DE102005054532A1

DE102005054532A1 - Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements

Info

Publication number: DE102005054532A1
Application number: DE102005054532A
Authority: DE
Inventors: Maik Broda; Clemens Dr. Verpoort; Stefan Heinz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerelementes für eine geschmierte oder ungeschmierte Lagerpaarung, insbesondere ein Gleitlager, wobei das Lagerelement einen Träger aufweist, der mit einer Oberflächenschicht beschichtet ist, die Metalloxide, insbesondere Aluminiumoxid, enthält. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt eine metallische Haftschicht auf den Träger aufgetragen wird und in einem zweiten Verfahrensschritt die Oberflächenschicht entsteht, indem die Haftschicht durch ein geeignetes Verfahren zumindest teilweise in Metalloxid umgewandelt wird. DOLLAR A Verwendung findet die Schicht bei Gleitflächen von Maschinenteilen und/oder Werkzeugen wie Ventilsitzen, Ventilschäften, Zylinderbohrungen, Kolben, Kolbenringen, Zahnrädern, Nockenwellen, Nocken und Getriebeteilen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Lagerelementes, insbesondere für Gleitlager, mit einer Metalloxid enthaltenden Oberflächenschicht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie das Lagerelement selbst und die Verwendung eines derartigen Lagerelements.
Bei einem Lager, insbesondere einem Gleitlager, ist ein geringer Verschleiß, insbesondere Gleitverschleiß, der von einem Lagerelement gebildeten Lagerfläche erwünscht. Wesentlich ist also eine lange Standzeit des Lagers bzw. Lagerelements. Weiter ist eine geringe Reibung wünschenswert.

Es sind bereits eine Vielzahl von Beschichtungen für Lagerelemente zur Erreichung bestimmter Lagereigenschaften bekannt. Beispielsweise wurden bereits Beschichtungen aus Kunststoff oder Sintermaterial vorgeschlagen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerelementes, das Lagerelementes selbst sowie die Verwendung dieses Lagerelementes für eine geschmierte oder ungeschmierte Lagerpaarung, insbesondere für ein Gleitlager, anzugeben, wobei bei einfacher, kostengünstiger Herstellung gute Lagereigenschaften und eine hohe Standzeit erreichbar sein sollen.

Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Lagerelementes und seiner Verwendung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Indem in einem ersten Verfahrensschritt eine metallische Haftschicht auf den Träger aufgetragen wird, und in einem zweiten Verfahrensschritt die Oberflächenschicht entsteht, indem die Haftschicht durch ein geeignetes Verfahren zumindest teilweise in Metalloxid umgewandelt wird, kann eine sehr harte Oberflächenschicht auf einem beliebigen Träger erzeugt werden. Die metallische Haftschicht kann durch jedes geeignete Verfahren auf den Träger aufgebracht werden. Vorteilhaft wird hier ein Verfahren ausgewählt, die eine höchstmögliche Verbindung von Trägermaterial und Haftschicht bewirkt. Im zweiten Schritt wird die Haftschicht durch ein geeignetes Verfahren oxidiert.

Bevorzugt weist das durch das erfinderische Verfahren hergestellt Lagerelement eine Metalloxide enthaltende Oberflächenschicht, einen Träger und eine zwischen Träger und Oberflächenschicht befindlichen, nicht oxidierte Haftschicht auf. Die Oberflächenschicht ist amorph und im Mittel bevorzugt weniger als 100 μm dick ausgebildet. So wird eine ausreichend hohe Flexibilität erreicht, insbesondere um ein Ablösen unter Belastung zu verhindern und eine hohe Standzeit zu ermöglichen. Versuche haben gezeigt, daß die vorschlagsgemäße Oberflächenschicht gegenüber Stoßbelastungen extrem widerstandsfähig ist.

Vorteilhaft kann das Lagerelement auch nur eine Metalloxide enthaltende Oberflächenschicht und einen Träger aufweisen. Dies ist der Fall, wenn bei der Herstellung die Haftschicht soweit oxidiert wird, so daß Metalloxide direkt mit dem Träger ohne dazwischen liegende Haftschicht verbunden sind. Dies ist dann vorteilhaft, wenn aufgrund der Materialpaarung von Trägermaterial und Metalloxid eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Materialen erzielt werden kann. In diesem Fall wird die haftvermittelnde Haftschicht nicht benötigt. Weiterhin vorteilhaft ist die hohe Tragfähigkeit, z. B. die erzielbare Flächenpressung, des Lagerelementes, wenn die hochfesten Metalloxide direkt auf einem festen Lagermaterial angeordnet sind, z. B. bei der Werkstoffpaarung Aluminiumoxid mit Stahl.

Bevorzugt ist die Oberflächenschicht höchstens 150 μm, insbesondere etwa 50 μm oder weniger, dick. Dabei ist die Dicke der Oberflächenschicht und damit die Oberflächenschicht selber auch so definiert, bis in welche Tiefe – von der Oberfläche des Lagerelementes ausgehend – sich bei der Oxidation der Haftschicht Metalloxide gebildet haben. Entsprechend beträgt die Dicke der nicht oxidierten Haftschicht vorteilhaft höchstens 150 μm, insbesondere etwa 50 μm oder weniger.

Die Dicke der Haftschicht bzw. die Haftschicht selbst ist als der Bereich definiert, in dem bei der Oxidation keine Metalloxide in der Haftschicht gebildet wurden.

Bevorzug besteht die Haftschicht vollständig oder teilweise aus Aluminium, entweder Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung. Aluminium als Haftschicht läßt sich leicht auf verschiedenste Trägerwerkstoffe auftragen, insbesondere auf Stahl, jedoch auch auf andere Konstruktionswerkstoffe, und auch auf Kunststoffe und/oder Verbundwerkstoffe. Weiterhin läßt sich Aluminium vergleichsweise einfach zu Aluminiumoxid umwandeln. Aluminiumoxid weist die im Sinne der Erfindung erforderliche Härte für die verschleißfreie und reibungsarme Ausbildung der Oberflächenschicht eines Lagerelementes auf. Natürlich kann die Haftschicht auch mittels anderer Metalle oder Metallegierungen erfolgen, z. B. Magnesium.

Besonders geeignet ist das Verfahren zur Beschichtung, wenn das Material des Trägers Stahl oder eine Eisenlegierung ist. Dies umfaßt auch Stahlguß und Grauguß, wie er z. B. für Maschinenbetten, Tiefziehwerkzeugen, Zylinderblöcken etc. verwendet wird. Prinzipiell kann aber jedes Material, also auch andere Metalle und auch Kunststoffe und auch Verbundwerkstoffe als Trägermaterial dienen und dann entsprechend metallisch beschichtet werden.

Vorteilhaft erfolgt eine mechanische Bearbeitung des Lagerelementes nur auf dem Träger und/oder der Haftschicht, und zwar bevor die Metalloxide in der Oberflächenschicht entstanden sind. Der Träger bzw. dessen Haftschicht wird vorzugsweise ausschließlich vor der Oxidation der Haftschicht mechanisch bearbeitet, beispielsweise abgedreht, geläppt, gehont, poliert oder dgl. Anschließend erfolgt die Oxidation der Haftschicht, so daß die Oberflächenschicht mit den Metalloxiden, insbesondere Aluminiumoxid, entsteht. Entsprechend ergibt sich eine sehr einfache Herstellung des Lagerelementes, da eine vorherige/zusätzliche Beschichtung und/oder eine nachträgliche mechanische Bearbeitung nicht erforderlich ist bzw. sind.

Eine sehr gute, dauerhaltbare Verbindung der Oberflächenschicht mit dem darunter angeordneten Träger wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß die Oberflächenschicht eines aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Trägers anodisch oder durch Plasmaanodisierung zu Aluminiumoxid oxidiert wird.

Das anodische Oxidieren erfolgt vorzugsweise mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit des Schichtwachstums von vorzugsweise höchstens 1 bis 100 nm/h, besonders bevorzugt etwa 1 bis 20 nm/h. Die Oxidation wird vorzugsweise potentiostatisch bei einer Spannung von vorzugsweise höchstens 5 bis 200 V, besonders bevorzugt etwa 10 bis 100 V für etwa 30 min bis 72 h durchgeführt. Als Elektrolyt für die Oxidation wird vorzugsweise Oxalsäure, Schwefelsäure, Chromsäure und/oder Phosphorsäure eingesetzt. Zusätzlich oder alternativ sind polyprote organische und anorganische Säuren, wie Malonsäure, Maleinsäure, Weinsäure oder Mischungen aus den genannten, geeignet. Die Oxidation erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von –15°C und +30°C, insbesondere etwa bei –5°C bis +15°C, besonders bevorzugt etwa bei 0°C oder 10°C, um die gewünschte Härte, Struktur o. dgl. zu erreichen.

Das Plasmaanodisieren erfolgt vorzugsweise mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit des Schichtwachstums der Metalloxide von vorzugsweise 1 bis 5 μm/min, und einer verwendeten Spannung von 40 V bis über 200 V. Das Plasmaanodisieren erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 10°C und 50°C, insbesondere etwa bei 20°C bis 30°C um die gewünschte Härte, Struktur o. dgl. zu erreichen.

Durch die gleichmäßige anodische Oxidation bzw. das gleichmäßige Plasmaanodisieren wird eine vorzugsweise zumindest im wesentlichen gleichmäßige Dicke der oxidierten Oberflächenschicht erreicht und die Oberflächenbeschaffenheit bzw. -rauheit der vor der Oxidation erfolgten mechanischen Bearbeitung bleibt zumindest im wesentlichen erhalten.

Vorteilhaft sind in der Oberflächenschicht des Lagerelementes Poren zur Aufnahme von kleinen Molekülen, insbesondere Feuchtigkeit oder Schmiermitteladditiven, ausgebildet. Die nach außen hin offenen Poren, die durch Oxidation der Haftschicht, insbesondere zu Aluminiumoxid, vorlagenfrei gebildet sind, nehmen Stoffe, wie Schmiermittel, Schmiermittelzusätze, Feuchtigkeit auf. Aufgrund der kleinen Strukturen der Poren können diese Stoffe unter Belastung nicht seitlich herausgepreßt werden.

Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Poren nicht als Schmiermittelreservoir dienen, sondern primär der Aufnahme von Feuchtigkeit oder Schmiermitteladditiven, insbesondere Öladditiven, dienen und entsprechend ausgebildet sind. Insbesondere sind die Poren hierzu gegenüber dem Stand der Technik klein ausgebildet. Vorzugsweise beträgt der mittlere Durchmesser der Poren weniger als 250 nm, insbesondere weniger als 100 nm. Dieser Ausbildung liegt zugrunde, daß das Schmiermittel als solches nicht unbedingt vorhanden sein muß. Vielmehr genügen oftmals die wesentlich kleineren Schmiermitteladditivmoleküle oder gar Feuchtigkeit, um verbesserte Lagereigenschaften zu erreichen, insbesondere bei Grenzflächenreibung und Mischreibung oder beim Übergang von Haftreibung zu Gleitreibung. Die kleinen Poren gestatten insbesondere eine wesentlich bessere Fixierung von Molekülen, wie Schmiermitteladditiven, so daß sich gegenüber dem Stand der Technik wesentlich bessere Lagereigenschaften ergeben.

Vorteilhaft findet das erfinderische Lagerelement Verwendung bei allen Lagerflächen von Maschinenteilen und/oder Werkzeugen. Dabei ist unter Lagerfläche jede Fläche zu verstehen, auf der sich zwei Körper gegeneinander bewegen, sei es als Wälzlager oder als Gleitlager. Insbesondere geeignet ist das Lagerelement für Ventilsitze, Ventilschäfte, Zylinderbohrungen, Kolben, Kolbenringen, Zahnrädern, Nockenwellen, Nocken und Getriebeteile. Auch Werkzeuge, insbesondere Tiefziehwerkzeuge, Druckgußwerkzeuge und Druckgußstempel können ein solches Lagerelement enthalten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lagerelementes für eine geschmierte oder ungeschmierte Lagerpaarung, insbesondere ein Gleitlager, wobei das Lagerelement einen Träger aufweist, der mit einer Oberflächenschicht beschichtet ist, die Metalloxide, insbesondere Aluminiumoxid, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt eine metallische Haftschicht auf den Träger aufgetragen wird, und in einem zweiten Verfahrensschritt die Oberflächenschicht entsteht, indem die Haftschicht durch ein geeignetes Verfahren zumindest teilweise in Metalloxid umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht vollständig oder teilweise aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger vollständig oder teilweise aus einer Stahl oder einer Eisenlegierung besteht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Bearbeitung des Lagerelementes nur auf dem Träger und/oder der Haftschicht erfolgt, und zwar bevor die Metalloxide in der Oberflächenschicht entstanden sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxide insbesondere durch anodische Oxidation der Haftschicht hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht mit einer Geschwindigkeit des Schichtdickenwachstums von höchstens 1 bis 100 nm/h, vorzugsweise etwa 1–20 nm/h, anodisch oxidiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschichtschicht bei einer Temperatur von –15°C und +30°C, insbesondere etwa bei –5°C bis +15°C, besonders bevorzugt etwa bei 0°C oder 10°C, anodisch oxidiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxide insbesondere durch Plasmaanodisieren der Haftschicht hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxide der Oberflächenschicht mit einer Geschwindigkeit des Schichtdickenwachstums von 1 bis 5 μm/min und einer verwendeten Spannung von 40 V bis über 200 V hergestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschichtschicht bei einer Temperatur zwischen 10°C und 50°C, insbesondere etwa bei 20°C bis 30°C durch Plasmaanodisieren oxidiert wird.
Lagerelement, hergestellt nach einem der vorherigen Ansprüche.
Lagerelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberflächenschicht Poren zur Aufnahme von kleinen Molekülen, insbesondere Feuchtigkeit oder Schmiermitteladditiven, ausgebildet sind.
Lagerelement nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement eine Metalloxide enthaltende Oberflächenschicht, einen Träger und eine zwischen Träger und Oberflächenschicht befindlichen, nicht oxidierte Haftschicht aufweist.
Lagerelement nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement eine Metalloxide enthaltende Oberflächenschicht und einen Träger aufweist.
Lagerelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht höchstens 150 μm, insbesondere etwa 50 μm oder weniger, dick ist.
Lagerelement nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht oxidierte Haftschicht höchstens 150 μm, insbesondere etwa 50 μm oder weniger, dick ist.
Verwendung eines Lagerelementes nach einem der vorherigen Ansprüche an Lagerflächen, insbesondere Gleitflächen, von Maschinenteilen und/oder Werkzeugen, insbesondere Ventilsitzen, Ventilschäften, Zylinderbohrungen, Kolben, Kolbenringen, Zahnrädern, Nockenwellen, Nocken, Getriebeteile, Tiefziehwerkzeugen, Druckgußwerkzeugen, Druckgußstempeln.