DE102010035528A1

DE102010035528A1 - Reib- oder Gleitschicht und Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number: DE102010035528A1
Application number: DE102010035528A
Authority: DE
Inventors: Werner Hillebrand; Dr. Görlach Bernd
Original assignee: HILLEBRAND RUDOLF GmbH; Rudolf Hillebrand & Co KG GmbH
Current assignee: HILLEBRAND RUDOLF GmbH; Rudolf Hillebrand & Co KG GmbH
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Zur einfachen und kostengünstigen Herstellung einer tribologisch wirksamen Schicht, die eine hohe Standzeit hat und die für Präzisionsteile geeignet ist, wird eine Reib- oder Gleitschicht vorgeschlagen, die Polyimid als Bindemittel und in das Bindemittel eingelagerte Partikel enthält. Die eingelagerten Partikel sind Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 1000 nm.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Polyimid als Bindemittel sowie Partikel enthaltende Reib- oder Gleitschicht sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von aneinander entlang gleitenden Teilen, beispielsweise in Kugel- oder Wälzlagern im Maschinenbau, werden die sich berührenden Oberflächen vergütet. Zum einen wird bezweckt, dass die Oberflächen mit verringerter Haft- und Gleitreibung gegeneinander bewegt werden können. Zum anderen soll auch der Verschleiß der sich berührenden Oberflächen minimiert werden. Hierzu sind sehr viele Vorschläge gemacht worden:
Um eine Gleitschicht, etwa für Gleitlageranwendungen im LKW-Bereich, zu schaffen, wird beispielsweise in DE 10 2007 013 707 A1 eine Gleitschicht aus einer Legierung auf Silber- oder Kupferbasis vorgeschlagen. In dieser Gleitschicht ist eine Legierung von Silber oder Kupfer, das eine Matrix in der Schicht bildet, sowie von Bismut in einem bestimmten Mengenanteil enthalten, sodass eine erhöhte Verschleißfestigkeit dieser Legierung erzielt wird. Außerdem können Hartpartikel mit einer Korngröße von 10 nm bis 100 nm in der Legierung enthalten sein. Durch diese Partikel wird die Gleitfähigkeit der Schicht nicht negativ beeinflusst.
In DE 101 44 996 B4 ist zur Verbesserung des Verschleißverhaltens eines Führungselements einer Schiebetür vorgesehen, dass die Begrenzungsschenkel einer Nut des Führungselements zumindest im Bereich der Führungsnut mit Nanopartikeln versehen sind. Die Nanopartikel werden mit Hilfe des SOL-GEL-Verfahrens auf die Gleitflächen aufgetragen. Damit wird eine extrem gleitfähige und verschleißfeste Oberfläche erzielt.
Zur Herstellung der Gleitschichten können auch Polymere verwendet werden:
Beispielsweise ist in US-Patent Nr. 3,567,504 angegeben, einen Feststoff-Schmierfilm auf eine Lagerfläche aufzubringen, der durch eine Lage einer aromatischen, gehärteten Polyimid-Zusammensetzung mit einer Dicke von 2,5 μm bis 15 μm und darin dispergierte Schmierpartikel gebildet wird. Die Schmierstoffpartikel können beispielsweise aus Molybdändisulfid, Antimontrioxid, weichem Metall, insbesondere Gold, Tetrafluorethylenharz oder Wolframdisulfid bestehen. Die Größe der Schmierstoffpartikel wird mit 200 mesh angegeben.
In DE 30 50 056 C1 ist ein Zwei- oder Mehrschicht-Verbundwerkstoff beschrieben, der auf ein metallisches Substrat aufgebracht ist und der eine einen Polyimid-Lack enthaltende Deckschicht bildet. Der Polyimid-Lack bildet eine Matrix für einen selbstschmierenden Zusatz, vorzugsweise niedermolekulares PTFE. Die Dicke der Deckschicht kann zwischen 0,05 und 0,5 mm, bevorzugt zwischen 0,07 und 0,2 mm, betragen. Die mittlere Korngröße des Zusatzes kann zwischen 5 und 7 μm liegen.
Aus DE 23 66 046 A1 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit niedrigem Reibbeiwert bekannt. Hierzu werden einem temperaturbeständigen Polyimid-Werkstoff 15 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%, organische und/oder anorganische Festschmierstoffe zugesetzt. Diese Festschmierstoffe haben eine Korngröße zwischen 30 und 500 μm, vorzugsweise zwischen 40 und 300 μm. Zusätzlich werden dem Polyimid-Werkstoff 3 bis 5 Gew.-% Festschmierstoffe in Feinstform mit Korngrößen kleiner als 10 μm zugesetzt. Als Festschmierstoffe werden Graphit, Molybdändisulfid und Polytetrafluorethylen eingesetzt.
Ferner ist in EP 1 331 412 B1 ein Verfahren zur Herstellung einer Lager- oder Antriebsvorrichtung mit wenigstens zwei relativ zueinander beweglichen Lagerelementen bzw. Antriebselementen angegeben. Bei wenigstens einem der Lager- bzw. Antriebselemente wird eine Polyimidschicht auf ein Trägermaterial aufgebracht, wobei die Polyimidschicht weniger als 30 μm dick ist. Es wird angegeben, dass der zur Herstellung der Polyimidschicht verwendeten Präpolyimidlösung zur Verbesserung der Reibeigenschaften ein Schmierstofftropfen oder ein Additiv zugegeben werden kann.
In US-Patent Nr. 4,847,135 ist eine Reib- oder Gleitschicht auf einem aufgerauten Basissubstrat angegeben, die durch eine Polymermatrix gebildet ist. Die Polymermatrix enthält zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften Zinksulfid und/oder Bariumsulfat, deren Partikelgröße von 0,1 bis 1,0 μm und im Mittel 0,3 μm beträgt. Die Polymermatrix kann insbesondere aus Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyethersulfon, Polyetheretherketon, Polyetherimid, Polyphenylensulfid, Polyacetal, Polyamid und Polyimid bestehen.
Diese bekannten Systeme von tribologischen Oberflächenschichten erfüllen die in sie gesetzten Erwartungen jedoch nicht in vollem Umfange. So ist es zum einen erforderlich, dass die Schichten einfach und kostengünstig herstellbar sind. Dies ist insbesondere bei den Schichten nicht der Fall, die kein Polymer, sondern wie im Falle der Gleitschicht aus DE 10 2007 013 707 A1 Metall enthalten. Zum anderen sollen auch die tribologischen Eigenschaften, beispielsweise die Verschleiß- und Reib- bzw. Gleiteigenschaften, weiter verbessert werden oder gezielt einstellbar sein. Insbesondere soll eine hohe Standzeit des tribologischen Systems erzielt werden. Ganz wesentlich ist auch, dass das gewählte System für Präzisionsteile geeignet ist, bei dem es auf eine sehr gute Maßhaltigkeit auch im μm-Bereich ankommt, beispielsweise für Motorenkolben und Mikrosysteme. Das tribologische System soll auch hinsichtlich des Temperaturbereiches sowie der Geräuschentwicklung unter Betriebsbedingungen höchsten Anforderungen gerecht werden und gegen Lösemittel und Feuchtigkeit beständig sein.
Diese Anforderungen werden durch die Reib- oder Gleitschicht nach Patentanspruch 1 sowie das Verfahren zum Herstellen einer Reib- oder Gleitschicht nach Patentanspruch 10 erfüllt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Reib- oder Gleitschicht ist insbesondere substratgestützt und liegt somit vorzugsweise als Schicht auf einem Substrat vor. Die Schicht umfasst zum einen Polyimid als Bindemittel und ferner in das Bindemittel eingelagerte Partikel. In erfindungsgemäßer Art und Weise sind die Partikel Nanopartikel, d. h. Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 1000 nm. Sofern in der Beschreibung und in den Ansprüchen der Durchmesser der Partikel angegeben ist, so ist damit ein mittlerer Partikeldurchmesser gemeint, denn die Partikel haben üblicherweise keinen einheitlichen Durchmesser sondern bilden vielmehr eine Partikeldurchmesserverteilung. Der angegebene mittlere Partikeldurchmesser ist anzahlgemittelt.
Vorzugsweise sind die Partikel größer als 10 nm. Somit weisen die Partikel im Wesentlichen noch die für die tribologische Anwendung erforderlichen Gleiteigenschaften auf. Nanopartikel zeichnen sich im Gegensatz zu Partikeln, die einen Durchmesser von mindestens 1000 nm haben, beispielsweise Mikropartikel, durch ihr größeres Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis aus, sodass die Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel größeren Einfluss auf die Teilcheneigenschaften haben als die der Mikropartikel.
Besonders bevorzugt haben die Nanopartikel einen Durchmesser von mindestens 15, ganz besonders bevorzugt von mindestens 30 nm. Die Nanopartikel können vorzugsweise bis zu 700 nm, und ganz besonders bevorzugt bis zu 300 nm groß sein.
Durch die Verwendung von Nanopartikeln anstelle von größeren Partikeln kann eine wesentlich gleichmäßigere Verteilung der Partikel in der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht erreicht werden. Dadurch kann die Masse der in der Reib- oder Gleitschicht dispergierten Partikel wesentlich kleiner gewählt werden als bei Verwendung von größeren Partikeln. Insbesondere kann die Masse der Nanopartikel in einer Menge in der Reib- oder Gleitschicht dispergiert vorliegen, die vorzugsweise mindestens 0,5 Gew.-%, ganz bevorzugt mindestens 3 Gew.-%, beträgt und vorzugsweise höchstens 25 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt höchstens 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Polyimid, beträgt. Im Falle größerer Partikel, beispielsweise von Mikropartikeln, müsste deren Anteil in der Schicht beispielsweise 30 Gew.-% betragen, d. h. einen Massenanteil von bis zum 10-fachen der Nanopartikel haben, um eine vergleichbare tribologische Wirkung zu erreichen.
Ferner kann die erfindungsgemäße Reib- oder Gleitschicht durch die Verwendung von Nanopartikeln auch dünner sein als bei Verwendung größerer Partikel, denn die Nanopartikel können in eine dünne Reib- oder Gleitschicht vollständig eingelagert werden, während größere Partikel an der Oberfläche einer dünnen Schicht herausragen würden. Somit kann die Reib- oder Gleitschicht eine Dicke von beispielsweise höchstens 5 μm haben. Beispielsweise kann die Dicke mindestens 1 μm betragen. Die Dicke kann insbesondere bis zu 3 μm betragen. Die Schicht kann vorzugsweise 2 μm dick sein. Dies eröffnet die Möglichkeit, hochpräzise Werkstücke mit einer derartigen tribologischen Schicht auszurüsten, ohne dass die Maßhaltigkeit dieses Werkstückes durch die tribologische Schicht beeinträchtigt wird. Bei Verwendung von größeren Partikeln, beispielsweise Mikropartikeln, müsste die Schicht deutlich dicker sein, sodass die Maßhaltigkeit des Werkstückes nicht mehr ohne weiteres gewährleistet wäre. Beispielsweise wird in DE 30 50 056 C1 angegeben, dass die Gleitschicht zwischen 50 und 500 μm, bevorzugt zwischen 70 und 200 μm, dick ist. Dies würde an hochpräzisen Werkstücken Probleme bereiten.
Durch Einlagerung der Nanopartikel in die erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschichten können deren tribologische Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Es sind insbesondere besonders niedrige Reibwerte möglich. Außerdem wird eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit erreicht. Die Schichten sind äußerst dünn und erlauben daher auch Anwendungen an hochpräzisen Werkstücken, bei denen es auf Maßhaltigkeit im μm-Bereich ankommt. Ferner sind diese Schichten einfach und vor allem kostengünstig herstellbar. Sie weisen eine lange Lebensdauer auch unter extremen Bedingungen auf.
Die tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht können insbesondere durch die Auswahl der Art der Nanopartikel gezielt eingestellt werden. Dadurch können entweder verringerte Reibwerte eingestellt werden, um den Widerstand durch Haft- und/oder Gleitreibung zu erniedrigen, sodass eine leichteres Gleiten der sich gegeneinander bewegenden Werkstücke ermöglicht wird, oder für bestimmte Anwendungen auch erhöhte Reibwerte.
Durch Verwendung von Polyimid als Bindemittel ist die Herstellung der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschichten in einfacher und kostengünstiger Art und Weise möglich. Außerdem weist Polyimid überragende Eigenschaften für tribologische Anwendungen auf. Es ist innerhalb eines sehr weiten Temperaturbereiches von mindestens –200°C bis (zumindest kurzzeitig) mindestens +400°C einsetzbar, wobei das Material innerhalb dieses Temperaturbereiches keine Umwandlung erfährt (kein Glasübergang). Ferner ist das Material auch hinsichtlich seiner Beständigkeit gegenüber Säuren und Basen gegenüber anderen Materialien überlegen.
Eine Polyimid-Schicht kann einfach und kostengünstig auf ein Werkstück aufgebracht werden, indem eine Präpolyimid-Zusammensetzung (Präpolymerisat) in flüssiger Form appliziert wird. Derartige Präpolyimid-Zusammensetzungen sind bekannt und werden in der Technik vielfältig eingesetzt. Es handelt sich hierbei um Zusammensetzungen, die ein oder mehrere Vorprodukte des Polyimids, das/die durch Kondensation in das Endprodukt umgewandelt wird/werden, enthalten. Diese Präpolymerisate können direkt aus den Ausgangssubstanzen für die Herstellung von Polyimid oder durch Umkehr der Polymerisation erhalten werden. Zur Herstellung der Polyimidschicht wird die Präpolyimid-Zusammensetzung auf die Werkstückoberfläche aufgebracht und dort zum Polyimid umgewandelt. Dabei wird ein in der Zusammensetzung enthaltenes Lösungsmittel, meistens 1-Ethylpyrrolidon (NEP), durch Verdunstung entfernt. Gleichzeitig findet die Kondensation des oder der Vorprodukte zum Polyimid statt. Das Polyimid kann vorzugsweise aus einer der nachfolgend angegebenen Gruppen ausgewählt sein: Carboranimid, wasserstofffreies Polyimid, Poly-triazo-pyrometalithimid, Polyesterimid und Polyamidimid. Das Vorprodukt des Polyimids kann beispielsweise aus Pyromellithsäuredianhydrid (Benzol-1,2,4,5-tetracarbonsäure-1,2:4,5-dianhydrid) und einem geeigneten Diamin, beispielsweise 4,4'-Diaminodiphenylether, 3,4'-Diaminodiphenylether, 4,4'-Diaminodiphenylensulfid, 4,3'-Diaminobenzanilid, 3,4'-Diaminobenzanilid, 3,3'-Diaminobenzanilid, N,N'-m-Phenylen-bis(4-aminobenzamid), Isophthal-(3-aminoanilid), Bis(4-aminophenyl)-isophthalat, m-Phenylendiamin, 4,4'-Methylendianilin, 1,5-Diamino-5-methylpentan, gebildet werden. Die Präpolymerlösungen sind handelsüblich und können beispielsweise von Fa. A&S Chemie, Tübingen, DE bezogen werden.
Eine alternative Herstellungsmöglichkeit für die Gleitschicht besteht darin, vollständig vernetztes Polyimid in Form von Granulat mit den Nanopartikeln homogen zu vermischen, das Gemisch auf der zu beschichtenden Oberfläche zu verteilen und unter Einwirkung von erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur zu einer Schicht zu sintern.
Die in die erfindungsgemäße Reib- oder Gleitschicht eingelagerten Nanopartikel bestehen vorzugsweise aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Graphit, Polytetrafluorethylen, Bornitrid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Tantalnitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumcarbid, Zinkoxid, Zinksulfid, Titandioxid (Anatas, Rutil, Mischungen von Anatas und Rutil), Siliziumdioxid, Eisenoxid, Aluminiumoxid (Korund), Diamant, Kupfer, Silber und Gold. Ganz besonders bevorzugt werden Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Bornitrid, Zinkoxid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Graphit, Polytetrafluorethylen, Kupfer, Silber und Gold zur Verminderung der Reibung der sich berührenden Teile verwendet. Grundsätzlich kann hierfür auch Titandioxid in der Anatas-Modifikation verwendet werden. Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der beanspruchten Oberflächen werden insbesondere Wolframdisulfid, Bornitrid, Zinksulfid, Zinkoxid, Titandioxid, insbesondere in der Rutil-Modifikation, Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumcarbid, Tantalnitrid, Eisenoxid und Diamant eingesetzt. Eisenoxid kann jedes Eisenoxid sein, beispielsweise Fe₂O₃, Fe₃O₄ sowie die unterstöchiometrischen Eisenoxide.
Aluminiumoxid (Korund) kann u. a. zur Einstellung einer erhöhten Gleitreibung in die erfindungsgemäße Reib- bzw. Gleitschicht eingelagert werden. Diese Materialien in Form der Nanopartikel sind handelsüblich und können beispielsweise von Fa. Evonik, Essen, DE bezogen werden.
Die erfindungsgemäße Reib- oder Gleitschicht kann in einer Ausführungsform lediglich eine einzige Art von Nanopartikeln enthalten, d. h. Nanopartikel aus einem einzigen Material, beispielsweise aus einem der vorgenannten Materialien. Es ist aber auch möglich, dass die Schicht erste Nanopartikel aus einem ersten Material und zweite Nanopartikel aus einem zweiten Material enthält, wobei das erste Material von dem zweiten Material verschieden ist. Beispielsweise können Siliziumdioxid-Nanopartikel und Titandioxid-Nanopartikel enthalten sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Typen von Nanopartikeln unterschiedlich groß sind. So können beispielsweise Nanopartikel aus Molybdändisulfid enthalten sein und zwar zum einen Partikel mit einem Durchmesser von 20 nm und Nanopartikel mit einem Durchmesser von 50 nm. Des Weiteren können auch Partikel sowohl aus unterschiedlichem Material als auch mit unterschiedlichem Durchmesser enthalten sein, beispielsweise 20 nm große Siliziumdioxid-Partikel und 50 nm große Titandioxid-Partikel. Durch eine geeignete Kombination von Nanopartikeln aus unterschiedlichen Materialien und/oder mit unterschiedlichem Durchmesser kann der Reibwert der Schicht gezielt eingestellt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, drei Arten von Nanopartikeln aus jeweils unterschiedlichem Material und/oder mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser oder vier Arten von Nanopartikeln aus jeweils unterschiedlichem Material und/oder mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser oder auch fünf oder sechs oder noch mehr Arten von Nanopartikeln in der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht einzusetzen. Dadurch können sehr fein abgestimmte insbesondere tribologische Eigenschaften der Gleitschicht erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Reib- oder Gleitschicht kann zusätzlich zu den Nanopartikeln auch andere Bestandteile enthalten, beispielsweise Korrosionsinhibitoren, die die Oberfläche des beschichteten Werkstückes gegen Korrosion schützen, und Haftverbesserer, mit denen die Haftfestigkeit der Reib- oder Gleitschicht auf der Werkstückoberfläche erhöht werden kann. Diese weiteren Additive sind auch im Hinblick auf die tribologischen Eigenschaften von erheblichem Vorteil, weil eine Korrosion des Trägermaterials oder eine mangelnde Haftfestigkeit zum Trägermaterial zu schnellem Abrieb führen würde.
Als Haftverbesserer können beispielsweise Silanverbindungen eingesetzt werden. Diese Verbindungen können in der Schicht gegebenenfalls zumindest teilweise hydrolysieren (Sol-Gel-Verfahren). Die Silanverbindungen enthalten mindestens zwei, vorzugsweise drei an das Siliziumatom gebundene Alkyl- und/oder Arylgruppen, wobei die Alkylgruppen vorzugsweise C₁-C₁₈-Gruppen sind und Arylgruppen vor allem Phenylgruppen sein können, die zudem mit C₁-C₈-Alkyl substituiert sein können. Ferner enthalten die Silanverbindungen zwei, vorzugsweise eine, an das Siliziumatom gebundene hydrophile Gruppe, beispielsweise eine C₁-C₈-Alkylenoxygruppe oder eine C₁-C₈-Alkylenglycidylgruppe. Beispielsweise können als Haftverbesserer Glycidylalkyltrialkylsilan-Verbindungen eingesetzt werden, insbesondere Glycidylpropyltrimethylsilan, die zum einen eine gute Haftfestigkeit der Schicht zur Werkstückoberfläche und zum anderen auch eine verstärkte Wechselwirkung der Schicht zu den eingebetteten Nanopartikeln vermitteln. Die verbesserte Haftfestigkeit macht sich insbesondere bei einer Beschichtung von Stahloberflächen und/oder bei Verwendung von Oxid-Nanopartikeln, wie Titandioxid-Nanopartikeln, bemerkbar, weil die Silanverbindungen vermutlich einerseits eine erhöhte chemische Wechselwirkung über Si-O-Gruppen zur Stahloberfläche bzw. zur Oxid-Oberfläche der Nanopartikel und vermutlich andererseits über die Alkylgruppen eine gute Wechselwirkung zum Polymergerüst eingehen.
Ferner kann unterhalb oder innerhalb der Polyimidschicht zusätzlich eine druckstabile Schicht, beispielsweise ein Silikat, das mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden kann, auf das passivierte Trägermaterial aufgebracht sein, wenn hohe Druckbelastungen zu erwarten sind.
Das Trägermaterial zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht kann aus beliebigem Material bestehen und beliebig geformt sein. Beispielsweise können Werkstücke aus Stahl, einschließlich Maschinenbaustahl und Edelstahl, Aluminium und dessen Legierungen, Kupfer und dessen Legierungen, Titan und dessen Legierungen, Bronzen, Keramik sowie Polymeren, einschließlich Polyimid, mit der erfindungsgemäßen Schicht beschichtet werden. Es genügt typischerweise, dass eine der beiden sich im Betrieb berührenden Oberflächen beschichtet wird. Vorteilhaft ist es, wenn die größere dieser beiden Oberflächen beschichtet wird. Selbstverständlich können auch beide Oberflächen beschichtet werden. Auch eine partielle Beschichtung einer Oberfläche oder von beiden Oberflächen ist möglich.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht auf einer tribologisch beanspruchten Oberfläche eines Werkstückes wird ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten angewendet:

(a) Bereitstellen des Werkstückes;
(b) Vorbehandeln der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstückes;
(c) Aufbringen einer zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht geeigneten Behandlungsflüssigkeit;
(d) Einbrennen der Behandlungsflüssigkeit unter Bildung der Reib- oder Gleitschicht.

Das Einbrennen der Behandlungsflüssigkeit unter Bildung der Schicht gemäß Schritt (d) umfasst entweder einen rein physikalischen Schritt, der durch Entfernen des Lösungsmittels der Behandlungsflüssigkeit charakterisiert werden kann, oder einen rein chemischen Schritt, bei dem zumindest einige der sich in der Behandlungsflüssigkeit enthaltenen Komponenten chemisch miteinander reagieren oder eine oder mehrere dieser Komponenten umgewandelt werden, beispielsweise polymerisieren, sodass die Schicht gebildet wird. In letzterem Falle kann das Einbrennen in einem thermischen Aushärten bestehen. Selbstverständlich sind auch Kombinationen dieser beiden Typen möglich.
Die Werkstückoberflächen werden vor dem Aufbringen der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht zunächst im Allgemeinen gereinigt und gegebenenfalls entfettet und dann bevorzugt vorbehandelt, um eine haftfeste Beschichtung mit der Schicht zu ermöglichen und um gegebenenfalls auch eine Korrosionsschutzschicht auf der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Hierzu wird die Oberfläche im Allgemeinen leicht aufgeraut, beispielsweise durch Sandstrahlen oder durch Erzeugen einer chemischen Konversionsschicht, etwa einer Phosphatierungsschicht oder einer Chromatierungsschicht, bevorzugt einer Chromat-freien Konversionsschicht, oder durch Beflammen oder Behandeln mit einem atmosphärischen Plasma oder durch Aufbringen einer Titan/Zirkon-Legierung oder durch galvanisches Aufbringen einer Zink enthaltenden Metallschicht, beispielsweise einer reinen Zinkschicht oder einer Zink/Nickel-Legierungsschicht.
Die mit der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht versehenen Werkstücke können typischerweise als Lager- oder Antriebsvorrichtungen dienen. Beispielsweise können derartig beschichtete Teile in Schließsystemen, Bremsensystemen, insbesondere auf Scheibenbremsenteilen, auf Sitzgurtteilen von Automobilen, an Kolben, insbesondere in der Hydraulik, in Kompressoren und in Vakuumpumpensystemen, in offenen oder geschlossenen Getrieben, auf Ketten, beispielsweise Antriebs- oder Steuerketten, auf Schrauben, insbesondere um diese für eine automatisierte Montage mit einer vorgegebenen Gleitreibung, d. h. mit einem vorgegebenen Drehmoment, eindrehen zu können, ferner Scharnierbolzen, Gewindespindeln, Gleitlagern, Wälzlagern, Linearführungen, Wellen, Nocken, Nut- und Feder-Systemen, Zahnkränzen, Lagerbuchsen, Magnetankern, Federn, beispielsweise Blatt-, Spiral-, Flachspiral- und Tellerfedern, und auf einer Vielzahl anderer Werkstücke aufgebracht sein. Gleichfalls kann die erfindungsgemäße Gleitschicht auch für die Erleichterung der Verarbeitbarkeit bei der Metallumformung eingesetzt werden.
Die Reib- oder Gleitschicht wird mit einem der bekannten Verfahren der Auftragstechnik auf dem zu beschichtenden Werkstück erzeugt. Beispielsweise kann die Schicht durch Eintauchen des Werkstückes in die Beschichtungsflüssigkeit, durch Aufsprühen der Flüssigkeit auf das Werkstück, durch Aufschleudern, Aufpinseln, Aufrollen auf das Werkstück sowie mit dem Tampondruck aufgebracht werden. Hierbei kann das Werkstück je nach dessen Art in herkömmlicher Art und Weise entweder an einem Gestell befestigt oder in einer Trommel, bevorzugt in einer Sprühtrommel, oder auf einer Horde gehalten werden. Massenschüttgüter wie Schrauben werden beispielsweise in Trommeln gehalten.
Nach dem Aufbringen der Präpolyimid-Schicht auf das Werkstück wird die Schicht getrocknet und eingebrannt. Dabei wird diese Schicht zum Polyimid umgewandelt.
Die nachfolgend angegebenen Figuren und Beispiele veranschaulichen die Erfindung, ohne dass dies eine Beschränkung des Schutzbereiches der Erfindung bedeutet. Es zeigen im Einzelnen:
1: einen Vergleich der Reibwerte einer Referenzprobe und einer Probe mit einer erfindungsgemäßen Polyimidschicht mit 10 Gew.-% hexagonalem Bornitrid, 70 nm Partikelgröße, über die Zeit;
2: einen Vergleich der Reibwerte der Referenzprobe und einer Probe mit einer erfindungsgemäßen Polyimidschicht mit 3 Gew.-% Molybdändidsulfid, 50 nm Partikelgröße, über die Zeit;
3: einen Vergleich der Reibwerte der Referenzprobe und einer Probe mit einer erfindungsgemäßen Polyimidschicht mit 10 Gew.-% Molybdändidsulfid, 50 nm Partikelgröße, über die Zeit;
4: einen Vergleich der Gutlaststufen für die Referenzprobe und zwei Proben mit erfindungsgemäßen Polyimidschichten.
Referenzbeispiel 1:
Prüfplatten aus 100Cr6-Stahl wurden mit einer Reib- oder Gleitschicht ohne Einlagerung von Nanopartikeln überzogen. Hierzu wurden die Prüfplatten zunächst gereinigt und entfettet und dann zur Erhöhung der Oberflächenrauheit sandgestrahlt, damit eine ausreichende Haftfestigkeit der abgeschiedenen Schicht auf den Prüfplatten erreicht wurde. Zur Erzeugung der Reib- oder Gleitschicht wurde eine Präpolyimidlösung von Fa. A&S Chemie eingesetzt. Diese Lösung enthielt keine Partikel. Die Lösung wurde zur Erzeugung der Reib- oder Gleitschicht auf die Prüfplatten aufgesprüht, sodass eine maximal 5 μm dicke Schicht erzeugt wurde. Die gebildete Schicht wurde getrocknet und bei 180°C in einem Ofen eingebrannt. Es entstand eine Polyimidschicht auf der Prüfplatte, die keine Nanopartikel enthielt.
Zur Ermittlung des Reibwertes der gebildeten Schicht wurde die Prüfplatte in einem Messstand einer Messung zur Ermittlung des Reibwiderstandes unterworfen. Hierzu wurde ein Messstempel mit einer Normalkraft von 350 N/mm² senkrecht auf die Schicht aufgedrückt und der Messstempel dann parallel zur Oberfläche mit einer Auslenkung von 3 mm und mit einer Frequenz von 2 Hz oszillierend über die Oberfläche geführt. Dabei wurde die für die Auslenkung erforderliche Kraft über die Zeit aufgezeichnet. In den 1–3 ist die dabei erhaltene (strichlierte) Kurve im Vergleich zu Messungen mit erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschichten aufgezeichnet. Der Reibwert wurde mit einem standardisierten SRV-Gerät (SRV: Schwingungsreibungsversuch) bestimmt.
Der sich anfangs einstellende Reibwert stellt die Reibeigenschaften der Schicht dar. Ein hoher Reibwert bedeutet einen großen Gleitwiderstand. Der nach einer bestimmten Messzeit steil ansteigende Reibwert kommt durch den Verschleiß der Schicht zustande, wenn der Messstempel aufgrund des Abriebes der Schicht diese durchdrungen und zum Trägermaterial vorgedrungen ist. Für die Schicht ergibt sich eine Reibzahl von ca. 0,3.
Ferner wurde mittels desselben Messaufbaus auch der Verschleiß der Referenzschicht in Form der so genannten Gutlaststufen ermittelt, d. h. es wurde die Last ermittelt, ab der ein Verschleiß auftritt. Hierzu wurde der Messstempel mit einer Normalkraft wiederum mit einer Auslenkung von 3 mm und mit einer Frequenz von 2 Hz oszillierend über die Oberfläche geführt und ermittelt, ab welcher Normalkraft die Schicht merklichem Verschleiß unterworfen ist. Während der Messung wurde die Normalkraft laufend erhöht, um die Last, bei der der Messstempel zum Trägermaterial durchbricht, zu detektieren. Diese Messung wurde in Übereinstimmung mit der in DIN 51834 festgelegten Methode ermittelt.
In 4 ist ein Vergleich der ermittelten Gutlaststufen an der Referenzschicht und an erfindungsgemäßen Schichten gezeigt. Die Referenzschicht hält nur einer Belastung von 0,4 N stand, bevor merklicher Verschleiß auftritt.
Erfindungsgemäße Beispiele 2–4:

Die Herstellung von erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschichten wurde wie in Referenzbeispiel 1 beschrieben durchgeführt. Allerdings wurde anstelle der reinen Präpolyimidlösung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht ein Gemisch der Präpolyimidlösung mit unterschiedlichen Nanopartikeln verwendet. Hierzu wurden die Präpolyimidlösung und das nanoskalige Pulver in einem Mischer vermischt und zur Sprühbehandlung in einem Vorratsbehälter zur Verfügung gestellt. Die Arten der in die Polyimidschicht eingelagerten Nanopartikel sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1:

Beispiel Nr.	Nanopartikel	Fig. Nr.
2	10 Gew.-% Bornitrid, 70 nm Partikeldurchmesser	1
3	3 Gew.-% Molybdändisulfid, 50 nm Partikeldurchmesser	2
4	10 Gew.-% Molybdändisulfid, 50 nm Partikeldurchmesser	3

Die Mengenangaben für die Nanopartikel beziehen sich jeweils auf die Polyimidmatrix.
Nach der Herstellung der Schichten wurden die Reibwerte dieser Schichten mit dem für das Referenzbeispiel beschriebenen Messverfahren ermittelt und jeweils mit dem Reibwert der Referenzschicht aus dem Referenzbeispiel verglichen. Die jeweiligen Verläufe der zeitabhängig ermittelten Reibwert-Verlaufskurven sind in den 1–3 gezeigt, wobei 1 die Messung zu Beispiel 2, 2 die Messung zu Beispiel 3 und 3 die Messung zu Beispiel 4 wiedergeben.
Es zeigt sich, dass der jeweilige Reibwert von ca. 0,3 bei der Referenzschicht auf etwa 0,2 beim erfindungsgemäßen Beispiel 2 (Bornitrid) und sogar auf etwa 0,1–0,2 (Molybdändisulfid) bei den erfindungsgemäßen Beispielen 3 und 4 sinkt.
Beispiele 5–6
Die Herstellung von erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschichten wurde wie in Referenzbeispiel 1 beschrieben durchgeführt. Allerdings wurde anstelle der reinen Präpolyimidlösung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Reib- oder Gleitschicht ein Gemisch der Präpolyimidlösung mit Nanopartikeln verwendet. Der Präpolyimidlösung wurde in beiden erfindungsgemäßen Beispielen jeweils 1 Gew.-% TiO₂ in der Anatas-Konfiguration zugemischt. Die Präpolyimidlösung von Beispiel 6 enthielt zusätzlich 1 Gew.-% Glycidylpropyltrimethylsilan (GPTMS). In Tabelle 2 sind die Zusätze zur Präpolyimidlösung angegeben. Tabelle 2:

Beispiel Nr. Nanopartikel Haftungsverbesserer

5 1 Gew.-% TiO₂ (Anatas), 25 nm Partikeldurchmesser ./.

6 1 Gew.-% TiO₂ (Anatas), 25 nm Partikeldurchmesser 1 Gew.-% Gylcidylpropyltrimethylsilan
Die Mengenangaben für die Nanopartikel beziehen sich wiederum jeweils auf die Polyimidmatrix.
Mittels des zum Referenzbeispiel 1 beschriebenen Messaufbaus wurde der Verschleiß der erfindungsgemäßen Schichten in Form der so genannten Gutlaststufen ermittelt, d. h. es wurde die Last ermittelt, ab der ein Verschleiß auftritt. Hierzu wurde der Messstempel mit einer Normalkraft mit einer Auslenkung von 3 mm und mit einer Frequenz von 2 Hz oszillierend über die Oberfläche geführt und ermittelt, ab welcher Normalkraft die Schicht merklichem Verschleiß unterworfen ist. Während der Messung wurde die Normalkraft laufend erhöht, um die Last, bei der der Messstempel zum Trägermaterial durchbricht, zu detektieren. Diese Messung wurde in Übereinstimmung mit der in DIN 51834 festgelegten Methode ermittelt.
In 4 ist der Vergleich der ermittelten Gutlaststufen an der Referenzschicht sowie an den erfindungsgemäßen Schichten aus Beispiel 5 und Beispiel 6 gezeigt. Während die Referenzschicht nur einer Belastung von 0,4 N standhält, bevor merklicher Verschleiß auftritt, wird die Verschleißbeständigkeit der Schicht bei Einlagerung der nanoskaligen Titandioxid-Partikel auf 1 N und teilweise sogar auf 3,1–4,1 N erhöht. Bei zusätzlicher Verwendung von Glycidylpropyltrimethylsilan als Haftverbesserer steigt die Verschleißbeständigkeit sogar noch weiter an. Die erhaltenen Messwerte von durchgängig 4,1 N zeigen die maximal mit der verwendeten Messapparatur ermittelbaren Werte an, sodass die tatsächlichen Gutlaststufen in Wirklichkeit noch höher liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007013707 A1 [0002, 0009]
DE 10144996 B4 [0003]
US 3567504 [0004]
DE 3050056 C1 [0005, 0015]
DE 2366046 A1 [0006]
EP 1331412 B1 [0007]
US 4847135 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 51834 [0042]
DIN 51834 [0050]

Claims

Reib- oder Gleitschicht, umfassend Polyimid als Bindemittel und in das Bindemittel eingelagerte Partikel, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 1000 nm sind.
Reib- oder Gleitschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel einen Durchmesser von 15 bis 700 nm haben.
Reib- oder Gleitschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel einen Durchmesser von 30 bis 300 nm haben.
Reib- oder Gleitschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Graphit, Polytetrafluorethylen, Bornitrid, Titannitrid, Siliziumnitrid, Tantalnitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumcarbid, Zinkoxid, Zinksulfid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Eisenoxid, Diamant, Kupfer, Silber und Gold.
Reib- oder Gleitschicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste Nanopartikel aus einem ersten Material und zweite Nanopartikel aus einem zweiten Material in die Reib- oder Gleitschicht eingelagert sind und dass das erste Material von dem zweiten Material verschieden ist.
Reib- oder Gleitschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Reib- oder Gleitschicht höchstens 5 μm beträgt.
Reib- oder Gleitschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel in einer Konzentration von 0,5 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das Polyimid, in die Reib- oder Gleitschicht eingelagert sind.
Reib- oder Gleitschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel in einer Konzentration von 3 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Polyimid, in die Reib- oder Gleitschicht eingelagert sind.
Reib- oder Gleitschicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reib- oder Gleitschicht zusätzlich ein Silan als Haftverbesserer enthält.
Verfahren zum Herstellen einer Reib- oder Gleitschicht auf einer tribologisch beanspruchten Oberfläche eines Werkstückes, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen des Werkstückes; (b) Vorbehandeln der zu beschichtenden Oberfläche des Werkstückes; (c) Aufbringen einer zur Erzeugung einer Polyimid als Bindemittel und in das Bindemittel eingelagerte Nanopartikel mit einem Partikeldurchmesser von weniger als 1000 nm enthaltenden Reib- oder Gleitschicht geeigneten Behandlungsflüssigkeit; (d) Einbrennen der Behandlungsflüssigkeit unter Bildung der Reib- oder Gleitschicht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die in Verfahrensschritt (c) verwendete Behandlungsflüssigkeit mindestens ein Vorprodukt zur Herstellung von Polyimid sowie die Nanopartikel enthält.