CN102471917B - 自润滑涂层以及制造自润滑涂层的方法 - Google Patents

自润滑涂层以及制造自润滑涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及由金属层(8)构成的涂层(7)，其中嵌入了能够通过磨损释放的润滑剂(1)。为了提供结构简单且对于制造而言经济的耐磨涂层(7)，本发明提供了由至少单支化的有机化合物(2)组成的所述润滑剂(1)。本发明进一步涉及至少在一些部分中施加有本发明涂层(7)的自润滑部件(11)、制造涂层(7)的方法、以及包括至少一种类型的金属离子和至少一种由至少单支化的有机化合物(2)组成的润滑剂(1)的涂层电解质(10)。

Description

自润滑涂层以及制造自润滑涂层的方法
本发明涉及由金属层构成的涂层，其中嵌入了能够通过磨损(wear)释放的润滑剂。本发明进一步涉及至少在一些部分中施加有涂层的自润滑部件、制造涂层和自润滑部件的方法、以及包括至少一种类型的作为离子或络合物溶解的金属以及至少一种润滑剂的涂层电解质。
本领域中已知，涂层可影响材料表面处的物理、电和/或化学性质。可借助于表面工程方法例如以表面涂层提供对磨损的机械保护、显示耐腐蚀性、是生物相容的和/或具有提高的传导率这样的方式处理所述表面。
在插入式连接接触物(plug-inconnectioncontacts)中和在压入式连接器(press-inconnectors)中，它们的摩擦和磨损常常决定了可能动作(actuation)的数量并确保它们正确地工作。从外部对插入式连接(connection)和压入式连接的部件施加的降低摩擦并因此降低磨损的上油(oilings)/涂脂(greasings)只对有限的动作有效并且也不是长期有效，且还可化学变化。
因此，希望得到以更持久的方式提高耐磨性的涂层。
WO2008/122570A2公开了用于具有拥有至少一种基体金属的基体的部件的涂层，所述部件例如插头(plug)的导电部分。将具有少于50nm纳米的平均尺寸且各自具有至少一个功能载体的纳米颗粒嵌入金属基体中。功能载体用于在期望的意义上影响基体的性质。例如，作为功能载体的金属可改变涂层的传导性。由特别硬的材料例如碳化硅、氮化硼、氧化铝和/或金刚石构成的功能载体可提高基体的硬度并改善经涂覆部件的磨损行为。
使部件的额外润滑成为不必要的降低磨损的部件涂层例如从EP0748883A1知晓。该文献的所述涂层特征在于其中引入与降低摩擦的物质结合的均匀分布的纳米颗粒的金属层。所述纳米颗粒可例如由Al2O3、ZrO或TiO2构成且具有附着至其表面的肥皂化合物。
EP0748833A1和WO2008/122570A2的涂层具有如下缺点：影响表面涂层性质的实际功能载体嵌入所述金属层中同时与载体结合。该结合导致了额外的方法步骤，增加了材料消耗和涂层更高的成本。
因此，本发明的目的是提供结构简单且对于制造而言经济的改善的耐磨涂层。
根据本发明，在开始处提到的涂层和上面提到的涂层电解质由于嵌入金属层中的润滑剂由至少单支化的有机化合物组成而实现该目的。
在开始处提到的用于制造根据本发明的涂层的方法通过如下步骤实现该目的：
a)将至少一种由至少单支化的有机化合物组成的润滑剂加入到具有至少一种类型的作为离子或络合物溶解的金属的电解质溶液中；和
b)将来自所述电解质溶液的溶解的金属和所述润滑剂作为涂层沉积到部件上。
在本发明中，嵌入金属层中的有机化合物是这样的润滑剂：其在根据本发明的涂层的磨耗(abrasion)和磨损期间在所述涂层的表面上部分暴露并且在那里形成降低磨损的润滑膜。不需要载体要素例如WO2008/122570A2或EP0748883A1中的无机纳米颗粒，使得在本发明中省略了在进一步的方法步骤中将功能载体(即WO2008/122570A2的金属或EP0748883A1的肥皂化合物)与载体颗粒结合。
由于在两个层的接触期间在有机润滑化合物或其一部分的最低限度为单原子的中间层中已经实现了本发明涂层的期望的润滑效果，因此，根据本发明的涂层的耐磨性成倍增加，使得可降低需要的层厚度，导致减少的原材料消耗和成本节约。
除了来自无机化学的例外(例如碳化物)之外，有机化合物是碳与其本身以及其它元素例如H、N、O、Si、B、F、Cl、Br、S、P或这些元素的组合的所有化合物，包括含有很少碳的那些，例如有机硅。
根据本发明的方案可通过各自彼此独立的许多配置进一步改进。将在下文中简要描述这些配置和与之关联的优点。
优选地，所述有机化合物具有基本上三维的分子结构。三维并因此紧凑的分子结构具有如下优点：润滑剂分子更加均匀地分布在电解质溶液中并且附聚(agglomeration)和聚集(clumping)的风险降低。因此，可实现所述润滑剂在所述电解质溶液和所述涂层中的特别均匀的分布。然而，取决于应用，也可使用具有基本上链状或平面的分子结构(即，有机化合物中的原子为基本上线性或片状排列)的有机化合物。
在优选的配置中，所述有机化合物(其在下文中也称为润滑分子或润滑剂分子)是大分子。术语“大分子”指这样的分子：其由相同或不同的原子或原子团组成并且沿着它们的最大空间尺度的距离具有至少15个原子。这种类型的大分子润滑剂(其包括聚合物)具有能够在宽范围的用途中使用的优点并且对于相应的应用可进行最优选择。只不过必须小心以确保所述大分子和其链组成(包括共聚物、混合聚合物和嵌段聚合物)是以使得它们在具有接触的层系统中具有润滑性质并且未不利地影响电性质这样的方式选择的。此外，为了产生不会被作为润滑剂使用的所述化合物不利地影响的涂层，作为润滑剂使用的所述化合物当然应当在使用的电解质溶液中是化学稳定的。
已经发现，特别地，具有约10nm、优选最多3nm的最大空间尺度的有机化合物具有特别好的润滑性质。此外，该数量级的润滑分子在隧道效应(tunnelling)的意义上是导电的且能够用于导电涂层。术语“最大空间尺度”在这种情况下指的是沿着空间轴的分子的最大长度，例如球状或板状润滑剂的直径。这种设计基本上对应于沿着最大尺度的距离约200个原子、优选约60个原子的最大链长度。
由于用于本发明的润滑分子的相对低的空间尺度(其远低于所用纳米颗粒涂层中＞50nm的数量级)，可将涂层中金属的颗粒尺寸降低到润滑剂分子本身的纳米尺度范围中。
所述有机润滑剂化合物可为结构化的特别是树枝状结构的，即以高度支化且显著分叉(ramified)的方式结构化。所述高度支化且显著分叉可为对称和不对称两种形式。作为润滑分子的树枝状物质和聚合物就在电解质溶液中的良好分布而言是特别有利的、具有低的粘度且其趋于形成纳米结构体特别是纳米颗粒。
为了增加润滑剂的嵌入，所述有机化合物可具有至少一个对所述金属层的所述金属具有亲合力的官能团。这导致在沉积过程期间位于距离所述金属层短的距离处的润滑分子向所述金属层移动并沉积在其上。原则上，所述官能团对所述金属层的亲合力应当高于对所述电解质溶液的溶剂的亲合力，以促进润滑剂的嵌入或者沉积。
未发生所述金属层为所述润滑分子所附聚或者完全覆盖，因为所述官能团的金属亲合力只在扩散层中(即在与所述涂层的表面紧邻之处)起作用。为了排除电解质溶液中润滑剂分子附聚的风险，可在所述有机化合物中提供导致在电解质溶液中单独的润滑分子相互排斥的官能团。该官能团优选地以末端方式排列，即排列在链或者所述链的各分支的末端处。
如果将相应的官能团排列在所述有机化合物的表面处，则对于对所述金属层的亲合力和对于所述润滑分子的排斥都是有利的。于是，所述官能团暴露在所述润滑剂分子的外面，并且因此排列在所述润滑分子与所述金属层接触或者在电解质溶液中润滑分子彼此接触的地方。
根据特别优选的实施方式，所述官能团可为硫醇基团，其既具有对金属的亲合力，又由于它的极性而确保润滑分子彼此的排斥。
官能团的选择还取决于根据本发明涂层的金属层，所述金属层优选地选自Cu、Ni、Co、Fe、Ag、Au、Pd、Pt、Rh、W、Cr、Zn、Sn、Pb、以及它们的合金。特别地，由金或银构成的金属层由于硫醇基团对这些金属高的亲合力而与具有硫醇基团的润滑分子有效地相互作用。
根据本发明的涂层电解质(例如在根据本发明方法的步骤a)中制造的)包括：至少一种金属离子，和嵌入到根据本发明的涂层中的润滑剂，所述润滑剂由根据上述实施方式之一的至少一种类型的有机化合物组成。
本发明进一步涉及至少在一些部分中施加有根据上述实施方式之一的涂层的自润滑部件。在本发明的所述部件中，优选将所述涂层附着至电接触物的表面，使得由于根据本发明的涂层实现的提高的耐磨性，可应用具有良好的接触电阻的较低的层厚度，导致尺寸的降低和相应接触物的简化并且还导致重量的减少和更低的原材料消耗。
所述涂层特别适合于插头或其它连接部件，特别是插入式连接或压入式连接的零件。
在下文中将基于示例性的实施方式并参考附图更详细地描述本发明。
图1是本发明中使用的润滑剂的优选实施方式的示意图。
图2是包括图1的润滑剂的根据本发明的涂层电解质的示意图。
图3是施加有其中嵌入图1的润滑剂的本发明涂层的本发明自润滑部件的细节的示意图；和
图4是连接装置的接触区域的细节的示意图，在所述连接装置中两连接部件各自具有如图3中所示的根据本发明的涂层。
图1显示根据优选实施方式的润滑剂1的分子。所述润滑剂1由高度支化的有机化合物2(即树枝状聚合物3)组成。
所述聚合物3由构成嵌段4的互连的单体组成，所述嵌段4以显著分叉的结构连接以形成作为有机化合物2的树枝状聚合物3。
根据所示实施方式的树枝状聚合物3是具有三维、基本上球状分子结构的大分子有机化合物2。该有机润滑剂化合物2的空间尺度在纳米尺度范围内。直径(作为所示球状化合物2的空间尺度d)为＜10nm，优选＜3nm。
官能团5(在所示实施方式中为硫醇基团6)排列在有机化合物2的表面处。所述硫醇基团6优选地位于末端单体单元，即末端单体4上，所述末端单体4从结构方面来讲优选地排列在树枝状聚合物3的表面处。
图1中显示的润滑剂1(其由官能化的、纳米尺度的有机润滑化合物2组成)由于聚合物3的化学结构和物理尺寸而具有良好的润滑性质且可作为能够通过磨损释放的润滑剂1有效地嵌入到根据本发明的涂层7的金属层8中。
为了制造具有图1中显示的优选润滑剂1的根据本发明的自润滑涂层7，将润滑剂分子(即有机化合物2)加入到具有作为离子或络合物溶解的金属9的电解质溶液中，以产生在图2中示意性地说明的涂层电解质10。
所述涂层电解质10包括至少一种类型的金属离子9和至少一种类型的润滑剂1，所述润滑剂1由根据本发明的至少单支化的有机化合物2组成。应注意，图2纯粹地通过实例并示意性地说明根据本发明的涂层电解质10。特别地，金属离子9与润滑剂1的混合比率任意选择且通常不对应于润滑剂1引入到涂层7中的比率。
为了制造根据本发明的涂层7，将来自所述涂层电解质10的所述金属离子9沉积在部件11上，所述润滑分子1也沉积并嵌入到金属层8中。在该共沉积(其优选地以电化学方式实施)期间，所述金属离子9作为由金属原子9’组成的金属层8在待涂覆的表面12上结晶出来。在该结晶期间，润滑分子1嵌入金属层8中或沉积在其上，从而产生如图3中所示的根据本发明的复合涂层7。
通过有机化合物2的官能团5(其例如作为硫醇基团6，对金属层8具有亲合力，特别是如果所述金属层包括金或银)促进润滑剂1在金属层8中的沉积和嵌入。
在图3中显示的实施方式中，向电接触物11’的表面12施加根据本发明的涂层。这样得到根据本发明的自润滑部件11。由于在磨耗期间，润滑剂1在涂层7的表面处部分地暴露(在所述表面处其在接触区域13中形成润滑膜14)，因此涂层7确保了所述部件11的所述表面12的更高的耐磨性。
这可在图4中特别清楚地看到，图4显示了连接15(例如插入式连接15a或压入式连接15b)，其中可配合在一起以产生该连接15的两个部件11各自在它们的表面12上在接触区域13中拥有根据本发明的涂层7。
图4显示当所述连接15的部件11接合在一起时，有机化合物2的单独的分子如何通过在涂层7的各自表面12处的磨耗而从根据本发明的涂层7释放并在接触区域13中形成润滑膜14。由于所述润滑剂1的良好摩擦学性质，该润滑膜14提高了所述连接15的耐磨性(润滑剂1的有机润滑剂化合物2形成润滑膜14，其结果是所述金属层8的磨耗大大降低且部件11的耐磨性提高)。
虽然在附图所示的示例性实施方式中，在根据本发明的涂层7中仅仅使用了一种润滑剂1，但是当然也可将不同的润滑剂1嵌入到涂层7的金属层中，条件是这些不同的润滑剂1各自由至少单支化的有机化合物2组成。

Claims (11)

1.由金属层(8)构成的涂层(7)，其中嵌入能够通过磨损释放的润滑剂(1)，所述涂层(7)的特征在于所述润滑剂(1)由至少单支化的有机化合物(2)组成，该润滑剂(1)是聚合物，该聚合物具有至少一个对所述金属层(8)具有亲合力的官能团(5)，该官能团(5)是硫醇基团(6)，该聚合物具有最多3nm的最大空间尺度d，其对应于沿着最大尺度的距离60个原子的最大链长度。
2.权利要求1的涂层(7)，其特征在于所述至少单支化的有机化合物(2)具有三维分子结构。
3.权利要求1的涂层(7)，其特征在于所述至少单支化的有机化合物(2)是树枝状结构的。
4.权利要求2的涂层(7)，其特征在于所述至少单支化的有机化合物(2)是树枝状结构的。
5.权利要求1的涂层(7)，其特征在于所述官能团(5)排列在所述至少单支化的有机化合物(2)的表面。
6.权利要求1-5中任一项的涂层(7)，其特征在于所述金属层(8)选自Cu、Ni、Co、Fe、Ag、Au、Pd、Pt、Rh、W、Cr、Zn、Sn、Pb、以及它们的合金。
7.自润滑部件(11)，其至少在一些部分中施加有根据权利要求1-6之一的涂层(7)。
8.权利要求7的部件(11)，其特征在于所述涂层(7)附着至电接触物(11’)的表面(12)。
9.权利要求7或8的部件(11)，其特征在于所述部件(11)是插入式连接(15a)或压入式连接(15b)的零件。
10.涂层电解质(10)，包括至少一种类型的作为离子或络合物溶解的金属(9)以及至少一种包含在根据权利要求1-6之一的涂层(7)中的润滑剂(1)。
11.制造权利要求1-6之一的涂层(7)的方法，包括如下步骤：
a)将至少一种由至少单支化的有机化合物(2)组成的润滑剂(1)加入到具有至少一种类型的作为离子或络合物溶解的金属(9)的电解质溶液中；和
b)将来自根据步骤a)的所述电解质溶液的溶解的金属(9)和所述润滑剂(1)作为涂层(7)沉积到部件(11)上。
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