專利名稱：用于制造增大摩擦系數的層的懸浮體、具有這種增大摩擦系數的層的成型體、其制備方法 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于在基材上制造增大摩擦系數的層的懸浮體、由基材和涂敷其上的增大摩擦系數的層構成的成型體、用于制造這種成型體的方法以及這種成型體用于制造擠壓連接或夾緊連接或者作為螺旋連接的安全元件的用途。根據本發(fā)明所設計的增大摩擦系數的層的特征在于其粘附增大摩擦系數的特性、溫度穩(wěn)定性和腐蝕穩(wěn)定性，并且可以涂敷在大面積部件和不同材料上。
背景技術：
力配合的連接在機械制造的所有領域中通常用于傳遞剪切力或扭矩。除了結構狀況之外，各種可傳遞的力的大小主要取決于互相連接的部件表面的粘附摩擦系數。鋼/ 鋼-結合體典型的粘附摩擦系數為0. 15，這在對機器部件的要求日益提高情況下通常不足以保證安全的力配合的連接。在相同表面壓力的情況下通過形狀配合或微觀形狀配合可以提高可傳遞的力。該原理長期以來已是公知的，例如通過將沙引入接合縫中。但是，這種引入顆粒的方式非常不明確，并且在優(yōu)先掛于接合縫中的較粗的顆粒的情況下，大大增加了基底材料中裂紋萌生的危險。螺旋連接同樣用于機械制造、設備制造和汽車制造的所有領域中以實現力配合的連接。尤其是在螺旋連接承受動態(tài)負荷時，很多傳統(tǒng)的螺旋連接并不保證防止螺旋連接自動松脫的充分的安全性。因此，力求采取措施以保護螺旋連接，以便在高負荷且尤其是在動態(tài)負荷的情況下防止螺旋連接的自然松脫?，F有技術在許多情況下技術上可用的增大摩擦系數的層的變形方案是對硬質材料顆粒所置入的金屬層的電鍍或化學(以無外施電流的方式)涂敷。電鍍涂敷的分散體層例如在 Peeken 等人的 ant_Antriebstechnik(l98l，2O 中)予以描述。除了直接部件涂層之外，薄的箔的增大粘附摩擦系數的涂層也已證明是有利的。 這在EP 0 961 038 Al中有所描述。在期望的涂層出于方法或成本原因不能涂敷在兩個組件的任一個上時使用這類經涂布的箔。微觀形狀配合于是通過待接合的面之間放置的箔來實現。在WO 2008/095216 A2中描述了一種鏈輪，其具有摩擦襯片，其由具有涂敷的摩擦顆粒的合成粘合劑構成。合成粘合劑選自有機聚合物組。在此提出的涂層應該是對提高鏈輪扭轉安全性的已知方法的至少接近等同的可替選解決方案，這對成批生產而言是成本低廉的。在EP 1 959 152 A2中描述了摩擦襯片，它包含粘合劑基體和摩擦顆粒，其中至少 20%的摩擦顆粒的直徑大于層的厚度。摩擦顆粒鋪墊到所述粘合劑上，或者分散體由粘合劑和摩擦顆粒制造，并且分散體被涂覆到摩擦部件的功能面上。作為粘合劑使用有機聚合物，優(yōu)選使用酚醛樹脂，而作為摩擦顆粒優(yōu)選使用碳化硅顆粒。在WO 2008/095216 A2和EP 1 959 152 A2中描述的具有純有機聚合物粘合劑的涂層的缺點在于，粘合劑老化和變脆并且在溫度負荷下可能分解。由此一方面通過擴散過程會出現接合配合件的近表面區(qū)域中的不利改變，另一方面粘合劑基體會分解，使得會出現顆粒破裂和連接陷沒現象(Setzungsph^iomenen),并且不再能可靠地實現增大摩擦系數的作用。在WO 2008/095216 A2和EP 1 959 152 A2的純有機聚合物粘合劑中存在下面的危險，即粘合劑不能充分地潤濕摩擦顆粒，并且由此摩擦顆粒不充分地嵌入摩擦襯片中。在要求盡可能高的摩擦系數增大時，根據WO 2008/095216 A2以及EP 1 959 152 A2的增大粘附摩擦系數的涂層并不適合。利用Peeken 等人 ant-Antriebstechnik (1981，20)中描述的分散體層和在 EP 0 961 038 Al中描述的分散體涂布的箔實現了高摩擦系數，其同樣還滿足目前對力配合連接的技術要求。在涂層涉及非常大的部件時，這種涂層暴露出缺點。例如，由于涂布浴尺寸有限而根本不能或不能經濟地涂布傳動軸、軸承座和大型機組例如船用動力裝置和風力設備的輪轂。除了金屬輕質結構材料之外，更多塑料和陶瓷也用作輕質結構材料。在力配合連接中由此有必要為不導電的摩擦面設置增大摩擦系數的層。這在使用電鍍沉積的分散體層時不能解決或只能有限地解決，因為只有一些塑料可以涂布。但是通過對應的活化可以實現不導電的涂層，但是這種涂層通常經濟上不合算，并且層附著與金屬基材相比很差。在發(fā)動機技術中，用于減小排放和降低燃料消耗的措施使得增大摩擦系數的層在甚至超過電鍍沉積的分散體層的溫度邊界的尾氣調節(jié)和渦輪增壓器領域具有新的潛在用途。這種應用要求至約850°C的溫度穩(wěn)定性。在這種溫度下在通常所使用的化學鎳-層中已經出現向熔融液態(tài)的過渡。這些層因此只能在約450°C以下持續(xù)使用。WO 2008/095216 A2中介紹的聚合物涂層的溫度穩(wěn)定性同樣是有限的，在此幾乎不能達到超過300°C的使用溫度。這樣，這些涂層甚至不能使用在大多數橫向壓配合 (軸-輪轂-連接))中，并且不可用于所述的高溫應用中。通?？梢詤^(qū)分兩組螺旋安全裝置(khraubensicherung)，機械的和化學的。第一種通常是置于螺絲頭和覆蓋層之間的元件，并且利用宏觀結構化引起與螺絲頭和覆蓋材料的宏觀形狀配合。由此產生這些嚙合面的宏觀損傷，這也對擰緊性能有不利影響。此外，在現有技術的宏觀結構化的機械螺旋安全裝置中形成陷沒跡象(Setzimgserscheirumg)，這在安全作用方面是不利的。第二組螺旋安全裝置基于化學的安全裝置，其中將粘合劑必要時首先微膠囊化和多組分形式直接涂敷到螺紋上。這種安全裝置的缺點尤其在于低的溫度穩(wěn)定性。發(fā)明目的本發(fā)明的目的因此在于，在基材上提供增大摩擦系數的層，其避免了現有技術中的缺點，其尤其具有如下摩擦系數，其至少對應根據EP 0 961 038 Al的摩擦系數和超過根據TO 2008/095216 A2的摩擦系數，該層是溫度穩(wěn)定和腐蝕穩(wěn)定的并且是不導電的以及也可以施用在大面積的部件上和不同的材料上。根據本發(fā)明的、增大摩擦系數的層應尤其適用于制造擠壓連接或夾緊連接，作為螺旋連接的安全元件，以及用于直接涂布螺旋連接而成為螺旋安全裝置。

發(fā)明內容
上述目的通過根據權利要求1所述的用于制造增大摩擦系數的層的懸浮體、根據權利要求12所述的成型體、根據權利要求17所述的這種成型體的制造方法以及根據權利要求20和23所述的這種成型體的用途來解決。從屬權利要求中給出申請主題的有利的或特別符合乎目的的擴展方案。本發(fā)明的主題因此是用于在基材上制造增大摩擦系數的層的懸浮體，其包括液態(tài)懸浮介質、主要為無機的粘合劑或其前體化合物和懸浮的硬質材料顆粒。此外，本發(fā)明的主題為成型體，其包括基材和涂敷在基材表面的至少一部分上的、 增大摩擦系數的層，該層包括主要為無機的粘合劑基體和置于其中的硬質材料顆粒，其中粘合劑基體的厚度小于硬質材料顆粒的平均顆粒尺寸，使得硬質顆粒從粘合劑基體上突出，且其中增大摩擦系數的層由根據本發(fā)明的懸浮體形成。本發(fā)明的主題同樣為用于制造上述成型體的方法，其包括如下步驟a)提供基材；b)在基材表面的至少一部分上涂敷如上所描述的根據本發(fā)明的懸浮體；c)干燥這樣得到的涂層；以及d)必要時對在步驟C)中得到的涂層進行熱處理，以便使其固化，和/或對這樣得到的涂層進行機械處理。本發(fā)明的主題同樣為根據本發(fā)明的成型體的用途，用于借助可選地同樣具有增大摩擦系數的層的成型體在復合體中制造擠壓連接或夾緊連接，優(yōu)選用于制造收縮連接例如軸-輪轂-連接和凸緣連接，以及另一方面根據本發(fā)明的成型體的用途，用作螺旋連接的安全元件，安全元件用作在螺絲頭和覆蓋材料之間和/或插在螺母和覆蓋材料之間的中間層。此外為了保護螺旋連接，根據本發(fā)明的層可以直接涂敷在螺絲頭之下和/或涂敷到螺母或覆蓋材料上或直接涂敷在螺紋上。根據本發(fā)明，以簡單、限定的和可復制的方式實現將具有置入的硬質材料顆粒的粘附增大摩擦系數的層涂敷到基材上。在此情況下，得到成型體，其完全或者在其表面的部分區(qū)域上設置有良好附著的、粘附增大摩擦系數的涂層，其中涂層包括粘合劑基體，在粘合劑基體中優(yōu)選以單層形式置入硬質材料顆粒，其中硬質材料顆粒雖然被粘合劑基體固定， 但不是完全嵌入其中。牢固附著的層的特征在于，溫度穩(wěn)定性、腐蝕穩(wěn)定性、在大面積部件和不同材料上的可施用性以及粘附增大摩擦系數的特性。粘附增大摩擦系數的特性即使在在不同硬度的摩擦配合件的情況下也實現。利用根據本發(fā)明的涂層可以得到如下粘附摩擦系數，其超過 WO 2008/095216 A2和EP 1 959 152 A2中的粘附摩擦系數并且至少對應根據EP 0 961 038 Al所述的粘附摩擦系數。令人驚奇的是粘合劑基體自身具有明顯增大摩擦系數的特性。該特性可以如下解釋硬質材料顆粒侵入兩個表面、基材的兩個表面和接合配合件的兩個表面，并因此沒有留下微隙并且將主要的力成分引導到基體上。相對于WO 2008/095216 A2和EP 1 959 152A2更高的摩擦系數的可能解釋是，與有機粘合劑基體相比較，根據本發(fā)明所使用的粘合劑的表面能量更高。在電鍍的分散體層的情況下，硬質材料顆粒不侵入經涂布的基材，而只是侵入接合配合件中，并且與根據本發(fā)明的涂層不同在50Mpa的標準表面壓力的情況下通常產生微隙。根據本發(fā)明的涂層可以以簡單方式限定地和可復制地涂敷。前面的兩個特征(簡單、限定)相對于電鍍的分散體涂層來說是有利的，因為其不能以簡單的方式涂敷，并且還只能有條件地限定在特定區(qū)域，因為掩膜非常復雜。此外，根據本發(fā)明的層實際上可以不受部件尺寸限制地以經濟方式涂敷，這同樣相對于Peeken等人的較為復雜的直接涂布來說是有利的。根據本發(fā)明的層可以使用在發(fā)動機制造和齒輪制造中。此外，根據本發(fā)明的層可以附著固定和經濟地涂敷在所有已知的結構材料上。根據本發(fā)明的層在使用上相對于WO 2008/095216 A2和EP 1 959 152 A2中描述的層在相同的摩擦配合件的情況下展現出粘附摩擦系數的更強的增加(參見例子E12和 E14以及比較例V10)。能夠表明的是，根據本發(fā)明完全能夠實現相對而言非常高的粘附摩擦系數，其甚至可與通過根據EP 0 961 038 Al所述的層所實現的粘附摩擦系數相比。此外，在一些情況下甚至可以明顯提高而高于目前的現有技術(參見例子E8和比較例V9)。為了保證應用中盡可能高的粘附摩擦系數，根據本發(fā)明有利的是，與硬質材料顆粒不侵入經涂布的基材中而是只侵入接合配合件中的電鍍涂布不同，在擠壓經涂布的部件與未經涂布的部件時使所涂敷的硬質材料顆粒既顯著侵入基材中又侵入對應體
(Gegenk5rper 沖。令人驚奇地已表明的是，這即使在基材材料和對應體之間有大的硬度差時同樣是可能的，使得根據本發(fā)明的涂層甚至在基材材料和對應體之間有大的硬度差異時也可以使用，并且可以在這種具有大的硬度差異的材料拼接的情況下實現較高的摩擦系數，例如對于AlMgSil與GG25的拼接，參見例子E4。由于非常均勻的層厚度分布和可以非常準確調節(jié)的、比較低的層厚度(僅5 μ m至 10 μ m的層厚度可以可復制地獲得)，所以可以使用如下顆粒，其具有對增大摩擦系數的功能需求最小的顆粒尺寸，使得由于裂紋萌生引起的對基材的損傷的危險降至最低。根據本發(fā)明的涂層的粘合劑基體可以在其層厚度和層厚度分布方面嚴格受控地被涂敷。這是重要的，因為因此可以保證的是，在表面上只分別存在一層硬質材料顆粒并且顆粒還具有足夠的突起，以便可以在以后的應用條件下可靠地壓入對應面中。涂層可以毫無疑問地以比較低的開銷選擇性地涂敷，這尤其在層在功能面之外不僅無用而且尤其是不允許時才是特別重要的。這例如在如下部件的情況下情況如此在部件的表面上不同位置要求不同功能，譬如在增大摩擦系數的表面區(qū)域旁為摩擦系數降低的表面區(qū)域。這與Peeken等人的直接涂布相比是有利的，因為根據本發(fā)明的涂層的覆蓋物的滲透的危險與無外施電流或電鍍的方法相比更低。在極其不同的基材材料上可以實現良好的直至非常良好的層附著。這樣，例如可以毫無問題地涂布金屬、氧化的和非氧化的陶瓷、塑料、玻璃或有機材料例如木材，或者還有由這些材料構成的復合材料。
這些層的溫度穩(wěn)定性根據層體系可以非常高，超過1000°C的使用溫度是可能的。 尤其是在溶膠-凝膠-基體完全“陶瓷化”時，也就是說在不再包含有機基團并且作為純的無機粘合劑基體存在時，獲得根據本發(fā)明的層的良好溫度穩(wěn)定性?？蛇_到的溫度穩(wěn)定性遠遠超過大多數基材。由于所置入的硬質材料顆粒通常同樣具有非常好的溫度穩(wěn)定性，所以最大使用溫度在大多數情況下單獨由基材材料決定和限定。這尤其對于高溫應用來說是重要的(參見前面的現有技術，發(fā)動機技術的實例)，其中不可使用有機聚合物涂層和部分不可使用金屬涂層譬如化學鎳，因為它們由于軟化/熔融而從約870°C (取決于磷含量)起喪失了其功能。因此，它們只能在約450°C以下持續(xù)使用。與WO 2008/095216 A2和EP 1 959 152 A2的有機聚合物涂層相比，根據本發(fā)明的涂層老化的危險明顯降低了。在使用中沒有出現粘合劑基體的分解并且涂層可以持續(xù)使用。這尤其對純的無機粘合劑基體或具有主要為無機的成分的粘合劑基體而言是有效的。根據本發(fā)明的層的另一優(yōu)點是，不同摩擦配合件拼接時大大降低了接觸腐蝕的危險，因為涂層不導電，使得摩擦配合件的兩個表面沒有金屬接觸。根據本發(fā)明的涂層降低了基材材料的腐蝕風險。與電鍍方法和尤其與化學(無外施電流的)方法(在N. Kanani的Chemische Vernicklung (第1版.Leuze，Bad Saulgau，2007年)中例如描述了化學鎳)相比，層的涂敷可以在非常短的時間內實現，其中通過對掩膜技術的比較低的要求也可以實現完全自動化。這種涂布設備可以直接集成到生產線中。因此可以實現節(jié)約高開銷和成本，譬如通過減少對供應商的依賴，節(jié)約儲藏位置和時間以及物流優(yōu)點，因為待涂布的部分不必發(fā)送到涂布器并又發(fā)送回來。與根據EP 0 961 038 Al的通過安裝經涂布的箔將增大摩擦系數的層引入接合縫中相比(由此根據箔厚度得到極大的余量)，在將這里描述的層涂敷在兩個待接合的表面之一上時實際幾乎不超過整個體系的公差。這對非常嚴格的公差要求的情況下以及在結構空間最小化方面是有利的。尤其是溶膠-凝膠-層基體可以通過其組分的顯著變化性借助添加物進一步在其它特性上匹配相應要求。因此，例如通過添加適合的納米顆粒來改進層的層附著和機械穩(wěn)定性。此外，層的熱膨脹系數可以在寬范圍中匹配基材材料，這例如在經涂布的基材直接在譬如對軸/輪轂-連接的接合過程之前必須通過溫度升高而膨脹時是有利的。與基材材料的匹配可以通過置入填充物或納米顆粒來實現。輪轂配合件的接合溫度典型地大于300°C， 這在實踐中并不排除使用根據WO 2008/095216 A2和EP 1 959 152 A2的有機基體。發(fā)明詳細說明根據本發(fā)明的涂層懸浮體包含液態(tài)的懸浮介質、主要為無機的粘合劑和懸浮的硬質材料顆粒。液態(tài)的懸浮介質可以選自水、含水溶劑、醇溶劑，例如乙醇，和它們的混合物。主要為無機的粘合劑可以包括陶瓷物質或陶瓷物質的前體。粘合劑在此可以是無機和/或礦物或有機改性的無機和/或礦物物質，其還可以摻雜有機添加物和/或無機固體顆粒。“主要為無機的粘合劑”在此應理解為通常包含多于50%的無機組成成分的粘合劑。粘合劑(在涂層懸浮體中)可以包含一種或多種無機物質的前體和/或玻璃前體。優(yōu)選使用經由溶膠-凝膠-方法(“溶膠-凝膠-粘合劑”)制造的粘合劑。粘合劑優(yōu)選是基于SiO2的粘合劑。進一步優(yōu)選地，粘合劑是經由溶膠-凝膠-方法制造的有機硅SiO2-前體構成的納米復合材料，其包含納米級固體粒子。納米級固體粒子的平均粒子尺寸優(yōu)選至lOOnm，并優(yōu)選選自金屬氧化物粒子，選自 Si02、TiO2, ZrO2, Al2O3> AlOOH, Y2O3 和 Ce02、c_BN、BaSO4、它們的混合物或這些納米級固體粒子的前體，其經由溶膠-凝膠-過程轉換成固體粒子，進一步優(yōu)選SiO2-固體粒子。另外，粘合劑可以包含無機填充物和有機助劑。優(yōu)選使用平均粒子尺寸至5 μ m、特別是至1 μ m的無機填充物，并且選自氧化物、氮化物、碳化物和金剛石。有機助劑可以例如用作液化劑、成膜劑或消泡劑。完成的涂層中的粘合劑可以純無機地構建。也可以通過有機側鏈對至少主要為無機的粘合劑(在涂層中)進行改性，并且能夠形成混合層，也就是說能夠形成具有混合的無機/有機粘合劑基質的層。根據本發(fā)明優(yōu)選使用的納米復合材料及其根據溶膠-凝膠-方法的制造在現有技術中是公知的，特別是由DE 103 26 815 Al公開。在此優(yōu)選，用分子量小于1500的表面改性劑對納米級固體粒子進行表面改性，其特別是包含酸酐基團、酰胺基團、氨基、SiOH-基團、硅烷的可水解殘基和/或β - 二羰基的表面改性劑。根據一個優(yōu)選的實施形式，粘合劑可以根據溶膠-凝膠-方法通過一個或多個通式(I)的硅烷的反應獲得RxSiA(4_x) (I)其中殘基A是相同或不同的并且代表羥基或可水解的基團，殘基R是相同或不同的并且代表不可水解的基團，和X的值為0、1、2或3，其中硅烷的物質量為至少50%時 χ彡1。根據另一優(yōu)選的實施形式，上述納米復合材料形式的粘合劑可以根據溶膠-凝膠-方法通過一個或多個通式(I)的硅烷的反應獲得，在納米級固體粒子或經由溶膠-凝膠-方法轉換成這些固體粒子的納米級固體粒子的前體存在的條件下RxSiA(4_x) (I)其中殘基A是相同或不同的并且代表羥基或可水解的基團，殘基R是相同或不同的并且代表不可水解的基團，和X的值為0、1、2或3，其中硅烷的物質量為至少50%時 χ彡1。只要僅使用χ = O的式⑴的硅燒，則得到純無機納米復合材料，否則獲得優(yōu)選有機納米復合材料，其在優(yōu)選的實施方案中在涂層基體的形態(tài)中通過熱處理轉換成純無機涂層。上述式(I)的硅烷的適合實例同樣在DE 103 26 815 Al中列出。尤其是使用含醇的SiO2-構成的溶膠作為SiO2-前體。在另一實施形式中，粘合劑包含優(yōu)選的平均分散粒子尺寸為Inm至lOOnm、進一步優(yōu)選Inm至40nm和尤其優(yōu)選2nm至20nm的勃姆石-納米粒子。可以使用商業(yè)上可獲得的勃姆石粉末，例如從Msol公司以Disperal或Dispal品質銷售的，其中優(yōu)選使用產品名稱為Disperal P2的勃姆石粉末。
根據另一優(yōu)選的實施形式，粘合劑包含由勃姆石-溶膠和SiO2-溶膠構成的混合物，優(yōu)選以溶膠的固體含量計重量比例為約1 1的勃姆石-溶膠和SiO2-溶膠構成的混合物。硬質材料顆粒優(yōu)選由在各種使用條件下既不與待接合的部件的材料化學反應也不與周圍介質化學反應的材料構成。硬質材料顆粒優(yōu)選選自碳化物、氮化物、硼化物、金剛石、SiO2和Al2O3，進一步優(yōu)選選自金剛石、碳化硅和碳化硼，尤其優(yōu)選碳化硅和金剛石。硬質材料顆粒具有合適的硬度，其大于基材的硬度和之后待接合的對應體的硬度。因此，適合的硬質材料通常具有大于 1000HV的硬度。硬質材料顆粒的大小選擇為使得待接合的表面(基材和對應體)未受到損傷，從而使得在負載下裂紋萌生于材料中。硬質材料顆粒的平均顆粒尺寸d5(l(借助激光衍射測量)優(yōu)選為1 μ m至100 μ m，進一步優(yōu)選為4 μ m至50 μ m和特別優(yōu)選為10 μ m至40 μ m。為了改進至兩個表面的侵入和實現增大摩擦系數，可以使用具有碎片顆粒形式的硬質材料，例如碳化硅以及單晶的金剛石。也可以使用在相對緊的顆粒聚集中可獲得的硬質材料顆粒，例如金剛石(多晶或者單晶)。硬質的顆粒的比例優(yōu)選選擇為使得獲得至50%、優(yōu)選5%至50%和特別優(yōu)選 10%至40%的具有硬質顆粒的表面覆蓋。作為根據本發(fā)明的成型體的基材材料可以考慮金屬的材料以及陶瓷的材料、玻璃、塑料、紙、織物和木材。作為金屬材料可以使用所有常見的結構材料，例如輕質金屬材料、鋼合金、鑄鐵或燒結鋼。金屬接合配合件的可能組合例如是具有M52的42CrMo4、具有 42CrMo4的GGG700和具有42CrMo4的42CrMo4，它們可以用于軸-輪轂-連接。根據另一實施形式根據本發(fā)明的成型體被用作螺旋連接的安全元件，根據本發(fā)明的成型體是金屬板或箔，并且增大摩擦系數的層涂敷在板或箔的兩側上，其中硬質材料顆粒優(yōu)選覆蓋增大摩擦系數的層的相應表面的至80%、進一步優(yōu)選15%至60%。根據本發(fā)明的涂層懸浮體可以通過將硬質材料顆粒和必要時其他組分均質化來制備，其他組分例如是填充物、分散劑/液化劑、成膜劑、消泡劑、染色劑或含溶劑的粘合劑中的助劑。必要時添加的組分可以是有機助劑，例如聚乙烯丁醛(PVB)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)和蠟。此外，可以包含聚合物前體或部分聚合的聚合物用于形成混合層，具有下列類型的鍵，使得與表面改性的陶瓷顆粒或金屬有機前體形成共價鍵和/或部分離子共價鍵。優(yōu)選含水的涂層懸浮體可以通過包括如下步驟的方法獲得i)在水性介質中制備勃姆石溶膠，ii)在同時均質化的條件下添加剩余的組成成分。為了制備步驟i)中的勃姆石溶膠可以使用商業(yè)上可獲得的初級顆粒尺寸在納米范圍中的勃姆石粉末品質，例如上面提到的、商業(yè)上可獲得的Msol公司的勃姆石粉末。將勃姆石粉末拌入水性介質、優(yōu)選水中，該介質進一步優(yōu)選被預熱，優(yōu)選預熱至高于80°C的溫度?？商孢x地，勃姆石溶膠的制備可以根據^ldas-方法經由醇鹽路徑(Alkoxidrouten)
1完成或者經由鋁鹽的使用和添加堿來實現。在均質化之后分散體通常通過添加酸來膠化并且轉變到溶膠。適當地，溶膠中固體濃度可以設定為至20重量％的勃姆石，優(yōu)選5至12重量％。為了設定要得到的層特性和粘合劑基體的最大層厚度，可以以其他組分摻雜勃姆石。在步驟i)中制備的勃姆石溶膠用作分散劑，通過按比例添加組分在均質化的同時將涂層分散體的剩余組成成分引入所述勃姆石溶膠中(步驟ii))。均質化可以利用常見的攪拌裝置如槳式混合器來實現。具有SiO2-溶膠的勃姆石溶膠的混合物已證明是特別有利的(例如Dynasylan SIVOl 10 ；Evonik Degussa公司)，其形成在較低溫度下固化的溶膠-凝膠-涂層。各個單獨施用的溶膠在出現裂開之前允許層厚度是約0.5μπι至2μπι。利用比例為約1 1的勃姆石溶膠和SiO2-溶膠的混合物可以實現約5 μ m至8 μ m的根據本發(fā)明無缺陷的層厚度。溶膠-凝膠-體系的最大層厚度可以通過使用填充物、優(yōu)選無機填充物來增加，其中平均顆粒直徑大于IOOnm并小于層厚度的五倍。層厚度的增加尤其是對較大的硬質材料顆粒是有意義的。根據本發(fā)明的成型體可以通過包括如下步驟的方法獲得a)提供基材，b)在基材的表面的至少一部分上涂敷上述根據本發(fā)明的懸浮體，c)干燥這樣得到的涂層；以及d)必要時對在步驟C)中得到的涂層進行熱處理，以便使其固化，和/或對這樣得到的涂層進行機械處理。為了對基材表面進行更好的潤濕可以將基材用底漆預處理，例如通過噴涂或涂抹粘合劑或稀釋的粘合劑(無硬質材料顆粒)，其中得到的層厚度明顯在1 μ m以下。根據步驟b)的涂敷優(yōu)選在一步中進行并且可以通過例如噴涂、印刷(例如移印 (Tampondruck))、旋涂(Schleudern)或浪涌(Fluten)的涂布方法來進行。涂層懸浮體的流變特性必須通過添加適合的添加物來與各種方法相匹配。各個理想的方法取決于邊緣條件，其大部分通過涂層面的幾何形狀及其可接近性來確定。此外，在噴涂工藝中應注意，通過適當的掩膜方法來避免噴涂過量。為了保證盡可能均勻的層厚度分布，優(yōu)選用相對低粘度的涂層懸浮體來進行噴涂。由此自動地補償了可能存在的、不均勻的層厚度分布，其中顆粒通常通過良好的潤濕而極好地并入基體中，這防止了不期望的顆粒逃逸。這些方法因此是優(yōu)選的，因為由此保證了形成顆粒單層和形成適合的基體層厚度， 其中顆粒足以突出于基體。在如基材浸沒到涂層懸浮體的過程中或在二級層結構的過程中 (其由首先涂敷基體和其次例如通過滴流引入顆粒構成)，不能保證(硬質顆粒材料的單層和均勻的、可復制地設定基體層厚度)這兩個重點。雖然后面提及的方法也是可能的但并不優(yōu)選。這些層優(yōu)選通過噴涂來涂敷。例如人工利用HVLP噴槍來涂敷涂層(例如Imm的噴嘴直徑)。優(yōu)選利用涂裝槍例如通過機器人來自動化施用，以便設定總是相同的施用距離、涂敷速度和覆蓋程度。另外，可以在噴射施用過程中設定射束擴張、噴射壓力、介質的輸送速度等。顆粒分散體在噴射施用中在儲存容器中循環(huán)，使得單位體積單位的顆粒濃度在時間上保持恒定。由此可以保證在最佳噴射過程中始終以顆粒進行均勻的表面加載。
但也可能的是，通過使用驅動劑或壓縮空氣來使用填充有適當的涂層分散體的噴射罐。這也能夠實現簡單的移動應用和這樣必要時也由使用者對大部件上的層進行自發(fā)修
Μ. ο步驟c)中對仍然濕潤的涂層的干燥可以在室溫下，但優(yōu)選在30°C至80°C的溫度下進行。必要時置于其后的在步驟d)中的過程可以包含機械處理和/或通過熱處理來進行固化，其中也可能的是僅實施熱處理或機械處理，如果兩者都實施，則這兩個步驟的順序也是可以顛倒的。機械處理例如可以是壓縮或將顆粒部分壓入基材中。步驟d)中用于固化的熱處理根據不同的體系和基材在100°C至800°C的溫度下進行。所述溶膠-凝膠-層體系具有極好的特性以形成非常薄和均勻的層，這導致在基材上的非常均勻的層厚度分布。通過裝入納米顆粒可以改進耐磨性。此外，涂層還可以包含有色的和/或發(fā)熒光的顆粒的添加物。由此可以例如容易地以光學方式檢驗所涂敷的層厚度，并且經涂布的部件獲得了其他識別特征或防盜特征。另一種可能性在于，通過裝入給予對比度的顆粒可以在倫琴射線照射方法中檢驗層缺陷。硬質材料顆粒在理想情況下應形成單層。硬質材料顆粒必須至少部分從粘合劑基體突出，以便可以實現增大摩擦系數的作用。平均顆粒直徑應大于平均基體層厚度。平均硬質材料顆粒直徑優(yōu)選應至少是平均基體層厚的兩倍。平均硬質材料顆粒直徑也可以根據應用為平均基體層厚的三倍，例如在接合配合件的至少一個由較軟的材料構成的情況下。在具有較大表面粗糙度的接合配合件的情況下優(yōu)選使用較大的顆粒。根據本發(fā)明的涂層懸浮體可以作為涂層涂敷在兩個接合配合件中的一個上，但也可以使用兩側經涂布的薄的箔或較厚的板作為兩個接合配合件之間的連接元件。這種連接元件用于部件的增大摩擦系數的力配合連接。箔例如可以由金屬、塑料、紙或織物構成，較厚的板由金屬、塑料、陶瓷、玻璃或木材構成。對于使用經涂布的箔的情況，箔的厚度可以根據應用來選擇并且例如是0. 1mm。經涂布的成型體用在擠壓連接或夾緊連接中。經涂布的成型體和未經涂布的成型體之間，在張緊時通過根據本發(fā)明的涂層引起增加了粘附摩擦系數的微觀形狀配合。擠壓連接或夾緊連接的實例是收縮連接，例如風力設備的主軸和發(fā)電機軸上的軸/輪轂-連接， 發(fā)動機領域的凸緣連接，例如在曲軸箱上安裝輔助設備，尤其由鋁制成的齒輪箱的凸緣，以及鏈輪的端面擠壓連接(Mirnpressverbindung)。在另一應用中，根據本發(fā)明的涂層可以用作機械的螺旋安全裝置。在此情況下，安全元件可以用作螺絲頭和覆蓋材料之間的中間層和/或用作螺母和覆蓋材料之間的中間層，其中安全元件兩側設置有根據本發(fā)明的涂層。例如可以使用兩側經涂布的由金屬材料制成的厚板或者兩側經涂布的薄的金屬箔作為安全元件。根據本發(fā)明的涂層也可以直接涂敷在螺絲分頭(SchraubenunterWipfe)、覆蓋材料或螺母上。也可以涂布螺紋。在所述涂布情況下，硬質材料顆粒覆蓋增大摩擦系數的層的相應表面的優(yōu)選至80%，進一步優(yōu)選15%至60%。螺絲分頭、覆蓋材料、螺母或螺紋的安全板或涂層具有防松脫鎖緊裝置或鎖緊裝置的功能(在根據Junker的振動試驗臺的試驗中適用以下定義防松脫鎖緊裝置經過1000次負載變化之后，預應力還必須是起始值的至少80%，在鎖緊裝置的情況下在20%和80%之間)。在旋緊的情況下，通過根據本發(fā)明的涂層在對應的表面之間形成微觀形狀配合，與現有技術中的螺旋安全裝置相比，在螺旋安全裝置方面至少具有等同的安全作用(防松脫鎖緊裝置)，而不存在損壞嚙合面的缺點。此外，微觀形狀配合不允許額外設置連接。螺旋安全裝置的溫度穩(wěn)定性極好并且遠超化學螺旋安全裝置的可靠性。例子和比較例下面的例子和比較例用于闡述本發(fā)明。例1 具有乙醇化SiC2-溶膠-凝膠-粘合劑和硬質材料SiC的涂層用攪拌組件將87g BaSO4 (Sachtleben 公司的 Sachtoperse HU-N)混合到 783g 粘合劑hosil SB (Inomat股份有限公司)中，隨后用Ultra-Turrax (IKA公司)分散10分鐘。用溶解器將平均顆粒尺寸d5Q = 12 μ m和d97-值為22 μ m的130g SiC粉末混合到由粘合劑和BaSO4構成的預混料中一個小時。粘合劑由具有SiO2-納米顆粒的SiO2-溶膠-凝膠-納米復合材料構成，其利用硅烷的可水解殘基進行表面改性。用HVLP涂裝槍施用懸浮體。在室溫下干燥涂層之后在350°C下將層煅燒30分鐘。煅燒之后，平均基體層厚度為約5 μ m,且光學顯微鏡測定具有SiC顆粒的表面覆蓋為約20%。例2 具有粘合劑勃姆石-SiO2-溶膠和硬質材料SiC的涂層將500ml的水加熱到85°C至95°C。在劇烈攪拌下隨后添加34g的納米級的勃姆石粉末。在劇烈攪拌下在10分鐘內進行均質化。在過程溫度下用6ml的濃硝酸膠化懸浮體。不進行升高的溫度下的老化步驟。在制造過程中濃縮溶膠。通過加水將溶膠稀釋至勃姆石固體含量為7. 1重量％ (對應含量為8. 3g的水合勃姆石粉末)。在500g冷的勃姆石溶膠中拌入 500g Dynasylan Sivo 110(Evonik Degussa)。用溶解器將平均顆粒尺寸d5Q = 12 μ m和d97-值為22 μ m的80g的SiC粉末在920g 的由勃姆石溶膠和Dynasylan Sivo 110構成的預混料中混合一個小時。用HVLP涂裝槍施用懸浮體。在室溫下干燥涂層之后在200°C下對層進行30分鐘固化。固化之后平均基體層厚度為約5 μ m,且光學顯微鏡測定具有SiC顆粒的表面覆蓋為約 22%。例3 具有含乙醇SiO2-溶膠-凝膠-粘合劑和硬質材料SiC的涂層用攪拌組件將40g的HDK N20 (氣相二氧化硅，Wacker-Chemie AG)混合在830g的粘合劑hosil SBdnomat股份有限公司)中，隨后用Ultra-Turrax (IKA公司)分散60分鐘。用溶解器將平均顆粒尺寸d5Q = 35 μ m和d97_值為60 μ m的130g的SiC粉末混合到由粘合劑和HDK N20構成的預混料中一個小時。粘合劑由具有SiO2-納米顆粒的SiO2-溶膠-凝膠-納米復合材料構成，其利用硅烷的可水解殘基進行表面改性。用HVLP涂裝槍施用懸浮體。在室溫下干燥涂層之后在100°C下對層進行30分鐘的回火。平均基體層厚度為約8 μ m，并且光學顯微鏡測定具有SiC顆粒的表面覆蓋為約20%。比較例1 具有PVA-粘合劑和硬質材料SiC的涂層在770g的水中用攪拌組件將157g的PVA(Celvol 513，Celanese)溶解一個小時。 用溶解器將平均顆粒尺寸d5(1 = 12 μ m和d97-值為22 μ m的73g的SiC粉末分散在PVA溶液中。用HVLP涂裝槍施用懸浮體。在室溫下干燥涂層之后，平均基體層厚度為約6 μ m,并且光學顯微鏡測定具有SiC顆粒的表面覆蓋為約18%。WMm 2 H有PVB-粘合劑和硬質材料SiC的凃層在800g的乙醇中用攪拌組件將120g的PVB(聚乙烯醇縮醛BM 18， Wacker-Chemie)溶解一個小時。用溶解器將平均顆粒尺寸d5(1 = 12 μ m和d97-值為22 μ m 的80g的SiC粉末分散在PVB溶液中。用HVLP涂裝槍施用懸浮體。在室溫下干燥涂層之后，平均基體層厚度為約6 μ m, 并且光學顯微鏡測定具有SiC顆粒的表面覆蓋為約20%。例4至例15和比較例3至比較例10 經涂布的試樣的粘附摩擦系數確定粘附摩擦系數在人工扭轉試驗臺上確定，扭轉試驗臺具有對扭轉角、預應力和施加的扭矩的自動測定。為此，由相應的材料制成試樣。使用具有突出、環(huán)狀接觸面的板狀試樣，接觸面內直徑為20mm和其外直徑為38mm。表面粗糙度對于所有基材為Ra = 1.6μπι。 將粘附增大摩擦系數的溶膠-凝膠-層施用在各個試樣上。試樣用中部螺絲互相張緊。借助壓力計記錄預應力。分別用50Mpa的表面壓力加載該構造。所有參數經由控制設備收集并發(fā)送至評估軟件。牢固地固定試樣之一，而經由杠桿對第二個試樣人工加載扭矩。連續(xù)地記錄扭矩并增加直至連接滑動。滑動通過對扭轉角的記錄來表明。粘附摩擦系數由平均摩擦半徑和在0.5°的固定扭轉角情況下測量的扭矩的值以及預應力來確定。每對拼接分別測量統(tǒng)計上容許的數目。為了確定百分比計的增大摩擦系數，同樣用上述方法確定純材料拼接的摩擦系數。為此用乙醇預清潔表面并用丙酮進行最后清潔，以排除由于接觸面的外來物質引起對測量結果的歪曲。試驗所用的試樣的材料硬度為AlMgSil :96HV 1 ；16MnCr5表層硬化700HV 1 ； CK45 :313HV 1 ；Sint_D30 :165HV 1 ；GG25 :308HV 1。在涂布試驗之前用乙醇和丙酮清潔表面。部分地還用浸漬了涂層分散體的布擦拭表面，這也同樣改善層附著。表1示出了通過涂敷適合的根據本發(fā)明的層而可以獲得的不同材料拼接之間的粘附摩擦系數的相對改進。表1 通過涂敷功能層在不同材料拼接的情況下的粘附摩擦系數的百分比的改變的例子和比較例。所有數據以扭力試驗中表面壓力為50Mpa計。百分比的摩擦系數增加以未經涂布的材料拼接計。
權利要求
1.一種用于在基材上制造增大摩擦系數的層的懸浮體，該懸浮體包括液態(tài)懸浮介質、 主要為無機的粘合劑或其前體化合物和懸浮的硬質材料顆粒。
2.根據權利要求1所述的懸浮體，其中粘合劑是基于SiA的粘合劑。
3.根據權利要求1和/或2所述的懸浮體，其中粘合劑是由來自經由溶膠-凝膠-方法制備的硅有機的S^2前體構成的納米-復合材料，其包含納米級固體粒子。
4.根據權利要求3所述的懸浮體，其中納米級固體粒子是金屬氧化物粒子，優(yōu)選選自 SiO2, TiO2, ZrO2, A1203> A100H, Y2O3和Ce02、c_BN、BaSO4、這些納米級固體粒子的混合物或這些納米級固體粒子的前體，其經由溶膠-凝膠-過程轉換成固體粒子，進一步優(yōu)選SiO2-固體粒子。
5.根據權利要求1和/或2所述的懸浮體，其中粘合劑能夠根據溶膠-凝膠-方法通過一個或多個通式(I)的硅烷的反應獲得RxSiA(4_x) (I)其中殘基A相同或不同并且代表羥基或可水解的基團，殘基R相同或不同并且代表不可水解的基團，以及χ的值為0、1、2或3，其中在硅烷的物質量為至少50%時χ彡1。
6.根據權利要求3和/或4所述的懸浮體，其中在納米級固體粒子或經由溶膠-凝膠-方法轉換成這些固體粒子的納米級粒子的前體存在的條件下，粘合劑能夠根據溶膠-凝膠-方法通過一個或多個通式(I)的硅烷的反應獲得RxSiA(4_x) (I)其中殘基A相同或不同并且代表羥基或可水解的基團，殘基R相同或不同并且代表不可水解的基團，以及χ的值為0、1、2或3，其中在硅烷的物質量為至少50%時χ彡1。
7.根據權利要求1所述的懸浮體，其中粘合劑包括勃姆石-納米粒子，優(yōu)選平均分散粒子尺寸為Inm至lOOnm，進一步優(yōu)選為Inm至40nm，尤其優(yōu)選為2nm至20nm。
8.根據權利要求7所述的懸浮體，其中粘合劑包括勃姆石-溶膠和SiO2-溶膠構成的混合物，優(yōu)選以溶膠的固體含量計重量比例為約1 1的勃姆石-溶膠和SiO2-溶膠構成的混合物。
9.根據前述權利要求中至少一項所述的懸浮體，其中液態(tài)懸浮介質選自水、含水的溶劑、醇溶劑和它們的混合物。
10.根據前述權利要求中至少一項所述的懸浮體，其中硬質材料顆粒選自碳化物、氮化物、硼化物、金剛石、SiO2和Al2O3，優(yōu)選選自金剛石、碳化硅和碳化硼，尤其優(yōu)選碳化硅和金剛石。
11.根據前述權利要求中至少一項所述的懸浮體，其中硬質材料顆粒的平均顆粒尺寸 d50為1 μ m至100 μ m,優(yōu)選4 μ m至50 μ m，進一步優(yōu)選10 μ m至40 μ m。
12.—種成型體，其包括基材和涂敷在基材表面的至少一部分上的、增大摩擦系數的層，所述層包括主要為無機的粘合劑基體和置于其中的硬質材料顆粒，其中粘合劑基體的厚度小于硬質材料顆粒的平均顆粒尺寸，使得硬質顆粒從粘合劑基體突出，以及其中增大摩擦系數的層由根據權利要求1至11中至少一項所述的懸浮體形成。
13.根據權利要求12所述的成型體，其中基材由金屬或陶瓷材料、玻璃、塑料、紙、織物或木材構成。
14.根據權利要求12和/或13所述的成型體，其中硬質材料顆粒覆蓋增大摩擦系數的層的表面的至50%，優(yōu)選5%至50%，進一步優(yōu)選10%至40%。
15.根據權利要求14所述的成型體，其中基材是金屬板或箔，并且增大摩擦系數的層涂敷在板或箔的兩側上。
16.根據權利要求12和/或13所述的成型體，其中基材是金屬板或箔，并且增大摩擦系數的層涂敷在板或箔的兩側上，以及其中硬質材料顆粒優(yōu)選覆蓋增大摩擦系數的層的相應表面的至80%，進一步優(yōu)選15%至60%。
17.一種用于制造根據權利要求12至16中至少一項所述的成型體的方法，包括以下步驟a)提供基材；b)將根據權利要求1至11中至少一項所述的懸浮體涂敷到基材表面的至少一部分上；c)干燥這樣得到的涂層；以及d)必要時對在步驟c)中得到的涂層進行熱處理，以便使其固化，和/或對這樣得到的涂層進行機械處理。
18.根據權利要求17所述的方法，其中步驟d)中用于固化涂層的熱處理在100°C至 800°C的溫度下進行。
19.根據權利要求17和/或18所述的方法，其中步驟d)中的機械處理用于壓縮涂層或將硬質材料顆粒部分壓入基材中。
20.根據權利要求12至14中至少一項所述的成型體的用途，用于借助可選地同樣具有增大摩擦系數的層的成型體以在復合體中制造擠壓連接或夾緊連接，優(yōu)選用于制造收縮連接例如軸-輪轂-連接和凸緣連接。
21.根據權利要求15所述的成型體作為連接元件的用途，該連接元件用于部件的增加摩擦、力配合的連接。
22.根據權利要求16所述的成型體的用途，用作螺旋連接的安全元件，用作螺絲頭和覆蓋材料之間的中間層和/或用作螺母和覆蓋材料之間的中間層。
23.根據權利要求12和/或13所述的成型體的用途，用于保護螺旋連接，其中增大摩擦系數的層直接涂敷在螺絲頭之下和/或涂敷在螺母上和/或涂敷在覆蓋材料上和/或直接涂敷在螺紋上，并且其中優(yōu)選硬質材料顆粒覆蓋增大摩擦系數的層的相應表面的至 80%，進一步優(yōu)選15%至60%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在基材上制造增大摩擦系數的層的懸浮體，該懸浮體包括液態(tài)懸浮介質、主要為無機的粘合劑或其前體化合物和懸浮的硬質材料顆粒。此外，本發(fā)明涉及一種成型體，其包括基材和涂敷在基材表面的至少一部分上的、增大摩擦系數的層，所述層包括主要為無機的粘合劑基體和置于其中的硬質材料顆粒，其中粘合劑基體的厚度小于硬質材料顆粒的平均顆粒尺寸，使得硬質顆粒從粘合劑基體突出，以及其中增大摩擦系數的層由根據本發(fā)明的懸浮體形成。同樣，本發(fā)明還涉及用于制備上述成型體的方法以及其用于制備擠壓連接或夾緊連接以及作為螺旋連接的安全元件的用途。
文檔編號F16B39/22GK102449343SQ201080023877
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權日2009年5月29日
發(fā)明者于爾根·邁耶, 克里希納·于貝爾, 斯文·施賴納, 蒂莫·澤格爾 申請人:Esk陶瓷有限及兩合公司