ES2254969T3

ES2254969T3 - Material compuesto para cojinete de desplazamiento.

Info

Publication number: ES2254969T3
Application number: ES03757024T
Authority: ES
Inventors: Frank Haupert; Wolfgang Bickle
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2006-06-16
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: US20050208313A1; ATE313432T1; US7056590B2; BR0311595A; EP1511625B1; EP1511625B2; WO2003103955A1; EP1511625A1

Abstract

Material compuesto para cojinete de deslizamiento con una capa protectora metálica, dado el caso con una capa soporte porosa aplicada sobre la misma, y con una capa de deslizamiento exenta de plomo que forma una superficie de deslizamiento para una pareja de deslizamiento con un material para capa de deslizamiento sobre base de plástico con PEEK y con un lubricante en forma de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario, caracterizado porque el material para capa de deslizamiento presenta PEEK como componente de plástico que forma la matriz y además presenta el lubricante en forma de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario y un componente endurecedor en forma de dióxido de titanio y adicionalmente fibras de carbono y porque la proporción en porcentaje en peso del lubricante y del componente endurecedor referida a la masa del material para capa de deslizamiento es respectivamente de 5 a 15% en peso y porque el lubricante y el componente endurecedor están presentes en forma de partículas finas con un valor de D50 del tamaño de partícula de 500 nm como máximo.

Description

Material compuesto para cojinete de deslizamiento.

La invención se refiere a un material compuesto para cojinete de deslizamiento con una capa protectora metálica, dado el caso con una capa soporte aplicada sobre la misma, y con una capa de deslizamiento exenta de plomo que forma una superficie de deslizamiento para una pareja de deslizamiento con un material para capa de deslizamiento sobre base de plástico con PEEK y con un lubricante en forma de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario.

Se conoce un material compuesto para cojinete de deslizamiento de este tipo del documento DE 3601569 A1, donde se cita PEEK como uno de varios polímeros, aunque ninguno de los ejemplos de realización incluye PEEK. La publicación indica el uso para el aumento de la resistencia al desgaste, de 5 a 40% en volumen de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario en el material para capa de deslizamiento. Como los aditivos de aumento de la resistencia se citan fibras de vidrio, perlas de vidrio, fibras de carbono, fibras de cerámica y fibras de aramida. Los ejemplos de realización comprenden todas las fibras de vidrio o perlas de vidrio.

El documento DE 3736292 A1 da a conocer una capa de deslizamiento sobre base laminar que se puede preparar por separado, que se puede aplicar sobre una capa intermedia que sirve como transmisor de adherencia o directamente sobre una capa protectora metálica. Como material para la capa de deslizamiento se cita como adecuado plástico fluorado, especialmente PTFE o PTFE modificado o poliimida o PEEK. Ninguno de los ejemplos de realización comprende PEEK. A la capa de deslizamiento se puede añadir según esta publicación una o varias cargas para el refuerzo y/o para la mejora de la conductibilidad térmica y/o de las propiedades contra el desgaste. Según cada objetivo pretendido se incluyen especialmente carbón, óxido de aluminio, materiales de cerámica, vidrio, bronce, disulfuro de molibdeno o carburo de silicio.

Los cojinetes de deslizamiento de materiales compuestos para cojinete de deslizamiento con una capa de deslizamiento sobre base de plástico han encontrado una amplia difusión en la técnica, y ciertamente para requerimientos de lo más exigentes, por ejemplo con relación a la capacidad de carga, resistencia a productos químicos o la estabilidad a la temperatura. Se conocen y se pueden adquirir termoplásticos en los que sin embargo, la estabilidad a la temperatura solo se puede garantizar para temperaturas de operación hasta aproximadamente 90ºC; estos son por ejemplo ABS, polietileno de alta presión (HD-PE), PVC, polisulfona (PS) y otros. Pero también existe un número de los denominados termoplásticos que son adecuados para temperaturas de uso de hasta aproximadamente 150ºC, como por ejemplo POM, PET, PA.

La presente invención se refiere a estos materiales compuestos para cojinete de deslizamiento, que deben ser adecuados para el uso a temperaturas de uso prolongado superiores a 180ºC. A este respecto deben presentar también muy buenas propiedades tribológicas y valores característicos mecánicos favorables en relación a la conformabilidad así como muy alta resistencia a productos químicos. Además se somete el material compuesto para cojinete de deslizamiento a la exigencia de que se pueda producir en un procedimiento de fabricación viable industrialmente.

Este objetivo se consigue por medio de un material compuesto para cojinete de deslizamiento con las características de la reivindicación 1.

Con la invención se comprobó que el tamaño de partícula del lubricante en forma de sulfuro de cinc y del componente endurecedor en forma de óxido de titanio, que se añaden al componente de plástico que forma la matriz son de gran importancia. Con uso de partículas finas en la zona de solicitación se puede conseguir una distribución homogénea "compacta" de estas sustancias en la matriz de plástico. Se comprobó que de esta forma se puede conseguir un aumento de la capacidad de prestación del material compuesto para cojinete de deslizamiento tanto en relación a bajas tasas de desgaste como también en relación a un coeficiente de fricción favorable. El componente endurecedor mencionado y el lubricante del material para capa de deslizamiento están presentes preferiblemente en forma de partículas finas con un valor de D50 del tamaño de partícula de 400 nm como máximo, preferiblemente de 100 a 350 nm. El valor de D50 mencionado anteriormente del tamaño de partícula designa un tamaño de partícula, referido al 50% en peso de la respectiva sustancia con un tamaño de partícula en comparación mayor y 50% en peso con un tamaño de partícula en comparación menor. Debido a que las partículas de lubricante que se añaden y las partículas del componente endurecedor en forma de dióxido de titanio se trata de partículas en forma de polvo realizables por procedimientos industriales o clasificadas por procedimientos industriales, resultará habitualmente una curva de distribución de tamaños de partícula que muestra una distribución en forma de campana o aproximadamente normal. El valor de D50 del tamaño de partículas se encontrará entonces en la proximidad del máximo de la curva de distribución en forma de campana. Se demuestra ventajoso en el sentido de la presente invención si la curva de distribución en forma de campana es de tal forma que al menos el 60%, especialmente al menos el 70%, y preferiblemente al menos el 80% de la sustancia en cuestión se presenta con un tamaño de partícula dentro de un intervalo de tamaños de partícula en torno al máximo de la campana o en torno al valor de D50 de \pm50% de este valor, también por ejemplo en un valor de D50 de 330 nm en un intervalo de tamaño de partículas de 330 nm \pm165 nm, por tanto de 165 a 495 nm.

Se ha demostrado además conveniente si una distribución de tamaños de partícula es tal que el resto de las sumas en el porcentaje en peso en un análisis por tamiz con anchura de malla variable t, especialmente entre 1 \mum y 100 nm, se puede describir mediante la siguiente ecuación:

S = 100\cdot e^{-\left(\tfrac{1}{d}\right) ^{\beta}}

en la que de forma especialmente ventajosa el tamaño de grano característico d está entre 0,34 y 0,54 \mum y el parámetro de forma \beta de la distribución está entre 2,4 y 3,4. Una distribución preferida se caracteriza por un tamaño de grano característico de 0,440 \mum (440 nm) y un parámetro de forma \beta de 2,87.

Mediante la adición de fibras de carbono se refuerza la capa de deslizamiento del material compuesto para cojinete de deslizamiento, de modo que aumenta su rigidez y resistencia, pero también aumenta su resistencia a la fluencia. Además aumenta la resistencia al desgaste por medio de las fibras de carbono. Corresponde una significancia especial también al aspecto de la conductibilidad térmica, que se mejora en la capa de deslizamiento mediante fibras de carbono. Esto conduce a que se impida el sobrecalentamiento de la capa de deslizamiento, de modo que se desvía el calor de fricción que se produce en la operación directamente en la superficie de la capa de deslizamiento al interior del material compuesto para cojinete de deslizamiento, especialmente al componente metálico de una capa soporte porosa dado el caso prevista o directamente a la capa protectora metálica.

El material compuesto para cojinete de deslizamiento con polieteretercetona (PEEK) como componente de plástico formador de matriz demuestra ser en conjunción con los otros componentes solicitados altamente estable a la temperatura, es decir, se puede usar de forma prolongada a temperaturas por encima de 180ºC, por ejemplo de 180 a 250ºC. Al menos en principio sería ciertamente adecuada la polifenilensulfona (PPS) como componente de plástico formador de matriz de un material para capa de deslizamiento debido a su estabilidad a la temperatura de hasta 260ºC; sin embargo la PPS forma con relación a su poder estabilizador una matriz insuficiente, que es proclive a reventar ya en la conformación y también con relación a su rendimiento tribológico, que ni se aproxima a la del
PEEK.

La presente invención no excluye sin embargo que junto a PEEK como componente de plástico formador de matriz puedan estar contenidos uno o varios termoplásticos en el material para capa de deslizamiento. Pero su proporción no debe ser superior al 20% en peso - especialmente no más del 10% en peso - de la proporción del componente de plástico en el material para capa de deslizamiento. Preferiblemente el componente de plástico está formado hasta el 100% de PEEK.

Se comprobó además que en el material compuesto para cojinete de deslizamiento de acuerdo con la invención se puede renunciar, justo para este uso bajo condiciones de carga extrema, a la adición de PTFE, que está presente en los materiales de deslizamiento habituales entre el 2 y 15% en peso. Se parte del hecho de que la influencia deseada del PTFE sobre las propiedades tribológicas de una composición de material es producida por el componente solicitado sulfuro de cinc o sulfato de bario.

Se ha mostrado como especialmente ventajoso según una forma de realización preferida de la presente invención que las fibras de carbono se traten de fibras cortas de una longitud de 50 a 250 \mum, especialmente de 60 a 150 \mum. A saber, se comprobó de acuerdo con la invención que en tales casos se puede alcanzar una distribución homogénea de las fibras de carbono en el material para capa de deslizamiento también dentro de los poros de la capa soporte porosa dado el caso prevista, en la que por ejemplo se puede tratar de una capa de bronce, especialmente una capa de plomo-cinc-bronce. De esta forma se puede mejorar más la conductibilidad térmica, de modo que se desvía de forma efectiva el calor generado en la capa soporte porosa. En esto se han mostrado ventajosas las fibras de carbono con un espesor de 8 a 15 \mum.

La proporción porcentual en peso de las fibras de carbono, de nuevo referida a la masa del material para capa de deslizamiento, es preferiblemente 5 a 25% en peso - especialmente de 5 a 15% en peso. Además se ha mostrado como ventajoso que el material para capa de deslizamiento presente aditivos de partículas de grafito en una proporción porcentual en peso referido a la masa del material para capa de deslizamiento de 5 a 15% en peso. Las partículas de grafito deberían encontrarse preferiblemente como partículas finas de un tamaño de partícula de hasta 15 mm como máximo, especialmente de 1 a 15 \mum, preferiblemente de 1 a 5 \mum.

Se comprobó además que el material para capa de deslizamiento de acuerdo con la invención se adhiere excelentemente a una capa protectora metálica y por tanto se puede renunciar también a una capa soporte porosa.

El material compuesto para cojinete de deslizamiento se puede fabricar mediante el siguiente procedimiento:

-: Alimentación de un material en fleje formador de capa soporte y precalentamiento del material en fleje.

-: Formación de un material para capa de deslizamiento en forma de fleje a partir del material para capa de deslizamiento previamente mezclado y fundido por medio de extrusión del fundido.

-: Alimentación del material para capa de deslizamiento en forma de fleje al material en fleje formador de la capa soporte y unión bajo presión y a temperaturas de 300 a 500ºC.

\newpage

Mediante la extrusión del material de deslizamiento de plástico en forma de un fleje delgado, la aplicación del fleje sobre la banda soporte calentada resultan ventajas esenciales, y ciertamente se ha mostrado que el material de deslizamiento de plástico se puede incorporar sin requerir molienda previa a los poros de la capa soporte porosa.

Otras características, particularidades y ventajas de la invención resultan de las reivindicaciones de patente y de la representación en dibujos y subsiguiente descripción de composiciones de materiales y sus propiedades. En el dibujo se muestra:

Figura 1 una representación esquemática de diferentes procedimientos de ensayo y/o bancos de pruebas.

Figuras 2 a 4 la representación gráfica de la medición de tasas de desgaste específicas en diferentes condiciones de ensayo con uso del procedimiento de ensayo según Figura 1, y

Figuras 5 a 7 una representación gráfica de la medición del coeficiente de fricción en diferentes materiales y diferentes condiciones de ensayo.

Los siguientes resultados de ensayos obtenidos se consiguieron mediante diferentes procedimientos de ensayo conocidos. Se realizaron los estudios esbozados en la figura 1 en un banco de pruebas anillo-placa (figura 1 izquierda), en un banco de pruebas perno-arandela (figura 1 centro) y en un banco de pruebas bloque-anillo (figura 1 derecha).

Se estudió un material comparativo con la designación P23, en el que el material para capa de deslizamiento contiene como componente de plástico formador de matriz PVDF y como lubricante plomo y PTEF. Además se estudió un material compuesto para cojinete de deslizamiento con una capa de deslizamiento de un material para capa de deslizamiento que se adquiere en el mercado con PEEK como componente de plástico formador de matriz y de la composición, que se puede apreciar en la siguiente tabla con la designación PEEK 4. Las fibras de carbono del material PEEK 4 tienen una longitud de 1000 \mum a 5000 \mum.

Designación	Matriz	ZnS, %	Fibras de C,	PTFE %	Grafito %	TiO_{2} %
		en peso	% en peso	en peso	en peso	en peso
PEEK 4	Resto PEEK	- -	10	10	10	- -
PEEK 5	Resto PEEK	10	10	10	- -	- -
PEEK 6	Resto PEEK	10	10	-	10	10
PEEK 7	Resto PEEK	10	- -	10	10	5

Acto seguido se ensayaron materiales compuestos con las designaciones PEEK 5, 6, 7 con composiciones del material para capa de deslizamiento que se pueden apreciar igualmente en la Tabla. En todos los materiales se incorporó el material para capa de deslizamiento a una capa soporte porosa, que se sinteriza sobre una capa protectora de acero.

Las Figuras 2, 3 y 4 muestran los resultados del ensayo para las tasas de desgaste específico, que se obtuvieron en un banco de pruebas bloque-anillo (figura 2, allí el material para capa de deslizamiento forma el "bloque", pero se encuentra en "forma de granel", por tanto no sobre una capa soporte porosa), así como en un banco de pruebas de anillo-placa (figura 3) o un banco de pruebas de perno-arandela (figura 4). En la prueba según la Figura 2 se trabajó con los siguientes parámetros:

Duración del ensayo:	20 h
Presión superficial:	1 MPa
Velocidad de deslizamiento:	1,0 m/s
Contracuerpo:	100 Cr6, R_{a} = 0,1 a 0,2 \mum
Lubricación:	no lubricado

Temperatura ambiente

En el ensayo según la figura 3 se trabajó con los siguientes parámetros:

Duración del ensayo:	20 h
Velocidad de deslizamiento:	1,57 m/s
Contracuerpo:	100 Cr6, R_{a} = 0,1 a 0,2 \mum
Lubricación:	no lubricado

Temperatura ambiente

Se miden valores registrados respectivamente cada dos fuerzas de contacto diferentes del anillo contra la placa de 10 N y 20 N.

En el ensayo según la figura 4 se trabajó con los siguientes parámetros:

Duración del ensayo:	20 h
Presión superficial:	0,5 MPa
Velocidad de deslizamiento:	1,57 m/s
Contracuerpo:	100 Cr6, R_{a} = 0,1 a 0,2 \mum
Lubricación:	no lubricado

\vskip1.000000\baselineskip

Se midió a dos temperaturas diferentes, a saber 23ºC y 150ºC. Las mediciones muestran que en el ensayo según la figura 2, el material compuesto para cojinete de deslizamiento de acuerdo con la invención PEEK 6 presenta frente a los materiales comparativos una tasa de desgaste específico inferior, por tanto una resistencia al desgaste superior. En el ensayo según la figura 3 se comprobó que el material compuesto para cojinete de deslizamiento de acuerdo con la invención PEEK 6, ya con altas presiones superficiales, por tanto con grandes cargas, se presenta como superior respecto a otros materiales. Es especialmente manifiesto que la supresión de las fibras de carbono y la reducción de TiO_{2} en PEEK 7 en comparación con PEEK 6 tiene efectos negativos sobre la resistencia al desgaste, por tanto aumenta la tasa de desgaste. Por el contrario la adición de TiO_{2} en PEEK 6 partiendo de PEEK 5, que no presenta TiO_{2}, provoca una reducción de la tasa de desgaste.

En el ensayo según la figura 4 se determinó una estabilidad a la temperatura superior del material de acuerdo con la invención PEEK 6. Mientras que los otros dos materiales comparativos no satisfacían los requerimientos y fueron descartados, ya que su capa de deslizamiento y una capa soporte porosa aplicada sobre la capa protectora se desgastaron por fricción completamente hasta la capa protectora compuesta de acero.

Las figuras 5 a 7 muestran ensayos del coeficiente de fricción de los materiales discutidos previamente P 23, PEEK 4 y el material de acuerdo con la invención PEEK 6.

Los parámetros de ensayo en el ensayo según la figura 5 fueron como sigue:

Duración de la prueba:	20 h
Velocidad de deslizamiento:	1,57 m/s
Contracuerpo:	100 Cr6, R_{a} = 0,1 a 0,2 \mum.
Lubricación:	no lubricado

\vskip1.000000\baselineskip

Temperatura ambiente

En este ensayo se midió el coeficiente de fricción de los materiales en un banco de pruebas anillo-placa a dos diferentes presiones de contacto de 10 y 20 N.

Los parámetros del ensayo en el ensayo según la figura 6 sobre un banco de pruebas anillo-placa fueron como sigue:

Duración de la prueba:	72 h
Velocidad de deslizamiento:	1,57 m/s
Contracuerpo:	100 Cr6, R_{a} = 0,1 a 0,2 \mum.
Lubricación:	no lubricado

\vskip1.000000\baselineskip

Temperatura ambiente

Este ensayo del coeficiente de fricción se diferencia del ensayo según la figura 5 en que se usó una lubricación inicial, mientras que el ensayo según la figura 5 trascurrió sin lubricación. La duración del ensayo es aproximadamente el triple. De nuevo resulta una superioridad del material de acuerdo con la invención a mayor presión de contacto.

Los parámetros de ensayo en el ensayo según la figura 7 fueron como sigue:

Duración de la prueba:	20 h
Presión superficial:	0,5 MPa
Velocidad de deslizamiento:	1,57 m/s
Contracuerpo:	100 Cr6, R_{a} = 0,1 a 0,2 \mum.
Lubricación:	no lubricado

En el ensayo del coeficiente de fricción en un banco de pruebas de perno-arandela a dos temperaturas de ensayo, a saber temperatura ambiente de 23ºC y una temperatura elevada de 150ºC, se muestra la estabilidad a la temperatura superior del material de acuerdo con la invención PEEK 6, respecto a la de los materiales comparativos.

Una composición preferida del material compuesto para cojinete de deslizamiento de acuerdo con la invención se obtiene mediante una capa protectora de acero y una capa soporte porosa de bronce aplicada sobre la misma, por ejemplo cobre-cinc-bronce, como CuSn10, y una capa de deslizamiento de un material para capa de deslizamiento de una composición según el ejemplo de realización PEEK 6 con 10% en peso de ZnS, 10% en peso de fibras de carbono, 10% en peso de partículas de grafito y 10% en peso de TiO_{2}. El sulfuro de cinc como lubricante y el dióxido de titanio como sustancia endurecedora se encuentran presentes en los materiales PEEK 5, 6 y 7 en forma de partículas extremamente finas, en las que el sulfuro de cinc se encuentra con un tamaño de partícula medio con un valor de D50 de aproximadamente 300 nm y el dióxido de titanio con un tamaño de partícula medio con un valor de D50 de aproximadamente 300 nm. De esta forma resultan estructuras homogéneas especialmente finas y valores de fricción y de desgaste especialmente bajos. Las fibras de carbono tienen en los materiales PEEK 5 y 6 una longitud de 50 a 250 \mu, preferiblemente de 60 a 150 \mum, su diámetro medio es de 8 a 15 \mum. El tamaño de las partículas de grafito es hasta de 15 \mum, especialmente en 1 a 15 \mum, preferiblemente de 1 a 5 \mum. PEEK forma entonces el resto del material para cojinete de deslizamiento de plástico. Convertido a una composición porcentual en volumen resulta que la proporción porcentual en volumen de la matriz de PEEK se encuentra preferiblemente entre 55 y 90% en volumen. Una composición preferida consiste en 75% en volumen de PEEK, 4% en volumen de ZnS, 10% en volumen de fibras de carbono, 7% en volumen de grafito y 4% en volumen de TiO_{2}.

Claims

1. Material compuesto para cojinete de deslizamiento con una capa protectora metálica, dado el caso con una capa soporte porosa aplicada sobre la misma, y con una capa de deslizamiento exenta de plomo que forma una superficie de deslizamiento para una pareja de deslizamiento con un material para capa de deslizamiento sobre base de plástico con PEEK y con un lubricante en forma de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario, caracterizado porque el material para capa de deslizamiento presenta PEEK como componente de plástico que forma la matriz y además presenta el lubricante en forma de sulfuro de cinc y/o sulfato de bario y un componente endurecedor en forma de dióxido de titanio y adicionalmente fibras de carbono y porque la proporción en porcentaje en peso del lubricante y del componente endurecedor referida a la masa del material para capa de deslizamiento es respectivamente de 5 a 15% en peso y porque el lubricante y el componente endurecedor están presentes en forma de partículas finas con un valor de D50 del tamaño de partícula de 500 nm como máximo.

2. Material compuesto para cojinete de deslizamiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el lubricante y el componente endurecedor están presentes en forma de partículas finas con un valor de D50 del tamaño de partícula de 400 nm como máximo, especialmente de 100 a 350 nm como máximo.

3. Material compuesto para cojinete de deslizamiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las fibras de carbono presentan una longitud de 50 a 250 \mum, especialmente de 60 a 150 \mum.

4. Material compuesto para cojinete de deslizamiento según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque las fibras de carbono presentan un espesor de 8 a 15 \mum.

5. Material compuesto para cojinete de deslizamiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la proporción porcentual en peso de las fibras de carbono referida a la masa del material para capa de deslizamiento es de 5 a 25% en peso, especialmente de 5 a 15% en peso.

6. Material compuesto para cojinete de deslizamiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el material para capa de deslizamiento presenta aditivos de partículas de grafito en una proporción porcentual en peso referida a la masa del material para capa de deslizamiento de 5 a 15% en peso.