Gleitmaterial auf PTFE-Polymerbasis mit die tribologischen Eigenschaften verbessernden Füllstoffen

Die Erfindung betrifft ein Gleitmaterial auf PTFE- Polymerbasis mit die tribologischen Eigenschaften verbessernden Füllstoffen. Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von

Gleitmaterialien bekannt, die beispielsweise auf PTFE-Basis beruhen und verschiedenste Füllstoff verwenden. Beispielsweise ist in der DE 10 2011 077 008 AI ein

Gleitlagerverbundwerkstoff auf PTFE-Basis beschrieben, wobei Füllstoffe umfassend Thermoplaste und/oder Duroplaste und weitere tribologisch wirksame Stoffe zusammen in compoundierter Form in der Polymerbasis des

Gleitschichtmaterials vorliegen.

Weiterhin beschreibt die EP 2 563 590 Bl einen

Gleitlagerwerkstoff auf Fluorpolymerbasis, zum Beispiel auf PTFE-Basis, wobei 5-25 Vol.-% Bornitrid und 1-15 Vol.-% Mischphasenoxidpigmente dem Fluorpolymer zugegeben sind, wodurch die Verschleißfestigkeit verbessert werden soll.

Die EP 2 316 707 AI sowie die EP 1 647 574 AI beschreibt einen Gleitlagerwerkstoff auf PTFE-Basis mit Bariumsulfat, Phosphat und einer Menge 0,1 bis 2% an Metallsulfid.

Schließlich ist aus der WO 2016/170742 AI ein Werkstoff auf Basis PTFE und 10-40 % Phosphate bekannt. Trotz der Vielzahl an Gleitmaterialien, die im Stand der Technik beschrieben sind, besteht nach wie vor ein Bedarf an einem Gleitmaterial, das verschleißfest ist und sowohl für trockenlaufende als auch geschmierte Rotations- und Axialanwendungen geeignet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die tribologischen

Eigenschaften und insbesondere gleichzeitig die

Verschleißfestigkeit von Gleitmaterialien auf PTFE- Polymerbasis bei den verschiedenen Anwendungen zu

verbessern .

Diese Aufgabe wird durch ein Gleitmaterial auf PTFE- Polymerbasis mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 12 vorbeschrieben.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen

Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 13 sowie und ein Gleitlagerelement nach Anspruch 14. Dabei hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass der Zusatz von mindestens einem Phosphat zusammen mit

wenigstens mehr als 2 Vol.-% Metallsulfid, wobei als

Phosphat insbesondere ein Calciumphosphat ,

Calciumpyrophosphat , Magnesiumphosphat,

Magnesiumpyrophosphat , Lithiumphosphat, Hydroxylapatit oder Kombinationen hiervon eingesetzt wird, als Füllstoffe zur PTFE-Polymerbasis die Verschleißfestigkeit des

Gleitmaterials signifikant verbessert. Dies kann bereits ohne Zusatz weiterer Füllstoffe erreicht werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von einem Calciumphospat . Als Calciumphosphat können z.B. Pentacalcium Phosphat,

Pentacalcium Hydroxyorthophosphat (Hydroxy Apatite) ,

Tricalcium bis (orthophosphat ) , Dicalcium pyrophosphat oder Calcium hydrogenorthophosphat verwendet werden.

Besonders vorteilhafte Eigenschaften ergeben sich, wenn der Anteil der Phosphate in Summe 1 - 30 Vol.-%, insbesondere 1 25 Vol.-% und insbesondere 1 - 20 Vol.-% des Gleitmaterials beträgt. Besonders bevorzugt sind Mengenanteile zwischen 10 - 15 Vol.-%. Besonders vorteilhafte Eigenschaften ergeben sich, wenn der Anteil der Phosphate in Summe 1 - 30 Vol.-%, insbesondere 1 25 Vol.-% und insbesondere 1 - 20 Vol.-% des Gleitmaterials beträgt. Besonders bevorzugt sind Mengenanteile zwischen 10 - 15 Vol.-%. Dabei beträgt die Anteil wenigstens 1 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 3 Vol.- %, vorzugsweise wenigstens 5 Vol.-%, weiter vorzugsweise wenigstens 10 Vol.-%, weiter vorzugsweise wenigstens 12 Vol.-% und weiter vorzugsweise wenigstens 15 Vol.-%. Weiter vorzugsweise beträgt der Anteil höchstens 30 Vol.-%, weiter bevorzugt höchstens 25 Vol.-%, weiter bevorzugte höchstens 20 Vol.-% und schließlich weiter vorzugsweise höchstens 15 Vol.-%. Dazu enthält das Gleitmaterial neben dem Phosphat ein oder mehrere Metallsulfide in einem Anteil von mehr als 2 Vol.- %, vorzugsweise mehr als 3 Vol.-% und weiter vorzugsweis mehr als 5 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 7 Vol.-% und besonderes bevorzugt mehr als 9 Vol.-% und weiter bevorzugt 10 Vol.-% oder mehr als 10 Vol.-%. Weiter bevorzugt beträgt der Anteil an Metallsulfid höchstens 30 Vol.-%,

vorzugsweise höchstens 20 Vol.-% und weiter vorzugsweise höchstens 15 Vol.-%. Dabei verbessert, neben dem verwendeten Phosphat, das mit einem Anteil von mehr als 2 Vol.-% eingesetzte Metallsulfid die tribologischen Eigenschaften weiter. Als Metallsulfide kann bevorzugt mindestens eins aus der Gruppe SnS ₂ , M0S ₂ , B1 ₂ S ₃ , WS ₂ , ZnS und/oder CuS sowie Kombinationen zum Einsatz kommen .

Das erfindungsgemäße Gleitmaterial ist bevorzugt bleifrei.

Das vorliegende Gleitmaterial eignet sich dabei

insbesondere für Verwendungen außerhalb des Motors im

Automobilbereich, insbesondere bei Common Rail Pumpen, Stoßdämpfern, Getrieben und Lenksystemen, insbesondere in Rotations- und Axialanwendungen. Bei derartigen Anwendungen besteht der Wunsch, bleifreie Gleitmaterialien einzusetzen. Das vorliegende Gleitmaterial stellt nun ein Material bereit, das eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist, insbesondere bei gleichgutem oder sogar verbesserten

Reibverhalten.

Beim erfindungsgemäßen Gleitmaterial wird eine PTFE-Basis als Polymerbasis für die Polymermatrix verwendet. Dies bedeutet nicht zwingend, dass die gesamte Polymerbasis aus PTFE bestehen muss. Anteile bis zu 30 Vol.-% des

Polymeranteils, insbesondere bis 20 Vol.-% und vorzugsweise nur bis 10 Vol.-% der PTFE-Polymerbasis können durch andere Polymere und Kombinationen daraus, wie insbesondere PVDF, PFA, FEP, ECTFE, E FE ersetzt sein. Vorzugsweise besteht die gesamte PTFE-Polymerbasis zu 100 Vol.-% aus PTFE.

Das Verhältnis der Volumina von Phosphat zu Metallsulfid beträgt vorzugsweise 6:1 bis 1:2, weiter vorzugsweise 4:1 bis 1:1.

Insbesondere können auch ein oder mehrere Phosphate, z.B. Calciumphosphat , mit zwei oder mehreren Metallsulfiden kombiniert werden.

Dabei werden die Volumenanteile mit Hilfe des Gewichts und der Dichte bestimmt.

Das Gleitmaterial kann bevorzugt weitere sekundäre

Füllstoffe umfassen, insbesondere weitere

Festschmierstoffe, insbesondere BaS0 ₄ , Lithophone und/oder Fluoride, insbesondere Calciumfluorid, und/oder Pigmente sowie Kombinationen der vorgenannten sekundären Füllstoffe. Hierdurch werden die Verschleißeigenschaften weiter verbessert .

Darüber hinaus können weitere tertiäre Füllstoffe,

insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern, Polymerfasern (insbesondere Aramidfasern) ; und/oder Festschmierstoffe, wie insbesondere Graphit, Ruß, BN und/oder

Kunststoffpartikel, wie PFPE, Aramid (PPTA)-, PPS0 ₂ -, PI- und PAI-Partikel, Polyacrylatpartikel (PAR) , PBA-Partikel , PBI-Partikel ; und/oder Metalloxide, wie insbesondere Fe ₂ Ü3, A1 ₂ 0 ₃ , Si0 ₂ , Cr0 ₂ , Ti0 ₂ , CuO, MgO, ZnO; und/oder

Hartstoffpartikel , insbesondere keramische Partikel, wie SiC, S1 ₃ N ₄ , BC, cubisches BN; und/oder Fluoride, wie insbesondere NaF, A1F ₃ ; und/oder Schichtsilikate, wie insbesondere Kaolin, Glimmer, Wollastonit, Talk,

Kieselsäure; und/oder metallische Feinpulver, wie

insbesondere Bronze und Wismut; und/oder Pigmente oder Mischphasenoxidpigmente, wie insbesondere Co-Al, Cr-Sb-Ti, Co-Ti, Fe-Al, Mn-Fe oder Co-Cr im Gleitmaterial enthalten sein. Vorzugsweise beträgt dabei der Anteil der sekundären

Füllstoffe 0 - 30 Vol.-%, insbesondere 1 - 20 Vol.-% und insbesondere 1 - 10 Vol.-% des Gleitmaterials.

Der Anteil der tertiären Füllstoffe im Gleitmaterial kann 0 - 10 Vol.-% des Gleitmaterials betragen.

Weiterhin ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die PTFE-Polymerbasis 50 - 95 Vol.-%, insbesondere 60 - 95 Vol.-% und insbesondere 70 - 90 Vol.-% des Gleitmaterials ausmacht. Auf diese Weise können die Eigenschaften des PTFE Materials das Gleitmaterial in hinreichender Weise

beeinflussen .

Das Gleitmaterial kann dabei zur Herstellung eines

Gleitlagerverbundwerkstoffs dienen mit einer metallischen Stützschicht, insbesondere aus Stahl oder Bronze, optional mit einer porösen Trägerschicht, insbesondere aus

gesinterter Bronze und mit einem die Poren der

Trägerschicht oder Stützschicht ausfüllenden Gleitmaterial der vorstehend beschriebenen Art. Das Gleitmaterial mit der PTFE-Basis und den Füllstoffen liegt hierzu vorzugsweise in Pastenform vor. Das pastöse Gleitmaterial wird dann auf die poröse Schicht aufgebracht und über einen Walzvorgang in die Poren einimprägniert und anschließend ausgesintert.

Der Gleitlagerverbundwerkstoff kann als Gleitlagerelement eingesetzt werden, wobei ein Gleitlagerelement

beispielsweise eine Gleitleiste, ein Gleitschuh, ein

Gleitkissen sowie eine Gleitlagerschale, eine

Gleitlagerbuchse oder eine Gleitlagerbundbuchse sein kann. Bei Gleitelementen kann es sich darüber hinaus auch um typischerweise gerollte zylindrische Buchsen oder

halbschalenförmige Gleitlagerelemente handeln, die mit dem Gleitlagerverbundwerkstoff hergestellt werden. Der

Gleitlagerverbundwerkstoff kann auch zur Herstellung von Bundbuchsen oder Topfbuchsen oder ebenen und sphärischen Gleitlagerelementen eingesetzt werden.

Im Folgenden sind verschiedene Bespiele sowie Referenzen aufgelistet . Beispiel Füllstoffe Polymermatrix

(Vergleich)

20 Vol.-% ZnS PTFE (Rest) 1

(Referenz ) 20 Vol.-% Calciumphosphat PTFE (Rest) 2

(Vergleich) PTFE (Rest

20 Vol.-% Bi ₂ S ₃

3

(Vergleich) PTFE (Rest

20 Vol.-% SnS ₂

4

(Vergleich) PTFE (Rest

20 Vol.-% WS ₂

5

15 Vol.-% Calciumphosphat PTFE (Rest)

6

10 Vol.-% Bi ₂ S ₃

15 Vol.-% Calciumphosphat PTFE (Rest)

7

10 Vol.-% SnS ₂

15 Vol.-% Calciumphosphat PTFE (Rest)

8

10 Vol.-% WS ₂

10 Vol.-% Calciumphosphat PTFE (Rest)

9 10 Vol.-% Bi ₂ S ₃ 10 Vol.-% BaS0 ₄ Beim in den Beispielen verwendeten Calciumphosphat handelt es sich in allen Fällen um tri-Calcium-Phosphat Ca3(P0 ₄ )2-

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1: eine schematische Schnittansicht eines

erfindungsgemäßen Metall /Kunststoff- Gleitlagerverbundwerkstoffs ; Figur 2: Messergebnisse von Verschleißwerten von aus den vorstehenden Gleitmaterialien gefertigten Gleitlagerelementen;

Figur 3: Messergebnisse von Reibwerten von aus den

vorstehenden Gleitmaterialien gefertigten

Gleitlagerelemente .

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoffs 2 mit einer metallischen Stützschicht 4, typischerweise aus Stahl, und mit einer porösen Trägerschicht 6. Die poröse Trägerschicht 6 ist gebildet von einer Sinterschicht aus metallischen Partikeln 7 auf Bronzebasis. Die Partikel der Trägerschicht 6 bilden dabei zusammenhängende makroskopische Hohlräume (die aber nicht maßstabsgetreu dargestellt sind) , in welche ein erfindungsgemäßes Gleitmaterial 8 auf Polymerbasis einimprägniert ist. Das Gleitmaterial 8 füllt dabei die Poren der Trägerschicht 6 im Wesentlichen vollständig aus. Die matrixbildende Polymerkomponente des

Gleitschichtmaterials 8 beruht auf PTFE-Basis im eingangs definierten Sinn. Die Polymerkomponente besteht

vorteilhafterweise aus PTFE. Das Gleitschichtmaterial 8 umfasst des Weiteren Füllstoffe, die in der matrixbildenden Polymerkomponente aufgenommen sind, nämlich ein oder mehrere Phosphate sowie ein oder mehrere Metallsulfide. Weitere Füllstoffe neben Phosphaten und Metallsulfiden können sich als vorteilhaft erweisen und sind ebenfalls nicht dargestellt. Es kommen hier insbesondere die eingangs genannten sekundären und/oder tertiären Füllstoffe in

Frage .

Figur 2 zeigt das Ergebnis von Verschleißmessungen und Figur 3 von Reibwertmessungen an Gleitlagerelementen, die mit Gleitlagerverbundwerkstoffen unter Verwendung von

Gleitmaterialien der vorstehenden Beispiele 1 bis 9 gemessen wurden. Die Gleitlagerverbundwerkstoffe umfassen eine metallische Stützschicht aus Stahl, eine poröse

Trägerschicht der vorstehend beschriebenen Art und ein die Poren der Trägerschicht ausfüllendes Gleitmaterial auf Polymerbasis. Die untersuchten Gleitlagerelemente

unterscheiden sich ausschließlich hinsichtlich der

Zusammensetzung des Gleitmaterials.

Die Verschleißfestigkeit und die Reibwerte wurden dabei in einer Rotationsprüfung mit einer Gleitgeschwindigkeit von 2 m/s unter einer Last von 0,75 MPa ermittelt. Die

Prüfparameter sind in der nachstehenden Tabelle angegeben.

Hierzu wurde eine Buchse als Gleitlagerelement mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von

23 mm sowie 15 mm Breite hergestellt, die das Gleitmaterial gemäß den vorstehenden Beispielen 1 bis 9 aufweist. Beispiel 2, das lediglich Calciumphosphat als Füllstoff enthält, dient dabei als Referenzbeispiel, auf dessen

Messwerte die anderen Beispiele bezogen sind. Die Beispiele 1 sowie 3-5 sind nicht erfindungsgemäße

Vergleichsbeispiele. Die Beispiele 6-9 zeigen

Gleitmaterialien gemäß der Erfindung.

Die Gleitmaterialien, denen als Füllstoff Calciumphosphat und ein Metallsulfid zugegeben wurden und die somit der Erfindung entsprechen, zeigen einen deutlich und

überraschend niedrigeren Verschleiß als die

Vergleichsbeispiele sowie das Referenzbeispiel. Durch die gezielten Kombinationen von Calciumphosphat mit Metallsulfiden als weiteren Festschmierstoffen (primären Füllstoffen), wie B1 ₂ S ₃ (Beispiel 6), SnS ₂ (Beispiel 7) oder WS ₂ (Beispiel 8) kann die Verschleißfestigkeit weiter verbessert werden. Ferner wurden einer Mischung aus

Phosphat und primären Füllstoffen (hier B1 ₂ S ₃ ) und

sekundärem Füllstoffe, hier BaS0 ₄ als Festschmierstoff untersucht, wodurch sich die Verschleißwerte weiter

verbessern (s. Beispiel 9) . Besonders die Beispiele 8 und 9 zeigen einen um mehr als 50% niedrigeren Verschleiß als die Referenzen bei gleichbleibend guten Reibwerten.