Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenmaterial auf

Polyamidbasis mit die tribologischen und insbesondere Verschleißeigenschaften verbessernden Füllstoffen.

Neben anderen Anwendungen, wie Zahnräder und

Getriebebauteile finden Oberflächenmaterialien als

Gleitmaterialien z.B. in Gleitlagern Verwendung.

Im Stand der Technik sind Oberflächenmaterialien in Form von Gleitmaterialien, die Polyamide verwenden, bekannt, wird beispielsweise ungefülltes Polyamid 4.6 eingesetzt, das jedoch für kritische Anwendungen im Nutzfahrzeugbereich nicht verschleißfest genug ist.

Darüber hinaus sind eine Vielzahl von weiteren

Gleitmaterialien bekannt, die beispielsweise auf PTFE-Basis beruhen und Polyamid lediglich als Füllstoff verwenden.

Etwas Entsprechendes ist beispielsweise in der DE 10 2011 077 008 AI beschrieben, die einen

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

Gleitschichtmaterials vorliegen.

Den Einsatz von Polyamiden als Festschmierstoffe in

lösungsmittelfreien Polyamidimidgleitlacken auf Wasserbasis hat die DE 10 2013 021 949 AI zum Gegenstand. Neben dem Einsatz als klassischem Gleitmaterial besteht ein weiteres Anwendungsfeld für derartige

Oberflächenmaterialien für Getriebeteile, so wie Zahnräder, die aufgrund des reibenden oder wälzenden Kontakts mit einem Gegenpart einem nicht unerheblichen Verschleiß unterliegen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik war es nun Aufgabe der Erfindung, die tribologischen Eigenschaften und

insbesondere die Verschleißfestigkeit von

Oberflächenmaterialien auf Polyamidbasis zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Oberflächenmaterial auf

Polyamidbasis, mit die tribologischen Eigenschaften

verbessernden Füllstoffen gelöst, bei dem die Füllstoffe ein oder mehrere Metallsufide und/oder Calciumphosphat umfassen.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung Formkörper und

Gegenstände aus oder mit dem erfindungsgemäßen

Oberfächenmaterial .

Dabei hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass der Zusatz von einem oder mehreren Metallsufiden und/oder

Calciumphosphat zur Polyamidbasis die Verschleißfestigkeit des Oberflächenmaterials signifikant verbessert. Das vorliegende Oberflächenmaterial eignet sich dabei

insbesondere für Verwendungen außerhalb des Motors im

Automobilbereich, insbesondere in fettgeschmierten

Systemen, wie Getriebebauteilen, Zahnrädern,

Nutzfahrzeugbremssystemen, Achsschenkellagerungen, etc. Bei derartigen Anwendungen besteht der Wunsch, bleifreie

Oberflächenmaterialien einzusetzen. Das vorliegende

Oberflächenmaterial stellt nun ein Material bereit, das eine ausreichende Verschleißfestigkeit aufweist. Beim erfindungsgemäßen Oberflächenmaterial wird eine

Polyamidbasis als Polymerbasis verwendet. Dies bedeutet nicht zwingend, dass die gesamte Polymerbasis zu 100 % aus Polyamid bestehen muss. Anteile bis zu 30 Gew.-% des

Polymeranteils, insbesondere bis 20 Gew.-% und vorzugsweise nur bis 10 Gew.-% der Polyamidbasis können durch andere

Polymere und Kombinationen daraus, wie insbesondere PTFE, aber auch z. B. PVDF, PFA, FEP, ECTFE, E FE ersetzt sein. Vorzugsweise besteht die gesamte Polyamidbasis zu 100 Gew.- % aus Polyamid. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Polyamidbasis PA 4.6 umfasst und insbesondere zu mindestens 60 Gew.-%, insbesondere zu mindestens 70 Gew.-%, insbesondere mindestens zu 80 Gew.-%, insbesondere zu mindestens 90 Gew.-% und insbesondere zu 100 Gew.-% aus PA 4.6 besteht.

Daneben können zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften des Oberflächenmaterials, insbesondere zur besseren

Compoundierbarkeit der Materialien, zwischen 0 Gew.-% und 40 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% bis 30 Gew.-% und

insbesondere 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% der Polyamidbasis weitere von PA 4.6 verschiedene Polyamide eingesetzt werden, insbesondere PA 6 und/oder PA 6.6. Besonders vorteilhafte Eigenschaften ergeben sich, wenn der Anteil an dem einen oder mehreren Metallsulfiden und/oder Calciumphosphat in Summe 1 Gew.-% bis 30 Gew.-%,

insbesondere 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% und insbesondere 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere 10 Gew.-% des

Oberflächenmaterials beträgt. Je nach konkreter Auswahl der Füllstoffe kann es auch besonders bevorzugt sein, wenn der Anteil aus Calciumphosphat und/oder Metallsulfiden 5 Gew.-% oder 10 Gew. -% beträgt jeweils bezogen auf das

Oberflächenmaterial . Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn sowohl das

mindestens eine Metallsulfid als auch Calciumphosphat eingesetzt werden. Dabei beträgt der Anteil des mindestens einen Metallsulfids vorzugsweise 1 bis 50 Gew.-% und von Calciumphosphat 50 bis 99 Gew.-% an der Mischung aus

Metallsufid und Calciumphosphat. Insbesondere beträgt der Anteil an Metallsulfid 3 bis 40 Gew.-% und von

Calciumphosphat von 60 bis 97 Gew.-%. Weiter insbesondere beträgt der Anteil an Metallsulfid 5 bis 30 Gew.-% und von Calciumphosphat von 70 bis 95 Gew.-%.

Besonders bevorzugt können Mischungen aus Calciumphosphat und/oder einem oder mehreren Metallsulfiden, insbesondere M0S ₂ , SnS ₂ , WS ₂ oder Bismutsulfid sowie Kombinationen der vorgenannten eingesetzt werden.

Ebenfalls ist besonders bevorzugt ist die Verwendung von WS ₂ ohne Zugabe von Calciumphosphat. Als besonders bevorzugt haben sich Füllstoffe folgender Zusammensetzung erwiesen:

2-20 Gew.-% SnS ₂ ,

70-97 Gew.-% Calciumphosphat

1-10 Gew.-% WS ₂ .

Dabei beziehen sich die Gewichtsangaben auf die Summe der Gewichte der drei Füllstoffe. Die Summe der Anteile ergibt dabei 100 Gew.-%. Diese Zusammensetzung kann dann zu 1 Gew.-% bis 30 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% und insbesondere 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere 10 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Oberflächenmaterials, im Oberflächenmaterial eingesetzt werden. Je nach konkreter Auswahl der Füllstoffe kann es auch besonders bevorzugt sein, wenn der Anteil aus Calciumphosphat und/oder

Metallsulfiden 5 Gew.-% beträgt bezogen auf das Gewicht des Oberflächenmaterials .

Eine weitere besonders bevorzugte Zusammensetzung an

Füllstoffen sind

50 Gew.-% Calciumphosphat

50 Gew.-% WS ₂ bezogen auf die Summe der Gewichte der beiden Füllstoffe der Zusammensetzung.

Besonders bevorzugt sind dabei Gewichtsverhältnisse

Calciumphosphat zu Metallsulfid von 5:1 bis 1:1.

Für eine bevorzugte Zusammensetzung der Füllstoffe von SnS ₂ / Calciumphosphat / WS ₂ (jeweils Massenanteile bezogen auf den Massenanteil von WS ₂ ) ergeben sich bevorzugte Anteile wie folgt: 1-3 SnS ₂ ,

9-13 Calciumphosphat

1 WS ₂ ,

und insbesondere

1,67 SnS ₂ ,

11 Calciumphosphat

1 WS ₂ .

Alternativ besonders bevorzugt sind als Füllstoffe

Calciumphosphat und WS ₂ im Massenverhältnis von 1:1. Derartige FüllstoffZusammensetzungen bieten bei solchen Oberflächenmaterialien besonders gute tribologische

Eigenschaften, die insbesondere die Verschleißeigenschaften von z.B. Gleitlagern, Gleitführungen aber auch von

Getriebeteilen oder auch Zahnrädern sowie Transportketten und Kabel- und Kettenführungen positiv beeinflussen.

Bezogen auf die Masse des Oberflächenmaterials können die Füllstoffe vorteilhafterweise auch folgende Zusammensetzung aufweisen :

5 Gew.-% Calciumphosphat und 5 Gew.-% WS ₂ .

Darüber kann es auch vorteilhaft sein, nur Metallsulfide, insbesondere WS ₂ , als Füllstoff einzusetzen, insbesondere mit einem Anteil von 10% Gew.-% bezogen auf das

Oberflächenmaterial .

Darüber hinaus können die Füllstoffe weitere tribologisch wirksame Stoffe umfassen, z.B. Verstärkungsstoffe, wie insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern, Polymerfasern (insbesondere Aramidfasern) ; und/oder Festschmierstoffe, wie insbesondere PTFE, ZnS, BaS0 ₄ , Graphit, Ruß, BN

und/oder Kunststoffpartikel , wie insbesondere Aramid

(PPTA)-, PPS0 ₂ -, PI- und PAI-Partikel, Polyacrylatpartikel (PAR) , PBA-Partikel, PBI-Partikel ; und/oder Metalloxide, wie insbesondere Fe ₂ 0 ₃ , 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 CaF ₂ , NaF, AIF ₃ ; und/oder

Schichtsilikate, wie insbesondere Kaolin, Glimmer, Wollastonit, Talkum, gefällte Kreide, 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 oder Co-Cr.

Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Anteil der weiteren tribologisch wirksamen Stoffe 0 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, insbesondere 5 Gew.-% des

Oberflächenmaterials beträgt.

Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung von

Schichtsilikaten, insbesondere Kaolin und/oder Wollastonit und /oder Talkum, und/oder Festschmierstoffen, insbesondere BaSo ₄ und/oder ZnS .

Weiterhin ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Polyamidbasis 50 Gew.- bis 95 Gew.-%, insbesondere 60 Gew.- % bis 95 Gew.-% und insbesondere 70 Gew.-% bis 90 Gew.-% des Oberflächenmaterials bildet. Auf diese Weise können die Eigenschaften des Polyamidmaterials das Oberflächenmaterial in hinreichender Weise beeinflussen.

Das Oberflächenmaterial kann dabei zur Herstellung eines Gleitlagerverbundwerkstoffs dienen mit einer metallischen Stützschicht, insbesondere aus Stahl oder Bronze, optional mit einer porösen Trägerschicht, insbesondere aus Bronze und mit einem die Poren der optionalen Trägerschicht ausfüllenden und als Gleitmaterial dienenden

Oberflächenmaterial der vorstehend beschriebenen Art.

Hierzu wird das Oberflächenmaterial mit seinen Füllstoffen in ein folienartiges Flachmaterial extrudiert und dieses Flachmaterial wird auf eine metallische Stützschicht aufgebracht, bzw. in die Poren der porösen Trägerschicht einimprägniert, wobei hierfür vorzugsweise ein

Heißpressprozess und/oder ein Walzvorgang eingesetzt wird.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch einen

dreidimensionalen Formkörper bestehend aus oder mit einem Oberflächenmaterial der vorstehend beschriebenen Art, der insbesondere als Spritzguss- oder Extrusionsteil

hergestellt ist. Der Formkörper kann darüber hinaus an ein Trägerteil aus einem anderen Material angefügt,

insbesondere an dieses angespritzt sein. Es sind aber auch mechanische oder andere Stoffschlüssige Verbindungsarten denkbar. Ebenfalls sind additive Fertigungsverfahren denkbar, mit denen der Formkörper hergestellt werden kann. Der Formkörper kann als Gleitlagerelement aber auch als Getriebebauteil oder z.B. als Zahnrad ausgebildet sein oder Verwendung finden.

Dabei betragen die Abmessungen des Formkörpers in jeder Dimension mindestens 1 mm, insbesondere mindestens 2 mm und weiter insbesondere mindestens 5 mm oder mindestens 6 mm. Selbstverständlich können die Abmessungen demgegenüber auch sehr viel größer sein.

Der mit dem Oberflächenmaterial gebildete

Gleitlagerverbundwerkstoff oder der aus oder mit dem

Oberflächenmaterial gebildete dreidimensionale Formkörper können 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 einem Gleitschuh oder einer Gleitleiste betragen die Abmessungen des Formkörpers in jeder Dimension

mindestens 1 mm, insbesondere mindestens 2 mm und weiter insbesondere mindestens 5 mm oder mindestens 6 mm.

Selbstverständlich können die Abmessungen demgegenüber auch sehr viel größer sein. Grundsätzlich sind auch

Schalenformen, wie insbesondere Kugelschalenformen,

Buchsen- oder Bundbuchsen sowie weitere Bauteile bei der Verwendung des Formkörpers denkbar.

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.

In der nachfolgenden Tabelle sind Beispiele für ein als Gleitmaterial dienendes Oberflächenmaterial angegeben. Die Verschleißwerte sind in Figur 1 gezeigt.

Beispiel Nr. Referenz 1 2 3 4 5

80 Gew.-% PA

100 Ge .-% 80 Ge .-% PA 85 Gew.-% PA 80 Gew.-% PA

4.6 75 Gew.-% PA 4.6 PA 4.6 4.6 4.6 4.6

Polyamid¬

10 Ge .-% PA 10 Gew.-% PA 10 Gew.-% PA

basis 15 Gew.-% PA 6.6

6.6 6.6 6.6

7,5 Gew.-%

5 Gew.-% PTFE

PTFE

10 Ge .-% 10 Ge .-% 5 Gew.-%

Füllstoffe - - -

WS ₂ Mischung A Mischung A

Weitere

tribologisch 10 Ge .-% 7,5 Gew.-%

- - - wirksame Kaolin Kaolin

Stoffe

Verschleiß 174 189 117 83 71 64

Beispiel Nr. 6 7 8 9 10

80 Gew. -% PA 4.6

80 Gew. -% PA 4.6 80 Gew.-% PA 4.6 70 Gew.-% PA 4.6 70 Gew. -% PA 4.6

Polyamid10 Gew.-% PA 6.6 10 Gew.-% PA 6.6 10 Gew.-% PA 6.6 15 Gew.-% PA 6.6 15 Gew.-% PA 6.6 basis

5 Gew.-% PTFE 5 Gew.-% PTFE

5 Gew.-%

5 Gew.-% 5 Gew.-% 5 Gew.-% 5 Gew.-% Mischung

Füllstoffe Calciumphosphat

Mischung A Mischung A Mischung A A

5 Gew.-% WS ₂

Weitere

tribologisch 5 Gew.-% 5 Gew.-%

5 Gew.-% Kaolin 5 Gew.-% Talkum wirksame Bariumsulfat Zinksulfid

Stoffe

Verschleiß 57 55 51 46 43

Mischung A: 1,67 Anteile SnS ₂

11 Anteile Calciumphosphat 1 Anteil WS ₂

Die Verschleißwerte in um sind in der nachfolgenden Figur 1 aufgetragen zusammen mit den Parametern der Messung:

Figur 1 kann entnommen werden, dass die Zugabe von Füllstoffen der Mischung A oder die Zugabe von Calciumphosphat zusammen mit WS ₂ bzw. die Zugabe von WS ₂ alleine als beispielhaftes Metallsulfid die Verschleißwerte deutlich senkt und damit die Verschleißfestigkeit verbessert .

Die vorstehend dargestellten Beispiele 3 bis 10 stellen bevorzugte Zusammensetzungen des erfindungsgemäßen

Oberflächenmaterials dar, wobei die Polyamidbasis aus zwei verschiedenen Polyamiden mit Schwerpunkt PA 4.6 sowie teilweise PTFE gebildet ist und hierzu Anteile von 5 Gew.-% oder 10 Gew.-% einer Mischung A von Zinndisulfid,

Calciumphosphat und Wolframdisulfid im Verhältnis 5:33:3 Gew.-% zugegeben wurde sowie teilweise ein weiterer

tribologisch wirksamer Stoff, wie beispielsweise 5 Gew.-% Bariumsulfat, Zinksulfid, Kaolin oder Talkum in den

Beispielen 7-10. Eine alternative Zusammensetzung der

Füllstoffe ist in den Beispielen 3 und 6 gezeigt. Die Beispiele 1 bis 2 sind Vergleichsbeispiele. Ein Oberflächenmaterial aus PA 4.6 ohne Füllstoffe und weitere Bestandteile dient als Referenz.