具有硫化锌和硫酸钡的滑动轴承材料和滑动轴承复合材料的制作方法
【专利说明】具有硫化锌和硫酸钡的滑动轴承材料和滑动轴承复合材料
[0001] 本发明涉及基于塑料的滑动轴承材料以及包含相应滑动轴承材料的滑动轴承复 合材料。
[0002] 在许多情况下致力于使滑动轴承无需维修。为了能够实现无需维修，滑动轴承必 须具有良好的干式运转性能，即即使不使用液体润滑剂也能运转，为此，所使用的材料必须 可承受高摩擦。
[0003] 通过DE 195 24 968已知，使用包含填料的作为基础材料的含氟聚合物可以改进 滑动轴承的干式运转性能。通常通过例如以μπι/min测得的磨损速率表征干式运转性能。
[0004] 例如包含PTFE (聚四氟乙烯)和作为填料的MoS2 (二硫化钼）、PTFE和铅或PTFE、CaF2 (二氟化钙)和ZnS(硫化锌）的滑动轴承材料在很长时间以来是已知和常用的。特别地，基于 PTFE并且具有填料MOS2或六方氮化硼(h-BN)的滑动轴承材料具有高的摩擦承受力。
[0005] MOS2是矿物产物，其具有高的加工要求以实现不变的品质。铅由于其毒性而不再 用作填料，并且CaF 2和ZnS单独造成不足以用于所有相关应用的磨损速率。六方BN目前是非 常昂贵的材料，因此出于经济原因使用六方BN作为填料是不利的。
[0006] 具有包含PTFE和硫化锌的滑动层的轴承材料在一段时间以来是已知的并且目前 属于标准材料。EP 1 390 629 Bl中描述了基于PTFE并且具有10-25体积％ZnS的材料，所述 材料中混合了碳纤维和PPSO2JE 10 2006 048 311 Al中描述了由塑料基质和至多20% PTFE以及5-15 %硫酸钡或硫化锌的添加剂组成的组合物。
[0007] 还考虑了硫化锌和硫酸钡和任选其它填料的填料组合。EP 1 716 342 Bl提出例 如具有升高的孔体积和50体积％ PVDF或60体积％ PA、PESU或PPS的塑料基质的材料，其中包 含高于5体积％的PTFE和至少5体积％，优选8至12体积％的硫化锌和/或硫酸钡。然而所述 实施例要么只包含硫化锌，要么只包含硫酸钡。EP 1 526 296 A2描述了基于PEEK、PPS或PA 的材料，所述材料具有硬化组分和碳纤维但是不具有PTFE，ZnS和/或BaSO4的含量为5至15 重量％，其中具体只提到了具有ZnS的组合物。DE 36 01 569 Al公开了加入细粒ZnS和 BaSO4作为塑料复合滑动轴承中的聚合物的添加剂，其中可以包含以基质材料计5至40体 积％的份数的硫化锌、以硫化锌粒子计至多5体积％的8 &504。所述实施例这样选择，要么只 使用硫化锌，要么只使用硫酸钡，或者使用具有0.5体积％的少量硫酸钡的硫化锌。
[0008] 然而，因此实现的磨损速率的改进仍不足以用于许多应用领域，因此本发明的目 的是提供具有作为基础材料的含氟聚合物和填料的滑动轴承材料，所述滑动轴承材料具有 比已知滑动轴承材料更低的磨损速率。
[0009] 在前文所述类型的滑动轴承材料的情况下，通过50至85体积％的作为基础材料的 含氟聚合物与填料的组合实现所述目的，所述填料包含硫化锌和硫酸钡和任选的以总填料 含量计至多40体积％的其它填料，其中硫化锌与硫酸钡的体积比例在0.1和15.7之间，优选 在0.1和10.0之间，更优选在0.8和4.88之间，特别优选在1.5和3.44之间。
[0010]已经发现，相比于要么只具有硫化锌要么只具有硫酸钡或者具有含少量硫酸钡的 硫化锌的材料，使用根据本发明的结构可以以出人意料的方式显著改进磨损速率。相比于 基于含氟聚合物并且具有硫化锌填料的已知滑动轴承材料，通过硫化锌与硫酸钡的体积比 例的整个要求保护的范围，磨损速率降低至1.5分之一，在0.1至10的比例下，磨损系数甚至 降低至二分之一以下。在1.5至3.44的更窄的比例范围内，磨损速率进一步趋向至二分之 一，总共甚至趋向至五分之一。相对地，基于含氟聚合物和硫酸钡填料的已知滑动轴承材 料，在0.1至10的比例下，磨损速率可以降低至1.6分之一以下，并且在最窄的范围内，降低 至三分之一以下。
[0011]硫化锌和硫酸钡以平均粒度优选为5μπι或更小，特别是Ιμπι或更小的粉末形式存 在。
[0012] 因此一方面实现磨损速率的进一步降低，另一方面改进制造滑动轴承材料时的可 分散性，这简化了制造过程并且因此成本低廉。
[0013] 特别优选地，硫化锌成分和硫酸钡成分以锌钡白形式存在。
[0014] 锌钡白是通过硫化锌和硫酸钡的共同沉淀产生的混合物，所述混合物可以以10比 90至60比40的组成（即硫化锌与硫酸钡的0.11至1.5的体积比例)获得。
[0015]优选地，其它填料以总填料含量的2至20体积％的份数存在。
[0016] 其它填料根据应用技术进行选择并且具有例如热固性塑料或高温热塑性塑料。
[0017] 通过热固性塑料或高温热塑性塑料可以实现磨损速率的进一步降低，而不会损坏 反向运动元件的表面。其特别升高塑料层本身的承载能力并且能够实现更长的操作时间而 不会暴露烧结结构。在此被证明特别适合作为高温热塑性塑料的是聚酰亚胺、聚酰胺酰亚 胺、PEEK(聚醚醚酮）、PPS0 2(聚苯砜）、PPS(聚苯硫醚）、全芳族或部分芳族的聚酰胺或聚酯 或其混合物。
[0018] 通过使其它填料具有固体润滑剂可以进一步影响性能。被证明特别有效作为固体 润滑剂的是石墨、具有层结构的金属硫化物或六方氮化硼。固体润滑剂可以改进特别是操 作状态下的磨损速率和承受力，烧结结构暴露于所述固体润滑剂并且因此成为滑动偶件。
[0019] 此外当其它填料具有颜料(特别是焦炭或氧化铁)时，特别在介质润滑的情况下可 以降低磨损速率。颜料影响润湿性并且因此影响润滑膜的构造。
[0020] 当其它填料具有纤维(例如石墨短纤维或芳纶纤维)时，特别改进相对于剪切力的 机械承受力。
[0021] 还被证明有利的是，其它填料具有硬质材料例如碳化硼或氮化硅。当反向运动元 件的表面粗糙时，通过所述硬质材料的打磨或抛光作用特别地进一步改进根据本发明的滑 动轴承材料的磨损速率。
[0022] 即使当不存在介质润滑时，通过氧化铁（III)出人意料地造成磨损速率特别明显 的降低。有利的是，以滑动轴承材料的总组成计，其它填料具有0.5至8.5体积％的氧化铁 (III)，优选1至5体积％的氧化铁(III)，特别优选1至3体积％的氧化铁(III)。优选地，氧化 铁(I II)的平均粒度为5mi或更小。因此，造成特别均匀的层性能和表面性能。
[0023]上述所有填料可以40体积％，优选至多20体积％的所述最高量范围进行组合。 [0024]含氟聚合物优选为PTFE(聚四氟乙烯），或PTFE与PFA(全氟烷氧基烷烃）、MFA(四氟 乙烯-全氟甲基乙烯基醚）、FEP(全氟-乙烯-丙烯）、ETFE(乙烯-四氟乙烯）、PCTFE(聚氯三氟 乙烯)或PVDF(聚偏二氟乙烯）的混合物。
[0025]根据本发明的另一个方面，通过具有机械稳定的结构的滑动轴承复合材料实现所 述目的，向所述机械稳定的结构中嵌入上述滑动轴承材料。
[0026]机械稳定的结构用于提高滑动轴承材料的承载能力，所述滑动轴承材料虽然具有 所述出色的摩擦性能但是仅具有低承受力。
[0027]根据复合材料的一个有利的实施方案，所述结构由塑料基质形成，以整个复合材 料的体积计，所述塑料基质的体积份数在60和95 %之间，优选在65和80 %之间。
[0028] 在根据本发明的复合材料的一个优选的实施方案中，塑料基质包含热固性塑料或 热塑性塑料，例如PPS(聚苯硫醚）、PPA(聚邻苯二甲酰胺）、PVDF(聚偏二氟乙烯）、PSU(聚 砜）、PESU(聚醚砜）、PEI (聚醚酰亚胺）、PEEK(聚醚醚酮）、PAI(聚酰胺酰亚胺）或PK聚酰亚 胺)或其混合物。
[0029] 复合材料的另一个有利的实施方案提出，所述结构由金属织物或金属板网形成。
[0030] 特别优选地，所述结构由浸渍了滑动轴承材料的烧结基质形成。
[0031] 浸渍以已知的方式如下进行:在压力下用滑动轴承材料的水悬浮液涂布通常开孔 的烧结基质，使糊剂填充基质的孔并且根据用量形成封闭的覆盖层。然后使所产生的材料 在350至400 °C下经受热处理，滑动轴承材料在热处理中被烧结。
[0032]特别优选地，烧结基质具有15至50%的孔体积，其中孔被滑动轴承材料完全填充。 [0033]还优选的是，烧结基质被滑动轴承材料的覆盖层覆盖，所述覆盖层具有至多150μ m，优选5至40μηι的厚度。
[0034]烧结基质优选为金属基质并且特别优选由具有5至15重量％锌的青铜组成。
[0035]在基于PTFE烧结青铜的复合材料的情况下以如下程度改进导电性：当将5μπιΛπι的 最大磨损速率设定为极限值时，在不含润滑剂的条件下在平均负载和速度范围内可以实现 至多4MPa m/s的ρν值。ρν值通常被理解为在尚未超过设定的磨损速率(在此为5ym/km)之前 可允许的负载和速度的乘积的最大值。同时所述材料在干式运转时具有有利的摩擦系数。
[0036] 根据本发明的另一个方面，还通过具有金属背衬的滑动轴承层状复合材料实现所 述目的，在所述金属背衬上设置上述类型的复合材料。
[0037] 所谓的载体金属赋予层状复合材料升高的强度。
[0038] 为了增强轴承，在所述金属背衬上既可以设置金属织物或金属板网也可以设置塑 料基质或烧结青铜。
[0039] 本发明原则上也可以以实心塑料滑动元件或不同的双层和多层复合材料(例如具 有作为基材的实心轴承金属层)的实施方式实现。
[0040] 借助优选实施例参考附图详细描述本发明。附图显示：
[0041]图1显示了根据本发明的滑动轴承层状复合材料的第一个实施例的原理图，
[0042]图2显示了根据本发明的滑动轴承层状复合材料的第二个实施例的原理图，
[0043]图3显示了磨损速率和硫化锌与硫酸钡的比例的相关性的图，和
[0044] 图4显示了磨损速率和作为其它填料的氧化铁(III)的含量的相关性的图。
[0045] 图1显示了根据本发明的滑动轴承层状复合材料1(^的第一个实施例，所述滑动轴 承层状复合材料IO1包括金属背衬12i，设置在金属背衬12:上的多孔烧结层14(例如由青铜 组成)形式的机械稳定的结构，和与多孔层14粘附结合的滑动轴承材料16。烧结基质被滑动 轴承材料的封闭的覆盖层30覆盖。换言之，由烧结基质14限定的层高度小于由滑动轴承材 料16限定的层的高度。覆盖层30的厚度d为至多150μπι，优选在5至40μπι的范围内。覆盖层在 一定的磨合时间之后磨损，使得然后位于其下方的带有支撑烧结结构14的滑动层与反向运 动元件投入使用。滑动轴承层状复合材料16具有体积份数为50至85%的含氟聚合物以及作 为填料的硫化锌18和硫酸钡20。滑动轴承层状复合材料16还具有其它填料28。
[0046]图2中显示了滑动轴承层状复合材料IO2的第二个实施例，所述滑动轴承层状复合 材料IO2包括金属背衬122和与金属背衬122直接粘附结合的滑动层，其中所述滑动层由滑动 轴承材料16形成。滑动轴承材料16在其