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WO1981001375A1 - Composite material with two or a plurality of layers - Google Patents

Composite material with two or a plurality of layers Download PDF

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WO1981001375A1
WO1981001375A1 PCT/DE1980/000159 DE8000159W WO8101375A1 WO 1981001375 A1 WO1981001375 A1 WO 1981001375A1 DE 8000159 W DE8000159 W DE 8000159W WO 8101375 A1 WO8101375 A1 WO 8101375A1
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WO
WIPO (PCT)
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composite material
layer
friction
volume
substrate
Prior art date
Application number
PCT/DE1980/000159
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
D Sternisa
W Schneider
E Hodes
Original Assignee
Glyco Metall Werke
D Sternisa
W Schneider
E Hodes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Glyco Metall Werke, D Sternisa, W Schneider, E Hodes filed Critical Glyco Metall Werke
Priority to BR8009010A priority Critical patent/BR8009010A/pt
Publication of WO1981001375A1 publication Critical patent/WO1981001375A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
    • B05D5/08—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures to obtain an anti-friction or anti-adhesive surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/28—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42
    • B32B27/281—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42 comprising polyimides
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    • B32B27/18—Layered products comprising a layer of synthetic resin characterised by the use of special additives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/20—Sliding surface consisting mainly of plastics
    • F16C33/201—Composition of the plastic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D69/02—Composition of linings ; Methods of manufacturing
    • F16D69/025—Compositions based on an organic binder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2475/00—Frictional elements

Definitions

  • the invention relates to a two- or multi-layer composite material with a cover layer which contains thermally highly resilient, thermosetting polyimide lacquer, by means of which the components of the cover layer are held together and at the same time the cover layer is firmly connected to the substrate carrying it.
  • the invention relates to such a composite material for friction or sliding elements with a metallic substrate, the cover layer forming the friction or sliding layer.
  • top layer containing a thermally highly resilient, thermosetting polyimide lacquer is important for creating protected surfaces on layered composite materials of all kinds, in particular for coating metal surfaces and especially those metal surfaces that are subject to friction.
  • cover layers by brushing or filling is particularly important.
  • composite plain bearings are known in which a layer of perforations or recesses made of polyimide is attached to a steel support body by means of acrylic epoxy adhesive, the perforations or recesses being filled with a mixture of solid lubricant and a bearing metal, as they are are disclosed in DE-OS 20 00 632.
  • DE-OS 22 06 400 describes a composite material and a method for its production, the friction or sliding layer contains polyimide resins and / or polyimide lacquer components, which can also consist of polyesterimides and polyamideimides.
  • a connection to the metallic support body is made essentially by mechanical clamping.
  • the supporting side of the support body is also sintered or a support fabric - for example made of tin bronze - is applied.
  • Perforated steel or bronze sheets are also mentioned as supporting bodies.
  • the application of a sintered structure or a supporting fabric as an intermediate layer or the use of a perforated steel or bronze sheet is necessary to ensure a sufficiently high connection between the plastic layer to be applied and the carrier material. It is obvious that the additional requirement for the existence of a rough base, which allows mechanical clinging, requires additional work steps and is therefore complex and cost-intensive.
  • the sintering structure is sprinkled onto the metallic support body, then ⁇ m has to go through a sintering process which has to be controlled in such a way that sufficient pore space is created which is impregnated with the polyimide resin and / or paint components. Attention must be paid to the viscosity of the mixtures in order to be able to achieve a complete impregnation of the available pore space. However, there are limits to this by adding self-lubricating additives. First, the size of these additives must be based on the dimensions of the available pore space of the primer and vice versa. Furthermore, the viscosity of the mixture increases with the proportion of self-lubricating additives.
  • a disadvantage of the described manufacturing process of friction or sliding elements with a very small bending radius is the fact that they can only be cured or hardened to their final thickness and formed after they have been processed. If the hardening or hardening before processing processing or prior to forming into friction or sliding elements with a very small bending radius, detachments, ie, flaking off of the friction or sliding layer must be expected.
  • Composite layer materials are also known, the sliding layer of which consists of a fluoropolymer mixture and an additive and which can be mixed with another inorganic or organic substance which improves the sliding properties and is present in powder form.
  • the fluorine-containing polymer is in a continuous process
  • the disadvantage is the need to use additives which are intended to improve the poor binding behavior of fluorine-containing polymers.
  • the object of the invention to provide a two-layer or multi-layer composite material with an improved top layer containing polyimide lacquer, which is characterized by high temperature resistance, high mechanical strength, corrosion resistance and high wear resistance and is easy and inexpensive to apply to the composite material should be.
  • the composite material is intended for friction or sliding elements and the cover layer takes on the function of a friction or sliding layer
  • the disadvantages of the known polyimide sliding bearings are to be eliminated and, above all, significantly improved friction and sliding properties are to be achieved.
  • the object of the invention is achieved in that the matrix of the cover layer is formed by the thermosetting polyimide lacquer and absorbs additives in finely dispersed form therein, and that this cover layer is applied directly to the roughened surface of the substrate.
  • the cover layer is to be designed as a friction or sliding layer and is applied directly to the roughened surface of a band-shaped, metallic substrate.
  • a particular advantage of the composite material according to the invention is that a two- or multi-layer composite material is produced without an adhesion-promoting layer or a rough base which serves for mechanical clamping.
  • the matrix of the friction or sliding layer can advantageously be formed by polyimide which is soluble in solvents, and this matrix, in which a self-lubricating additive or additives is or are finely dispersed therein, is applied directly to the roughened surface of a metallic substrate will.
  • the friction or sliding layer which is about 99 to
  • polyimide lacquers or the solvent-soluble polyimides can advantageously be substances from one or more of the following groups of polyimides:
  • the polyimide lacquer can be a solvent-soluble polyimide or a polyester crosslinked via tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate (THEIC).
  • TEEIC 2,3-hydroxyethyl) isocyanurate
  • the self-lubricating additive can advantageously be a low molecular weight PTFE in powder form, the average molecular weight of which is between 35,000 and 100,000, the average grain size of the low molecular weight PTFE being between 5 and 7 ⁇ m.
  • the thickness of the friction or sliding layer can advantageously be between 0.05 and 0.5 mm, preferably between 0.07 and 0.2 mm.
  • the metallic substrate can be formed from steel according to DIN 1624, aluminum, an aluminum alloy, aluminum-plated steel or copper-containing materials, the metallic substrate having a thickness between 0.5 and 2.0 mm.
  • the production of the composite layer material according to the invention can be carried out in a continuous pass, the following process step being shown in a particularly advantageous manner.
  • the self-lubricating additive which is in powder form, is intimately mixed with the polyimide lacquer forming the matrix and homogenized to a low viscous to pasty state, the mixture thus prepared being applied in the desired coating thickness in an appropriate amount to the metallic substrate and fritted onto it can be.
  • a latent solvent preferably diraethylformamide, the addition of dimethylformamide being 2 to 10% by volume, preferably 4 to 6% by volume.
  • the mixture provided with a latent solvent can be used Spraying, brushing or rolling are applied to the metallic substrate, the metallic substrate advantageously being able to be heated inductively to the temperature in order to frit the friction or sliding layer against the metallic substrate in an MF oven.
  • the latent solvent contained in the friction or sliding layer that has been fritted can be volatilized in a subsequent heating section.
  • the mixture of polyimide lacquer and low molecular weight PTFE applied to the metallic substrate can be fully hardened in a continuous furnace which can be regulated in its top and bottom heat, the initial temperature of the substrate being able to be a maximum of 253 ° C.
  • the latter in order to form the maximum crystallization of the friction or sliding layer, the latter can be cooled in a controlled manner following the hardening and then wound up into a roll for further processing.
  • the process according to the invention has the advantage that the metallic support material can be coated directly with the low-friction, wear-resistant and temperature-resistant material in a continuous process without complex intermediate layers with optimal adhesion.
  • the demand for a fast and economical production process is taken into account in that the processing times are extremely short and sufficient accuracy when applying the friction or sliding layer helps to avoid dimensional reworking.
  • After the strip provided with a friction or sliding layer has cooled in a controlled manner, it is wound up into a roll without additional thermal or mechanical aftertreatment and is suitable for further processing to conventional sliding bearing elements.
  • Conventional two-layer composite materials with the structure of metallic supports / plastic suffer from non-cutting shaping by, for example, rolling, pressing or bending, irreversible damage to the bond between the substrate and the coating.
  • Reshaping the two-layer or multilayer material according to the invention for example by rolling, surprisingly does not damage the layer composite.
  • a two-layer material can preferably be produced with a support material made of steel DIN 1624, quality St3, preferably St4.
  • a support material made of steel DIN 1624, quality St3, preferably St4.
  • other metallic support materials for example aluminum or aluminum alloys and aluminum-plated steel or copper-containing materials, can also be considered.
  • the thickness of the metallic support materials used is arbitrary, but should preferably be in the range from 0.5 mm to 2.0 mm.
  • a polyester crosslinked via tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate (THEIC) is preferably used as the polyimide lacquer. This thermally highly resilient, heat shock-resistant, low-friction and insensitive to mechanical stress is mixed homogeneously with low-molecular PTFE, which is available in powder form and reduces friction and wear.
  • the homogeneous mixture to be applied to the support layer is between 0.05 mm and 0.5 mm thick, preferably between 0.07 mm and 0.2 mm.
  • the addition of the wear-reducing, slip-improving PTFE in powder form with a grain size of 0.005 mm to 0.007 mm and a volume fraction of 1 to 40%, preferably 10 to 20%, is mixed with the polyimide lacquer, for example polyesterimide.
  • the polyimide lacquer for example polyesterimide.
  • a latent solvent for example dimethylformamide
  • a latent solvent preferably dimethylformamide
  • the pretreatment of the metallic support layer is preferably carried out by means of blasting, brushing or grinding, that is to say mechanically.
  • Another way of pretreatment is by etching, that is, by chemical means. This treatment for increasing the specific surface in a mechanical and / or chemical manner is followed by cleaning the surface to be coated by known solvents.
  • this matrix 3, consisting of polyester imide there are low molecular weight PTFE particles as a self-lubricating additive 4 finely dispersed.
  • the grain size of these PTFE particles 4 is between 5 and 7 ⁇ m.
  • the fat. of the metallic substrate 1 is 0.2 to 2.5 mm in the manufacture of plain bearings, for example for use in pumps, carburetors or shock absorbers.
  • the thickness of the friction or sliding layer 5 is between 0.07 and 0.2 mm.
  • 1624 or St4 is treated continuously by blasting, brushing or grinding and / or etching and subsequent cleaning or degreasing with preferably organic solvents. This is followed immediately by coating with a mixture of polyester imide and low molecular weight PTFE wax, particle size approx. 5 ⁇ m to 7 ⁇ m, average molecular weight 35,000 to 100,000. The best results were achieved with a statistical wear test (pin / roller test device) with a maximum of 21% by volume PTFE added.
  • the application of the friction or sliding layer takes place via an application knife (alternative: roller coating), this being set so that a uniform coating takes place over the entire range.
  • This form of strip coating compensates for any differences in thickness of the support layer, so that an additional work step for thickness regulation is not necessary.
  • the material mixture is fritted onto the substrate in a preheating oven, an MF oven.
  • the solvents contained in the friction or sliding layer are evaporated in a subsequent heating section.
  • the coating composition is cured in a circulating continuous system.
  • a closed, smooth and pore-free coating is only created by the described sequence of the coating process and the design of the ovens.
  • the exit temperature of the strip described is 250 C at the end of the continuous furnace. Subsequent to the continuous furnace, there is slow, controlled cooling, which causes a high degree of crystallization of the coating.
  • the two-layer composite material is wound up into a roll without any dimensional checks, such as rolling or milling, and is suitable for further processing of friction and sliding elements.
  • polyesterimide Comparative wear tests on test platelets, produced after the coating according to the invention polyesterimide and different volume fractions of low molecular weight PTFE compared to a coating without the addition of PTFE are listed below.
  • the surface of the preferably metallic support layer to be coated with the sliding or friction layer according to the invention can be roughened by customary mechanical processes such as blasting, brushing or grinding. Chemical treatment by etching is also possible.
  • the coating material according to the invention with e.g. a composition of 93 parts by volume of polyester imide and 7 parts by volume of low molecular weight PTFE is described below.
  • the mixing process takes place in a high-speed stirrer at a speed of ⁇ 4000 rpm.
  • the initial viscosity at 23 ° C according to DIN 53211 for the polyesterimide is 90 s + 5%.
  • the coating of the material according to the invention or the production or application is preferably carried out via an adjustable spreading bar or an application doctor.
  • the coating of a correspondingly pretreated support layer with a material according to the following composition is described.
  • Example 2 The composition of the friction or sliding layer consists of 79 parts by volume polyester imide and 21 parts by volume low molecular weight PTFE.
  • cover layer can also be applied to the strip-shaped substrate in a continuous process.
  • the top layer can be put together in any desired special requirements, for example as a friction or. Sliding layer.

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Description

Zwei- oder Mehrschicht-Verbundwerkstoff
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zwei- oder Mehrschicht-Verbundwerkstoff mit einer Deckschicht, die thermisch hochbelastbaren, wärmehärtbaren Polyimid-Lack enthält, mittels dessen die Bestandteile der Deckschicht zusammengehalten und zugleich die Deckschicht mit dem sie tragenden Substrat fest verbunden ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf derartigen Verbundwerkstoff für Reib- bzw. Gleitelemente mit metallischem Substrat, wobei die Deckschicht die Reib- bzw. Gleitschicht bildet.
Das Aufbringen einer Deckschicht mit Gehalt an thermisch hoch belastbaren, wärmehärtbaren Polyimid-Lack hat Bedeutung zur Schaffung von geschützten Oberflächen an Schicht- Verbundwerkstoffen jeglicher Art, insbesondere zur Beschichtung von Metalloberflächen und besonders solcher Metalloberflächen, die auf Reibung beansprucht werden. Besondere Bedeutung kommt dem Aufbringen solcher Deckschichten durch Aufstreichen oder Spachteln zu.
So sind beispielsweise Verbundgleitlager bekannt, bei welchen eine mit Lochungen oder Vertiefungen versehene Schicht aus Polyimid mittels Acryl-Epoxid-Kleber auf einem Stützkörper aus Stahl befestigt ist, wobei die Lochungen oder Vertiefungen mit einem Gemisch aus festem Schmiermittel und einem Lagermetall ausgefüllt sind, wie sie in der DE-OS 20 00 632 offenbart sind.
Diese bekannten Verbundgleitlager mit Polyimid-Kunststoffen haben jedoch erhebliche Mängel, insbesondere weil die verwendeten Klebstoffe nicht gestatten, die hohe thermische Belastbarkeit der Polyimid-Kunststoffe auszuschöpfen.
In der DE-OS 22 06 400 wird ein Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung beschrieben, wobei die Reib- bzw. Gleitschicht Polyimidharze und bzw. oder Polyimid- Lackbestandteile enthält, welche u.a. auch aus Polyesterimiden und Polyamidimiden bestehen können.
Eine Verbindung mit dem metallischen Stützkörper erfolgt im wesentlichen durch eine mechanische Verklammerung. in dem auch die tragende Seite des Stützkörpers ein Sintergerüst oder ein Stützgewebe - beispielsweise aus Zinnbronze aufgebracht wird. Weiterhin werden als Stützkörper gelochtes Stahl- oder Bronzeblech genannt. Das Aufbringen eines Sintergerüstes oder eines Stützgewebes als Zwischenschicht bzw. die Verwendung eines gelochten Stahl- oder Bronzebleches ist notwendig, μm hier eine ausreichend hohe Verbindung der aufzubringenden KunststoffSchicht zum Trägerwerkstoff zu gewährleisten. Es ist einleuchtend, daß die zusätzliche Forderung nach dem Vorhandensein eines Rauhgrundes, der eine mechanische Verklammerung gestattet, zusätzliche Arbeitsgänge erfordert und somit aufwendig und kostenintensiv ist. So muß z.B. das Sintergerüst auf den metallischen Stützkörper aufgestreut werden, μm dann einen Sinterprozeß zu durchlaufen, der so gesteuert werden muß, daß ausreichender Porenraum entsteht, welcher mit dem Polyimidharz und/oder Lackbestandteilen getränkt wird. Hierbei muß auf die Viskosität der Mischungen geachtet werden, μm eine vollständige Tränkung des zur Verfügung stehenden Porenraumes erreichen zu können. Dem sind jedoch durch das Hinzufügen selbstschmierender Zusätze Grenzen gesetzt. Einmal muß sich die Größe dieser Zusätze an den Abmessungen des zur Verfügung stehenden Porenraumes des Haftgrundes und umgekehrt orientieren. Desweiteren steigt die Viskosität der Mischung mit dem Anteil der selbstschmierenden Zusätze.
Nachteilig bei dem geschilderten Herstellungsverfahren von Reib- bzw. Gleitelementen mit sehr kleinem Biegeradius ist die Tatsache, daß diese erst nach ihrer Bearbeitung auf Enddicke und erfolgter Umformung durch- bzw. ausgehärtet werden können. Wird die Durch- bzw. Aushärtung vor der Bear- beitung bzw. vor der Umformung zu Reib- bzw. Gleitelementen mit sehr kleinem Biegeradius vorgenommen, so ist mit Ablösungen, d.h. mit einem Abplatzen der Reib- bzw. Gleitschicht zu rechnen.
Es sind auch Verbundschichtwerkstoffe bekannt, deren Gleitschicht aus einem Fluorpolymer-Gemisch und einem Zusatzstoff besteht und der mit einem weiteren, die Gleiteigenschaften verbessernden anorganischen oder organischen Stoff gemischt sein kann, der in pulvriger Form vorliegt. Dabei wird das fluorhaltige Polymer in einem kontinuierlichen
Beschichtungsverfahren durch Zugabe von Zusatzwerkstoffen, die eine Dichte ≥ 8 g/cm3 haben, die eine Flächenverbindung der Fluorpolymere zum Substrat erhöhen, auf dem metallischen Trägerwerkstoff aufgebracht. Mit diesem Zusatzwerkstoff, dessen Dichte ≥ 8 g/cm3 ist, werden die antiadhäsiven Eigenschaften von fluorhaltigen Polymeren unterdrückt.
Nachteilig ist die Notwendigkeit, Zusätze verwenden zu müssen, die das schlechte Bindungsverhalten von fluorhaltigen Polymeren verbessern sollen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Zwei- oder Mehrschicht-Verbundwerkstoff mit einer verbesserten, Polyimid-Lack enthaltenden Deckschicht zu schaffen, die sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, hohe mechanische Belastbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Verschleißfestigkeit auszeichnet und dabei leicht und kostengünstig auf dem Verbundwerkstoff aufzubringen sein soll. Soweit der Verbundwerkstoff für Reib- bzw. Gleitelemente gedacht ist, und die Deckschicht die Funktion einer Reib- bzw. Gleitschicht übernimmt, sollen die Nachteile der bekannten Polyimid-Gleitlager behoben und vor allem wesentlich verbesserte Reib- bzw. Gleiteigenschaften erzielt werden. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Matrix der Deckschicht durch den wärmehärtbaren Polyimid- Lack gebildet und Zusatz bzw. Zusätze in darin fein disper verteilter Form aufnimmt und daß diese Deckschicht direkt auf der aufgerauhten Oberfläche des Substrates aufgebracht ist. Bei erfindungsgemäßem Verbundwerkstoff für Reib- bzw. Gleitelemente ist die Deckschicht als Reib- bzw. Gleitschicht auszubilden und direkt auf der aufgerauhten Oberfläche eines bandförmigen, metallischen Substrates aufzubringen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sich besonders diejenigen Polyimid-Lacke bewähren, welche in der Elektroindustrie als Elektrolacke bzw. als Drahtlacke für Isolier zwecke Verwendung finden. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes besteht darin, daß ein Zwei- oder Mehrschicht-Verbundwerkstoff hergestellt wird, ohne eine haftvermittelnde Schicht oder einen der mechanischen Verklammerung dienenden Rauhgrund.
In vorteilhafter Weise kann die Matrix der Reib- bzw. Gleit schicht durch in Lösungsmitteln lösliches Polyimid gebilde sein und diese Matrix, in der ein selbstschmierender Zusat bzw. Zusätze darin fein dispers verteilt ist bzw. sind, direkt auf der aufgerauhten Oberfläche eines metallischen Substrates aufgebracht werden. In besonders vorteilhafter Weise kann die Reib- bzw. Gleitschicht, die etwa 99 bis
60 Vol.%, bevorzugt 90 bis 80 Vol.%, wärmehärtbare Polyimi Lacke und etwa 1 bis 40 Vol.%, bevorzugt 10 bis 20 Vol.% selbstschmierende Zusätze enthalten. Dabei können in vorteilhafter Weise Polyimid-Lacke bzw. die in Lösungsmitteln löslichen Polyimide Stoffe aus einer oder mehreren der folgenden Gruppen von Polyimiden sein:
Carboranimid, wasserstoffreie Polyimide, Poly-triazo-Pyromellithimide, Polyesterimide und Polyamidimide . In besonders vorteilhafter Weise kann der Polyimid-Lack ein in Lösungsmitteln lösliches Polyimid ein über Tris-(2-hydroxyäthyl)-isocyanurat (THEIC) vernetztes Polyester sein. In vorteilhafter Weise kann der selbstschmierende Zusatz ein in Pulverform vorliegendes, niedermolekulares PTFE sein, dessen mittleres Molekulargewicht zwischen 35.000 und 100.000 ist, wobei die mittlere Korngröße des niedermolekularen PTFE zwischen 5 bis 7 μm sein kann. In vorteilhafter Weise kann die Dicke der Reib- bzw. Gleitschicht zwischen 0,05 und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,07 und 0,2 mm sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das metallische Substrat aus Stahl nach DIN 1624, Aluminium, eine Aluminiumlegierung, aluminiumplattierter Stahl oder kupferhaltige Werkstoffe gebildet sein, wobei das metallische Substrat eine Dicke zwischen 0,5 bis 2,0 mm aufweisen kann.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Verbund-Schichtwerkstoffes kann in einem kontinuierlichen Durchlauf ausgeführt werden, wobei in besonders vorteilhafter Weise folgender Verfahrensschritt aufgezeigt wird. Der in Pulverform vorliegende, selbstschmierende Zusatz wird mit dem der die Matrix bildende Polyimid-Lack innig vermischt und bis zu niedrig viskosen bis pastösen Zustand homogenisiert, wobei die so vorbereitete Mischung in der gewünschten Beschichtungsdicke in entsprechender Menge auf das metallische Substrat aufgebracht und auf diesem angefrittet werden kann.
In einem besonders vorteilhaften Verfahrensschritt kann zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Mischung diese mit einem latenten Lösungsmittel, vorzugsweise Diraethylformamid versehen sein, wobei der Zusatz von Dimethylformarrtid 2 bis 10 Vol.%, vorzugsweise 4 bis 6 Vol.% betragen kann. In einem nächsten vorteilhaften Verfahrensschritt kann die mit einerm latenten Lösungsmittel versehene Mischunα mittels Spritzen, Streichen oder Walzen auf das metallische Substrat aufgebracht werden, wobei in vorteilhafter Weise das metallische Substrat in einem MF-Ofen induktiv auf die Temperatur zum Anfritten der Reib- bzw. Gleitschicht an das metallische Substrat erwärmt werden kann.
In einem vorteilhaften Verfahrensschritt kann das in der angefritteten Reib- bzw. Gleitschicht enthaltene, latente Lösungsmittel in einer anschließenden Heizstrecke verflüchtigt werden. In einem anschließenden vorteilhaften Verfahrensschritt kann die auf das metallische Substrat aufgebrachte Mischung aus Polyimid-Lack und niedermolekularem PTFE in einem Durchlaufofen, der in seiner Ober- und Unterhitze regulierbar ist, durchgehärtet werden, wobei die Ausgangstεmperatur des Substrates maximal 253 °Cbetragen kann. In einem besonders vorteilhaften Verfahrensschritt kann zur Ausbildung der maximalen Kristallisation der Reib- bzw. Gleitschicht diese im Anschluß an die Durch härtung gesteuert abgekühlt werden und im Anschluß daran zur Weiterverarbeitung zu einer Rolle aufgewickelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß in einem kontinuierlichen Verfahren ohne aufwendige Zwischenschichten bei optimaler Haftung direkt der metallische Stützwerkstoff mit dem reibungsarmen, verschleißfesten und temperaturbeständigen Werkstoff beschichtet werden kann. Der Forderung nach einem schnellen und wirtschaftlichen Herstellungsverfahren wird dadurch Rechnung getragen, daß die Verarbeitungszeiten äußerst kurz sind und eine ausreichende Genauigkeit beim Aufbringen der Reib- bzw. Gleitschicht eine maßliche Nachbearbeitung vermeiden hilft. Nachdem das mit einer Reib- bzw. Gleitschicht versehene Band gesteuert abgekühlt ist, wird es ohne zusätzliche thermische oder mechanische Nachbehandlung zu einer Rolle aufgewickelt und ist geeignet zu herkömmlichen Gleitlagerelementen weiterverarbeitet zu werden. Herkömmliche Zweischicht-Verbundwerkstoffe mit dem Aufbau metallischer Träger/Kunststoff erleiden bei einer spanlosen Formgebung durch beispielsweise Walzen, Drücken oder Biegen eine irreversible Schädigung der Bindung zwischen Substrat und Beschichtung.
Eine Umformung des erfindungsgemäßen Zwei- oder Mehrschicht- Werkstoffes durch beispielsweise Walzen führt überraschenderweise zu keiner Schädigung des Schichtverbundes.
Das Fehlen einer gesonderten Nachbehandlung, sei es thermischer oder mechanischer Art, gestattet, den Gleitlagerzweischichtenwerkstoff kontinuierlich in einem einzigen Durchgang herzustellen. Im erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich bevorzugt ein Zweischichtwerkstoff mit einem Stützwerkstoff aus Stahl DIN 1624, Qualität St3 , bevorzugt St4, herstellen. Alternativ dazu können auch andere metallische Stützwerkstoffe, beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen und aluminiumplattierter Stahl oder kupferhaltige Werkstoffe in Betracht kommen. Die Dicke der verwendeten metallischen Stützwerkstoffe ist beliebig, soll aber bevorzugt im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm liegen. Als Polyimidlack wird bevorzugt ein über Tris-(2-hydro- xyäthyl) -isocyanurat (THEIC) vernetztes Polyester verwendet. Dieser thermisch hoch belastbare, wärmeschockbeständige, reibungsarme und gegen mechanische Belastung unempfindliche Werkstoff wird mit reibungs- und verschleißminderndem niedermolekularem PTFE, welches in Pulverform vorliegt, homogen gemischt.
Die auf die Stützschicht aufzubringende homogene Mischung ist zwischen 0,05 mm und 0,5 mm dick, bevorzugt zwischen 0,07 mm und 0,2 mm. Die Zugabe des verschleißmindernden gleitverbessernden PTFE in Pulverform mit einer Korngröße von 0,005 mm bis 0,007 mm mit einem Volumenanteil von 1 bis 40%, bevorzugt 10 bis 20%, wird dem Polyimidlack, beispielsweise Polyesterimid, zugemischt. Überraschenderweise wurde gefunden, daß ein Zusatz von 2 bis 10 Vol.%, bevorzugt 4 bis 6 Vol.%, eines latenten Lösungsmittels, beispielsweise Dimethylformamid, die Verarbeitbarkeit der Mischung während der Beschichtung durch z.B. Aufstreichen wesentlich vereinfacht. Weiterhin wurde festgestellt, daß durch die Zugabe von 2 bis 10 Vol.%, bevorzugt zwischen 4 bis 6 Vol.%, eines latenten Lösungsmittels, bevorzugt Dimethylformamid, sich ebenso die Filmbildung der aus beispielsweise Polyesterimid und PTFE bestehenden Beschichtungsmischung in hohem Maße verbessert, und es zu einer geschlossenen, porenfreien und über die gesamte Bandbreite ebenen und gleichmäßigen Beschichtung beiträgt.
Nachstehend wird die Ausführungsform der für die Durchführung des Verfahrens zu benutzenden Anlage beschrieben.
Die Vorbehandlung der metallischen Stützschicht, welche mit Reib- bzw. Gleitschicht versehen werden soll, wird mittels Strahlen, Bürsten oder Schleifen, also auf mechanische Weise bevorzugt durchgeführt.
Eine andere Möglichkeit der Vorbehandlung ist durch ein Anätzen, also auf chemische Weise möglich. Dieser Behandlung zur Vergrößerung der spezifischen Oberfläche auf mechanische und/oder chemische Weise folgt eine Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche durch bekannte Lösungsmittel.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen stark vergrößerten Schnitt durch einen
Zweischicht-Verbundwerkstoff zeigt.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist auf der zu beschichtenden, vorbehandelten Oberfläche 2 des Substrates 1, bestehend aus beispielsweise Stahl DIN 1624 der Qualität St4, eine die Matrix 3 bildende Polyimidschicht aufgebracht, welche vorzugsweise aus einem Polyesterimid besteht. In dieser Matrix 3, bestehend aus Polyesterimid, sind niedermolekulare PTFE-Teilchen als selbstschmierender Zusatz 4 fein dispers verteilt. Die Korngröße dieser PTFE-Teilchen 4 beträgt zwischen 5 bis 7 μm. Die Dicke. des metallischen Substrats 1 beträgt bei der Herstellung von Gleitlagern, beispielsweise für den Einsatz in Pumpen, Vergasern oder Stoßdämpfern 0,2 bis 2,5 mm. Die Dicke der Reib- bzw. Gleitschicht 5 liegt zwischen 0,07 und 0,2 mm.
Anhand der nachfolgenden Verfahrensbeschreibung soll die Herstellung eines Zweischicht-Verbündwerkstoffes aufgezeigt werden.
Ein Trägerwerkstoff aus Stahl der Qualität St3 nach DIN
1624 bzw. St4 wird fortlaufend durch Strahlen, Bürsten oder Schleifen und/oder Ätzen und anschließende Reinigung bzw. Entfettung mit vorzugsweise organischen Lösungsmitteln behandelt. Danach erfolgt unmittelbar die Beschichtung mit einem Gemisch aus Polyesterimid und niedermolekularem PTFE-Wachs, Teilchengröße ca. 5 μm bis 7 μm, mittleres Molekulargewicht 35.000 bis 100.000. Die besten Ergebnisse wurden bei einer statistischen Verschleißprüfung (Stift/ Walze-Prüfeinrichtung) mit maximal 21 Vol.% PTFE-Zusatz erreicht.
Die Auftragung der Reib- bzw. Gleitschicht erfolgt über ein Auftragungsrakel (Alternative:Walzenbeschichtung), wobei dieses so eingestellt wird, daß eine über die gesamte Bandbreite gleichmäßige Beschichtung erfolgt. Durch diese Form der Bandbeschichtung werden evtl. Dickenunterschiede der Stützschicht kompensiert, so daß ein zusätzlicher Arbeitsgang für die Dickenregulierung entfällt.
Nach dem Aufbringen der Gleitschicht wird in einem Vorwärmofen, einem MF-Ofen, ein Anfritten des Werkstoffgemisches an das Substrat vorgenommen. Die in der Reib- bzw. Gleitschicht enthaltenen Lösungsmitt werden in einer anschließenden Heizstrecke verflüchtigt. Darauffolgend wird in einer Umwälzdurchlaufanläge die Aushärtung der Beschichtungsmasse vorgenommen.
Nur durch die beschriebene Reihenfolge des Beschichtungsab laufes und die Auslegung der Öfen wird eine geschlossene, glatte und von Poren freie Beschichtung geschaffen.
Die Austrittstemperatur des beschriebenen Bandes beträgt am Ende des Durchlaufofens 250 C. Im Anschluß an den Durch laufofen erfolgt eine langsame, geregelte Abkühlung, wodurch eine hohe Kristallisation der Beschichtung herbeigeführt wird. Der Zweischichtverbundwerkstoff wird ohne maßliche Nachkontrolle, wie beispielsweise Walzen oder Fräsen zu einer Rolle aufgewickelt und ist zur Weiterverarbeitung von Reib- und Gleitelementen geeignet.
Vergleichende Verschleißversuche an Prüfplättchen, gefertigt nach der erfindungsgemäßen Beschichtung Polyesterimid und verschiedenen Volumenanteilen an niedermolekularem PTFE gegenüber einer Beschichtung ohne Zusatz an PTFE sind nachstehend aufgeführt.
Versuchsbedingungen: Gleitgeschwindigkeit: 100 min-1=1 0,523 ms-1 Statische Belastung: 700 N Spezifische Belastung:
Figure imgf000012_0001
8 , 9 N/mm2 Prüfplättchen-∅: 10 mm
Walzen-∅ des Gegenläufers 100 mm PV-Wert : 4,68 N/mm2 ms -1 Härte : 60 HRc Rt: 2,84 Ra: 0,24 Rz: 1,78 Anhand der aufgeführten Versuchsbedingungen wurden folgende Ergebnisse erzielt:
Figure imgf000013_0001
Eine Ausführungsform zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zweischichtwerkstoffes wird nachfolgend beschrieben.
Beispiel 1:
Das Aufrauhen der mit der erfindungsgemäßen Gleit- bzw. Reibschicht zu beschichtenden Oberfläche der vorzugsweise metallischen Stützschicht kann durch gebräuchliche mecha nische Verfahren wie beispielsweise Strahlen, Bürsten oder Schleifen erfolgen. Eine chemische Behandlung durch Anätzen ist aber auch möglich.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Beschichtungswerkstof fes mit z.B. einer Zusammensetzung von 93 Vol. -Anteilen Polyesterimid und 7 Vol. -Anteilen niedermolekulares PTFE wird nachstehend beschrieben.
Der Mischvorgang erfolgt in einem Schnellrührer bei einer Drehzahl von ≤ 4000 U/min..
Die Ausgangsviskosität bei 23°C beträgt nach DIN 53211 für das Polyesterimid 90 s + 5%.
Nach dem Mischvorgang mit einem Rotationsviskosimeter wurden 450 + 5% m Pa . s gemessen. Die Mischzeit ist mit 5 Minuten kurz zu halten.
Die Beschichtung des erfindungsgemäßen Werkstoffes bzw. die Herstellung oder Auftragung erfolgt vorzugsweise über einen regulierbaren Streubalken bzw. ein Auftragsrakel. In einem zweiten Beispiel wird die Beschichtung einer entsprechend vorbehandelten Stützschicht mit einem Werkstoff gemäß nachstehender Zusammensetzung beschrieben.
Beispiel 2: Die Zusammensetzung der Reib- bzw. Gleitschicht besteht aus 79 Volumenanteile Polyesterimid und 21 Volumenanteile niedermolekulares PTFE.
Zu der aufgeführten Zusammensetzung werden während des Mischvorganges im Schnellrührer 6 Volumenanteile, bezogen auf die Mischung eines latenten Lösungsmittels beigegeben, um die Filmbildung beim Aufbringen mit Streichbalken zu verbessern und bei Schichtdicken ≥ 40 μm die Blasenbildung bzw. Porenbildung zu unterdrücken.
Im erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch große Flächen, insbesondere zu schützende Metalloberflächen (metalcoating) mit einer Deckschicht versehen. Die Deckschicht kann auch in fortlaufendem Verfahren auf bandförmiges Substrat aufgebracht werden. Dabei kann die Deckschicht in jeder gewünschten besonderen Anforderungen gerecht werden der Weise zusammengesetzt werden, beispielsweise als Reibbzw. Gleitschicht.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1) Zwei- oder Mehrschicht-Verbundwerkstoff mit einer Deckschicht, die thermisch hoch belastbaren, wärmehärtbaren Polyimid-Lack enthält, mittels dessen die Bestandteile der Deckschicht zusammengehalten und zugleich die Deckschicht mit dem sie tragenden Substrat fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (3) der Deckschicht durch den wärmehärtbaren. Polyimid-Lack gebildet ist und Zusatz bzw. Zusätze in darin fein dispers verteilter Form auf- nimmt und daß diese Deckschicht direkt auf der aufgerauhten Oberfläche (2) des Substrates (1) aufgebracht ist.
2) Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, insbesondere für Reib- bzw. Gleitelemente, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht als Reib- bzw. Gleitschicht (5) ausgebildet und direkt auf der aufgerauhten Oberfläche eines bandförmigen, metallischen Substrates (1). aufgebracht ist.
3) Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Reib- bzw. Gleitschicht (5), die etwa 99 bis 60
Vol.%, bevorzugt 90 bis 80 Vol.% wärmehärtbare Polyimid-Lack und etwa 1 bis 40 Vol.%, bevorzugt 10 bis 20 Vol.% selbstschmierende Zusätze (4) enthält.
4) Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyimid-Lack Stoffe aus einer oder mehreren der folgenden Gruppen von Polyimiden sind: Carboranimid, wasserstoffreie Polyimide, Poly-triazo-Pyromellithimide, Polyesterimide und Polyamidimide. 5 ) Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , daß der Polyimid-Lack ein in Lösungsmittel lösliches Polyimid ein über Tris- ( 2-hy droxyäthyl ) -isocyanurat ( THEIC) vernetztes Polyester ist .
6) Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der selbstschmierende Zusatz (4) ein in Pulverform vorliegendes niedermolekulares PTFE ist und ein mittleres Molekulargewicht zwischen 35.000 und 100.000 aufweist.
7) Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße des niedermolekularen PTFE zwischen 5 bis 7 μm ist.
8) Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Deckschicht zwischen 0,05 und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,07 und 0,2 mm ist.
9) Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Stahl nach DIN 1624, Aluminium, eine Aluminiumlegierung, aluminiumplattierter Stahl und kupferhaltige Werkstoffe gebildet ist.
10) Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß das Substrat (1) eine Dicke zwischen 0,5 bis 2,0 mm aufweist.
11) Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem ein das Substrat bildendes Band kontinuierlich mit dem die Deckschicht bzw. Reib- bzw Gleitschicht bildenden Material belegt und dieses Ma terial durch Wärmeeinwirkung angefrittet und anschlie ßend gesteuert abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der in Pulverform vorliegende Zusatz mit dem der die Matrix bildende Polyimidlack innig vermischt wird und bis zu niedrig viskosen bis pastösen Zustand homogenisiert wird, und daß die so vorbereitete Mi schung in der gewünschten Beschichtungsdicke in entsprechender Menge auf das metallische Substrat aufgebracht und auf diesem angesintert wird.
12) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Mischung diese mit einem latenten Lösungsmittel, vorzugsweise Dimethylformamid versehen ist.
13) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz von Dimethylformamid 2 bis 10 Vol.%, vorzugsweise 4 bis 6 Vol.% beträgt.
14) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem latenten Lösungsmittel versehene Mischung mittels Spritzen, Streichen oder Walzen auf das metallische Substrat aufgebracht wird.
15) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Substrat in einem MF-Ofen induktiv auf die Temperatur zum Anfritten der Reib- bzw. Gleitschicht an das metallische Substrat erwärmt wird.
16) Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das in der angefritteten Reib- bzw. Gleitschicht enthaltene, latente Lösungsmittel in einer anschließenden Heizstrecke verflüchtigt wird. 17) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das metallische Substrat aufgebrachte Mischung aus Polyimid-Lack und niedermolekularen PTFE in einem Durchlaufofen, der in seiner Ober- und Unterhitze regulierbar ist, durchgehärtet wird, wobei die Ausgangstemperatur des Substrates maximal 250°C beträgt.
18) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der maximalen Kristallisation der Reib- bzw. Gleitschicht diese im
Anschluß an die Durαhhärtung gesteuert abgekühlt wird.
19) Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff im Anschluß an das gesteuerte Abkühlen zur Weiterbearbeitung von Reib- bzw. Gleitelementen zu einer Rolle aufgewickelt wird.
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