CN102077423A - 带嵌有cnt(碳纳米管)的涂层的零件和制造该零件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有涂层(12)的零件，碳纳米管CNT(13)嵌入该涂层组织中。按本发明规定，还有干式润滑剂颗粒(14)嵌入所述涂层组织中。由此，可以有利地优化涂层的耐磨性能，其中，该涂层由于嵌入的CNT而尤其适用于电接触面(15)。此外，本发明还保护一种用于电化学制备涂层(12)的方法，其中优选将离子液体用作电解质。

Description

带嵌有CNT(碳纳米管)的涂层的零件和制造该零件的方法
本发明涉及一种具有涂层的零件，在该涂层组织中嵌有CNT(碳纳米管)。
如开头所述的具有CNT的涂层，例如可以按照WO 2007/118337A1在接触元件上制备。该电接触元件用作接通和断开电触点，并且在此其负载被大大加重。这种负载归因于换向电流的变换，其中，应当按照WO 2007/118337
A1通过接触层中具有碳纳米管(以下称作CNT)来实现触点使用寿命的增加。使用寿命增加的原因在于，CNT一方面改善涂层的导电性能，另一方面也使得在开关过程中更好地导热。由此降低了开关过程中的热载荷，并且减少了接触层的负载。
本发明所要解决的技术问题是，进一步改善经涂覆的零件的、尤其是电接触元件的耐磨性能。
按本发明，该技术问题用开头所述的零件这样解决，即，除了CNT外还有干式润滑剂颗粒嵌入涂层组织(Gefüge)中。按本发明手段的背景是，与专业领域广为流传的观点相反，CNT的引入仅仅不充分地改善了涂层的耐磨性能。虽然CNT改善了涂层的硬度，但是表面的摩擦性能并不仅仅受其硬度的影响。在受摩擦负荷时涂层的滑动性能也具有首要意义。在此，本发明开始于此，即，除了CNT外还嵌入干式润滑剂颗粒。干式润滑剂属于能够出色地改善相关表面滑动性能的材料类。由此，有利地降低了磨损，因此，具有在涂层组织中嵌入了CNT和干式润滑剂颗粒的涂层的零件实现了延长的使用寿命。在此，涂层组织形成基体，干式润滑剂颗粒与同样可理解为颗粒的CNT分散地分布在该基体中。CNT按照其尺寸表现为纳米颗粒。干式润滑剂颗粒可以设计成纳米颗粒，也可以具有在微米范围内的尺寸。
根据本发明一种有利的实施方案规定，在颗粒中含有所使用的干式润滑剂二硫化钼、二硫化钨、二硫化钽、石墨、六方氮化硼、氟化石墨和硒化银铌(Silberniob-Selenid)中的至少一种。也就是说干式润滑剂颗粒可以由一种或多种提及的干式润滑剂组成，并且也可以与其它在此未提及的干式润滑剂混合。也可以使用组成不同的颗粒，亦即，一种干式润滑剂颗粒与另一种干式润滑剂颗粒混合，其中，两种类型的干式润滑剂嵌入涂层组织中。通过适当地混合并且选择各种干式润滑剂，能够有利地优化该涂层在特定应用中的耐磨性能。在此，应考虑各种应用情况，其中应当注意到，一般只能有限地预测两个零件的摩擦性能，因此需要试验来进行优化，即选择适合的干式润滑剂。不过所提及的干式润滑剂一般都具有良好的润滑性能，因此可以优选地选择这些干式润滑剂，以便得到令人满意的结果。
若该涂层具有一个尤其是由镍钴合金制成的金属组织，则得到本发明的另一种设计方案。该涂层的金属组织能够以有利的较小电阻导通电流。尤其是镍钴合金适用于电开关元件，因为它将较好的电和热的传导能力与令人满意的耐磨性能结合。因此，通过引入CNT和干式润滑剂颗粒可以有利地很好利用这种优化潜能。
根据本发明的另一种设计方案规定，该涂层具有陶瓷组织或至少一定份额的陶瓷组织，该陶瓷组织特别由氧化物陶瓷或氮化物陶瓷如氮化钛构成。由此，有利地例如为工具涂层制备非常坚硬的层面，其中，该工具涂层的摩擦性能可以通过引入干式润滑剂颗粒来优化。由此可以有利地改善使用寿命。同时可以利用CNT的热导能力，以便例如在切削加工的工具中有效地散热。热载荷的减小在较高的工具切削速度下同时有利地改善了使用寿命或在寿命不变的情况下实现了更高的切削速度。
也可以考虑，只有确定份额的组织是陶瓷，而其它份额的组织是金属。因此，涂层的导电性能保持不变，其中，首先使用陶瓷组织部分来优化使用寿命。其次，也可以使用导电陶瓷，例如尤其是氮化钛，使用该导电陶瓷也可以在纯陶瓷层的情况下制备电接触层。
此外，本发明涉及一种用于电化学涂覆零件的方法，其中，将零件置入电解质中，在此从电解质的各成分中沉积出涂层，其中，在电解质中分散有将一同嵌入涂层中的CNT。
例如根据US 2007/0036978A1已知一种所述类型的方法，其中，为了嵌入电化学制备的涂层中，CNT分散在电解质中。因此在以电化学方式形成涂层时，CNT一同嵌入涂层中。
本发明所要解决的技术问题是，给出一种在嵌入CNT情况下的电化学涂覆的方法，通过该方法可以制成功能范围更广的涂层。
该技术问题按本发明通过所述方法由此解决，即，在电解质中除了CNT外还分散有同样将一同嵌入涂层中的干式润滑剂颗粒。由此，可以制成有利地具备所要求特性的涂层，如该涂层已在开头与按本发明的涂层相关联地阐述过的那样。
可以有利地使用水性电解质进行涂覆，其中，在使用湿润剂的情况下，CNT和干式润滑剂颗粒分散在电解质中。在此，可以有利地利用大量现有的电解质，其中，也可以使用在US 2007/0036978A1中给出的湿润剂。
若将一种离子液体用作电解质进行涂覆，则得到按本发明方法的另一种尤其有利的实施形式。离子液体是指液态盐，而不将该盐溶解在溶剂(优选水)中。在此是由阴阳离子组成的有机液体。在本发明的情况下作为阳离子使用的是烷基化的咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、铵离子或鏻离子。作为阴离子例如就可以使用简单的卤素离子(Halogenide)、四氟硼酸根、六氟磷酸根、二(三氟甲基磺酰基)酰亚胺或三(五氟乙基)三氟磷酸根。选择阳离子和阴离子使得离子液体在温度低于100℃、优选甚至在室温下呈液态。离子液体由于其化学结构具有表面活性剂样的性能，因此这种液体非常好地适用于制备分散体。该离子液体在此用作分散剂，其中，待分散的分散剂可以是微米颗粒或纳米颗粒，并且按本发明由CNT和干式润滑剂颗粒构成。可以有利地不再使用湿润剂来分散，其中，由此避免嵌入电化学制备的涂层中的颗粒的性能受到掺入的湿润剂的损害。此外，在离子液体中可以达到较高浓度的分散颗粒，由此，也有利地实现了待制备的涂层中的较高的嵌入率。
此外，金属也可从离子液体中离析出而沉积为纳米晶体金属层。为此，可以考虑根据WO 2006/061081A2的参数或F.Endres，Ionische Flüssigkeitenzur Metallabscheidung(用于金属沉积的离子液体)，Nachrichten aus Chemie(化学新闻)，55期，2007年5月，507到511页的说明。纳米晶体金属层的结构有利地非常好地适于CNT和干式润滑剂颗粒的嵌入，因此可以有利地实现特别高的嵌入率。
无论是从水性电解质中沉积还是从离子液体中沉积均可以既在直流电工作状态也可以在脉冲工作状态中进行。由此，可以实现有利地改变CNT和干式润滑剂颗粒所沉积的份额。除了已述的材料外，例如还可以使用铜和金作为用于沉积金属层的可能金属。所使用的CNT同样可以具有不同的形式。尤其可以使用单壁CNT、多壁CNT或双壁CNT。此外，CNT可以具有影响其性能特征的官能团。
以下记载了按本发明的方法的实施例。在该实施例中实施下列步骤：
1.在离子液体如1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中，将相应的盐溶解成离子性盐作为离子载体，如四氟硼酸镍和氨基磺酸钴。
2.随后，将二硫化钼或二硫化钨作为纳米颗粒或微米颗粒和碳纳米管分散在电解质中。
3.若所述分散剂均匀分布在电解质中，则将由镍和钴组成的阳极插入电解槽中。在此使用溶解性电极来实现恒定的镍和钴浓度。
4.之后将待涂覆的导电工件浸入电解质中，并且作为阴极连接到电源上。
5.在电流为0.5至20A/dm2时用所述硫化物和CNT沉积镍/钴。
以下参照附图说明本发明的其它细节。相同或相应的元件在各附图中分别用相同的附图标记表示，并且只在各附图之间存在区别时才会多次阐述。在附图中：
图1是按本发明的、作为电接触元件的零件的一种实施形式，
图2是图1中标记部分的放大图，以及
图3是按本发明方法的一种实施形式的示意图。
按图1的零件11设计为电开关元件。该电开关元件在接触区域内具有涂层12，由图2可知，一方面是CNT 13而另一方面是干式润滑剂颗粒14嵌入该涂层12中。因此，由该涂层12构成的接触面15有利地具有提高的耐磨性、增强的对开关电流的承受能力以及因此更长的使用寿命。
在按图3的方法中，将设计为离子液体的电解质16充入容器17中。CNT13和干式润滑剂颗粒14分散在电解质16中。作为工作电极的待涂覆的零件11和对应电极18与电源19接触，由此，可以在CNT 13和干式润滑剂颗粒14嵌入的情况下在零件11上制备出涂层。

Claims (10)

1.一种具有涂层(12)的零件(11)，碳纳米管CNT(13)嵌入该涂层组织中，其特征在于，还有干式润滑剂颗粒(14)嵌入所述涂层组织中。
2.如权利要求1所述的零件，其特征在于，在所述颗粒(14)中含有二硫化钼、二硫化钨、二硫化钽、石墨、六方氮化硼、氟化石墨和硒化银铌中的至少一种干式润滑剂。
3.如权利要求1或2所述的零件，其特征在于，所述涂层(12)具有金属组织，该金属组织尤其是由镍、钴、银或这些金属的合金形成。
4.如权利要求1或2所述的零件，其特征在于，所述涂层(12)具有陶瓷组织或至少一定份额的陶瓷组织，该陶瓷组织尤其由氧化物陶瓷或氮化物陶瓷如氮化钛形成。
5.如前述权利要求中任一项所述的零件，其特征在于，所述涂层(12)的表面设计为电接触面(15)。
6.一种用于电化学涂覆零件(11)的方法，其中，将所述零件置入电解质(16)中，在此从所述电解质(16)的各成分中电解沉积出涂层(12)，其中，在所述电解质(16)中分散有将一同嵌入所述涂层(12)中的CNT(13)，其特征在于，在所述电解质(16)中还分散有同样将一同嵌入所述涂层(12)中的干式润滑剂颗粒(14)。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使用水性电解质(16)进行涂覆，其中，在使用湿润剂的情况下所述CNT(13)和所述干式润滑剂颗粒(14)分散在所述电解质(16)中。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，将一种离子液体用作电解质。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在不添加湿润剂的情况下使用所述离子液体。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，将所述涂层(12)沉积为纳米晶体金属层。
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