DE102008004883A1

DE102008004883A1 - Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess und Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial

Info

Publication number: DE102008004883A1
Application number: DE102008004883A
Authority: DE
Inventors: Fumiya Fuji Yakabe; Yoshio Fuji Jimbo; Kanji Fuji Ueno; Hideyuki Kuwahara
Original assignee: JATCO Ltd
Current assignee: JATCO Ltd
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2008-07-24
Also published as: FR2911347B1; JP4649419B2; US8734598B2; JP2008174778A; FR2911347A1; US20080169049A1

Abstract

Es wird ein Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess zur Verfügung gestellt, bei welchem vorgesehen ist: Bereitstellung eines Aluminiummaterials, welches Silicium und Magnesium enthält; und Plasma-Nitrierung des Aluminiummaterials, um einen Aluminiumnitrid-Bereich auf eine Oberfläche des Aluminiummaterials auszubilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess und ein Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial, das einen Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich aufweist, der durch den Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess ausgebildet wird.
Von Aluminiumnitrid (AlN) ist bekannt, dass es gute Eigenschaften in Bezug auf die Wärmeleitung und die elektrische Isolierung aufweist, und eine hohe Standfestigkeit in Bezug auf Wärme, Korrosion, Verschleiß, Stoßbeanspruchungen, Rissbildung und dergleichen aufweist, sowie eine hohe Druckbeanspruchungs-Relaxionsfähigkeit. Daher wurden verschiedene Bearbeitungsprozesse vorgeschlagen, um Aluminium-Verbundwerkstoffmaterialien mit Aluminiumnitrid-Oberflächenbereichen (Schichten) herzustellen, zur Verbesserung der Materialeigenschaften.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 60-211061 (abgekürzt bezeichnet als " JP60-211061A ") beschreibt einen Aluminium-Verbundwerkstoff-Herstellungsprozess, der die Schritte umfasst, eine Oberfläche eines Aluminiummaterials zu aktivieren, und eine Ionennitrierung der aktivierten Oberfläche des Aluminiummaterials durch eine Glimmentladung durchzuführen, um eine Beschichtungsschicht aus Aluminiumnitrid auf dem Aluminiummaterial zu erzeugen. Allerdings weist bei der JP60-211061A die Aluminiumnitridschicht eine Dicke in der Größen- Ordnung einiger Mikrometer auf, von höchstens etwas mehr als 10 Mikrometer, und kann nicht auf eine ausreichende Dicke gesteuert werden. Es wird eine erhebliche Zeit benötigt, beispielsweise mehr als 24 Stunden, um die Aluminiumnitridschicht auszubilden, selbst mit einer derartig geringen Dicke, während des Ionen-Nitrierens. Weiterhin ist die Aluminiumnitridschicht nicht homogen. Bei dem sich ergebenden Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial ist daher keine ausreichende Standfestigkeit vorhanden, und werden die Herstellungskosten erhöht. Weiterhin weist die Aluminiumnitridschicht keine gute Haftung an dem Aluminiummaterial auf, so dass es wahrscheinlich ist, dass sich die Aluminiumnitridschicht von dem Aluminiummaterial trennen kann.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 5-179420 (abgekürzt bezeichnet als " JP5-179420A ") beschreibt einen Aluminium-Verbundwerkstoff-Herstellungsprozess, der die Schritte umfasst, eine Zwischenschicht aus einem Al-Ag-Metallverbundwerkstoff auf einem Aluminiummaterial auszubilden, und eine Aluminiumnitridschicht auf der Metall-Verbundwerkstoff-Zwischenschicht auszubilden. Bei der JP5-179420A weist die Aluminiumnitridschicht eine erhöhte Dicke, Homogenität, Standfestigkeit und Haftung an dem Aluminiummaterial auf. Allerdings ist es wahrscheinlich, dass die Aluminiumnitridschicht Risse ausbildet, wenn die Dicke der Aluminiumnitridschicht größer ist als 10 μm. Weiterhin sind der Einsatz von Ag bei der Metallzwischenschicht-Verbundwerkstoffschicht und die Ausbildung der Metallzwischenschicht-Verbundwerkstoffschicht in Form eines Dünnfilms bei dem Aluminium-Verbundwerkstoff-Herstellungsprozess unbedingt erforderlich. Das sich ergebende Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial weist daher erhöhte Material- und Prozesskosten auf. Weiterhin wird die Flexibilität in Bezug auf die mechanische Festigkeit des Alu minium-Verbundwerkstoffmaterials schlecht, da die Haftfestigkeit zwischen dem Aluminiummaterial und der Aluminiumnitridschicht von der Metallzwischenschicht-Verbundwerkstoffschicht abhängt.
Die Veröffentlichung WO 2004/065653 beschreibt einen Aluminium-Verbundwerkstoff-Herstellungsprozess, der die Schritte umfasst, ein Aluminiummaterial zur Verfügung zu stellen, welches CuAl₂ enthält, um eine Plasma-Nitrierung des Aluminiummaterials durchzuführen, um eine Aluminiumnitridschicht auf dem Aluminiummaterial auszubilden. Bei der WO 2004/065653 kann die Aluminiumnitridschicht mit relativ großer Dicke und einem gewissen Ausmaß an Homogenität, Standfestigkeit und Haftvermögen an dem Aluminiummaterial ausgebildet werden.
Es ist das Bedürfnis vorhanden, die Standfestigkeit der Aluminiumnitridschicht weiter zu erhöhen, um eine höhere Härte sicherzustellen, zur Erzielung einer höheren Verschleißfestigkeit und einer höheren Festigkeit, damit eine höhere Stoßbeanspruchung sichergestellt wird. In Bezug auf die Härte und die Zähigkeit gibt es jedoch Kompromisse. Es ist schwierig, sowohl hohe Härte als auch eine hohe Zähigkeit, also eine hohe Verschleiß- und Stoßbeanspruchungsbeständigkeit bei der Aluminiumnitridschicht zu erzeugen, zur weiteren Verbesserung der Materialoberflächeneigenschaften.
Daher besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials, das einen Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich mit hoher Verschleiß- und Stoßfestigkeit aufweist, und in der Bereitstellung eines Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozesses zur Erzeugung des Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials.
Auf Grundlage umfangreicher Versuche haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass die Hinzufügung einer bestimmten Menge an Silicium (Si) und Magnesium (Mg) zu einem Aluminiummaterial wirksam ist, das Aluminiummaterial zu nitrieren, um einen Oberflächenbereich aus Aluminiumnitrid (AlN) mit ausreichender Dicke in kurzer Zeit zu erzeugen. Der so ausgebildete Aluminiumnitrid-Bereich weist eine Verbundwerkstoffanordnung aus säulenförmig und körnig ausgebildeten Konstruktionseinheiten (die polymerisiert sind) auf, so dass sowohl Härte und Zähigkeit für eine hohe Verschleiß- und Stoßbeanspruchungsbeständigkeit erreicht werden, und eine gute Anhaftung an dem Aluminiummaterial erzielt wird. Die vorliegende Erfindung beruht auf den voranstehend geschilderten Erkenntnissen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess zur Verfügung gestellt, welcher aufweist: Bereitstellung eines Aluminiummaterials, welches Silicium und Magnesium enthält, und Plasma-Nitrierung des Aluminiummaterials zur Ausbildung eines Aluminiumnitrid-Bereichs auf einer Oberfläche des Aluminiummaterials.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial zur Verfügung gestellt, das einen Oberflächenbereich aufweist, der aus Aluminiumnitrid besteht, wobei der Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich eine Verbundwerkstoffanordnung aus säulenförmigen und körnigen Konstruktionseinheiten aufweist, die miteinander verbunden sind.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial zur Verfügung ge stellt, das einen Oberflächenbereich aufweist, der aus Aluminiumnitrid besteht, wobei Silicium und Magnesium fein in dem Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich verteilt sind.
Weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich. Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
1A und 1B schematische Ansichten, welche Beispiele für die Konstruktion eines Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
2 eine Elektronenmikroskopaufnahme des Querschnitts des Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Elektronenmikroskopaufnahme des Querschnitts eines Aluminiumnitrid-Oberflächenbereichs des Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4A bis 4E Elektronenmikroskopaufnahmen der Verteilung von Aluminium, Stickstoff, Sauerstoff, Magnesium und Silicium in dem Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A bis 5E Elektronenmikroskopaufnahmen der Verteilung von Aluminum, Stickstoff, Sauerstoff, Magnesium und Silicium in dem Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich des Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Elektronenmikroskopaufnahme eines Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine Elektronenmikroskopaufnahme eines Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein Zustandsdiagramm einer binären Legierung aus Al-Mg; und
9 ein Zustandsdiagramm einer binären Legierung aus Al-Si.
Erste Ausführungsform
Ein Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dadurch hergestellt, dass ein Aluminiummaterial 1 (als Ausgangsmaterial) mit einem bestimmten Anteil an Silicium (Si) und Magnesium (Mg) hergestellt wird, und dann eine Plasma-Nitrierung des Aluminiummaterials 1 erfolgt, um eine Beschichtungsschicht 2 aus Aluminiumnitrid (AlN) auf einer Oberfläche des Aluminiummaterials 1 zu erzeugen, wie in 2 dargestellt ist.
Wie aus den 1A und 1B hervorgeht, weist die AlN-Schicht 2 (als Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich) einen Verbundwerkstoffaufbau auf, durch abwechselndes Verbinden säulenförmiger Konstruktionseinheiten 21 und körniger Konstruktionseinheiten 22 miteinander (Polymerisation).
Abhängig von den Bedingungen der Herstellung des Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials usw. werden die innere Oberfläche der AlN-Schicht 2 (in Kontakt mit dem Aluminiummaterial 1) und die äußere Oberfläche der AlN-Schicht 2 (gegenüberliegend der inneren Oberfläche der AlN-Schicht 2) durch zumindest entweder die säulenförmige oder die körnige Konstruktionseinheit 21 und 22 ausgebildet. So können beispielsweise die säulenförmigen und die körnigen Konstruktionseinheiten 21 bzw. 22 zusammen an der inneren und äußeren Oberfläche der AlN-Schicht 2 vorhanden sein, wie in 1A gezeigt ist. Nur die säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 können an der inneren bzw. der äußeren Oberfläche der AlN-Schicht 2 vorgesehen sein, wie in 1B gezeigt ist. Obwohl dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, können auch nur die körnigen Konstruktionseinheiten 22 in der inneren und der äußeren Oberfläche der AlN-Schicht 2 vorhanden sein.
Es gibt keine spezielle Einschränkung in Bezug auf das Aluminiummaterial 1, soweit das Aluminiummaterial 1 einen bestimmten Anteil an Si und Mg enthält. Das Aluminiummaterial 1 kann in jeder Form vorhanden sein, beispielsweise massiv oder pulverförmig (mit einem durchschnittlichen Chip-/Teilchen-Durchmesser von etwa 1 mm bis 1 μm), abhängig von der gewünschten Form des Produkts des Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials.
Das Aluminiummaterial 1 kann beispielsweise so hergestellt werden, dass eine bestimmte Menge an Si und Mg usw. in Al gelöst wird, um eine Al-Legierung, welche Si und Mg enthält (beispielsweise eine Al-Si-Mg-Legierung) zu erzielen, Schmieden und/oder Walzen der Al-Legierung, und nachfolgende Ausbildung einer übersättigten Feststofflösung der Al-Legierung bei Zimmertemperatur. Die Feststofflösung der Al-Legierung kann dadurch ausgebildet werden, dass die Al-Legierung auf eine Temperatur erwärmt wird, die größer oder gleich den Schmelzpunkten der Legierungselemente ist, also Si und Mg, aber mit Ausnahme von Al (nachstehend bezeichnet als "gelöste Legierungselemente"), um eine ausreichende Übersättigung der gelösten Legierungselemente und ein Quenchen der Al-Legierung mit solcher Geschwindigkeit zu erreichen, dass keine Kristallisierung der gelösten Legierungselemente hervorgerufen wird.

Alternativ kann ein im Handel erhältliches Aluminiummaterial, welches Si und Mg enthält, als das Aluminiummaterial 1 verwendet werden. Spezielle Beispiele für ein derartiges, im Handel erhältliches Aluminiummaterial sind: "JIS 6061-Al-Legierung, welche 0,4 bis 0,8 Massen-% Si und 0,8 bis 1,2 Massen-% Mg enthält", "JIS ADC12-Al-Legierung, welche 9,6 bis 12,0 Massen-% Si und weniger als 0,3 Massen-% Mg enthält", sowie "JIS AC4B-Al-Legierung, welche 7,0 bis 10 Massen-% Si und weniger als 0,5 Massen-% an Mg enthält", wie dies in TABELLE 1 angegeben ist. TABELLE 1

	Chemische Zusammensetzung (Massen-%)
	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Ni	Pb	Sn
ADCl2Z	9,6–12,0	< 1,3	1,5–3,5	< 0,5	< 0,3	-	< 3,0	-	< 0,5	-	< 0,3
AC4B	7,0–10,0	< 1,0	2,0–4,0	< 0,50	< 0,5	< 0,20	< 1,0	< 0,20	< 0,35	< 0,20	< 0,10
AC8C	8,5–10,5	< 1,0	2,0–4,0	< 0,50	0,50–1,5	< 0,10	< 0,50	< 0,20	0,50	< 0,10	< 0,10
AC2A	4,0–6,0	< 0,8	3,0–4,5	< 0,55	< 0,25	< 0,15	< 0,55	< 0,20	< 0,30	< 0,15	< 0,05
6061	0,40–0,8	< 0,7	0,15–0,4	< 0,15	0,8–12	0,04–0,35	< 0,25	< 0,15	-	-	-

Um die geeignete Verbundwerkstoffkonstruktion der AlN-Schicht 2 durch Plasma-Nitrierung des Aluminiummaterials 1 sicherzu stellen, ist es vorzuziehen, dass das Aluminiummaterial 1 0,006 bis 13,5 Massen-% an Si und 0,006 6,2 Massen-% an Mg enthält.
Weiterhin ist es vorzuziehen, dass das Aluminiummaterial 1 ein Verhältnis des Anteils von Silicium zu Magnesium Si/Mg = (A)/(C) bis (G)/(F) = 5 × 10^–4 bis 2,3 × 10³ aufweist, bevorzugter von (E)/(H) bis (C)/(D) = 1 × 10^–3 bis 1 × 10^–1, wobei (A) bis (D) die Löslichkeitsgrenzen von Si und Mg in Al sind, wie in TABELLE 2 angegeben; und (E) bis (H) die Si- und Mg-Konzentrationen der Al-Legierung sind, wie in TABELLE 3 angegeben.
Hierbei ergeben sich die Löslichkeitsgrenzen (A) bis (D) für Si und Mg aus den Al-Si- und Al-Mg-Legierungszustandsdiagrammen der 8 und 9. Die Si- und Mg-Konzentrationen (E) bis (H) der Al-Legierung ergeben sich aus dem JIS-Handbuch "Nichteisen-Metalle und Metallurgie", PP966-975. TABELLE 2

Element Minimale Löslichkeitsgrenze Maximale Löslichkeits-grenze

Si (A) 0,01 Massen-% (300°C) (C) 2 Massen-% (577°C)

Mg (B) 1,5 Massen-% (100°C) (D) 17 Massen-% (450°C)

TABELLE 3

Element Minimalkonzentration (internationale Legierungs-Nummer) Maximalkonzentration (internationale Legierungs-Nummer)

Si (E) 0,006 (1199) (G( 13,5 (4032)

Mg (F) 0,006 (1199) (H) 6,2 (5023)
Wenn sich die Mg-Konzentration des Aluminiummaterials 1 in dem vorstehend angegebenen Bereich befindet, kann Mg in Al gelöst werden, und dieses ersetzen. Allerdings ist in der Praxis die Möglichkeit vorhanden, dass eine Ausfällung von Mg₂Si auftritt, abhängig von der Si-Konzentration des Aluminiummaterials 1.
Während des Plasma-Nitrierens diffundieren Si und Mg, die normalerweise in fester oder ausgefällter Form vorhanden sind, von innerhalb des Aluminiummaterials 1 nach außerhalb, und halten an der Grenzfläche zwischen dem Aluminiummaterial 1 und der AlN-Schicht 2 an, oder diffundieren weiter, um das Wachstum der Kristallisationskernbildung der säulenförmigen Konzentrationseinheit 21 hervorzurufen. Nach einem gewissen Ausmaß der Diffusion halten gewisse Anteile von Si und Mg an, und verklumpen sich, um eine Kristallisationskernbildung der körnigen Konstruktionseinheit 22 hervorzurufen. Durch Wiederholung dieses Nitridwachstumsmechanismus werden die säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 und die körnigen Konstruktionseinheiten 22 abwechselnd zusammen in der AlN-Schicht 2 verbunden (polymerisiert). Daher ist es vorzuziehen, dass Si und Mg mit einem gewissen Ausmaß an Gleichförmigkeit in dem Aluminiummaterial 1 verteilt sind.
Bei der ersten Ausführungsform wird als Beispiel eine Al-Legierung des Typs JIS 6061 als das Aluminiummaterial 1 eingesetzt.
Es ist vorzuziehen, vor dem Plasma-Nitrieren eine Oberflächenbearbeitung des Aluminiummaterials 1 durchzuführen, und hierdurch Aluminiumoxid (Al₂O₃) von der Oberfläche des Aluminiummaterials 1 zu entfernen. Die Al₂O₃-Entfernungsbearbeitung kann durch jede bekannte Vorgehensweise durchgeführt werden, beispielsweise durch Reduzieren mit Chlorionen oder Sputtern, beispielsweise durch Argonionen-Sputtern.
Angesichts der Korrelation zwischen der Al₂O₃-Entfernungsbearbeitung und der nachfolgenden Plasma-Nitrierung wird die Al₂O₃-Entfernungsbearbeitung vorzugsweise durch Sputtern durchgeführt. Normalerweise umfasst diese vorherige Sputter-Behandlung die Schritte, das Aluminiummaterial 1 in einer Sputter-Kammer anzuordnen, die Kammer zu evakuieren, und eine Gleichspannung an das Aluminiummaterial 1 anzulegen, wobei das Aluminiummaterial 1 als Kathode eingestellt ist, über einen vorgegebenen Zeitraum in einer Atmosphäre eines chemisch aktivierten Nitriergases (nachstehend als "Sputter-Gas" bezeichnet).
Die "Sputter-Spannung" liegt normalerweise im Bereich von –100 bis –1000 V, vorzugsweise im Bereich von –150 bis –500 V.
Die Sputter-Stromdichte liegt normalerweise im Bereich von 0,018 bis 52,9 μA/mm², bevorzugt bei 0,5 bis 20 μA/mm². Die minimale Sputter-Stromdichte ist hierbei auf 0,018 μA/mm² festgelegt, unter der Annahme, dass der natürliche Oxidationsfilm (Al₂O₃), der eine Dichte von 3,95 g/cm³ und eine Dicke von 10 nm aufweist, durch vorheriges Sputtern 1 Stunde lang entfernt werden kann. Die maximale Sputter-Stromdichte wird auf 52,9 μA/mm² festgelegt, unter der Annahme, dass der natürliche Oxidationsfilm (Al₂O₃), der eine Dichte von 3,95 g/cm³ und eine Dicke von 500 nm aufweist, durch vorheriges Sputtern über 1 Minute entfernt werden kann.
Die Zeit für das Sputtern liegt normalerweise im Bereich von 10 Minuten oder mehr, bevorzugt im Bereich von 10 bis 60 Minuten, und noch bevorzugter im Bereich von 10 bis 30 Minuten.
Das Sputter-Gas ist vorzugsweise Stickstoffgas (N₂-Gas) oder eine Mischung aus N₂-Gas und einem Inertgas (beispielsweise Ar-Gas), und weist einen Stickstoffpartialdruck von 0,01 bis 20 Torr auf, bevorzugt von 0,1 bis 20 Torr, noch bevorzugter von 0,1 bis 5 Torr. Normalerweise ermöglicht ein hoher Gaspartialdruck nicht das Anlegen einer hohen Spannung. Daher ist es wünschenswert, den Gaspartialdruck der Sputter-Atmosphäre in Abhängigkeit von der angelegten Sputter-Spannung zu steuern.
Die Sputter-Bearbeitung kann beispielsweise unter folgenden Bedingungen durchgeführt werden. [Bedingungen für das vorherige Sputtern]

Gleichspannung: –150 bis 500 V

Stromdichte: 0,5 bis 20 μA/mm²

Sputter-Zeit: 10 bis 60 Minuten

N₂-Partialdruck: 0,1 bis 5,0 Torr
Die Sputter-Bearbeitung kann auch ermöglichen, eine Alterung (Vergütung) des Aluminiummaterials 1 durchzuführen, also beispielsweise durch Einsatz von CuAl₂ bei dem Aluminiummaterial 1, abhängig von den Bedingungen für das Sputtern, beispielsweise die Temperatur und/oder die Zeit für das Sputtern.
Die Plasma-Nitrierung wird vorzugsweise bei 300 bis 600°C über 1 Stunde oder mehr durchgeführt.
Es ist besonders vorzuziehen, das Plasma-Nitrieren mit einem der folgenden ersten und zweiten Plasma-Nitrierungsverfahren durchzuführen. Das erste Plasma-Nitrierungsverfahren umfasst, eine Gleichspannung an das Aluminiummaterial 1 in einer Atmosphäre mit einem aktivierten Nitriergas anzulegen (nachstehend bezeichnet als "Plasma-Nitriergas"). Das zweite Plasma-Nitrierungsverfahren umfasst, eine gepulste Gleichspannung an das Aluminiummaterial 1 eine vorbestimmte Zeit lang anzulegen, in einer Atmosphäre aus einem aktivierten Nitriergas (nachstehend auch als "Plasma-Nitriergas" bezeichnet), und das Anlegen der gepulsten Gleichspannung an das Aluminiummaterial 1 bei einem vorbestimmten Zeitpunkt zu unterbrechen.
Bei der ersten Ausführungsform wird das Plasma-Nitrieren mit dem ersten Plasma-Nitrierverfahren durchgeführt, nämlich durch Aussetzen des Aluminiummaterials 1 gegenüber einer durchgehenden Plasma-Glimmentladung mit einer Gleichspannung von –100 bis –300 V und einer Stromdichte von 0,5 bis 20 μA/mm² über einen vorgegebenen Zeitraum in der Plasma-Nitriergasatmosphäre.
Die Plasma-Nitrierzeit kann geeignet eingestellt werden, abhängig von der gewünschten Dicke der AlN-Schicht 2, und beträgt normalerweise 0,5 Stunden oder mehr, beispielsweise 0,5 bis 100 Stunden, bevorzugt 1 bis 25 Stunden, noch bevorzugter 4 bis 9 Stunden, damit die AlN-Schicht 2 mit ausreichender Dicke ausgebildet wird.
Das Plasma-Nitriergas ist vorzugsweise entweder ein Gas, welches Stickstoff (N) und Wasserstoff (H) enthält, beispielsweise Ammoniakgas (NH₃) und/oder eine Mischung aus Stickstoffgas (N₂-Gas) und Wasserstoffgas (H₂-Gas). Ein Inertgas (beispielsweise Ar-Gas) kann wahlweise dem Nitriergas zuge fügt werden. Vorzugsweise weist das Nitriergas einen Stickstoffpartialdruck von 0,1 bis 2,0 Torr und einen Wasserstoffpartialdruck von 0,3 bis 6,0 Torr auf. Bei der ersten Ausführungsform wird eine Mischung aus N₂-Gas, H₂-Gas und NH₃-Gas als das Nitriergas eingesetzt, mit einem N₂-Partialdruck von 0,1 bis 2,0 Torr, einem H₂-Partialdruck von 0,3 bis 6,0 Torr, und einem NH₃-Partialdruck von 0,02 bis 20 Torr. Weiterhin ist es vorzuziehen, dass das Stickstoff-Wasserstoff-Partialdruckverhältnis oder das Stickstoff-Wasserstoff-Molverhältnis des Plasma-Nitriergases gleich 1:3 ist. Wie voranstehend erläutert, lässt ein hoher Gaspartialdruck nicht das Anlegen einer hohen Spannung zu, obwohl ein niedriger Gaspartialdruck das Anlegen einer hohen Spannung zur Plasma-Erzeugung ermöglicht. Es ist daher wünschenswert, den Gaspartialdruck der Plasma-Nitrieratmosphäre in Abhängigkeit von der angelegten Plasma-Nitrierspannung zu steuern.

Das Plasma-Nitrieren kann daher unter folgenden Bedingungen durchgeführt werden. [Plasma-Nitrierbedingungen]

Temperatur:	300 bis 600°C
Zeit:	4 bis 9 Stunden
Gleichspannung:	–100 bis –350 V
Stromdichte:	0,5 bis 20 μA/mm²
N₂-Partialdruck:	0,1 bis 2,0 Torr
H₂-Partialdruck:	0,3 bis 6,0 Torr
NH₃-Partialdruck:	0,02 bis 20 Torr

Bei dem voranstehend geschilderten Plasma-Nitrierverfahren wächst die AlN-Schicht 2 mit einer Rate von 0,05 μm/h oder mehr, vorzugsweise von 0,5 bis 100 μm/h. Insbesondere beträgt die Wachstumsrate der AlN-Schicht 2 10 bis 13 μm/h in der Anfangsstufe des Plasma-Nitrierens (bis 4 Stunden nach dem Beginn des Plasma-Nitrierens), und 10 bis 30 μm/h in der darauf folgenden Stufe des Plasma-Nitrierens (4 bis 6 Stunden nach dem Einleiten des Plasma-Nitrierens).
Die Dicke der AlN-Schicht 2 kann dadurch gesteuert werden, dass die Bedingungen für die Herstellung des Aluminium-Verbundwerkstoffmaterials geändert werden, insbesondere die Plasma-Nitrierungsbedingungen, beispielsweise die Nitrierzeit, und liegt normalerweise in der Größenordnung von Mikrometern, beispielsweise 0,01 μm oder mehr, bevorzugt 0,5 μm oder mehr, noch bevorzugter 2 bis 2000 μm oder mehr, und noch bevorzugter 4 bis 200 μm. Weiterhin liegt das Verhältnis der Dicke der säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 zur Dicke der körnigen Konstruktionseinheiten 22 in der AlN-Schicht 2 vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,3.
Die so ausgebildete AlN-Schicht 2 weist eine derartige Mehrschicht-Verbundwerkstoffkonstruktion auf, dass die säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 und die körnigen Konstruktionseinheiten 22 abwechselnd verbunden (polymerisiert) sind, wie dies voranstehend erläutert wurde.
Die säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 sind dicht gepackt, mit einer hohen Konzentration an Stickstoff (N), der darin verteilt ist, und weisen eine hohe Härte und Verformungsfestigkeit auf, um einen Schutz gegen die Einwirkung äußerer Kräfte zur Verfügung zu stellen. Andererseits sind die körnigen Konstruktionseinheiten 22 weicher als die säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 und weisen eine hohe Zähigkeit auf, so dass sie Stoßbeanspruchungen aus jeder Richtung abfangen. Bei der neuen Mehrschicht-Verbundwerk stoffkonstruktion dieser abwechselnden säulenförmigen und körnigen Konstruktionseinheiten 21 und 22 stellt die AlN-Schicht 2 sowohl eine hohe Verschleißfestigkeit als auch Stoßfestigkeit sicher.
Da die körnigen Konstruktionseinheiten 22 eine starke Haftung zwischen jeweils zwei benachbarten säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 ermöglichen, ist bei der AlN-Schicht 2 eine erhebliche Verbesserung der Standfestigkeit vorhanden, selbst wenn sie mit erheblicher Dicke ausgebildet wird.
Der innere Abschnitt der AlN-Schicht 2 (also einige der säulenförmigen und körnigen Konstruktionseinheiten 21 und 22, die sich an der Seite des Aluminiummaterials 1 befinden) kann gegen Verschleiß oder einen Bruch geschützt werden, um das Entstehen eines Risses in der AlN-Schicht 2 selbst in dem Fall zu verhindern, bei welchem der äußere Abschnitt der AlN-Schicht 2 durch Einwirkung einer äußeren Kraft und dergleichen verschleißt oder gebrochen wird. Die AlN-Schicht 2 hält daher die gleichen Verformungsfestigkeits- und Aufprallaufnahme-Eigenschaften aufrecht, und erzielt Verbesserungen in Bezug auf die Rissbeständigkeit und die Druckbeanspruchungs-Relaxationsfähigkeit.
Auf diese Weise kann die AlN-Schicht 2 eine hohe Standfestigkeit erzielen, und einen erheblichen Schutz für das Aluminiummaterial 1 im Langzeiteinsatz erreichen.
Die Verteilung der Elemente Aluminium (Al), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Magnesium (Mg) und Silicium (Si) in dem Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial ist aus den Elektronenmikroskopaufnahmen der 4A bis 4E und 5A bis 5E deutlich. Die jeweiligen Konzentrationen der Elemente sind hierbei einfar big in den 4A bis 4E und 5A bis 5E dargestellt, obwohl sie ursprünglich farbcodiert dargestellt sind, mit rot für "hohe Konzentration" durch das Farbspektrum bis zu blau für "niedrige Konzentration" und schwarz für "keine Konzentration (kein Vorhandensein)".
Wie aus 4A hervorgeht, ist Al in hoher Konzentration in dem Aluminiummaterial 1 vorhanden. Weiterhin ist Al in der AlN-Schicht 2 mit geringen Konzentrationsänderungen vorhanden, und genauer gesagt, mit höherer Konzentration in den säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 als in den körnigen Konstruktionseinheiten 22, wie in den 4A und 5A dargestellt.
Es ist praktisch kein N in dem Aluminiummaterial 1 vorhanden, wie in 4B gezeigt ist. Im Gegensatz hierzu ist N fein verteilt in der AlN-Schicht 2 vorhanden, mit einigen Änderungen der Konzentration, wie in den 4B und 5B dargestellt ist.
Es ist praktisch kein O innerhalb des Aluminiummaterials 1 und der AlN-Schicht 2 vorhanden, aber es ist eine geringe Menge an O um die Grenzfläche zwischen dem Aluminiummaterial 1 und der AlN-Schicht 2 und der äußeren Oberfläche der AlN-Schicht 2 vorhanden, wie in den 4C und 5C dargestellt ist.
Sowohl Mg als auch Si sind fein in dem Aluminiummaterial 1 und der AlN-Schicht 2 dispergiert, wie dies in den 4D, 4E, 5D und 5E dargestellt ist. Insbesondere sind Mg und Si mit hoher Konzentration an der Grenzfläche zwischen dem Aluminiummaterial 1 und der AlN-Schicht 2 und an der äußeren Oberfläche der AlN-Schicht 2 vorhanden. Sowohl Mg als auch Si nehmen in der Konzentration an im Wesentlichen denselben Orten (in Abständen von etwa 6 μm bei der ersten Ausführungsform) innerhalb der AlN-Schicht 2 zu, also sind mit niedrigerer Konzentration in den säulenförmigen Konstruktionseinheiten 21 und mit höherer Konzentration in den körnigen Konstruktionseinheiten 22 oder um diese herum vorhanden. Im Gegensatz sind Mg und Si in dem Aluminiummaterial 1 mit äußerst niedrigen Konzentrationen innerhalb einer vorgegebenen Tiefe (10 μm bei der ersten Ausführungsform) unterhalb der Grenzfläche zwischen dem Aluminiummaterial 1 und der AlN-Schicht 2 vorhanden, und sind gleichmäßig in der vorbestimmten Tiefe oder darüber hinaus gegenüber der Grenzfläche zwischen dem Aluminiummaterial 1 und der AlN-Schicht 2 verteilt.
Die voranstehend gegebene Verteilung von Elementen gibt den Nitrid-Wachstumsmechanismus an, bei welchem Si und Mg zur Mehrschicht-Verbundwerkstoffkonstruktion der AlN-Schicht beitragen. Der Wachstumsmechanismus der AlN-Schicht 2 lässt sich weiterhin folgendermaßen überlegen.
Das Aluminiummaterial 1 besteht normalerweise nicht nur aus Si und Mg, sondern auch aus Kupfer (Cu), Zink (Zn), Eisen (Fe), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Zinn (Sn) und Blei (Pb) als Hauptelemente. Wie aus TABELLE 1 hervorgeht, ist praktisch kein Fe, C, Ni und Sn in Al gelöst und ersetzt dieses, obwohl die Löslichkeitsgrenzen für Si, Mg, Cu und Zn in Al relativ groß sind. Abgesehen von Pb, Sn und Zn gibt es wenige Legierungselemente, die ein Wachstum der AlN-Schicht 2 sperren könnten.
Es ist bekannt, dass es schwierig ist, eine direkte Nitrierung von Si zu Si₃N₄ durchzuführen. Im Falle eines üblichen Aluminiumgusses (beispielsweise Legierungen des Typs JIS AC2A, AC4B, AC8C oder ADC12), die einen Si-Anteil von 4 Massen-, oder mehr aufweisen, ist ursprüngliches, kristallines Si auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung vorhanden, so dass es schwierig wird, derartiges, ursprüngliches, kristallines Si zu nitrieren.
Weiterhin ist es wünschenswert, dass die Aluminiumlegierung durch Nitrieren in einem bestimmten Temperaturbereich von beispielsweise 550°C oder weniger angesichts des Schmelzpunkts des Legierungsmaterials bearbeitet wird.
In den Preprints of National Meeting of Japan Welding Society, Nr. 19, Seiten 368–369 (1976) wird hierbei vorgeschlagen, daß die Diffusionsrate von Si in Al bei 540°C etwa 1,8 × 10^–9 cm²/s beträgt, was bedeutet, dass die mittlere Diffusionsentfernung von Si in Al bei 540°C über 4 Stunden gleich 515 μm ist.
Angesichts der voranstehenden Überlegungen wird angenommen, dass dann, wenn die Plasma-Nitrierungsbearbeitung unter den voranstehend geschilderten Bedingungen durchgeführt wird, Si ausreichend durch die AlN-Schicht 2 hindurch diffundieren kann, um eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung von Si in der AlN-Schicht 2 zu ermöglichen, es sei denn, dass Si als Nitrid ausfällt. Dies gilt auch für die anderen Legierungselemente einschließlich Mg.
In der Praxis nehmen jedoch die Si- und Mg-Konzentrationen an im Wesentlichen denselben Orten in der AlN-Schicht 2 zu, wie voranstehend erläutert, obwohl sich keine Nitride von Si und Mg durch Röntgenstrahlbeugung feststellen lassen. Die N-Konzentration zeigt keine derartige eindimensionale Unregelmäßigkeit, aber nimmt relativ zur Erhöhung der Si- und Mg-Kon zentrationen ab. Daraus wird geschlossen, dass Si und Mg in der AlN-Schicht 2 aufgelöst werden und Al ersetzen, oder als praktisch nicht feststellbare Si-Al-O-N-Verbundzusammensetzung vorhanden sind, durch Legierungsbildung aus Si₃N₄ mit Mg, Al und O.
Zweite und dritte Ausführungsform
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterialien gemäß einer zweiten und einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet, mit Ausnahme der Zusammensetzung des Aluminiummaterials 1 und der Herstellungsbedingungen für das Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial, wie dies nachstehend angegeben wird.

Es ist die Möglichkeit vorhanden, dass die AlN-Schicht 2 nicht einfach mit einer geeigneten Verbundwerkstoffkonstruktion mit abwechselnden säulenförmigen und körnigen Konstruktionseinheiten 21 und 22 durch das erste Nitrierverfahren im Falle einiger Arten von Aluminiummaterial 1 ausgebildet werden kann, insbesondere dann, wenn keine chemische Zusammensetzung vorhanden ist, welche jener der Legierung JIS 6061 entspricht oder nahe an dieser liegt. Anders ausgedrückt, ist es vorzuziehen, falls das Plasma-Nitrieren durch das erste Plasma-Nitrierverfahren durchgeführt wird, dass das Aluminiummaterial 1 0,2 bis 1,0 Massen-% an Si und 0,2 bis 1,6-Massen-% Mg aufweist, und ein Anteilsverhältnis von Si/Mg, also von (I)/(L) bis (K)/(J) von 0,12 bis 10 aufweist, damit einfach und sicher die AlN-Schicht 2 mit einem geeigneten Verbundwerkstoffaufbau abwechselnder säulenförmiger und körniger Konstruktionseinheiten 21 und 22 ausgebildet wird. Hierbei stellen (I) bis (L) die Si- und Mg-Konzentrationen der Aluminiumlegierung dar, wie in TABELLE 4 angegeben, die sich aus den Aluminium-Legierungszusammensetzungsdaten der internationalen Legierungs-Nummern der Gruppe 6000 ergeben, gemäß JIS-Handbuch "Nichteisen-Metalle und Metallurgie", PP966-975. TABELLE 4

Element	Minimalkonzentration (internationale Legierungs-Nummer)	Maximalkonzentration (internationale Legierungs-Nummer)
Si	(I) 0,2 (6066, 6306, 6015, 6951, 6063, 6463, 6463A, 6763)	(K) 1,8 (6066)
Mg	(J) 0,2 (6016A, X6022)	(L) 1,6 (6069)

Wenn die Mg-Konzentration des Aluminiummaterials 1 im voranstehend geschilderten Bereich liegt, kann Mg in Al gelöst werden und dieses ersetzen. In der Praxis besteht jedoch die Möglichkeit, dass eine Ausfällung von Mg₂Si auftritt, abhängig von der Si-Konzentration des Aluminiummaterials 1.
Andererseits kann die AlN-Schicht 2 einfach und sicher mit einer geeigneten Verbundwerkstoffkonstruktion abwechselnder säulenförmiger und körniger Konstruktionseinheiten 21 und 22 durch das zweite Plasma-Nitrierverfahren ausgebildet werden, soweit das Aluminiummaterial 1 0,006 bis 13,5 Massen-% Si und 0,006 bis 6,2 Massen-% Mg enthält.
Bei der zweiten Ausführungsform wird eine Aluminiumlegierung JIS ADC12 (im Wesentlichen entsprechend der Aluminiumlegierung JIS ADC12Z) als das Aluminiummaterial eingesetzt. Bei der dritten Ausführungsform wird eine Aluminiumlegierung des Typs JIS AC4B als das Aluminiummaterial 1 eingesetzt.
In diesem Fall kann die vorherige Sputter-Bearbeitung zum Entfernen von Al₂O₃ zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei der vorherigen Sputterung dadurch durchgeführt werden, dass eine Gleichspannung von –100 bis –1000 V, bevorzugt von –150 bis –1000 V, an das Aluminiummaterial 1 angelegt wird, wobei das Aluminiummaterial 1 als Kathode eingestellt ist, über 10 Minuten oder mehr, bevorzugter über 10 bis 60 Minuten, und noch bevorzugter über 10 bis 30 Minuten, in einer Atmosphäre eines chemisch aktivierten Nitriergases mit einem Stickstoffpartialdruck von 0,01 bis 20 Torr, bevorzugt 0,01 bis 10 Torr.
Die anderen Bedingungen für das vorherige Sputtern bei der zweiten Ausführungsform sind ebenso wie bei der ersten Ausführungsform.
Weiterhin wird das Plasma-Nitrieren durch das zweite Plasma-Nitrierverfahren durchgeführt, spezieller durch wiederholte Zyklen des Anlegens einer gepulsten Gleichspannung von –100 bis –50 kV, vorzugsweise von –200 bis –1000 V, an das Aluminiummaterial 1 über 0,05 μs bis 1 s, bevorzugt 10 bis 1000 μs, in einer Atmosphäre eines aktivierten Nitriergases, wobei das Aluminiummaterial 1 als Kathode eingestellt wird, und das Anlegen der gepulsten Gleichspannung an das Aluminiummaterial über 0,05 μs bis 1 s unterbrochen wird, vorzugsweise 10 bis 1000 μs, bei der zweiten Ausführungsform.
Die gesamte Plasma-Nitrierungszeit kann geeignet in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke der AlN-Schicht 2 eingestellt werden, und beträgt normalerweise 0,5 Stunden oder mehr, beispielsweise 0,5 bis 100 Stunden, bevorzugt 1 Stunde oder mehr, noch bevorzugter 1 bis 25 Stunden, und noch bevorzugter 4 bis 9 Stunden, damit die AlN-Schicht 2 mit ausreichender Dicke ausgebildet werden kann.
Die übrigen Plasma-Nitrierbedingungen bei der zweiten Ausführungsform sind ebenso wie bei der ersten Ausführungsform.

Beispielsweise kann das Plasma-Nitrieren unter folgenden Bedingungen durchgeführt werden. [Plasma-Nitrierbedingungen]

Temperatur:	300 bis 600°C
Nitrierzeit:	4 bis 9 Stunden
Gleichspannung:	–100 bis –350 V
Stromdichte:	0,5 bis 20 μM/mm²
N₂-Partialdruck:	0,01 bis 2,0 Torr
H₂-Partialdruck:	0,3 bis 6,0 Torr
NH₃-Partialdruck:	0,02 bis 20 Torr

Das Anlegen der hohen Impulsspannung und die Auswahl geeigneter Impulsbedingungen führen zu einer höheren Ionenenergie von N2⁺, damit eine Verbesserung des Nitrierwirkungsgrades erzielt wird. Wenn der Gesamtgasdruck hoch ist, kann jedoch die Plasma-Entladung sich leicht zu einer Bodenentladung verschieben, wodurch ein momentaner Abfall der Spannung hervorgerufen wird, jedoch eine Erhöhung des Stroms, so dass das Material geschmolzen oder verdampft wird. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die Zeit für das Anlegen der Spannung und den Gesamtgasdruck zu verringern, wenn die angelegte Spannung zunimmt.
Durch das voranstehend geschilderte Plasma-Nitrierverfahren erzielt die AlN-Schicht 2 eine derartige Mehrschicht-Verbundwerkstoffkonstruktion, dass die Verbundwerkstoffkonstruktion aus den säulenförmigen und den körnigen Konstruktionseinheiten 21 und 22, die miteinander verbunden (polymerisiert) sind, bei der zweiten und dritten Ausführungsform kleiner ist, obwohl die Anzahl an geschichteten Konstruktionseinheiten 21 und 22 kleiner ist. Die AlN-Schicht 2 stellt daher einen erheblichen Schutz für das Aluminiummaterial 1 zur Verfügung.
Der Gesamtinhalt der japanischen Patentanmeldung Nr. 2007-008113 (eingereicht am 17. Januar 2007) wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die voranstehend geschilderten, speziellen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Abänderungen und Variationen der voranstehend geschilderten Ausführungsformen werden Fachleuten auf diesem Gebiet angesichts der voranstehend geschilderten Lehre auffallen. So ist beispielsweise das Aluminiummaterial 1 nicht auf die Legierung JIS 6061 Al, JIS ADC12 Al oder JIS ACF4B Al beschränkt, obwohl diese Aluminiumlegierungen als das Aluminiummaterial 1 bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform eingesetzt werden. Es ist jede andere Aluminiumlegierung verwendbar. Allerdings lässt sich überlegen, dass die AlN-Schicht 2 einfacher und sicherer durch das erste Plasma-Nitrierungs verfahren, wie voranstehend geschildert, ausgebildet werden kann, wenn das Aluminiummaterial 1 eine chemische Zusammensetzung aufweist, welche jener der Legierung JIS 6061 Al entspricht oder nahe an dieser liegt (also wenn das Aluminiummaterial 1 0,2 bis 1,8 Massen Si und 0,2 bis 1,6 Massen-% Mg aufweist). Das zweite Plasma-Nitrierungsverfahren kann geeignet bei zahlreicheren Arten des Aluminiummaterials 1 eingesetzt werden. Der Umfang der Erfindung ergibt sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 60-211061 [0003]
- JP 60-211061 A [0003, 0003]
- JP 5-179420 [0004]
- JP 5-179420 A [0004, 0004]
- WO 2004/065653 [0005, 0005]
- JP 2007-008113 [0080]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Preprints of National Meeting of Japan Welding Society, Nr. 19, Seiten 368–369 (1976) [0064]

Claims

Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess, bei welchem vorgesehen sind: Bereitstellung eines Aluminiummaterials, welches Silicium und Magnesium enthält; und Plasma-Nitrierung des Aluminiummaterials zur Ausbildung eines Aluminium-Nitrierbereichs auf einer Oberfläche des Aluminiummaterials.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasma-Nitrierung bei 300 bis 600°C über 1 Stunde oder länger durchgeführt wird.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma-Nitrieren durch entweder ein erstes oder ein zweites Plasma-Nitrierungsverfahren durchgeführt wird; wobei das erste Plasma-Nitrierungsverfahren umfasst, eine Gleichspannung von –100 bis –350 V an das Aluminiummaterial in einer Atmosphäre eines aktivierten Nitriergases anzulegen; und das zweite Plasma-Nitrierungsverfahren umfasst, eine gepulste Gleichspannung von –200 bis –1000 V an das Aluminiummaterial über 10 bis 1000 μs in einer Atmosphäre eines aktivierten Nitriergases anzulegen, und das Anlegen der gepulsten Gleichspannung an das Aluminiummaterial über 10 bis 1000 μs zu unterbrechen.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial 0,006 bis 13,5 Massen-% Silicium und 0,006 bis 6,2 Massen-% Magnesium enthält.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial ein Verhältnis von Silicium zu Magnesium von 5 × 10^–4 bis 2,3 × 10³ aufweist.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial 0,2 bis 1,8 Massen-% Silicium und 0,2 bis 1,6 Massen-% Magnesium enthält, wenn das Plasma-Nitrieren durch das erste Plasma-Nitrierungsverfahren durchgeführt wird.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiummaterial ein Anteilsverhältnis von Silicium zu Magnesium von 0,12 bis 10 aufweist.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitriergas bei dem Plasma-Nitrieren ein Gas ist, das aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff besteht, und/oder aus einer Mischung aus Stickstoffgas und Wasserstoffgas.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitriergas einen Stickstoffpartialdruck von 0,1 bis 2,0 Torr und einen Wasserstoffpartialdruck von 0,3 bis 6,0 Torr aufweist.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Plasma-Nitrieren ein Sputtern des Aluminiummaterials erfolgt, um Aluminiumoxid von der Oberfläche des Aluminiummaterials zu entfernen.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtern durch Anlegen einer Gleichspannung von –100 bis –1000 V an das Aluminiummaterial durchgeführt wird, wobei das Aluminiummaterial als Kathode eingestellt ist, über 10 Minuten oder mehr, in einer Atmosphäre aus chemisch aktiviertem Nitriergas, das einen Stickstoffpartialdruck von 0,01 bis 20 Torr aufweist.
Aluminium-Oberflächenbearbeitungsprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumnitridbereich eine Verbundwerkstoffkonstruktion aus abwechselnden säulenförmigen und körnigen Konstruktionseinheiten aufweist, die miteinander verbunden sind.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial, das einen Oberflächenbereich aufweist, der aus Aluminiumnitrid besteht, wobei der Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich eine Verbundwerkstoffkonstruktion aus säulenförmigen und körnigen Konstruktionseinheiten aufweist, die miteinander verbunden sind.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die säulenförmigen Konstruktionseinheiten und die körnigen Konstruktionseinheiten abwechselnd verbunden sind.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Silicium und Magnesium fein in dem Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich dispergiert sind.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich eine Dicke in der Größenordnung eines Mikrometers oder größer aufweist.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich eine Dicke von 0,5 μm oder mehr aufweist, und ein Dickenverhältnis der körnigen und säulenförmigen Konstruktionseinheiten von 0,1 bis 0,3.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial 0,006 bis 6,2 Massen-% Silizium und 0,006 bis 6,2 Massen-% Magnesium enthält.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich dadurch ausgebildet ist, dass ein Aluminium-Grundwerkstoffmaterial mit einer bestimmten Menge an Silicium und Magnesium vorbereitet wird, und eine Plasma-Nitrierung des Aluminium-Grundwerkstoffmaterials erfolgt.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial, das einen Oberflächenbereich aufweist, der aus Aluminiumnitrid besteht, wobei Silicium und Magnesium fein in dem Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich dispergiert sind.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich eine Dicke in der Größenordnung von einem Mikrometer oder mehr aufweist.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich eine Dicke von 0,5 μm oder mehr und ein Dickenverhältnis der körnigen und säulenförmigen Konstruktionseinheiten von 0,1 bis 0,3 aufweist.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial 0,006 bis 6,2 Massen-% Silicium und 0,006 bis 6,2 Massen-% Magnesium enthält.
Aluminium-Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumnitrid-Oberflächenbereich durch Bereitstellung eines Aluminium-Ausgangsmaterials mit einem bestimmten Anteil an Silicium und Magnesium und durch Plasma-Nitrierung des Aluminium-Ausgangsmaterials hergestellt ist.