DE4106001C2

DE4106001C2 - Gleit- bzw. Schiebematerial und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4106001C2
Application number: DE4106001A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Hidehiko Tamura; Kiyohide Uenaka; Shigemasa Hakakoshi
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1990-02-27
Filing date: 1991-02-26
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2011-02-27
Also published as: US5162157A; GB2241993B; JPH03250097A; JPH0735514B2; GB2241993A; KR910021544A; GB9104053D0; KR940011338B1; DE4106001A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleit- bzw. Schiebematerial mit ausgezeichneten Reibungs- und Verschleißeigenschaften und ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials.

Die hierin verwendete Bezeichnung "Gleit- bzw. Schiebemate rial" soll Konstruktionen mit Einschluß von Gleitlagern oder Lagermaterialien oder selbstschmierende Materialien bezeich nen, die als Antireibungsmaterialien für die Herstellung von Gleit- bzw. Schiebeelementen, wie Lagerschalen, Gleitschuhen, Gleitplatten und zur Herstellung von Gleit- bzw. Schiebeele menten, die in Kupplungen, Bremsen etc. verwendet werden, und von Kollektoren geeignet sind.

Die hierin verwendete Bezeichnung "Gleitlager oder Lagermate rial oder selbstschmierendes Material" soll ein Stützmetall bzw. eine Metallunterlage einschließen, an das bzw. die eine Schicht aus einer porösen Bronze gebunden ist, die eine Ma trix darstellt, in der die poröse Bronze an mindestens ihrer freigelegten Oberfläche und daran angrenzend mit einem Ge misch aus PTFE und Blei, etc. imprägniert ist.

Herkömmliche Gleit- bzw. Schiebematerialien und Verfahren zu ihrer Herstellung mit Einschluß eines Gleit- bzw. Schiebema terials, das ein Stützmetall bzw. eine Metallunterlage ent hält, worauf auf der Oberfläche eine poröse Metallschicht mit Poren gebildet worden ist sowie die nachstehenden Imprägnie rungsbeschichtungsmassen (a) oder (b) werden beispielsweise in der japanischen Patentschrift 39-16950 (Kokoku) beschrie ben:

a) PTFE (Polytetrafluorethylen) + 20Pb (Bleimetall)
b) PTFE + 20PbO (Bleioxid).

In diesem Zusammenhang ist die obige Druckschrift zu be achten, die ein grobes Bleipulver mit 300 B.S.S mesh als Bleimetall beschreibt (Zeilen 21 und 22 der rechten Spalte der Seite 1). Dieser Druckschrift zufolge wird ein Bleipulver mit einer sehr kleinen spezifischen Oberfläche bzw. einem Verhältnis von Oberfläche zu Gewicht von 500 cm²/g verwendet.

Gleit- bzw. Schiebematerialien, die gemäß der Technologie der obigen Druckschrift unter Verwendung eines Bleipulvers mit einer sehr kleinen spezifischen Oberfläche hergestellt worden sind, genügen nicht den Anforderungen hinsichtlich der Rei bung und der Verschleißbeständigkeit, wenn das Gleit- bzw. Schiebematerial im trockenen Zustand gleitet.

Die US-PS 2 995 462 betrifft ein Gleitlagermaterial, das aus einer metallischen Stützschicht besteht, auf die ein seitig eine weitere poröse Metallschicht aufgesintert ist. Die Poren dieser Metallschicht sind mit einer Imprägnie rungsbeschichtungsmasse imprägniert, die aus 0,01 bis 30 Vol.-% Blei und zum Rest aus Polytetrafluorethylen besteht, wobei das Blei in Form eines feinen (-300 BBS mesh; 50 µm) Bleipulvers verwendet wird.

Die DE-PS 28 57 283 betrifft ein Gleitlagermaterial, des sen Gleitschicht aus einem Werkstoff besteht, der neben PTFE als Basismaterial und 1 bis 30 Vol.-% Blei zusätzlich 1 bis 25 Vol.-% Bleifluorid enthält, wobei die Gesamtmenge an Blei und Metallfluorid 2 bis 35 Vol.-% beträgt. Dieser Werkstoff für die Gleitschicht kann außerdem noch 0,1 bis 5 Vol.-% eines oder mehrerer Zusätze, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Metalloxiden, Glasfasern, Metallfluoriden, Kohlefasern und Keramiken, wie z. B. Alu miniumoxid, aufweisen.

Aus der GB-A-2 100 366 ist ein Herstellungsverfahren für Gleitlagermaterialien bekannt, bei dem ein PTFE-Bleigemisch in die Poren einer auf einem Stützmetall aufgebrachten po rösen Metallschicht imprägniert wird und in einem zweiten Schritt dasselbe PTFE-Bleigemisch auf die Oberfläche der porösen Metallschicht aufgebracht wird, worauf anschließend das PTFE-Bleigemisch zusammen mit dem Stützmetall in einer nichtoxidierenden und damit neutralen Atmosphäre bei 320 bis 380°C gesintert wird.

Die EP-A-0 232 922 betrifft einen Verbund-Gleitlagerwerk stoff, bei dem auf einem metallischen Rauhgrund eine Matrix aus Polymeren so aufgebracht ist, daß diese über dem Rauh grund eine Reib- bzw. Gleitschicht bildet. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit enthält die Matrix Zinksulfid bzw. Ba riumsulfat mit einer Korngröße von 0,1 bis 1,0 µm mit einer mittleren Korngröße von 3 µm. Das die Matrix bildende Poly mer kann dabei Polytetrafluorethylen sein.

Die im Stand der Technik bekannten Gleit- bzw. Schiebemate rialien sind jedoch in bezug auf ihre Reibungs- und Ver schleißbeständigkeit nicht zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben erwähnten Nach teile des Standes der Technik zu überwinden und unter Fest legung der Größe des Bleimetalls ein Gleit- bzw. Schiebema terial bereitzustellen, bei dem die oben genannten Reibungs- und Verschleißeigenschaften verbessert sind.

Es wurde gefunden, daß die obige Aufgabe dadurch gelöst wer den kann, daß feines Bleipulver anstelle des herkömmlichen groben Bleipulvers, d. h. Bleipulver mit einer großen spezifi schen Oberfläche von 1.000 bis 8.500 cm²/g anstelle des her kömmlichen Bleipulvers mit einer spezifischen Oberfläche von 500 cm²/g verwendet wird. Insbesondere werden die nachfolgen den Gleit- bzw. Schiebematerialien und Herstellungsverfahren (1) bis (4) bereitgestellt.

1. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Gleit- bzw. Schiebematerial bereitgestellt, das ein Stützme tall bzw. eine Metallunterlage aufweist, in dem bzw. der auf der Oberfläche eine poröse Metallschicht mit Poren gebildet ist, wobei die Poren und ihre Oberfläche mit der folgenden Imprägnierungsbeschichtungsmasse (a) imprägniert und be schichtet sind.
Die Imprägnierungsbeschichtungsmasse besteht aus:
2. 5 bis 30 Vol.-% Bleimetall mit einer spezifischen Oberfläche von 1.000 bis 8.500 cm²/g in einer mittleren Teil chengröße und zum Rest im wesentlichen aus PTFE.
3. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gleit- bzw. Schiebe materials bereitgestellt, das durch die Stufen: Imprägnieren und Bedecken der Poren und ihrer Oberfläche, die in einer auf der Oberfläche eines Stützmetalls bzw. einer Metallunterlage gebildeten porösen Metallschicht vorliegen, mit der Imprä gnierungsbeschichtungsmasse (a) wie oben unter (1) beschrie ben und anschließendes Brennen des Stützmetalls bzw. der Me tallunterlage, zusammen mit der genannten Imprägnierungsbe schichtungsmasse (a) in neutraler Atmosphäre oder in reduzie render Atmosphäre gekennzeichnet ist.
4. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Gleit- bzw. Schiebematerial bereitgestellt, das ein Stützmetall bzw. eine Metallunterlage aufweist, in dem bzw. der auf der Oberfläche eine poröse Metallschicht mit Poren gebildet ist, wobei die Poren und ihre Oberfläche mit der folgenden Imprägnierungsbeschichtungsmasse (b) imprägniert und beschichtet sind.
Die Imprägnierungsbeschichtungsmasse besteht aus:
5. 5 bis 30 Vol.-% Bleimetall mit einer spezifischen Oberfläche von 1.000 bis 8.500 cm²/g mit durchschnittlicher Teilchengröße, 0,5 bis 30 Vol.-% mindestens eines Materials, ausgewählt aus einer Gruppe B (Füllstoff), bestehend aus ei nem festen Schmiermittel, wie einem Metalloxid, Metallfluo rid, Graphit und dergleichen, einem Fasermaterial, wie Koh lenstoff-Fasern, Glasfasern und dergleichen und Keramiken, wie SiC und dergleichen, und zum restlichen Teil im wesent lichen aus PTFE, wobei die Gesamtmenge der anderen Kompo nenten als PTFE 5,5 bis 50 Vol.-% beträgt.
6. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gleit- bzw. Schiebe materials bereitgestellt, das durch die Stufen: Imprägnieren und Bedecken der Poren und ihrer Oberfläche, die in einer auf der Oberfläche eines Stützmetalls bzw. einer Metallunterlage gebildeten porösen Metallschicht vorliegen, mit der Imprä gnierungsbeschichtungsmasse (b) wie oben unter (3) beschrie ben und anschließendes Brennen des Stützmetalls bzw. der Me tallunterlage, zusammen mit der genannten Imprägnierungsbe schichtungsmasse (b) in neutraler Atmosphäre oder in reduzie render Atmosphäre gekennzeichnet ist.

Wenn das Bleimetallpulver in PTFE dispergiert ist, dann be wirkt das Bleimetallpulver in günstiger Weise, daß das PTFE auf ein paarendes Element (im allgemeinen aus Stahl oder Edelstahl) des Gleit- bzw. Schiebematerials übertragen und darauf abgeschieden wird, was Niederreibungs- und Verschleiß eigenschaften ergeben soll. Diese Erscheinung wird als Stand der Technik in der oben genannten japanischen Patentschrift 39-16950 (Kokoku) beschrieben.

Trotzdem wird erfindungsgemäß handelsübliches Bleimetallpul ver (auf die jeweiligen ähnlichen Größen) klassifiziert und die Pulver unterschiedlicher Größen werden auf verschiedenen Wegen kombiniert, um eine spezifische Oberfläche von 5.000 cm²/g (Verhältnis der Oberfläche zu Gewicht) bei einer mitt leren Teilchengröße zu erhalten. Das erfindungsgemäß angewen dete Pulver hat eine spezifische Oberfläche, die zehnmal so groß ist, wie die 500 cm²/g des nach dem Stand der Technik verwendeten Materials. Es wird festgestellt, daß dieses Pul ver eine stark verminderte Reibung besitzt und weniger ver schleißt wird. Dies ist auf die günstigen Effekte, das die obige Übertragung und Abscheidung von PTFE feiner, öfter und wirksamer durchgeführt wurden, zurückzuführen.

Der Grund, warum die spezifische Oberfläche auf 1.000 bis 8.500 cm²/g eingestellt wird, besteht darin, daß bei Werten von weniger als 1.000 cm²/g die Reibungs- und Verschleißei genschaften ähnlich dem Stand der Technik sind. Andererseits kann ein Metallpulver mit einer spezifischen Oberfläche von mehr als 8.500 cm²/g technisch nur schwierig hergestellt wer den.

Bei Additivmengen von mehr als 30 Vol.-% ist es schwierig, Verschleißfestigkeitseigenschaften infolge der Sprödigkeit des Materials zu halten. Andererseits können Additivmengen von weniger als 5 Vol.-% die notwendigen Reibungs- und Ver schleißeigenschaften nicht ergeben. Daher wird der Anteil des Additivs auf 5 bis 30 Vol.-% eingestellt. Das Bleimetallpul ver wird durch Gaszerstäubung, Wasserzerstäubung oder Stempelvermahlen hergestellt.

Die Zugabe von mindestens einem Material, ausgewählt aus ei nem festen Schmiermittel, wie einem Metalloxid, Metallfluo rid, Graphit, MoS₂, WS₂, PbS und dergleichen, von einem Fa sermaterial, wie Kohlenstoff-Fasern und dergleichen und von Keramiken, wie SiC, verbessert die Reibungs- und Verschleiß eigenschaften. Wenn jedoch die Menge eines aus der obigen Gruppe ausgewählten Materials weniger als 0,5 Vol.-% beträgt, dann wird keine Verbesserung der Reibungs- und Verschleißei genschaften erzielt. Andererseits, führt die Zugabe des obi gen Materials in Mengen von mehr als 30 Vol.-% zu Brüchigkeit des Gleit- bzw. Schiebematerials, so daß es für die Praxis nicht geeignet ist. Das obige Material muß daher im Bereich von 0,5 bis 30 Vol.-% gehalten werden.

Das Metalloxid schließt Oxide eines einzigen Elements, ausge wählt aus Zn, Al, Sb, Y, In, Zr, Mo, Cd, Ca, Ag, Cr, Co, Ti, Si, Mn, Sn, Ce, W, Bi, Ta, Fe, Cu, Pb, Ni, Te, Nb, Pt, V, Pd, Mg, Li und zusammengesetzte Metalloxide, wie CoO-Al₂O₃, TiO₂- ZnO₂, PbO-TiO₂, CoO-SnO₂, MgO-Al₂O₃, ZrO₂-SiO₂, CoO-Al₂O₃- MgO, CoO-Al₂O₃-Cr₂O₃, CoO-ZnO-MgO, Pb₃O₄-Sb₂O₃-TiO₂, Cr₂O₃- Sb₂O₃-TiO₂, Cr₂O₃-CuO-MnO₂, CoO-Cr₂O₃-Fe₂O₃, CoO-ZnO₂-NiO₂- TiO₂, CoO-Cr₂O₃-MnO₂-Fe₂O₃; ein. Das Metallfluorid schließt PbF₂, AlF₃, CdF₂, BaF₂ und dergleichen ein. Das Fasermaterial schließt Naturfasern und Kunstfasern, wie Kohlefasern, Glas fasern, Baumwolle-(Cellulose)-Fasern, Asbest, Steinwolle, Ka liumtitanatfasern, aromatische Polyamidfasern und dergleichen ein. Die Keramiken schließen SiC, TiC, TiN, B₄C, BN, Si₃N₄, AlN, HfN, TaN, WC, TaC, VC, ZrC und dergleichen ein.

Es ist zu beachten, daß das erfindungsgemäß verwendete Blei metallpulver reines Pb-Pulver ist, das metallurgisch herge stellt werden kann. Das Bleimetallpulver hat, wie es im all gemeinen bei jedem üblichen Metall der Fall ist, eine oxi dierte Außenoberfläche, ist aber grau oder schwarz, wenn es von der Außenseite betrachtet wird. Der Schmelzpunkt beträgt 327°C.

Das grobkörnige Bleimetall in der Oberflächenschicht ist in einer Masse enthalten, die hauptsächlich aus PTFE zusammenge setzt ist. Da aber das PTFE aus kleinen Teilchen in einer Brennstufe zusammengesetzt ist, hat die Masse Permeabilität und das Bleimetall wird gegenüber einer Oxidation empfind lich. Bei Durchführung von Reibungs- und Verschleißtests un ter Verwendung eines Gleit- bzw. Schiebeelements, das mit vollständig oxidiertem Blei gefüllt war, waren die technolo gischen Eigenschaften und die Kavitationsfestigkeit schlech ter als bei dem erfindungsgemäßen Gleit- bzw. Schiebeelement.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist daher dadurch charakterisiert, daß das Brennen in einer nichtoxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird, um die teilweise Oxidation des Gleit- bzw. Schiebeelements zu verhindern.

Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert:

Beispiele

Bronzepulver wurde porös auf ein kupferplattiertes Stahl stützmetall aufgesintert. Danach wurden die Poren mit den in Tabelle 1 angegebenen Imprägnierungsbeschichtungsmassen im prägniert und die Oberfläche der obigen porösen Bronzeschicht wurde mit der genannten Masse beschichtet, indem das Stützme tall, das mit dem Bronzepulver versintert worden war, durch Walzen geleitet wurde.

Danach wurde das Stahlstützmetall in einer üblichen Atmo sphäre oder in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 327 bis 400°C gebrannt. Dann wurde es durch Walzen geleitet, um zu einer gleichförmigen Dicke verformt zu werden. Auf diese Weise wurden herkömmliche Gleit- bzw. Schiebematerialien (Probekörper Nr. 1 bis 2) und erfindungs gemäße Gleit- bzw. Schiebematerialien (Probekörper 3 bis 12) hergestellt.

In Tabelle 1 sind die Testergebnisse dieser Probekörper zu sammengestellt. Die Tabellen 2 und 3 zeigen die Testbedingun gen.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das erfindungsgemäß verwendete Stützmetall auch ein anderes Metall als Stahl sein kann, z. B. Edelstahl oder eine Kupferlegierung, wie Bronze, sein kann. Weiterhin braucht keine Plattierung zwischen das Stützmetall und die poröse Schicht aufgebracht zu werden. Ein anderes Me tall, wie Kupfer oder eine andere Legierung kann dazwischen plattiert werden. Die auf dem Stützmetall gebildete poröse Schicht kann aus einem anderen Metall oder einer anderen Le gierung als Kupfer bzw. Kupferlegierung bestehen, beispiels weise aus Bronze, Bleibronze und dergleichen.

Der Grund, warum das Brennen in einer neutralen Atmosphäre oder in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird, liegt darin, die Oxidation des Bleipulvers in der Imprägnie rungsbeschichtungsmasse beim Brennen zu verhindern.

Tabelle 1

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Tabelle 2 Testbedingungen der Reibungs- und Verschleißtests

Verwendete Testvorrichtung	Bush-Tester
Probekörper Größe	Innendurchmesser 20 mm × Außendurchmesser 23 mm × Länge 20 mm
Last	50 Kp/cm²
Geschwindigkeit	0,1 m/sec
Zeit	500 h
Temperatur	Raumtemperatur
Schmierung	keine
Achse	Weichstahl 220 Hv Oberflächenrauhigkeit 3,0 µm Rmax

Tabelle 3 Testbedingungen des Kavitationsfestigkeitstests

Verwendete Testvorrichtung	Kavitationstester
Probekörper Größe	Longitudinallänge 40 × Seitenlänge 40 × Dicke 1,5 (mm)
Resonanzfrequenz	19 KHz
Abgabeleistung	600 W
Für den Test verwendete Flüssigkeit	Wasser
Temperatur der Testflüssigkeit	Raumtemperatur
Spalt zwischen dem Wetzstein und dem Probekörper	1 mm
Durchmesser des Wetzsteins	35 mm
Testzeit	3 min

Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, daß beim Vergleich der her kömmlichen Gleit- bzw. Schiebematerialien (Probekörper 1 bis 2) mit den erfindungsgemäßen Gleit- bzw. Schiebematerialien (Probekörper 3 bis 12) die Reibungs- und Verschleißeigen schaften der letztgenannten Materialien stark verbessert wor den sind.

Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, daß erfin dungsgemäß Gleit- bzw. Schiebematerialien mit verbesserten Reibungs- und Verschleißeigenschaften bereitgestellt werden.

Claims

1. Gleit- bzw. Schiebematerial mit einem Stützmetall bzw. einer Metallunterlage, das bzw. die eine auf der Ober fläche gebildete poröse Metallschicht aufweist, in der Poren definiert sind bzw. vorliegen, wobei die Poren und ihre Ober fläche mit einer Imprägnierungsbeschichtungsmasse imprägniert und beschichtet sind, die aus 5 bis 30 Vol.-% Bleimetall mit einer spezifi schen Oberfläche von 1.000 bis 8.500 cm²/g in einer mittleren Teilchengröße und zum Rest im wesentlichen aus PTFE besteht.

2. Verfahren zur Herstellung eines Gleit- bzw. Schie bematerials, umfassend die Stufen: Imprägnieren und Bedecken der Poren und ihrer Oberfläche, die in einer auf der Ober fläche eines Stützmetalls bzw. einer Metallunterlage gebil deten porösen Metallschicht vorliegen, mit einer Imprägnie rungsbeschichtungsmasse, die aus 5 bis 30 Vol.-% Bleimetall mit einer spezifischen Oberfläche von 1.000 bis 8.500 cm²/g in einer mittleren Teilchengröße und zum Rest im wesentli chen aus PTFE besteht, und anschließendes Brennen des Stützmetalls bzw. der Metallunterlage zusammen mit der ge nannten Imprägnierungsbeschichtungsmasse in neutraler Atmo sphäre oder in reduzierender Atmosphäre.

3. Gleit- bzw. Schiebematerial mit einem Stützmetall bzw. einer Metallunterlage, das bzw. die eine auf der Ober fläche gebildete poröse Metallschicht aufweist, in der Poren definiert sind bzw. vorliegen, wobei die Poren und ihre Ober fläche mit einer Imprägnierungsbeschichtungsmasse imprägniert und beschichtet sind, die aus 5 bis 30 Vol.-% Bleimetall mit einer spezifi schen Oberfläche von 1.000 bis 8.500 cm²/g in einer mittleren Teilchengröße, 0,5 bis 30 Vol.-% mindestens eines Materials, ausgewählt aus einer Gruppe B (Füllstoff), bestehend aus ei nem festen Schmiermittel, wie einem Metalloxid, Metallfluo rid, Graphit und dergleichen, einem Fasermaterial, wie Koh lenstoff-Fasern, Glasfasern und dergleichen und Keramiken, wie SiC und dergleichen, und zum restlichen Teil im wesent lichen aus PTFE besteht, wobei die Gesamtmenge der anderen Komponenten als PTFE 5,5 bis 50 Vol.-% beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Gleit- bzw. Schie bematerials, umfassend die Stufen: Imprägnieren und Bedecken der Poren und ihrer Oberfläche, die in einer auf der Ober fläche eines Stützmetalls bzw. einer Metallunterlage gebil deten porösen Metallschicht vorliegen, mit einer Imprägnie rungsbeschichtungsmasse und anschließendes Brennen des Stützmetalls bzw. der Metallunterlage zusammen mit der ge nannten Imprägnierungsbeschichtungsmasse, die aus 5 bis 30 Vol.-% Bleimetall mit einer spezifischen Oberfläche von 1.000 bis 8.500 cm²/g in einer mittleren Teilchengröße, 0,5 bis 30 Vol.-% mindestens eines Materials, ausgewählt aus einer Gruppe B (Füllstoff), bestehend aus ei nem festen Schmiermittel, wie einem Metalloxid, Metallfluo rid, Graphit und dergleichen, einem Fasermaterial, wie Koh lenstoff-Fasern, Glasfasern und dergleichen, und Keramiken, wie SiC und dergleichen, und zum restlichen Teil im wesent lichen aus PTFE besteht, wobei die Gesamtmenge der anderen Komponenten als PTFE 5,5 bis 50 Vol.-% beträgt, in neutraler Atmosphäre oder in reduzierender Atmosphäre.