DE2012383B2 - Gleitlagerelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlagerelement mit etwa 67 bis 79 Volumprozent Polytetrafluorethylen und verschleißmindernden Zusätzen aus Metall bzw. Metalloxyd.

Polytetrafluorethylen (nachstehend PTFE genannt), besitzt einen niedrigen Reibungskoeffizienten, was seine Verwendung für Lagerzwecke nahelegte. Es wurde jedoch bald erkannt, daß PTFE eine außerordentlich hohe Verschleißrate zeigt und den Zusatz eines Füllstoffes, wie eines Silikats, erfordert, bevor es praktische Verwendung für Lagerzwecke finden kann. Es wurden auch verschiedene Kombinationen aus zwei oder mehreren Füllstoffen als Zusatz zu PTFE vorgeschlagen. So ist beispielsweise in der USA.-PatentEchrift 31 22 505 die Herstellung von Lagern aus PTFE-Gemischen beschrieben, die ein Silikat und ein drittes Material, wie Aluminium, Molybdän, Silber, Kupfer, Blei oder ein Oxyd des Kupfers oder Bleis enthalten und in denen das Silikat in einer Menge von gleichen Volumteilchen bis zu dem zweifachen Volumanteil des in dem Gemisch vorliegenden Metalls oder Metalloxyds anwesend ist. Ferner werden in der USA.-Patentschrift 32 34 128 Gleitlager beschrieben, die aus einem Gemisch aus PTFE, Blei oder Bleioxyd und einer Kupferlegierung, wie Bronze, gebildet sind. Bisher wurden die PTFE-Bleioxyd-Bronze-Systeme wegen ihrer überlegenen Verschleißfestigkeit im Vergleich mit anderen bekannten PTFE-Kombinationen als die besten Materialien zur Herstellung von Gleitlagern angesehen.

Aus den vorgenannten Veröffentlichungen sowie aus anderen, wie z. B. der CH-PS 3 66 697 und dem Aufsatz »Lager« in der Zeitschrift »Konstruktion« auf S. 407 des Heftes 10 von 1967, ergibt sich, daß die Fachwelt die Eigenschaften derartiger Lagermaterialien als nicht voraussagbar ansah.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Lagerelement der eingangs angegebenen Art zu schaffen, da die bisherigen vergleichbaren Elemente bezüglich seiner Gleiteigenschaften, mechanischen Eigenschaften und thermischen Eigenschaften übertrifft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zusätze zum Polytetrafluoräthylen aus etwa 20 bis 30 Volumprozent Cadmium oder Cadmiumoxyd und etwa 1 bis 3 Volumprozent Kupferlegierung, deren Härte größer ist als diejenige von Cadmiumoxyd, bestehen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in einer auffallenden Verbesserung praktisch aller Parameter, die für die erfolgreiche Verwendung als Lagermaterial erforderlich sind. Die Verschleißfestigkeit ist mehr als doppelt so hoch wie die Verschleißfestigkeit der besten bekannten Lagermaterialien. Die erfindungsgemäßen Materialien sind außerdem gekennzeichnet durch niedrigere Dichte, höhere Zugfestigkeit und KompressioRsfestigkeit und durch thermische Eigenschaften, die denen der bekannten ΡΤΓΕ-Bleioxyd-Bronze-Systeme überlegen sind.

Die Mengenverhältnisse der verschiedenen Bestandteile der erfindungsgemäßen Gleitlagennaterialien können innerhalb der angegebenen Prozentzahlen so eingestellt werden, daß unter variierenden Bedingungen eine optimale Leistung erhalten wird. Ein bevorzugtes Gemisch zur Verwendung für Trockenlager enthält eine harte Kupferlegierung aus 90% Kupfer und 10% Zinn, wobei das PTFE in körniger Form vorliegt. Wenn das Lager während des Betriebes gekühlt wird, sollte der Anteil des härteren Füllstoffes erhöht werden, um optimale Verschleißeigenschaften zu erzielen. Achslager-Tests, die an einem Gemisch aus Cadmiumoxyd-Bronze-PTFE innerhalb des genannten bevorzugten Bereiches durchgeführt wurden, zeigten, daß das ao Material eine Verschleißfestigkeit bis zu dem 500fachen der Verschleißfestigkeit eines PTFE-Lagermaterials aufwies, das als einzigen Füllstoff Cadmiumoxyd oder Bronze für sich enthielt. Darüber hinaus beträgt die Verschleißfestigkeit des bevorzugten Gemisches »5 mehr als das Doppelte der Verschleißfestigkeit des zur Zeit erhältlichen besten Blei-Bronze-PTFE-Systems.

Die Füllstoffe werden nach einer beliebigen, bekannten Methode dem Fluorkohlenstoffharz einverbleibt. Beispielsweise wird die gewünschte Menge des Fluorkohlenstoffharzes in Form eines trockenen körnigen Pulvers zusammen mit teilchenförmigem Cadmium oder Cadmiumoxyd und Kupferlegierung in den gewünschten Mengenverhältnissen bei Raumtemperatur im Taumelmischer vermischt und danach zur Herstellung eines homogenen Gemisches in einer Standard-Pulverisiervorrichtung oder Schlagmühle weitergemischt. Auch können das Cadmium oder Cadmiumoxyd und die Kupferlegierung einer wäßrigen Suspension oder Dispersion des Fluorkohlenstoffharzes zugegeben und die Teilchen in der Suspension durch Rühren dispergiert werden. Die teilchenförmigen Feststoffe können dann durch Zugabe einer geringen Menge Aluminiumnitrat koaguliert werden. Der Vorgang kann durch Erhitzen der Dispersion beschleunigt werden. Die teilchenförmigen Feststoffe werden dann abgetrennt, in einem Trockenschrank mit zirkulierender Luft von beispielsweise 204⁰C getrocknet und danach granuliert. Andere Methoden des Koagulierens der Feststoffe aus der wäßrigen Dispersion sind bekannt und können ebenfalls angewendet werden.

Die homogene Mischung wird bei Raumtemperatur zu der gewünschten Form des Lagers verpreßt, was vorzugsweise bei einem Druck von 1400 kg/cm² oder mehr erfolgt. Die gebildeten Vorpreßlinge werden bei der Sintertemperaiur in der Größenordnung von 371°C des verwendeten, speziellen Fluorkohlenstoffharzes frei gesintert. Die homogene Mischung kann auch in einer Kolbenpreßvorrichtung, in der das Verformen und Sintern kontinuierlich erfolgt, extrudiert werden.

In den nachstehend angegebenen Ausführungsbeispielen bedeuten die Prozentangaben Volumprozent.

Es wurden Versuche an Achslagern durchgeführt, die aus verschiedenen Mischungen von Gleitlagermaterialien bestanden. Die geprüften Achslager hatten einen Durchmesser von 2,54 cm und waren 2,54 cm lang. Dabei wurde eine Welle aus niedriggekohltem Stahl mit einem Gleitflächenbelag von 0,25 μ verwendet. Jeder

ZU LZ

Versuch wurde während 200 Stunden bei Raumtemperatur unter trockenen Bedingungen bei ununterbrochenem Betrieb durchgeführt. Während des gesamten Versuches wurde eine konstante einseitige Belastung aufrechterhalten. Die Prüfwelle wurde mn Hilfe eines Futters mit einer horizontalen Achse verbunden, die elektrisch über eine Stufenscheibe -».ngetrieben wurde, um die Prüfgeschwindigkeit zu erreichen. Die als Probe dienende Lagerpfanne wurde mit einer Passung von 0,203 mm in ein Stahlgehäuse eingepreßt. Dieses wurde dann an einen Belastungsbügel montiert, an den die bei der durchzuführenden Prüfung erforderlichen Gewichte als ruhende Belastung angehängt wurden. Der erzielte Zwischenraum zwischen der Prüf-Lagerpfanne und der Welle bei Betrieb unter trockenen Bedingungen bei Raumtemperatur betrug 0,101 mm.

Mikrometermessungen der Wandstärke der Probe beim Punkt maximaler Belastung wurden vor und nach vollständiger Durchführung des Versuches vorgenommen. Ein mit dem Belastungsbügel verbundener BeIastungsmesser wurde mit einer elektronischen Aufzeichnungsvorrichtung zum Anzeigen der Reibungskräfte verbunden. Ein Thermoelement wurde in ähnlicher Weise angebracht, um die Betriebstemperatur an der Zwischenfläche zu messen. _2J

Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.

In F i g. 1 wird die Verschleißrate eines erfindungsgemaßen Materials, das PTFE, Cadmium und Bronze enthalt, mit der Verschleißrate von gefüllten PTFE-Gleitlagermassen verglichen, die als einzigen Füllstoff entweder Cadmiumoxyd oder Bronze für sich enthalten.

In F i g. 2 wird die Verschleißrate eines erfindungsgemaßen Materials mit der Verschleißrate des besten Bleioxyd-Bronze-PTFE-Materials des Standes der Technik verglichen.

F i g. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Gleitlager.

Die Kurve 10 in F i g. 1 zeigt die Verschleißrate eines aus PTFE, das mit 24% Cadmiumoxyd gefüllt ist, bestehenden Lagermaterials bei unterschiedlichen Reibungsgeschwindigkeiten. Wie aus Fi g. 1 ersichtlich ist, zeigte dieses Material eine rasch ansteigende Verschleißrate bei Erhöhung der Reibungsgeschwindigkeit und wäre bei Reibungsgeschwindigkeiten von mehr als 31 m/Min, als Gleitlagermaterial ungeeignet. Bei PV-Werten von 214 kg/cm² · m/Min, war das Material durch außerordentlich hohe Verschleißraten gekennzeichnet, die stark erhöht gegenüber den Werten waren, die bei einem PV-Wert von 107 kg/cm² · m/Min, erhalten wurden.

Die Kurve 12 der F i g. 1 zeigt den raschen Anstieg der Verschleißrate eines Gleitlagermaterials, das aus PTFE-Bronze-Material mit 27 Volumprozent Bronze bestand.

Kurve 14 der F i g. 1 zeigt die bei unterschiedlichen Reibungsgeschwinviigkeiten erhaltene Verschleißrate eines erfindungsgemäßer! Materials, das 24% Cadmiumoxyd, 1,7% Bronze und Rest PTFE enthält. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, erniedrigte sich die Verschleißrate dieses Materials tatsächlich bei erhöhter Reibungsgeschwindigkeit und war beträchtlich geringer, als die eines PTFE-Gemisches, das entweder Cadmiumoxyd für sich (Kurve 10) oder Bronzepulver für sich (Kurve 12) enthielt.

Die Kurve 16 der F i g. 1 zeigt die Verschleißrate der aus 24% CdO-1,7% Bronze und PTFE bestehenden Masse bei einem auf 214 kg/cm² m/Min, erhöhten Wert von PV. Trotz der doppelt so großen Belastung zeigten die erfindungsgemäßen Materialien eine Verschieißrate, die weiterhin mit erhöhter Reibungsgeschwindigkeit verringert wurde und die wesentlich geringer war, als die Verschleißrate der PTFE-CdO- oder PTFE-Bronze-Materialien (Kurven 12 und 14).

Das beste, vor der Erfindung bekannte, aDriebfeste Material aus einer gefüllten PTFE-Masse war ein Bleioxyd-Bronze-PTFE-System. Es wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, um diesem bekannte System mit den erfindungsgemäßen Materialien zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, daß durch die erfindungsgemäßen Materialien im Durchschnitt eine 100%ige Verbesserung erzielt wurde. In diesem Zusammenhang zeigt Fig.2 einen Vergleich der Verschleißfestigkeit eines erfindungsgemäßen Gleitlagermaterials mit der Verschleißrate der bisher erhältlichen besten Kombination aus Bleioxyd-Bronze-PTFE bei PV-Werten von 107 kg/cm² - m/Min, und 214 kg/cm² · m/Min. Die Kurven 20 und 22 zeigen den Verschleiß der erfindungsgemäßen Materialien bei PV-Werten von 107 kg/cm² · m/Min, und 214 kg/cm² ■ m/Min. In den Kurven 24 und 26 sind die Verschleißraten des Bleioxyd-Bronze- PTFE-Systems bei PV-Werten von 107 kg/cm² · m/Min, bzw. 214 kg/cm² ■ m/Min, angegeben. Bei einem während 500 Stunden durchgeführten Test, bei dem die Reibungsgeschwindigkeit 30,5 m/Min, betrug und bei dem ein PV-Wert von 214 kg/cm² · m/Min, angewendet wurde, zeigte das erfindungsgemäße Material (24% CdO-1,7% Bronze-Rest PTFE) einen radialen Verschleiß von 0,0228 mm, während die bekannte Bleioxyd-Bronze-PTFE-Masse einen radialen Verschleiß von 0,119 mm aufwies.

Durch die erfindungsgemäßen Materialien werden auch Verbesserungen der Verarbeitungsmethoden gegenüber bekannten Gleitlagermaterialien erzielt. Bei Verwendung von Formdrucken von mehr als 1400 kg/cm² wird aus den erfindungsgemäßen Massen ein Material mit höherer Dichte erhalten, wodurch bessere Verschleißraten sowie eine verminderte Neigung des Materials, durch exotherme Reaktionen während der Sinterung angegriffen zu werden, erzielt werden. Diese exothermen Reaktionen fallen besonders dann ins Gewicht, wenn bekannte oxydische Additive verwendet werden. Die bekannten Bleioxyd-Bronze-PTFE-Systeme sind aus diesem Grund auf die Herstellung von Teilen mit einer Dicke von weniger als 5 cm beschränkt.

Zusätzliche Versuche wurden durchgeführt, um weitere Verbesserungen aufzuzeigen, die durch die erfindungsgemäßen Materialien gegenüber den bekannten Bleioxyd-Bronze-PTFE-Systemen erzielt wurden. Dazu wurden Prüfkörper mit einem Durchmesser von 3,8 cm und einer Länge von 1,3 cm bei 1400 kg/cm² aus den bekannten Bleioxyd-Bronze-PTFE-Systemen und aus den erfindungsgemäßen Gleitlagermaterialien vorgeformt. Die Körper wurden bei 371⁰C gesintert. Zu diesem Zweck wurde die Temperatur in einer Rate von 67°C pro Minute auf einen Wert von 260⁰C und danach mit einer Rate von 33,5°C pro Minute bis auf 371⁰C erhöht. Die im Durchschnitt erforderliche Verweilzeil bei 371°C beträgt bei Teilen dieser Größe eine Stunde. Diese Dauer wurde ausgedehnt, um die Neigung der Bestandteile der Massen zum Eingeben einer Reaktion aufzuzeigen. Die aus den erfindungsgemäßen Materialien hergestellten Prüfkörper zeigten keinerlei Anzeichen einer thermischen Zersetzung. Die Bleioxyd-Bronze-PTFE-Materialien zerfielen jedoch nach 80 bis 90 Minuten.

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Hkfzo 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gleitlagerelement mit etwa 67 bis 79 Volumprozent Polytetrafluorethylen und verschleißmindernden Zusätzen aus Metall bzw. Metalloxyd, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze aus etwa 20 bis 30 Volumprozent Cadmium oder Cadmiumoxyd und etwa 1 bis 3 Volumprozent Kupferlegierung, deren Härte größer ist als diejenige von Cadmiumoxyd, bestehen.