DE102011077022A1 - Bearing component, useful e.g. in electronics manufacturing, comprises coating for electrical insulation comprising silane and/or siloxane compound, metal alcoholate, polyether ether ketone and/or polytetrafluoroethylene as dispersion - Google Patents

Bearing component, useful e.g. in electronics manufacturing, comprises coating for electrical insulation comprising silane and/or siloxane compound, metal alcoholate, polyether ether ketone and/or polytetrafluoroethylene as dispersion Download PDF

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Abstract

Bearing component comprises a coating for electrical insulation, comprising a silane and/or a siloxane compound, a metal alcoholate, polyether ether ketone (PEEK) and/or polytetrafluoroethylene (PTFE) as dispersion. An independent claim is also included for a coating method for a bearing component, comprising applying the coating on the bearing component, and subsequently sintering by pulsed magnetic induction on the component surface.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein Lagerbauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein entsprechendes Beschichtungsverfahren für ein Lagerbauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 6.The present invention relates to a coating for a bearing component having the features of the preamble of claim 1 and a corresponding coating method for a bearing component having the features of the preamble of claim 6.

Bauteile, insbesondere Lagerbauteile, bei denen die tribologischen Eigenschaften von besonderer Bedeutung sind, werden zur elektrischen Isolierung und/oder zur Verbesserung ihrer tribologischen Eigenschaften mit speziellen Beschichtungen versehen. Üblicherweise werden zur elektrischen Isolierung dicke keramische Spritzschichten auf die Bauteile aufgetragen.Components, in particular bearing components, in which the tribological properties are of particular importance, are provided with special coatings for electrical insulation and / or for improving their tribological properties. Usually thick ceramic sprayed coatings are applied to the components for electrical insulation.

Ein Problem bei den typischen dicken Keramikschichten ist, dass sich diese Schichten teilweise nur begrenzt oder gar nicht für Lagerbauteile eignen. Insbesondere ist bisher keine Beschichtung bekannt, die neben guten elektrischen Isolationseigenschaften gleichzeitig den hohen Anforderungen der Überrollfähigkeit – die bei manchen Lagerbauteilen Vorraussetzung ist – gerecht wird. Die dicken Keramikschichten müssen darüber hinaus in der Regel nachbearbeitet werden und weisen eine verhältnismäßig hohe Masse auf. Darüber hinaus sind die Keramikschichten für kleine Lager mit Innendurchmessern kleiner als 75 mm nicht geeignet, da diese aufgrund der geringen Lagertoleranzen keine dicke Isolierschicht zulassen oder aus prozesstechnischen bzw. geometrischen Gründen nicht mit einer keramischen Spritzbeschichtung ausgestattet werden können.A problem with the typical thick ceramic layers is that these layers are partially limited or not at all suitable for bearing components. In particular, no coating has hitherto been known which, in addition to good electrical insulation properties, simultaneously meets the high requirements of roll-over capability - which is a prerequisite for some bearing components. In addition, the thick ceramic layers must generally be post-processed and have a relatively high mass. In addition, the ceramic layers for small bearings with inner diameters smaller than 75 mm are not suitable because they do not allow a thick insulating layer due to the low bearing tolerances or process-technical or geometric reasons can not be equipped with a ceramic spray coating.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung und ein entsprechendes Beschichtungsverfahren für ein Lagerbauteil bereitzustellen, wodurch eine elektrisch isolierende und gleichzeitig überrollfähige Beschichtung auf ein Bauteil appliziert werden kann.The invention is therefore based on the object to provide a coating and a corresponding coating method for a bearing component, whereby an electrically insulating and simultaneously rollable coating can be applied to a component.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Beschichtungsverfahren und eine entsprechende Beschichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der zügehörigen Beschreibung zu entnehmen.The invention solves this problem by a coating method and a corresponding coating with the features of claims 1 and 6. Further preferred embodiments of the invention can be found in the dependent claims and the associated description.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Lagerbauteil mit einer elektrischen Isolation vorgeschlagen, wobei die Beschichtung zumindest die folgenden Stoffe umfasst:

  • a) Eine Silan- und/oder Siloxanverbindung,
  • b) ein Metallalkoholat,
  • d) PEEK und/oder PTFE als Dispersion.
To achieve the object, a bearing component with an electrical insulation is proposed according to the invention, wherein the coating comprises at least the following substances:
  • a) a silane and / or siloxane compound,
  • b) a metal alcoholate,
  • d) PEEK and / or PTFE as a dispersion.

Des Weiteren wird zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß ein Beschichtungsverfahren für ein Lagerbauteil vorgeschlagen, bei dem ein Lagerbauteil mit einer derartigen Beschichtung beschichtet wird und die Beschichtung in einem ersten Schritt auf das Lagerbauteil aufgebracht wird und anschließend durch gepulste magnetische Induktion auf der Bauteiloberfläche gesintert wird.Furthermore, a coating method for a bearing component is proposed according to the invention for solving the object, in which a bearing component is coated with such a coating and the coating is applied to the bearing component in a first step and then sintered by pulsed magnetic induction on the component surface.

Durch das erfindungsgemäße Lagerbauteil bzw. durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren ist es möglich, herausragende tribologische Eigenschaften bei gleichzeitiger mechanischer Festigkeit und elektrischer Isolierung in einer Schicht zu kombinieren.By the bearing component according to the invention or by the coating method according to the invention, it is possible to combine outstanding tribological properties with simultaneous mechanical strength and electrical insulation in one layer.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung zusätzlich eine Lösemittelmischung aus organischem Lösemittel umfasst.It is advantageous if the coating additionally comprises a solvent mixture of organic solvent.

Ferner ist die Silan- und/oder Siloxanverbindung vorzugsweise als Acyloxysilan, Alkylsilan, Aminosilan, Bis-Silyl-Silan, Epoxysilan, Fluoralkylsilan, Glycidoxysilan, Isocyanato-Silan, Mercapto-Silan, (Meth)acrylato-Silan, Mono-Silyl-Silan, Multi-Silyl-Silan, Schwefel enthaltendes Silan, Ureidosilan, Vinylsilan und/oder als entsprechendes Siloxan ausgeführt.Furthermore, the silane and / or siloxane compound is preferably as acyloxysilane, alkylsilane, aminosilane, bis-silyl-silane, epoxysilane, fluoroalkylsilane, glycidoxysilane, isocyanato-silane, mercapto-silane, (meth) acrylato-silane, mono-silyl-silane, Multi-silyl-silane, sulfur-containing silane, ureidosilane, vinylsilane and / or designed as a corresponding siloxane.

Vorzugsweise umfasst die Beschichtung zusätzlich ein organisches Polymer, welches durch Polymerisation olefinisch ungesättigter Monomere gewonnen wurde.Preferably, the coating additionally comprises an organic polymer which has been obtained by polymerization of olefinically unsaturated monomers.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung zusätzlich ein Tensid umfasst, wobei das Tensid vorzugsweise Netzmittel und/oder Entlüfter und/oder Entschäumer umfasst.Furthermore, it is advantageous if the coating additionally comprises a surfactant, wherein the surfactant preferably comprises wetting agents and / or deaerators and / or defoamers.

Beim Beschichtungsverfahren ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung in einem ersten Schritt auf das Bauteil aufgebracht wird und anschließend durch gepulste magnetische Induktion auf der Bauteiloberfläche gesintert wird. Der Einsatz von gepulster magnetischer Induktion ermöglicht das Sintern von Kunststoffpartikeln im Milli- und Nanosekundenbereich. Mit der gepulsten magnetischen Induktion werden extrem steile Temperaturgradienten erzeugt, die nur wenige Mikrometer tief in das Substrat eindringen und dadurch den Grundwerkstoff nicht negativ beeinflussen.In the coating method, it is advantageous if the coating is applied to the component in a first step and is then sintered by pulsed magnetic induction on the component surface. The use of pulsed magnetic induction enables the sintering of plastic particles in the millisecond and nanosecond range. The pulsed magnetic induction generates extremely steep temperature gradients that penetrate only a few microns deep into the substrate and thus do not adversely affect the base material.

Zur Vermeidung von unerwünschten Verzunderungen oder Oxidationen der aufgebrachten Beschichtung oder von Lufteinschlüssen in der Beschichtung, wird das Beschichtungsverfahren bevorzugt unter Schutzgas oder Vakuum durchgeführt.In order to avoid undesirable scaling or oxidation of the applied coating or of air inclusions in the coating, the coating process is preferably carried out under protective gas or vacuum.

Die durch das Beschichtungsverfahren erzeugte Beschichtung weist vorzugsweise eine Dicke auf, die in einem Bereich zwischen 1 bis 25 ☐m, weiter bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 bis 10 ☐m liegt. Diese verhältnismäßig dünnen Schichten eignen sich gut für Bauteile, für die hohe Anforderungen an Bauteiltoleranzen bestehen.The coating produced by the coating method preferably has a thickness ranging from 1 to 25 μm, more preferably ranging from 1 to 10 μm lies. These relatively thin layers are well suited for components for which there are high demands on component tolerances.

Durch die erfindungsgemäße Beschichtung bleiben die Maße und Oberflächenrauheiten nahezu unverändert. Die tribologischen Eigenschaften können verbessert werden und gleichzeitig kann auch den mechanischen Beanspruchungen gerecht werden. Vorzugsweise wird eine Kunststoffdispersion aus PEEK und Metallalkoholaten, eine sog. Sol-Gel-Schicht über ein Induktionshärten in eine harte Schicht überführt.Due to the coating according to the invention, the dimensions and surface roughness remain virtually unchanged. The tribological properties can be improved and at the same time can also cope with the mechanical stresses. Preferably, a plastic dispersion of PEEK and metal alcoholates, a so-called. Sol-gel layer is transferred via an induction hardening in a hard layer.

Die bisher bei Wälzlagern verwendeten Kohlenstoffschichten weisen metallische Elemente (als a-C:Me bezeichnet) auf, diese Schichten zeichnen sich zwar durch hervorragende tribologische Eigenschaften aus, jedoch sind sie aufgrund des metallischen Anteils elektrisch leitend. Metallfreie Kohlenstoffschichten (beispielsweise a-C:H, a-C:H:a, ta-C:H, ta-C) weisen sehr gute tribologische Gleiteigenschaften auf, jedoch halten sie den mechanischen Beanspruchungen, die in Wälzlagern auftreten, nicht stand.The carbon layers previously used in rolling bearings have metallic elements (referred to as a-C: Me), these layers are characterized by excellent tribological properties, but they are electrically conductive due to the metallic portion. Metal-free carbon layers (for example a-C: H, a-C: H: a, ta-C: H, ta-C) have very good tribological sliding properties, but they do not withstand the mechanical stresses that occur in roller bearings.

Die vorzugsweise eingesetzte Dispersionsbeschichtung ist eine Verfahrensweise, bei der Kunststoffpartikel, ein organisch-anorganische Hybridverbindung meistens in organischem Lösungsmittel und/oder in Wasser gelöst, mittels eines Druckbeschichtungsverfahrens (oder eines anderen Beschichtungsverfahren wie Tauchen, Spritzen, Walzen oder ähnliches) als sehr dünne Dispersionsbeschichtung auf dem zu beschichtenden Oberflächenbereich aufgebracht werden.The preferably used dispersion coating is a method in which plastic particles, an organic-inorganic hybrid compound mostly dissolved in organic solvent and / or in water, by means of a pressure coating method (or other coating method such as dipping, spraying, rolling or the like) as a very thin dispersion coating be applied to the surface area to be coated.

Bei der Entwicklung der Kunststoffbeschichtung, die bevorzugt auch als Tuchbeschichtung aufgebracht wird, werden an die Dispersion besondere Anforderungen gestellt. Insbesondere muss der teils geringen Korrosionsbeständigkeit der zu beschichtenden Materialien (insb. bei Stählen) bei der Dispersionszusammensetzung, der Substratreinigung sowie bei der Wärmebehandlung der Schicht Rechnung getragen werden.In the development of the plastic coating, which is preferably applied as a cloth coating, special requirements are placed on the dispersion. In particular, the sometimes low corrosion resistance of the materials to be coated (especially in the case of steels) must be taken into account in the dispersion composition, the substrate cleaning and in the heat treatment of the layer.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of an embodiment.

In diesem Ausführungsbeispiel wird eine PEEK Kunststoffschicht mit herausragenden tribologischen Eigenschaften bei gleichzeitiger hoher mechanischer Festigkeit und elektrischen Isolationseigenschaften erzeugt.In this embodiment, a PEEK plastic layer is produced with outstanding tribological properties while high mechanical strength and electrical insulation properties.

Dazu wird eine 1 bis 10 ☐m dicke Beschichtung auf ein Lagerbauteil, beispielsweise ein Wälzlager aus einem kostengünstigen Stahl wie 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, oder 80Cr2 appliziert. Erfindungsgemäß wird eine Kunststoffdispersion aus PEEK und Metallalkoholaten (die Sol-Gel-Schicht) durch elektromagnetische Induktion in eine harte Beschichtung überführt. Elektromagnetische Induktionsanlagen sind im Vergleich zu klassischen Umluft-Trocknungsanlagen mit weniger Raumbedarf verbunden und lassen sich besser in Fertigungslinien für Lagerbaugruppen integrieren.For this purpose, a 1 to 10 .mu.m thick coating is applied to a bearing component, for example a rolling bearing made of a cost-effective steel such as 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, or 80Cr2. According to the invention, a plastic dispersion of PEEK and metal alcoholates (the sol-gel layer) is converted into a hard coating by electromagnetic induction. Electromagnetic induction systems require less space than traditional recirculating air drying systems and can be better integrated into production lines for bearing assemblies.

Zur Vorbereitung werden die Bauteile gereinigt. Dabei kann auf die in der industriellen Praxis üblichen Verfahren, zum Beispiel Heißentfettungsbäder mit Tensiden und temporärem Korrosionsschutz problemlos zurückgegriffen werden. Trotz des temporären Korrosionsschutzes, wie zum Beispiel bei Monoethanaloamin (MEA), der nach der Reinigung auf dem Bauteil verbleibt kommt es zu keiner Beeinträchtigung der abgeschiedenen Dispersionsbeschichtung.For preparation, the components are cleaned. In this case, it is easy to fall back on the methods customary in industrial practice, for example hot degreasing baths with surfactants and temporary corrosion protection. Despite the temporary corrosion protection, as for example with monoethanaloamine (MEA), which remains on the component after cleaning, there is no impairment of the deposited dispersion coating.

Die Wärmeeinbringung erfolgt, wie bereits beschrieben, vorzugsweise mittels gepulster magnetischer Induktion. Dabei wird die PEEK-Dispersion auf Lagerbauteile aus Stahl bei einer Temperatur eingebrannt, die vorzugsweise höher als der Schmelzpunkt von PEEK, weiter bevorzugt in einem Bereich von 350 bis 450°C, weiter bevorzugt in einem Bereich zwischen 390 bis 410°C, liegt.The heat is introduced, as already described, preferably by means of pulsed magnetic induction. In this case, the PEEK dispersion is baked on bearing components made of steel at a temperature which is preferably higher than the melting point of PEEK, more preferably in a range of 350 to 450 ° C, more preferably in a range between 390 to 410 ° C.

Bei einem anderen bevorzugten Vorgehen wird der Dispersionslack mittels einer thermischen Trocknung unter Einsatz von IR-Strahlung vorgetrocknet. Dadurch wird der Lack zu einer noch pulverförmigen organisch-anorganischen Hybrid-Schicht, ähnlich eines konventionellen hoch gefüllten bindemittelarmen Lackes mit einem schwachen Bindungscharakter zur Substratoberfläche. Diese Schicht wird dann einer weiteren höheren thermischen Trocknung von Temperaturen bis zu 400°C unterworfen, wobei der pulverförmige Charakter kontinuierlich verloren geht. Es beginnt das Schmelzen der organischen Schichtbestandteile und letztendlich entsteht bei diesem Sintern ein optisch homogener Kunststofffilm, welcher eine regelmäßig glatte und porenfreie Oberfläche aufweist.In another preferred procedure, the dispersion coating is predried by means of thermal drying using IR radiation. As a result, the lacquer becomes a still powdery organic-inorganic hybrid layer, similar to a conventional high-filled low-binder lacquer with a weak binding character to the substrate surface. This layer is then subjected to a further higher thermal drying of temperatures up to 400 ° C, whereby the powdery character is continuously lost. It begins the melting of the organic layer constituents and ultimately arises in this sintering, an optically homogeneous plastic film, which has a regularly smooth and non-porous surface.

Eine weitere Möglichkeit, um eine Kunststoffschicht zu erzeugen, ist der Einsatz von wässrigen Hartstoffsuspensionen. Hierbei wird in eine Hartstoffsuspension mit einem mikroskaligen Kunststoffpulver eingemischt, welches die Möglichkeit bietet, schwer abriebfeste Beschichtungen herzustellen. Derartige abriebfeste Beschichtungen können beispielsweise durch die Dispergierung von Soliziumdioxid (DEGUSSA, Aerosil OX50) mit Kunststoffpartikeln (Polyetherketon von Vitrex) in Wasser hergestellt werden. Diese Schichten können direkt nach dem Trocknen (IR-Trocknung) vom Lösemittel und der anschließenden gepulsten magnetischen Induktion des metallischen Substrats aufgeschmolzen werden. Durch die Methode ist es möglich, hochschmelzende Kunststoffe, wie Polyetherketone, auf das zu beschichtende Substraten binnen Sekunden aus der Pulverform zu einem Kunststofffilm aufzubringen.Another possibility to produce a plastic layer is the use of aqueous hard material suspensions. Here, a hard material suspension with a microscale plastic powder is mixed in, which offers the possibility to produce hard-wearing coatings. Such abrasion-resistant coatings can be prepared, for example, by dispersing silicon dioxide (DEGUSSA, Aerosil OX50) with plastic particles (polyether ketone from Vitrex) in water. These layers can be melted directly after drying (IR drying) of the solvent and the subsequent pulsed magnetic induction of the metallic substrate become. The method makes it possible to apply high-melting plastics, such as polyether ketones, to the substrates to be coated within seconds from the powder form to form a plastic film.

Für die Herstellung der organisch-anorganischen hybridpolymeren Kunststoffe werden ähnliche Ausgangschemikalien verwendet, wie diese auch für die Sole zur Abscheidung oxidkeramischer Grünschichten genutzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kunststoffdispersion aus PEEK und Metallalkoholaten (So-Gel) hergestellt. Metallalkoholate sind organische Verbindungen, bei denen an einem Metallion mehrere Alkoholreste über die Sauerstoffatome einer Alkylgruppe angelagert sind. Hergestellt werden diese durch die Reaktion von elementaren Metallen mit Alkoholen unter Abspaltung von Wasserstoff. Als Metallionen kommen für ein 4-wertiges Metall, Silizium, Titan oder Zirkon bzw. für ein 3-wertiges Metall, Aluminium, Yttrium oder Bor in Frage.For the production of the organic-inorganic hybrid polymer plastics similar starting chemicals are used, as these are also used for the sols for the deposition of oxide ceramic green sheets. In this embodiment, the plastic dispersion of PEEK and metal alcoholates (so-gel) is produced. Metal alcoholates are organic compounds in which a plurality of alcohol residues are attached to a metal ion via the oxygen atoms of an alkyl group. These are prepared by the reaction of elemental metals with alcohols with elimination of hydrogen. Suitable metal ions for a 4-valent metal, silicon, titanium or zirconium or for a 3-valent metal, aluminum, yttrium or boron in question.

Metallalkoholate sind äußerst reaktionsfreudig, die Alkoholate können beispielsweise mit Wasser oder organischen Verbindungen reagieren. Dabei werden die Alkoholreste abgespalten. Die Reaktion mit organischen Verbindungen nutzt man aus, um Sole mit polymerischen Strukturen herzustellen. Die Reaktion mit Wasser darüber hinaus ist zu vermeiden. Metallalkoholate sind sehr leicht hydrolysierbar, so dass bereits geringe Mengen Wasser zu einem unkontrollierten Ausfallen makromolekularer Metall-Hydroxidpartikel führen kann. Eine organische Verbindung, wie beispielsweise Essigsäure, Glycin und Aminocapronsäure, welches dem Alkoholat vor der Hydrolyse zugegeben wird, verhindert, dass der Metallalkoholat-Komplex vollständig hydrolysiert und als Hydroxid ausfällt, so kann das Alkoholat stabilisiert werden. Essigsäure stabilisierte Alkoholate haben deutlich kürzere Gelzeiten als mit anderen Säuren stabilisierte Alkoholate. Die geringere Acidität der Essigsäure in Alkohol verzögert zwar die Hydrolyse, beschleunigt aber die Kondensation so stark, dass die Gesamtreaktion schneller verläuft. Diese teilhydrolysierten Metallalkoholate können nun miteinander polymerisieren. Es bilden sich Ketten abhängig von der Stabilisierung und dreidimensionale Netzwerke. Durch die Reaktion entstehendes Wasser kann für eine weitere Hydrolyse sorgen.Metal alcoholates are extremely reactive, the alkoxides can react with, for example, water or organic compounds. The alcohol residues are split off. The reaction with organic compounds is used to produce sols with polymeric structures. In addition, the reaction with water should be avoided. Metal alcoholates are very easily hydrolyzed, so that even small amounts of water can lead to an uncontrolled precipitation of macromolecular metal hydroxide particles. An organic compound such as acetic acid, glycine and aminocaproic acid added to the alcoholate before hydrolysis prevents the metal alkoxide complex from being completely hydrolyzed and precipitated as a hydroxide, thus the alcoholate can be stabilized. Acetic acid-stabilized alcoholates have significantly shorter gel times than alcohol stabilized with other acids. Although the lower acidity of acetic acid in alcohol retards the hydrolysis, it accelerates the condensation so much that the overall reaction proceeds faster. These partially hydrolyzed metal alcoholates can now polymerize with each other. Chains are formed depending on the stabilization and three-dimensional networks. Water formed by the reaction can provide further hydrolysis.

Neben Metallalkoholaten kommen bevorzugt auch organisch modifizierte Silane (OR-MOSILe) zum Einsatz. Als weiteres Silan wird 3-Aminopropyltriethoxysilan, Alkoxysilan, alkoxyfunktionelle Organopolysiloxane sowie glykolfunktionelle Organosiliciumverbindungen verwendet, welches als Haftvermittler für Metalle, Silicatgläser und oxidische Materialien bekannt sind. Für die Solsynthese werden neben den einfachen Alkoholaten, wie beispielsweise dem Tetraethoxyorthosilan (TEOS) netzwerkmodifizierende sowie netzwerkbildende ORMOSILe verwendet. Das TEOS wird für die Erzeugung von stabilen, dichten Oxidschichten genutzt. Aufgrund dieser dichten Oxidschichten hat TEOS eine schlechte elektrische Leitfähigkeit und wirkt isolierend und wird dementsprechend als Schutzoxid verwendet. Da TEOS auch Silizium enthält wächst die aufzutragende Oxidschicht linear und sehr schnell auf.In addition to metal alcoholates, preference is given to using organically modified silanes (OR MOSILs). Another silane used is 3-aminopropyltriethoxysilane, alkoxysilane, alkoxy-functional organopolysiloxanes and glycol-functional organosilicon compounds, which are known as adhesion promoters for metals, silicate glasses and oxidic materials. In addition to the simple alkoxides, such as tetraethoxyorthosilane (TEOS), network-modifying and network-forming ORMOSILs are used for sol synthesis. The TEOS is used for the generation of stable, dense oxide layers. Because of these dense oxide layers, TEOS has poor electrical conductivity and is insulating and accordingly used as a protective oxide. Since TEOS also contains silicon, the oxide layer to be applied grows linearly and very quickly.

Eines der einfachsten netzwerkmodifizierenden ORMOSILe ist das Methyltriethoxysilan (MTES). Neben den drei Epoxygruppen, die durch Polykondensation vernetzen, enthält es eine Methylgruppe, die chemisch inaktiv bleibt und so den Vernetzungsrad im Gel reduziert. Ein typisches netzwerkbildendes ORMOSIL ist Methacryloxypropyltrimethoxysilan (MATMS). Die organische Vernetzung erfolgt hier über eine Methacryl-Gruppe. Als Metalle sind neben Silizium auch Aluminium, Titan, Zirkonium bekannt und bevorzugt, es sind jedoch auch viele weitere denkbar. Eine Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens zeigt die Weiterentwicklung der MTES/TEOS-Sole in Verbindung mit organisch modifiziertem Zirkonium, wobei das Sol alkalisch eingestellt werden sollte. Diese bevorzugten Sole weisen ein exzellentes Beschichtungsverhalten auf. Selbst an kritischen Stellen, wie Bauteilkanten, zeichnet sich die Beschichtung durch geringere Rissanfälligkeit aus.One of the simplest network-modifying ORMOSILs is methyltriethoxysilane (MTES). In addition to the three epoxy groups, which crosslink by polycondensation, it contains a methyl group, which remains chemically inactive and thus reduces the degree of crosslinking in the gel. A typical network-forming ORMOSIL is methacryloxypropyltrimethoxysilane (MATMS). The organic crosslinking takes place here via a methacrylic group. As metals in addition to silicon and aluminum, titanium, zirconium are known and preferred, but there are also many more conceivable. An application of the method shows the further development of MTES / TEOS brine in conjunction with organically modified zirconium, wherein the sol should be adjusted to alkaline. These preferred sols have an excellent coating behavior. Even at critical points, such as component edges, the coating is characterized by lower susceptibility to cracking.

Die bevorzugte Partikelgrößenverteilung eines polymeren basenkatalysierten Siliziumdioxid-Sols und eines kolloidalen, säurestabilisierten Aluminiumoxid-Sols liegt in einem Bereich zwischen 40 und 100 nm. Die Verwendung einer Säurekatalyse für das Siliziumdioxid-Sol führt zu kleinen und eine Basenkatalyse zu großen Partikeln. Es wurde festgestellt, dass im pH-Bereich der Kunststoffdispersion zwischen pH 0 und 2 unter den gewählten Bedingungen das Gleichgewicht der Reaktionen Hydrolyse – Kondensation auf Seite der Hydrolyse liegt, d. h. es bilden sich Strukturen mit hohem Hydrolysegrad und niedrigem Kondensationsgrad. Bei pH-Werten von 2 bis 5 ist die Kondensation der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Monomere und kleinere Oligomere mit reaktiven Silanolgruppen liegen nebeneinander vor. Weitere Kondensation führt zu einem relativ schwach verzweigten Netzwerk mit kleinen käfigartigen Einheiten. Bei vergleichbaren Bedingungen im alkalischen pH-Bereich liegt das Gleichgewicht auf der Seite der Kondensation, d. h. nach langsamer Bildung von Hydrolysearten setzt unmittelbar die Kondensationsreaktion ein, wodurch separate hochvernetzte Polysiloxaneinheiten gebildet werden. Im basischen Milieu ist die Hydrolyse geschwindigkeitsbestimmend. Die Cluster wachsen hauptsächlich durch die Kondensation mit Monomeren. Daraus resultieren Netzwerke mit großen Teilchen und Poren. Beim basisch katalysierten Sol-Gel-Prozess werden vorzugsweise Natriumhydroxid oder Ammoniak eingesetzt. Dabei resultiert prinzipiell eine analoge Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Basenstärke, wie bei Säurekatalyse von der Säurestärke.The preferred particle size distribution of a polymeric base catalyzed silica sol and a colloidal acid stabilized alumina sol ranges from 40 to 100 nm. Use of acid catalysis for the silica sol results in small and base catalysis of large particles. It has been found that in the pH range of the plastic dispersion between pH 0 and 2, under the chosen conditions, the equilibrium of the hydrolysis-condensation reactions is on the side of the hydrolysis, ie. H. it forms structures with high degree of hydrolysis and low degree of condensation. At pH values of 2 to 5, condensation is the rate-limiting step. Monomers and smaller oligomers with reactive silanol groups are present side by side. Further condensation leads to a relatively weakly branched network with small cage-like units. At comparable conditions in the alkaline pH range, the equilibrium is on the side of the condensation, i. H. after slow formation of types of hydrolysis, the condensation reaction begins immediately, forming separate highly crosslinked polysiloxane units. In the basic medium, the hydrolysis is rate-limiting. The clusters grow mainly by condensation with monomers. This results in networks with large particles and pores. In the basic catalysed sol-gel process, sodium hydroxide or ammonia are preferably used. This results in principle an analogous dependence of the reaction rate on the base strength, as in acid catalysis of the acidity.

Weitreichende Beschichtungsversuche haben ergeben, dass die Struktur der ausgebildeten Kondensate außer vom pH-Wert des Reaktionsmediums von der Art des Lösungsmittels, der Art und Kettenlänge der Alkoxyfunktion, vom molaren Si/Wasser-Verhältnis, von den Konzentrationen, der Temperatur, der Art und Konzentration des Katalysators, Abdampfgeschwindigkeiten sowie der zugesetzten Wassermenge abhängen.Extensive coating experiments have shown that the structure of the condensates formed, apart from the pH of the reaction medium on the type of solvent, the type and chain length of the alkoxy function, the molar Si / water ratio, the concentrations, the temperature, the type and concentration depend on the catalyst, evaporation rates and the amount of water added.

In der Literatur sind Ansätze mit molaren Wasser/Silizium Verhältnissen (r) von 1 bis 50 beschrieben. Ein steigendes molares Verhältnis r beschleunigt die säurekatalysierte Hydrolyse deutlich und führt zu mehr SiOH-Gruppen, wodurch die Bildung zyklischer Strukturen im Sol erleichtert wird. Auch die konkurrierenden Kondensationsreaktionen hängen kritisch von der Konzentration an Wasser ab, da bei r < 2 die Kondensation unter Alkoholabspaltung und bei r > 2 die Kondensation unter Wasserabspaltung überwiegt. Bei hoher Wasserkonzentration treten Verdünnungseffekte auf, die zu einer Verzögerung der Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen führen. Viskose, verspinnbare Sole werden bei einem bevorzugten molaren Verhältnis von Si(OR)4 zu Wasser von 1:1 bis ca. 1:2 erhalten. Weiter bevorzugt sind Verhältnisse von 1:4 bis 1:11, da dadurch Schichten mit geringer Rissanfälligkeit erzeugt werden können. Wird der Wasserüberschuss gegenüber TEOS weiter erhöht, resultieren monolithische Festkörper, welche es zu vermeiden gilt. Generell ergibt sich für alle Katalysatoren der gleiche prinzipielle Reaktionsverlauf, aber die Geschwindigkeiten ändern sich in Abhängigkeit von Stärke und Konzentration des Katalysators. Es wurde herausgefunden, dass dieser Effekt auf Unterschiede im Dissoziationsverhalten und damit auf den pH-Wert zurückzuführen ist.Approaches with molar water / silicon ratios (r) of 1 to 50 are described in the literature. An increasing molar ratio r significantly accelerates the acid-catalyzed hydrolysis and leads to more SiOH groups, which facilitates the formation of cyclic structures in the sol. Also, the competing condensation reactions depend critically on the concentration of water, since at r <2 the condensation with elimination of alcohol and at r> 2, the condensation predominates with elimination of water. At high water concentration, dilution effects occur which delay the hydrolysis and condensation reactions. Viscous, spinnable sols are obtained at a preferred molar ratio of Si (OR) 4 to water of 1: 1 to about 1: 2. Further preferred are ratios of 1: 4 to 1:11, since thereby layers with low susceptibility to cracking can be produced. If the excess of water compared to TEOS further increased, result in monolithic solids, which should be avoided. In general, the same basic course of reaction results for all catalysts, but the rates change as a function of the strength and concentration of the catalyst. It was found that this effect is due to differences in the dissociation behavior and thus to the pH value.

Weitere Versuchsergebnisse bezüglich des Schrumpfungsverhaltens beider bevorzugter Gele beim Sintern zeigen, dass Säurekatalyse der Siliziumdioxid-Sole zu schnellen und Basenkatalyse zu zeitverzögerten Schrumpfungen führen. Durch die Kombination netzwerkbildender und netzwerkmodifizierender ORMOSILe sowie reinen Metallalkoholaten in den Kunststoffdispersionen lassen sich sehr unterschiedliche Hybridschichten herstellen. Diese erfindungsgemäßen Schichten zeichnen sich durch neuartige Eigenschaften aus, da hier auf molekularer Ebene eine Mischung anorganischer Metalloxidbrückenbindungen und organischer Bindungen über Kohlenwasserstoffketten in einer Kunststoffmatrix vorliegen. Die chemische Zusammensetzung dieser hybrid-Schichten, die Schichtabscheidungsbedingungen sowie die Wärmebehandlungsparameter, wie Aufheizgeschwindigkeit, Temperatur, Haltedauer haben Einfluss auf die Schichteigenschaften.Further experimental results regarding the shrinkage behavior of both preferred gels during sintering show that acid catalysis of the silica sols leads to rapid and base catalysis to time-retarded shrinkages. The combination of network-forming and network-modifying ORMOSILs and pure metal alcoholates in the polymer dispersions makes it possible to produce very different hybrid layers. These layers according to the invention are distinguished by novel properties, since a mixture of inorganic metal oxide bridges and organic bonds via hydrocarbon chains in a plastic matrix is present at the molecular level. The chemical composition of these hybrid layers, the layer deposition conditions and the heat treatment parameters such as heating rate, temperature, holding time have an influence on the layer properties.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Schichten mit einer Dicke von 5 bis 150 ☐m hergestellt werden. Wie bereits beschrieben, liegen die bevorzugten Schichtdicken in einem Bereich zwischen 1 bis 25 ☐m bzw. 1 bis 10 ☐m. Dünnere Kunststoffschichten weisen – neben den weiter oben beschriebenen Vorteilen – eine höhere Vernetzungsstabilität auf und neigen weniger zu Abplatzungen oder Abschälungen.By the method according to the invention, layers with a thickness of 5 to 150 μm can be produced. As already described, the preferred layer thicknesses are in a range between 1 to 25 μm or 1 to 10 μm. Thinner plastic layers have - in addition to the advantages described above - a higher crosslinking stability and less prone to chipping or peeling.

Durch den beschriebenen erfindungsgemäßen Schichtaufbau von Kunststoffschichten mit eingebetteten Metalloxiden ist es möglich, die herausragenden tribologischen Eigenschaften mit mechanischer Festigkeit und elektrischer Isolation zu kombinieren, wodurch sich die bereits beschriebenen Vorteile ergeben. Da die Beschichtung aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit und der geringen Schichtdicke ohne Nacharbeit eingesetzt werden kann, entfallen etwaige Nacharbeitungskosten. Durch die hervorragenden tribologischen Eigenschaften können kostengünstigere und auch niedrigviskosere Schmierstoffe, die geringere innere Reibungen aufweisen, verwendet werden und Ölwechselintervalle hinausgezögert werden. Zusätzlich können Wälzlagerbauteile auch unter Trockenreibung und Mangelschmierung betrieben werden, da die bevorzugt verwendete PTFE Dispersion als Trockenschmierstoff wirkt. Anstelle von PTFE können auch ähnliche äquivalente Trockenschmierstoffe mit geringen Reibkoeffizienten eingesetzt werden, der Kern der Erfindung wird davon nicht berührt.By means of the described layer structure according to the invention of plastic layers with embedded metal oxides, it is possible to combine the outstanding tribological properties with mechanical strength and electrical insulation, resulting in the advantages already described. Since the coating can be used without reworking due to the high mechanical strength and the small layer thickness, any reworking costs are eliminated. The excellent tribological properties mean that lower-priced, lower viscosity lubricants with lower internal friction can be used and oil change intervals can be delayed. In addition, rolling bearing components can also be operated under dry friction and lack of lubrication, since the PTFE dispersion preferably used acts as a dry lubricant. Instead of PTFE, similar equivalent dry lubricants with low coefficients of friction can be used, the core of the invention is not affected.

Die Schichten weisen zusätzlich gegenüber den eingangs erwähnten a-C:H:Me-Schichten eine ebenso gute thermische Stabilität von etwa 350 bis 380°C auf, wodurch sich ein deutlich Einsatzgebiet ergibt. Durch die aus der Erfindung resultierende Möglichkeit als Schmierstoff auch Hydrauliköl, Dieselkraftstoff, Wasser bis hin zu Benzin zu verwenden, bieten sich ganz neue Einsatzgebiete in der Lebensmittelindustrie, Productronic, Antriebstechnik sowie hydraulischen und weiteren mediengeschmierten Anwendungen.In addition to the abovementioned α-C: H: Me layers, the layers also have an equally good thermal stability of about 350 to 380 ° C., which results in a marked field of application. The possibility resulting from the invention of using hydraulic oil, diesel fuel, water and even gasoline as a lubricant opens up completely new areas of application in the food industry, productronics, drive technology as well as hydraulic and other media-lubricated applications.

Claims (10)

Lagerbauteil mit einer Beschichtung zur elektrischen Isolation, dadurch gekennzeichnet dass die Beschichtung zumindest die folgenden Stoffe umfasst: a) Eine Silan- und/oder Siloxanverbindung, b) ein Metallalkoholat, c) PEEK und/oder PTFE als Dispersion.Bearing component with a coating for electrical insulation, characterized in that the coating comprises at least the following substances: a) a silane and / or siloxane compound, b) a metal alkoxide, c) PEEK and / or PTFE as a dispersion. Lagerbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zusätzlich eine Lösemittelmischung aus organischem Lösemittel umfasst.Bearing component according to claim 1, characterized in that the coating additionally comprises a solvent mixture of organic solvent. Lagerbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silan- und/oder Siloxanverbindung als Acyloxysilan, Alkylsilan, Aminosilan, Bis-Silyl-Silan, Epoxysilan, Fluoralkylsilan, Glycidoxysilan, Isocyanato-Silan, Mercapto-Silan, (Meth)acrylato-Silan, Mono-Silyl-Silan, Multi-Silyl-Silan, Schwefel enthaltendes Silan, Ureidosilan, Vinylsilan und/oder als entsprechendes Siloxan ausgeführt ist. Bearing component according to one of the preceding claims, characterized in that the silane and / or siloxane compound as acyloxysilane, alkylsilane, aminosilane, bis-silyl-silane, epoxysilane, fluoroalkylsilane, glycidoxysilane, isocyanato-silane, mercapto-silane, (meth) acrylato Silane, mono-silyl-silane, multi-silyl-silane, sulfur-containing silane, ureidosilane, vinylsilane and / or is designed as a corresponding siloxane. Lagerbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zusätzlich ein organisches Polymer umfasst, welches durch Polymerisation olefinisch ungesättigter Monomere gewonnen wurde.Bearing component according to one of the preceding claims, characterized in that the coating additionally comprises an organic polymer which has been obtained by polymerization of olefinically unsaturated monomers. Lagerbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zusätzlich ein Tensid umfasst, wobei das Tensid Netzmittel und/oder Entlüfter und/oder Entschäumer umfasst.Bearing component according to one of the preceding claims, characterized in that the coating additionally comprises a surfactant, wherein the surfactant wetting agent and / or deaerator and / or defoamer comprises. Beschichtungsverfahren für ein Lagerbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerbauteil mit einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 beschichtet wird, und die Beschichtung in einem ersten Schritt auf das Lagerbauteil aufgebracht wird und anschließend durch gepulste magnetische Induktion auf der Bauteiloberfläche gesintert wird.Coating method for a bearing component, characterized in that the bearing component is coated with a coating according to one of claims 1 to 5, and the coating is applied in a first step on the bearing component and is then sintered by pulsed magnetic induction on the component surface. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum durchgeführt wird.Coating method according to claim 6, characterized in that the process is carried out under a protective gas atmosphere or vacuum. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Beschichtung eine Dicke aufweist, die in einem Bereich zwischen 1 bis 25 ☐m liegt.Coating method according to one of claims 6 or 7, characterized in that the coating produced has a thickness which lies in a range between 1 to 25 □ m. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Beschichtung eine Dicke aufweist, die in einem Bereich zwischen 1 bis 10 ☐m liegt.Coating method according to one of claims 6 or 7, characterized in that the coating produced has a thickness which lies in a range between 1 and 10 μm. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine 1 bis 10 ☐m dicke Beschichtung auf ein Wälzlagerbauteil aus einem 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, oder 80Cr2 Stahl aufgetragen wird.Coating method according to one of claims 6 to 9, characterized in that a 1 to 10 □m thick coating on a rolling bearing component of a 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, or 80Cr2 steel is applied.
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EP3325831B1 (en) * 2015-07-23 2020-03-25 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Bearing ring for a bearing element and method for producing a bearing ring

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