DE10311142A1

DE10311142A1 - Lacksystem als Oberflächenschicht für Substrate und Verfahren zum Herstellen des Lacksystems

Info

Publication number: DE10311142A1
Application number: DE2003111142
Authority: DE
Inventors: Martin Hruschka; Ulrich Hasenkox; Guido Klamt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2023-03-15
Also published as: DE10311142B4

Abstract

Es wird ein Lacksystem als Oberflächenschicht für Substrate und ein Verfahren zum Herstellen des Lacksystems beschrieben. Das Lacksystem besteht aus einem Lack als Matrixmaterial, der wenigstens einen Filmbildner aufweist, und mit in dem Lack eingebetteten Zusatzstoffen, wobei wenigstens ein Zusatzstoff zur Erhöhung einer Verschleißbeständigkeit der Oberflächenschicht und ein weiterer Zusatzstoff zur Reduzierung eines Reibungswerts der Oberflächenschicht dient. Dabei ist entweder eine Lackschicht vorgesehen, die ein Konzentrationsgefälle hinsichlich der Zusatzstoffe aufweist, wobei eine Konzentration an verschleißbeständigem Zusatzstoff von der bauteiloberflächenzugewandten Seite zur bauteiloberflächenabgewandten Seite abnimmt und eine Konzentration des reibungsvermindernden Zusatzstoffes von der bauteiloberflächenzugewandten Seite zur bauteiloberflächenabgewandten Seite zunimmt, oder es sind wenigstens zwei aufeinander angeordnete Lackschichten vorgesehen, wobei eine bauteiloberflächenseitige Lackschicht wenigstens mit einem verschleißbeständigen Zusatzstoff befüllt ist und eine Lackschicht, die auf der bauteiloberflächenseitigen Lackschicht angeordnet ist, mit mindestens einem reibungsverminderndem Zusatzstoff befüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lacksystem als Oberflächenschicht für Substrate gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2 genannten Merkmalen und ein Verfahren zum Herstellen des Lacksystems gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 24 näher definierten Art.

In der Praxis stellen Reibung und daraus resultierender Verschleiß an Bauteilen für viele technische Anwendungen begrenzende Faktoren bezüglich einer Lebensdauer von technischen Anlagen oder der Bandbreite von Anwendungsmöglichkeiten dar. Um die Lebensdauer von Bauteilen zu verbessern sowie die Beschränkungen der Anwendungsmöglichkeiten zu reduzieren, ist dazu übergegangen worden, Bauteile mit geeig neten Schmiermitteln zu schmieren oder an ihrer Oberfläche mit festhaftenden und reibvermindernden Verschleißschutzschichten zu versehen. Derartige Verschleißschutzschichten stellen an sich bekannte Gleitlackbeschichtungen, galvanische oder chemische Metallbeschichtungen, wie beispielsweise Hartchrom, und auch diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC) dar. Zusätzlich ist es auch bekannt, als keramische Beschichtungen ausgeführte Verschleißschutzschichten mittels verschiedener physikalischer und/oder chemischer Verfahren auf Oberflächen von auf Reibung beanspruchten Bauteilen aufzutragen.

Durch die Verwendung von Gleitlackbeschichtungen für reibbeanspruchte Bauteile wird die Reibung im Bereich von Reibflächen reduziert und damit ein Verschleiß durch Abrieb minimiert. Die zur Herstellung der Gleitlackbeschichtungen verwendeten Gleitlacke bestehen in der Regel aus einem organischen Filmbildner sowie aus einem Schmierstoff, der nach der Trocknung oder Aushärtung in dem organischen Filmbildner eingebettet ist. Zusätzlich sind dem Gleitlack weitere Zusatzstoffe, wie Entschäumer, Verlaufsmittel und auch andere Verarbeitungshilfsmittel zugesetzt.

Die den Lacken zugemischten Schmierstoffe sind u.a. Molybdändisulfid, Graphit, hexagonales Bornitrid, Polytetrafluorethylen, Polyamid, Polyethylen, Silikone oder Silikonöle, deren Einsatz im Bereich der Schmierungstechnik hinlänglich bekannt ist.

Ein Reibwert derartiger Gleitlacke, welcher vorliegend als ein Koeffizient aus der Kraft, die zur Bewegung eines Bauteiles über eine Fläche notwendig ist, und der Normalkraft, mit der das Bauteil auf die Oberfläche drückt, definiert ist, beträgt für einen Gegenkörper aus Stahl typischerweise 0,1 bis 0,3. Sind die beiden sich gegenseitig auf Reibung beanspruchenden Bauteile aus Stahl hergestellt, beträgt der Reibwert ohne Gleitlackbeschichtung dagegen typischerweise 0,5 bis 0,7.

Gleitlackbeschichtungen finden insbesondere dann Anwendung, wenn eine Verwendung von Schmierfetten oder Schmierölen unerwünscht ist, wie beispielsweise in Anlagen, in welchen hochreine Produkte hergestellt werden, die durch den Kontakt mit Schmierölen oder Schmierfetten verunreinigt werden, oder wenn eine dauerhafte Schmierung mit Schmierfetten oder Schmierölen, wie beispielsweise in geschlossenen Gehäusen, bei denen eine Nachschmierung nicht möglich ist, nicht gewährleistet ist. Des weiteren werden Gleitlackbeschichtungen für eine Einlaufschmierung eingesetzt.

Die verschleißvermindernde Wirkung der Gleitlackbeschichtungen beruht auf der Tatsache, daß der organische Filmbildner unter Reibbelastung langsam abgetragen wird und im Betrieb permanent Schmierstoff gebildet wird. Eine mechanische Belastbarkeit einer Gleitlackbeschichtung ist im wesentlichen durch den verwendeten organischen Filmbildner bestimmt.

Nachteilig dabei ist jedoch, daß eine Gleitlackbeschichtung bei hoher mechanischer Belastung sehr schnell abgetragen wird, so daß deren Schmierwirkung bereits nach kurzer Zeit erheblich reduziert ist und ein Bauteilverschleiß in unerwünschtem Umfang auftritt, der unter Umständen zu einem Funktionsausfall führen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lacksystem als Oberflächenschicht für Substrate, vorzugsweise für reibbeanspruchte Bauteile zur Verfügung zu stellen, mittels welchem ein Reibwert herabgesetzt wird und das gleichzeitig für das beschichtete Bauteil eine hohe Verschleißbeständigkeit gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Lacksystem gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 2 sowie mit einem Verfahren zum Herstellen eines Lacksystems als Oberflächenschicht gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 24 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Lacksystem wird einerseits eine Reibung zwischen zwei Bauteilen verringert und gleichzeitig ein Bauteilverschleiß des mit dem Lacksystem beschichteten Bauteiles vermieden, da das Lacksystem selbst bei hohen mechanischen Belastungen durch eine hohe Verschleißbeständigkeit gekennzeichnet ist.

Dies wird dadurch erreicht, daß auf einem Bauteil bzw. auf einem Substrat eine Lackschicht vorgesehen ist, die ein Konzentrationsgefälle der Zusatzstoffe aufweist, wobei eine Konzentration an verschleißbeständigem Zusatzstoff von der bauteiloberflächenzugewandten Seite in Richtung der bauteiloberflächenabgewandten Seite abnimmt und eine Konzentration des reibungsvermindernden Zusatzstoffes ausgehend von der bauteiloberflächenzugewandten Seite in Richtung der bauteiloberflächenaugewandten Seite zunimmt.

Dabei ist besonders von Vorteil, daß der Aufbau des Lacksystems bzw. der Gleitlackbeschichtung aus einem Filmbildner, einem verschleißbeständigen Zusatzstoff und einem reibungsvermindernden Zusatzstoff mit den vorbeschriebenen Konzentrationsprofilen selbst bei hohen mechanischen Belastungen dauerhafte Gleiteigenschaften in Verbindung mit einer guten Verschleißbeständigkeit gewährleistet, da ein sogenanntes Herausreiben des reibungsvermindernden Zusatzstoffes aus dem das Matrixmaterial darstellenden Lack durch das Vorhandensein des verschleißbeständigen Zusatzstoffes herabgesetzt ist bzw. gänzlich vermieden wird.

Bei einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführung des Lacksystems als Oberflächenschicht für Substrate, insbesondere als Gleitlackbeschichtung für reibbeanspruchte Bauteile, ist es vorgesehen, daß wenigstens zwei Lackschichten übereinander auf der Substratoberfläche angeordnet sind, wobei eine bauteiloberflächenseitige Lackschicht mit verschleißbeständigem Zusatzstoff befüllt ist und eine bauteiloberflächenabgewandte Lackschicht, welche auf der bauteiloberflächenseitigen Lackschicht angeordnet ist, mit einem reibungsvermindernden Zusatzstoff befüllt ist.

Dieses alternativ ausgeführte erfindungsgemäße Lacksystem gewährleistet ebenfalls, daß die bauteiloberflächenabgewandte Lackschicht selbst bei hohen mechanischen Belastungen eine gegenüber aus der Praxis bekannten Gleitlackschichten deutlich verbesserte Abriebsbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigem Reibwert aufweist. Damit ist für ein mit dem erfindungsgemäßen Lacksystem beschichtetes Bauteil sowie für einen mit dem Bauteil in Reibkontakt stehenden Gegenkörper über eine lange Zeit ein guter Verschleißschutz auch unter Betriebsbedingungen gewährleistet, bei welchen die aus der Praxis bekannten Gleitlackbeschichtungen bereits nach kurzen Betriebszeiten keine ausreichende Beständigkeit aufweisen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Lacksystems nach der Erfindung mit zwei Lackschichten ist es vorgesehen, daß die bauteiloberflächenseitige Lackschicht zusätzlich mit reibungsverminderndem Zusatzstoff und/oder die bauteiloberflächenabgewandte Lackschicht zusätzlich mit verschleißbeständigem Zusatzstoff befüllt ist.

Somit sind die reibungsvermindernden sowie die verschleißbeständigen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Lacksystems an den jeweilig vorliegenden Anwendungsfall bedarfsgerecht anpaßbar bzw. einstellbar. Die Reibungsverminderung als auch die Verschleißbeständigkeit des Lacksystems werden durch das zusätzliche Beimischen eines reibungsvermindernden oder eines verschleißbeständigen Zusatzstoffes gezielt weiter verbessert, womit eine Anwendungsbreite von mit dem erfindungsgemäßen Lacksystem beschichteten Bauteilen erweitert und deren Lebensdauer vorteilhafterweise weiter erhöht wird.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des erfindungsgemäßen Lacksystems, mittels welchem auf einem Bauteil wenigstens eine Lackschicht hergestellt wird, die aus einem Lack, der mit einem wenigstens reibungsvermindernden Zusatzstoff befüllt ist, und einem Lack, der mit einem wenigstens verschleißbeständigen Zusatzstoff befüllt ist, aufgebaut ist, wird eine in Bezug auf eine Konzentration der Zusatzstoffe graduelle Lackschicht auf einem Bauteil erzeugt, welche auf ihrer bauteilabgewandten Seite einen geringen Reibwert aufweist und auf ihrer bauteilzugewandten Seite durch eine hohe Verschleißbeständig keit gekennzeichnet ist. Damit wird einerseits eine Reibung zwischen dem beschichteten Bauteil und einem Gegenkörper herabgesetzt und andererseits ein Verschleiß des beschichteten Bauteiles sicher vermieden, da ein im Vergleich zu bekannten Gleitlackbeschichtungen reduzierter Abtrag des erfindungsgemäßen Lacksystems aufgrund der verbesserten Verschleißbeständigkeit der aufgebrachten Lackschicht in bauteiloberflächennahen Bereichen auftritt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand zweier stark schematisierter Darstellungen eines erfindungsgemäßen Lacksystems als Oberflächenschicht auf einem Substrat bzw. einem Bauteil gezeigt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Es zeigen
1 eine Prinzipskizze eines als Einschicht-Lacksystem ausgeführten Lacksystems gemäß der Erfindung mit einer Lackschicht; und
2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Lacksystems als Oberflächenschicht eines Substrates, wobei das Lacksystem als Mehrschicht-Lacksystem mit zwei Lackschichten ausgeführt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bezug nehmend auf 1 ist ein Lacksystem 1 dargestellt, welches aus nur einer Lackschicht 1A aufgebaut ist. Die Lackschicht 1A ist vorliegend durch ein Aufsprühverfahren auf einem Substrat 2 aufgebracht, anschließend thermisch ausgehärtet und somit als festhaftende Oberflächenschicht auf dem Substrat bzw. Bauteil 2 angeordnet. Während des Aufsprühens werden zwei mit unterschiedlichen Zusatzstoffen befüllte Lacke mit zeitlich sich gesteuert ändernden Mengenverhältnissen kontinuierlich einer Aufsprüheinrichtung 3 zugeführt, in dieser vor dem Auftragen gemischt und anschließend kontinuierlich auf das Substrat aufgesprüht.
Somit ist die Oberfläche des Substrats 2 mit einer Lackschicht beschichtet, die von einer bauteiloberflächenzugewandten Seite der Lackschicht 1A, d. h. der Oberfläche des Substrates 2, bis hin zu einer bauteiloberflächenabgewandten Seite der Lackschicht 1A, d. h. auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite der Lackschicht 1A, jeweils ein in 1 dargestelltes Konzentrationsprofil 4 eines reibungsvermindernden Zusatzstoffes und ein Konzentrationsprofil 5 eines verschleißbeständigen Zusatzstoffes aufweist.
Die in 1 dargestellten Konzentrationsprofile 4, 5 der Zusatzstoffe der Lackschicht 1A sind lediglich qualitativ und werden in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles über die jeweils der Aufsprüheinrichtung 3 gesteuert zugeführten Anteile der beiden Lacke während des Aufsprühens bedarfsgerecht eingestellt. Dabei ist einer der beiden der Aufsprüheinrichtung 3 zugeführten Lacke mit ei nem reibungsvermindernden Zusatzstoff und der andere Lack mit einem verschleißbeständigen Zusatzstoff mit einem vordefinierten Befüllgrad befüllt.
Um eine gute Verschleißbeständigkeit sowie eine gewünschte Herabsetzung des Reibungskoeffizienten der Lackschicht 1A auf seiner bau-teiloberflächenabgewandten Seite zu erreichen, weist die Lackschicht 1A in substratnahen Bereichen eine hohe Konzentration an verschleißbeständigem Zusatzstoff sowie eine geringe Konzentration an reibverminderndem Zusatzstoff auf.
Alternativ kann es auch vorgesehen sein, daß der „reibvermindernde" Lack mit mehreren reibungsvermindernden Zusatzstoffen und/oder der „verschleißbeständige" Lack mit mehreren verschleißbeständigen Zusatzstoffen befüllt ist.
Die der Aufsprüheinrichtung 3 zugeführten Anteile der beiden Lacke werden während des Auftragvorganges der Lackschicht 1A auf dem Substrat 2 derart gesteuert verändert, daß eine Konzentration des verschleißbeständigen Zusatzstoffes in der Lackschicht 1A mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Substrates 2 abnimmt und die Konzentration des reibungsvermindernden Zusatzstoffes gleichzeitig in der vorgenannten Richtung zunimmt, so daß einerseits in bauteiloberflächennahen Bereichen des Lacksystems eine hohe Verschleißbeständigkeit und andererseits eine Reibungsverminderung in bauteiloberflächenfernen Bereichen des Lacksystems wirkungsvoll erreicht wird.
In 2 ist ein zu 1 alternatives Lacksystem 1 dargestellt, welches auf einem Substrat 2 als Oberflächenschicht angeordnet ist. Das Lacksystem 1 gemäß 2 besteht aus einer ersten Lackschicht 1A und einer zweiten Lackschicht 1B, wobei die erste Lackschicht 1A auf der Oberfläche des Substrates 2 und die zweite Lackschicht 1B auf der ersten Lackschicht 1A angeordnet ist. Die beiden Lackschichten 1A und 1B werden mittels herkömmlicher Lakkiertechnik aufgetragen. Die Schichtdicke der Lackschichten 1A und 1B kann in Abhängigkeit des Anwendungsfalles z. B. jeweils zwischen 10 μm und 100 μm betragen.
Zunächst wird die Lackschicht auf der Oberfläche des Substrates 2 aufgebracht. Nach dem Auftragen der Lackschicht 1A besteht die Möglichkeit, diese zu trocknen und dabei die Lösungsmittel aus der Lackschicht 1A zu entfernen. Daran anschließend wird die Lackschicht 1B ebenfalls mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 μm bis 100 μm auf die Lackschicht 1A aufgebracht. Nach dem Auftragen der Lackschicht 1B wird das Lacksystem 1 thermisch ausgehärtet, wobei dem Aushärteprozeß noch eine Trockenphase der Lackschicht 1B vorgeschaltet sein kann.
Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, daß die Lackschicht 1B auf die nach dem Auftragen der Lackschicht 1A noch nasse, nicht getrocknete Lackschicht 1A aufgebracht wird, und das Lacksystem 1 nach dem Auftragen der Lackschicht 1B thermisch ausgehärtet wird, wobei vor dem Aushärten noch eine Trocknungsphase des Lacksystems vorgesehen werden kann.
Die Lacksysteme 1 gemäß 1 und 2 stellen thermisch härtende Lacksystem dar, welche wie vorbeschrieben entweder aus einer Lackschicht oder aus mehreren übereinander angeordneten Lackschichten aufgebaut sind. Insbesondere bei der letztgenannten mehrlagigen Ausführung eines Lacksystems nach der Erfindung besteht vorteilhafterweise die Möglichkeit, über die Kombination von Füllstoffen der einzelnen Lagen die Eigenschaften des gesamten Lacksystems auf die jeweils vorliegenden Anwendungsfälle hin genau einzustellen.
Jede Lackschicht eines Lacksystems wird mittels an sich bekannten Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise Sprühen, Tauchen, Rakeln, Drucken oder Dosieren schnell und einfach auf eine Substrat- bzw. Bauteiloberfläche appliziert. Dadurch sind selbst bei zu beschichtenden Bauteilen mit komplexer Bauteilgeometrie meist keine allzu großen apparativen Anforderungen erforderlich.
Ein Volumengehalt der Zusatzstoffe bzw. Füllstoffe der Lackschicht 1A des Lacksystems gemäß 1 oder der Lackschichten 1A, 1B des Lacksystems 1 gemäß 2 beträgt je nach Anwendung, eingesetztem Material der Zusatzstoffe, des Substrats sowie der Lacke und den Partikelgrößen der Zusatzstoffe zwischen 10 Vol.-% und 90 Vol.-%, wobei die Partikelgrößen der Zusatzstoffe im wesentlichen in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff sowie des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles vorgegeben werden können.
Die Partikelgrößen bzw. die mittleren Durchmesser (D50) bei den als keramische Füllstoffe ausgeführten verschleißbe ständigen Partikel liegen zwischen 0,2 μm und 50 μm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,3 μm und 30 μm.
Mit als Polymerpartikel oder anorganische Trockenschmierstoffe ausgeführten reibvermindernden Zusatzstoffen werden Bekannterweise Reibwerte eines Lacksystems reduziert und eingestellt, wobei die mittleren Partikeldurchmesser derartiger reibvermindernder Zusatzstoffe vorliegend zwischen 1 μm bis 100 μm betragen. Des weiteren besteht die Möglichkeit, einem Lack metallische Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1 μm bis 50 μm zuzugeben, mit welchen insbesondere elektrische Eigenschaften des erfindungsgemäßen Lacksystems eingestellt werden.
Als die Verschleißbeständigkeit der Lacksysteme 1 verbessernde Zusatzstoffe sind u. a. Keramikpartikel, wie beispielsweise Al₂O₃, SiC, AlN, TiN, oder Glas oder eine Mischung daraus, sowie Metallpartikel, wie beispielsweise W oder Cu, besonders geeignet.
Um eine Reibungsverminderung zu erreichen, ist wenigstens eine Oberflächen-Lackschicht des Einschicht-Lacksystems gemäß 1 oder auch des Mehrschicht-Lacksystems gemäß 2 mit reibungsvermindernden Zusatzstoffen oder Polymerpartikeln, wie beispielsweise Polyethylen, Polyamid oder Polytetrafluorethylen, und/oder mit Trockenschmierstoffen, wie beispielsweise Graphit oder MoS₂, befüllt.
Das bedeutet, daß durch den Zusatz der vorgenannten Füllstoffpartikel zu den „reinen" Lacken, die Reibeigenschaften und auch die Verschleißbeständigkeit des erfindungsgemäßen Lacksystems auf eine Güte eingestellt werden können, die zwischen herkömmlichen Gleitlacken und metallischen bzw. keramischen Hartstoffbeschichtungen von Bauteilen angeordnet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Lacksystem besteht alternativ oder auch in Kombination die Möglichkeit, die Lackschicht eines Einschicht-Lacksystems oder die verschiedenen Lackschichten eines Mehrschicht-Lacksystems mit unterschiedlichen Zusatzstoffen zu befüllen, die einzelnen Befüllgrade der Zusatzstoffe in den Lacken bedarfsgerecht von Lackschicht zu Lackschicht zu variieren, die Partikelgrößen der Zusatzstoffe in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles vorzusehen und entsprechende Konzentrationsprofile der Zusatzstoffe über der Schichthöhe in jeder einzelnen Lackschicht einzustellen.
So ist es bei dem Ausführungsbeispiel des in 2 dargestellten Mehrschicht- bzw. Zweischicht-Lacksystems 1 vorgesehen, daß in der der Bauteiloberfläche zugewandten Lackschicht 1A Keramikpartikel mit Partikeldurchmessern zwischen 0,3 μm und 10 μm und mit einem Füllgrad zwischen 0,5 Vol.-% und 50 Vol.-% Füllstoff bezogen auf den ausgehärteten Lack angeordnet sind. Die auf der Lackschicht 1A angeordnete weitere Lackschicht 1B ist ebenfalls mit einem keramischen Füllstoff, wie er auch bei der Lackschicht 1A Anwendung findet, mit einem Füllgrad von 0,5 Vol.-% bis 10 Vol.-% sowie einem polymeren Trockenschmierstoff, wie beispielsweise ultrahochmolekularem Polyethylenpulver mit einer Partikelgröße zwischen 1 μm und 100 μm und einem Füllgrad von 5 Vol.-% bis 50 Vol.-%, befüllt, wobei der ver schleißbeständige Zusatzstoff der Lackschicht 1B auch von dem keramischen Füllstoff der Lackschicht 1A abweichen kann.
Der Fachmann wird einen zur Herstellung des Lacksystems verwendeten Lack mit bedarfsgerechten Partikelmischungen der vorbeschriebenen Zusatzstoffe befüllen, um beliebige Eigenschaftskombinationen des Lacksystems einzustellen.
Dabei sind neben einer Reduzierung der Reibung sowie einer Erhöhung der Verschleißbeständigkeit auch weitere Eigenschaften des Lacksystems nach der Erfindung durch eine gezielte Auswahl von Zusatzstoffen einstellbar. So kann durch die Verwendung von SiC und AlN beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit sowie eine elektrische Isolation des Lacksystems nach der Erfindung beeinflußt werden. Wird das Lacksystem beispielsweise mit TiN und/oder verschiedenen anderen, teilweise vorgenannten Metallpulver befüllt, wird eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des Lacksystems erreicht.
Die Edukte, welche zur Herstellung des erfindungsgemäßen Lacksystems verwendet werden, bieten vorteilhafterweise die Möglichkeit, das Lacksystem auf einem Substrat mittels herkömmlicher Lackierverfahren, wie beispielsweise Sprühen oder Tauchen, aufzutragen und anschließend bei Temperaturen zwischen 40°C und 350°C einzubrennen, wobei im wesentlichen die Einbrenntemperaturen unterhalb von 200°C liegen, so daß sowohl Metalle und Keramiken als auch Polymere beschichtet werden können.
Eine Grundierung oder ein Auftragen einer Haftvermittlerschicht auf einer Oberfläche eines mit dem erfindungsgemäßen Lacksystem zu beschichtenden Bauteils ist in der Regel nicht erforderlich, womit das Lacksystem eine kostengünstige, verschleißbeständige und reibvermindernde Oberflächenschutzschicht darstellt. Die zu beschichtenden Bauteile müssen somit vor der Beschichtung lediglich gereinigt und entfettet werden.
Ist das erfindungsgemäße Lacksystem als Einschicht-Lacksystem ausgeführt, besteht es aus Lacken als Bindematrix, welche organische und/oder metallorganische Filmbildner ohne Einschränkung bei der Auswahl der Metallionen aufweisen, mit mindestens einem keramischen und/oder metallischen, verschleißbeständigen Zusatzstoff bzw. Füllstoff und/oder mit mindestens einem polymeren oder anorganischen, reibvermindernden Zusatzstoff, dessen Volumengehalt größer 10 Vol.-% ist und der vorzugsweise ein Trockenschmierstoff ist.
Die Lackschicht des Einschicht-Lacksystems weist dann in der Nähe des beschichten Substrates eine höhere Konzentration an keramischen und/oder metallischen Füllstoffpartikeln als an der substratoberflächenzugewandten Seite auf und ist an der substratoberflächenabgewandten Seite, d. h. an der einem Gegenkörper zugewandten Oberfläche, mit einer höheren Trockenschmierstoffkonzentration ausgeführt als an der substratoberflächenzugewandten Seite.
Ist das erfindungsgemäße Lacksystem wenigstens als Zweischicht-Lacksystem ausgeführt, ist die dem Substrat zuge wandte Lackschicht mit einem keramischen und/oder metallischen Füllstoff und die die Oberflächenschicht des Lacksystems bildende weitere Lackschicht wenigstens mit einem polymeren und/oder anorganischen Trockenschmierstoff befüllt, wobei die Oberflächenschicht vorzugsweise zusätzlich mit einem keramischen und/oder metallischem Zusatzstoff befüllt sein kann. Im Falle, daß die einem Gegenkörper zugewandte Oberflächenschicht des Lacksystems mit einem verschleißbeständigen Zusatzstoff befüllt ist, ist die Konzentration des verschleißbeständigen Zusatzstoffes in der substratoberflächenzugewandten Lackschicht höher als die Konzentration in der substratoberflächenabgewandten Lackschicht.
Das erfindungsgemäße Lacksystem ist bei einer Vielzahl von Verschleißschutzanwendungen auf Bauteilen und Komponenten aus Leichtmetallen oder Stählen geeignet. Dabei ist das beschriebene Lacksystem sowohl für großflächige als auch für lokale Beschichtungen geeignet, womit sich mannigfaltige Anwendungen sowohl im Automobilbereich als auch im klassischen Maschinenbau ergeben.
Bei einem in der vorbeschriebenen Art und Weise ausgeführten Lack führt die Kombination aus mit einem Filmbildner, einem verschleißbeständigen Zusatzstoff, wie Keramikpartikeln, sowie einem reibungsvermindernden Zusatzstoff, wie einem Trockenschmierstoff, dazu, daß im Vergleich zu bekannten Gleitlacksystemen eine wesentlich verbesserte mechanische Stabilität und Belastbarkeit sowie eine gute Korrosions- und Umweltbeständigkeit bei wenigstens gleichbleibender Reibverminderung erreicht wird. Dies resultiert aus der Tatsache, daß der Zusatz von Keramikpartikeln eine Ver stärkung des Filmbildners des Lackes, der als Matrix für den eingesetzten Trockenschmierstoff dient, bewirkt.
Eine besonders hohe mechanische Stabilität und Belastbarkeit des Lacksystems nach der Erfindung wird dann erreicht, wenn die keramischen Partikel über auf ihrer Oberfläche befindliche Gruppen mit dem Filmbildner des Lacks chemisch vernetzen können oder von dem Filmbildner besonders gut vernetzt werden. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität trägt es erheblich bei, wenn die keramischen Partikel aufgrund ihrer Oberflächenstruktur den verwendeten Trockenschmierstoff sehr gut benetzen, so daß sie sich auf der Oberfläche des Trockenschmierstoffs ansammeln und an diesem anhaften.
Somit bewirken die keramischen Partikel als verschleißbeständige Zusatzstoffe des Lacks eine hohe Bindung zwischen dem Lack und den Trockenschmierstoffpartikeln, weshalb diese auch bei hoher mechanischer Reibbelastung durch einen Gegenkörper nur schwer aus dem Lack herausgerieben werden können.
Die für die Vernetzung besonders vorteilhaften Gruppen auf den Oberflächen der keramischen Partikel können entweder auf der Oberfläche der keramischen Partikel inhärent vorhanden sein oder in einem vor dem Mischen eines Lacks mit den keramischen Partikeln vorgeschalteten Vorbehandlungsschritt, z. B. durch Beschichtung oder chemische oder physikalische Verfahren, auf den Oberflächen der Keramikpartikel erzeugt werden.
Die Lackschicht 1A des Lacksystems 1 der 2 kann beispielsweise aus einem Hybridpolymer, wie einem Ormocer®, und einem als keramischer Füllstoff ausgeführten verschleißbeständigen Zusatzstoff, wie SiC ausgeführt sein. Die zweite, obere Lackschicht 1B kann vorzugsweise aus einem Hybridpolymer, wie einem Ormocer®, einem keramischen Füllstoff, wie SiC, sowie einem Trockenschmierstoff, wie ultrahochmolekularem Polyethylen, zusammengesetzt sein.
Eine derartig ausgeführte, alleinig auf einem Bauteil aufgetragene Lackschicht 1A zeigt bei ca. 50 μm Dicke unter starker mechanischer Belastung wie einer Schwingverschleiß-Belastung mit 20 N Last einen starken Gegenkörperverschleiß bei einer Standzeit von 5 bis 10 Minuten auf. Die zweite Lackschicht 1B weist als Einzelschicht auf einer Bauteiloberfläche bei ca. 50 μm Schichtdicke einen niedrigen Reibwert auf, wird aber bei einer hohen mechanischen Belastung, wie beispielsweise bei einem Schwingverschleiß unter 20 N Last, in wenigen Minuten durchgerieben.
Ein Lacksystem mit einer Schichtdicke von etwa 100 μm, das aus einer Kombination der Lackschichten 1A und 1B besteht, weist eine wesentlich höhere Beständigkeit bei sehr geringen Reibwerten ohne Verschleiß eines Gegenkörpers auf, wobei die Standzeit des Lacksystems 1 über 120 Minuten beträgt. Wird das Lacksystem 1 in der gleichen vorbeschriebenen Art und Weise wie die einzelnen Lackschichten 1A und 1B beaufschlagt, wird auch vorteilhafterweise eine Zerstörung der zweiten Lackschicht 1B vermieden, während diese für sich alleine ohne die darunter liegende erste Lackschicht 1A schnell zerstört wird.
Lacke auf Ormocer®-Basis, welchen beispielsweise SiC-Pulver zugesetzt werden, weisen eine bessere Benetzung von Polyethylen sowie auch anderer Oberflächen auf als dies bei Lacken auf Ormocer®-Basis ohne den Zusatz von SiC-Pulver der Fall ist.
Somit führt die Kombination aus einem metallorganischen Filmbildner, einem als keramischer Füllstoff ausgeführten verschleißbeständigen Zusatzstoff und einem als polymerer Trockenschmierstoff ausgeführten reibvermindernden Zusatzstoff in einem Lacksystem zu einer Gleitlackbeschichtung mit guten dauerhaften Gleiteigenschaften sowie einer hohen Verschleißbeständigkeit, mit der ein Verschleiß des beschichteten Bauteiles sowie eines damit in Reibeingriff stehenden Gegenkörpers im wesentlichen vermieden bzw. gegenüber aus der Praxis bekannten Gleitlackbeschichtungen stark herabsetzt wird.
Besonders gute Eigenschaften werden mit einem Lacksystem erreicht, dessen oberste Lackschicht mit 40 Vol.-% an Polyethylen sowie mit 0,5 Vol.-% bis 3 Vol.-%, vorzugsweise 1 Vol.-%, an SiC befüllt ist. Ein derartiges Lacksystem weist keinerlei Beeinträchtigung der Gleiteigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Gleitlacken auf und ist zudem vorteilhafterweise durch eine hohe Verschleißbeständigkeit, insbesondere bei Druckbelastung sowie bei hoher Flächenpressung, gekennzeichnet.
Das Mischen der verschiedenen Zusatzstoffe erfolgt beispielsweise mit ZrO₂-Mahlkugeln, mit welchen ein Aufbrechen von Agglomeraten erfolgt, was einen hohen Dispersionsgrad zur Folge hat.
Alternativ können auch kommerziell erhältliche Dissolver aus der Farbindustrie eingesetzt werden, die für die Dispergierung von Farbpigmenten in Lacken eingesetzt werden.
In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles werden Lacke auf rein organischer Basis, Lacke mit metallorganischen sowie organischen Filmbildnern, wie beispielsweise Nanomere®, oder Lacke auf rein metallorganischer Basis verwendet, wobei Zusätze von metallorganischen Filmbildnern zu einer Verbesserung der chemischen Anbindung von metallischen und keramischen Füllstoffpartikeln an die organische Matrix des Lacks führen.
Lacksysteme gemäß der Erfindung können sowohl für organische Lösungs- und Verdünnungsmittel als auch für Wasser als Verdünnungsmittel vergesehen sein, wobei Lacke für organische Lösungsmittel mit metallorganischen Filmbildnern, welche mehrheitlich auf Silizium als metallischer Komponente basieren, besonders vorteilhaft sind. Des weiteren können die verwendeten Lacke Zusätze, wie beispielsweise Entschäumer, Verlaufsmittel, Katalysatoren und dergleichen, enthalten.

Claims

Lacksystem (1) als Oberflächenschicht für Substrate (2), vorzugsweise für reibbeanspruchte Bauteile, bestehend aus einem Lack als Matrixmaterial, der wenigstens einen Filmbildner aufweist, und mit in dem Lack eingebetteten Zusatzstoffen, wobei wenigstens ein Zusatzstoff zur Erhöhung einer Verschleißbeständigkeit der Oberflächenschicht und wenigstens ein weiterer Zusatzstoff zur Reduzierung eines Reibungswerts der Oberflächenschicht vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lackschicht (1A) vorgesehen ist, die ein Konzentrationsgefälle hinsichtlich der Zusatzstoffe aufweist, wobei eine Konzentration an verschleißbeständigendem Zusatzstoff von der bauteiloberflächenzugewandten Seite in Richtung der bauteiloberflächenabgewandten Seite abnimmt und eine Konzentration des reibungsvermindernden Zusatzstoffes ausgehend von der bauteiloberflächenzugewandten Seite in Richtung der bauteiloberflächenabgewandten Seite zunimmt.
Lacksystem (1) als Oberflächenschicht für Substrate (2), vorzugsweise für reibbeanspruchte Bauteile, bestehend aus einem Lack als Matrixmaterial, der wenigstens einen Filmbildner aufweist, und mit in dem Lack eingebetteten Zusatzstoffen, wobei wenigstens ein Zusatzstoff zur Erhöhung einer Verschleißbeständigkeit der Oberflächenschicht und wenigstens ein weiterer Zusatzstoff zur Reduzierung eines Reibungskoeffizienten der Oberflächenschicht vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei aufeinander angeordnete Lackschichten (1A, 1B) vorgesehen sind, wobei eine bauteiloberflächenseitige Lackschicht (1A) wenigstens mit einem verschleißbeständigen Zusatzstoff befüllt ist und eine bauteiloberflächenabgewandte Lackschicht (1B), welche auf der bauteiloberflächenseitigen Lackschicht (1A) angeordnet ist, wenigstens mit einem reibungsvermindernden Zusatzstoff befüllt ist.
Lacksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bauteiloberflächenseitige Lackschicht (1A) zusätzlich mit reibungsverminderndem Zusatzstoff befüllt ist und/oder die bauteiloberflächenabgewandte Lackschicht (1B) zusätzlich mit verschleißbeständigem Zusatzstoff befüllt ist.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack ein thermisch aushärtender Lack ist.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack organisches Lösungsmittel oder Wasser als Lösungsmittel enthält.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack Entschäumer und/oder Verlaufsmittel und/oder wenigstens einen Katalysator enthält.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack wenigstens einen metallorganischen und/oder wenigstens einen organischen Filmbildner enthält.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil der Zusatzstoffe 10 Vol.-% bis 90 Vol.-% an ausgehärtetem Lack beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des verschleißbeständigen Zusatzstoffes 0,5 Vol.-% bis 50 Vol.-% beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des verschleißbeständigen Zusatzstoffes in der bauteiloberflächenzugewandten Lackschicht 0,5 Vol.-% bis 50 Vol.-% und in der bauteiloberflächenabgewandten Lackschicht 0,5 Vol.-% bis 10 Vol.-% an ausgehärtetem Lack beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des reibungsvermindernden Zusatzstoffes 0,5 Vol.-% bis 10 Vol.-% beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißbeständige Zusatzstoff aus Keramikpartikel, vorzugsweise SiC, AlN, TiN, Al₂O₃, oder Glas oder eine Mischung davon besteht.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Zusatzstoff Metallpartikel, vorzugsweise Wolfram-, Kupferpartikel oder eine Mischung davon, vorgesehen sind.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der reibungsvermindernde Zusatzstoff vorzugsweise ein Trockenschmierstoff, wie ultrahochmolekulares Polyethylen, fluorierte Polymere, Polytetrafluorethylen, Polyamide, Polypropylen, oder Graphit oder MoS₂ oder eine Mischung davon ist.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Partikeldurchmesser des verschleißbeständigen Zusatzstoffes 0,2 μm bis 50 μm, vorzugsweise 0,3 μm bis 30 um, beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Partikeldurchmesser des verschleißbeständigen Zusatzstoffes bei mehreren Lackschichten 0,3 μm bis 10 μm beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Partikeldurchmesser der Metallpartikel 1 μm bis 50 μm beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittlerer Partikeldurchmesser des reibvermindernden Zusatzstoffes 1 μm bis 100 μm, vorzugsweise 0,3 μm bis 50μm, beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aushärtetemperatur einer Lackschicht 40° C bis 350° C, vorzugsweise 40° C bis 200° C, ist.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Keramikpartikel ausgeführter verschleißbeständiger Zusatzstoff an seiner Oberfläche mit Gruppen ausgeführt ist, die mit dem Filmbildner des Lacks chemisch reagieren, wobei die Gruppen auf der Oberfläche des Zusatzstoffes inhärent oder auf der Oberfläche erzeugt sind.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schichtdicke 20 μm bis 200 μm beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schichtdicke einer bauteiloberflächenabgewandten Lackschicht 10 μm bis 100 μm und einer bauteiloberflächenzugewandten Lackschicht 10 μm bis 100 μm beträgt.
Lacksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22 , dadurch gekennzeichnet, daß der Lack aus organisch-anorganischem Hybridpolymer besteht, der mit einem verschleißbeständigen Zusatzstoff, vorzugsweise Keramikpartikel mit einer Partikelgröße von 0,3 μm bis 10 μm und einem Füllgrad von 0,5 Vol.-% bis 20 Vol.-% an ausgehärtetem Lack, befüllt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Lacksystems gemäß einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Bauteil (2) wenigstens eine Lackschicht (1A; 1A, 1B) hergestellt wird, die aus einem Lack mit einer ersten Zusatzstoffbefüllung und einem Lack mit einer zweiten Zusatzstoffbefüllung aufgebaut ist.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lack wenigstens mit mindestens einem verschleißbeständigem Zusatzstoff befüllt ist und der andere Lack wenigstens mit mindestens einem reibungsreduzierenden Zusatzstoff befüllt ist, und daß während des Auftragens ein Anteil des Lacks mit dem verschleißbeständigen Zusatzstoff mit zunehmender Schichtdicke reduziert wird und ein Anteil des Lacks mit dem reibungsreduzierenden Zusatzstoff gleichzeitig vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Bauteil (2) zwei Lackschichten (1A, 1B) aufgetragen werden, wobei eine bauteilober flächenzugewandte Lackschicht (1A) vor dem Auftragen der bauteiloberflächenabgewandten Lackschicht (1B) getrocknet wird und das Lacksystem (1) nach dem Auftragen der bauteiloberflächenabgewandten Lackschicht (1B) thermisch ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Bauteil (2) zwei Lackschichten (1A, 1B) aufgetragen werden, wobei die bauteiloberflächenabgewandte Lackschicht (1B) auf die nasse, bauteiloberflächenzugewandte Lackschicht (1A) aufgetragen wird und das Lacksystem (1) anschließend thermisch ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lackschicht (1A; 1A, 1B) durch Sprühen, Tauchen, Rakeln, Drucken oder Dosieren auf dem Bauteil (2) aufgetragen wird.