NL1022223C2 - Smeersysteem van het type vaste film dat geschikt is voor het bedekken van een metalen, keramisch of polymeer materiaal dat aan wrijving onderhevig is. - Google Patents

Description

I Korte aanduiding: Smeersysteem van het type vaste film dat geschikt is I voor het bedekken van een metalen, keramisch of I polymeer materiaal dat aan wrijving onderhevig is.

5 De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een I smeersysteem van het type vaste film dat geschikt is voor het bedekken I van een metalen, keramisch of polymeer materiaal dat aan wrijving onderhevig is, omvattende een I i) een drager, I 10 ii) vaste smeermiddel bestanddelen, en I iii) toevoegmiddelen.

I Het in de aanhef genoemde smeersysteem staat ook bekend als I zogenaamde AF-coatings (anti-friction coatings) of glijlakken, welke I coatings als hoogwaardige smeermiddelen van het type vast of droog in het I 15 algemeen een onderhoudsvrije blijvende smering verschaffen en voldoen aan I extreme eisen waaraan de gebruikelijke vloeibare of consistente I smeermiddelen niet kunnen voldoen. Voor de scheiding van basis- en I tegenlichaam hoeft er voor anti-friction coatings geen hydrodynamisch I dragende film via de hydrodynamisch werkende snelheid te worden I 20 opgebouwd, zodat onderdelen, die onder een hoge belasting slechts lage I snelheden bereiken of oscillerende bewegingen uitvoeren, vanaf het begin I van de beweging een werkzame scheidende vaste film tussen de oppervlakken I bezitten. Onder extreme bedrijfsomstandigheden, bijvoorbeeld hoge temperaturen en drukken, worden AF-coatings toegepast. Daarnaast worden 25 AF-coatings toegepast in situaties waarin de toegankelijkheid voor vloeibare smeermiddelen lastig is. De in de aanhef genoemde AF-coatings vertonen ook voortreffelijke eigenschappen op het gebied van corrosiebescherming, in samenspraak met slijtagevermindering, drukbelastbaarheid en bestandheid tegen omgevingsinvloeden. In combinatie 30 met de toevoeging van corrosiebeschermingsadditieven is het mogelijk om de bekende op metaal aangebrachte coatings, die gevaarlijk voor het I milieu zijn en in het algemeen op chroom, nikkel of cadmium zijn gebaseerd, te vervangen. Dergelijke, hoofdzakelijk Cr(VI) bevattende I coatings dienen.ter verkrijging van de vereiste smerende eigenschappen na I verzinken en passiveren van vet te worden voorzien. Daarnaast is vaak de I 5 toepassing van lood bevattende verbindingen en andere zware I metaalverbindingen voorzien, welke bestanddelen echter ten aanzien van carcinogene eigenschappen bedenkelijk zijn. De in de onderhavige H beschrijvingsinleiding toegepaste smeer-systemen worden toegepast als een I droge duurzame smering van verbindingsmaterialen, zoals moeren, 10 sluitringen en bouten, scharnieren, slotonderdelen, zoals pallen, I stiften, behuizingen en hendels, magneten, lagers, bussen, assen en dergelijke, waarbij sprake is van een constante wrijvingscoëfficiënt, een I breed temperatuurgebied, een contactdrukbelasting die de strekgrens van de meeste metallische materialen overschrijdt. Veroudering of verharsing 15 treedt in het onderhavige smeersysteem niet op. Bovendien is het onderhavig smeersysteem zelfs na een langdurige rustperiode nog werkzaam.

Een ander aspect van het onderhavige smeersysteem is dat het een langdurige corrosiebeschermingsfilm verschaft, waarbij sprake is van een voortreffelijke hechting, zelfs bij extreme vervorming van het werkstuk, 20 waarbij geen sprake is van afschilfering. Het onderhavige smeersysteem is ook ongevoelig voor stof, vuil, vocht en chemische invloeden, bestandheid tegen straling en eenvoudig aan te brengen op voorbehandelde H werkstukoppervlakken.

De volgens de stand van de techniek bekende AF-coatings, H 25 zoals bijvoorbeeld bekend is uit het Amerikaans octrooi schrift 5.554.020, H kunnen worden beschouwd als suspensies van vaste smeerstoffen met een H zeer kleine deeltjesgrootte, zoals bijvoorbeeld MoS2, grafiet of PTFE in anorganische en organische bindmiddelen en oplosmiddelen, zoals een H matrixhars gekozen uit de groep van polyimi den, epoxy en polyarylsulfon.

H 30 Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een smeersysteem dat door zorgvuldige selectie van de geschikte vaste smeermiddel bestanddelen op maat gemaakte AF-coatings voor industriële toepassingen kunnen worden bereid.

I Een ander doel van de onderhavige uitvinding is het I verschaffen van een vast smeersysteem dat vanuit milieu-oogpunt geen I 5 belastende bestanddelen bezit.

I Een ander doel van de onderhavige uitvinding is het I verschaffen van een smeersysteem dat geen toepassing van Cr(VI) I bevattende coatings en vet ter verkrijging van de beoogde smerende eigenschappen vereist.

I 10 Nog een ander doel van de onderhavige uitvinding is het I verschaffen van een vast smeersysteem waarbij een breed temperatuurgebied I wordt bestreken, een contactbelasting wordt bereikt die de strekgrens van de meeste in de praktijk toegepaste metalen overschrijdt en die bovendien een goede bescherming tegen corrosie en schuren vertoont.

15 Een ander doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van matrices om in vaste smeersystemen te worden toegepast, welke matrices een glasovergangstemperatuur Tg van meer dan 300 °C, een matrixsterkte van meer dan 100 MPa bij kamertemperatuur, een hoge elasticiteitsmodulus en een hoge starttemperatuur ("onset T")in de 20 thermogravimetrische analyse bezitten.

Het in de aanhef genoemde vaste smeersysteem wordt volgens de onderhavige uitvinding gekenmerkt doordat i) de drager is gekozen uit de groep bestaande uit polymineraalharsen, ani 1 ineharsen, met fosfor en boor gemodificeerde fenolharsen, polyani1ineharsen, polyazool-25 verbindingen, polybenzimidazool, polypyrrolon, polyimidazoolpyrrol on, poly-p-fenyleen, poly-p-xyleen, poly-m-fenyleenisoftaalamide, poly-fenyleenbenzoxazool, polyfenyleenbenzo-thiazool, poly-tris(N-pyrrolyl)- boorharsen, polycarbosilanen en polysilanen, alsook de mengsels hiervan.

Indien een of meer van de hiervoor genoemde vaste dragers 30 of bindmiddelen als matrices in het onderhavige vaste smeersysteem worden toegepast, dan worden de hiervoor genoemde doelstellingen bereikt.

' Ω /' / O Ί Q

I De voorkeur verdienende hoeveelheid drager of bindmiddel I bedraagt 20-90 gew.%, op basis van het totale vaste smeersysteem.

I De met boor gemodificeerde fenol harsen, zoals bijvoorbeeld bisfenol A formaldehyde- of bismaleïmidehars, bevatten volgens de I 5 onderhavige uitvinding in het molecuul decaboraan- of o-carboraanreeksen I of boor bevattende allyl-reeksen. Dergelijke, met boor gemodificeerde harsen bereiken uitgehard en onversterkt bij kamertemperatuur een sterkte I van ongeveer 50 MPa tot ongeveer 120 MPa.

Polycarboxilanen (-SiR2-CR2-)n of polysilanen (-SiR2-SiR2-)n I 10 met R als waterstof, methyl-, ethyl- of fenylgroep, en n als geheel getal I in het gebied van 3-200, worden bij voorkeur als drager toegepast.

I Voor polybenzimidazoolharsen (PBI) typische verbindingen zijn pol y[(l,5-dihydrobenzo[l,2-d:4,5-d1]diimidazool-2,6-idyl)-1,4- I fenyleen], poly-2,2' (m-fenyleen)-5,5'-bibenzimidazool of het in de 15 handel verkrijgbare poly-(2,2'-m-fenyleen-5,5'-bibenzimidazool), welke

verbindingen glasovergangstemperaturen tussen ongeveer 400 ’C en 663 *C

bezitten.

Polyfenyleenbenzobisoxazool (PBO) beschikt over een E-modulus van meer dan >300 GPa, in combinatie met een sterktewaarde van I 20 >3000 MPa. Het molecuul van een poly(6F-benzoxazool) (6F-PB) ontleedt bij een temperatuur van ongeveer 650 °C. De glasovergangstemperatuur van een poly(2,5-benzi mi dazoli dyl-5,2-benzi mi dazol i dyl -1,3-fenyleen) bedraagt meer dan 703 eC. De elasticiteitsmodulus van poly-p-fenyleenbenzo- bisthiazool (PBT) bedraagt ongeveer 340 GPa.

H 25 Poly-p-fenyleen (PPP) is aan de lucht tot een temperatuur van ongeveer 450 °C en onder inerte omstandigheden tot een temperatuur van ongeveer 550 °C stabiel. Een ander polymeer volgens de onderhavige uitvinding, dat als drager of matrix wordt toegepast, is poly-p-xylyleen, H welk polymeer al naargelang het molecuul gewicht tussen een temperatuur 30 van ongeveer 395 °C tot 425 °C zal smelten.

Polymineraalharsen of "geopolymeren" vormen bindmiddelen op 5 basis van aluminosilieaten. Hoewel de bereiding hiervan in het Amerikaans octrooischrift 5.342.595 uitvoerig is beschreven, is de bijzondere toepassing in glijlakken daaruit niet bekend. Polymineraalharsen worden ingedeeld in poly(sialaat) van het type (-Si-O-Al-O-), poly(sialaat- 5 siloxy) van het type (-Si-O-Al-O-Si-O-) en poly(sialaat-disiloxy) van het type (-Si-O-Al-O-So-O-Si-O-). Een verhouding Si:Al van 1, 2 of 3 verleent de polysialaten keramische eigenschappen en een verhouding Si:A1 van >15 voorziet in polymere eigenschappen. De hiervoor genoemde polymineraal-harsen zijn bij temperaturen tot 1200 'C thermisch stabiel.

10 Als geschikte vaste smeermiddel-bestanddelen kunnen de volgende verbindingen worden genoemd: Zr(0H)4, Zr(0H)4.nH20, Zr02.nH20, Bi 2S3, grafiet-intercalatieverbindingen, grafiet geïnhibeerde verbindingen, fyllosilicaatverbindingen en CeF3, of een combinatie hiervan.

15 Ceriumfluoride (CeF3) is een wit kristal met een hexagonale kristalstructuur en onderscheidt zich door de hogedrukeigenschappen die de eigenschappen van MoS2 aanzienlijk overtreffen, omdat CeF3 onder luchtomstandigheden boven 600 °C thermisch stabiel en tegen oxidatie bestand is.

20 Zirkoniumhydroxide (Zr(0H)4) bezit ook onder luchtomstandigheden bij hoge temperatuur in het bijzonder tot ongeveer 650 °C een goede stabiliteit, waarbij zirkoniumhydroxide in water onoplosbaar is. Tevens kunnen als zirkonium bevattende verbindingen Zr(0H)4.nH20 en Zr02.nH20 worden toegepast.

25 In tegenstelling tot het volgens de stand van de techniek bekende MoS2 bezit pure grafiet ondanks de hexagonale structuur geen intrinsieke smeereigenschappen omdat de bindingskrachten tussen de C-lagen te sterk zijn. Het grafietrooster vereist voor het onderling verschuiven van de grafietlamellen daarom een bepaalde gasvormige stof, 30 zoals waterdamp of gas, die tussen de lagen wordt ingebracht of "geïntercaleerd" en de afstand tussen de afzonderlijke lagen vergroot.

1 0 ? 2 2 2 3

Wanneer deze geïntercaleerde stoffen door vacuüm of hoge temperaturen I worden verwijderd, dan neemt het wrijvingsgetal van verbindingen met grafiet toe naar een waarde boven 0,5. Hierdoor wordt in feite de tribologische gevoeligheid van grafiet ten opzichte van luchtvochtigheid I 5 en waterdamp verklaard. Om dit mechanisme tot een minimum te beperken I worden volgens de onderhavige uitvinding in grafiet een of meer I verbindingen toegepast, gekozen uit de groep bestaande uit FeCl3, CuFeS2, I a-Fe2P05, AsF5, Ni Cl2, CaF2, BaF2, Li F, AgCl, AgF, SbFs, Al Cl3, CuCl2, CoCl2, I MnCl2, MoC15, SbCl3, SbCl5, en gehydrateerde verbindingen hiervan om de 10 anti-wrijvingseigenschappen van de grafietverbindingen te verbeteren.

I In het onderhavige smeersysteem verdient het met name de I voorkeur dat de ii) vaste smeermiddel bestanddelen in het systeem aanwezig H zijn in een hoeveelheid minder dan 70 gew.%.

De in het onderhavige vaste smeersysteem toegepaste ii) 15 vaste smeermiddel bestanddelen bezitten een deeltjesafmeting kleiner dan 5 pm.

I In een bijzondere uitvoeringsvorm is het gewenst dat de ii) vaste smeermiddel bestanddelen een deeltjesafmeting in het gebied van 25-300 nm bezitten.

20 Verder kan worden opgemerkt dat de grafiet-intercalatie- verbindingen en de grafiet geïnhibeerde verbindingen de beschikking hebben over een aspectverhouding van ten minste 6:1.

Als geschikte ii) vaste smeermiddel bestanddelen, zoals toegepast in het onderhavige smeersysteem, kunnen bovendien 25 fyllosilieaten worden genoemd, welke verbindingen als zogenaamde laagvormige silicaatverbindingen kunnen worden omschreven die worden gekarakteriseerd door tetrahedrale Si4010-lagen en octrahedrale lagen die H (Mg, Fe,) of Al bevatten. Tot de hiervoor genoemde groep behoren kaoliniet, chloriet, serpentine, biotiet, muscoviet, H 30 pyrofyl 1 i et/pi rofi 11 i et AlSi02050H (Hv ~ 100 MPa) of ferri pyrofyl 1 i et

Fe3+2$i4(0H)2010, marienglas CaS04 (hoog plastisch vervormingsvermogen, hoge 7 μ), synthetisch hi 1lebrandiet (Ca2Si02.H2), vermiculliet Mg3(Al,Si)4010(0H)2.4H20, meixneriet Mg6Al2(0H)18.4(H20), p = 1,95 g/cm3, ettringiet (Ca6Al2(S04)3(0H)1226(H20)) [Hv < 1000 MPa], molybdeenhydroxide-hydraat [Mo03.nH20], met n = 1/3, 1/2, 1 of 2 (ilsemanniet, Hv ~ 4600 5 MPa), trigehydrateerde alumina(ATH), aluminiunitrihydroxide als A1 (OH)3, α-Α1(0Η)3 bayeriet, β-Α1(0Η)3 nordstrandiet, doyleite, γ-Α1(0Η)3, gibbsiet, hydragilliet, alumina, monogehydrateerd of oxohydroxide (Al(00H) als γ-(Al(00H) boehmiet en α-(Α1(00Η) diaspore, waarbij met name de groep serpentine met een dichtheid van 2,2 tot 2,6 g/cm3 de voorkeur 10 verdient. Als ii) vaste, tot de groep van serpentine behorende smeermiddel bestanddelen kunnen de volgende hydraten/hydroxiden worden genoemd: a. Antigorite (Mg,Fe)3Si205(0H)4, b. Clinochrysotile Mg3Si205(0H)4 (monoklinisch), 15 c. Lizardite Mg3Si205(0H)4 (trigonaal en hexagonaal), d. Orthochrysotile Mg3Si205(0H)4 (orthorhombisch), e. Parachrysotile (Mg,Fe)3Si205(0H)4 (orthorhombisch), en f. Talk Mg3Si4010(0H)2.

20 Om de grafiet-intercalatieverbindingen en de grafiet geïnhibeerde verbindingen tegen oxidatie te beschermen worden aan het onderhavige vaste smeermiddel systeem [CS]-oppervlakte-complexen, Zn3P205, zinkortho- fosfaat, KH2P04, A1P04 en Li20Mg0P205, of een mengsel hiervan toegevoegd.

25 > 07999¾

Claims (10)

1. Smeermiddelsysteem van het type vaste film dat geschikt is voor het bedekken van metalen, keramische of polymeer materiaal dat aan 5 wrijving onderhevig is, omvattende i) een drager, I ii) vaste smeermiddelen, I iii) toevoegmiddelen, I met het kenmerk, dat de i) drager is gekozen uit de groep 10 van polymineraalharsen, anilineharsen, met fosfor en boor gemodificeerde fenolharsen, polyanilineharsen, polyazoolverbindingen, polybenzimidazool, I polypyrrolon, polyimidazoolpyrrolon, poly-p-fenyleen, poly-p-xyleen, I poly-m-fenyleenisoftaalamide, polyfenyleenbenzoxazool, polyfenyleenbenzo- thiazool, poly-tris(N-pyrrolyl)boorharsen, polycarbosilanen en 15 polysilanen, alsook de mengsels hiervan.

2. Smeermiddelsysteem van het type vaste film volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de hoeveelheid i) drager 20-90 gew.% bedraagt, op basis van het totale smeersysteem.

3. Smeermi ddel systeem van het type vaste film volgens een of 20 meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de ii) vaste smeermiddelen een bestanddeel omvatten, gekozen uit de groep van Zr(0H)4, Zr(0H)4.nH20, Zr02.nH20, Bi2S3, grafiet-intercalatieverbinding, grafiet- H geïnhibeerde verbindingen, fyllosilicaten en CeF3, of een combinatie H hiervan.

4. Smeermi ddel systeem van het type vaste film volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de ii) vaste smeermiddelen in het systeem aanwezig zijn in een hoeveelheid minder dan 70 gew.%.

5. Smeermi ddel systeem van het type vaste film volgens een of meer van de conclusies 3-4, met het kenmerk, dat de ii) vaste H 30 smeermiddelen een deeltjesafmeting < 5 μηι bezitten.

6. Smeermiddelsysteem van het type vaste film volgens I' conclusie 5, met het kenmerk, dat de ii) vaste smeermiddelen een deeltjesafmeting in het gebied van 15-300 nm bezitten.

7. Smeermiddelsysteem van het type vaste film volgens een of I meer van de conclusies 3-6, met het kenmerk, dat grafiet- 5 intercalatieverbindingen en de grafiet-geïnhibeerde verbindingen een aspectverhouding van ten minste 6:1 bezitten.

8. Smeermi ddel systeem van het type vaste film volgens I conclusie 3, met het kenmerk, dat als fyllosilieaten de serpentinegroep I met een dichtheid van 2,2-2,6 g/cm2 is toegepast. I 10

9. Smeermi ddel systeem van het type vaste film volgens een of I meer van de conclusies 3-8, met het kenmerk, dat in de grafiet- I intercalatieverbindingen en de grafiet-geïnhibeerde verbindingen een of I meer verbindingen worden ingebouwd, gekozen uit de groep bestaande uit FeCl3, CuFeS2, a-Fe2P05, AsF5, NiClz, CaF2, BaF2, LiF, AgCl, AgF, SbF5, 15 Al Cl3, CuCl2, CoCl2, MnClz, MoC15, SbCl3, SbCl5, en gehydrateerde verbindingen hiervan om de anti-wrijvingseigenschappen van de grafietverbindingen te verbeteren.

10. Smeermi ddel systeem van het type vaste film volgens een of meer van de conclusies 3-9, met het kenmerk, dat de grafiet-20 intercalatieverbindingen en de grafiet-geïnhibeerde verbindingen worden beschermd tegen oxidatie door het hieraan toegevoegen van [CS] -oppervlakte-complexen, Zn3P205, zinkorthofosfaat, KH2P04, A1P04 en Li20Mg0P205, of mengsels hiervan. ' ;-