-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung aus einer Metallschicht,
in die ein durch Verschleiß freisetzbarer Schmierstoff
eingelagert ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein selbstschmierendes
Bauteil mit einer zumindest abschnittsweise aufgebrachten Beschichtung,
ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung und eines selbstschmierenden
Bauteils, sowie ein Beschichtungselektrolyt umfassend wenigstens
eine Art von als Ion oder Komplex gelöstem Metall und wenigstens
einen Schmierstoff.
-
Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, dass Beschichtungen die physikalischen,
elektrischen und/oder chemischen Eigenschaften an der Oberfläche
eines Werkstoffes beeinflussen können. Die Oberfläche
kann mit Hilfe von Verfahren der Oberflächentechnik beispielsweise
so behandelt werden, dass die Oberflächenbeschichtung einen
mechanischen Schutz gegen Verschleiß bietet, Korrosionsbeständigkeit
zeigt, biokompatibel ist und/oder eine erhöhte Leitfähigkeit
aufweist.
-
Bei
Steckverbindungskontakten und bei Einpressverbindern bestimmt deren
Tribologie und Verschleiß oft die Anzahl der möglichen
Betätigungen und sichert deren ordungsgemäße
Funktion. Reibungsvermindernde und somit verschleißreduzierende,
außen auf die Bauteile von Steckverbindungen und Einpressverbindungen
aufgetragene Beölungen/Befettungen sind nur mit begrenzten
Betätigungen und auch nicht langfristig wirksam und können sich
chemisch verändern.
-
Daher
sind Beschichtungen erstrebenswert, welche die Verschleißfestigkeit
längerfristig erhöhen.
-
Aus
der
WO 2008/122570
A2 ist eine Beschichtung für ein Bauteil, beispielsweise
den elektrisch leitfähigen Abschnitt eines Steckers bekannt, die
eine Matrix mit mindestens einem Matrixmetall aufweist. In die Metallmatrix
sind Nanopartikel eingelagert, die eine durchschnittliche Größe
von weniger als 50 nm haben und jeweils mindestens einen Funktionsträger
aufweisen. Der Funktionsträger dient dazu, die Eigenschaften
der Matrix im gewünschten Sinne zu beeinflussen. Beispielsweise
kann ein Metall als Funktionsträger die Leitfähigkeit
der Beschichtung verändern. Funktionsträger aus
besonders harten Materialien wie Siliziumcarbid, Bornitrid, Aluminiumoxid
und/oder Diamant können die Härte der Matrix steigern
und das Verschleißverhalten des beschichteten Bauteils
verbessern.
-
Eine
verschleißreduzierende Beschichtung eines Bauteils, welche
eine zusätzliche Schmierung desselben unnötig
macht, ist beispielsweise aus der
EP 0 748 883 A1 bekannt. Die Beschichtung
dieser Druckschrift zeichnet sich durch eine Metallschicht aus,
in welche homogen verteilte Nanopartikel eingelassen sind, an die
ein die Reibung reduzierender Stoff gebunden ist. Der Nanopartikel
kann beispielsweise aus Al
2O
3,
ZrO oder TiO
2 bestehen und an seiner Oberfläche
eine Seifenverbindung angehängt haben.
-
Bei
den Beschichtungen der
EP
0 748 833 A1 und der
WO 2008/122570 A2 ist nachteilig, dass die
eigentlichen Funktionsträger, welche die Eigenschaften
der Oberflächenbeschichtung beeinflussen, an einen Träger
gekoppelt in die Metallschicht eingelagert werden. Diese Kopplung
führt zu zusätzlichen Verfahrensschritten, einem
steigenden Materialverbrauch und höheren Kosten der Beschichtung.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte
verschleißbeständige Beschichtung bereit zu stellen,
die einfach aufgebaut und kostengünstig herzustellen ist.
-
Die
eingangs genannte Beschichtung und das oben genannte Beschichtungselektrolyt
lösen diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass der in der Metallschicht eingelagerte Schmierstoff aus einer
wenigstens einfach verzweigten organischen Verbindung besteht.
-
Das
eingangs genannte Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen
Beschichtung löst diese Aufgabe durch die Schritte:
- a) Zugeben von wenigstens einem aus einer wenigstens
einfach verzweigten organischen Verbindung bestehenden Schmierstoff
in eine wenigstens eine Art von als Ion oder Komplex gelöstem Metall
aufweisende Elektrolytlösung; und
- b) Abscheiden des gelösten Metalls und des Schmierstoffes
aus der Elektrolytlösung als Beschichtung auf ein Bauteil.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung stellt die in die Metallschicht eingelagerte
organische Verbindung den Schmierstoff dar, der beim Abrieb und
Verschleiß der erfindungsgemäßen Beschichtung
anteilig auf der Beschichtungsoberfläche freigelegt wird und
dort einen verschleißreduzierenden Schmierfilm ausbilden.
Ein Trägerelement, wie die anorganischen Nanopartikel der
WO 2008/122570 A2 oder
der
EP 0 748 883 A1 ist
nicht erforderlich, so dass eine Bindung des Funktionsträgers,
also der Metalle der
WO 2008/122570
A2 oder den Seifenverbindungen der
EP 0 748 883 A1 , an die
Trägerpartikel in einem weiteren Verfahrensschritt bei
der vorliegenden Erfindung entfällt.
-
Weil
der erwünschte Schmiereffekt der erfindungsgemäßen
Beschichtung bereits bei einer minimal einatomigen Zwischenlage
der organischen Schmierverbindung oder eines Abschnittes dieser beim
Kontaktieren zweier Schichten erreicht wird, erhöht sich
die Verschleißbeständigkeit der erfindungsgemäßen
Beschichtung um ein Vielfaches, so dass die erforderlichen Schichtdicken
reduziert werden können, was zu einem verringerten Rohstoffverbrauch
und einer Kostenersparnis führt.
-
Organische
Verbindung sind alle Verbindungen des Kohlenstoffs, ausgenommen
die zur anorganischen Chemie zählenden Ausnahmen, beispielsweise
die Carbide, mit sich selbst und anderen Elementen, z. B. H, N,
O, Si, B, F, Cl, Br, S, P oder Kombinationen dieser Elemente, einschließlich
solcher, die wenig Kohlenstoff enthalten, z. B. Silikone.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung kann durch eine
Reihe von voneinander jeweils unabhängigen Ausgestaltungen
weiter verbessert werden. Diese Ausgestaltungen und die damit verbundenen
Vorteile sind im Folgenden kurz beschrieben.
-
Bevorzugt
weist die organische Verbindung eine im Wesentlichen dreidimensionale
Molekülstruktur auf. Eine dreidimensionale und somit kompakte
Molekülstruktur hat den Vorteil, dass sich die Schmierstoffmoleküle
in der Elektrolytlösung gleichmäßiger
verteilen und sich das Risiko von Agglomerationen und einem Verklumpen
reduziert. Somit kann eine besonders homogene Verteilung des Schmierstoffs
in der Elektrolytlösung und in der Beschichtung erreicht
werden. Es können jedoch, je nach Anwendungsfall, auch
organische Verbindungen mit einer im Wesentlichen kettenförmigen
oder planaren Molekülstruktur, also einer im Wesentlichen linearen
oder flächigen Anordnung der Atome in der organischen Verbindung,
eingesetzt werden.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die organische Verbindung, die
nachfolgend auch als Schmiermolekül bzw. Schmierstoffmolekül
bezeichnet wird, ein Makromolekül. Unter dem Begriff Makromolekül
sind Moleküle zu verstehen, die aus gleichen oder unterschiedlichen
Atomen oder Atomgruppen bestehen und wenigstens 15 Atome entlang
der Strecke ihrer maximalen räumlichen Abmessung aufweisen.
Derartige makromolekularen Schmierstoffe, zu denen auch Polymere
zählen, haben den Vorteil, dass sie vielseitig einsetzbar
sind und für die entsprechende Anwendung optimal ausgewählt
werden können. Zu beachten ist lediglich, dass die Makromoleküle
und deren Kettenbestandteil, worunter auch Copolymere, Mischpolymere
und Blockpolymere fallen, so ausgewählt sind, dass sie
im vorgesehenen Schichtsystem des Kontakts schmierende Eigenschaften
besitzen und die elektrischen Eigenschaften nicht negativ beeinflussen.
Ferner sollten die als Schmierstoffe eingesetzten Verbindungen selbstverständlich
in den verwendeten Elektrolytlösungen zum Herstellen der
Beschichtung chemisch stabil sein und diese nicht negativ beeinflussen.
-
Es
hat sich gezeigt, dass insbesondere organische Verbindungen mit
einer maximalen räumlichen Abmessung von etwa 10 nm, vorzugsweise
von maximal 3 nm besonders gute Schmiereigenschaften aufweisen.
Ferner sind Schmiermoleküle dieser Größenordnung
im Sinne der Tunnelung elektrisch leitend und können in
elektrisch leitenden Beschichtungen eingesetzt werden. Unter maximaler
räumlicher Abmessung ist hier die größte
Erstreckung des Moleküls entlang einer Raumachse, beispielsweise
der Durchmesser eines sphärischen oder plattenförmigen
Schmierstoffes bezeichnet. Diese Dimensionierung entspricht im Wesentlichen
einer maximalen Kettenlänge von etwa 200 Atomen, vorzugsweise von
etwa 60 Atomen entlang der Strecke der maximalen Abmessung.
-
Aufgrund
der relativ geringen räumlichen Abmessung der für
die vorliegende Erfindung verwendeten Schmiermoleküle,
welche deutlich unterhalb der Größenordnung > 50 nm in Beschichtungen
verwendeter Nanopartikel liegt, kann die Metallkorngröße
in der Beschichtung bis hin in den nanoskaligen Bereich der Schmierstoffmoleküle
selbst verringert werden.
-
Die
organische Schmierstoffverbindung kann insbesondere dendritisch,
also hochverzweigt und stark verästelt aufgebaut sein.
Die hohe Verzweigung und ausgeprägte Verästelung
kann sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch vorliegen. Dendritische
Stoffe und Polymere als Schmiermoleküle sind besonders
vorteilhaft bezüglich einer guten Verteilung in der Elektrolytlösung,
habe eine niedrige Viskosität und die Tendenz zur Ausbildung
von Nanostrukturen, insbesondere von Nanopartikeln.
-
Um
die Einlagerung des Schmierstoffes zu erhöhen, kann die
organische Verbindung wenigstens eine funktionelle Gruppe mit einer
Affinität für das Metall der Metallschicht aufweisen.
Dadurch bewegen sich Schmiermoleküle, die sich während
des Abscheidungsvorganges in kurzer Distanz zu der Metallschicht
befinden, auf die Metallschicht zu und lagern sich an dieser ab.
Prinzipiell sollte die Affinität der funktionellen Gruppe
zu der Metallschicht höher sein als zum Lösungsmittel
der Elektrolytlösung, um eine Ein- bzw. Ablagerung des
Schmierstoffes zu begünstigen.
-
Eine
Agglomeration oder vollständige Bedeckung der Metallschicht
mit den Schmiermolekülen findet nicht statt, da sich die
Metall-Affinität der funktionellen Gruppe nur in der Diffusionsschicht,
also in unmittelbarer Nähe zur Beschichtungsoberfläche auswirkt.
Um auch eine Agglomeration der Schmierstoffmoleküle in
der Elektrolytlösung auszuschließen, kann eine
funktionelle Gruppe in der organischen Verbindung vorgesehen sein,
welche zu einer wechselseitigen Abstoßung der einzelnen
Schiermoleküle in der Elektrolytlösung führt.
Diese funktionelle Gruppe ist vorzugsweise endständig,
also am Ende einer Kette bzw. des jeweiligen Kettenzweiges angeordnet.
-
Sowohl
für die Affinität zu Metallschicht als auch für
die Abstoßung der Schmiermoleküle untereinander
ist es vorteilhaft, wenn die entsprechende funktionelle Gruppe an
der Oberfläche der organischen Verbindung angeordnet ist.
Dann ist die funktionelle Gruppe außen am Schmierstoffmolekül
exponiert und somit dort angeordnet, wo die Schmiermoleküle
mit der Metallschicht oder in der Elektrolytlösung untereinander
in Kontakt kommen.
-
Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform kann die funktionelle
Gruppe eine Thiolgruppe sein, welche sowohl eine hohe Affinität
für Metalle aufweist, als auch aufgrund ihrer Polarität
für Abstoßungen der Schmiermoleküle untereinander sorgt.
-
Die
Wahl der funktionellen Gruppe hängt auch von der Metallschicht
der erfindungsgemäßen Beschichtung ab, wobei bevorzugt
die Metallschicht ausgewählt ist aus der Gruppe von Cu,
Ni, Co, Fe, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, W, Cr, Zn, Sn, Pb und deren Legierungen.
Insbesondere eine Metallschicht aus Gold oder Silber wirkt aufgrund
der hohen Affinität der Thiolgruppe zu diesen Metallen
gut mit Schmiermolekülen, die eine Thiolgruppe aufweisen,
zusammen.
-
Das
erfindungsgemäße Beschichtungselektrolyt, wie
es beispielsweise in Schritt a) des erfindungsgemäßen
Verfahrens hergestellt wird, umfasst wenigstens ein Metallion und
einen Schmierstoff, der aus wenigstens einer Art einer organischen
Verbindung gemäß einer der oben beschriebenen
Ausführungsformen besteht, die in der erfindungsgemäßen Beschichtung
eingelagert ist.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein selbstschmierendes Bauteil
mit einer zumindest abschnittsweise aufgebrachten Beschichtung gemäß einer
der oben beschriebenen Ausführungsformen. Bevorzugt ist
bei dem erfindungsgemäßen Bauteil die Beschichtung
auf einer Oberfläche eines elektrischen Kontaktes angebracht,
so dass aufgrund der erhöhten Verschleißfestigkeit,
welche die erfindungsgemäße Beschichtung erzielt,
geringere Schichtdicken bei gutem Kontaktwiderstand aufgetragen
werden können, was zu einer Verkleinerung und Vereinfachung
des entsprechenden Kontaktes sowie zu einer Gewichtsreduzierung
und einem geringeren Rohstoffverbrauch führt.
-
Besonders
geeignet ist die Beschichtung für Stecker und sonstige
Verbindungsbauteile, insbesondere Teile einer Steckverbindung oder
einer Einpressverbindung.
-
Im
Folgenden ist die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen anhand
eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Schmierstoffs, das in der vorliegenden Erfindung eingesetzt
wird;
-
2 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Beschichtungselektrolyts, das den Schmierstoff der 1 umfasst;
-
3 eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts von einem selbstschmierenden
Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung mit aufgebrachter erfindungsgemäßer
Beschichtung, in die der Schmierstoff der 1 eingelagert
ist; und
-
4 eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts des Kontaktbereichs einer
Verbindungsanordnung, bei der beide Verbindungselemente jeweils
eine erfindungsgemäße Beschichtung gemäß 3 aufweisen.
-
Die 1 zeigt
ein Molekül des Schmierstoffs 1 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform. Der Schmierstoff 1 besteht
aus einer hochverzweigten organischen Verbindung 2, nämlich
einem dendritischen Polymer 3.
-
Das
Polymer 3 ist aus miteinander verknüpften Monomerbausteinen 4 aufgebaut,
die in der stark verästelten Struktur zu dem dendritischen
Polymer 3 als organische Verbindung 2 verknüpft
sind.
-
Das
dendritische Polymer 3 gemäß der gezeigten
Ausführungsform ist eine makromolekulare organische Verbindung 2 mit
einer dreidimensionalen, im Wesentlichen sphärischen Molekülstruktur. Die
räumliche Abmessung dieser organischen Schmierstoffverbindung 2 liegt
im nanoskaligen Bereich. Der Durchmesser als räumliche
Abmessung d der gezeigten sphärischen Verbindung 2 liegt
bei < 10 nm, vorzugsweise < 3 nm.
-
An
der Oberfläche der organischen Verbindung 2 sind
funktionelle Gruppen 5, in der gezeigten Ausführungsform
Thiolgruppen 6 angeordnet. Die Thiolgruppen 6 befinden
sich bevorzugt an den terminalen Monomereinheiten, d. h. den endständigen Monomeren 4,
welche strukturgemäß bevorzugt an der Oberfläche
eines denditrischen Polymers 3 angeordnet sind.
-
Der
in 1 gezeigte Schmierstoff 1 aus einer funktionalisierten,
nanoskaligen organischen Schmierverbindung 2 weist aufgrund
der chemischen Struktur und physikalischen Größe
des Polymers 3
gute Schmiereigenschaften auf und lässt
sich als durch Verschleiß freisetzbarer Schmierstoff 1 gut
in die Metallschicht 8 einer erfindungsgemäßen
Beschichtung 7 einlagern.
-
Zur
Herstellung einer erfindungsgemäßen selbstschmierenden
Beschichtung 7 mit dem in 1 gezeigten
bevorzugten Schmierstoff 1 werden die Schmierstoffmoleküle,
also die organische Verbindung 2, zu einer ein als Ion
oder Komplex gelöstes Metall 9 aufweisenden Elektrolytlösung
gegeben, um ein Beschichtungselektrolyt 10 herzustellen,
das in 2 schematisch dargestellt ist.
-
Das
Beschichtungselektrolyt 10 umfasst wenigstens eine Art
von Metallionen 9 und wenigstens eine Art von einem Schmierstoff 1 bestehend
aus einer wenigstens einfach verzweigten organischen Verbindung 2 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, dass die 2 das
erfindungsgemäße Beschichtungselektrolyt 10 rein
beispielhaft und schematisch darstellt. Insbesondere ist das Mischungsverhältnis
von Metallionen 9 zu Schmierstoff 1 willkürlich
gewählt und entspricht allgemein nicht dem Verhältnis
des Einbaus des Schmierstoffes 1 in die Beschichtung 7.
-
Zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung 7 werden
die Metallionen 9 aus dem Beschichtungselektrolyt 10 auf
einem Bauteil 11 abgeschieden, wobei auch die Schmiermoleküle 1 abgeschieden
und in die Metallschicht 8 eingelagert werden. Bei dieser
Ko-Abscheidung, die bevorzugt elektrochemisch durchgeführt
wird, kristallisieren die Metallionen 9 auf der zu beschichtenden
Oberfläche 12 als Metallschicht 8 aus
Metallatomen 9' aus. Bei der Kristallisation werden die
Schmiermoleküle 1 in die Metallschicht 8 ein-
bzw. an diese angelagert, wodurch die in 3 gezeigte
erfindungsgemäße Kompositbeschichtung 7 entsteht.
-
Die
An- und Einlagerung des Schmierstoffs 1 in die Metallschicht 8 wird
begünstigt durch die funktionellen Gruppen 5 der
organischen Verbindung 2, die zum Beispiel als Thiolgruppe 6 eine
Affinität zu der Metallschicht 8, insbesondere
wenn diese Gold oder Silber umfasst, aufweist.
-
In
der in 3 gezeigten Ausführung ist die erfindungsgemäße
Beschichtung 7 auf der Oberfläche 12 eines
elektrischen Kontaktes 11' aufgetragen. Auf diese Weise
erhält man ein selbstschmierendes Bauteil 11 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Die Beschichtung 7 sorgt für
eine höhere Verschleißfestigkeit der Oberfläche 12 des
Bauteils 11, da beim Abrieb der Schmierstoff 1 anteilig
an der Oberfläche der Beschichtung 7 freigelegt
wird und dort im Kontaktbereich 13 einen Schmierfilm 14 ausbildet.
-
Dies
ist besonders gut in 4 zu erkennen, in der eine Verbindung 15,
beispielsweise eine Steckverbindung 15a oder eine Einpressverbindung 15b gezeigt
ist, bei der die beiden zu der Verbindung 15 zusammensetzbaren
Bauteile 11 im Kontaktbereich 13 jeweils mit einer
erfindungsgemäßen Beschichtung 7 auf
ihrer Oberfläche 12 versehen sind.
-
4 zeigt,
wie beim Zusammenfügen der Bauteile 11 der Verbindung 15 einzelne
Moleküle der organischen Verbindung 2 aus der
erfindungsgemäßen Beschichtung 7 durch
Abrieb an der jeweiligen Oberfläche 12 der Beschichtung 7 freigesetzt
werden und einen Schmierfilm 14 im Kontaktbereich 13 ausbilden.
Dieser Schmierfilm 14 erhöht die Verschleißbeständigkeit
der Verbindung 15 aufgrund der guten tribologischen Eigenschaften
des Schmierstoffs 1, dessen organische Schmierstoffverbindung 2 den Schmierfilm 14 ausbildet,
wodurch ein Abrieb der Metallschicht 8 maßgeblich
reduziert und die Verschleißbeständigkeit des
Bauteils 11 erhöht wird.
-
Auch
wenn in dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel
nur eine Sorte von Schmierstoff 1 in der erfindungsgemäßen
Beschichtung 7 eingesetzt wird, können selbstverständlich
auch unterschiedliche Schmierstoffe 1 in die Metallschicht
der Beschichtung 7 eingelagert werden, vorausgesetzt, dass
diese unterschiedlichen Schmierstoffe 1 jeweils aus einer
wenigstens einfach verzweigten organischen Verbindung 2 bestehen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2008/122570
A2 [0005, 0007, 0011, 0011]
- - EP 0748883 A1 [0006, 0011, 0011]
- - EP 0748833 A1 [0007]