DE102011077023A1

DE102011077023A1 - Beschichtungsverfahren und Beschichtung für ein Lagerbauteil

Info

Publication number: DE102011077023A1
Application number: DE102011077023A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Windrich; Tim Matthias Hosenfeldt; Helmut Schillinger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-13
Also published as: US9653193B2; CN103596702A; US20140147598A1; CN103596702B; WO2012167981A1

Abstract

Beschichtungsverfahren zur Erzeugung einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf einem Lagerbauteil, wobei in einem ersten Schritt ein Stoffgemisch, welches mindestens a) eine Silan- und/oder Siloxanverbindung, b) ein Metallalkoholat, sowie c) PEEK und/oder PTFE als Dispersion, umfasst, auf das Lagerbauteil aufgetragen wird und in einem zweiten Schritt durch einen Laserstrahl auf der Bauteiloberfläche verfestigt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und eine entsprechende Beschichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 9.
Bauteile, insbesondere Lagerbauteile, bei denen die tribologischen Eigenschaften von besonderer Bedeutung sind, werden zur elektrischen Isolierung und/oder zur Verbesserung ihrer tribologischen Eigenschaften mit speziellen Beschichtungen versehen. Üblicherweise werden zur elektrischen Isolierung dicke keramische Spritzschichten auf die Bauteile aufgetragen.
Ein Problem bei den typischen dicken Keramikschichten ist, dass sich diese Schichten teilweise nur begrenzt oder gar nicht für Lagerbauteile eignen. Insbesondere ist bisher keine Beschichtung bekannt, die neben guten elektrischen Isolationseigenschaften gleichzeitig den hohen Anforderungen der Überrollfähigkeit – die bei manchen Lagerbauteilen Vorraussetzung ist – gerecht wird. Die dicken Keramikschichten müssen darüber hinaus in der Regel nachbearbeitet werden und weisen eine verhältnismäßig hohe Masse auf. Darüber hinaus sind die Keramikschichten für kleine Lager mit Innendurchmessern kleiner als 75 mm nicht geeignet, da diese aufgrund der geringen Lagertoleranzen keine dicke Isolierschicht zulassen oder aus prozesstechnischen bzw. geometrischen Gründen nicht mit einer keramischen Spritzbeschichtung ausgestattet werden können. Eine alternatives Beschichtungsverfahren mit dem eine PTFE Gleitschicht appliziert wird, ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 101 47 292 B4 bekannt.
Der mit dem Beschichtungsverfahren verbundene Wärmeeintrag in die Bauteile kann für die Bauteilfestigkeit schädlich sein. Insbesondere wenn die Temperaturen beim Beschichtungsverfahren über den üblichen Anlasstemperaturen der Werkstoffe liegen und/oder Temperaturen lange gehalten werden, kann dies Auswirkungen auf die Mikrostruktur der Werkstoffe haben. Der Wärmeeintrag kann beispielsweise zu unerwünschten Diffusionseffekten oder Kornwachstum führen und so beispielsweise die Ergebnisse einer vorher durchgeführten Bauteilhärtung verschlechtern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsverfahren und eine entsprechende Beschichtung bereitzustellen, wodurch eine elektrisch isolierende und gleichzeitig überrollfähige Beschichtung auf ein Bauteil mit möglichst geringem Wärmeeintrag appliziert werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Beschichtungsverfahren und eine entsprechende Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 9. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Zeichnungen, den Unteransprüchen und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Beschichtungsverfahren zur Erzeugung einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf einem Lagerbauteil vorgeschlagen, wobei in einem ersten Schritt ein Stoffgemisch, welches mindestens

a) eine Silan- und/oder Siloxanverbindung,
b) ein Metallalkoholat, sowie
c) PEEK und/oder PTFE als Dispersion,

Vorzugsweise wird das Stoffgemisch in einem Zwischenschritt, der zeitlich zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt angeordnet ist, bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 100 und 200°C getrocknet. Weiter bevorzugt ist eine Trocknung in einem Bereich zwischen 120 und 150°C.
Vorzugsweise weist das Stoffgemisch zusätzlich einen organischen Farbstoff auf, wobei der organische Farbstoff bevorzugt Ruß aufweist oder als Ruß ausgeführt ist.
Vorzugsweise weist das aufgetragene Stoffgemisch eine Dicke auf, die mindestens doppelt so groß wie die Wellenlänge des verwendeten Laserstrahls ist.
Vorzugsweise wird das Verfahren unter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum durchgeführt. Dadurch können unerwünschte Verzunderungen oder Oxidationen der aufgebrachten Beschichtung vermieden werden.
Vorzugsweise überschreitet die Temperatur während des Verfahrens die übliche Anlasstemperatur des Lagerbauteilwerkstoffes nicht. Durch einen geringen Wärmeeintrag können grundsätzlich negative Veränderungen des Grundmaterials minimiert werden, wobei die Anlasstemperatur eine Grenztemperatur darstellt, bei deren Überschreiten die Gefahr besteht, dass das Gefüge des Lagerbauteilwerkstoffes verändert wird.
Vorzugsweise wird mit dem Beschichtungsverfahren eine 1 bis 10 m dicke Beschichtung auf das Lagerbauteil aufgetragen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner eine Beschichtung vorgeschlagen, welche gemäß des beschriebenen erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens erzeugt wurde. Zusätzlich kann das beschriebene Stoffgemisch der Beschichtung vorzugsweise ein organisches Polymer, welches durch Polymerisation olefinisch ungesättigter Monomere gewonnen wurde, umfassen.
Weiterhin ist die Silan- und/oder Siloxanverbindung vorzugsweise als Acyloxysilan, Alkylsilan, Aminosilan, Bis-Silyl-Silan, Epoxysilan, Fluoralkylsilan, Glycidoxysilan, Isocyanato-Silan, Mercapto-Silan, (Meth)acrylato-Silan, Mono-Silyl-Silan, Multi-Silyl-Silan, Schwefel enthaltendes Silan, Ureidosilan, Vinylsilan und/oder als entsprechendes Siloxan ausgeführt.
Vorzugsweise umfasst das Stoffgemisch bzw. die Beschichtung zusätzlich eine Lösemittelmischung aus organischem Lösemittel.
Vorzugsweise umfasst das Stoffgemisch bzw. die Beschichtung zusätzlich ein Tensid, wobei das Tensid bevorzugt Netzmittel und/oder Entlüfter und/oder Entschäumer umfasst.
Die bisher bei Wälzlagern verwendeten Kohlenstoffschichten weisen metallische Elemente (als a-C:Me bezeichnet) auf, diese Schichten zeichnen sich zwar durch hervorragende tribologische Eigenschaften aus, jedoch sind sie aufgrund des metallischen Anteils elektrisch leitend. Metallfreie Kohlenstoffschichten (beispielsweise a-C:H, a-C:H:a, ta-C:H, ta-C) weisen sehr gute tribologische Gleiteigenschaften auf, jedoch halten sie den mechanischen Beanspruchungen, die in Wälzlagern auftreten, nicht stand.
Durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren bzw. durch die erfindungsgemäße Beschichtung ist es möglich, herausragende tribologische Eigenschaften bei gleichzeitiger mechanischer Festigkeit und elektrischer Isolierung in einer Schicht zu kombinieren, ohne dass das Grundmaterial durch den Temperatureintrag während der Beschichtung negativ beeinflusst wird.
Die erzeugte Beschichtung weist nach dem Beschichtungsverfahren vorzugsweise eine Dicke auf, die in einem Bereich zwischen 1 bis 10 m, weiter bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 bis 4 m liegt. Diese verhältnismäßig dünnen Schichten eignen sich gut für Bauteile, für die hohe Anforderungen an Bauteiltoleranzen bestehen und werden bevorzugt auf Wälzlagerbauteile aus kostengünstigen Stählen wie 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, oder 80Cr2 appliziert.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung bleiben die Maße und Oberflächenrauheiten nahezu unverändert, wobei die tribologischen Eigenschaften verbessert werden können und gleichzeitig die mechanischen Beanspruchungen berücksichtigt werden können. Vorzugsweise wird eine Kunststoffdispersion aus PEEK und Metallalkoholaten, eine sog. Sol-Gel-Schicht mit Hilfe eines geplusten Dioden- oder Kohlendioxid-Lasers gesintert. Bevorzugt erfolgt das Sintern nach Trocknung des Lösemittels in der aufgebrachten Beschichtung.
Der Einsatz von Laserstrahlen ermöglicht das Sintern von Kunststoffpartikeln im Milliund Nanosekundenbereich. Die Sinterungsdauer ist von der Größe der Behandlungsfläche abhängig und liegt unter einer Minute. Mit dem Laserstrahl werden extrem steile Temperaturgradienten erzeugt, die nur wenige Mikrometer tief in das Substrat eindringen und dadurch den Grundwerkstoff nicht negativ beeinflussen. Die schockartige Erwärmung durch einen Laserlichtimpuls führt zu thermoelastischen Effekten, die ein breites Spektrum von Ultraschallwellen anregen. Dieser Effekt führt gezielt zur weiteren Verdichtung der Sinterschicht, wodurch dichte und porenfreie Schichten aus Mischungen von PEEK mit Aluminium-, Zirkonium-, Silizium-, und Titanoxid erzeugt werden können. Die Eindringtiefe des Laserstrahls in die Oberfläche bewegt sich innerhalb einer bis annähernd zum Doppelten seiner Wellenlänge. Daher ist die zu sinternde Kunststoffdispersionsschicht vorzugsweise mindestens doppelt so dick, wie die Wellenlänge des verwendeten Laserstrahls. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die erzeugte Kunststoffdispersionsschicht bei einer Temperatur von vorzugsweise 120 bis 150°C getrocknet wird. Die Kunststoffdispersion kann dabei – wie bereits beschrieben – mittels eines organischen Farbstoffes eingefärbt werden, so dass die einfallende Laserstrahlung optimal in der Dispersionsschicht absorbiert wird.
Die vorzugsweise eingesetzte Dispersionsbeschichtung ist eine Verfahrensweise, bei der Kunststoffpartikel, eine organisch-anorganische Hybridverbindung meistens in organischem Lösungsmittel und/oder in Wasser gelöst, mittels eines Druckbeschichtungsverfahrens (oder eines anderen Beschichtungsverfahren wie Tauchen, Spritzen, Walzen oder ähnliches) als sehr dünne Dispersionsbeschichtung auf dem zu beschichtenden Oberflächenbereich aufgebracht werden.
Bei der Entwicklung der Kunststoffbeschichtung, die bevorzugt auch als Tuchbeschichtung aufgebracht wird, werden an die Dispersion besondere Anforderungen gestellt.
Insbesondere muss der teils geringen Korrosionsbeständigkeit der zu beschichtenden Materialien (insb. bei Stählen) bei der Dispersionszusammensetzung, der Substratreinigung sowie bei der Wärmebehandlung der Schicht Rechnung getragen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
In diesem Ausführungsbeispiel wird eine PEEK Kunststoffschicht mit herausragenden tribologischen Eigenschaften, bei gleichzeitiger hoher mechanischer Festigkeit und elektrischen Isolationseigenschaften durch ein Laser-Beschichtungsverfahren auf einem Lagerbauteil erzeugt.
Es wird eine 1 bis 10 m dicke Beschichtung auf ein Lagerbauteil, beispielsweise ein Wälzlager aus einem kostengünstigen Stahl wie 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, oder 80Cr2 appliziert. Dabei wird eine Kunststoffdispersion aus PEEK und Metallalkoholaten (die Sol-Gel-Schicht) durch Laserstrahlsintern in eine harte Beschichtung überführt. Durch die Methode der Lasersinterung ist es möglich, hochschmelzende Kunststoffe, wie Polyetherketone, auf Substraten mit niedrigeren Schmelztemperaturen aufzubringen. Die gesinterten Schichten schrumpfen vorzugsweise auf eine maximale Schichtdicke von 1 bis 4 m.
Bei einem anderen bevorzugten Vorgehen wird der Dispersionslack mittels einer thermischen Trocknung unter Einsatz von IR-Strahlung vorgetrocknet. Dadurch wird der Lack zu einer noch pulverförmigen organisch-anorganischen Hybrid-Schicht, ähnlich eines konventionellen hoch gefüllten bindemittelarmen Lackes mit einem schwachen Bindungscharakter zur Substratoberfläche. Diese Schicht wird dann einer weiteren höheren thermischen Trocknung von Temperaturen bis zu 400°C unterworfen, wobei der pulverförmige Charakter kontinuierlich verloren geht. Es beginnt das Schmelzen der organischen Schichtbestandteile und letztendlich entsteht bei diesem Sintern ein optisch homogener Kunststofffilm, welcher eine regelmäßig glatte und porenfreie Oberfläche aufweist.
Eine weitere Möglichkeit, um eine Kunststoffschicht zu erzeugen, ist der Einsatz von wässrigen Hartstoffsuspensionen. Hierbei wird in eine Hartstoffsuspension mit einem mikroskaligen Kunststoffpulver eingemischt, welches die Möglichkeit bietet, schwer abriebfeste Beschichtungen herzustellen. Derartige abriebfeste Beschichtungen können beispielsweise durch die Dispergierung von Soliziumdioxid (DEGUSSA, Aerosil OX50) mit Kunststoffpartikeln (Polyetherketon von Vitrex) in Wasser hergestellt werden. Diese Schichten können direkt nach dem Trocknen (IR-Trocknung) vom Lösemittel und der anschließenden gepulsten magnetischen Induktion des metallischen Substrats aufgeschmolzen werden. Durch die Methode ist es möglich, hochschmelzende Kunststoffe, wie Polyetherketone, auf das zu beschichtende Substrat binnen Sekunden aus der Pulverform zu einem Kunststofffilm aufzubringen.
Zur Vorbereitung werden die Bauteile gereinigt. Dabei kann auf die in der industriellen Praxis üblichen Verfahren, zum Beispiel Heißentfettungsbäder mit Tensiden und temporärem Korrosionsschutz problemlos zurückgegriffen werden. Trotz des temporären Korrosionsschutzes, wie zum Beispiel bei Monoethanaloamin (MEA), der nach der Reinigung auf dem Bauteil verbleibt, kommt es zu keiner Beeinträchtigung der abgeschiedenen Dispersionsbeschichtung.
Bevorzugt wird eine Kohlendioxid-Laseranlage eingesetzt, die ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:

• –1,6 kW Kohlendioxid-Laser
• Substratgröße bis 400 × 600 mm²
• Strahlfleckgröße von 0,8 bis 10 mm
• 2-Achsen-Scanner-System (bis 250 Hz)
• 4 CNC-Achsen
• Variable Atmosphäre
• Temperaturkontrolle über Pyrometer (Fokus- oder Linienmessung)

Vorzugsweise wird eine Dioden-Lasersinteranlage mit einem oder mehreren der folgenden Eigenschaften eingesetzt:

• Minimaler Strahldurchmesser: d_s ≈ 0,37 mm (f = 100mm)
• Pulslängen: t_p = 0,45 bis 19, 25 s
• Pulsintensität IP ≈ 4·105 W/cm²
• Maximale Ausgangsleistung bei I = 120 A: ca. 100 W
• Zieltemperatur: ca. 400°C
• Temperaturschwankung: ca. 5 %
• Maximale Verfahrgeschwindigkeit: 40 mm/s
• Wechselwirkungszeit: 2 bis 3 ms
• Wärmeeindringtiefe: ca. 50 bis 100 m

Bevorzugt weist ein Kohlendioxid-Laser, der in einem Bereich zwischen 20 bis 40 W betrieben wird, eine Verfahrgeschwindigkeit in einem Bereich zwischen 45 bis 55 mm/s auf und eine Wärmeeindringtiefe in einem Bereich zwischen 0,08 bis 0,12 mm.
Die PEEK-Dispersion wird vorzugsweise auf Lagerbauteilen aus gehärtetem Stahl eingebrannt, wobei die Erzeugung einer möglichst harten Kunststoffschicht bevorzugt bei einer Sintertemperatur unterhalb der üblichen Anlasstemperaturen von 180 bis 220 °C mittels gepulstem Laser erreicht wird. Der Einsatz des Lasers eröffnet die Möglichkeit, lokale Werkstoffeigenschaften an die örtlichen Anforderungen sowohl mechanisch als auch tribologisch anzupassen. Dazu ist der Einsatz partiell gepulster Laserstrahlen bevorzugt. Weiter bevorzugt kann das Laserstrahlsintern auch durch impulsweise Mikrowellen- oder Induktionsunterstützung erfolgen.
Im Rahmen der Verfahrensentwicklung wurden die Wechselwirkungen von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen mit verschiedenen Inhaltsstoffen der Sol-Gel-Beschichtung untersucht, welche zu den gewünschten keramischen Schichten auf Stahl führen.
Durch Verwendung des Breitbandabsorbers Ruß konnte das erfindungsgemäße Verfahren auf unterschiedlichen Sinteranlagen mit verschiedenen Lasern zur Anwendung gebracht werden. Beispiele dafür sind HeNe-Laser mit Emissionswellenlängen bei 632,8 nm rot, Krypton-Ionen-Laser, mehrere Linien bei 350,7 nm; 356,4 nm; 476,2 nm; 482,5; 520,6 nm; 530,9 nm; 586,2 nm; 647,1 nm; 676,4 nm; 752,5 nm; 799,3 nm (blau bis tiefrot) und Neodym-Laser (YAG(Yttrium-Aluminium-Granat)-Kristall und infrarote Strahlung mit der Wellenlänge 1064 nm als auch 532 nm emittiert) sowie ein Diodenlaser mit 980 nm, 1480 nm und 1920 nm Wellenlänge.
Für die Herstellung der organisch-anorganischen hybridpolymeren Kunststoffe werden ähnliche Ausgangschemikalien verwendet, wie diese auch für die Sole zur Abscheidung oxidkeramischer Grünschichten genutzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kunststoffdispersion aus PEEK und Metallalkoholaten (Sol-Gel) hergestellt. Metallalkoholate sind organische Verbindungen, bei denen an einem Metallion mehrere Alkoholreste über die Sauerstoffatome einer Alkylgruppe angelagert sind. Hergestellt werden diese durch die Reaktion von elementaren Metallen mit Alkoholen unter Abspaltung von Wasserstoff. Als Metallionen kommen für ein 4-wertiges Metall, Silizium, Titan oder Zirkon bzw. für ein 3-wertiges Metall, Aluminium, Yttrium oder Bor in Frage.
Metallalkoholate sind äußerst reaktionsfreudig, die Alkhoholate können beispielsweise mit Wasser oder organischen Verbindungen reagieren. Dabei werden die Alkoholreste abgespalten. Die Reaktion mit organischen Verbindungen nutzt man aus, um Sole mit polymerischen Strukturen herzustellen. Die Reaktion mit Wasser darüber hinaus ist zu vermeiden. Metallalkoholate sind sehr leicht hydrolysierbar, so dass bereits geringe Mengen Wasser zu einem unkontrollierten Ausfallen makromolekularer Metall-Hydroxidpartikel führen kann. Eine organische Verbindung, wie beispielsweise Essigsäure, Glycin und Aminocapronsäure, welches dem Alkoholat vor der Hydrolyse zugegeben wird, verhindert, dass der Metallalkoholat-Komplex vollständig hydrolysiert und als Hydroxid ausfällt, so kann das Alkoholat stabilisiert werden. Essigsäure stabilisierte Alkoholate haben deutlich kürzere Gelzeiten als mit anderen Säuren stabilisierte Alkoholate. Die geringere Acidität der Essigsäure in Alkohol verzögert zwar die Hydrolyse, beschleunigt aber die Kondensation so stark, dass die Gesamtreaktion schneller verläuft. Diese teilhydrolysierten Metallalkoholate können nun miteinander polymerisieren. Es bilden sich Ketten abhängig von der Stabilisierung und dreidimensionale Netzwerke. Durch die Reaktion entstehendes Wasser kann für eine weitere Hydrolyse sorgen.
Neben Metallalkoholaten kommen bevorzugt auch organisch modifizierte Silane (OR-MOSILe) zum Einsatz. Als weiteres Silan wird 3-Aminopropyltriethoxysilan, Alkoxysilan, alkoxyfunktionelle Organopolysiloxane sowie glykolfunktionelle Organosiliciumverbindungen verwendet, welches als Haftvermittler für Metalle, Silicatgläser und oxidische Materialien bekannt sind. Für die Solsynthese werden neben den einfachen Alkoholaten, wie beispielsweise dem Tetraethoxyorthosilan (TEOS) netzwerkmodifizierende sowie netzwerkbildende ORMOSILe verwendet. Das TEOS wird für die Erzeugung von stabilen, dichten Oxidschichten genutzt. Aufgrund dieser dichten Oxidschichten hat TEOS eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und wirkt isolierend und wird dementsprechend als Schutzoxid verwendet. Da TEOS auch Silizium enthält wächst die aufzutragende Oxidschicht linear und sehr schnell auf. Beim Sintern wird die Ethylgruppe abgespalten und eine keramische Schicht mit reinem Siliziumdioxid gebildet.
Eines der einfachsten netzwerkmodifizierenden ORMOSILe ist das Methyltriethoxysilan (MTES). Neben den drei Epoxygruppen, die durch Polykondensation vernetzen, enthält es eine Methylgruppe, die chemisch inaktiv bleibt und so den Vernetzungsrad im Gel reduziert. Ein typisches netzwerkbildendes ORMOSIL ist Methacryloxypropyltrimethoxysilan (MATMS). Die organische Vernetzung erfolgt hier über eine Methacryl-Gruppe. Als Metalle sind neben Silizium auch Aluminium, Titan, Zirkonium bekannt und bevorzugt, es sind jedoch auch viele weitere denkbar. Eine Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens zeigt die Weiterentwicklung der MTES/TEOS-Sole in Verbindung mit organisch modifiziertem Zirkonium, wobei das Sol alkalisch eingestellt werden sollte. Diese bevorzugten Sole weisen ein exzellentes Beschichtungsverhalten auf. Selbst an kritischen Stellen, wie Bauteilkanten, zeichnet sich die Beschichtung durch geringere Rissanfälligkeit aus.
Die bevorzugte Partikelgrößenverteilung eines polymeren basenkatalysierten Siliziumdioxid-Sols und eines kolloidalen, säurestabilisierten Aluminiumoxid-Sols liegt in einem Bereich zwischen 80 und 100 nm. Die Verwendung einer Säurekatalyse für das Siliziumdioxid-Sol führt zu kleinen und eine Basenkatalyse zu großen Partikeln. Es wurde festgestellt, dass im pH-Bereich der Kunststoffdispersion zwischen pH 0 und 2 unter den gewählten Bedingungen das Gleichgewicht der Reaktionen Hydrolyse-Kondensation auf Seite der Hydrolyse liegt, d.h. es bilden sich Strukturen mit hohem Hydrolysegrad und niedrigem Kondensationsgrad. Bei pH-Werten von 2 bis 5 ist die Kondensation der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Monomere und kleinere Oligomere mit reaktiven Silanolgruppen liegen nebeneinander vor. Weitere Kondensation führt zu einem relativ schwach verzweigten Netzwerk mit kleinen käfigartigen Einheiten. Bei vergleichbaren Bedingungen im alkalischen pH-Bereich liegt das Gleichgewicht auf der Seite der Kondensation, d.h. nach langsamer Bildung von Hydrolysearten setzt unmittelbar die Kondensationsreaktion ein, wodurch separate hochvernetzte Polysiloxaneinheiten gebildet werden. Im basischen Milieu ist die Hydrolyse geschwindigkeitsbestimmend. Die Cluster wachsen hauptsächlich durch die Kondensation mit Monomeren. Daraus resultieren Netzwerke mit großen Teilchen und Poren. Beim basisch katalysierten Sol-Gel-Prozess werden vorzugsweise Natriumhydroxid oder Ammoniak eingesetzt. Dabei resultiert prinzipiell eine analoge Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Basenstärke, wie bei Säurekatalyse von der Säurestärke.
Weitreichende Beschichtungsversuche haben ergeben, dass die Struktur der ausgebildeten Kondensate außer vom pH-Wert des Reaktionsmediums von der Art des Lösungsmittels, der Art und Kettenlänge der Alkoxyfunktion, vom molaren Si/Wasser-Verhältnis, von den Konzentrationen, der Temperatur, der Art und Konzentration des Katalysators, Abdampfgeschwindigkeiten sowie der zugesetzten Wassermenge abhängen.
In der Literatur sind Ansätze mit molaren Wasser/Silizium Verhältnissen (r) von 1 bis 50 beschrieben. Ein steigendes molares Verhältnis r beschleunigt die säurekatalysierte Hydrolyse deutlich und führt zu mehr SiOH-Gruppen, wodurch die Bildung zyklischer Strukturen im Sol erleichtert wird. Auch die konkurrierenden Kondensationsreaktionen hängen kritisch von der Konzentration an Wasser ab, da bei r < 2 die Kondensation unter Alkoholabspaltung und bei r > 2 die Kondensation unter Wasserabspaltung überwiegt. Bei hoher Wasserkonzentration treten Verdünnungseffekte auf, die zu einer Verzögerung der Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen führen. Viskose, verspinnbare Sole werden bei einem bevorzugten molaren Verhältnis von Si(OR)4 zu Wasser von 1:1 bis ca. 1:2 erhalten. Weiter bevorzugt sind Verhältnisse von 1:4 bis 1:11, da dadurch Schichten mit geringer Rissanfälligkeit erzeugt werden können. Wird der Wasserüberschuss gegenüber TEOS weiter erhöht, resultieren monolithische Festkörper, welche es zu vermeiden gilt. Generell ergibt sich für alle Katalysatoren der gleiche prinzipielle Reaktionsverlauf, aber die Geschwindigkeiten ändern sich in Abhängigkeit von Stärke und Konzentration des Katalysators. Es wurde herausgefunden, dass dieser Effekt auf Unterschiede im Dissoziationsverhalten und damit auf den pH-Wert zurückzuführen ist.
Weitere Versuchsergebnisse bezüglich des Schrumpfungsverhaltens beider bevorzugter Gele beim Sintern zeigen, dass Säurekatalyse der Siliziumdioxid-Sole zu schnellen und Basenkatalyse zu zeitverzögerten Schrumpfungen führen. Durch die Kombination netzwerkbildender und netzwerkmodifizierender ORMOSILe sowie reinen Metallalkoholaten in den Kunststoffdispersionen lassen sich sehr unterschiedliche Hybridschichten herstellen. Diese erfindungsgemäßen Schichten zeichnen sich durch neuartige Eigenschaften aus, da hier auf molekularer Ebene eine Mischung anorganischer Metalloxidbrückenbindungen und organischer Bindungen über Kohlenwasserstoffketten in einer Kunststoffmatrix vorliegen. Es können keramische Schichten sowohl für mechanische als auch für funktionelle Anforderungen präpariert werden. Die chemische Zusammensetzung des Sols, die Schichtabscheidungsbedingungen sowie die Wärmebehandlungsparameter, wie Aufheizgeschwindigkeit, Temperatur, Haltedauer haben Einfluss auf die Schichteigenschaften.
Durch den beschriebenen Schichtaufbau von Kunststoffschichten mit eingebetteten Metalloxiden ist es möglich, die herausragenden tribologischen Eigenschaften mit mechanischer Festigkeit und elektrischer Isolation zu kombinieren, wodurch sich die bereits beschriebenen Vorteile ergeben. Da die Beschichtung aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit und der geringen Schichtdicke ohne Nacharbeit eingesetzt werden kann, entfallen etwaige Nacharbeitungskosten. Durch die hervorragenden tribologischen Eigenschaften können kostengünstigere und auch niedrigviskosere Schmierstoffe, die geringere innere Reibungen aufweisen, verwendet werden und Ölwechselintervalle hinausgezögert werden. Zusätzlich können Wälzlagerbauteile auch unter Trockenreibung und Mangelschmierung betrieben werden, da die bevorzugt verwendete PTFE Dispersion als Trockenschmierstoff wirkt. Anstelle von PTFE können auch ähnliche äquivalente Trockenschmierstoffe mit geringen Reibkoeffizienten eingesetzt werden, der Kern der Erfindung wird davon nicht berührt.
Die Schichten weisen zusätzlich gegenüber den eingangs erwähnten a-C:H:Me-Schichten eine ebenso gute thermische Stabilität von etwa 350 bis 380°C auf, wodurch sich ein deutlich größeres Einsatzgebiet ergibt. Durch die aus der Erfindung resultierende Möglichkeit als Schmierstoff auch Hydrauliköl, Dieselkraftstoff, Wasser bis hin zu Benzin zu verwenden, bieten sich ganz neue Einsatzgebiete in der Lebensmittelindustrie, Productronic, Antriebstechnik sowie hydraulischen und weiteren mediengeschmierten Anwendungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10147292 B4 [0003]

Claims

Beschichtungsverfahren zur Erzeugung einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf einem Lagerbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt ein Stoffgemisch, welches mindestens a) eine Silan- und/oder Siloxanverbindung, b) ein Metallalkoholat, sowie c) PEEK und/oder PTFE als Dispersion, umfasst, auf das Lagerbauteil aufgetragen wird und in einem zweiten Schritt durch einen Laserstrahl auf der Bauteiloberfläche verfestigt wird.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch in einem Zwischenschritt, der zeitlich zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt angeordnet ist, bei einer Temperatur zwischen 100 und 200°C getrocknet wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch zusätzlich einen organischen Farbstoff aufweist.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Farbstoff Ruß umfasst.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgetragene Stoffgemisch eine Dicke aufweist, die mindestens doppelt so groß wie die Wellenlänge des verwendeten Laserstrahls ist.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum durchgeführt wird.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des Verfahrens die übliche Anlasstemperatur des Lagerbauteilwerkstoffes nicht überschreitet.
Beschichtungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Beschichtungsverfahren eine 1 bis 10 m dicke Beschichtung auf das Lagerbauteil aufgetragen wird.
Beschichtung zur elektrischen Isolation von Lagerbauteilen, dadurch gekennzeichnet dass die Beschichtung durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 erzeugt wurde.
Beschichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoffgemisch zusätzlich ein organisches Polymer umfasst, welches durch Polymerisation olefinisch ungesättigter Monomere gewonnen wurde.