CConstronstrucuctteureur 5/2005

Te Strake Surface Technology B.V. (TSST) is een internationale onderneming actief op het gebied van oppervlaktebehandeling

en gespecialiseerd in multifunctionele laksystemen met tribologische en corrosiewerende eigenschappen. Deze lakken

worden toegepast in situaties waar materialen over elkaar wrijven, een lage wrijvingscoëfficiënt in combinatie met

een lange levensduur is gewenst en waar tevens de toepassing van vet/oliesmering niet wenselijk is omdat deze

middelen vervuilen en vuil aantrekken. Zowel metalen als kunststoffen lenen zich voor de toepassing van de

zogenaamde glijlakken.

TSST heeft twee productielocaties waarvaneen in Nederland (Deurne) en een inDuitsland (Obrigheim). Daarnaast zijn er

twee salesorganisaties waarvan een in Duitsland(Solingen) en een in Frankrijk (Parijs).TSST heeft zich voornamelijk gespecialiseerd in debehandeling van onderdelen die worden toegepastin de automotive industrie, zoals slotonderdelen,scharnieronderdelen, wielbouten, onderdelen voorcabrio-uitvoeringen, schuifsystemen voor auto-stoelen en onderdelen voor veiligheidsriemen enaluminium en messinghulsen die worden toegepastin de bouwindustrie. De glijlakken worden aange-bracht in moderne en geautomatiseerde applicatie-systemen, zoals dip-spin (applicatiemethode voorhet lakken van grotere hoeveelheden kleine onder-delen) en spuiten. Deze lakken worden in-houseaangebracht. Zowel in Deurne als in Obrigheimbestaat de mogelijkheid om een corrosiewerendevoorbehandeling toe te passen. Stalen onderdelenworden voorbehandeld met het Endurion-proces(een speciale zinkfosfatering + nabehandeling).Vervolgens worden een of meerdere glijlakkenaangebracht. Tot slot worden de lakken gemoffeldin een oven. Het gecombineerde systeem wordt opde markt aangeboden onder de naam Antifricor™,en heeft uitstekende tribologische en corrosiewe-rende eigenschappen.TNO Industrie was tot 31-12-2004 één van devijftien instituten van TNO en ontwikkeltinnovatieve producten en processen, door hetuitvoeren van projecten samen met haaropdrachtgevers. Daarbij wordt ontwikkeldekennis op het gebied van productontwikkeling,productieprocessen en materiaaltoepassingenvertaald naar praktische oplossingen.Per 1-1-2005 maakt TNO Industrie deel uit vanhet Kerngebied TNO Industrie en Techniek,

waartoe dan naast TNO Industrie ook TNOMilieu, Energie en Procesinnovatie, TNO TPDen TNO Wegtransportmiddelen behoren.Sinds begin jaren 90 is TNO al actief op hetgebied van glijlakken, terwijl in de 60-er jaren alonderzoek is gedaan aan vaste smeermiddelen.Binnen TNO Industrie werken de afdelingenPolymeertechnologie en Surface Engineering &Metals Technology samen aan de ontwikkelingvan glijlakken. Deze samenwerking heeft al geleidtot een patent voor een ontwikkeld glijlaksysteem,waarmee wordt bedoeld dat een glijlak is ontwik-keld die direct op een stalen substraat kan wordenaangebracht en tribologische eigenschappen heeftdie vergelijkbaar zijn met die van commerciëleglijlakken. De door TNO ontwikkelde glijlakbevat, in tegenstelling tot de commercieelverkrijgbare glijlakken, geen toxische additieven.Te Strake Surface Technology en TNO Industriewerken sinds 2000 samen in een co-financierings-project aan de ontwikkeling van verbeterde enmilieuvriendelijke glijlakken.

Samenwerking - kennisopbouwen kennisoverdracht

TNO Industrie en Techniek is samen met Te Strake Surface Technology een project gestartom een glijlaksysteem te ontwikkelen die dehuidig toegepaste glijlak kan vervangen metbehoud of verbetering van zowel tribologische alscorrosietechnische eigenschappen. Zeer belangrijkin dit project is, dat er een fundamenteler kennis-niveau wordt opgebouwd over de samenhangtussen laksamenstelling en het functioneren van deglijlak onder verschillende omstandigheden. Omhet fundamentele aspect van deze technologiegoed te kunnen waarborgen, is een co-financie-ringsproject opgezet. In een dergelijk project

34

Droogsmerende technieken?

G. Aben en J. Nelissen, TSST

M. Hackmann en J.P. Krugers,

TNO Industrie en Techniek T

Tribologie

Con05-2005-pag34-38 27-04-2005 13:31 Pagina 34

financiert het Ministerie van Economische Zakende ontwikkeling gedeeltelijk, mits aan een aantalvoorwaarden wordt voldaan. Een dergelijkeprojectvorm bestaat uit een aantal stadia.– Een fundamenteel stadium waarin op een

generieke wijze de technologie wordt onder-zocht. Hierbij is, naast het uitvoeren van lite-ratuuronderzoek, binnen TNO samenwerkinggestart tussen verschillende disciplines dienoodzakelijk zijn voor de oplossing van hetvraagstuk.

– Een industrieel stadium waarin de technologiewordt ontwikkeld tot een dusdanig niveau datde functionele eigenschappen van prototypeproducten kunnen worden afgeschat. In ditstadium is onderzoek gedaan naar zowelwatergedragen als organisch oplosmiddelge-dragen systemen en is na zorgvuldige afwegingen in samenspraak met Te Strake besloten omwatergedragen systemen niet verder te ontwik-kelen.

– Een preconcurrentieel stadium waarin deeventueel benodigde procestechnologie wordtontwikkeld, de technologie verder wordtgeoptimaliseerd, inzicht wordt ontwikkeld inwelke markten de technologie kan wordengeïmplementeerd, en de randvoorwaarden totvercommercialisering in kaart wordengebracht. Op dit moment is het project inzijn derde en laatste stadium beland waarinoptimalisatie en benchmarking worden uitge-voerd, alsmede een aanzet tot mogelijkeimplementatie wordt gestart. Concreetbetekent dit dat de corrosievastheid van hetglijlaksysteem wordt geoptimaliseerd metbehoud van de tribologische eigenschappen.

TheorieA-vast smeermiddelVaste smeermiddelen worden toegepast wanneerolie, vet of pasta ongewenst of ineffectief zijn.Ongewenst zijn vloeibare smeermiddelen wanneerproducten of contactvlakken kunnen wordenverontreinigd (voedingsmiddelenindustrie, elektri-sche contacten) of wanneer onderhoud moeilijk is(opnieuw of extra aanbrengen smeermiddelonmogelijk). Vetten en oliën zijn ineffectief inagressieve omgevingen (corrosieve gassen, vuil enstof ), bij hoge temperaturen (metaalbewerking,verbrandingsmotoren, projectielen), bij cryogenetemperaturen (raketten, diepvriesindustrie), onderinvloed van straling (reactoren, röntgenstraling-apparatuur), in de ruimte van wegen hetheersende vacuüm (satellieten, ruimtevaart),onder fretting omstandigheden en bij extreemhoge contactdrukken [1].Een veelgebruikt diagram is afgebeeld in afbeel-ding 1 waarin de snelheid tussen twee contact-vlakken en de druk tussen die contactvlakkentegen elkaar staan uitgezet. In dit pv diagram is inéén oogopslag te zien wanneer welk smeermiddelkan worden toegepast indien bekend is wat dedruk en snelheid tussen de contactvlakken zijn.De werking van vaste smeermiddelen berust ophet vermijden van een grote, tegenwerkendeafschuifkracht in de materiaaloppervlakken.Gevolgde benaderingen:– Afschuiving vindt plaats langs kristalvlakken

van anorganische pigmenten (bijvoorbeeldanorganische sulfiden) in een laksysteem.

– Het nauwelijks optreden van afschuiving in hetoppervlak met als gevolg dat lage afschuif-krachten optreden die een geringe wrijving

35

CConstronstrucuctteureur 5/2005

Tribologie

Afbeelding 1.

Snelheids-/contactdrukgrenzen voor

verschillende soorten smeermiddel

(kN/m2 = 10-3 MPa). Beide assen zijn

op logaritmische schaal uitgezet.

Deze figuur geldt alleen voor individuele

smeermiddelen; smeermiddelen in

combinatie met elkaar geven aanleiding

tot verschuiving van de regimes.

speed at bearing contact, mm/s

speed, ft/min

P, k

N/m

2

p,

psi

1 000 000

100 000

10 000

1000

10010

2 10 100 1000 10 000 100 000100 000

10 000

1000

100

14.5100 1000 10 000 100 000 1 000 000

Limit of grease

SteadyRolling

Bearin

gs

Limit, for solid/dry lubricants

Dry

lub

ric a

nts

Pla i

n b

eari

ng

s

Lim

it fo

r gre

ase

Interm

ittent

Limit for grease

Limit for oil lubication

Con05-2005-pag34-38 27-04-2005 13:31 Pagina 35

veroorzaken (bijvoorbeeld bij keramische lagenen in keramische lagers).

– Het gebruik van ‘microlagers’ die volgens hetdoperwtenprincipe het snelheidsverschiloverbruggen (bijvoorbeeld ronde deeltjes).

B-glijlakEen glijlak is een dispersie van smerende, vastedeeltjes in een matrix van een organisch bind-middel. De meestgebruikte verbindingen die in glij-lakken aanwezig zijn om vaste smering te bewerk-stelligen, zijn: MoS2, fluorpolymeren, grafiet enWS2. Het bindmiddel is vaak op basis van eenalkyd-, fenol-, epoxy- of acrylaathars dat door eentemperatuurbehandeling kan worden vernet. Omeen glijlak aan te brengen dient het bindmiddel teworden opgelost in een oplosmiddel. De keuze gaathierbij tegenwoordig uit naar milieuvriendelijkeoplosmiddelen zoals water, alcoholen, et cetera. Devaste smeermiddelen moeten als suspensie wordengestabiliseerd in deze oplossing.Zoals reeds vermeld in de inleiding zijn glijlakkenvaak de aangewezen smeermedia voor toepas-singen in vacuüm, bij relatief hoge temperaturenen in het geval van hoge oppervlaktedrukken(door afwezigheid van het opbouwen van hydro-statische druk in het smeermiddel). Echter, ookin gevallen waar natte smering ongewenst is,bijvoorbeeld in verband met aankleven van stofin elektronische apparatuur, worden glijlakkenveelal gebruikt. Tijdens het gebruik van de vastesmeermiddelen wordt de afgifte ervan aan deomgeving tegengegaan door een goede hechtingaan het oppervlak van het substraat en hetgebruik van zeer dunne lagen (enkele microme-ters dik).Hoewel glijlakken reeds tientallen jaren veel-vuldig worden toegepast, hebben in de laatstetwintig jaar nauwelijks nieuwe ontwikkelingenplaatsgevonden. De bestaande kennis is groten-deels gebaseerd op trial-and-error ontwikkeling,en bijgevolg is het technisch-wetenschappelijk

inzicht in de glijlakken gering. Dit wordt doorzowel leveranciers als applicateurs van glijlakkenonderkend. Glijlakken hebben dus nog nietgeprofiteerd van de enorme technologischesprong die andere coatings hebben doorgemaaktgedurende de afgelopen twintig jaar. Thansbestaat een grote behoefte aan nieuwe smeermid-delproducten die qua eigenschappen beter zijntoegespitst op specifieke toepassingen enbovendien vrij zijn van toxische stoffen entoxische oplosmiddelen. Deze behoefte resulteertin een positieve houding van de industrietegenover vernieuwende en non-conventioneleproducten.

C-levensduur (tribo+corrosie)De levensduur van een glijlak kan op verschil-lende manieren worden gedefinieerd. In dit gevalwordt de levensduur van de aangebrachte glijlakgelijkgesteld aan de levensduur van het onderdeelwaarop het is aangebracht. Dit betekent dat delevensduur van de glijlak niet doorslaggevend is,maar de levensduur van het glijlaksysteem; dat isde glijlak, de eventuele andere lagen en het onder-liggende substraat waarop deze zijn aangebracht.In de praktijk wordt de levensduur van een glij-laksysteem bepaald door tribologische en corrosie-technische factoren. Deze aspecten staan dan ookcentraal in het project dat door TSST en TNOwordt uitgevoerd.De tribologische aspecten worden bepaald door detypen triboactief pigment, bindmiddel, oplos-middel en additieven in de glijlak en de relatievehoeveelheden van elk. De corrosietechnischeaspecten worden bepaald door de afsluitendewerking van de glijlaklaag, de eventueel aanwezigeanticorrosiepigmenten of corrosie-inhibitoren en detoepassing van een extra laag of lagen die specifiekde corrosie van het onderliggende substraat verhin-deren. De anticorrosiepigmenten of corrosie-inhibi-toren kunnen ook de degradatie van de glijlak zelfdoor corrosie tegengaan of vertragen.

36

CConstronstrucuctteureur 5/2005

Tribologie

Afbeelding 2. Voorbeelden uit

de automobielbranche.

Con05-2005-pag34-38 27-04-2005 13:31 Pagina 36

Vaak is het zo dat een verbetering van de tribolo-gische eigenschappen van een glijlaksysteem eenverslechtering van de corrosietechnische eigen-schappen betekent en omgekeerd, een verbeteringvan corrosietechnische eigenschappen een verslech-tering van de tribologische eigenschappen betekent.In dit project is juist gezocht naar een optimalisatievan beide aspecten waardoor een glijlak wordtverkregen die beter presteert dan commercieelverkrijgbare glijlakken en bovendien uit milieu-hygiënisch oogpunt is berekend op de toekomstigeeisen die worden gesteld aan glijlakken.

D-keuze geschikte glijlakDe keuze van de geschikte glijlak is afhankelijkvan de toepassing en omgevingsfactoren. Eengroot aantal parameters speelt hierin een belang-rijke rol, zoals oppervlaktedruk, keuze van hetbasismateriaal, voorbehandeling, temperatuur enrelatieve vochtigheid. De functie van de glijlak isafhankelijk van omgeving, substraat, oppervlakte-gesteldheid enzovoort, en daarom een systeemei-genschap. Kennis van het mechanische systeem isessentieel om tot een goede keuze te komen. Zokan bijvoorbeeld een verkeerde inschatting van demechanische belasting leiden tot het falen van hetsysteem terwijl een andere glijlakkeuze een goedewerking zou garanderen. Daarom is afstemmingtussen constructeur en leverancier vaak noodzake-lijk om tot de juiste keuze te komen.Allereerst is het beoogde doel van belang.Wrijvingsverlaging, procesoptimalisatie (denkaan rendementsverhoging in geautomatiseerdelijnen) of het onderdrukken van storendegeluiden. Voor wrijvingsverlaging is onderandere de contactdruk van belang en dus deconstructie. Hoe wordt de constructie belast?Voor procesoptimalisatie kunnen de proceseisenlegio zijn. Vaak is het doel bepaalde procespara-meters van de toepassing beter te beheersen,bijvoorbeeld het constant houden van eenaandraaimoment. Hier moet contact tussenconstructeur en/of klant en de leverancier van deglijlak duidelijkheid bieden ten aanzien van deprioriteit van de eisen die aan een glijlak wordengesteld.

E-aanbrengen/verwerken glijlakHet aanbrengen van glijlakken kan op verschil-lende manieren worden uitgevoerd maar in ditproject is gekozen voor het dip/spinproces en hetspuitproces.Dip/spin is een techniek waarbij de te behandelenonderdelen worden ondergedompeld in de glijlak-suspensie waarna via de lengte en de rotatiesnel-heid van een centrifugeerproces de dikte van deglijlaklaag wordt bepaald.

In de regel wordt via het spuitproces een beterekwaliteit van de deklaag behaald maar is hetarbeidsintensiever en tijdrovender. Het dip/spin-proces is een typisch voorbeeld van een batch-proces waarbij vele producten in één doorloopworden behandeld.

PraktijkvoorbeeldenHet toepassingsgebied voor glijlakken is heeldivers. Een belangrijk marktsegment is de auto-mobielindustrie. Typische voorbeelden zijn:onderdelen voor sloten, stoelverstellingen enmotorkapsluitingen. Afhankelijk van de teverwachten drukbelastingen en uiteraard ookcorrosie-eisen, wordt een keuze gemaakt welkeglijlak het beste kan worden toegepast.Een groot nadeel van vet- en oliesmering is devervuiling van deze smeermiddelen die kanoptreden. Met name als het systeem niet goed isafgeschermd van de omgeving, kan stof/zand dewerking en duurzaamheid van het smerendsysteem negatief beïnvloeden.Een bekend voorbeeld is de abrasieve werking vanfijn zand op vetgesmeerde systemen. In 1996 is insamenwerking met de autofabrikant Volkswageneen onderzoek verricht naar de duurzaamheid vanglijlakken in vergelijk met vetgesmeerde systemen.In deze tests werden slotdelen gebruikt in dedeurportieren van auto’s die zowel traditioneelzijn gesmeerd met vet als een droogsmerendsysteem. In de welbekende Arizonatest, een testonder zware woestijncondities met erg fijn kwarts-zand, werden onder extreme abrasieve conditiesbeide systemen vergeleken. Er werd een achtjarigelevensduurtest gesimuleerd door onder dezecondities een afstand van 2000 km af te leggen.Na deze test werd de kracht die nodig is om eenslot te openen, gemeten. Deze test demonstreerdede uitstekende duurzaamheid van het droogsme-rende glijlaksysteem.Naast een betere duurzaamheid is comfort eenargument om voor een droogsmerend systeem tekiezen. Hoe vaak komt het niet voor dat menkleren vervuilt aan een stoelverstelling van een

37

CConstronstrucuctteureur 5/2005

Tribologie

Afbeelding 3 Voorbeelden uit de

verbindingsindustrie.

Con05-2005-pag34-38 27-04-2005 13:31 Pagina 37

auto of een scharnier van een deur? In afbeelding2 staan enkele voorbeelden van de toepassing vanglijlakken in de automobielbranche afgebeeld.Glijlakken hebben ook hun meerwaarde bewezenbinnen de verbindingsindustrie. Bij geautomati-seerde montage is een veelvoorkomend probleemde grote spreiding van het draaimoment tijdenshet aandraaien van een bevestigingsschroef en/ofbout. Het aanbrengen van een glijlak resulteert ineen lager en constanter aandraaimomentwaardoor er minder lijnstilstand is en dus kosten-besparing wordt gerealiseerd. In veel gevallenwordt ook de corrosiewering verbeterd.Afbeelding 3 toont typische voorbeelden van dezetoepassing.Scharnierverbindingen zijn ook verbindingen diebeter functioneren wanneer een glijlak wordtaangebracht. Ook hier is een metaal/metaalcontact aanwezig en bewegen beide oppervlakkenten opzichte van elkaar. In afbeelding 4 is eenaantal voorbeelden gegeven.In het verlengde van deze toepassing worden ookproducten uit de bouwindustrie voorzien van eenglijlak om de wrijving en slijtage van typischetoepassingen te reduceren. Voorbeelden hiervanzijn hang- en sluitwerk dat wordt toegepast in

ramen en kozijnen. De wrijvingsverlaging resul-teert in een verhoging van het bedieningsgemak.De corrosiewering wordt ook hier vaak verbeterd(afbeelding 5).Glijlakken worden eveneens aangebracht op ther-moplasten en thermoharders. Producten gemaaktvan thermoplasten (rubber ringen) hebben vaakde eigenschap om te verkleven. Door nu eendunne glijlaklaag aan te brengen kunnen deproducten gemakkelijker worden gemonteerd engedemonteerd. De wrijving tijdens montagewordt verlaagd en de benodigde krachten voormontage worden constanter waardoor wederomlijnstilstand wordt gereduceerd.Thermoharders of vezelversterkte kunststoffenworden steeds vaker toegepast in de automobiel-en vliegtuigindustrie in onder andere het interieuren de carrosserie. Trillingen in deze constructieszijn onvermijdelijk. Hierdoor kunnen kunststof-oppervlakken ten opzichte van elkaar gaanvibreren wat resulteert in irritante geluiden. Doorhet toepassen van glijlakken op plaatsen waargeluidsoverlast als gevolg van het over elkaarschuiven van oppervlakken optreedt, kan ditaanzienlijk worden verminderd.

*

38

CConstronstrucuctteureur 5/2005

Tribologie

Afbeelding 4. Voorbeelden scharnierverbindingen. Afbeelding 5. In de bouwsector kunnen glijlakken ook

veelvuldig worden ingezet.

Afbeelding 6. Thermoplasten toegepast in de afdichtingsindustrie worden van een glijlak

voorzien waardoor de handling wordt verhoogd.

Afbeelding 7. Vezelversterkte kunststoffen toegepast in beweegbare kabelgoten.

Door de scharnierdelen te voorzien van een glijlak verloopt de beweging constanter

en geruisloos. Het product op de rechterfoto wordt toegepast in een cleanroom.

Bijkomstig voordeel is dat minder stofvorming optreedt.

L i t e r a t u u r

[1] Neale, M.J. (ed.).LUBRICATION - ATribology Handbook,Oxford 1993.

Con05-2005-pag34-38 27-04-2005 13:31 Pagina 38