Beschreibung

Bauteil mit einer Schicht, in die CNT (Carbon Nanotubes) eingebaut sind und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Schicht, in deren Gefuge CNT eingebaut sind.

Eine Schicht mit CNT, wie sie eingangs genannt ist, kann beispielsweise gemäß der WO 2007/118337 Al auf einem Kontaktelement hergestellt werden. Dieses elektrische Kontaktelement dient zum Schließen und Offnen eines elektrischen Kontaktes und wird dabei stark beansprucht. Diese Beanspruchung ist auf die übertragung des elektrischen Schaltstroms zurückzuführen, wobei gemäß der WO 2007/118337

Al eine Erhöhung der Standzeit des Kontaktes dadurch erreicht werden soll, dass Carbon Nanotubes (im Folgenden CNT genannt) m der Kontaktschicht vorhanden sind. Die Erhöhung der Standzeit wird darauf zurückgeführt, dass die CNT einerseits die elektrische Leitfähigkeit der Schicht verbessern und andererseits auch eine verbesserte Wärmeableitung beim Schaltvorgang bewirken. Hierdurch wird die thermische Belastung wahrend des Schaltvorganges herabgesetzt und die Kontaktschicht weniger beansprucht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht damit darin, eine weitere Verbesserung des Verschleißverhaltens von beschichteten Bauteilen, insbesondere elektrischen Kontaktelementen, zu bewirken .

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Bauteil erfmdungsgemaß dadurch gelost, dass in dem Gefuge zusätzlich zu den CNT Partikel eines Trockenschmierstoffes eingebunden sind. Hintergrund der erflndungsgemaßen Maßnahme ist, dass

das Einbringen von CNT entgegen der in der Fachwelt weit verbreiteten Meinung das Verschleißverhalten einer Schicht nur unzureichend verbessert. Zwar verbessern CNT die Harte der Schicht, das tribologische Verhalten von Oberflachen wird allerdings nicht allein durch deren Harte beemflusst.

Vielmehr sind auch die Gleiteigenschaften der Schicht bei einer reibenden Beanspruchung von vorrangiger Bedeutung. Hier setzt die Erfindung an, indem zusätzlich zu den CNT die Partikel eines Trockenschmierstoffes eingebunden sind. Trockenschmierstoffe gehören einer Mateπalgruppe an, die sich darin auszeichnet, dass verbesserte Gleiteigenschaften der betreffenden Oberflachen erreicht werden. Hierdurch wird der Verschleiß vorteilhaft herabgesetzt, wodurch das Bauteil mit einer Schicht, in deren Gefuge CNT und Partikel eines Trockenschmierstoffes eingebunden sind, eine verbesserte

Standzeit erreicht. Dabei bildet das Gefuge der Schicht eine Matrix, in der die Partikel des Trockenschmierstoffes und die CNT, die ebenfalls als Partikel aufgefasst werden können, dispers verteilt sind. Die CNT stellen aufgrund ihrer Abmessungen Nanopartikel dar. Die Partikel des

Trockenschmierstoffes können als Nanopartikel ausgeführt sein, aber auch Abmessungen im Mikrometerbereich aufweisen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einer der verwendeten

Trockenschmierstoffe Molybdandisulfid, Wolframdisulfid, Tantaldisulfid, Graphit, hexagonales Bornitrid, Graphitfluorid und Silberniob-Selenid in den Partikeln enthalten ist. Die Partikel des Trockenschmierstoffes können also aus einem oder mehreren der aufgeführten

Trockenschmierstoffe bestehen und auch mit anderen Trockenschmierstoffen, die hier nicht aufgeführt sind, gemischt sein. Auch ist es möglich, Partikel unterschiedlicher Zusammensetzung zu verwenden, d. h.

Partikel eines Trockenschmierstoffes mit Partikeln eines anderen Trockenschmierstoffes zu mischen, wobei beide Arten von Trockenschmierstoff in das Gefuge der Schicht eingebaut werden. Durch eine geeignete Mischung und Auswahl von Trockenschmierstoffen lasst sich vorteilhaft die Schicht hinsichtlich ihres Verschleißverhaltens auf eine bestimmte Anwendung hm optimieren. Hierbei sind die Umstände der Applikation zu berücksichtigen, wobei angemerkt sein soll, dass das tπbologische Verhalten zweier Bauteile im Allgemeinen nur begrenzt vorhergesagt werden kann, so dass für eine Optimierung, d. h. Auswahl geeigneter Trockenschmierstoffe, Versuche notwendig sind. Die aufgeführten Trockenschmierstoffe weisen im Allgemeinen jedoch gute Schmiereigenschaften auf, weswegen deren Auswahl bevorzugt werden kann, um zu befriedigenden Resultaten zu kommen .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die Schicht ein metallisches Gefuge insbesondere aus einer Nickel-Kobalt-Legiexung aufweist. Das metallische Gefuge der Schicht ermöglicht eine Leitung des elektrischen Stromes mit vorteilhaft geringem elektrischen Widerstand. Insbesondere Nickel-Kobalt-Legierungen eignen sich für elektrische Schaltelemente, da sie eine vergleichsweise gute elektrische und thermische Leitfähigkeit mit einem befriedigenden Verschleißverhalten verbinden. Daher kann das Optimierungspotential durch Einbringung von CNT und Trockenschmierstoff-Partikeln vorteilhaft besonders gut genutzt werden.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schicht ein keramisches Gefuge oder zumindest keramische Gefugeanteile insbesondere aus oxidischen oder nitridischen Keramiken wie Titannitrid

aufweist. Hierdurch lassen sich vorteilhaft sehr harte Schichten, beispielsweise für eine Werkzeugbeschichtung, herstellen, wobei deren tπbologisches Verhalten durch Einbringen der Trockenschmierstoff-Partikel optimiert werden kann. Hierdurch lasst sich die Standzeit vorteilhaft verbessern. Gleichzeitig kann die thermische Leitfähigkeit der CNT genutzt werden, um beispielsweise bei Werkzeugen einer spanenden Bearbeitung die Warme effektiv abzuleiten. Die Verringerung der thermischen Belastung fuhrt bei hohen Schnittgeschwindigkeiten des Werkzeugs vorteilhaft gleichzeitig zu einer verbesserten Standzeit, bzw. ermöglicht höhere Schnittgeschwindigkeiten bei gleichbleibender Standzeit .

Auch ist es denkbar, dass nur bestimmte Gefugeanteile keramisch sind, wahrend andere Gefugeanteile metallisch sind. Eine elektrische Leitfähigkeit der Schicht bleibt somit erhalten, wobei die keramischen Gefugeanteile vorrangig zur Optimierung der Standzeit eingesetzt werden. Zuletzt können auch elektrisch leitfahige Keramiken verwendet werden, mit denen auch bei rein keramischen Schichten eine Herstellung von elektrischen Kontaktschichten möglich ist. Dies ist insbesondere bei Titannitrid der Fall.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Bauteils, bei dem das Bauteil in einen Elektrolyten gegeben wird, wo eine Schicht aus Bestandteilen des Elektrolyts abgeschieden wird, wobei in dem Elektrolyten CNT dispergiert sind, die in die Schicht mit eingebaut werden.

Em Verfahren der genannten Art ist beispielsweise gemäß der US 2007/0036978 Al bekannt, wobei CNT zum Zwecke des Einbaus in eine elektrochemisch herzustellende Schicht in dem

Elektrolyten dispergiert werden. Wahrend des elektrochemischen Schichtaufbaus werden diese CNT daher mit in die Schicht eingebaut.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum elektrochemischen Beschichten unter Einbau von CNT anzugeben, mit dem sich Schichten mit einem erweiterten Funktionsumfang erzeugen lassen.

Diese Aufgabe wird mit dem genannten Verfahren erfindungsgemaß dadurch gelost, dass in dem Elektrolyt neben CNT außerdem Partikel eines Trockenschmierstoffes dispergiert werden, die ebenfalls in die Schicht mit eingebaut werden. Hierdurch lassen sich Schichten erzeugen, die vorteilhaft Anforderungsprofilen entsprechen, wie sie eingangs bereits im Zusammenhang mit den erfmdungsgemaßen Schichten erläutert wurden .

Vorteilhaft kann für das Beschichten ein wassπger Elektrolyt verwendet werden, wobei die CNT und die Partikel eines

Trockenschmierstoffes unter Einsatz eines Netzmittels in dem Elektrolyten dispergiert werden. Hierbei kann vorteilhaft auf eine Vielzahl von verfugbaren Elektrolyten zurückgegriffen werden, wobei auch auf die in der US 2007/0036978 Al angegebenen Netzmittel zurückgegriffen werden kann.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform des erfmdungsgemaßen Verfahrens wird erhalten, wenn für das Beschichten als Elektrolyt eine ionische Flüssigkeit verwendet wird. Als ionische Flüssigkeiten bezeichnet man flussige Salze, ohne dass das Salz in einem Losungsmittel (bevorzugt Wasser) gelost wird. Es handelt sich dabei um organische Flüssigkeiten, die aus Kationen und Anionen zusammengesetzt sind. Als Kationen kommen im vorliegenden

Fall alkyliertes Imidazolium-, Pyridinium-, Ammonium- oder Phosphonium-Ionen zum Einsatz. Als Anionen können beispielsweise einfache Halogenide, Tetrafluorborate, Hexafluorphosphate, Bi (tπfluoromethylsulfonyl) imide oder Tri (pentafluoroethyl) tπfluorphosphate verwendet werden. Diese Auswahl der Kationen und Anionen bewirkt, dass die ionischen Flüssigkeiten bei Temperaturen von unter 100 ⁰ C, bevorzugt sogar bei Raumtemperatur, im flussigen Zustand vorliegen. Aufgrund ihrer chemischen Struktur besitzen ionische Flüssigkeiten tensidartige Eigenschaften, weswegen sich diese Flüssigkeiten hervorragend zur Herstellung von Dispersionen eignen. Die ionische Flüssigkeit wirkt dabei als Dispersionsmittel, wobei die zu dispergierenden Dispersanten Mikro- oder Nanoteilchen sein können und erfmdungsgemaß durch die CNT und die Partikel des Trockenschmierstoffes gebildet werden. Vorteilhaft kann auf Netzmittel zum Dispergieren verzichtet werden, wobei hierdurch vermieden wird, dass die Eigenschaften der in die elektrochemisch hergestellte Schicht eingebauten Partikel durch mit eingebaute Netzmittel beeinträchtigt werden. Außerdem lassen sich in ionischen Flüssigkeiten vergleichsweise hohe Konzentrationen an dispergierten Partikeln erreichen, wodurch vorteilhaft auch höhere Einbauraten in die zu erzeugende Schicht erreicht werden.

Außerdem lassen sich die Metalle aus der ionischen Flüssigkeit auch als nanokristallme Metallschichten abscheiden. Hierzu sind die Parameter gemäß der WO 2006/061081 A2 bzw. die Angaben von F. Endres, „Ionische Flüssigkeiten zur Metallabscheidung", Nachrichten aus der

Chemie, 55, Mai 2007, Seiten 507 bis 511 zu berücksichtigen. Die Struktur nanokristallmer Metalischichten eignet sich vorteilhaft besonders gut zum Einbau von CNT sowie den

Partikeln des Trockenschmierstoffes, so dass vorteilhaft besonders hohe Einbauraten erreicht werden können.

Sowohl die Abscheidung aus wassrigen Elektrolyten als auch die Abscheidung aus ionischen Flüssigkeiten kann sowohl im Gleichstrombetπeb wie auch im Pulsbetrieb erfolgen. Hierdurch ist vorteilhaft eine Variation der abgeschiedenen Anteile an CNT und Partikeln des Trockenschmierstoffes möglich. Als mögliche Metalle zur Abscheidung der metallischen Schicht können neben den bereits genannten auch beispielsweise Kupfer und Gold zum Einsatz kommen. Die verwendeten CNT können ebenfalls unterschiedliche Ausprägungen aufweisen. Insbesondere ist die Verwendung von Smglewall-CNT, Multiwall-CNT oder Doublewall-CNT möglich. Weiterhin können die CNT funktionelle Gruppen aufweisen, die deren Eigenschaftsprofil beeinflussen.

Nachfolgend soll ein Ausfuhrungsbeispiel des erfmdungsgemaßen Verfahrens beschrieben werden. Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel werden folgende Schritte durchlaufen:

1. In einer ionischen Flüssigkeit, wie l-Butyl-3- methylimidazoliumtetrafluorborat werden entsprechende Salze zu den ionischen Salzen, wie Nickeltetrafluoroborat und Cobaltsulfamat als lonentrager gelost.

2. Anschließend werden in diesen Elektrolyten Molybdan- oder Wolframdisulfid als Nano- oder Mikroteilchen und Carbon Nanotubes dispergiert. 3. Sind die genannten Dispersanten homogen im Elekrolyten verteilt, wird in das Bad eine Anode, bestehend aus Nickel und Kobalt, eingesetzt. Dabei handelt es sich um lösliche Elektroden, um eine konstante Ni- und Co- Konzentration zu erreichen.

4. Danach wird das zu beschichtende und leitfahige Werkstuck in den Elektrolyten getaucht und als Kathode an eine Stromquelle angeschlossen.

5. Bei einem Strom von 0,5 bis 20 A/dm ² wird Ni/Co mit den genannten Sulfiden und den CNT abgeschieden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausfuhrungsbeispiel des erfmdungsgemaßen Bauteils als elektrisches Kontaktelement,

Figur 2 das in Figur 1 gekennzeichnete Detail und

Figur 3 ein Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemaßen Verfahrens schematisch.

Em Bauteil 11 gemäß Figur 1 ist als elektrisches Schaltelement ausgebildet. Dieses weist im Kontaktbereich eine Schicht 12 auf, in die, wie Figur 2 zu entnehmen ist, einerseits CNT 13 und andererseits Partikel 14 eines

Trockenschmierstoffes eingelagert sind. Eine durch die Schicht 12 gebildete Kontaktflache 15 weist dadurch vorteilhaft einen erhöhten Verschleißwiderstand, eine erhöhte Tragfähigkeit für den Schaltstrom und damit eine verlängerte Standzeit auf.

Bei dem Verfahren gemäß Figur 3 wird ein als ionische Flüssigkeit ausgeführtes Elektrolyt 16 in einen Behalter 17 eingefüllt. In dem Elektrolyt 16 sind CNT 13 und Partikel 14

eines Trockenschmierstoffes dispergiert. Das zu beschichtende Bauteil 11 als Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode 18 werden mit einer Spannungsquelle 19 kontaktiert, wodurch auf dem Bauteil 11 unter Einlagerung der CNT 13 und der Partikel 14 des Trockenschmierstoffes eine Schicht hergestellt werden kann .