САМОСМАЗЫВАЮЩЕЕСЯ ПОКРЫТИЕ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА САМОСМАЗЫВАЮЩЕГОСЯ ПОКРЫТИЯ
SELF-LUBING COATING AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Настоящее изобретение относится к покрытию, изготовленному из металлического слоя, в котором содержится смазочный материал, высвобождающийся при износе. Настоящее изобретение также относится к самосмазывающемуся компоненту с покрытием, нанесенным по меньшей мере на определенные участки, к способу производства покрытия и самосмазывающегося компонента, а также к электролиту для нанесения покрытия, содержащему металл по меньшей мере одного вида, растворенный в виде иона или комплекса, и по меньшей мере один смазочный материал.
Из существующего уровня техники известно, что покрытия могут влиять на физические, электрические и/или химические свойства поверхности материала. При помощи методов упрочнения поверхности поверхность может быть обработана таким образом, чтобы, например, покрытие поверхности обеспечивало защиту от износа, обладало устойчивостью к коррозии, было биологически совместимым и/или имело повышенную электропроводность.
В контактах штекерных соединений и в нажимных коннекторах трение и износ зачастую определяют возможное количество раз их использования и их надлежащее функционирование. Уменьшающие трение и, таким образом, износ масла/смазки, наносимые на компоненты штекерных соединений и нажимных коннекторов, эффективны только в пределах ограниченного количества раз использования соединений и коннекторов, а не в течение продолжительного времени, к тому же их химический состав может изменяться.
Таким образом, желательно получить покрытия, которые увеличивали бы износостойкость на более длительное время.
В WO 2008/122570 А2 описывается покрытие для компонента, например, электропроводящей части штепсельной вилки, имеющее матрицу по меньшей мере с одним основным металлом. В основной металл включены наночастицы со средним размером менее 50 нм, каждая из которых имеет по меньшей мере один функциональный носитель. Функциональный носитель влияет на свойства матрицы необходимым образом. Например, использование металла в качестве функционального носителя может изменять электропроводность покрытия. Функциональные носители, сделанные из особо прочных материалов, таких как карбид кремния, нитрид бора, алюминия оксид и/или алмаз, могут увеличить прочность матрицы и улучшить характеристики износа компонента с покрытием.
2
3
2
Уменьшающее износ покрытие компонента, которое делает его дополнительное смазывание ненужным, известно, например, из ЕР 0 748 883 А1. Характерным отличием покрытия, описанного в упомянутом документе, является металлический слой, в котором находятся равномерно распределенные наночастицы, с которыми связано вещество, уменьшающее трение. Наночастица может состоять, например, из AlO, ZrO и ТiO и иметь мыльное соединение, прикрепленное к ее поверхности.
Недостатком покрытий, описанных в ЕР 0 748 833 А1 и WO 2008/122570 А2, является то, что фактические функциональные элементы, которые влияют на свойства покрытия поверхности, включены в металлический слой соединенными с носителем. Это соединение требует дополнительных этапов в способе, что повышает расход материалов и стоимость покрытия.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание улучшенного износостойкого покрытия, которое имеет простую структуру и невысокую стоимость производства.
В соответствии с изобретением, покрытие, упомянутое вначале, и вышеупомянутый электролит для нанесения покрытия обеспечивают достижение этой цели, поскольку смазочный материал, включенный в металлический слой, состоит из по меньшей мере однократно разветвленного органического соединения.
Упомянутый вначале способ производства покрытий согласно изобретению обеспечивает достижение этой цели по следующим этапам:
a) добавление по меньшей мере одного смазывающего материала, состоящего из по меньшей мере одного однократно разветвленного органического соединения, в раствор электролита, содержащий металл по меньшей мере одного вида, растворенный в виде иона или комплекса; и
b) осаждение растворенного металла и смазочного материала из раствора электролита в виде покрытия на компонент.
В настоящем изобретении органическое соединение, включенное в металлический слой, представляет собой смазочный материал, который согласно изобретению во время трения и износа покрытия частично появляется на поверхности покрытия и образует на ней смазывающую пленку, уменьшающую износ. Элемент-носитель, такой как неорганические наночастицы, описанные в WO 2008/122570 А2 или ЕР 0 748 883 А1, не требуется, чтобы способ согласно изобретению мог обойтись без дополнительного этапа присоединения функционального элемента, т.е. металлов согласно WO 2008/122570 А2 или мыльных соединений согласно ЕР 0 748 883 А1, к частицам-носителям.
Поскольку желаемый эффект смазки покрытия по настоящему изобретению уже достигнут в минимально одноатомном промежуточном слое органического смазочного соединения или его части при контакте двух слоев, износостойкость покрытия по настоящему изобретению увеличивается многократно, что позволяет уменьшить требуемую толщину слоя и тем самым сократить расход сырья и снизить затраты.
Органические соединения включают в себя все соединения углерода, кроме исключений из неорганической химии, например, карбидов, с самим собой или с другими элементами, например Н, N, О, Si, В, F, Cl, Br, S, Р, или же комбинациями этих элементов, в том числе соединения с небольшим содержанием углерода, например, кремнийорганические соединения.
Решение по настоящему изобретению может быть далее улучшено за счет ряда конфигураций, каждая из которых является независимой от других. Эти конфигурации и связанные с ними преимущества вкратце описаны ниже.
Предпочтительно, чтобы органическое соединение имело в целом трехмерную молекулярную структуру. Трехмерная и, следовательно, компактная структура имеет преимущество в том, что молекулы смазочного материала распределяются в растворе электролита более однородно и уменьшается риск агрегирования и образования клубков. Таким образом, возможно достижение очень однородного распределения смазочного материала в растворе электролита и в покрытии. Тем не менее, в зависимости от сферы применения также можно использовать органические соединения в основном с цепочечной или плоской молекулярной структурой, т.е. в основном с линейным или пластинчатым расположением атомов в органическом соединении.
В предпочтительной конфигурации органическое соединение, которое далее по тексту будет именоваться также смазывающей молекулой или молекулой смазочного материала, является макромолекулой. Термин «макромолекула» означает молекулы, состоящие из одинаковых или разных атомов или групп атомов и имеющие по меньшей мере 15 атомов на расстоянии их максимального пространственного размера. Макромолекулярные смазочные материалы этого типа, которые включают в себя полимеры, обладают преимуществом в том, что имеют широкий спектр применения и могут быть оптимально подобраны для соответствующей сферы применения. Необходимо лишь обеспечить то, чтобы макромолекулы и составляющие их цепочки, включая сополимеры, смешанные полимеры и блок-сополимеры, подбирались таким образом, чтобы они обеспечивали смазывающие свойства контактного слоя и не оказывали отрицательного влияния на электрические свойства. Кроме того, соединения, используемые в качестве смазочных материалов, должны быть химически стабильными в используемом для создания покрытия растворе электролита, на который они не должны оказывать негативного влияния.
Было обнаружено, что в особенности органические соединения, имеющие максимальный пространственный размер примерно 10 нм, а предпочтительно - максимум 3 нм, обладают особенно хорошими смазывающими свойствами. Более того, смазывающие молекулы величины данного порядка являются электропроводящими в смысле туннелирования и могут применяться в электропроводящих покрытиях. Термин «максимальный пространственный размер» в данном случае означает наибольшую протяженность молекулы по пространственной оси, например, диаметр смазочного материала сферической или пластинчатой формы. Эта конфигурация соответствует в целом максимальной длине цепочки примерно 200 атомов, предпочтительно - примерно 60 атомов, на расстоянии максимального размера.
Учитывая относительно небольшой пространственный размер молекул смазочного материала, используемых в настоящем изобретении, который намного меньше порядка>50 нм в используемых покрытиях из наночастиц, размер зерна металла в покрытии может быть уменьшен до наномасштабов смазывающих молекул.
Смазывающее органическое соединение, в частности, может иметь древовидную структуру, т.е. сильно разветвленную цепь и выраженное ветвление. Сильное разветвление и выраженное ветвление может быть и симметричным, и ассиметричным. Субстанции и полимеры с древовидной структурой в качестве смазывающих молекул являются особенно предпочтительными в части хорошего распределения в растворе электролита, имеют небольшую вязкость и склонны к образованию наноструктур, в особенности наночастиц.
С целью увеличения включения смазывающего материала органическое соединение может иметь по меньшей мере одну функциональную группу, обладающую аффинностью к металлу металлического слоя. Это заставляет смазывающие молекулы, которые во время процесса осаждения расположены на небольшом расстоянии от металлического слоя, перемещаться в направлении металлического слоя и осаждаться на нем. В принципе, аффинность функциональной группы к металлическому слою должна быть выше аффинности к растворителю в растворе электролита для обеспечения включения или осаждения смазочного материала.
Агрегирования или полного покрытия металлического слоя смазывающими молекулами не происходит, поскольку аффинность к металлу функциональной группы действует только на диффузионном слое, т.е. в непосредственной близи к поверхности покрытия. Чтобы исключить риск агрегирования молекул смазочного материала в растворе электролита, можно включить в органическое соединение функциональную группу, которая заставит отдельные смазывающие молекулы в растворе электролита отталкиваться друг от друга. Функциональная группа предпочтительно находится на краю, т.е. на конце цепочки или соответствующей ветви цепочки.
Предпочтительно - и для обеспечения аффинности к металлическому слою, и для обеспечения отталкивания смазывающих молекул друг от друга - чтобы соответствующая функциональная группа находилась на поверхности органического соединения. Функциональная группа в таком случае находится с наружной стороны молекулы смазочного материала и располагается таким образом, когда смазывающие молекулы вступают в контакт с металлическим слоем или друг с другом в растворе электролита.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения функциональная группа может представлять собой тиоловую группу, которая обладает сильной аффинностью к металлам и за счет своей полярности обеспечивает отталкивание смазывающих молекул друг от друга.
Выбор функциональной группы также зависит от металлического слоя покрытия по настоящему изобретению, при этом металлический слой предпочтительно выбирается из группы Cu, Ni, Со, Fe, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, W, Cr, Zn, Sn, Pb и их сплавов. В частности, металлический слой из золота или серебра - благодаря сильной аффинности тиоловой группы к этим металлам - хорошо взаимодействует со смазывающими молекулами, имеющими тиоловую группу.
Электролит для нанесения покрытия в соответствии с изобретением, который, например, получают на этапе а) способа в соответствии с изобретением, содержит по меньшей мере один ион металла и смазочный материал, состоящий из органического соединения по меньшей мере одного вида в соответствии с описанными выше вариантами осуществления изобретения и включенный в покрытие в соответствии с изобретением.
Настоящее изобретение также относится к самосмазывающемуся компоненту с покрытием, наносимым по меньшей мере на определенных участках согласно одному из вышеописанных вариантов осуществления изобретения. На компоненте согласно изобретению покрытие предпочтительно нанесено на поверхность электрического контакта, чтобы за счет повышенной износостойкости, которую имеет покрытие согласно изобретению, можно было наносить слой меньшей толщины с обеспечением хорошей износостойкости контакта, что позволит уменьшить размер и упростить соответствующий контакт, а также уменьшить массу и расход сырья.
Покрытие особенно подходит для деталей штепсельных вилок и прочих соединительных компонентов, в особенности деталей штекерного соединения или нажимного соединения.
Далее изобретение описывается более детально на основе иллюстративного варианта осуществления изобретения и со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение предпочтительного варианта осуществления смазочного материала, используемого в настоящем изобретении;
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение электролита для нанесения покрытия согласно изобретению, содержащего смазочный материал, изображенный на фиг.1;
Фиг.3 представляет собой схематическое изображение части самосмазывающегося компонента согласно настоящему изобретению с нанесенным покрытием согласно изобретению, в котором содержится смазочный материал, изображенный на фиг.1; и
Фиг.4 представляет собой схематическое изображение части контактной области соединения, в которой оба соединяемых элемента имеют покрытие согласно изобретению, как показано на фиг.3.
На фиг.1 изображена молекула смазочного материала 1 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Смазочный материал 1 состоит из сильно разветвленного органического соединения 2, полимера с древовидной структурой 3.
Полимер 3 состоит из связанных между собой строительных блоков-мономеров 4, которые связаны в выраженную ветвистую структуру для образования полимера с древовидной структурой 3 в виде органического соединения 2.
Полимер с древовидной структурой 3 согласно показанному варианту осуществления изобретения представляет собой макромолекулярное органическое соединение 2 с трехмерной, в основном сферической молекулярной структурой. Пространственный размер этого органического смазывающего соединения 2 лежит в наномасштабе. Диаметр, согласно показанному пространственному диаметру d сферического соединения 2, составляет < 10 нм, предпочтительно - < 3 нм.
Функциональные группы 5, в показанном варианте осуществления - тиоловые группы 6, находятся на поверхности органического соединения 2. Тиоловые группы 6 предпочтительно находятся на концевых блоках-мономерах, т.е. на концевых мономерах 4, которые - с точки зрения структуры предпочтительно расположены на поверхности полимера с древовидной структурой 3.
Показанный на фиг.1 смазочный материал 1, состоящий из функционализированного наномерного смазывающего соединения 2, благодаря химической структуре и физическому размеру полимера 3 имеет хорошие смазывающие свойства и может быть фактически включен - в качестве смазочного материала 1, который может высвобождаться при износе - в металлический слой 8 покрытия 7 согласно изобретению.
Для производства самосмазывающегося покрытия 7 согласно изобретению с предпочтительным смазочным материалом 1, показанным на фиг.1, молекулы смазочного материала, т.е. органического соединения 2, добавляются в раствор электролита, в котором растворен металл 9 в виде иона или комплекса для получения электролита для нанесения раствора 10, который схематически показан на фиг.2.
Электролит для нанесения покрытия 10 содержит ионы металла 9 по меньшей мере одного вида и смазочный материал 1 по меньшей мере одного вида, состоящий по меньшей мере из одного однократно разветвленного органического соединения 2 согласно настоящему изобретению. Следует отметить, что на фиг.2 показан электролит для нанесения покрытия 10 согласно изобретению исключительно в качестве примера и схематически. В частности, отношение концентрации ионов металла 9 и смазочного материала 1 было выбрано произвольно и, в общем, не соответствует отношению, в котором смазочный материал 1 включается в покрытие 7.
Для получения покрытия 7 согласно изобретению ионы металла 9 из электролита для нанесения покрытия 10 осаждают на компонент 11, при этом молекулы смазочного материала 1 также осаждают и включают в металлический слой 8. В ходе этого одновременного осаждения, которое предпочтительно проводится электромеханическим способом, ионы металла 9 кристаллизуются на поверхности 12, на которую наносится покрытие, в виде металлического слоя 8 из атомов металла 9'. Во время кристаллизации смазывающие молекулы 1 включаются в металлический слой 8 или осаждаются на нем, образуя тем самым композитное покрытие 7 согласно изобретению, как показано на фиг.3.
Осаждению и включению смазочного материала 1 в металлический слой 8 способствует функциональная группа 5 органического соединения 2, которая обладает - например, если представляет собой тиоловую группу 6 - аффинностью к металлическому слою 8, особенно, если металлический слой содержит золото или серебро.
В варианте осуществления, показанном на фиг.3, покрытие 7 согласно изобретению наносится на поверхность 12 электрического контакта 11'. Таким образом получат самосмазывающийся компонент 11 по настоящему изобретению. Покрытие 7 обеспечивает повышенную износостойкость поверхности 12 компонента 11, поскольку при трении смазочный материал 1 частично появляется на поверхности покрытия 7, где образует смазывающую пленку 14 в области контакта 13.
Это особенно отчетливо можно увидеть на фиг.4, на которой показано соединение 15, например, штекерное соединение 15а или нажимное соединение 15b, в котором два компонента 11, которые можно соединить вместе для получения соединения 15, имеют области контакта 13 с покрытием 7 согласно изобретению на поверхности 12.
На фиг.4 показано, как отдельные молекулы органического соединения 2 при трении высвобождаются из покрытия 7 согласно изобретению на соответствующей поверхности 12 покрытия 7 и образуют смазывающую пленку 14 в области контакта 13, когда компоненты 11 соединения 15 соединены вместе. Смазывающая пленка 14 увеличивает износостойкость соединения 15 благодаря хорошим трибологическим свойствам смазочного материала 1, органическое смазывающее соединение 2 которого образует смазывающую пленку 14, и в результате этого истирание металлического слоя 8 сильно уменьшается, а износостойкость компонента 11 увеличивается.
Несмотря на то что в иллюстративном варианте осуществления изобретения, показанном на фигурах, в покрытии 7 согласно изобретению используется только один вид смазочного материала 1, конечно же, возможно включать и другие смазочные материалы 1 в металлический слой покрытия 7, если каждый из этих других смазочных материалов 1 состоит по меньшей мере из одного однократно разветвленного органического соединения 2.