Herstellung und mechanische/tribologische Charakterisierung von wärmeimpulsge­schweißten Metall/Faser-Kunststoff-Verbunden

Prof. Dr.-Ing. Alois K. Schlarb

Bearbeitung: Dipl.-Ing. Thomas Bayerl, Dr.-Ing. Lena Josch

Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe (cCe)

Zusammenfassung
Das Ziel dieses Teilprojektes ist die grundlegende Untersuchung der Haftungsmechanismen und die Entwicklung einer direkten Verbindungstechnik zwischen faserverstärkten Hochtemperatur-Thermoplasten und metallischen Substratwerkstoffen, wie sie in wartungsfreien, umweltfreund­lichen Gleitlagern mit höherer Temperaturbeständigkeit in Zukunft zum Einsatz kommen sollen. Die hierbei angewandte thermische Fügetechnik basiert auf einem Heizpressvorgang, bei dem die polymere Komponente zumindest im Bereich der Kontaktfläche der Komponenten aufge­schmolzen wird ("Pressschweißen"). Die Verbindungen sollen sowohl hinsichtlich ihrer mecha­nischen Hafteigenschaften (im Mikro- und Makrobereich) als auch ihrer tribologischen Kenn­werte unter verschiedenen Testbedingungen untersucht und optimiert werden.

Stand der Forschung
Gleitelemente aus polymeren Materialien erfahren eine immer weitere Verbreitung, da sich Po­lymere wie Polyamid (PA) und Polyoxymethylen (POM) in besonderer Weise als tribologische Partner für Metalle eignen [1-3]. Die herausragenden Eigenschaften der Kunststoffe in der Gleit­schicht umfassen gute Gleit- und Notlaufeigenschaften, hohe Verschleißfestigkeit sowie Kor­rosions- und Chemikalienbeständigkeit [4, 5]. Durch eine entsprechende Modifikation mit Schmier- und Verstärkungsstoffen lassen sich die Eigenschaften zusätzlich noch in einem weiten Bereich gezielt verändern und verbessern [6-10]. Trotz der Verstärkung reicht aber die Tragfähigkeit der Kunststofflager nicht für alle Anwen­dungsfälle aus. Eine Alternative besteht dann darin, die polymeren Verbundwerkstoff-Lager mit einem metallischen Stützkörper zu versehen. Solche Lager bezeichnet man dann als Metall-Kunststoff-Verbundgleitlager (MKV) [1]. Das Trägermaterial (z. B. Stahlblech) sorgt nicht nur für die notwendige Stabilität des Lagers, sondern erhöht auch die Wärmeableitung in das umge­bende Gehäuse. Die heute üblichen MKV besitzen außerdem noch eine Sinterbronze-Zwischen­schicht, welche hauptsächlich der mechanischen Verankerung der hochabriebfesten Kunststoffe auf dem Lagerrücken dient, jedoch auch einen wesentlichen Kostenfaktor darstellt. Der aktuelle Herstellungsprozess der MKV weißt jedoch noch weitere Probleme auf. Das polymere Material wird als Pulver mit Hilfe von organischen Lösungsmitteln auf das metallische Substrat aufge­bracht. Das Pulver wird anschließend durch Heizpressen konsolidiert, wobei dem Material gleichzeitig das Lösungsmittel entzogen wird. Dieser Prozess ist aufwendig, schwer zu steuern und belastet die Umwelt und die Arbeitsplätze mit Lösungsmitteldämpfen und polymeren Stäu­ben.
Ein weiteres Manko der jetzigen MKV-Lager ist, dass die Dauergebrauchstemperaturen für zukünftige Anwendungen nicht mehr ausreichen, wobei jedoch die potentiellen Hochtemperaturthermoplaste kommerziell gar nicht oder nur sehr teuer als Pulver verfügbar sind. Es ist also sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht dringen nötig einen neuen Prozess zu entwickeln.

Eigene Vorarbeiten und Ziele
An der Institut für Verbundwerkstoffe GmbH besteht eine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Tribologie von polymeren Verbundwerkstoffen [9, 10]. Es wurden auch bereits grundlegende Arbeiten zur Verbindungen von faserverstärkten Hochleistungspolymeren und sinterbronzebeschichteten Stahlblechen durch das Wärmeimpulsschweißen durchgeführt [11]. Die neuen Herausforderung besteht darin auf die teure Sinterbronze-Zwischenschicht ganz zu verzichten und eine geeignete Vorbehandlungsmethode der metallischen Substratbleche zu erarbeiten, welche eine ebenso gute Haftung garantiert. Um die Pulver- und Lösungsmittel- Problematik zu umgehen, bietet es sich an, das polymere Lagermaterial zunächst als flächiges Halbzeug herzustellen. Zum Fügen des polymeren Verbundwerkstoffes mit dem Stahlsubstrat soll ein Wärmeimpulsschweißprozess zum Einsatz kommen. Hier wird das flächige Kunststoffhalbzeug aufgeschmolzen und unter Druck mit dem Substrat verschweißt. Dabei sind die Fragen der Substratvorbehandlung, der Prozessführung beim Wärmeimpulsschweißen, der Haftungsqualität zwischen den Komponenten sowie der bauteilbezogenen Eigenschaften zu prüfen und zu optimieren.

Literatur (stark gekürzt)

[1] Tepper, H., Schopf, E.: Gleitlager. Beuth, Berlin (1985).

[2] McLean, D. S.: Tribological properties of acetal, nylon and thermoplastic polyester. Proc. ANTEC 1994, 3118-3121.

[3] Byett, J. H., Allen, C.: Dry sliding wear behaviour of polyamide 66 and polycarbonate composites. Tribology International 25 (1992) 237.

[4] Mädebach, K.-H.; Jecht, W.; Kunze, K.: Erfahrungen aus der Anwendung von Gußpolyamid als Substitut für kupferlegierte Gleitlagerwerkstoffe. Maschinenbautechnik 138 (1989) 118-120.

[5] Panhuizen, R.: Selbstschmierende Kunststoffe. Ingenieur-Werkstoffe 1 (1989) 54-56.

[6] Bahadur, S.; Kapoor, A.: The effect of ZnF2, ZnS and PbS fillers on the tribological behaviour of nylon 11. Wear 155 (1992) 49-61.

[7] Kapoor, A.; Bahadur, S.: Transfer film bonding and wear studies on CuS-nylon composite sliding against steel. Tribology International 27 (1994) 323-329.

[8] Stehr, W.: Tribologisches Verhalten von schmierstofffreien Gleitlagerungen aus Standardthermoplasten. Tribologie und Schmierungstechnik 40 (1993) 211-220.

[9] Friedrich, K.: Polymeric Matrix Composites, High Wear Resistance. Encyclopaedia of Composites 4 (1991) 255.

[10] Reinicke, R.: Eigenschaftsprofil neuer Verbundwerkstoffe für tribologische Anwendungen im Automobilbe­reich. IVW-Schriftenreihe, Bd. 21, Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Kaiserslautern (2000).

[11] Oster, F., Haupert, F., Friedrich, K.: Experimentelle Bestimmung der tribologischen Eigenschaften von fa­serverstärkten Kunststoffbeschichtungen auf metallischen Substraten mittels Ring-Platte-Prüfanordnung. Tri­bologie Fachtagung 2000, Göttingen (2000) 31-1 - 31-10.

Eigene Veröffentlichungen sind durch eine fette Nummer hervorgehoben