WO2006114278A1 - Lagerelement - Google Patents

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WO2006114278A1
WO2006114278A1 PCT/EP2006/003817 EP2006003817W WO2006114278A1 WO 2006114278 A1 WO2006114278 A1 WO 2006114278A1 EP 2006003817 W EP2006003817 W EP 2006003817W WO 2006114278 A1 WO2006114278 A1 WO 2006114278A1
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WO
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bearing element
surface layer
bearing
pores
element according
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Application number
PCT/EP2006/003817
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Inventor
Norbert Beyer
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Alcove Management Gmbh
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    • F16C33/1075—Wedges, e.g. ramps or lobes, for generating pressure
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    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing

Definitions

  • the present invention relates to a bearing element for a lubricated or unlubricated bearing pairing, in particular a plain bearing, a bearing formed therefrom and a use of a surface layer to reduce sliding wear and a method for producing such a bearing element or bearing.
  • a low wear in particular sliding wear
  • the bearing surface formed by a bearing element is desired. So it is essential a long life of the bearing or bearing element. Furthermore, low friction is desirable.
  • DE 101 557 316 A1 deals primarily with the nanoscopically rough design of a bearing surface, in particular by etching the bearing surface.
  • the abutment surface may, if necessary, be provided with an aluminum oxide layer with fine, outwardly open pores having an average diameter of 100 to 1000 nm, which serve for the additional uptake of particles and / or as a lubricant reservoir.
  • DE 101 57 316 Al gives no other information on the formation of pores or abutment surface.
  • the present invention has for its object to provide a bearing element for a lubricated or unlubricated bearing pair, in particular a plain bearing, a bearing, a use of a surface layer and a method for producing a bearing element, with good, cost-effective production good storage properties and high Life are available.
  • One aspect of the present invention is to provide a bearing element with a surface layer having outwardly open pores formed by anodic oxidation of the surface layer to alumina without template.
  • the pores at least for the most part, do not communicate with one another, so that substances taken up by the pores, such as lubricants, lubricant additives, moisture or the like, can not be pressed out laterally under load.
  • the surface layer is amorphous and formed on average less than 100 microns thick.
  • a very good, durable connection of the surface layer with the support arranged thereunder is made possible, in particular, by the surface layer of a support consisting of aluminum or an aluminum alloy being oxidized anodically to aluminum oxide.
  • a further aspect of the present invention which can also be implemented independently, is that the pores do not serve as a lubricant reservoir, but primarily serve to absorb moisture or lubricant additives, in particular oil additives, and are designed accordingly.
  • the pores are designed to be small compared to the prior art.
  • the average diameter of the pores is preferably less than 250 nm, in particular less than 100 nm.
  • This design is based on the fact that the lubricant as such does not necessarily have to be present. Rather, often satisfy the much smaller lubricant additive molecules or even moisture to achieve improved storage properties, especially in boundary friction and mixed friction or the transition from static friction to sliding friction.
  • the small pores allow in particular a much better fixation of molecules, such as lubricant additives, so that compared to the prior art result in much better storage properties.
  • FIGURE shows a schematic section of a proposed bearing with a proposed bearing element.
  • sectional view is not to scale and is for illustrative purposes only.
  • the illustrated, proposed bearing element 1 serves to form a lubricated or unlubricated bearing pairing.
  • the illustration shows a slide bearing 2.
  • rolling movements such as rolling wear, can also be superimposed.
  • the proposed bearing element 1 can be used for any type of storage or in any other way as a particularly wear-resistant component.
  • the bearing element 1 has a surface layer 3 with a plurality of pores 4. At least the majority of the pores 4 are open towards the outside and are not connected with each other, so they do not communicate with each other.
  • the pores 4 are preferably formed free of template exclusively by anodic oxidation of the surface layer 3 to aluminum oxide. This is possible in principle, as described, for example, in J.P. O'Sullivan et al., Proc. Royal Soc. London, 317, 511 (1970), H. Masuda; Applied Physical Letters, 79/19, L127 (1997) or H. Masuda, J. Electrochem Soc. 144/5, 857 (1997).
  • the surface layer 3 preferably consists at least substantially of aluminum oxide, at least in the surface regions which are provided with the pores 4. However, if necessary, the surface layer may also contain other additives or other ingredients.
  • the surface layer 3 is preferably formed amorphous in order to achieve a comparatively high flexibility for an inorganic material, which is beneficial for a high durability and thus durability.
  • the surface layer 3 has in the illustrated embodiment, an average thickness of less than 100 .mu.m, in particular less than 75 .mu.m, more preferably about 50 microns or less, possibly even only of a few microns or a few hundred nanometers.
  • the pores 4 are preferably designed to accommodate small molecules 5, in particular lubricant additives or the like. This can be achieved on the one hand by correspondingly hydrophilic or hydrophobic formation of the pores 4 and / or on the other hand by appropriate dimensioning of the pores 4.
  • the average, preferably substantially constant diameter D of the pores 4 is preferably less than 250 nm, in particular less than 100 nm.
  • the pores 4 are substantially cylindrical and / or uniform and / or have a small variance in terms of their size and / or are evenly distributed over the surface.
  • the areal density of the pores 4 is preferably at least 10 ⁇ 10 5 / mm 2 , in particular at least 2 ⁇ 10 5 / mm 2 or 5 ⁇ 10 5 / mm 2 .
  • the bearing element 1 preferably has a carrier 6, which is preferably covered uniformly thick by the surface layer 3, at least in the region of the bearing surface formed by the bearing element 1 or surface layer 4.
  • the carrier 6 is preferably completely or partially at least in relevant surface areas of aluminum or an aluminum alloy. However, the carrier 6 may, if necessary, also from another Ven- metal or the like exist or at least contain such and / or other ingredients.
  • the carrier 6 or its surface layer 3 is preferably mechanically processed, for example, turned off, lapped, honed, polished or the like, exclusively before the anodic oxidation. Subsequently, the anodic oxidation of the surface layer 3 to alumina takes place, the pores 4 in particular exclusively through the Anodic oxidation are formed without a template. Accordingly, a very simple production, since a previous / additional coating and / or a subsequent mechanical processing - in particular a machining - is not required or are.
  • the anodization preferably takes place at a relatively low rate of layer growth of preferably at most 1 to 100 nm / h, more preferably approximately 1 to 20 nm / h.
  • the oxidation is preferably carried out potentiostatically at a voltage of preferably at most 5 to 200 V, more preferably about 10 to 100 V for about 30 minutes to 72 hours.
  • the electrolyte used for the oxidation is preferably oxalic acid, sulfuric acid, chromic acid and / or phosphoric acid. Additionally or alternatively, polyprote organic and inorganic acids, such as malonic acid, maleic acid, tartaric acid or mixtures of those mentioned, are suitable.
  • the oxidation is preferably carried out at a temperature of - 15 ° C and + 30 ° C, especially at about -5 ° C to + 15 ° C, more preferably about 0 ° C or 10 ° C, to the desired hardness, structure o to reach the like.
  • a preferably at least substantially uniform thickness of the anodically oxidized surface layer 3 is achieved, and the surface condition or roughness of the mechanical treatment carried out prior to the anodic oxidation is at least substantially retained.
  • the average roughness Ra is preferably at most 5 ⁇ m, in particular only up to 2 ⁇ m or 1 ⁇ m.
  • the roughness depth R ⁇ ie the maximum height difference between an elevation and a depression, is preferably at most 5 .mu.m, in particular only up to 2 .mu.m or 1 .mu.m.
  • the ratio of lubricant thickness to roughness (average roughness) of the surface layer 3 is preferably at least 3.0, so that very good bearing properties are achieved.
  • the surface layer 3 need not consist exclusively of aluminum oxide, as already explained.
  • the surface layer 3 may be modified, interrupted or interspersed by inclusions of other material or other composition and / or by elevations of the carrier 6. This may be advantageous in particular with regard to a high abrasion resistance.
  • the surface layer 3 contains embedded in the alumina itself preferably foreign ions and / or atoms, in a proportion of at least 0, 1%, in particular at least 1% and / or less than 10%, especially about 2% to 7%.
  • This proportion of foreign ions or atoms is conducive to the preferred amorphous and / or flexible formation of the surface layer 3.
  • Source of these foreign ions are the acids used in the electrolyte and their corresponding anions, and optionally other additives in the electrolyte.
  • the proposed surface layer 3 and the bearing element 1 have a high stability with low abrasion and an extremely high impact resistance or resistance, although aluminum or aluminum alloys usually show no such resistance.
  • Experiments with flows impinging on the surface layer 3 at high speed have shown that the surface layer 3 is so durable and durable that damage to the underlying, non-anodized support material often occurs first.
  • This resistance, together with the abrasion resistance of the proposed surface layer 3, means that the proposed surface layer 3 and the bearing element 1 can be used very universally for particularly highly stressed bearing pairings.
  • the proposed bearing element 1 or the surface layer 3 forms a bearing surface, the mixed friction - especially when paired with metal, more preferably iron or steel - a surprisingly low coefficient of friction of less than 0.1, in particular only 0 , 04 to 0.07 or even less shows.
  • motor oil or any other suitable lubricant such as oils, fats or water, comes into consideration as a lubricant.
  • Zinc thiosulfate is preferably used as a lubricant additive.
  • the bearing element 1 or at least the surface layer 3 is extremely resistant, in particular in a corrosive environment, for example in an internal combustion engine, and / or at elevated temperature, in particular up to about 1100 ° C.
  • the bearing 2 with the bearing element 1 and an abutment element 7 is shown.
  • the bearing element 1 or the surface layer 3 forms the preferred bearing surface provided with the pores 4.
  • the counter bearing element 7 forms an abutment surface 8, which is paired with the bearing surface or is in contact or can be brought and which slides in particular on the bearing surface and / or rolls.
  • the bearing 2 can be, for example, two guide rails or slide rails which slide on one another.
  • a rail forming the first bearing element 1 is provided with the proposed surface layer 3.
  • Another rail forms the counter-bearing element 7 with the abutment surface 8 of the bearing 2. It is preferably not coated or provided with a (not shown) preferably corresponding or similar surface layer 3.
  • the rails are preferably made of aluminum, an aluminum alloy or another material which may be coated with aluminum. For example, this is a non-lubricated bearing pairing. For lubrication already the ambient humidity is sufficient. Preferably, however, a lubricant or lubricant additive is taken up by the pores 4.
  • the aforementioned bearing pairing or the bearing 2 explained with reference to the illustration example can be used in particular for aircraft in order to reduce the friction to or between aluminum rails or profiles, in particular in the case of freight containers, such that a simpler manual displacement of the freight containers without additional conveyors is facilitated.
  • the carrier 6 or the bearing element 1 can also form or represent a seal, in particular a molded seal or a sealing ring.
  • the illustrated carrier 6 is then designed accordingly. In this case, sealing takes place against the element 7 or its surface 8.
  • the carrier 6 or the bearing element 1 can also form or represent a valve stem, a valve guide or another valve element or an actuator, control element, actuating drive or the like.
  • the illustrated carrier 6 is then formed accordingly.
  • the element or part 7 then interacts with the surface layer 3 in a corresponding manner.
  • the carrier 6 or the bearing element 1 can also form or represent an engine piston of an internal combustion engine.
  • the illustrated carrier 6 is then formed accordingly.
  • the element 7 or its surface 8 forms the cylinder wall.
  • the proposed solution is not limited to the aforementioned uses. Rather, the proposed solution in a variety of areas, that is universally applicable.
  • the proposed solution in particular the proposed design according surface layer 3, in robots or other actuators, drives and actuators are used in which bearing pairings with aluminum or aluminum alloys or coatings of aluminum or aluminum alloys occur.
  • it is possible to reduce the static friction. This allows a smaller dimensioning of drives.
  • a robot arm or other actuator can be made lighter. This is advantageous in many respects and may in particular lead to the reduction of unwanted swinging during rapid stopping.
  • the proposed solution can generally be used for any type of component, in particular to minimize sliding wear and / or static friction and sliding friction, both lubricated and unlubricated bearing pairings. Particular preference is given to use in mixed friction.
  • aluminum when used in the present invention, it may preferably also be a suitable aluminum alloy or comparable alloy.
  • the surface layer 3 may optionally be arranged, formed or applied on the bearing element 1 or the abutment element 7 or on both.

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Abstract

Es werden ein Lagerelement, eine Verwendung einer Oberflächenschicht und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements vorgeschlagen. Um einen geringen Gleitverschleiß und eine geringe Haftreibung zu ermöglichen, ist eine Oberflächenschicht mit nach außen hin offenen Poren vorgesehen, die durch anodische Oxidation der Oberflächenschicht zu Aluminiumoxid vorlagenfrei gebildet werden und nicht miteinander kommunizieren, wobei die Oberflächenschicht amorph ausgebildet ist und eine Dicke von weniger als 100 µm aufweist. Der Durchmesser der Poren beträgt vorzugsweise weniger als 100 nm.

Description

Lagerelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lagerelement für eine geschmierte oder ungeschmierte Lagerpaarung, insbesondere ein Gleitlager, ein daraus gebilde- tes Lager sowie eine Verwendung einer Oberflächenschicht zur Verringerung von Gleitverschleiß und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Lagerelements oder Lagers.
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 Er- reichung bestimmter Lagereigenschaften bekannt. Beispielsweise wurden bereits Beschichtungen aus Kunststoff oder Sintermaterial vorgeschlagen.
Die DE 101 557 316 Al befaßt sich primär mit der nanoskopisch rauhen Ausbildung einer Lagerfläche, insbesondere durch Anätzen der Lagerfläche. Die Gegenlagerfläche kann bedarfsweise von einer Aluminiumoxidschicht mit feinen, nach außen hin offenen Poren mit einem mittleren Durchmesser von 100 bis 1.000 nm versehen sein, die der zusätzlichen Aufnahme von Partikeln und/oder als Schmiermittelreservoir dienen. Die DE 101 57 316 Al gibt keine sonstigen Hinweise zur Ausbildung der Poren bzw. Gegenlagerfläche.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lagerelement für eine geschmierte oder ungeschmierte Lagerpaarung, insbesondere eine Gleitlager, ein Lager, eine Verwendung einer Oberflächenschicht und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements anzugeben, wobei bei einfacher, ko- stengünstiger Herstellung gute Lagereigenschaften und eine hohe Standzeit erreichbar sind.
Die obige Aufgabe wird durch ein Lagerelement gemäß Anspruch 1, ein Lager gemäß Anspruch 20, eine Verwendung gemäß Anspruch 23 oder ein Ver- fahren gemäß Anspruch 28 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Lagerelement mit einer Oberflächenschicht zu versehen, die nach außen hin offene Poren aufweist, die durch anodische Oxidation der Oberflächenschicht zu Aluminiumoxid vorlagenfrei gebildet sind. Die Poren kommunizieren zumindest größtenteils nicht miteinander, so daß von den Poren aufgenommene Stoffe, wie Schmiermittel, Schmiermittelzusätze, Feuchtigkeit oder dgl., unter Belastung nicht seitlich herausgepreßt werden können. Die Oberflächenschicht ist amorph und im Mittel 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.
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 zu Aluminiumoxid oxidiert wird.
Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Poren nicht als Schmiermittelreservoir dienen, son- dem 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.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Er- findung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt einen schematischen Schnitt eines vorschlagsgemäßen Lagers mit ei- nem vorschlagsgemäßen Lagerelement.
Die Schnittdarstellung ist nicht maßstabsgerecht und dient lediglich Erläuterungszwecken.
Das dargestellte, vorschlagsgemäße Lagerelement 1 dient der Bildung einer geschmierten oder ungeschmierten Lagerpaarung. Das Darstellungsbeispiel zeigt ein Gleitlager 2. Jedoch können auch rollende Bewegungen, wie etwa bei Wälzverschleiß, überlagert sein. Grundsätzlich kann das vorschlagsgemäße Lagerelement 1 für jede Art von Lagerung bzw. in sonstiger Weise als be- sonders verschleißbeständiges Bauteil eingesetzt werden.
Das Lagerelement 1 weist eine Oberflächenschicht 3 mit einer Vielzahl von Poren 4 auf. Zumindest die Mehrzahl der Poren 4 ist nach außen hin offen ausgebildet und steht nicht miteinander in Verbindung, kommuniziert also nicht miteinander.
Die Poren 4 sind vorzugsweise ausschließlich durch anodische Oxidation der Oberflächenschicht 3 zu Aluminiumoxid vorlagenfrei gebildet. Dies ist grundsätzlich möglich, wie beispielsweise in J. P. O'Sullivan et al., Proc. Royal Soc. London, 317, 511 (1970), H. Masuda; Applied Physical Letters, 79/19, L127 (1997) oder H. Masuda, J. Electrochem Soc. 144/5, 857 (1997) erläutert.
Die Oberflächenschicht 3 besteht vorzugsweise zumindest im wesentlichen aus Aluminiumoxid, zumindest in den Oberflächenbereichen, die mit den Po- ren 4 versehen sind. Jedoch kann die Oberflächenschicht bedarfsweise auch sonstige Zusätze oder andere Bestandteile enthalten. Der Begriff "Alumini- umoxid" ist dementsprechend weit auszulegen. Bedarfsweise kann zusätzlich oder alternativ eine Oxidierung zu einem sonstigen, wegen der Porenbildung sogenannten Ventilmetalloxid erfolgen.
Die Oberflächenschicht 3 ist vorzugsweise amorph ausgebildet, um eine für einen anorganischen Werkstoff vergleichsweise hohe Flexibilität zu erreichen, die einer hohen Haltbarkeit und damit Standzeit zuträglich ist.
Die Oberflächenschicht 3 weist beim Darstellungsbeispiel eine mittlere Dicke von weniger als 100 μm, insbesondere von weniger als 75 μm, besonders bevorzugt etwa 50 μm oder weniger, ggf. sogar nur von einigen μm oder wenigen hundert Nanometern auf.
Die Poren 4 sind vorzugsweise zur Aufnahme von kleinen Molekülen 5, ins- besondere Schmiermitteladditiven oder dgl., ausgebildet. Dies kann einerseits durch entsprechend hydrophile oder hydrophobe Ausbildung der Poren 4 und/oder andererseits durch entsprechende Dimensionierung der Poren 4 erreicht werden.
Der mittlere, vorzugsweise im wesentlichen konstante Durchmesser D der Poren 4 beträgt vorzugsweise weniger als 250 nm, insbesondere weniger als 100 nm. Insbesondere sind die Poren 4 im wesentlichen zylindrisch und/oder gleichmäßig ausgebildet und/oder weisen eine geringe Varianz hinsichtlich ihrer Größe auf und/oder sind gleichmäßig über die Oberfläche verteilt.
Die Flächendichte der Poren 4 beträgt vorzugsweise mindestens lxlO5/mm2, insbesondere mindestens 2xlO5/mm2 oder 5xl05/mm2.
Das Lagerelement 1 weist vorzugsweise einen Träger 6 auf, der von der Ober- flächenschicht 3 vorzugsweise insbesondere gleichmäßig dick bedeckt ist, zumindest im Bereich der vom Lagerelement 1 bzw. Oberflächenschicht 4 gebildeten Lagerfläche.
Der Träger 6 besteht vorzugsweise vollständig oder teilweise zumindest in re- levanten Oberflächenbereichen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Jedoch kann der Träger 6 bedarfsweise auch aus einem sonstigen Ven- tilmetall oder dgl. bestehen oder zumindest derartige und/oder sonstige Bestandteile enthalten.
Der Träger 6 bzw. dessen Oberflächenschicht 3 wird vorzugsweise aus- schließlich vor der anodischen Oxidation mechanisch bearbeitet, beispielsweise abgedreht, geläppt, gehont, poliert oder dgl. Anschließend erfolgt die anodische Oxidation der Oberflächenschicht 3 zu Aluminiumoxid, wobei die Poren 4 insbesondere ausschließlich durch die anodische Oxidation vorlagenfrei gebildet werden. Entsprechend ergibt sich eine sehr einfache Herstellung, da eine vorherige/zusätzliche Beschichtung und/oder eine nachträgliche mechanische Bearbeitung - insbesondere eine spanabhebende Bearbeitung - nicht erforderlich ist bzw. sind.
Das anodische Oxidieren erfolgt vorzugsweise mit einer verhältnismäßig ge- ringen 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 Oxal- säure, 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.
Durch die gleichmäßige anodische Oxidation wird eine vorzugsweise zumindest im wesentlichen gleichmäßige Dicke der anodisch oxidierten Oberflä- chenschicht 3 erreicht und die Oberflächenbeschaffenheit bzw. -rauheit der vor der anodischen Oxidation erfolgten mechanischen Bearbeitung bleibt zumindest im wesentlichen erhalten.
Die mittlere Rauheit Ra beträgt vorzugsweise höchstens 5 μm, insbesondere nur bis zu 2 μm oder 1 μm. Die Rauhtiefe Rτ, d.h. die maximale Höhendiffe- renz zwischen einer Erhebung und einer Vertiefung, beträgt vorzugsweise höchstens 5 μm, insbesondere nur bis zu 2 μm oder 1 μm.
Vorzugsweise beträgt bei geschmierter Lagepaarung bei dem vorschlagsge- mäßen Lager 2 das Verhältnis von Schmiermitteldicke zu Rauheit (mittlere Rauheit) der Oberflächenschicht 3 mindestens 3,0, wodurch sehr gute Lagereigenschaften erreicht werden.
Die Oberflächenschicht 3 muß nicht ausschließlich aus Aluminiumoxid beste- hen, wie bereits erläutert. Insbesondere kann die Oberflächenschicht 3 durch Einlagerungen aus anderem Material oder anderer Zusammensetzung und/oder durch Erhebungen des Trägers 6 modifiziert, unterbrochen oder durchsetzt sein. Dies kann insbesondere im Hinblick auf eine hohe Abrasionsbeständigkeit vorteilhaft sein.
Die Oberflächenschicht 3 enthält im Aluminiumoxid selbst eingelagert vorzugsweise Fremdionen und/oder -atome, in einem Anteil von mindestens 0, 1 % insbesondere mindestens 1 % und/oder von weniger als 10 %, insbesondere etwa 2 % bis 7 %. Dieser Anteil an Fremdionen bzw. -atomen ist der bevor- zugten amorphen und/oder flexiblen Ausbildung der Oberflächenschicht 3 zuträglich. Quelle dieser Fremdionen sind die im Elektrolyten verwendeten Säuren und deren korrespondierenden Anionen, sowie gegebenenfalls andere Zusätze im Elektrolyten.
Versuche haben gezeigt, daß die vorschlagsgemäße Oberflächenschicht 3 und das Lagerelement 1 eine hohe Standfestigkeit bei geringem Abrieb und eine außerordentlich hohe Stoßbeständigkeit bzw. -Widerstandsfähigkeit aufweisen, obwohl Aluminium oder Aluminiumlegierungen üblicherweise keine derartige Beständigkeit zeigen. Versuche mit Strömungen, die auf die Oberflä- chenschicht 3 mit hoher Geschwindigkeit auftreffen, haben gezeigt, daß die Oberflächenschicht 3 derart beständig und haltbar ist, daß oftmals zuerst eine Schädigung des darunterliegenden, nicht anodisch oxidierten Trägermaterials auftritt. Diese Beständigkeit zusammen mit der Abriebfestigkeit der vorschlagsgemäßen Oberflächenschicht 3 führt dazu, daß die vorschlagsgemäße Oberflächenschicht 3 und das Lagerelement 1 sehr universell für insbesondere hoch beanspruchte Lagerpaarungen einsetzbar sind. Weiter hat sich gezeigt, daß das vorschlagsgemäße Lagerelement 1 bzw. die Oberflächenschicht 3 eine Lagerfläche bildet, die bei Mischreibung - insbesondere bei Paarung mit Metall, besonders bevorzugt Eisen oder Stahl - einen erstaunlich niedrigen Reibwert von weniger als 0,1, insbesondere nur von 0,04 bis 0,07 oder sogar noch weniger zeigt. Als Schmiermittel kommt hierbei insbesondere Motoröl oder jedes sonstige geeignete Schmiermittel, wie Öle, Fette oder Wasser, in Betracht. Vorzugsweise wird Zinkthiosulfat als Schmiermittelzusatz verwendet.
Das Lagerelement 1 oder zumindest die Oberflächenschicht 3 ist außerordentlich beständig, insbesondere in korrosiver Umgebung, beispielsweise in einem Verbrennungsmotor, und/oder bei erhöhter Temperatur, insbesondere bis etwa 1 1000 C.
In der Figur ist das Lager 2 mit dem Lagerelement 1 und einem Gegenlagerelement 7 gezeigt. Das Lagerelement 1 bzw. die Oberflächenschicht 3 bildet die bevorzugte, mit den Poren 4 versehene Lagerfläche. Das Gegenlagerelement 7 bildet eine Gegenlagerfläche 8, die mit der Lagerfläche gepaart ist bzw. in Kontakt steht oder bringbar ist und die insbesondere auf der Lagerfläche gleitet und/oder abrollt.
Bei dem Lager 2 kann es sich beispielsweise um zwei Führungs- bzw. Gleitschienen handeln, die aufeinander gleiten. Eine das erste Lagerelement 1 bil- dende Schiene ist mit der vorschlagsgemäßen Oberflächenschicht 3 versehen. Eine andere Schiene bildet das Gegenlagerelement 7 mit der Gegenlagerfläche 8 des Lagers 2. Sie ist vorzugsweise nicht beschichtet oder mit einer (nicht dargestellten) vorzugsweise entsprechenden oder ähnlichen Oberflächenschicht 3 versehen. Die Schienen bestehen vorzugsweise aus Aluminium, ei- ner Aluminiumlegierung oder aus einem anderen Werkstoff, der ggf. mit Aluminium beschichtet ist. Hier handelt es sich beispielsweise um eine unge- schmierte Lagerpaarung. Zur Schmierung genügt bereits die Umgebungsfeuchtigkeit. Vorzugsweise wird jedoch ein Schmiermittel oder Schmiermittelzusatz von den Poren 4 aufgenommen. Die vorgenannte Lagerpaarung bzw. das anhand des Darstellungsbeispiels erläuterte Lager 2 kann insbesondere bei Flugzeugen eingesetzt werden, um die Reibung zu bzw. zwischen Aluminium-Schienen bzw. -Profilen insbesondere bei Frachtcontainern derart zu reduzieren, daß ein einfacheres manuelles Ver- schieben der Frachtcontainer ohne zusätzliche Fördereinrichtungen erleichtert wird.
Der Träger 6 bzw. das Lagerelement 1 kann auch eine Dichtung, insbesondere eine Formdichtung bzw. einen Dichtring, bilden oder darstellen. Der darge- stellte Träger 6 ist dann entsprechend ausgebildet. In diesem Fall erfolgt ein Abdichten gegen das Element 7 bzw. deren Oberfläche 8.
Der Träger 6 bzw. das Lagerelement 1 kann auch einen Ventilschaft, eine Ventilführung oder ein sonstiges Ventilelement oder ein Stellglied, Steuer- element, Stelltrieb o. dgl. bilden oder darstellen. Der dargestellte Träger 6 ist dann entsprechend ausgebildet. Das Element bzw. Teil 7 wirkt dann mit der Oberflächenschicht 3 in entsprechender Weise zusammen.
Der Träger 6 bzw. das Lagerelement 1 kann auch einen Motorkolben eines Verbrennungsmotors bilden oder darstellen. Der dargestellte Träger 6 ist dann entsprechend ausgebildet. In diesem Fall bildet das Element 7 bzw. deren Oberfläche 8 die Zylinderwandung.
Die vorschlagsgemäße Lösung ist jedoch auf die vorgenannten Verwendungen nicht beschränkt. Vielmehr ist die vorschlagsgemäße Lösung in einer Vielzahl von Bereichen, also universell einsetzbar.
Beispielsweise kann die vorschlagsgemäße Lösung, insbesondere also die vorschlagsgemäß ausgebildete Oberflächenschicht 3, bei Robotern oder son- stigen Aktuatoren, Antrieben und Stelltrieben eingesetzt werden, bei denen Lagerpaarungen mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder Beschich- tungen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen auftreten. So ist es beispielsweise möglich, die Haftreibung zu verringern. Dies ermöglicht eine kleinere Dimensionierung von Antrieben. Dementsprechend kann beispiels- weise ein Roboterarm oder sonstiges Stellglied leichter ausgeführt werden. Dies ist in vielerlei Hinsicht vorteilhaft und kann insbesondere zur Verringerung eines unerwünschten Schwingens beim schnellen Anhalten fuhren.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen im Maschinenbau, Motorenbau, Apparatebau und dgl., wobei die vorschlagsgemäße Lösung generell für jede Art von Bauteil, insbesondere zur Minimierung von Gleitverschleiß und/oder Haft- und Gleitreibung, sowohl bei geschmierten als auch bei ungeschmierten Lagerpaarungen eingesetzt werden kann. Besonders bevorzugt erfolgt ein Einsatz bei Mischreibung.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung von Aluminium die Rede ist, kann es sich vorzugsweise jeweils auch um eine geeignete Aluminiumlegierung oder vergleichbare Legierung handeln.
Generell kann die Oberflächenschicht 3 wahlweise auf dem Lagerelement 1 oder dem Gegenlagerelement 7 oder auf beiden angeordnet, gebildet oder aufgebracht sein.
Einzelne Aspekte und Merkmale der verschiedenen Ausführungsvarianten und -alternativen können auch beliebig miteinander kombiniert oder bei sonstigen Lagern eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Lagerelement (1) für eine geschmierte oder ungeschmierte Lagerpaarung, insbesondere ein Gleitlager (2), wobei das Lagerelement (1) eine Oberflä- chenschicht (3) mit nach außen hin offenen Poren (4) aufweist, die durch anodische Oxidati on der Oberflächenschicht (3) zu Aluminium oxid vorlagenfrei gebildet sind und zumindest größtenteils nicht miteinander kommunizieren, wobei die Oberflächenschicht (3) amorph ausgebildet ist und im Mittel weniger als 100 μm dick ist.
2. Lagerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) im Mittel weniger als 75 μm, insbesondere etwa 50 μm oder weniger, dick ist.
3. Lagerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser (D) der Poren (4) weniger als 250 nm, insbesondere weniger als 100 nm, besonders bevorzugt im wesentlichen 50 nm, beträgt.
4. Lagerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Flächendichte der Poren (4) mindestens M05/mm2, insbesondere mindestens 2- 105/mm2 oder 5- 105/mm2, beträgt.
5. Lagerelement nach Anspruch einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren (4) zur Aufnahme von kleinen Molekü- len (5), insbesondere Feuchtigkeit oder Schmiermitteladditiven, ausgebildet sind.
6. Lagerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (1) einen Träger (6) aufweist, der von der Oberflächenschicht (3) insbesondere gleichmäßig dick überdeckt ist.
7. Lagerelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) vollständig oder teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht oder mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtet ist.
8. Lagerelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) oder der Träger (6) eine mittlere Rauheit (Ra) von höchstens 5 μm, insbesondere bis zu 2 μm oder 1 μm, aufweist.
9. Lagerelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) oder der Träger (6) eine Rauhtiefe (Rt) von höchstens 5 μm, insbesondere bis zu 2 μm oder 1 μm, aufweist.
10. Lagerelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeich- net, daß die Oberflächenschicht (3) durch Einlagerungen aus anderem Material oder anderer Zusammensetzung und/oder durch Erhebungen des Trägers (5) modifiziert, unterbrochen oder durchsetzt ist.
11. Lagerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) Fremdionen und/oder -atome in einem Anteil von mindestens 0,1, insbesondere mindestens 1 %, und/oder von weniger als 10 %, insbesondere von etwa 2 bis 7 %, enthält.
12. Lagerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß der mittlere Reibwert der Oberflächenschicht (3) gegen
Metall, insbesondere Eisen oder Stahl, weniger als 0,1, insbesondere im wesentlichen 0,04 bis 0,07 oder weniger, vorzugsweise zumindest bei Mischreibung, besonders bevorzugt unter Verwendung eines Schmiermittels, insbesondere von Motoröl, beträgt.
13. Lagerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (1) oder zumindest dessen Oberflächenschicht (3) in korrosiver Umgebung und/oder bei erhöhter Temperatur, insbesondere etwa bei bzw. bis zu 1100° C, einsetzbar oder beständig ist.
14. Lagerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) mit den Poren (4) durch anodische Oxidation, insbesondere von Aluminium zu Aluminiumoxid, gebildet ist.
15. Lagerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) nach Bildung der Poren (4) bzw. anodischer Oxidation nicht spanabhebend nachbearbeitet ist.
16. Lagerelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (1) als Motorteil, Steuerelement, Steuertrieb, Stellelement, Motorkolben, Hydraulikzylinder oder Hydraulikkolben ausgebildet ist.
17. Lagerelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (1) als Motorkolben ausgebildet ist.
18. Lagerelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (1) als Ventil, Ventilsteuerelement oder Ventilschaftdichtung, insbe- sondere eines Verbrennungsmotors, ausgebildet ist.
19. Lagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (1) als Dichtung, insbesondere Formdichtung oder Dichtring, ausgebildet ist.
20. Lager (2), insbesondere Gleitlager, mit einem Lagerelement (1) und einem dazu relativ bewegbaren Gegenlagerelement (7), insbesondere wobei eine Oberfläche (3) des Lagerelements (1) eine Lagerfläche und das Gegenlagerelement (7) eine mit der Lagerfläche in Kontakt stehende oder bringbare, und relativ dazu bewegbare oder verschiebbare Gegenlagerfläche (8) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche ausge- bildet ist.
21. Lager nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (2) mit Motoröl geschmiert ist.
22. Lager nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (2) im Mischreibungbereich betreibbar ist.
23. Verwendung eines Lagerelements (1) oder Lagers (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche im Mischreibungsbereich, vorzugsweise wobei die Oberflächenschicht (3) mit Metall, insbesondere Eisen oder Stahl, gepaart wird.
24. Verwendung einer Oberflächenschicht (3) mit nicht kommunizierenden, nach außen hin offenen Poren (4) zur Verringerung von Gleitverschleiß, wobei die Poren (4) durch anodische Oxidation der Oberflächenschicht (3) zu Aluminiumoxid vorlagenfrei mit einem mittleren Porendurchmesser (D) von weniger als 100 nm oder 250 nm gebildet werden und die Oberflächenschicht (3) mit einer Gegenlagerfläche (8) geschmiert oder ungeschmiert gepaart wird.
25. Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegen- lagerfläche (8) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und insbesondere mit einer entsprechenden Oberflächenschicht versehen ist.
26. Verwendung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) zumindest teilweise durch Schmiermittel und/oder Schmiermittelzusätze bedeckt ist und das Verhältnis von Schmierfilmdicke zu Rauheit der Oberflächenschicht mindestens 3,0 beträgt.
27. Verwendung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lagerelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 mit der Oberflächenschicht (3) versehen wird.
28. Verfahren zur Herstellung eines Lagerelements (1) oder Lagers (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Lagerelement (1) einen Träger (6) aufweist, der zumindest bereichsweise oberflächlich aus Aluminium oder ei- ner Aluminiumlegierung besteht oder beschichtet ist und dessen Oberflächenschicht (3) bis zu einer Dicke von 100 μm zu Aluminiumoxid anodisch oxi- diert wird, wodurch die Poren (4) vorlagenfrei gebildet werden.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflä- chenschicht (3) ausschließlich vor der anodischen Oxidation mechanisch bearbeitet wird.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) mit einer Geschwindigkeit des Schichtdicken wach- stums von höchstens 1 bis 100 nm/h, vorzugsweise etwa 1-20 nm/h, anodisch oxidiert wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) bei einer Temperatur von -15°C und +300C, insbesondere etwa bei -5°C bis +15°C, besonders bevorzugt etwa bei O0C oder 100C, anodisch oxidiert wird.
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