nach einem vorzugsweisen Merkmal der Erfindung kann der
Gleitlagerwerkstoff so ausgebildet sein, daß der Gehalt an
neuartigem Polymerem von der Lauffläche der Gleitschicht in
Richtung zum Stützrücken hin linear oder exponentiell
abnimmt. Der Gehalt des neuartigen Polymeren beträgt dann 80
bis 90 Masse-% an der Lauffläche und 10 bis 20 Masse-% am
Stützrücken.
Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung kann die
Gleitschicht auch aus mehreren miteinander verbundenen
Einzelschichten aufgebaut sein, wobei der Gehalt des
neuartigen Polymeren der Einzelschichten unterschiedlich
sein kann.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des Gleitlagerwerkstoffs
wird ein Gemisch aus 30 bis 80 Masse-% fluorhaltigem
Polymerem und 5 bis 50 Masse-% eine hohe Affinität zu Fluor
besitzendem Metallpulver auf einen Stützrücken aufgetragen,
aufgewalzt und auf eine Temperatur von < 290°C, vorzugsweise
300 bis 340°C, erwärmt, bei dieser Temperatur 0,5 bis
3,5 min, vorzugsweise 1,0 bis 2,0 min, gehalten und dann in
einer Zeit von 0,5 bis 10 min, vorzugsweise 4 min, auf 100°C
kontinuierlich abgekühlt.
Die Herstellung des Gleitlagerwerkstoffs kann sowohl auf
kontinuierliche Weise, indem ein bandförmiger Stützrücken
fortlaufend beschichtet wird, als auch in
diskontinuierlicher Weise, indem streifenförmige Abschnitte
eines Stützrückens einzeln beschichtet werden, erfolgen.
Im folgenden ist die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels sowie von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens und Herstellung des
Werkstoffs für Mehrschicht-Gleitlager,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Werkstoff für
Mehrschicht-Gleitlager,
Fig. 3 eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung aus
Fig. 2.
Das auf dem Haspel (1) aufgewickelte Band (2), das aus dem
als Stützrücken dienenden Stahlband (3) und der darauf aus
Bleibronze porös gesinterten Rauhgrundschicht (4) besteht,
wird kontinuierlich von dem Haspel (1) abgewickelt und
rauhgrundseitig aus einem mit einem Rührwerk ausgestatteten
Behälter (5) mit einer Pulvermischung aus 60 Masse-% PVDF,
25 Masse-% Blei und 15 Masse-% PTFE gleichmäßig beschichtet.
Nachdem das Band (2) das Walzgerüst (6) durchlaufen hat, in
dem die offenen Poren der Rauhgrundschicht (4) so mit der
Pulvermischung ausgefüllt sind, daß über den Spitzen der
Rauhgrundschicht (4) eine Gleitschicht (7) vorhanden ist,
wird das beschichtete Band (2) durch den Durchlaufofen (8)
geführt und auf 320°C für die Dauer von 1,5 min erwärmt.
Dabei wird das PVDF so aufgeschmolzen, daß neben
fluorhaltigem Polymerem, das durch ein in einem mittels
CuKα-Strahlung erstellten Röntgendiffraktogramm bei einem
doppelten Braggwinkel von 2 R = 18,07 ± 0,03° liegendes
Intensitätsmaximum sowie einen Schmelzbereich von 320 bis
350°C charakterisiert ist, noch 15 Masse-% monoklin
kristallisiertes PVDF, 24 Masse-% amorphes PVDF, 21 Masse-%
Blei, 15 Masse-% PTFE, 3,5 Masse-% Bleifluorid sowie
3,5 Masse-% Bleioxyfluorid vorhanden sind. Nach dem Austritt
aus dem Durchlaufofen (8) wird das fluorhaltige Polymere in
dem Walzgerüst (9) nachverdichtet sowie geglättet und
anschließend in dem Durchlaufofen (10) innerhalb von 5 min
kontinuierlich auf eine Temperatur von etwa 100°C abgekühlt.
In dem nachfolgenden Walzgerüst (11) wird der hergestellte
Mehrschicht-Gleitlagerwerkstoff kalibriert und schließlich
auf den Haspel (1) aufgewickelt. Aus dem bandförmigen
Mehrschicht-Gleitlagerwerkstoff lassen sich ohne jede
Nachbehandlung bzw. Nachbearbeitung ohne Schwierigkeiten
Gleitlagerschalen herstellen, die geeignet sind, einen
ruhigeren und schallärmeren Lauf von Pleuel- und Lagerzapfen
von Kurbelwellen sowie von Nockenwellen und
Massenausgleichswellen zu gewährleisten.
Claims (13)
1. Werkstoff für Mehrschicht-Gleitlager, bestehend aus
einem ein- oder mehrschichtigen Stützrücken und einer
mit diesem verbundenen 0,01 bis 0,20 mm, vorzugsweise
0,05 bis 0,08 mm, dicken Gleitschicht aus einer Matrix
aus fluorhaltigem Polymerem, in der 5 bis 50 Masse-%,
vorzugsweise 30 bis 40 Masse-%, eines eine hohe
Affinität zu Fluor besitzenden Metallpulvers mit einer
Korngröße von 40 µm feindispergiert ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das fluorhaltige Polymere 0,5 bis
5,0 Masse-% Metallfluorid sowie 0,5 bis 5,0 Masse-%
Metalloxyfluorid enthält und aus 2,5 bis 25 Masse-%
monoklin kristallisiertem PVDF, 2,5 bis 40 Masse-%
amorphem PVDF sowie 10 bis 90 Masse-% neuartigem
Polymerem, das in einem mittels CuKα-Strahlung
erstellten Röntgendiffraktogramm ein scharfes
Intensitätsmaximum bei einem doppelten Braggwinkel von
2 R = 18,07 ± 0,03° sowie einen Schmelzbereich von 320
bis 350°C besitzt, besteht und frei von ortho-rhombisch
kristallisiertem PVDF ist, zur Herstellung von
Lagerschalen für Pleuel- und Lagerzapfen von
Kurbelwellen sowie für Nockenwellen und
Massenausgleichswellen in Hubkolbenmaschinen,
insbesondere Verbrennungskraftmaschinen.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gehalt an neuartigem Polymerem 15 bis 50 Masse-%
beträgt.
3. Werkstoff nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als eine hohe Affinität zu Fluor
besitzendes Metallpulver solches aus Blei, Zinn, Zink,
Indium, Thallium, Kadmium, Wismut, Barium, Kupfer,
Silber und deren Legierungen einzeln oder zu mehreren in
dem fluorhaltigen Polymeren dispergiert ist.
4. Werkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet
durch den Zusatz von 1 bis 20 Masse-%, vorzugsweise 5
bis 15 Masse-% feindispergierten Pulverteilchen mit
einer Korngröße von 40 µm, bestehend aus PTFE, MoS2,
Graphit, ZnS, BaSO4 und/oder Stearaten.
5. Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4, gekennzeichnet durch den Zusatz von 1 bis 10 Gew.-%
Fasern, vorzugsweise Kohlenstoffasern und/oder
Aramidfasern.
6. Werkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleitschicht unmittelbar mit der
mechanisch oder chemisch aufgerauhten Oberfläche des aus
Stahl, Gußeisen, Bronze, Aluminium, Aluminiumlegierung,
faserverstärktem Kunststoff, Keramik bestehenden
einschichtigen oder des aus Stahl/Weißmetall,
Stahl/Bronze, Stahl/Aluminiumlagerlegierung, hochfeste
Aluminiumlegierung/Aluminiumlagerlegierung oder
dergleichen bestehenden mehrschichtigen Stützrückens
verbunden ist.
7. Werkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleitschicht über eine porös auf
den Stützrücken aufgesinterte, aufgespritzte oder durch
Kathodenzerstäubung aufgetragene, aus einem metallischen
Gleitwerkstoff bestehende Schicht, vorzugsweise aus
Bronze, Aluminiumlagerlegierung, mit dem Stützrücken
unter Ausfüllung der Poren und Ausbildung der
Gleitschicht über der Schicht des metallischen
Gleitwerkstoffs verbunden ist.
8. Werkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Gehalt an neuartigem Polymerem
von der Lauffläche der Gleitschicht zum Stützrücken hin
linear oder exponentiell abnimmt.
9. Werkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gehalt an neuartigem Polymerem an der Lauffläche 80
bis 90 Masse-% und am Stützrücken 10 bis 20 Masse-%
beträgt.
10. Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht aus
mehreren miteinander verbundenen Einzelschichten
aufgebaut ist.
11. Werkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einzelschichten unterschiedliche Gehalte an
neuartigem Polymerem aufweisen.
12. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs nach den
Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Gemisch aus 30 bis 80 Masse-% fluorhaltigem Polymerem
und 5 bis 50 Masse-% eine hohe Affinität zu Fluor
besitzendem Metallpulver auf einen Stützrücken
aufgetragen, aufgewalzt, auf eine Temperatur von
< 290°C, vorzugsweise 300 bis 340°C, erwärmt, bei dieser
Temperatur 0,5 bis 3,5 min, vorzugsweise 1,0 bis
2,0 min, gehalten und dann in einer Zeit von 0,5 bis
10 min, vorzugsweise 4 min, auf 100°C kontinuierlich
abgekühlt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Erreichen einer Temperatur von ca. 180°C eine
kontinuierliche Abkühlung auf eine Temperatur von 120
bis 115°C mit einer Geschwindigkeit von ca. 50°C/min
erfolgt.
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