JP2013501145A - 自己潤滑性コーティングおよび自己潤滑性コーティングの生産方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩耗により解放可能な潤滑剤（１）が埋め込まれた金属層（８）で構成されたコーティング（７）に関する。耐摩耗性のコーティング（７）を簡易にかつ経済的に生産するために、本発明は、潤滑剤（１）が、少なくとも１つが分岐した有機化合物（２）からなることを提供する。さらに、本発明は、本発明のコーティングが少なくとも一部分に塗布される自己潤滑性部品およびコーティング（７）の生産方法、さらには、少なくとも１種の金属イオンと、少なくとも１つが分岐した有機化合物（２）からなる少なくとも１つの潤滑剤（１）を含むコーティング電解質に関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、摩耗によって解放可能な潤滑剤が埋め込まれた金属層を構成するコーティングに関する。本発明は、さらに、少なくとも所定部分において塗布されたコーティングを備えた自己潤滑性部品、コーティングおよび自己潤滑性部品の生産方法、イオンまたは錯体として溶解した金属の少なくとも１つの形態および少なくとも1つの潤滑剤を含むコーティング電解質に関する。

材料の表面におけるコーティングは、物理的特性、電気的特性、および／または、化学的特性に影響を与えることが知られている。表面は、例えば、表面コーティングが摩耗からの機械的保護を与え、耐食性を示し、生体適合性および／または導電性の向上性を有するなどの表面技術加工で補助することで取り扱うことが可能である。

プラグイン接続コンタクトおよびプレスインコネクタにおいて、トライボロジーおよび摩耗は、多くの場合、可能な作動数を決定し、適切な動作を確実にする。プラグイン接続コンタクトおよびプレスイン接続の部品の外側にオイルまたは潤滑油を塗布することによる摩擦の低減すなわち摩耗の低減は、制限された作動においてのみ効果的であり、長期的なものではなく、化学的に変化してしまう可能性もある。

それゆえに、摩耗抵抗の増強が長持ちするようにコーティングを得ることが望ましい。

ＰＣＴ国際公開２００８／１２２５７０号明細書には、例えば、少なくとも１種のマトリックス金属を備えたマトリックスを備えるプラグの電気的導電部などの部品のためのコーティングが開示されている。５０ｎｍよりも小さい平均サイズであり、かつ、各々が少なくとも１つの機能キャリアを備えるナノ粒子が、金属マトリックス中に埋め込まれる。機能キャリアは、所望状態で金属マトリックスに影響を与えるように機能する。例えば、機能キャリアとしての金属は、コーティングの導電性を変化させる。シリコンカーバイド、窒化ホウ素、酸化アルミニウムおよび／またはダイヤモンドなどの特定の硬質材料で形成された機能キャリアは、金属マトリックスの硬度を増強し、コーティングされた材料の摩耗特性を改善する。

付加的な潤滑剤の注入が不要な部品の摩耗低減コーティングは、例えば欧州特許公開０７４８８８３号明細書などで知られている。本文献のコーティングは、摩耗減少物質が埋め込まれたナノ粒子が不均一に拡散した状態で導入された金属層によって区別される。このナノ粒子は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯまたはＴｉＯ_２からなり、その表面に石鹸化合物を備えてもよい。

欧州特許公開０７４８８８３号明細書およびＰＣＴ国際公開２００８／１２２５７０号明細書のコーティングは、表面コーティングの特性に影響を与える実際の機能キャリアがキャリアと結合しつつ金属層中に埋め込まれるという欠点がある。この結合過程は付加的なステップとなり、材料消費量を増加させ、コーティングがより高コストとなることになる。

それゆえに、本発明の目的は、耐摩耗性が改善されたコーティングを簡単な構造で経済的に生産することにある。

本発明によれば、はじめに言及したコーティングおよび上述のコーティング電解質は、金属層に埋め込まれる潤滑剤が少なくとも１つが分岐した有機化合物からなることで、その目的が達成される。

本発明によれば、はじめに言及したコーティングの生産方法は、
ａ）少なくとも１つが分岐した有機化合物からなる少なくとも１つの潤滑剤をイオンまたは錯体として溶解された少なくとも１種の金属を含む電解質溶液に加える工程と、
ｂ）部品へのコーティング材として、前記電解質溶液から前記溶解された金属および前記潤滑剤を塗布する工程と、によってその目的が達成される。

本発明において、金属層に埋め込まれた有機化合物は、本発明のコーティングが剥離や摩耗に晒される間、コーティングの表面において部分的に露出する潤滑剤であり、そこで摩耗を減少する潤滑膜を形成する。本発明では、欧州特許公開０７４８８８３号明細書およびＰＣＴ国際公開２００８／１２２５７０号明細書に記載の無機物のナノ粒子などのようなキャリア要素は、必要とされない。このため、機能キャリア、すなわち、ＰＣＴ国際公開２００８／１２２５７０号明細書に記載の金属や欧州特許公開０７４８８８３号明細書に記載の石鹸化合物などをキャリア粒子と結合させる別工程を省略できる。

本発明によるコーティングの所望の潤滑効果は、潤滑性有機化合物の最小の単原子中間層または二層の接触部において、予め達成されるので、本発明によるコーティングの耐摩耗性は、複合的に増強される。よって、必要となる層厚も小さくして、原材料の消費低減およびコスト削減とすることができる。

有機化合物とは、無機化学とされる例外を除く、全ての炭素化合物であり、例えばシリコンなどのカーボンを殆ど含んでいない例えばカーバイド、それ自身および他の元素、例えば、Ｈ，Ｎ，Ｏ，Ｓｉ，Ｂ，Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｓ，Ｐなどまたはこれら元素の組み合わせを有するものを挙げることができる。

本発明による解決によって、各々が互いに独立する配置の数をさらに改善することができる。これら配置およびこれらに関連する利点については、後述で簡潔に説明する。

好適には、有機化合物は、三次元分子構造を有する。三次元であるゆえに嵩張らない分子構造により、潤滑剤分子が電解質溶液中により均一に拡散し、凝集や塊となってしまう不具合が低減される。それゆえに、電解質溶液中およびコーティング中に潤滑剤を特に均一拡散とさせることも可能となる。しかしながら、アプリケーションによっては、ほぼ鎖状または平面分子構造（すなわち有機化合物における原子配置が実質的に直線状またはシート状）を有する有機化合物を用いることも可能である。

好適な態様において、有機化合物は、本願において減摩分子または潤滑分子としても後述されるが、マクロ分子である。”マクロ分子”は、同じまたは異なる原子または原子群からなり、分子間の最大空間次元の距離に沿って少なくとも１５分子を有する分子のことを称する。この種のマクロ分子潤滑剤は、ポリマーを含み、幅広い使用領域で用いることができ、対応するアプリケーションに最適化されたものを選択できるという利点がある。マクロ分子とその鎖状部がコポリマー、混合ポリマーおよびブロック重合体を含み、これらはコンタクトに備えられた層システムの潤滑特性を有し、かつ、電気特性に悪影響を与えないようして選択されることだけに注意しなければならない。さらには、潤滑剤として使用される有機化合物は、当然、有機化合物が悪影響を与えないコーティングを生産するために、電解質溶液中で化学的に安定であるべきである。

有機化合物は、約１０ｎｍ、好適には上限約３ｎｍの最大空間次元距離を有すると特によい潤滑特性を有する。特にこの大きさのオーダーの分子の潤滑性は、トンネル効果によって導電的であり、導電性のためのコーティングに用いることも可能である。本願明細書において、”最大空間次元”という言葉は、空間軸に沿っての分子の最大延伸距離（例えば、球状または平面形状の潤滑剤では直径）を示す。有機化合物としては、最大空間次元に沿って、約２００原子、好適には約６０原子の最大鎖長にほぼ対応する。

本発明に用いられる潤滑分子の比較的低い空間次元（５０ｎｍの大きさのオーダーより小さい）のために、使用されるナノ粒子のコーティングにおいて、コーティングにおける金属粒子サイズが、潤滑分子自体のナノスケール範囲まで小さくすることが可能である。

潤滑性の有機化合物は、特に樹枝状構造、すなわち、多分岐かつ著しく分岐させる態様の構造であってもよい。多分岐かつ著しい分岐は、対称形状でも非対称形状であってもよい。潤滑分子として樹枝状基質およびポリマーは、特にナノ粒子において低粘度でナノ構造を形成する傾向であると電解質溶液中に良好に拡散する点で特によい。

潤滑剤の埋め込み度を増加させるために、有機化合物は、金属層の金属への親和性を有する少なくとも１つの官能基を備えてもよい。この官能基によって、潤滑分子を、付着工程中に金属層の浅い部分に配置されても、金属層方向へ移動させ、金属層中に沈殿させる。原則的には、金属層への官能基の親和性は、潤滑剤の埋め込みまたは沈殿を促進させるために、電解質溶液の溶媒よりも高い。

官能基の金属親和性は拡散層中（すなわちコーティング表面に直近した箇所）だけに効果があるので、潤滑分子の凝集すなわち潤滑分子によって金属層が完全に覆われるようなことはなくなる。電解質溶液中の潤滑分子の凝集リスクを除外するために、有機化合物中に官能基を与え、電解質溶液中の個々の潤滑分子を相互反発させる。この官能基は好適には端部、すなわち鎖状部の端部または鎖状部の各分岐部に配置される。

対応官能基が有機化合物の表面に配置されると、金属層への親和性のためと潤滑分子の相互反発のための両方に好適である。官能基は、潤滑分子の外側に露出し、それゆえに、潤滑分子が電解質溶液中で金属層とまたは互い同士が接触するように配置される。

特に好適な実施形態において、官能基は、金属への高親和性を有し、かつ、分極によって潤滑分子の相互反発を確実にするので、チオール基であってもよい。

本発明において、官能基の選択は、コーティングの金属層にも依存する。金属層は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｗ，Ｃｒ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｐｂおよびこれらの合金の群から選択されると好適である。特には、ＡｕまたはＡｇからなる金属層は、これら金属へのチオール基の高親和性のために、チオール基を有する潤滑分子に対して効果的に相互作用する。

本発明に係るコーティング電解質には、例えば本発明におけるａ）の段階で生産されるなどすることで、少なくとも１種の金属イオンおよび本発明のコーティング中に埋め込まれる上述の実施形態のうちの１つにおける少なくとも１種の有機化合物からなる潤滑剤を含ませる。

さらに、本発明は、上述の実施形態のコーティングが少なくとも一部分に塗布される自己潤滑性部品に関する。本発明における自己潤滑性部品において、コーティングは、電気コンタクトの表面に付着されると好適であり、本発明のコーティングによって耐摩耗性が増強するために、より薄い層で良好なコンタクト接触を提供することが可能となり、対応するコンタクトの小型化および簡素化に貢献し、低重量化および原材料の消費量削減にも貢献する。

コーティングは、プラグおよびその他の接続部品、特に、プラグイン接続部分またはプレスイン接続部分に特に適する。

図１は、本発明において使用される潤滑剤の概略図である。 図２は、図１の潤滑剤を含む本発明のコーティング電解質の概略図である。 図３は、本発明において塗布された図１の潤滑剤が埋め込まれた自己潤滑性部品の詳細の概略図である。 図４は、各接続要素が図３に示される本発明のコーティングをそれぞれ有して接続配置されたコンタクト領域の詳細の概略図である。

本発明について、以下図面を参照しながら例示的実施形態に基づいて詳しく説明する。

図１には、好適な実施形態における潤滑剤１の分子が示される。潤滑剤１は、多分岐の有機化合物２、すなわち樹枝状ポリマー３からなる。

ポリマー３は、結合されるモノマーの構成単位４からなり、有機化合物２として樹枝状ポリマー３を形成する著しく分岐した構造で結合する。

本実施形態に示される樹枝状ポリマー３は、三次元においてほぼ球形の分子構造のマクロ分子有機化合物２である。この有機潤滑化合物２の空間次元は、ナノスケールの領域である。図示される球形の化合物２の空間次元ｄは、１０ｎｍより小さく、好適には３ｎｍよりも小さい。

官能基５は、本実施形態ではチオール基６として示され、有機化合物２の表面に配置される。チオール基６は、好適には端部にモノマー単位で配置される。すなわち、端部モノマー４は、好適には構造において樹枝状ポリマー３の表面に配置される。

本発明において、図１に示される潤滑剤１は、機能活性されたナノスケール有機潤滑化合物２からなり、ポリマー３の化学的構造および物理的大きさによって、良好な潤滑特性を有し、摩耗によって解放されるコーティング７の金属層８中に潤滑剤１として効率的に埋め込まれる。

本発明の図１に示される好適な潤滑剤１を備える自己潤滑性コーティング７を生産するために、潤滑分子（すなわち有機化合物２）は、図２に概略図として示されるコーティング電解質１０を生産するために、イオンまたは錯体として溶解した金属９を含む電解質溶液へ加えられる。

コーティング電解質１０は、少なくとも１種の金属イオンと、本発明の少なくとも１本は分岐している有機化合物２からなる少なくとも１種の潤滑剤１とを含む。図２には、例示的な概略図として、本発明のコーティング電解質１０が示される。特に潤滑剤１に対する金属イオン９の混合比は、任意に選択され、潤滑剤１がコーティング７に含まれる割合とは通常ならない。

本発明のコーティング７を生産するために、電解質１０中の金属イオン９は、部品１１に付着され、潤滑分子１も金属層８中に埋め込まれる。この共同的な付着と埋め込みは、好適には電気化学的に行われ、金属イオン９は、金属原子９’からなる金属層８としてコーティングされるように表面１２上で結晶化する。この結晶化中に、潤滑分子１は、金属層８中に埋め込まれ、すなわち、金属層中に配置され。ゆえに、図３に示されるような本発明の複合コーティング７が生産される。

金属層８中に潤滑剤１を埋め込むことは、例えばチオール基６などの金属層８（特に金属層８が金または銀を含む場合）に親和性のある有機化合物２の官能基５によって促進される。

図３に示される実施形態において、本発明のコーティング７は、電気コンタクト１１’の表面１２に塗布される。本発明における自己潤滑性部品１１は、このようにして得られる。コーティング７は、摩耗しても、潤滑剤１が部分的にコーティング７の表面に露出して接触領域１３において潤滑膜１４を形成するので、部品１１の表面１２のより高い摩耗抵抗を確保する。

上記は、接続部１５、例えばプラグイン接続部１５ａおよびプレスイン接続部１５ｂを示す図４に特に明確に示されており、２つの部品１１が、接続部１５で互いに嵌合し、各部品それぞれが接続領域１３において表面１２に本発明のコーティング７を備えている。

図４には、部品１１が互いに接続部１５で接続する際において、コーティング７のそれぞれの表面１２において摩耗によって、本発明の有機化合物２の個々の分子が解放され、コンタクト領域１３に潤滑膜１４を形成する様子が示される。潤滑膜１４は、潤滑剤１（潤滑膜１４を形成する有機潤滑化合物２）の良好な摩耗特性によって、接続１５の摩耗抵抗を増加させるので、ひいては、金属層８の摩耗が著しく減少し、部品１１の摩耗抵抗も増加する。

本発明の例示的な実施形態では、１種類の潤滑剤しか用いられていないが、少なくとも１本の分岐を有する有機化合物２からなる異なる潤滑剤であれば、勿論異なる潤滑剤がコーティング７の金属層中に埋め込まれてもよい。

１・・・潤滑剤
２・・・有機（潤滑）化合物
３・・・樹枝状ポリマー
５・・・官能基
６・・・チオール基
７・・・コーティング
８・・・金属層
９・・・金属
１０・・・コーティング電解質
１１・・・部品
１１’・・・電気コンタクト
１２・・・スナップ部材
１５ａ・・・プラグイン接続
１５ｂ・・・プレスイン接続

Claims (14)

1. 摩耗により解放可能な潤滑剤（１）が埋め込まれた金属層（８）で構成されたコーティング（７）であって、
   前記潤滑剤が、少なくとも１つが分岐した有機化合物（２）からなるコーティング。
2. 前記有機化合物は、三次元分子構造を有することを特徴とする請求項１記載のコーティング。
3. 前記有機化合物は、マクロ分子であることを特徴とする請求項１記載のコーティング。
4. 前記有機化合物は、約１０ｎｍ、好適には約３ｎｍまでの最大空間次元（ｄ）を有することを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項記載のコーティング。
5. 前記有機化合物は、樹枝状構造であることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項記載のコーティング。
6. 前記有機化合物は、前記金属層への親和性を有する少なくとも１つの官能基（５）を備えることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１項記載のコーティング。
7. 前記官能基は、前記有機化合物の表面に配置されることを特徴とする請求項６記載のコーティング。
8. 前記官能基は、チオール基（６）であることを特徴とする請求項６または７記載のコーティング。
9. 前記金属層は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｗ，Ｃｒ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｐｂおよびこれらの合金の群から選択されることを特徴とする請求項１から８のうちのいずれか１項記載のコーティング。
10. 請求項１から９のうちのいずれか１項記載のコーティングが少なくとも一部分に塗布されることを特徴とする自己潤滑性部品。
11. 前記コーティングが電気コンタクト（１１’）の表面に付着されることを特徴とする請求項１０記載の自己潤滑性部品。
12. 前記自己潤滑性部品がプラグイン接続（１５ａ）またはプレスイン接続（１５ｂ）の一部であることを特徴とする請求項１０または１１記載の自己潤滑性部品。
13. イオンまたは錯体として溶解された少なくとも１種の金属と、請求項１から９のうちのいずれか１項記載の潤滑剤を少なくとも１つ含むことを特徴とするコーティング電解質。
14. 請求項１から９のうちのいずれか１項記載のコーティングを生産する方法であって、
    ａ）少なくとも１つが分岐した有機化合物からなる少なくとも１つの潤滑剤をイオンまたは錯体として溶解された少なくとも１種の金属を含む電解質溶液に加える工程と、
    ｂ）部品上にコーティングするように前記ａ）の工程にしたがって、前記電解質溶液から前記溶解された金属および前記潤滑剤を塗布する工程と、を含むことを特徴とするコーティングの生産方法。