DE102011077021A1 - Method for producing electrically-insulated ceramic coating on piston or bearing component i.e. rolling body, of needle cage, involves applying mixture on component, and drying mixture with temperature between specific degrees Celsius - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren für ein Kolben- oder Lager-Bauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein entsprechend beschichtetes Kolben- oder Lager-Bauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 10.The present invention relates to a coating method for a piston or bearing component having the features of the preamble of claim 1 and a correspondingly coated piston or bearing component having the features of the preamble of claim 10.
Bauteile, insbesondere Kolben- oder Lager-Bauteile, 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 piston or 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 mit dem Beschichtungsverfahren verbundene Wärmeeintrag in die Bauteile kann für die Bauteilfestigkeit schädlich sein. Insbesondere wenn die Temperaturen beim Beschichtungsverfahren über den üblichen Anlasstemperaturen der Werkstoffe liegen und/oder Temperaturen lange gehalten werden, kann dies Auswirkungen auf die Mikrostruktur der Werkstoffe haben. Der Wärmeeintrag kann beispielsweise zu unerwünschten Diffusionseffekten oder Kornwachstum führen und so beispielsweise die Ergebnisse einer vorher durchgeführten Bauteilhärtung verschlechtern. The heat input into the components associated with the coating process can be detrimental to component strength. In particular, if the temperatures in the coating process over the usual tempering temperatures of the materials are and / or temperatures are kept long, this can have an effect on the microstructure of the materials. The heat input can, for example, lead to undesirable diffusion effects or grain growth and thus, for example, worsen the results of a previously performed component hardening.
Aus dem Stand der Technik sind sog. Sol-Gel Beschichtungsverfahren zum Erzeugen von elektrisch isolierenden Beschichtungen bekannt, die mit einem möglichst geringen Wärmeeintrag verbunden sind. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der Druckschrift
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsverfahren und ein entsprechend beschichtetes Kolben- oder Lager-Bauteil bereitzustellen, wodurch eine elektrisch isolierende und gleichzeitig überrollfähige Beschichtung auf ein Bauteil mit möglichst geringem Wärmeeintrag appliziert werden kann.The invention is therefore based on the object to provide a coating method and a correspondingly coated piston or bearing component, whereby an electrically insulating and simultaneously rollable coating can be applied to a component with the lowest possible heat input.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Beschichtungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein entsprechend beschichtetes Kolben- oder Lager-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10. The invention achieves this object by a coating method having the features of claim 1 and a correspondingly coated piston or bearing component having the features of claim 10.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Beschichtungsverfahren zur Erzeugung einer elektrisch isolierenden keramischen Beschichtung auf einem Kolben- oder Lager-Bauteil vorgeschlagen, wobei in einem ersten Schritt ein Stoffgemisch mindestens aufweisend
- a) Wasser,
- b) ein organisches Lösemittel,
- c) ein Metallalkoholat,
- d) ein organisches Bindemittel sowie
- e) Metalloxid- oder Keramikpulver, wobei die das Pulver bildenden Partikel einen mittleren Durchmesser aufweisen, der im Mittel kleiner als 1 μm ist,
auf das Kolben- oder Lager-Bauteil aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt durch eine Trocknung bei einer Temperatur zwischen 0 bis 300°C getrocknet wird.To achieve the object, a coating method for producing an electrically insulating ceramic coating on a piston or bearing component is proposed according to the invention, wherein in a first step, a substance mixture at least comprising
- a) water,
- b) an organic solvent,
- c) a metal alcoholate,
- d) an organic binder as well
- e) metal oxide or ceramic powder, wherein the particles forming the powder have an average diameter which is on average less than 1 μm,
is applied to the piston or bearing component and is dried in a second step by drying at a temperature between 0 to 300 ° C.
Vorzugsweise wird das Stoffgemisch in einem dritten Schritt gesintert und/oder durch ein Induktionshärteverfahren mit zusätzlich gepulsten Mikrowellen behandelt. Durch den dritten Schritt kann die Festigkeit der Beschichtung erhöht werden.Preferably, the substance mixture is sintered in a third step and / or treated by an induction hardening process with additional pulsed microwaves. By the third step, the strength of the coating can be increased.
Vorzugsweise wird die Randschicht des Kolben- oder Lager-Bauteils zumindest in einem Bereich und zumindest kurz auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 850° und 1100°C aufgeheizt. Durch die hohen Temperaturen kann die Beschichtung gut ausgehärtet werden. Damit der dabei auftretende Wärmeeintrag in das zu beschichtende Bauteil möglichst gering ausfällt, wird auf die beschriebene bevorzugt gepulste Induktion zurückgegriffen. Bei der gepulsten Mikrowellenbehandlung werden vorzugsweise Pulse in einem Bereich von 1 Sekunde bis 1 Pikosekunde eingesetzt.Preferably, the edge layer of the piston or bearing component is heated at least in one region and at least briefly to a temperature in a range between 850 ° and 1100 ° C. Due to the high temperatures, the coating can be cured well. In order that the occurring heat input into the component to be coated as low as possible, the described preferred pulsed induction is used. Pulsed microwave treatment preferably uses pulses in a range of 1 second to 1 picosecond.
Vorzugsweise werden die eingesetzten Werkstoffe, beispielsweise 16MnCr5 oder 100Cr6, durch den Induktionswärmebehandlungsprozess gehärtet.Preferably, the materials used, for example 16MnCr5 or 100Cr6, are hardened by the induction heat treatment process.
Vorzugsweise ist das Kolben- oder Lagerbauteil als Wälzlagerkomponente, beispielsweise Wälzkörper, Innen- und/oder Außenring, Käfig, oder Axialscheibe, ausgeführt. Die Beschichtung wird dabei vorzugsweise zur elektrischen Isolierung eingesetzt.Preferably, the piston or bearing component as a rolling bearing component, for example Rolling element, inner and / or outer ring, cage, or axial disc, executed. The coating is preferably used for electrical insulation.
Vorzugsweise werden während des ersten Schritts eine säurekatalysierte Hydrolyse und eine basenkatalysierte Kondensation durchgeführt. Dabei wird vorzugsweise ein großer Wasser- und Lösungsmittelüberschuss vorgesehen. Vorzugsweise wird eine alkolische Lösung der Startverbindung, beispielsweise Tetraethoxysilan (TEOS), durch Zugabe von 0,01 N Salzsäure vorhydrolysiert. Das Molverhältnis von TEOS zu Wasser beträgt bevorzugt ca. 1 zu 17. Bei der basenkatalysierten Kondensation wird vorzugsweise 0,08 N NaOH eingesetzt. Nach der basenkatalysierten Kondensation kann das Stoffgemisch auf das Bauteil aufgebracht werden. Bevorzugte Applikationsverfahren sind Tauch-, Spritz-, Schleuder-, oder Gießverfahren.Preferably, acid-catalyzed hydrolysis and base-catalyzed condensation are performed during the first step. In this case, a large excess of water and solvent is preferably provided. Preferably, an alkolic solution of the starting compound, for example tetraethoxysilane (TEOS), is prehydrolyzed by the addition of 0.01 N hydrochloric acid. The molar ratio of TEOS to water is preferably about 1 to 17. In the base-catalyzed condensation, 0.08 N NaOH is preferably used. After the base-catalyzed condensation, the mixture of substances can be applied to the component. Preferred application methods are immersion, injection, spin coating or casting processes.
Vorzugsweise wird mit dem Beschichtungsverfahren eine 1 bis 25 μm, weiter bevorzugt 1 bis 10 μm, dicke Beschichtung auf das Kolben- oder Lager-Bauteil aufgetragen.The coating process preferably applies a coating of thickness 1 to 25 μm, more preferably 1 to 10 μm, to the piston or bearing component.
Vorzugsweise werden zusätzlich oder anstelle des Metallalkoholats organisch modifizierte Silane eingesetzt. Durch diese Substitution oder Ergänzung kann die Duktilität der Beschichtung erhöht werden.Preferably, in addition to or in place of the metal alcoholate, organically modified silanes are used. By this substitution or supplement, the ductility of the coating can be increased.
Vorzugsweise weisen die das Pulver bildenden Partikel einen mittleren Durchmesser in einem Bereich zwischen 30 bis 80 nm auf. Mit Partikeln dieser Größe wurden die besten Ergebnisse erzielt.Preferably, the particles forming the powder have a mean diameter in a range between 30 to 80 nm. With particles of this size, the best results were achieved.
Vorzugsweise wird zwischen Kolben- oder Lager-Bauteil und Beschichtung eine Verbindungsschicht vorgesehen. Durch die Verbindungsschicht kann die Haftung der Beschichtung auf dem Bauteil insgesamt verbessert werden. Die Verbindungsschicht ist vorzugsweise eine dünne Schicht, die mittels eines (bei Bedarf plasmaverstärkten) physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens aufgebracht wird. Preferably, a connecting layer is provided between piston or bearing component and coating. Through the bonding layer, the adhesion of the coating on the component can be improved overall. The tie layer is preferably a thin film deposited by means of a (if necessary, plasma enhanced) physical vapor deposition process.
Vorzugsweise weist das organische Lösemittel Alkohole auf, wobei die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Kohlenstoffkette der Alkohole bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 12 liegt. Weiterhin weisen die Alkohole vorzugsweise 1 bis 4 OH-Gruppen auf. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das organische Lösemittel eine Mischung aus mehreren unterschiedlichen Alkoholen aufweist, die alle die beschriebenen Eigenschaften aufweisen. Preferably, the organic solvent comprises alcohols, wherein the number of carbon atoms in the carbon chain of the alcohols is preferably in a range of 1 to 12. Furthermore, the alcohols preferably have 1 to 4 OH groups. It is advantageous if the organic solvent comprises a mixture of several different alcohols, all of which have the properties described.
Das organische Bindemittel weist vorzugsweise Ormosile – organisch modifizierte Silane – auf, dabei umfasst das Bindemittel vorzugsweise Tetraethoxysilan, , 3-Aminopropyltriethoxysilan, Methyltriethoxysilan, Methacryloxypropyltrimethoxysilan und/oder Methylcellulose.The organic binder preferably comprises ormosils - organically modified silanes -, wherein the binder preferably comprises tetraethoxysilane,, 3-aminopropyltriethoxysilane, methyltriethoxysilane, methacryloxypropyltrimethoxysilane and / or methylcellulose.
Vorzugsweise weist das Metallalkoholat und/oder das organische Bindemittel eines der folgenden Metalle auf: Silizium, Aluminium, Magnesium, Beryllium, Bor, Chrom, Cerium, Titan, Thorium, Niob, Wolfram, Yttrium und/oder Zirkonium. Vorzugsweise weist das verwendete Metalloxidpulver bzw. das verwendete Keramikpulver als Bestandteil bzw. eins oder mehrere dieser Metalle auf. So weist beispielsweise die Keramik Aluminiumoxid den Bestandteil (Bindungspartner) Aluminium auf.Preferably, the metal alcoholate and / or the organic binder comprises one of the following metals: silicon, aluminum, magnesium, beryllium, boron, chromium, cerium, titanium, thorium, niobium, tungsten, yttrium and / or zirconium. Preferably, the metal oxide powder used or the ceramic powder used as a component or one or more of these metals. For example, the ceramic alumina has the constituent (binding partner) aluminum.
Vorzugsweise wird das Verfahren unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Das Schutzgas kann dabei als Bestandteil auch Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff oder Ammoniak enthalten. Neben Verwendung eines Schutzgases kann auch der Einsatz eines Vakuums vorteilhaft sein. Eine bevorzugte Schutzgasatmosphäre weist zumindest Stickstoff, Wasserstoff und ein oder mehrere Edelgase auf.Preferably, the process is carried out under a protective gas atmosphere. The protective gas may contain as part of carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, hydrogen or ammonia. In addition to the use of a protective gas, the use of a vacuum can also be advantageous. A preferred inert gas atmosphere comprises at least nitrogen, hydrogen and one or more noble gases.
Vorzugsweise wird in das Sol ein Sol-Pulver dispergiert. Dadurch können bis zu 5 μm dicke Gelschichten mit einem einzigen Beschichtungszyklus rissfrei und über die gesamt Bauteiloberfläche gleichmäßig dick hergestellt werden.Preferably, a sol powder is dispersed in the sol. As a result, gel layers up to 5 μm thick can be produced with a single coating cycle without cracks and uniformly thick over the entire component surface.
Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe ein Kolben- oder Lager-Bauteil mit einer elektrisch isolierenden keramischen Beschichtung vorgeschlagen, wobei die Beschichtung nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt wurde. Durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren bzw. durch das erfindungsgemäße Kolben- oder Lager-Bauteil ist es möglich, herausragende tribologische Eigenschaften bei gleichzeitiger mechanischer Festigkeit und elektrischer Isolierung in einer Schicht zu kombinieren, ohne dass das Grundmaterial durch den Temperatureintrag während der Beschichtung negativ beeinflusst wird. 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 verlängert werden. Zusätzlich können Wälzlagerbauteile auch unter Trockenreibung und Mangelschmierung betrieben werden.Furthermore, to solve the problem, a piston or bearing component is proposed with an electrically insulating ceramic coating, wherein the coating was carried out by the method according to any one of claims 1 to 9. The inventive coating method or by the piston or bearing component according to the invention, it is possible to combine outstanding tribological properties with simultaneous mechanical strength and electrical insulation in a layer without the base material is adversely affected by the temperature input during the coating. 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 cost, lower viscous lubricants with lower internal friction can be used and oil change intervals extended. In addition, rolling bearing components can also be operated under dry friction and insufficient lubrication.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:The invention will be explained below with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying figures. Showing:
In der
Neben solchen Lagerbauteilen können auch Kolbenbauteile hohen tribologischen Beanspruchungen ausgesetzt sein. Als weiteres Beispiel ist in der
Durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren können Kolben oder Lagerbauteile mit einer elektrisch isolierenden keramischen Beschichtung versehen werden, ohne dass es zu signifikanten Einbußen der Werkstoffeigenschaften durch die thermischen Einflüsse während der Beschichtung kommt.By means of the coating method according to the invention, pistons or bearing components can be provided with an electrically insulating ceramic coating without significant losses of the material properties due to the thermal influences during the coating.
Dazu wird eine 1 bis 10 μm dicke Beschichtung auf die Bauteile aufgebracht. Die Bauteile bestehen beispielsweise aus einem kostengünstigen Stahl wie 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, oder 80Cr2. For this purpose, a 1 to 10 microns thick coating is applied to the components. The components consist for example of a low-cost steel such as 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9, or 80Cr2.
Beim Beschichtungsverfahren wird in einem ersten Schritt ein Stoffgemisch mindestens aufweisend
- a) Wasser,
- b) ein organisches Lösemittel,
- c) ein Metallalkoholat,
- d) ein organisches Bindemittel sowie
- e) Metalloxid- oder Keramikpulver, wobei die das Pulver bildenden Partikel einen mittleren Durchmesser aufweisen, der im Mittel kleiner als 1 μm ist,
auf das Kolben- oder Lager-Bauteil aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt durch eine Trocknung bei einer Temperatur zwischen 0 bis 300°C getrocknet wird.In the coating process, in a first step, a substance mixture is at least comprising
- a) water,
- b) an organic solvent,
- c) a metal alcoholate,
- d) an organic binder as well
- e) metal oxide or ceramic powder, wherein the particles forming the powder have an average diameter which is on average less than 1 μm,
is applied to the piston or bearing component and is dried in a second step by drying at a temperature between 0 to 300 ° C.
Mit Hilfe des so genannten Sol-Gel Prozesses werden die verschiedenen Ausgangsstoffe für den keramischen Werkstoff von vornherein in eine flüssige Form gebracht. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine echte chemische Lösung, die in ein Sol übergeht, oder direkt um ein Sol, einer kolloidale Lösungen bestehend aus Flüssigkeiten, die sehr kleine fein verteilte Substanzen beinhaltet.With the help of the so-called sol-gel process, the various starting materials for the ceramic material are brought into a liquid form from the outset. It is, for example, a true chemical solution that transforms into a sol, or directly to a sol, a colloidal solution consisting of liquids containing very small finely divided substances.
Zur Vorbereitung auf das Beschichtungsverfahren 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 Monoethanalamin (MEA), der nach der Reinigung auf dem Bauteil verbleibt, kommt es zu keiner Beeinträchtigung der abgeschiedenen Dispersionsbeschichtung. To prepare for the coating process, 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 in monoethanalamine (MEA), which remains on the component after cleaning, there is no impairment of the deposited dispersion coating.
Eine geringe Oberflächenrauheit wirkt sich positiv auf die Morphologie der erzeugten Schicht aus, da die Defektdichte mit der Oberflächenrauheit zunimmt. Ggf. vorhandene Wachstumsfehler nehmen mit der Schichtdicke zu, deshalb ist eine homogene Oberfläche mit einer geringen Rauheit zur Erreichung einer hohen Schichtdicke förderlich.Low surface roughness has a positive effect on the morphology of the layer produced, as the defect density increases with surface roughness. Possibly. existing growth errors increase with the layer thickness, therefore a homogeneous surface with a low roughness is conducive to achieving a high layer thickness.
Eine Möglichkeit um eine Sol-Gel Beschichtung zu erzeugen ist der Einsatz von wässrigen Suspensionen. Hierbei wird eine Suspension mit nanoskaligen Pulver hergestellt, welches die Möglichkeit bietet, Schichten mit Dicken von mehreren Mikrometern in einem Beschichtungsschritt herzustellen. Es können beispielsweise Suspensionen durch die Dispergierung von Bornitrid, Borcarbid, Wolframcarbid, Aluminiumtitanat, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und flammhydrolytisch hergestelltem Siliziumdioxid (beispielsweise DEGUSSA, Aerosil OX50) in Wasser oder Mischungen organischer Lösungsmittel. Auf diese Weise können Schichtdicken von 1 bis 25 μm erreicht werden. Die Schichten können direkt nach dem Trocknen des Lösemittels mit Hilfe von Induktionshärteverfahren gesintert werden. One way to create a sol-gel coating is the use of aqueous suspensions. Here, a suspension with nanoscale powder is produced, which offers the possibility to produce layers with thicknesses of several micrometers in a coating step. For example, suspensions may be prepared by dispersing boron nitride, boron carbide, tungsten carbide, aluminum titanate, aluminum nitride, silicon carbide, silicon nitride, and flame-hydrolysed silica (eg, DEGUSSA, Aerosil OX50) in water or mixtures of organic solvents. In this way, layer thicknesses of 1 to 25 microns can be achieved. The layers can be sintered directly after drying the solvent by induction hardening.
Um einer Rissentstehung vorzubeugen, wird ein Teil der eingesetzten Alkoholate durch organisch modifizierte Silane (ORMOSILe) ersetzt. 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.In order to prevent the formation of cracks, some of the alcoholates used are replaced by organically modified silanes (ORMOSILs). 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, so 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 die bereits erwähnten organisch modifizierte Silane (ORMOSILe) zum Einsatz. Als weitere Silane werden 3-Aminopropyltriethoxysilan, Alkoxysilan, alkoxyfunktionelle Organopolysiloxane sowie glykolfunktionelle Organosiliciumverbindungen verwendet, welche 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. Beim Sintern wird die Ethylgruppe abgespalten und eine keramische Schicht mit reinem Siliziumdioxid gebildet.In addition to metal alcoholates, the already mentioned organically modified silanes (ORMOSILs) are also preferably used. Other silanes used are 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. During sintering, the ethyl group is split off and a ceramic layer is formed with pure silicon dioxide.
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.
Der Teilchendurchmesser eines kolloidalen, säurestabilisierten Aluminiumoxid-Sols beträgt etwas 30 bis 80 nm und ist damit deutlich unter dem eines basenkatalysiertem. 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 particle diameter of a colloidal, acid-stabilized alumina sol is about 30 to 80 nm, which is significantly lower than that of a base-catalyzed sol. The use of acid catalysis for the silica sol leads to small and base catalysis to large particles. It has been found that in the pH range of the plastic dispersion between
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.
Es sind Versuche mit molarem Wasser/Silizium Verhältnissen (r) von 1 bis 50 durchgeführt worden. 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.Experiments have been carried out with molar water / silicon ratios (r) of 1 to 50. 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 hang critically depends 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. Es können keramische Schichten sowohl für mechanische als auch für funktionelle Anforderungen präpariert werden. Die chemische Zusammensetzung des Sols, 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. Ceramic layers can be prepared for both mechanical and functional requirements. The chemical composition of the sol, the layer deposition conditions and the heat treatment parameters, such as heating rate, temperature, holding time, have an influence on the coating properties.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Nadelkäfig needle cage
- 22
- Wälzkörper rolling elements
- 33
- Käfig Cage
- 44
- Kolben piston
- 55
- Gehäuse casing
- 66
- Abstütztelement Abstütztelement
- 77
- Kolbenspitze plunger tip
- 88th
- Schlepphebel cam follower
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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