(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
滑り材料が装入されている多孔質の青銅骨格を備えたプレーンベアリング材料であって、
その際、滑り材料は少なくとも１つの弗素系熱可塑性合成樹脂とフィラーとから成り、
弗素系熱可塑性合成樹脂の割合は、50〜85容量％であり、
弗素系熱可塑性合成樹脂としては、PTFEが使用され、PTFEには、ETFE,PCTFE,ECTFE,PFA又はFEPから成る１つ又は複数の弗素系熱可塑性合成樹脂が添加されて用いられ、そして、
滑り材料についてフィラーの割合は、立方晶窒化硼素が５〜48容量％であり、層構造を備えた金属化合物の少なくとも１つが２〜45容量％でありかつ選択的にMoS2,硫化タングステン、硫化チタン及び沃化チタンから成り、
その際、場合によっては、窒化硼素／金属化合物のフィラー組合せの40容量％までが、他のフィラーによって置換されていることを特徴とする前記プレーンベアリング材料。
【請求項２】
窒化硼素の割合が6.25〜32容量％であり、金属化合物の割合が５〜30容量％であることを特徴とする請求項１に記載のプレーンベアリング材料。
【請求項３】
充填剤が、40μｍ以下の粒子サイズを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のプレーンベアリング材料。
【請求項４】
充填材が、20μｍ以下の粒子サイズを有することを特徴とする請求項３に記載のプレーンベアリング材料。
【請求項５】
他の充填剤として、Si3N4又は炭化硼素のような硬質剤のグループ、コークスのようなピグメント、グラファイトー短繊維又はアラミド繊維のような繊維材料、グラファイトのような固体潤滑剤、PAI又はPIのような熱硬化性合成樹脂又は高温熱可塑性プラスチックの１つ又は複数が対象とされることを特徴とする請求項１から４までのうちのいずれか１つに記載のプレーンベアリング材料。
【発明の詳細な説明】
本発明は、マトリックス材料と、弗素系熱可塑性合成樹脂及びフィラーから成る滑り材料とを備えたプレーンベアリング材料に関する。
合成樹脂ベース上に滑り層を備えた軸受材料は、一層、二層又は三層複合材料として公知である。即ち、材料が合成樹脂のみから成る軸受、外方の金属の支持体及び直接取りつけられ又は接着された合成樹脂を備えた軸受、内方の金属組織を備えた軸受並びに支持金属、焼結多孔質金属層及び孔面に形成されたカバー層とから成る三層軸受である。これら全ての軸受は、大抵潤滑剤の使用が不可能か不所望な領域に使用される。従ってこれらの軸受自体が、運転状態でこれらの潤滑剤の機能を発揮しなければならない。
多層材料は、材料が合成樹脂のみから成るものとは例えば負荷の下に冷間流動の起こり難い傾向、本質的に良好な熱伝導性従ってこれと関連した明らかに可能な高いpv−値によって相違する。しかし、特定の場合、例えばコスト上の理由から材料が合成樹脂のみから成るものも有利である。
三層材料の間では、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）、PFA（テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキル）、FEP（フッ化エチレンプロピレン）等のような弗素系熱可塑性合成樹脂ベース上に滑り層を備えたものと、例えばPEEK（ポリエーテルエーテルケトン）のような他の合成樹脂ベース上に滑り層を備えたものとは区別され得る。これらの両群は、その機能において相違する筈である。一方、青銅中間層は、PTFE−ベース材料では滑り層の「アクチブ」な負荷支持構成部材でありかつフィラーのように作用し、他の合成樹脂材料は青銅中間層を係止部としてのみ利用する。他の合成樹脂材料は、裏金金属に対する充分高い親和性を有する場合に耐久性のある二層材料の製造を可能にする。アクチブ滑り層自体上で熱硬化性合成樹脂又は熱可塑性合成樹脂は青銅の支持機能を担う。更に金属上に接着され充填された弗素系熱可塑性合成樹脂フィルム又は合成樹脂と一体化された金属組織を備えたものが公知であり、金属組織は裏金金属上に接着されることができる。
三層材料は、最高の負荷容量と耐熱性を有するPTFEのような弗素系熱可塑性合成樹脂ベース上に普遍的にかつ容易に製造可能である。製造プロセスにおいて合成樹脂拡散を介して均一なPTFE/フィラー相が形成されかつ支持材料上への圧延後PTFEの最終的焼結によって最終複合材料が製造される。
そのような材料のために実質的に使用されるフィラーは、鉛及び二硫化モリブデンであり、その際これらの材料は殆ど同様な性能を有する。これらのフィラーは潤滑剤のある場合にも適用されることができる。
多くの場合構造的問題の解決は、PTFE−滑り層を備えた保守不要のスペース節約プレーンベアリングの使用下で望まれる。しかし2mPam/sのpv−値で平均負荷及び速度領域（0.5〜100MPa及び0.02〜2m/s）内にある負荷上限はこれらのプレーンベアリングの使用を制限することになる。
ドイツ国特許第4106001号明細書から、フィラーとしてPbOの使用によって性能のよい軸受材料が得られることができるが、鉛のような健康に有害なポテンシャルを有する材料の使用はますます多くなる。更にそのような材料は、例えば衝撃減衰ピストンロッドのための案内ブッシュとしての使用のための潤滑の不要な使用のために最適な材料には適しない、そのわけはかかる材料はこれらの条件の下に必要な耐磨耗性及び耐キャビテーション性を有さず又は摩擦値が不十分だからである。
PTFE及び二硫化モリブデンからのみ成る滑り層を備えた軸受材料はずっと以前から公知でありかつこれまで最も頻繁に使用された潤滑の不要な軸受材料に属する。公知の固体潤滑材として窒化硼素も、たとい潤滑材特性が800℃の上方の温度で初めて有効であるとしても、PTFEのための可能なフィラーとして挙げられている。
二硫化モリブデンも窒化硼素も既にドイツ国特許第1132710号明細書中にフィラーとしての固体潤滑材の例として言及されている。しかしPTFEに対しては、二硫化モリブデンも窒化硼素もその同時使用については言及されていない。
本発明の課題は、鉛又は鉛化合物を使用することなく、熱可塑性合成樹脂含有軸受材料の利点に期待するフィラー組合せの使用をすることにある。
この課題は、滑り材料は、フィラーとして、５〜48容量％の窒化硼素と、層構造を備えた２〜45容量％の少なくとも１つの金属化合物とを有し、その際弗素系熱可塑性合成樹脂の割合は50〜85容量％になることによって解決される。容量割合はマトリックスを除く滑り材料に関するものである。
窒化硼素、好ましくは立方晶窒化硼素と、層構造を有する少なくとも１つの金属化合物とから成るフィラー組合せによって、合成樹脂軸受材料の特性が、これらのフィラーの１つのみを有する軸受材料に対して明らかに改良されることができる。改良される特性として特に負荷容量、耐磨耗性及び耐キャビテーション性が挙げられる。
金属化合物の層構造の下に、外力の作用の際に原子構造物質の僅かな交換作用によって所定の格子平面の滑りを容易にするという形で結晶構造の異方体が理解される。金属化合物として例えば二硫化モリブデン及び又は硫化タングステン及び又は硫化チタン及び又は沃化チタンが挙げられる。
弗素系熱可塑性合成樹脂として、好ましくはPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）又はETFE（エチレンテトラフルオロエチレン共重合体）、PCTFE（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ECTFE（エチレンクロロトリフルオロエチレン共重合体）、PVDF（ポリビニリデンフルオロエチレン）又はFEP（フッ化エチレンプロピレン）の１つ又は複数の弗素系熱可塑性合成樹脂の添加されたPTFEが対象となる。
有利な特性は、特にマトリックス材料が滑り材料が装入されている青銅骨格であるか又はマトリックス材料が微細の滑り材料の混入された熱可塑性合成樹脂である場合に発揮され、その際全プレーンベアリング材料に対する合成樹脂マトリックス材料の割合は60〜95容量％、好ましくは70〜90容量％である。
合成樹脂マトリックス材料は好ましくはPPS（ポリフェニレンスルフィド）、PA（ポリアミド）、PVDF（ポリフッ化ビニリデン）、PSU（ポリサルフォン）、PES（ポリエーテルスルホン）、PEI（ポリエーテルイミド）、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PAI（ポリアミドイミド）又はPA（ポリイミド）を有する。
PTFE−焼結青銅−ベース上のプレーンベアリング材料では、性能は、潤滑しない条件の下で平均の負荷及び速度領域で、5MPam/sまでのPV値が達成されることができるように改良される。同時にこれらの材料は改良された耐キャビテーション性及び技術水準に匹敵する油潤滑の下での摩擦値とによって特徴づけられる。PPS（ポリフェニレンスルフィド）、PA（ポリアミド）、PVDF（ポリフッ化ビニリデン）、PSU（ポリサルフォン）、PES（ポリエーテルスルホン）、PEI（ポリエーテルイミド）、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PAI（ポリアミドイミド）又はPI（ポリイミド）のような他の合成樹脂マトリックスを備えた弗素系熱可塑性合成樹脂含有材料でも、耐磨耗性は本発明によるフィラー組合せによって、単一成分を充填された変形に対して明らかに高められている。
好ましくは窒化硼素の割合が6.25〜32容量％及び金属化合物５〜30％である。これらのフィラーの粒子サイズは好ましくは40μｍ、特に20μｍ以下である。
本発明の比率以外ではPTFE及び窒化ホウ素又はPTFE及びMoS2の組合せに対して本質的な改良は達成されない。しかし窒化硼素／硫化金属のフィラー組合せの40容量％まで、好ましくは20容量％よりも多くない組成から出発して、熱可塑性合成樹脂又は例えばポリイミド又はポリアミドイミドのような耐高温性熱可塑性合成樹脂、例えばグラファイトのような繊維物質、例えばコークスのような顔料及び例えばグラファイト短繊維又はアラミド繊維のような繊維物質又は例えば炭化硼素又は窒化珪素のような硬質物質によって置換することが可能である。
本発明による滑り材料は熱可塑性合成樹脂から成るマトリックス材料と関連して中実合成樹脂滑り材料として使用されることができる。しかしプレーンベアリング材料は多層材料の滑り層としても使用されることができ、その際滑り層は直接裏金金属上に付けられることができる。焼結青銅マトリックスを有する滑り層を備えた最後に述べた多層材料は、例えば鋼又は銅合金又はアルミニウム合金のような焼結金属上に0.05〜0.5mm層厚さの青銅が、それが20〜45％の孔容積を有しかつ青銅自体の組成が５〜15％の錫及び選択的に15％までの鉛の組成を有するように焼結される。滑り材料混合物は圧延によって、多孔質下地上に、孔が完全に充填されかつ使用目的に応じて０〜50μｍの厚さのカバー層が得られるように付けられる。次に材料が炉中で熱処理され、その際含まれるPTFEは、終了される圧延工程で最終複合材及び必要な最終寸法をつくるために、３分間380℃で焼結される。
本発明の例を次に図面及び表に基づいて詳しく説明する。
図１はフィラーでの窒化硼素含有率に依存する磨耗率を示す図である。
図２〜図４は表に纏められた試験結果のグラフ表示である。
滑り材料混合物の製造は、例１に関して下に記載されるように、PTFE拡散を介して行われることができ、例１は、PTFE拡散が次に行われる凝固の際均一に分配されるように混合される。この際ペースト状の材料が生じ、材料は次の成層プロセスにとって必要な特性を有する。
例  １
水12L、硫酸ラウリルナトリウム25g、窒化硼素3kg、硫化モリブデン15.9kg及び35％のPTFE分散物34kgが20分間強力に撹拌される。それから20％の硝酸アルミニウム溶液100gが加えられる。続いて行われる凝固後1Lのトルオルが混合物中に混合撹拌され、そこで生じた液体が除去される。
表１〜表４に記載されたPTFE/青銅−マトリックス滑り層を備えた三層系の群から成る例は、全てこの方法で製造される。従って次に合成樹脂混合物の組成のみを記載する。
記載された方法で製造された材料は本発明による組成で摩擦値に関しても磨耗強度に関してもPTFE/MoS2又はPTFE/Pbベースの標準材料より優れている。
磨耗強度及び摩擦値のような特性を研究するために、PTFE、窒化硼素及び二硫化モリブデンから成る組成が大きな範囲に亘って変えられかつ1.25mmの鋼、0.23mmの青銅及び0.02mmの合成樹脂カバー層から成る記載の三層材料の試料が作られる。この試料の0.78cm2の試料片によって、ピン／ロール−摩擦測定器によって周囲速度0.52m/s及び負荷17.5MPaで磨耗率が測定されかつ標準材料と比較される。標準材料として80容量％のPTFEと20容量％のMoS2から成る合成樹脂層を備えた記載の種類の複合材料が使用される。
図１にはフィラーの窒化硼素含有量に依存した磨耗率が表され、全フィラーは30容量％に一定保持された。本発明による細い縞線で表された領域には明確な磨耗最小値が存在し、磨耗最小値は例えば二硫化モリブデンのみが含まれる場合よりも何倍も良好な組成であることを証明する。
本発明によって得られることができる改良を明らかにするために表１に記載された摩耗値及び磨耗率と共にピン／ロール−試験を施された組成に更に試験が行われた。図２中に結果がグラフで対比して表示され、グラフは各場合にフィラー組合せが両成分の一方の使用の場合よりも際立って良好であることを示す。
表２及び図３に比較して例示された組成７〜11の結果から、本発明による材料が、積極的な特性を失うことなく他の成分とも結合され得ることが分る。
その上硫化タングステンの有効性が試験された。ピン／ロール−試験の相応した結果は表３に表されている。本発明による効果の招来のために二硫化モリブデンに構造的に類似する材料が好適で有り得る。
例番号１及び３のから直径22mmのブッシュが製造されかつ回転する試験経過でその限界負荷が特定され、その際0.075m/sの速度の下では13.5km走行距離が達成された。障害基準は温度の急激な上昇であり、これは後の研究では90μｍの平均の磨耗深さと等価である。試料３の結果は他の評価ではpv−値4.5MPam/sに相応する。結果は図４中技術水準に対比して表されている。
表４は本発明による材料がその衝撃減衰適用における性能が技術水準に対して同等であることを示す。耐キャビテーション性も摩擦値も匹敵している。表には衝撃減衰試験プログラムが極端なキャビテーション応答を基礎としてつくられている。摩擦値は1000Nの負荷及び滴下潤滑の下での20mm/sの滑り速度ではブッシュで衝撃減衰ピストンロッドに対する寸法で求められた。
本発明を有利に実施する他の可能性は、本発明による滑り材料混合物がPTFEと共に例えばPPS（ポリフェニレンスルフィド）、PA（ポロアミド）、PVDF（ポリビニリデンフルオロエチレン）、PES（ポリエーテルスルフォン）、PSU（ポリサルフォン）、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PI（ポリイミド）、PA（ポリアミド）又はPEI（ポリエーテルイミド）のような他のポリマーから成る熱可塑性マトリックスに処理しかつこれを任意の方法で滑り要素に処理し、例えば金属背材上に青銅中間層を介して又は青銅中間層なしに取りつけ又は合成樹脂のみから製造することにある。その際熱可塑性割合は60容量％と95容量％の間、好ましくは70容量％と90容量％との間で変えられることができる。
本発明による弗素系熱可塑性／窒化硼素／二硫化モリブデン混合物は粉体混合物としてアルミニウム青銅地上に分散され、溶融されかつ圧延される。例としてPES化合物の摩擦工学的特性への影響が使用されるが、他の多くの熱可塑性もマトリックスとして使用可能である。
図５はPTFE、PTFE/MoS2、PTFE/BN及びPTFE/BN/MoS2とPESの化合物の摩擦値及び磨耗率が、本発明による効果を明らかにするために示す。正確な組成物及び測定値は表５から分る。最良の値は例14によって達成される。
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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