CN106133076B - 防腐蚀的层系统、防腐蚀的轴承组件和保护轴承组件免受腐蚀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防腐蚀的层系统，其包括基层(3)，基层(3)包含聚氨酯、锌和乙烯基膦酸或硅烷。基层(3)上形成有中间层(4)，中间层(4)包含聚氨酯和锌。中间层(4)上形成有顶层(5)，顶层(5)包含聚氨酯和云母氧化铁。顶层(5)上形成有密封层(6)，密封层(6)包含聚氨酯。

Description

防腐蚀的层系统、防腐蚀的轴承组件和保护轴承组件免受腐 蚀的方法

技术领域

本发明涉及一种防腐蚀的层系统和一种防腐蚀的轴承组件。此外，本发明涉及一种用于保护轴承组件免受腐蚀的方法。

背景技术

轴承有时会暴露于腐蚀性的环境条件。这对于例如安装在风力涡轮机内的但出于建造原因或出于成本原因未安装在例如防止受天气影响的壳体内的轴承来说的确如此。对于直接安装在海岸上或甚至海上的风力涡轮机的情况是特别成问题的。在这种情况下，轴承可能会与高腐蚀性的盐水或与盐水雾接触。

为了防止腐蚀，轴承可以设置有涂层。通常使用基于环氧树脂的漆料作为防腐蚀涂层。可选择地，可以通过热锌喷涂，即锌火焰喷涂或锌等离子喷涂来产生涂层。

为了确保可靠的防腐蚀，必要的是涂层牢固地粘附于基材。为此，预先处理基材通常是先决条件。用于实现涂层的良好粘附的已知方法是使待涂覆表面粗糙化。在许多情况下，通过待涂覆表面的喷砂处理来实现粗糙化。为此，磨料颗粒(例如，金刚砂颗粒)被推动抵靠待涂覆表面。然而，轴承组件的喷砂处理需承担以下风险：残留的磨料颗粒将会损坏运行期间的轴承，和/或从轴承组件尽可能完全地去除磨料颗粒涉及非常高的费用。由于松散的颗粒到处聚集，因此甚至功能表面的覆盖面在去除覆盖时会导致再污染。对于锌喷涂也是一样，磨料颗粒以不与表面结合的金属颗粒的形式发展。

从DE 102012212688B3获知一种保护轴承组件免受腐蚀的方法，该方法无需通过使用磨料颗粒预处理待保护表面来操控。在该已知的方法中，涂布了添加有锌的基于聚氨酯的第一漆料的多个连续的基层。将添加有云母氧化铁的基于聚氨酯的第二漆料的顶层涂布于刚涂布的基层。

从DE 102012212688B3获知的方法提供了良好的防腐蚀并且同时避免了与使用磨料颗粒相关的轴承后续损坏的风险。

然而，有时需要比能用已知方法实现的防腐蚀甚至更好的防腐蚀。例如，对于海洋环境下的风力涡轮机的轴承，在一些情况下要求长达25年的无故障运行。

发明内容

因此本发明的目的在于特别是对于轴承组件实现高度有效且经济的防腐蚀，并且同时最大可能程度地避免因防腐蚀处理引起的二次损坏。

本目的通过独立权利要求的特征组合来实现。

根据本发明的防腐蚀的层系统包括基层、中间层、顶层和密封层。基层包含聚氨酯、锌和乙烯基膦酸或硅烷。中间层形成在基层上并包含聚氨酯和锌。顶层形成在中间层上并包含聚氨酯和云母氧化铁。密封层形成在顶层上并包含聚氨酯。

本发明具有以下优点：其确保了高度有效的防腐蚀并且能够以合理的费用实现。即使在极其腐蚀性的环境条件下，本发明的层系统也能够提供长期可靠的防腐蚀。

特别地，基层可以包含三甲氧基硅烷。

基层、中间层、顶层和密封层均可以形成为以聚氨酯为它们共同的基础成分。从而能够以特别可靠的方式避免因漆料组分扩散到相应的邻接层中而可能出现的脆裂和可能导致层抬升和散裂的应力。

此外，基层、中间层、顶层和密封层可以彼此之间形成为至少有一种成分不相同。

中间层和/或顶层可以由多个分层形成。这具有以下优点：改善了涂布中间层或顶层期间的固化。另外，减弱了孔渗透性，并且减小了可能在极端情况下导致分层的内应力。此外，交联所需的水蒸气可以更容易地向内扩散并且反应副产物和气体可以更容易地向外扩散。

密封层可以包括至多10％体积含量的颜料或其它颗粒。特别地，密封层可以基本上由聚氨酯粘合剂构成。由于最低可能含量的颗粒，因此密封层可以被形成为特别平滑的并具有高的扩散不渗透性。

此外，密封层可以被形成为是疏水性的。

层系统可以具有至少300μm的总厚度。特别地，层系统可以具有至少400μm的总厚度。此外，层系统可以具有最大600μm的总厚度。

本发明还涉及一种轴承组件，其具有包括防腐蚀的层系统的表面区域。

优选地，表面区域未喷砂。从而可以减少制造费用并且可以降低由轴承组件制造的轴承被磨料颗粒损坏的风险。

轴承组件可以形成为轴承圈，特别形成为特别是滚动体轴承或滑动轴承的内圈或外圈。

另外，本发明涉及一种轴承，其具有本发明的轴承组件。该轴承可以形成为大型轴承。特别地，该轴承可以形成为风力涡轮机的组件。

此外，本发明涉及一种保护轴承组件免受腐蚀的方法。在本发明的方法中，将添加有锌和乙烯基膦酸或硅烷的基于聚氨酯的第一漆料涂布于轴承组件的表面区域以形成基层。随后，将添加有锌的基于聚氨酯的第二漆料涂布到基层上以形成中间层。之后，将添加有云母氧化铁的基于聚氨酯的第三漆料涂布到中间层上以形成顶层。最后，将基于聚氨酯的第四漆料涂布到顶层上以形成密封层。

可以使用漆辊来涂布或可以喷涂第一漆料、第二漆料、第三漆料和第四漆料。

可以将用于形成中间层的第二漆料和/或用于形成顶层的第三漆料涂布为多个分层。

可以使用反应性交联的单组分漆料作为所述第一漆料、所述第二漆料、所述第三漆料和所述第四漆料。这里，反应性交联的漆料被理解成是以下漆料：第一反应组分被包含在漆料中且第二反应组分能够在漆料涂布的环境中得到。因而术语“单组分漆料”是关于漆料中包含的组分数来选择的，而不是关于参与反应的组分的总数而选择的。这种漆料可以不费力地被处理并且没有混合错误的风险。第二反应组分可以是例如水蒸气。

可以使用湿固化漆料作为第一漆料、第二漆料、第三漆料和第四漆料。这具有以下优点：可以由已知的湿度非常容易地估计固化过程的进度。

可以使用辊来涂布所述第一漆料和/或所述第二漆料和/或所述第三漆料和/或所述第四漆料。

附图说明

以下将参照附图中绘出的示例性实施方式来解释本发明。

附图标记

1 轴承组件

2 表面区域

3 基层

4 中间层

5 顶层

6 密封层

具体实施方式

图1示出了涂覆的轴承组件1的示例性实施方式的示意图。该图被极大简化并且不是按比例的，并仅示出轴承组件1的截面。轴承部件1可以是例如滚动体轴承或滑动轴承的轴承圈等。特别地，轴承组件1形成为风力涡轮机或其它大型机械的大型轴承的组件。轴承组件1可以由钢制成，特别是由滚动体轴承钢制成。

基层3涂布于轴承组件1的表面区域2。表面区域2可以在轴承组件1的除了图中未绘出的滚道和滑道以外的整个表面上延伸，或者仅在轴承组件1的部分区域上延伸。基层3包含聚氨酯、锌和乙烯基膦酸。

在乙烯基膦酸的替代方案中，基层3可以包含硅烷，特别是三甲氧基硅烷。乙烯基膦酸和硅烷用作粘附促进剂或粘附增强剂。硅烷形成例如聚氨酯之类的有机聚合物与例如钢之类的无机基材之间的分子桥。乙烯基膦酸将其自身附着于无机表面(例如钢之类的)，从而提供了例如聚氨酯之类的有机聚合物的更好结合。总体来说，基层3可以包含20％体积至40％体积的粘合剂。这里和以下显示的量分别指的是固化层。锌含量可以是例如大约60％体积至90％体积。其它颗粒添加剂至多以少的量被包含在基层3内。优选地，基层3不包含其它颗粒添加剂。

基层3可以具有50μm的厚度。层厚度的优选范围在40μm与80μm之间。如果层厚度选择过小，则粘附促进不充分。

中间层4布置在基层3上。中间层4包含聚氨酯和锌。可以在中间层4中使用与基层3相同的聚氨酯系统。也可以以类似于或略高于基层3的锌含量来选择锌含量，其中但维持从大约60％体积至90％体积的范围。随着锌含量的增大，则粘合剂含量相应地减少。除了锌之外的其它颗粒添加剂至多以少的量被包含在中间层4内。优选地，中间层4不包含其它颗粒添加剂。中间层4可以由多个分层构成。在绘出的示例性实施方式中，中间层4由三个分层构成。各分层可以具有大约40μm至80μm的厚度。因而，在绘出的示例性实施方式中，得到大约120μm至大约240μm的中间层4的厚度。中间层4的厚度通常为大约195μm。因而中间层4明显比基层3厚。

顶层5布置在中间层4上。顶层5可以包括聚氨酯和云母氧化铁。可以在顶层5中使用与基层3相同的聚氨酯系统。云母氧化铁含量可以为大约60％体积至90％体积。粘合剂含量可以达到至多40％体积。除了云母氧化铁之外的其它颗粒添加剂至多以少的量被包含在顶层5内。优选地，顶层5不包含其它颗粒添加剂。顶层5可以由多个分层构成。在绘出的示例性实施方式中，顶层5由两个分层构成。各分层可以具有大约60μm至90μm的厚度。因而，在绘出的示例性实施方式中，得到大约120μm至大约180μm的顶层5的厚度。顶层5的厚度通常为大约160μm。

由聚氨酯制成的密封层6布置在顶层5上。可以在密封层6中使用与基层3相同的聚氨酯系统。颜料或其它颗粒添加剂也至多以少的量，特别是以共计小于10％体积的含量存在于密封层6内。优选地，密封层6不包含颜料或其它颗粒添加剂。因此，粘合剂含量可以达到100％体积。密封层6可以具有大约30μm至大约70μm，优选40μm至60μm的厚度。密封层6的厚度通常为大约50μm。

从以上实施方式想到，各层特别是在粘合剂含量方面也不同。粘合剂用作粘附剂并确保层的内聚力和层对特定基材的粘附。高的粘合剂含量趋于导致高内聚力和良好的粘附。低的粘合剂含量趋于导致低内聚力和不良的粘附。然而，另一方面，高粘合剂含量仅允许相应的低含量的功能颗粒(锌或云母氧化铁之类)，使得这些颗粒的性能仅在有限程度上有效或完全无效。

由此相互作用，由于对轴承组件1的良好粘附对于基层3来说是重要的，因此导致基层3的较高的粘合剂含量。中间层4可以具有比基层3低的粘合剂含量，这是由于中间层4涂布于基层，且因此从一开始就获得了比基层3更有利的粘附条件。因此，中间层4比基层3存在更多的锌。在顶层5中，充分高含量的云母氧化铁是重要的，以便形成具有云母氧化铁片晶的可能最厚的层。因此，顶层5中的粘合剂含量减小。密封层6应当具有高内聚力和高弹性，以便形成可靠的和耐久的保护。这与高粘合剂含量和至多少含量的添加剂(颜料之类的)相关，这将会减弱密封层6的弹性。

图1中绘出的层系统表现出非常有效的防腐蚀性。因而研磨但未喷砂的表面可以达到按照“DIN EN ISO 12944-2:2000”的等级“C5MH”。这是对于航空漆料系统来说最难要求的级别，其中标记符的各符号具有以下含义：字母C表示其与大气环境条件有关，即，不是与水下和土壤中有关。数字5表示最高的大气腐蚀级别。接下来的字母M表示其与在海洋条件(即，具有高盐度的沿海和近海区域)下的最高的大气腐蚀级别有关。在该级别，进而根据漆料在特定环境条件下将经受的年数而细分为L、M、H。这里字母H表示保护期大于15年的最高级别(H＝高)。

为了符合该极端要求，漆料系统通常必须被涂布成具有高的厚度。然而，该高的厚度导致粘附损失、脆裂或裂纹形成之类的二次问题。尽管进行了喷砂预处理，但是特别是基层3对金属基材的连接部常常因高的涂布层厚度和其内应力而是过应变的。然而，过低的层厚度不是充分的扩散不渗透性的。

实现例如C4级别或C5L(2-5年)和最高的级别C5H(>15年)之间存在非常大的要求差别。

本文说明的层系统即使对于研磨但未喷砂的钢表面也能够达到C5-M-H。因而，这是迄今为止不寻常的结果。

一方面，该结果归因于基层3的非常高的粘附效果和应力均等化能力。牺牲阳极的中间层4、保护中间层4的顶层5和密封顶层5的密封层6也对实现该结果提供了重要的贡献。

具体地，本发明的层系统的极其良好的防腐蚀以以下方式出现：

形成的非常平滑且疏水性的密封层6抵御任何环境影响并产生扩散不渗透性。万一该屏障被破坏，则顶层5用作进一步的屏障。顶层5包括通过重叠板而以盔甲状方式形成的云母氧化铁系统，特别地，归因于云母氧化铁的高硬度，因此云母氧化铁系统也是机械上非常稳定的。另外，高的扩散不渗透性是通过云母氧化铁的片晶状形状来实现的，使得几乎不会有任何水蒸气能够渗透到达中间层4且尤其是到达中间层4内包含的锌颗粒。中间层4中的锌的阳极保护效应仅在这些另外的屏障被破坏之后才开始起作用，即，锌是在非常后期的阶段中甚至唯一能使用的；之前的屏障基于抵御破坏性的环境影响。基层3提供了层系统对轴承组件1的表面的极其良好的粘附并且用于防止分离和剥离。另外，基层3具有高的负荷能力和弹性。

归因于各层的特定组成和组合，本发明的层系统具有相当低于对应于高等级的平均水平的总厚度并且即使在部分损坏和机械或化学影响的情况下具有高的性能保留。

为了形成图1绘出的层系统或类似的层系统，可以以以下方式发生：

清洁表面通常被研磨过的轴承组件1，从而活化其内应发生涂覆的表面区域2。这可以通过例如以下来执行：先用变性乙醇然后用丙酮的处理。特别地，应当发生活化至表面能超过72mN/m。在活化之前或活化之后，不会用磨料颗粒来喷砂从而粗糙化轴承部件1。例如，与环氧树脂漆料不同，如果适当地选择层厚度，具有增大的粘合剂含量的聚氨酯甚至非常良好地粘附于未喷砂的钢表面。在根据DIN EN ISO 4624的粘附强度试验中，对研磨、未喷砂的钢表面的拉开值(pull-off value)通常为17-20MPa，其中在拉开期间在涂层内发生破坏。

基层3通过漆料涂布而形成，例如在活化的表面区域2上使用漆辊。为此，预先将基于聚氨酯的单组分漆料与锌颗粒和乙烯基膦酸或硅烷混合。这种漆料是能够容易且均匀地涂布、快干、高粘附性、和在化学和机械上稳定的以及归因于填料(尽管其弹性)而是最低限度地可压缩的。由于漆料涂布的厚度相应地随着涂布的漆料层的干燥和固化而降低，因此选择漆料涂布的厚度为比最终期望的层厚度大大约40％。这也适用于形成下述其它层。

单组分漆料可以具有以下组分：

漆料包含20％体积至40％体积，特别是30％体积的溶剂含量(例如，石脑油)。

在减去溶剂含量之后，剩下的干含量构成如下，其中将总的干含量作为百分比的基准值：

-20-40％体积特别是30％体积的单组分的湿固化的聚氨酯(基于芳香族聚异氰酸酯)

-50-90％体积的锌

-达到10％体积的添加剂(固体或液体)；其中，例如0.5-4％体积的硅烷或0.5-4％体积的乙烯基膦酸。

需要添加乙烯基膦酸或硅烷以便充分提高基层3的粘附强度和弹性，使得能够得到总体上非常强健的层系统。在用漆辊涂布的替代方案中，可以用喷枪来执行涂漆。代替单组分漆料的是，可以使用基于聚氨酯的双组分漆料。这也适用于形成下述其它层。通常地，使用单组分漆料用于所有层或使用双组分漆料用于所有层。

基层3以单一操作被涂布，且因而仅具有一个分层。通过交联聚氨酯系统的官能端(异氰酸酯)来实现漆料的固化。

在充分通风之后(在充分通风期间，在固化反应中形成的大部分二氧化碳从基层3散逸)，将中间层4形成在基层3上。进而能够通过漆辊或喷枪来执行形成中间层所需的漆料涂布。可以使用添加有锌颗粒的湿固化的、基于聚氨酯的单组分漆料作为漆料。可以使用与用于形成基层3基本上相同的漆料组分。相比之下，可以仅选择锌含量略高；但是其还在50-90％体积的范围内。类似于基层3，也可以使用基于聚氨酯的双组分漆料用于中间层4。

中间层4可以以多次操作来涂布。特别地，中间层4可以由三个分层形成，其中在每次涂布下一分层之前均确保充分通风以便防止气泡形成。归因于涂布了多个分层，因而与以单一操作形成中间层4相比，当涂布中间层4时改善了固化。另外，减弱了孔渗透性，并且减小了可能在极端情况下导致分层的内应力。这特别归因于以下事实：溶剂和在分层固化期间产生的二氧化碳从薄层涂布可以比从厚层涂布更好地散逸。利用基于聚氨酯的单组分漆料，用于交联的水蒸气也可以更容易地向内扩散。

接下来将顶层5涂布于中间层4的最上层。这里同样先等待，直到中间层4充分通风。将片晶形式的云母氧化铁而不是锌混合到为顶层5提供的漆料中。这里可以使用与制造中间层4时相同的漆料(但没有锌)作为用于顶层5的起始材料，即，漆料可以均形成为以聚氨酯为它们共同的基础成分。这确保了顶层5与中间层4良好的相容性并且避免了可能会导致顶层5或中间层4损坏的不想要的反应。特别地，可以选择包含云母氧化铁而不是锌的类似于基层3的漆料组分。因此，漆料可以包含干含量为60-90％体积的云母氧化铁。可以利用例如漆辊或喷枪来涂布顶层5。

以关于中间层4说明的类似方式(即，形成多个分层)以多次操作涂布顶层5。特别地，形成两个分层，其中在形成第二分层之前确保第一分层充分通风。

最后，将密封层6涂布于顶层5，其中这里同样等待顶层5充分通风。也可以通过漆辊或喷枪来执行涂布。可以使用湿固化的、基于聚氨酯的单组分漆料作为漆料，其仅含有少含量的颜料或其它颗粒，或者不含有颜料或其它颗粒。

密封层6以一次操作形成，且因而仅包括一个分层。

在固化了所有层之后，层系统非常有效地且在数十年的长时间段内保护轴承组件1免受腐蚀。

如果所有层均基于相同的聚氨酯基础成分，则能够以特别可靠的方式避免因漆料组分扩散到相应的邻接层中而可能出现的脆裂和可能导致层抬升和散裂的应力。

Claims (16)

1.一种防腐蚀的层系统，具有基层(3)、中间层(4)、顶层(5)和密封层(6)，其特征在于：

-所述基层(3)包含聚氨酯、锌和乙烯基膦酸或硅烷；

-所述中间层(4)形成在所述基层(3)上，并且包含聚氨酯和锌；

-所述顶层(5)形成在所述中间层(4)上，并且包含聚氨酯和云母氧化铁；并且

-所述密封层(6)形成在所述顶层(5)上，并且包含聚氨酯。

2.如权利要求1所述的层系统，其特征在于，所述基层(3)、所述中间层(4)、所述顶层(5)和所述密封层(6)均形成为以聚氨酯为它们共同的基础成分。

3.如权利要求1所述的层系统，其特征在于，所述基层(3)、所述中间层(4)、所述顶层(5)和所述密封层(6)彼此之间形成为至少有一种成分不相同。

4.如权利要求2所述的层系统，其特征在于，所述基层(3)、所述中间层(4)、所述顶层(5)和所述密封层(6)彼此之间形成为至少有一种成分不相同。

5.如权利要求1至4中任一项所述的层系统，其特征在于，所述中间层(4)和/或所述顶层(5)由多个分层形成。

6.如权利要求1至4中任一项所述的层系统，其特征在于，所述密封层(6)具有最大10％体积含量的颜料或其它颗粒。

7.如权利要求1至4中任一项所述的层系统，其特征在于，所述层系统具有至少300μm的总厚度。

8.如权利要求1至4中任一项所述的层系统，其特征在于，所述层系统具有最大600μm的总厚度。

9.一种轴承组件，具有表面区域(2)，所述表面区域(2)具有如前述权利要求中任一项所述的防腐蚀的层系统。

10.如权利要求9所述的轴承组件，其特征在于，所述表面区域(2)未被喷砂。

11.一种轴承，其具有如权利要求9或10所述的轴承组件(1)。

12.一种保护轴承组件(1)免受腐蚀的方法，其特征在于，

-为了在所述轴承组件(1)的表面区域(2)上形成基层(3)，涂布添加有锌和乙烯基膦酸或硅烷的基于聚氨酯的第一漆料，

-为了在所述基层(3)上形成中间层(4)，涂布添加有锌的基于聚氨酯的第二漆料，

-为了在所述中间层(4)上形成顶层(5)，涂布添加有云母氧化铁的基于聚氨酯的第三漆料，并且

-为了在所述顶层(5)上形成密封层(6)，涂布基于聚氨酯的第四漆料。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，为了形成所述中间层(4)，所述第二漆料被涂布为多个分层，和/或为了形成所述顶层(5)，所述第三漆料被涂布为多个分层。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，使用反应性交联的单组分漆料作为所述第一漆料、所述第二漆料、所述第三漆料和所述第四漆料。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，使用反应性交联的单组分漆料作为所述第一漆料、所述第二漆料、所述第三漆料和所述第四漆料。

16.如权利要求12至15中任一项所述的方法，其特征在于，使用辊来涂布所述第一漆料和/或所述第二漆料和/或所述第三漆料和/或所述第四漆料。