Verwandlung. Füllstoffe haben großen Einfluss auf die Bearbeitung und Anwendung von PTFE

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1 PRODUKTION KUNSTSTOFFTECHNIK Verwandlung Füllstoffe haben großen Einfluss auf die Bearbeitung und Anwendung von PTFE PETER STEINS UND HELMUT MEYER Fräsen eines Bauteils aus modifiziertem PTFE. Die Füllstoffe im Fluorkunststoff beeinflussen die Bearbeitbarkeit. Fertigungstests vor Ort geben Aufschluss darüber. Peter Steins ist Betriebsleiter bei der Polytetra GmbH in Mönchengladbach. Helmut Meyer ist Geschäftsführer des Unternehmens: Weitere Informationen: Peter Steins, Mönchengladbach, Tel. ( ) , Fax ( ) , Je genauer der Bauteilhersteller die Anforderungen hinsichtlich der Bearbeitung und Anwendung dem Werkstofflieferanten schildert, desto spezifischer fällt dessen Auswahl an geeigneten Kunststoffen aus. Genaue Angaben zur Fertigung und zum Gebrauch sind jedoch auch bei schon festgelegten Werkstoffen wichtig. Der Grund dafür liegt in den zahlreichen Möglichkeiten der Modifizierung, die Kunststoffe bieten. So können die Eigenschaften des Fluorkunststoffs PTFE durch gezieltes Zumischen von Füllstoffen in vielerlei Richtungen maßgebend verändert werden. Aus dem virginalen jungfräulichen Fluorkunststoff entstehen dabei PTFE- Compounds. Das Beimischen von Füllstoffen in virginales PTFE kann vielfältige Gründe haben: Bild 1: Ringkolben aus PTFE/TFM- Compound mit amorpher Kohle als Füllstoff, die das tribologische Verhalten des Bauteils verbessert. Der Widerstand gegen Kriechen oder Deformation unter Belastung wird um ein Mehrfaches gesteigert. In Abhängigkeit vom Füllstoff lässt sich die Wärmeleitfähigkeit auf ein Vielfaches erhöhen. Eine deutliche Verringerung der Wärmeausdehnung ist möglich. Die elektrischen Eigenschaften von PTFE werden verändert. Die Verschleißfestigkeit wird um ein Vielfaches erhöht. Bei Gleitpaarungen beeinflusst die Auswahl des Füllstoffes das Verschleißverhalten des Gegenlaufpartners. Das ist zu berücksichtigten. Betrachtet man beispielsweise das Reibungs- und Verschleißverhalten von virginalem PTFE und PTFE- Compounds, sind deutliche Unterscheidungen vorhanden. So hat unmodifiziertes PTFE einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, jedoch ist der Verschleiß relativ hoch. Durch Beimischen von Füllstoffen ändert sich der Reibungskoeffizient des Kunststoffs nur unwesentlich, dagegen vermindert sich der Verschleiß erheblich. Bei tribologischen Versuchen kommt es dabei immer auf die Art des Reibungspartners an. So ist unter Umständen am PTFE-Compound-Teil wenig Verschleiß fest- 34 MM Das IndustrieMagazin 41/2005

2 KUNSTSTOFFTECHNIK PRODUKTION SPANENDE BEARBEITUNG Gute Ergebnisse bei über 20 C Das Zerspanen von Halbzeugen aus nicht modifiziertem PTFE (virginal) muss in einer auf über 20 C erwärmten Werkhalle stattfinden. Der Grund dafür liegt im rapiden Anstieg des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von PTFE virginal bei einer Temperatur im Scheitelpunkt von 19,7 C. Wird diese Temperaturabhängigkeit beachtet, lässt sich eine Maßgenauigkeit im Zehntel-Millimeter-Bereich problemlos erreichen. Bei PTFE-Compounds kann je nach Art und Anteil der Füllstoffe die Maßtoleranz unter Umständen noch enger gefasst werden. Als Standardwert für die Oberflächenqualität bei nicht modifiziertem PTFE kann eine Rauigkeit R z von 6,3 vorgegeben werden. Dabei spielt die Schneidgeometrie des Fräsers oder Drehmeißels (positiver Keilwinkel, großer Freiwinkel) eine wichtige Rolle. Bei einer anschließenden Feinbearbeitung etwa durch Schleifen und Thermoentgraten sind eine noch höhere Oberflächenqualität möglich. Virginales und compoundiertes PTFE lassen sich in der Regel sehr gut bearbeiten. Für virginales PTFE sind Fräswerkzeuge aus HSS-Stahl ausreichend. Die Bearbeitung erfolgt mit Drehzahlen von 1500 bis 3000 min 1. Bei PTFE-Compounds verwendet man besser Werkzeuge aus HM-Stahl und arbeitet mit etwas niedrigeren Drehzahlen. Je nach Bauteil liegt der Vorschub bei 200 bis 800 mm/min. Der Verschleiß hängt von der Anzahl und Größe der Werkzeugschneiden ab. Der Werkzeugverschleiß ist je nach Art und Anteil der Füllstoffe sehr unterschiedlich. FAZIT PTFE-Eigenschaften können deutlich verbessert werden Bei Gleitpaarungen sind die Verbesserungen enorm stellbar, dafür umso mehr auf der Gegenlauffläche. Fällt zum Beispiel bei der Werkstoffauswahl für ein Lager die Entscheidung auf ein PTFE- Compound, sind daher alle drei tribologischen Parameter Reibung, Verschleiß und Abrieb zu beachten (Bild 1). Die Zahl der Einflussfaktoren auf diese drei Parameter ist sehr groß. Wesentliche Faktoren sind Druck und Belastung, die Art der Bewegung (zum Beispiel längsorientiert), die Gleitgeschwindigkeit, der Dehnungsgrad bei Kantenpressung oder linearer Belastung. Außerdem spielt die Gegenlauffläche eine entscheidende Rolle: deren Werkstoffeigenschaften und Oberflächenrauigkeit. Darüber hinaus kann es weitere Partner im tribologischen System geben: insbesondere Schmierstoffe sowie Schmutzteilchen. Von hoher Wichtigkeit ist last but not least die Art, Beschaffenheit und der Anteil des Füllstoffs sowie die rationelle Herstellung des Endprodukts. Aufgrund dieser Einflussfaktoren ist es nicht verwunderlich, dass oftmals in der Literatur sehr unterschiedliche Angaben über das tribologische Verhalten von PTFE-Werkstoffen gemacht werden. Bei kritischen Bauteilanwendungen sind deshalb Tests möglichst unter Praxisbedingungen dringend zu empfehlen allein schon aufgrund des Temperatureinflusses, der ein weiterer wichtiger Faktor für das tribologische Verhal- Thermoplastische Füllstoffe haben die Leistungsfähigkeit weiter erhöht MM Das IndustrieMagazin 41/

3 PRODUKTION KUNSTSTOFFTECHNIK Längenausdehnungskoofizient C C 300 Temperatur Bild 2: Im Bereich von 10 bis 25% kommt es bei PTFE zu einer Volumenänderung von 1 bis 1,5%. Grund dafür ist eine Umwandlung des Kristallgitters. ten ist. Von der Umgebungstemperatur hängt jedoch auch sehr stark die Bearbeitbarkeit insbesondere von virginalem PTFE ab. So ist es beim Zerspanen dieses nicht modifizierten Kunststoffs wichtig, dass die Raumtemperatur mehr als 20 C beträgt. PTFE virginal unterliegt speziell im Temperaturbereich von 19,7 C einem enormen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der die Maßgenauigkeit der Bauteile stark verfälscht (Bild 2). Daher sollten auch Messungen auf jeden Fall oberhalb 20 C vorgenommen werden. Darauf ist besonders im Winter zu achten dann, wenn die Teile transportiert werden. Nach dem Transport müssen die Teile etwa 24 h lang bei Raumtemperatur lagern, bevor sie vermessen werden können. Maßgabe für Füllstoffe ist Stabilität beim Sintern Als Füllstoffe für PTFE eignet sich praktisch jedes Material, das bei Sintertemperatur des Fluorkunststoffs stabil bleibt. Die Eigenschaften des damit hergestellten Compounds werden vor allem von der Partikelgröße, der Partikelform und der chemischen Zusammensetzung der Füllstoffe bestimmt. Glasfasern (E-Glas) sind ein am häufigsten verwendeter Füllstoff. Sie verringern die Kaltflusseigenschaften sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen und haben nur geringen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften. Glasfasern verbessern das Reibungs- und Verschleißverhalten Dieser Füllstoff ist sehr gut gegen organische Lösemittel beständig, jedoch nicht gegen alkalische Medien wie Flusssäure (HF). Problematisch sind des Öfteren auch stärkere Verfärbungen im Innern von großen Blöcken oder an Oberflächen von Presslingen. Durch Beimischen von Kohlefasern ändern sich die physikalischen Eigenschaften von PTFE, ähnlich wie bei Glasfasern. Der Kunststoff erhält eine erhöhte Härte. Es entsteht ein höheres Druck- und Biege-E-Modul, die Druckdeformation wird deutlich verringert. Im Vergleich zu Glasfasern ist die gleiche mechanische Wirkung mit niedrigerem Füllstoffanteil zu erreichen. Kohlefasern sind chemisch inert und können auch bei Kontakt mit Flusssäure oder starken Laugen verwendet werden. Ein besonderes Merkmal ist die hohe Verschleißfestigkeit im Wasser. Weitere markante Punkte sind eine höhere thermische Leitfähigkeit und ein niedrigerer thermischer Ausdehnungskoeffizient. Der Verschleiß bei Kontakt mit den meisten Metallen ist geringer, ebenso wie der Abrieb auf Gegenflächen. 36 MM Das IndustrieMagazin 41/2005

4 KUNSTSTOFFTECHNIK PRODUKTION Bild 3: Der Füllstoff Bronze erhöht die Druckfestigkeit von Bauteilen aus PTFE-Compound. Basismaterial für Kohle ist amorpher Petrolkoks, für E-Kohle dagegen teilweise graphitisierter Koks. Amorphe Kohle ist einer der chemisch beständigsten Füllstoffe, außer in stark oxidierender Umgebung. In diesem Fall ist Glas besser. Amorphe Kohle verringert das Kriechverhalten und erhöht die Härte sowie die thermische Leitfähigkeit. Die Verschleißeigenschaften werden wesentlich verbessert, insbesondere bei Kombination von Kohle mit Graphitbeimischungen, zum Beispiel bei ungeschmierten Kolbenringen. Durch Verwendung weicher Kohle wird der Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung verringert. Aufgrund der niedrigen elektrischen Leitfähigkeit sind Kohle-Compounds antistatisch. Demgegenüber hat Graphit einen der niedrigsten Reibungskoeffizienten aller Füllstoffe. Die Verschleißeigenschaften gegenüber weichen Metallen sind ausgezeichnet. Graphit wird sehr häufig in Kombination mit anderen Füllstoffen verwendet. Es ist chemisch inert und kann kurzzeitig sehr hohen Druck aufnehmen. Das Ausgangsmaterial von Molybdänsulfid (MoS 2 ) ist mineralisch. Beim Pressen und Sintern von PTFE- Halbzeugen mit diesem Füllstoff ist besondere Aufmerksamkeit geboten. In der Regel wird MoS 2 nur in geringen Mengen als Ergänzung zu anderen Füllstoffen beigemischt. Der Füllstoff verbessert die Steifigkeit und Härte von PTFE, er vermindert jedoch die Reibung. MoS 2 zeigt keinerlei chemische Reaktion, es löst sich nur in stark oxidierenden Säuren. Die elektrischen Eigenschaften werden nur gering beeinflusst. Kalziumfluorid (CaF 2 ) mit sehr hohem Reinheitsgrad wird PTFE bei elektrischen Anwendungen dazugegeben. Es eignet sich auch als Füllstoff bei Kontakt mit Chemikalien, die Glas angreifen, zum Beispiel starke Laugen oder Flusssäure. Glimmer ist dagegen ein Füllstoff mit schichtartiger Struktur. Bei der Bauteil- Formgebung orientieren sich die Partikel senkrecht zur Pressrichtung. MM Das IndustrieMagazin 41/

5 PRODUKTION KUNSTSTOFFTECHNIK Bild 4: Gleitlager aus dem Sonder- Compound Rulon mit FDA-Zulassung für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie. Ein Grund dafür ist der Füllstoff PPSO 2. Somit bleibt die schrumpf- und thermische Ausdehnung quer zur Pressrichtung sehr gering. Bei Zugbelastung sind jedoch die Eigenschaften von Glimmer so schlecht, dass man diesen Füllstoff nur zur Herstellung von Teilen verwenden kann, die unter Druckbelastung stehen. Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator. Aufgrund der großen Härte erschwert dieser Füllstoff jedoch die mechanische Bearbeitung von PTFE-Compounds. Al 2 O 3 wird zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in Compounds für Bauteile der Hochspannungstechnik verwendet. Im Gegensatz dazu ist Bronze für elektrische Anwendungen ungeeignet. Auch die chemische Beständigkeit ist nicht besonders gut. Klassische Anwendungen für den Füllstoff Bronze findet man in Hydrauliksystemen. PTFE-Compounds mit Bronze haben eine sehr hohe Druckfestigkeit. Das spezifische Gewicht ist im Vergleich zu virginalem PTFE oder anderen Compounds deutlich erhöht. Je nach Bronze-Anteil reicht es von 2,2 g/cm 3 bei PTFE-rein bis zu 3,9 g/cm 3 bei 60 % (Bild 3). Mischt man virginalem PTFE einen hohen Anteil an Bronze (40 oder 60%) bei, erhält man ein Compound mit hoher thermischer Leitfähigkeit. Die Kriechfestigkeit ist anderen PTFE-Compounds überlegen. Alternativ kann auch Edelstahl als Füllstoff zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit beigemischt werden. Mischungen mit bis zu 60% Anteil sind möglich. Mit diesem Füllstoff lässt sich zudem der Kaltfluss verringern. Die chemische Beständigkeit ist dagegen eingeschränkt. Den Prozentanteilen entsprechend erhöht sich das spezifische Gewicht erheblich. Guter Gegenlaufpartner dank organischer Füllstoffe Organische Füllstoffe (Thermoplaste) kamen in den letzten Jahren zur Compoundierung von PTFE auf den Markt. Bei vielen Anwendungen haben sie die Eigenschaften des Kunst- 38 MM Das IndustrieMagazin 41/2005

6 KUNSTSTOFFTECHNIK PRODUKTION stoffs ganz erheblich verbessert. Je nach Thermoplast haben sie eine sehr gute chemische Beständigkeit, zum Teil auch eine sehr hohe Druckfestigkeit. Dazu kommen hervorragende Gleit- und Verschleißeigenschaften. Thermoplastische Füllstoffe machen PTFE zu einem sehr guten Gegenlaufpartner für Weichmetalle, wie diese Anwendungen zeigen: Polyphenylensulfon (PPSO 2 ) zum Beispiel Ceramer Plus der Ticona GmbH, Kelsterbach ist als Füllstoff für tribologisch beanspruchte Kunststoffteile besonders geeignet. Wesentlicher Grund dafür ist die hohe Steifigkeit und Härte, die sehr hohe Verschleiß-, gute Chemikalien- und hohe Temperaturbeständigkeit. Dieser Füllstoff kann die Verschleißanfälligkeit von virginalem PTFE oder TFM deutlich mindern. Hohe Zugaben (mindestens 20%) ermöglichen eine Verwendung von PTFE- Compounds bei hoher Flächenpressung (SMPA) und gleichzeitig hoher Gleitgeschwindigkeiten (4m/s). Bei niedriger Belastung (unter 5 MPa) und niedriger Gleitgeschwindigkeit (unter 0,5 m/s) ist in der Regel ein Anteil von 10% ausreichend. Die Gebrauchstemperatur der Compounds kann je nach mechanischer Belastung im Maximalbereich bei 200 bis 250 C liegen. Die Reibungszahl dieser Komposition hat bei technisch trockenen Bedingungen einen Wert von 0,2 bis 0,3. Die chemische Beständigkeit entspricht nahezu der von virginalem PTFE. Auch die elektrischen Werte sind kaum abweichend. Attraktive Anwendungen für mit PPSO 2 gefülltem PTFE gibt es in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, weil FDA-Konformität vorhanden ist (Bild 4). Ein weiterer thermoplastischer Füllstoff für PTFE ist Polyimid (PI). Auch dieser Thermoplast ermöglicht gute Gleiteigenschaften und geringen Verschleiß. Er ist speziell für Dichtungen und Gleitlager geeignet. Im Vergleich zu PPSO 2 ist die chemische Beständigkeit stark eingeschränkt. So kann Polyimid als Füllstoff nicht bei Kontakt mit Schwefelsäure verwendet werden. Ähnlich verhält es sich beim Füllstoff Ekonol (PAR), der auch eine eingeschränkte chemische Beständigkeit hat, dafür jedoch einen sehr niedrigen Reibwert ermöglicht. Als Trockenlager-Werkstoff eignen sich besonders PTFE- Compounds, die unter dem Namen Rulon (Hersteller Saint Gobain, Bild 5) vertrieben werden. Diese Sonder-Compounds kommen speziell bei weichen Gegenlaufflächen (etwa aus nicht korrodierendem Stahl 316, Aluminium und Kunststoff) zur Anwendung. Bei Verwendung üblicher PTFE- Compounds nutzen sich diese Reibungspartner zu stark ab. MM Bild 5: Bauteile mit Gleitflächen aus dem Trockenlager-Werkstoff Rulon, der bei weichen Gegenlaufflächen Anwendung findet. Halbzeuge und Bauteile aus Fluorkunststoffen von Polytetra Bilder: Polytetra MM Das IndustrieMagazin 41/