專利名稱：滑動(dòng)元件及其制造方法
滑動(dòng)元件及其制造方法本發(fā)明涉及滑動(dòng)元件，其具有金屬支撐層，施加在所述金屬支撐層上的多孔的金屬載體層和施加在所述載體層上的厚度為D的滑動(dòng)層，所述滑動(dòng)層具有至少一種熱塑性材料作為基體材料。本發(fā)明還涉及用于制造這類滑動(dòng)元件的方法。不需維護(hù)的軸承材料大多數(shù)由具有特異性改性的塑料構(gòu)成的表面的多層材料構(gòu)成。在經(jīng)常使用的實(shí)施方式中，復(fù)合材料具有用塑料物質(zhì)浸漬和覆蓋的多孔的金屬組分。根據(jù)基體塑料的性質(zhì)，可分為兩種類型基于PTFE的和基于熱塑性可加工塑料的那些。所述熱塑性類型或者具有可以容納持續(xù)起作用的潤(rùn)滑劑量的凹槽，或者使用已經(jīng)經(jīng)過潤(rùn)滑劑改性的配混物形式。由此表明，一些具有塑料滑動(dòng)面的這種材料類型，由于它們良好的匹配能力和吸塵能力以及高耐磨性，可以在介質(zhì)潤(rùn)滑(mediengeschmiert)應(yīng)用，例如泵或液壓減震器中相對(duì)于純的金屬軸承材料來說更有利地使用。PTFE基的材料通過介質(zhì)潤(rùn)滑過程中非常低的摩擦系數(shù)來表征，而熱塑性材料可以是非常耐磨的。然而，熱塑性材料盡管經(jīng)過改性但在介質(zhì)潤(rùn)滑過程中仍具有明顯較高的摩擦系數(shù)。熱塑性軸承材料多年來一直用于磨損強(qiáng)度特別大的介質(zhì)潤(rùn)滑的應(yīng)用中，例如在DE 32 21 785 C2中所描述的?；瑒?dòng)軸承復(fù)合材料基于PEEK并且通過石墨、PTFE和碳纖維來改性。例如在減震器中的使用，其中由于其極高的負(fù)荷，耐久性比盡可能少摩擦的參數(shù)特性
更重要。DE 102 26 264 B4描述了特別為高溫而研發(fā)的具有高耐磨性的改性的PEEK材料?；瑒?dòng)軸承復(fù)合材料具有支撐層，任選地載體層和涂覆在載體層或支撐層上的滑動(dòng)層，所述滑動(dòng)層具有PEEK作為基體材料，由二氧化鈦和/或碳化硅構(gòu)成的硬化性的組分以及硫化鋅和/或硫酸鋇形式的潤(rùn)滑材料。然而，用這種材料不能實(shí)現(xiàn)介質(zhì)潤(rùn)滑過程中對(duì)PTFE基材料的低摩擦系數(shù)。在DE 198 08 540 B4中描述了基于熱塑性材料的材料，它通過相對(duì)高的PTFE比例和省去了硬質(zhì)添加物已經(jīng)具有較適合的摩擦系數(shù)，但是仍然同樣明顯高于PTFE基的材料?？商砑拥腜TFE的量是有限的，因?yàn)檫^高的比例使熱塑性材料基體性能變差，對(duì)材料的耐磨強(qiáng)度起到不利的作用。有兩種已知的主要用于制造熱塑性材料層的方法a)在金屬基底上涂覆粉末混合物，隨后進(jìn)行熔化和輥軋，例如在DE 32 21785 C2 中描述的，b)在金屬基底上輥軋來制造配混物膜，例如DE 102 26 264 B4中說明的。DE 195 07 045 C2描述了一種復(fù)合材料，其中為了制造滑動(dòng)層涂覆具有例如由 PTFE構(gòu)成的氟聚合產(chǎn)品的糊。同樣單獨(dú)或組合地提供其它氟聚合產(chǎn)品例如PFA、FEP、ETFE。PTFE-層同樣可以經(jīng)由薄膜的中間步驟來制造，在載體材料上涂覆或者通過在 PTFE分散體基礎(chǔ)上直接輥軋水性塑料物質(zhì)來制造，例如在DE 195 07 045 C2中描述的。本發(fā)明的目的在于，提供基于熱塑性材料的滑動(dòng)元件，其相對(duì)于具有由熱塑性材料構(gòu)成的滑動(dòng)層的滑動(dòng)元件來說，在介質(zhì)潤(rùn)滑過程中摩擦系數(shù)明顯得到改善。所述目的由一種滑動(dòng)元件來實(shí)現(xiàn)，所述滑動(dòng)元件具有金屬支撐層，施加在所述金屬支撐層上的多孔的金屬載體層和施加在所述載體層上的厚度為D的滑動(dòng)層，其中所述滑動(dòng)層具有至少一種熱塑性材料作為基體材料，所述滑動(dòng)層在此具有包含熱塑性材料基體的第一材料和包含PTFE的第二材料，第二材料在第一材料的表面區(qū)域中形成深度T < D的梯度?；瑒?dòng)層表面區(qū)域中的梯度應(yīng)理解為，在滑動(dòng)層中從滑動(dòng)層的表面直至滑動(dòng)層的特定透入深度T，在第一材料的內(nèi)部第二材料的比例是連續(xù)降低的。由于第二材料包含PTFE這一事實(shí)，通過形成梯度也形成PTFE梯度，從而可以針對(duì)性地調(diào)整滑動(dòng)層的滑動(dòng)特性和耐磨性。在此耐磨性隨著滑動(dòng)層磨耗的增加而增加，因?yàn)?PTFE的比例減少，而由于滑動(dòng)層中PTFE比例的減少同時(shí)使得滑動(dòng)特性極小地變差。經(jīng)由對(duì)包含PTFE的第二材料的選擇和經(jīng)由第二材料中的PTFE比例，因此使得熱塑性材料的滑動(dòng)特性可以明顯得到改善并以期望的方式調(diào)整滑動(dòng)軸承元件的使用期限。在滑動(dòng)元件的使用期限內(nèi)約75%的滑動(dòng)層將被磨耗。為了使PTFE在整個(gè)使用期限內(nèi)可以對(duì)滑動(dòng)特性起到積極的影響，相應(yīng)地調(diào)整τ。深度T優(yōu)選為T ^ 0. 75XD，特別是 T 彡 0. 5XD。所述包含熱塑性材料的第一材料優(yōu)選具有孔結(jié)構(gòu)，所述孔結(jié)構(gòu)至少部分填充有第二材料。因?yàn)樗隹捉Y(jié)構(gòu)的孔體積隨著深度的增加而減少，因此可以以這種方式調(diào)整滑動(dòng)層中的梯度。所述梯度因此經(jīng)由所述孔結(jié)構(gòu)來限定。作為熱塑性材料基體優(yōu)選單獨(dú)或作為混合物地提供PEEK (聚醚醚酮)、PPS (聚苯硫醚)、PA (聚酰胺),PVDF (聚偏氟乙烯)、PFA (聚(四氟乙烯-共-全氟乙烯基烷基醚))、 ETFE (乙烯-四氟乙烯共聚物)、PPA (聚鄰苯二甲酰胺)、LCP (液晶聚合物)、PES (聚醚砜)、 PSU (聚砜)、PEI (聚醚酰亞胺)。所述熱塑性材料基體可以包含添加物，其選自高溫?zé)崴苄圆牧稀⒐腆w潤(rùn)滑材料、硬質(zhì)材料和/或纖維。通過由至少一種高溫?zé)崴苄圆牧蠘?gòu)成的添加物可以進(jìn)一步提高耐磨性。所述高溫?zé)崴苄圆牧系谋壤运龅谝徊牧系目傮w積計(jì)優(yōu)選為0. 5至15體積％。 高溫?zé)崴苄圆牧系乃霰壤膬?yōu)點(diǎn)在于，一方面達(dá)到了降低磨損的作用，另一方面沒有由于過多量的添加物而使所述基體復(fù)合物性能變差。作為高溫?zé)崴苄圆牧蟽?yōu)選單獨(dú)或組合地提供PPTA(聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯胺)、 PPS02(聚亞苯基砜)、PPA (聚鄰苯二甲酰胺)、PI (聚酰亞胺)、PAI (聚酰胺酰亞胺)、PBI (聚苯并咪唑)。所述第一材料包含以第一材料的總體積計(jì)優(yōu)選0至27. 5體積％的潤(rùn)滑材料。根據(jù)所述孔結(jié)構(gòu)容許達(dá)到的透入深度來選擇固體潤(rùn)滑劑的比例。如果所述梯度只可以延伸到滑動(dòng)層厚度的一半，則有利的是選擇高比例的固體潤(rùn)滑劑，例如> 15體積％。 這樣即使在滑動(dòng)層磨耗到PTFE梯度消失的程度，也還提供充分的滑動(dòng)特性。優(yōu)選在第一材料中單獨(dú)或組合地使用PTFE、MoS2、WS2、hBN(六角形氮化硼)、Pb、 PbO、ZnS, BaS04、石墨作為固體潤(rùn)滑材料。
所述第一材料優(yōu)選包含以第一材料的總體積計(jì)比例為0至10體積％的硬質(zhì)材料。 優(yōu)選的硬質(zhì)材料是Sic、Si3N4、BC、cBN(立方氮化硼)、層狀硅酸鹽或金屬氧化物例如TW2
或狗203。添加硬質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)在于，可以起到潤(rùn)滑相對(duì)運(yùn)動(dòng)方(GegenlSufer)的作
用，從而降低研磨性。另外，所述第一材料包含由纖維構(gòu)成的添加物。優(yōu)選是碳纖維、芳綸纖維和/或玻璃纖維。所述纖維的量以第一材料的總體積計(jì)可以在O和10體積％之間，優(yōu)選在0和5體積％之間。所述第二材料可以完全由PTFE構(gòu)成或者由PTFE和添加材料構(gòu)成。在第二種情況下，PTFE的比例以所述第二材料的總體積計(jì)為至少70體積％。所述添加材料具有以PTFE的體積計(jì)優(yōu)選為0至20體積％，特別是1至20體積％ 的PFA(聚(四氟乙烯-共-全氟乙烯基烷基醚))。添加PFA的優(yōu)點(diǎn)在于，改善第二材料對(duì)第一材料的接合。所述添加材料可以包含以添加材料的總體積計(jì)0至100體積%的固體潤(rùn)滑材料。 在第一材料中選擇低量的固體潤(rùn)滑材料時(shí)，特別是進(jìn)行向第二材料中添加固體潤(rùn)滑材料作為添加材料。作為固體潤(rùn)滑材料優(yōu)選提供PTFE、MoS2、WS2、hBN、Pb、PbO, ZnS, BaS04和/ 或石墨。此外，所述第二材料可以具有以第二材料的總體積計(jì)比例為0至10體積％的硬質(zhì)材料。優(yōu)選的硬質(zhì)材料是SiC、Si3N4、BC、cBN、層狀硅酸鹽和/或金屬氧化物例如TW2或 Fe2O3 ο第二材料占滑動(dòng)層總體積的比例一方面取決于第一材料中孔結(jié)構(gòu)的體積，另一方面取決于由第二材料形成并位于第一材料的材料之上的覆蓋層的厚度。所述覆蓋層的厚度 d優(yōu)選0彡d彡15μπι。用于制造這種滑動(dòng)元件的方法具有下列方法步驟-提供具有涂覆在其上的多孔金屬載體層的金屬支撐層，-用下列步驟在所述金屬載體層上產(chǎn)生滑動(dòng)層°撒布具有由至少一種熱塑性材料構(gòu)成的第一材料的粉末混合物°壓縮所述第一材料°用第二具有PTFE的第二材料的分散體浸漬經(jīng)過壓縮的第一材料°熔化所述滑動(dòng)層，和°輥軋滑動(dòng)層。第一材料的壓縮優(yōu)選在室溫(20°C )至100°C之間進(jìn)行冷式壓縮。通過冷式壓縮的粉末層中孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管作用將分散體吸入第一材料中，并產(chǎn)生分散體的梯度和由此產(chǎn)生PTFE濃度梯度。第二材料的分散體優(yōu)選是25至55%的水性PTFE分散體。作為選擇，所述第二材料的分散體可以由25至55%的水性PTFE-第一分散體和由添加物構(gòu)成的第二分散體構(gòu)成。所述第二分散體優(yōu)選具有PFA分散體。第二分散體可以僅由所述PFA分散體構(gòu)成， 或者第二分散體還可以具有固體潤(rùn)滑材料和/或硬質(zhì)材料。優(yōu)選Im2載體層用5g至IOOg第二材料的分散體來浸漬。經(jīng)由分散體構(gòu)入滑動(dòng)層中的PTFE的量可以在一定極限范圍內(nèi)變化。在量非常少的情況下，降低摩擦的效果也相應(yīng)地降低。過多量的PTFE使得冷式壓縮的粉末層變軟， 因此在爐中融化之后不再能得到緊實(shí)的層。作為經(jīng)驗(yàn)方法，應(yīng)在一平方米上涂覆約5g至 100g，優(yōu)選50g的PTFE(固體)，最好是30至50%的水性的穩(wěn)定的分散體形式。特別優(yōu)選的是，這樣選擇第二材料的分散體在每平方米上的量，使得每平方米上 PTFE的比例為40g至60g，特別是45g至55g。所述浸漬利用下列方法來進(jìn)行-利用噴嘴噴射，-從軋輥表面轉(zhuǎn)移-通過海綿或軋輥的壓印來轉(zhuǎn)移-利用旋轉(zhuǎn)盤進(jìn)行離心涂布-篩印法-與具有刷毛、毛氈或織物的刷子類型的毛細(xì)管計(jì)量系統(tǒng)接觸。所述滑動(dòng)元件優(yōu)選是滑動(dòng)軸承元件。根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)元件特別適用于介質(zhì)潤(rùn)滑的應(yīng)用，特別是在減震器和泵領(lǐng)域。下面依據(jù)附圖
詳細(xì)說明本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。附圖示出圖Ia示出根據(jù)本發(fā)明的滑動(dòng)元件的顯微照片，圖Ib示出圖Ia的顯微照片的放大的截面，和圖2圖解地示出制造方法。圖Ia中圖解示出滑動(dòng)元件，特別是滑動(dòng)軸承元件1的顯微照片，所述滑動(dòng)軸承元件1具有鋼支撐層2和涂覆在其上的多孔的銅-載體層3。在銅-載體層3上涂覆了厚度為D的、由第一材料4和第二材料5構(gòu)成的滑動(dòng)層6。所述第一材料4由熱塑性配混物構(gòu)成，所述熱塑性配混物經(jīng)過包含PTFE的分散體形式的第二材料5浸漬。由于第一材料4的孔結(jié)構(gòu)，所述含PTFE的第二材料5在浸漬過程期間可以透入，并且由于其孔結(jié)構(gòu)隨后形成梯度。在圖Ib中放大地示出圖Ia的顯微照片的截面。上面區(qū)域內(nèi)的不同灰階表示經(jīng)過浸漬的區(qū)域和因此產(chǎn)生的梯度。在第一材料4的內(nèi)部以及在第二材料5的內(nèi)部都可以發(fā)現(xiàn)額外的顆粒，在此所示的圖中所述顆粒由潤(rùn)滑劑顆粒4b和高溫?zé)崴苄圆牧系念w粒如構(gòu)成。根據(jù)圖2對(duì)第一材料4的粉末進(jìn)行冷式壓縮，隨后添加液態(tài)的PTFE分散體。隨后加熱和輥軋所述滑動(dòng)層材料。將以下第一材料(所有數(shù)據(jù)為基于所述第一材料的總體積計(jì)的體積％ )(a) PEEK, 20% PTFE (b) PEEK, 10 %的石墨，10 %的碳纖維，5 %的硫化鋅，5 %的氧化鈦(C)PEEK，10%的石墨，10%的碳纖維，10% PTFE(d) PVDF,20% PTFE(e)PPS, 15% PTFE，5%的聚芳酰胺和以下的第二材料(所有數(shù)據(jù)為基于所述第二材料的總體積計(jì)的體積％ )(1) 100% PTFE(2)PTFE,5% Fe203
(3)PTFE, 10% MoS2(4)PTFE, 10% MoS2,10% BN(5) PTFE，30% BN(6) PTFE，20% ZnS(7) PTFE, 15% CaF2組合成滑動(dòng)層(6)。在0. 5m/s和20MPa的單位負(fù)荷下用滴油潤(rùn)滑的銷釘-軋輥-試驗(yàn) (Stift-Walze-Prufung)的結(jié)果在下表中給出
權(quán)利要求
1.滑動(dòng)元件，其具有金屬支撐層O)，施加在所述金屬支撐層上的金屬多孔載體層(3) 和施加在所述載體層上的厚度為D的滑動(dòng)層(6)，所述滑動(dòng)層具有至少一種熱塑性材料作為基體材料，其特征在于，滑動(dòng)層(6)具有包含熱塑性材料基體的第一材料(4)和包含PTFE的第二材料(5)，第二材料在第一材料的表面區(qū)域形成深度T ^ D的梯度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述深度T^ 3/4D。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述第一材料(4)具有被第二材料 (5)至少部分填滿的孔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述孔結(jié)構(gòu)的孔的體積隨著深度T的增加而減少。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述熱塑性材料基體單獨(dú)或者作為混合物具有 PEEK、PPS、PA、PVDF, PFA, ETFE, PPA, LCP, PES、PSU、PEI。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述熱塑性材料基體具有由至少一種高溫?zé)崴苄圆牧蠘?gòu)成的添加物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述高溫?zé)崴苄圆牧系谋壤运龅谝徊牧系目傮w積計(jì)為0. 5至15體積％。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述高溫?zé)崴苄圆牧鲜荘PTA、PPS02、 PBA、PI、PAI、PBI。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述第一材料包含以第一材料(4) 的總體積計(jì)0至27. 5%的至少一種固體潤(rùn)滑材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述固體潤(rùn)滑材料是PTFE、MoS2、WS2、 hBN、Pb、PbO、ZnS, BaS04 和 / 或石墨。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述第一材料(4)包含以第一材料的總體積計(jì)0至10體積％的至少一種硬質(zhì)材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述硬質(zhì)材料是例如SiC、Si3N4、BC、 cBN、層狀硅酸鹽和/或金屬氧化物的硬質(zhì)材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述金屬氧化物是TW2和/或狗203。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述第一材料(4)包含以第一材料的總體積計(jì)0至10體積％的纖維。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述第一材料(4)包含以第一材料的總體積計(jì)0. 5至5體積％的纖維。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述纖維是碳纖維、芳綸纖維和/ 或玻璃纖維。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述第二材料(5)由PTFE構(gòu)成。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-16之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述第二材料(5)由PTFE和添加材料構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述添加材料具有以PTFE的體積計(jì)0 至20體積％ WPFA。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述添加材料具有以添加材料的總體積計(jì)0至100體積％的固體潤(rùn)滑材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述固體潤(rùn)滑材料是PTFE、MoS2、WS2、 hBN、Pb、PbO、ZnS, BaS04、石墨。
22.根據(jù)權(quán)利要求1-21之一的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述第二材料( 包含以第二材料(5)的總體積計(jì)0至10體積％的至少一種硬質(zhì)材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述硬質(zhì)材料是例如SiC、Si3N4、BC、 cBN、層狀硅酸鹽和/或金屬氧化物的硬質(zhì)材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的滑動(dòng)元件，其特征在于，所述金屬氧化物是Ti02和/或狗203。
25.用于制造滑動(dòng)元件的方法，所述方法包含下列步驟 提供具有涂覆在其上的多孔金屬載體層的金屬支撐層， -用下列步驟在所述金屬載體層上產(chǎn)生滑動(dòng)層°撒布具有由至少一種熱塑性材料構(gòu)成的第一材料的粉末混合物 °壓縮所述第一材料°用第二具有PTFE的第二材料的分散體浸漬經(jīng)過壓縮的第一材料 °熔化所述滑動(dòng)層，和 °輥軋滑動(dòng)層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其特征在于，所述第一材料的壓縮是在20至100°C溫度下的冷式壓縮。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或沈的方法，其特征在于，所述第二材料的分散體是25至55% 的水性PTFE分散體。
28.根據(jù)權(quán)利要求25-27之一的方法，其特征在于，所述第二材料的分散體由25至 55%的水性PTFE第一分散體和由添加材料構(gòu)成的第二分散體組成。
29.根據(jù)權(quán)利要求25- 之一的方法，其特征在于，所述第二分散體具有水性PFA分散體。
30.根據(jù)權(quán)利要求四的方法，其特征在于，所述第二分散體具有固體潤(rùn)滑材料和/或硬質(zhì)材料。
31.根據(jù)權(quán)利要求25-30之一的方法，其特征在于，用5g至IOOg的第二材料的分散體來浸漬載體層。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其特征在于，這樣選擇所述第二材料的分散體每平方米的量，使得每平方米PTFE的比例為40g至60g。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其特征在于，每平方米PTFE的比例為45g至55g。
34.根據(jù)權(quán)利要求25-33之一的方法，其特征在于，所述浸漬利用下列方法來進(jìn)行 -利用噴嘴噴射，-從軋輥表面轉(zhuǎn)移 -通過海綿或軋輥的壓印來轉(zhuǎn)移 -利用旋轉(zhuǎn)盤進(jìn)行離心涂布 -篩印法-與具有刷毛、毛氈或織物的刷子類型的毛細(xì)管計(jì)量系統(tǒng)接觸。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的滑動(dòng)元件用于介質(zhì)潤(rùn)滑應(yīng)用的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及滑動(dòng)元件，其具有金屬支撐層(2)，施加在所述金屬支撐層上的金屬多孔載體層(3)和施加在所述載體層上的厚度為D的滑動(dòng)層，所述滑動(dòng)層具有至少一種熱塑性材料作為基體材料。層(6)具有包含熱塑性材料基體的第一材料(4)和包含PTFE的第二材料(5)，第二材料在第一材料的表面區(qū)域形成深度T≤D的梯度。
文檔編號(hào)B32B15/08GK102271906SQ200980153044
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
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