DE102012208332B4

DE102012208332B4 - Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat

Info

Publication number: DE102012208332B4
Application number: DE201210208332
Authority: DE
Inventors: Michael J. Walker; Bob R. Powell jun.; Aihua A. Luo
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2032-05-19
Also published as: DE102012208332A1; CN102797023B; US20120301669A1; CN102797023A; US8992696B2

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat umfasst, dass eine Vielzahl von Nanomerkmalen in einer Oberfläche des Substrats gebildet wird, wobei jedes Nanomerkmal von einer Nanopore und/oder einem Nanospalt ausgewählt wird. In einem geschmolzenen Zustand wird das Metall über die Substratoberfläche gegossen, und es dringt in die Nanomerkmale ein. Durch Abkühlen wird das Metall im Inneren der Nanomerkmale verfestigt, wobei die Verfestigung des Metalls eine mechanische Verzahnung zwischen dem übergegossenen Metall und dem Substrat bildet.

Description

VERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/488,958, die am 23. Mai 2011 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat.
HINTERGRUND
Viele Kraftfahrzeugteile werden beispielsweise aus Aluminium oder Stahl hergestellt. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, zumindest einen Abschnitt des Aluminium- oder Stahlteils durch ein Material mit geringerem Gewicht zu ersetzen, wie beispielsweise durch Magnesium. Das Vorhandensein des Materials mit geringerem Gewicht kann in einigen Fällen das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugteils verringern.
Aus der WO 2006/119554 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat bekannt, bei dem eine Vielzahl von Poren mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich in einer Oberfläche des Substrats gebildet wird, das Metall in einem geschmolzenem Zustand über die Substratoberfläche gegossen wird, wobei das Metall in die Vielzahl der Poren eindringt, und das Metall im Inneren der Vielzahl von Poren durch Abkühlen verfestigt wird, wobei die Verfestigung des Metalls eine mechanische Verzahnung zwischen dem übergegossenem Metall und dem Substrat bildet.
In der DE 196 06 689 B4 ist ein ähnliches Verfahren beschreiben.
Die DE 27 29 391 C2 beschreibt ein Substrat aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, auf dem sich eine poröse anodische Oxidschicht befindet.
Ferner beschreibt die EP 0 242 208 B1 ein ähnliches anodisches, poröses Substrat aus Aluminiumoxid, das in einer Oberflächenschicht Poren mit einem Durchmesser im Nanometerbereich aufweist.
Schließlich ist in der DE 23 50 360 A ein Verfahren beschrieben, bei dem durch Anodisierung an einer Aluminium-Substratoberfläche eine mikroporöse Struktur erzeugt wird und zusätzlich eine Böhmitschicht aufgebracht wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat und ein Kraftfahrzeugteil mit einer solchen Verbindung zu schaffen, welche derart strukturell zuverlässig ist, dass das Kraftfahrzeugteil Betriebsspannungen und -dehnungen standhält, die es während seiner Verwendung erfährt.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeugteil mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
Es wird hierin ein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine Vielzahl von Nanomerkmalen in der Oberfläche des Substrats gebildet wird, wobei jedes Nanomerkmal von einer Nanopore und/oder einem Nanospalt ausgewählt wird. In einem geschmolzenen Zustand wird das Metall über die Substratoberfläche gegossen, und es dringt in die Vielzahl von Nanomerkmalen ein. Durch Abkühlen wird das Metall im Innern der Vielzahl von Nanomerkmalen befestigt, wobei die Verfestigung des Metalls eine mechanische Verzahnung zwischen dem übergegossenen Metall und dem Substrat bildet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnung offensichtlich werden, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, wenn auch manchmal nicht identischen, Komponenten entsprechen. Der Kürze halber können Bezugszeichen oder Merkmale, die eine zuvor beschriebene Funktion aufweisen, in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie auftreten, beschrieben werden oder auch nicht.
1A bis 1D stellen ein Beispiel eines Verfahrens zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat schematisch dar;
1D–A ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der schematischen Darstellung, die in 1D gezeigt ist;
2A ist eine Perspektivansicht, die ein Beispiel eines Substrats schematisch darstellt, das eine Vielzahl von Nanoporen aufweist, die in dessen Oberfläche gebildet sind;
2B ist eine Draufsicht der Vielzahl von Nanoporen, die in 2A gezeigt sind; und
3 ist eine Perspektivansicht, die ein anderes Beispiel eines Substrats schematisch darstellt, das eine Vielzahl von Nanospalten aufweist, die in dessen Oberfläche gebildet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Aluminium und Stahl können verwendet werden, um verschiedene Kraftfahrzeugteile herzustellen, hauptsächlich deshalb, da diese Materialien eine mechanische Festigkeit aufweisen, die zu der strukturellen Integrität des Teils beiträgt. Es wurde gefunden, dass ein Teil des Aluminiums oder Stahls in einem Teil durch ein Material bzw. Materialien mit geringerem Gewicht (wie beispielsweise Magnesium) ersetzt werden kann. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein des Magnesiums in einigen Fällen das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugteils verringert.
Es wurde gefunden, dass Magnesium in ein Aluminium- oder Stahlteil mittels eines Gießprozesses eingebunden werden kann, wie beispielsweise durch einen Prozess, der als Übergießen bekannt ist. Es wurde auch gefunden, dass sich das Magnesium in einigen Fällen nicht metallurgisch mit dem darunter liegenden Aluminium oder Stahl verbindet, zumindest nicht in dem Ausmaß, das zum Bilden eines Teils notwendig ist, das als strukturell zuverlässig und in einem Kraftfahrzeug verwendbar angesehen wird. Beispielsweise kann das Aluminium eine dichte Oxid-Oberflächenschicht aufweisen (z. B. aus Tonerde), die sich auf diesem gebildet hat und die während des Gießens verhindern kann, dass sich das Magnesium mit dem Aluminium unter der Oxidschicht oder direkt mit der Oxidschicht metallurgisch verbindet. Spezieller kann das Magnesium während des Gießprozesses die dichte Oxidschicht nicht durchdringen und sich nicht mit dem darunter liegenden Aluminium auf eine Weise verbinden, die ausreicht, um das resultierende Teil strukturell zuverlässig zu machen. Wie hierin verwendet, ist ein Teil, das ”strukturell zuverlässig” ist, ein solches, das mechanische Eigenschaften aufweist, die es dem Teil ermöglichen, verschiedenen Betriebsspannungen und -dehnungen standzuhalten, die es während der Verwendung des Teils erleidet.
Ein Beispiel bzw. Beispiele des Verfahrens, das hierin offenbart ist, kann bzw. können verwendet werden, um ein Teil durch ein Verbinden eines Metalls (wie beispielsweise Magnesium oder Magnesiumlegierungen) mit einem Substrat (wie beispielsweise Aluminium, Titan, Stahl usw.) zu bilden, und die zwischen diesen Materialien erzeugte Verbindung ist eine solche, dass das Teil derart eingeschätzt wird, dass es die notwendige strukturelle Integrität aufweist, so dass das Teil in einem Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Gemäß einem Beispiel können die zwei Materialien miteinander verbunden werden, indem die Verbindungsfestigkeit an einer Grenzfläche (d. h. deren Grenzflächenfestigkeit) zwischen dem Metall und dem Substrat verbessert wird. Dies kann erreicht werden, indem die Oberfläche des Substrats derart manipuliert wird, dass das Metall in dem geschmolzenen Zustand in Poren, Spalte, Hohlräume oder dergleichen eindringen kann, die in der Oberfläche gebildet werden, und mit der Oberfläche mechanisch verbunden wird. Gemäß einem Beispiel ist die mechanische Verbindung eine mechanische Verzahnung, die erzeugt wird, indem das Metall in die manipulierte Oberfläche des Substrats eindringt. In einigen Fällen kann sich auch eine chemische Verbindung bilden, wie beispielsweise eine metallurgische Verbindung zwischen dem Metall und der Oberfläche.
Ein Beispiel des Verfahrens zum mechanischen Verbinden eines Metalls mit einem Substrat wird nun in Verbindung mit 1A–1D, 2A und 2B beschrieben. In diesem Beispiel umfasst das Teil 10 (in 1D gezeigt), das durch das Verfahren gebildet wird, ein Aluminiumsubstrat und ein Magnesiummetall, das mit diesem verbunden wird. Es versteht sich, dass das Verfahren ebenso oder auf andere Weise verwendet werden kann, um Teile zu bilden, die aus anderen Kombinationen von Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann das Teil aus Substratmaterialien gebildet werden, die geeignet für Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden können (z. B. um eine Kraftfahrzeug-Chassiskomponente, einen Motorträger, einen Balken für eine Instrumententafel (IP), einen Motorblock, einen Zylinderkopf und/oder dergleichen herstellen). Das Substrat kann in einigen Fällen von Materialien ausgewählt werden, die ausreichend hitzebeständig sind, so dass das Material nicht schmilzt, wenn es während des Übergießens dem geschmolzenen Metall ausgesetzt wird, wobei Details diesbezüglich nachstehend zumindest in Verbindung mit 1C vorgesehen sind. Für die Substratmaterialien kann ein Metall ausgewählt werden, wie beispielsweise Aluminium, Zink, Magnesium, Titan, Kupfer und Legierungen von diesen. Es versteht sich, dass andere Substratmaterialien ebenso als geeignet bezüglich des hierin offenbarten Verfahrens verwendet werden können, von denen einige Beispiele Gusseisen, Superlegierungen (z. B. solche, die auf Nickel, Kobalt oder Nickel-Eisen basieren), Stahl (der eine Legierung aus Eisen, Kohlenstoff und möglicherweise anderen Komponenten ist), Messing (das eine Kupferlegierung ist) und Nichtmetalle umfassen (z. B. Polymere mit hoher Schmelztemperatur, wie beispielsweise solche Polymere, die eine Schmelztemperatur von zumindest 350°C aufweisen, Glas, Keramiken und/oder dergleichen). Für das Substratmaterial kann andererseits ein Material ausgewählt werden, um ein Teil herzustellen, das für eine Verwendung in anderen Anwendungen geeignet ist, wie beispielsweise in Nicht-Automobilanwendungen, die Flugzeug-, Werkzeug- sowie Haus/Bau-Komponenten (z. B. Rohre usw.) oder dergleichen umfassen. Bei diesen Anwendungen kann für das Substratmaterial ein beliebiges der Metalle ausgewählt werden, die vorstehend aufgelistet sind, oder es kann ein anderes Metall oder Nichtmetall ausgewählt werden (z. B. Stahl, Gusseisen, Keramiken, Polymere mit hoher Schmelztemperatur (beispielsweise Kristallpolymere, Polyimide, Polyetherimide, Polysulfone und/oder andere Polymere mit einer Schmelztemperatur von zumindest 350°C) usw.). Die Polymere mit hoher Schmelztemperatur können ferner eine Schutzschicht aufweisen und/oder gekühlt werden, um zu verhindern, dass das Polymer schmilzt und/oder aufgelöst wird, so dass die Kombination des Polymers, der Schutzschicht und des Übergießprozesses das Substrat nicht signifikant beschädigt (d. h., dass der Gegenstand, der durch das System aus Substrat/übergegossenem Metall gebildet wird, weiterhin für seinen beabsichtigten Zweck funktioniert).
Wenn für das Substrat ein anderes Metall als Aluminium ausgewählt wird, kann das Substratmaterial gemäß einem Beispiel aluminisiert werden (d. h., dass eine Schicht aus Aluminium oder einer aluminiumreichen Legierung an der Oberfläche des Substratmaterials gebildet wird), um in dem hierin offenbarten Verfahren verwendet zu werden. Beispielsweise kann Stahl mittels eines Eintauchens des Stahls in eine Aluminium-Siliziumschmelze aluminisiert werden, was eine Aluminiumschicht an der Stahloberfläche bildet. Diese Aluminiumschicht kann später anodisiert werden, um Tonerde zu bilden, wie nachstehend im Detail beschrieben wird. Es wird angenommen, dass andere Materialien, beispielsweise Titan, Kupfer usw., ebenso mittels des Eintauchens in eine Schmelze oder mittels eines anderen geeigneten Verfahrens, beispielsweise durch Aufdampfen, ebenso aluminisiert werden können.
Es versteht sich, dass eine Aluminiumoberfläche nicht erforderlich ist, um die Beispiele des hierin offenbarten Verfahrens auszuführen. Beispielsweise kann Magnesium, Titan oder ein anderes Metall oxidiert werden, um eine Oxidschicht zu bilden, in der Nanoporen gebildet werden können, und somit können andere Systeme außer übergegossenem Magnesium auf Aluminium oder einer aluminisierten Oberfläche verwendet werden, solange die Oberfläche porös ist oder porös werden kann.
Gemäß einem Beispiel kann für das Metall, das mit dem Substrat verbunden werden soll, ein beliebiges Metall aus dem Periodensystem der Elemente ausgewählt werden, das einen Schmelzpunkt oder eine Schmelztemperatur aufweist, die geringer als die Schmelztemperatur des Substrats ist, mit dem das Metall verbunden wird, oder in deren Nähe liegt (z. B. innerhalb von 1°C von dieser). Es versteht sich, dass die übergegossenen Metalle, die hierin diskutiert werden, die reinen Metalle oder eine Legierung von diesen sein können. Es wurde gefunden, dass das Auswählen von Metallen mit einem geringeren Schmelzpunkt als das Substrats ermöglicht, dass das Gießen ohne Schmelzen des darunter liegenden Substrats durchgeführt wird. Beispielsweise kann Magnesium als ein Metall ausgewählt werden, das über ein beliebiges von den Substratmaterialien gegossen wird, das von Metallen wie etwa Aluminium, Zink, Titan, Kupfer, Nickel und/oder Legierungen von diesen zumindest teilweise deshalb ausgewählt wird, da die Schmelztemperatur des Magnesiums ungefähr 639°C beträgt und niedriger als diejenige eines beliebigen der Substratmaterialien ist. Es versteht sich, dass Magnesium in einigen Fällen ebenso als das Substratmaterial ausgewählt werden kann, wie nachstehend diskutiert wird. Beispiele von Kombinationen des Metalls und des Substrats, die zum Bilden eines Kraftfahrzeugteils verwendet werden können, umfassen beispielsweise i) Magnesium und Aluminium bzw. ii) Magnesium und Stahl. Andere Beispiele von Metallen, die ausgewählt werden können, umfassen Aluminium, Kupfer, Titan und Legierungen von diesen. Wenn Aluminium als das übergegossene Metall ausgewählt wird, kann das Aluminium mit Substratmaterialien verbunden werden, die eine Schmelztemperatur aufweisen, die höher als diejenige von Aluminium ist. Beispielsweise kann Aluminium (das eine Schmelztemperatur von ungefähr 660°C aufweist) mit Kupfer (das eine Schmelztemperatur von ungefähr 1083°C aufweist), Titan (das eine Schmelztemperatur von ungefähr 1660°C aufweist) oder Stahl verbunden werden (z. B. mit Edelstahl, der eine Schmelztemperatur von ungefähr 1510°C aufweist, und mit Kohlenstoffstahl, der eine Schmelztemperatur aufweist, die von ungefähr 1425°C bis ungefähr 1540°C reicht). Wenn Kupfer als das Metall ausgewählt wird, dann kann das Kupfer ferner mit Titan oder Stahl zumindest teilweise deshalb verbunden werden, da Kupfer eine geringere Schmelztemperatur als Titan und Stahl aufweist.
Es versteht sich, dass die Schmelztemperatur des übergegossenen Metalls nicht kleiner als diejenige des Substrats sein muss, zumindest teilweise deshalb, da das ausgewählte Substrat eine Schutzschicht aufweisen kann, einer Kühlung ausgesetzt sein kann und/oder eine Masse und Leitfähigkeit aufweisen kann, die ausreicht, um die Erstarrungswärme vor dem Schmelzen abzuführen. Beispielsweise kann Aluminium (das wiederum eine Schmelztemperatur von ungefähr 660°C aufweist) über Magnesium gegossen werden (das eine Schmelztemperatur von ungefähr 639°C aufweist), wenn das Übergießen beispielsweise in einer Formgießeinrichtung mit einem Kühlungsmechanismus ausgeführt wird, um das Magnesium zu kühlen.
Somit wird angenommen, dass als das übergegossene Metall ein Metall ausgewählt werden kann, das eine höhere Schmelztemperatur als das Substrat aufweist. Bei diesem Beispiel kann das Substratmaterial während des Übergießens gekühlt werden und/oder eine Masse aufweisen, die dafür ausreicht, dass das geschmolzene übergegossene Metall verfestigt, bevor das Metall die strukturelle Integrität des Substrats schädlich beeinflusst, und/oder eine Schutzschicht darauf aufweisen. In einigen Fällen kann die Wärmeübertragung auf das Substrat gering genug sein, so dass die Temperatur des Substrats nicht dessen Schmelztemperatur erreicht und dieses dadurch nicht schmelzen wird (oder leicht schmilzt). In einigen Fällen kann eine Beschichtung (die aus einem Material hergestellt ist, das beispielsweise eine sehr hohe Schmelztemperatur aufweist (z. B. Tonerde)) auf dem Substrat hergestellt werden, welche die Wärmeübertragung auf das Substrat verringern kann. Beispielsweise kann Tonerde (die eine Schmelztemperatur von ungefähr 2072°C aufweist) als eine geeignete Beschichtung für das Substrat verwendet werden. Es versteht sich jedoch, dass das ausgewählte Beschichtungsmaterial ebenso haltbar und haftfähig sein sollte, so dass das Material zu der strukturellen Integrität des gebildeten Teils beitragen kann.
Dementsprechend kann das Substrat gemäß einem Beispiel dann, wenn für das Metall Magnesium ausgewählt wird, von Aluminium, Magnesium, Zink, Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt werden. In einem Fall können verschiedene Legierungen oder Zusammensetzungen von Magnesium als das übergegossene Material und das Substratmaterial verwendet werden. Das Magnesium kann reines Magnesium sein, oder es kann Magnesium sein, das mit Aluminium, Zink, Mangan und/oder einem geeigneten Legierungsmaterial legiert ist. Beispielsweise kann die Magnesiumlegierung AM60 (die eine Schmelztemperatur von ungefähr 615°C aufweist) über ein stranggepresstes Rohr aus der Magnesiumlegierung AZ31B (die eine Schmelztemperatur von ungefähr 630°C aufweist), gegossen werden.
Gemäß einem anderen Beispiel kann das Substrat dann, wenn für das Metall Aluminium ausgewählt wird, ebenso von Aluminium, Magnesium, Zink, Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt werden.
Obgleich hierin verschiedene Beispiele angegeben sind, versteht es sich, dass eine beliebige Kombination aus Substrat- und übergegossenen Metallmaterialien verwendet werden kann, solange die Gießprozedur (z. B. die Gießtemperaturen, -zeiten usw.) sich derart verhält, dass das Übergießen ohne signifikante Beschädigung des Substrats ausgeführt werden kann.
Zu Zwecken der Darstellung wird das vorliegende Beispiel des Verfahrens nachstehend derart beschrieben, dass für das Substratmaterial speziell Aluminium oder Aluminiumlegierungen ausgewählt werden und dass das Verbindungsmetall Magnesium ist. Obgleich dieses Beispiel die Bildung von Poren in einem Oxid umfasst (d. h. in Aluminiumoxid), versteht es sich, dass die mechanische Verzahnung gebildet werden kann, wenn das Metall in die Poren eines beliebigen Substratmaterials eindringt, das nicht auf Aluminiumoxid beschränkt ist, das in diesem Beispiel im Detail diskutiert wird.
Nun auf 1A–1D Bezug nehmend, umfasst das vorliegende Beispiel des Verfahrens, dass ein Substrat 12 ausgewählt wird (in 1A gezeigt) und dass anschließend die Oberfläche S des Substrats 12 manipuliert wird. Die Oberfläche S kann manipuliert werden, indem eine Vielzahl von Nanomerkmalen 16 in der Oberfläche S gebildet wird, wie es in 1B gezeigt ist. In diesem Beispiel des Verfahrens sind die Nanomerkmale 16 Nanoporen. Weitere Details der Nanoporen 16 werden nachstehend in Verbindung mit 2A und 2B beschrieben.
Gemäß einem Beispiel werden die Nanoporen 16 gebildet, indem eine poröse Metalloxidstruktur 18 mittels eines Anodisierungsprozesses auf der Substratoberfläche S wächst. Kurz gesagt ist die Anodisierung die Oxidation eines Abschnitts des Aluminiumsubstrats 12, um die Struktur 18 zu bilden, die aus Aluminiumoxid (d. h. Tonerde) besteht. Folglich wird ein Teil des Aluminiumsubstrats 12 verbraucht, wenn die Aluminiumoxidstruktur 18 wächst. Die Anodisierung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem das Aluminiumsubstrat 12 als die Anode in einer Elektrolysezelle verwendet wird und indem die Anode und eine geeignete Kathode in einem wässrigen Elektrolyt angeordnet werden. Einige Beispiele des Elektrolyten umfassen Schwefelsäure (H₂SO₄), Phosphorsäure (H₂PO₄), Oxalsäure (C₂H₂O₄) und Chromsäure (H₂CrO₄). Diese Elektrolyten bilden wünschenswerter Weise poröse Tonerde; d. h. eine Aluminiumoxidstruktur 18 mit den Nanoporen 16, die darin gebildet sind. Ferner kann eine beliebige geeignete Kathode verwendet werden, von welcher Beispiele Aluminium oder Blei umfassen können. Eine geeignete Spannung und ein geeigneter Strom (z. B. ein Gleichstrom oder in einigen Fällen eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente) werden für eine Zeitspanne an die Elektrolysezelle angelegt, um einen ausgewählten Abschnitt des Aluminiumsubstrats 12 für das Wachstum der Struktur 18 zu anodisieren. Gemäß einem Beispiel werden ungefähr 10 μm bis ungefähr 250 μm des Aluminiumsubstrats 12 oder gemäß einem anderen Beispiel ungefähr 10 μm bis ungefähr 100 μm des Aluminiumsubstrats 12 anodisiert, was zumindest teilweise von der gewünschten Dicke der porösen Oxidschicht/Struktur 18 abhängt, die gebildet werden soll. Es wird beispielsweise angenommen, dass bei einer Anodisierung unter Verwendung eines Schwefelsäureelektrolyten jede 3 μm der Oxidschicht, die gebildet wird, ungefähr 2 μm des darunter liegenden Substrats 12 verbrauchen. Es wird ferner angenommen, dass das vorstehende Verhältnis basierend zumindest teilweise auf der Porosität der anodisierten Schicht und der Massenbilanz der Metalloxidschicht und des darunter liegenden Substrats 12 verändert werden kann. Gemäß einem Beispiel kann die Anodisierung bei einer Spannung auftreten, die von ungefähr 1 V bis ungefähr 120 V reicht, und die Spannung kann über den gesamten Anodisierungsprozess wie gewünscht angepasst werden, wenn die Oxidschicht (oder die Struktur 18) dicker wird.
Es versteht sich, dass andere Parameter zusätzlich zu der Spannung angepasst werden können, um die Dicke der Oxidschicht/Struktur 18 zu steuern. Beispielsweise hängt die Dicke der Oxidschicht 18 zumindest teilweise von der Stromdichte multipliziert mit der Anodisierungszeit ab. Typischerweise wird eine spezielle Spannung angelegt, um die Stromdichte zu erreichen, die für das Wachstum der Oxidschicht 18 bis zu einer gewünschten Dicke erforderlich ist. Darüber hinaus können der verwendete Elektrolyt und auch die Temperatur ebenso die Eigenschaften der Oxidschicht 18 und die Fähigkeit beeinflussen, die Oxidschicht 18 bis zu einer gewünschten Dicke wachsen zu lassen und zu formen. Beispielsweise kann die Dicke der Oxidschicht 18 von der Leitfähigkeit des Elektrolyten abhängen, die wiederum von dem Typ, der Konzentration und der Temperatur des Elektrolyten abhängt. Ferner ist die Oxidschicht 18 elektrisch isolierend, und daher nimmt die Stromdichte bei einer konstanten Spannung ab, wenn die Schicht wächst. In einigen Fällen kann die Abnahme in der Stromdichte das maximale Wachstum der Oxidschicht 18 begrenzen, und daher kann die Spannung nicht ständig weiter erhöht werden, um die Dicke der Schicht 18 zu erhöhen. In einigen Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, die Spannung über den gesamten Prozess zu erhöhen. Gemäß einem Beispiel kann die angelegte Spannung bei ungefähr 25 V bis ungefähr 30 V starten, und die Spannung kann anschließend bis zu einer höheren Spannung rampenartig zunehmen, wenn die Oxidschicht 18 wächst.
Zusätzlich kann die Größe der Nanoporen 16 zumindest durch das Anpassen der Spannung gesteuert werden, die Anpassung der Spannung kann sich jedoch in Abhängigkeit von dem verwendeten Material bzw. den verwendeten Materialien (z. B. dem Elektrolyt) verändern. Gemäß einem Beispiel weisen die Nanoporen 16 einen effektiven Durchmesser D (in 1D–A gezeigt) von ungefähr 1,29 nm pro 1 V angelegter Spannung auf, und der Abstand zwischen benachbarten Poren 16 beträgt ungefähr 2,5 nm pro 1 V der angelegten Spannung. Die Größe und der Abstand der Poren 16 werden nachstehend in weiterem Detail beschrieben.
Es versteht sich, dass das Wachstum der Struktur 18 (d. h. der porösen Aluminiumoxidschicht) zumindest teilweise von der Stromdichte, der Chemie des Elektrolysebades (d. h. von dem Elektrolyt), der Temperatur, bei der die Anodisierung auftritt, der Spanne der Anodisierungszeit und/oder der angelegten Spannung abhängt. In einigen Fällen können bestimmte Eigenschaften der Struktur 18 auch gesteuert werden, indem ein Wechselstrom anstelle des Gleichstroms verwendet wird oder diesen überlagert. Darüber hinaus kann die Anodisierung bei einer Temperatur ausgeführt werden, die von ungefähr –5°C bis ungefähr 70°C reicht, und der Prozess kann für einige Minuten bis zu einigen Stunden stattfinden, was zumindest teilweise von einer gewünschten Dicke der Struktur 18 abhängt, die wachsen soll. Gemäß einem Beispiel reicht die Dicke der gewachsenen Oxidschicht oder Struktur 18 von ungefähr 2 μm bis ungefähr 250 μm. Gemäß einem anderen Beispiel reicht die Dicke der gewachsenen Oxidschicht oder Struktur 18 von ungefähr 40 μm bis ungefähr 80 μm.
Die poröse Oxidstruktur 18, die mittels des hierin beschriebenen Anodisierungsprozesses gebildet wird, kann viele Nanoporen 16, die darin definiert sind, und eine Barriereschicht 19 aus Tonerde umfassen, welche die Unterseite jeder Pore 16 definiert. Die Barriereschicht 19 ist eine dünne, dichte Schicht (d. h. mit geringer Porosität, wenn überhaupt), und sie kann ungefähr 0,1% bis ungefähr 2% der gesamten Dicke der gebildeten Oxidstruktur 18 ausmachen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”Nanopore” auf eine Pore mit einem effektiven Durchmesser (da bekannt ist, dass jede Pore keinen perfekt kreisförmigen Querschnitt aufweisen kann), der in den Nanometerbereich fällt (z. B. von 1 nm bis 1000 nm); und die Pore kann sich zumindest teilweise durch die Oxidstruktur 18 erstrecken. In einigen Fällen kann die Oxidstruktur 18 geätzt werden, um Teile von dieser an der Unterseite der Nanoporen 16 zu entfernen (einschließlich der Barriereschicht 19), wodurch das darunter liegende Aluminiumsubstrat 12 freigelegt wird. Gemäß einem Beispiel weist jede Nanopore 16 eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, die sich über die gesamte Länge der Pore erstreckt, wie beispielsweise in 2A schematisch gezeigt ist. Es versteht sich, dass die Größe der Nanoporen 16 zumindest teilweise von den Anodisierungsparametern abhängt, wie vorstehend beschrieben wurde. Es wird ferner angenommen, dass der effektive Durchmesser jeder Pore 16 ungefähr derselbe ist und dass der effektive Durchmesser ebenso über die gesamte Länge der Pore 16 im Wesentlichen derselbe ist. Es versteht sich jedoch, dass jede Nanopore 16 nicht notwendigerweise einen Durchmesser aufweisen muss, der über deren gesamte Länge konsistent ist; beispielsweise können eine oder mehrere Poren 16 einen Durchmesser aufweisen, der an der Oberseite der Pore 16 kleiner (z. B. an dem Ende der Pore, das der Substratoberfläche S entgegengesetzt ist) und an der Unterseite der Pore 16 größer ist (z. B. an dem Ende der Pore, das der Substratoberfläche S benachbart ist).
Gemäß einem Beispiel reicht der effektive Durchmesser D jeder Nanopore 16 (in 1D–A gezeigt) von ungefähr 15 nm bis ungefähr 160 nm. Gemäß einem anderen Beispiel reicht der effektive Durchmesser D jeder Nanopore 16 von ungefähr 25 nm bis ungefähr 75 nm. Es versteht sich jedoch, dass der gewünschte effektive Durchmesser D (oder die Größe) der Nanoporen 16 zumindest teilweise von der Fluidität, der Viskosität und der Benetzbarkeit des geschmolzenen Metalls M abhängen kann, zumindest teilweise deshalb, da das geschmolzene Metall M in die Nanopore 16 eindringt. Ferner kann die gewünschte Größe der Nanoporen 16 auch davon abhängen, ob die Substratoberfläche S durch das Metall M benetzt wird oder nicht (was nachstehend in weiterem Detail beschrieben wird). Im Allgemeinen kann die gewünschte Größe der Nanoporen 16 in den Fällen, in denen die Oberfläche S durch das Metall M benetzt wird, kleiner als in den Fällen sein, in denen die Oberfläche S durch das Metall M nicht benetzt wird.
Ferner kann der Durchmesser der Nanoporen 16 über die Höhe der Oxidstruktur 18 variieren (beispielsweise weisen die Nanoporen 16 entlang ihrer Länge Segmente mit unterschiedlichen Durchmessern auf). Dies kann erreicht werden, indem die Oxidschicht 18 bei einer ersten Spannung wächst, bei der die Größe der Poren 16 versucht, einen stationären Zustand zu erreichen. Anschließend wird während des Prozesses eine Übergangszone erzeugt, indem die Spannung verändert wird, sodass die Poren 16 versuchen, einen anderen stationären Zustand zu erreichen. Spezieller hängen die stationären Durchmesser der Nanopore 16 zumindest teilweise von der Spannung ab. Beispielsweise kann eine erste Spannung verwendet werden, um die Nanoporen 16 anfänglich wachsen zu lassen, bis ein erster stationärer Durchmesser erreicht ist, und anschließend kann eine zweite Spannung für das weitere Wachstum der Nanoporen 16 verwendet werden, bis ein zweiter stationärer Durchmesser erreicht ist. Die Übergangszone zwischen dem ersten und dem zweiten Durchmesser der Nanoporen 16 tritt zwischen der ersten und der zweiten Spannung auf.
Über eine Substratoberfläche S können Bereiche mit und ohne Nanoporen 16 gebildet werden. Dies kann durch die Verwendung einer Maske erreicht werden. Die Maske verhindert die Porenbildung, und daher weisen die maskierten Bereiche keine Nanoporen 16 auf. Diese maskierten Bereiche der Substratoberfläche S können bezüglich der Abmessung größer sein (z. B. Mikrometer oder sogar Millimeter) als die Größe der einzelnen Nanoporen 16, die in den nicht maskierten Bereichen wachsen. In Abhängigkeit von der verwendeten Maske kann dieses Verfahren nicht zusammenhängende Bereiche (d. h. Nanoinseln, wie hierin nachstehend weiter diskutiert wird), welche die Nanoporen 16 enthalten, oder eine kontinuierliche, die Nanoporen enthaltende Schicht erzeugen, die mehrere Löcher aufweist (d. h. Bereiche ohne Nanoporen 16), die darin gebildet sind. Es wird hierin auch in Betracht gezogen, Nanoporen 16 mit unterschiedlichen Abmessungen über die Substratoberfläche S zu bilden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem ein erster Bereich der Oberfläche S maskiert wird und indem ermöglicht wird, dass die Nanoporen 16 in dem unmaskierten Bereich wachsen, während eine geeignete Spannung für das Wachstum angelegt wird. Danach kann der Bereich der Substratoberfläche S, der die darin gewachsenen Nanoporen 16 umfasst, maskiert werden, um die Abmessungen dieser Nanoporen 16 aufrecht zu erhalten. Der zuvor maskierte Bereich der Oberfläche S ist nun unmaskiert. Es kann eine andere Spannung an den neuen unmaskierten Bereich angelegt werden, um Nanoporen mit einer anderen gewünschten Größe wachsen zu lassen.
In dem in 2A und 2B gezeigten Beispiel sind die Nanoporen 16 gleichmäßig in der Oxidstruktur 18 angeordnet, wobei die Poren 16 ausgerichtet sind. Mit anderen Worten wachsen die Nanoporen 16 während des vorstehend beschriebenen Anodisierungsprozesses senkrecht zu der Oberfläche. Die Anzahl der gebildeten Nanoporen 16 hängt zumindest teilweise von der Größe (z. B. dem effektiven Durchmesser) jeder einzelnen Pore 16 und dem Oberflächenbereich der Substratoberfläche S ab, der anodisiert wird. Gemäß einem Beispiel reicht die Anzahl der gebildeten Nanoporen 16 bei einer angelegten Spannung von 40 V von ungefähr 1 × 10⁹ bis ungefähr 1 × 10¹⁰ über eine anodisierte Oberfläche mit einem Oberflächenbereich von ungefähr 1 cm². Gemäß einem Beispiel ist der Oberflächenbereich einige zehn Quadratzentimeter groß. Wenn jede Pore 16 im Inneren einer Zelle definiert wird (wie beispielsweise innerhalb der Zelle C, die in 2B gezeigt ist), kann die Größe jeder Zelle C ferner von ungefähr 100 nm bis ungefähr 300 nm reichen. Gemäß einem Beispiel reicht der Abstand d (in 1D–A gezeigt) zwischen benachbarten Poren 16, die in der Struktur 18 gebildet sind, von ungefähr 100 nm bis ungefähr 300 nm. Gemäß einem anderen Beispiel reicht der Abstand d zwischen benachbarten Poren 16 von ungefähr 180 nm bis ungefähr 220 nm. Gemäß einem noch anderen Beispiel beträgt der Abstand d zwischen benachbarten Poren 16 ungefähr 200 nm.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, einen bestimmten Abschnitt bzw. bestimmte Abschnitte des Aluminiumsubstrats 12 auszuwählen, mit dem bzw. denen das Magnesium verbunden wird, oder auszuwählen, wo (auf dem Aluminiumsubstrat 12) die Nanoporen 16 gebildet werden sollen. In solchen Fällen werden die nicht ausgewählten Abschnitte der Substratoberfläche S nicht anodisiert. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Aluminiumsubstrat 12 mit einem Muster versehen wird, bevor die Oxidstruktur 18 von diesem wächst. Die Musterbildung kann mittels einer beliebigen geeigneten Technik durchgeführt werden, und sie wird verwendet, um eine lokalisierte Anodisierung des Aluminiumsubstrats 12 auszuführen. Beispielsweise kann ein beliebiges Standard-Photolithographieverfahren verwendet werden, von dem ein Beispiel umfasst, dass ein hartes Maskenmaterial auf das Aluminium aufgebracht wird und dass anschließend ein Photoresist verwendet wird, um mit dem Maskenmaterial ein Muster zu bilden, um ein lokalisiertes Freilegen des Aluminiums zu ermöglichen. Gemäß einem Beispiel wird mit der Maske ein Muster gebildet, um einen Abschnitt bzw. Abschnitte des Aluminiums dem Elektrolyt auszusetzen. Die Bereiche, die freigelegt bleiben, sobald die Maske und der Photoresist in Position sind, können anschließend einer lokalen Anodisierung ausgesetzt werden, und das Aluminium, das aufgrund des durch die Maske gebildeten Musters freigelegt ist, wird lokal anodisiert, indem beispielsweise die freiliegende oder die mit dem Muster versehene Aluminiumschicht als die Anode der Elektrolysezelle verwendet wird, wie vorstehend beschrieben ist.
Es wird angenommen, dass die Musterbildung ebenso verwendet werden kann, um ein Spannungsmuster an bestimmten, vielleicht kritischen, Bereichen der Grenzfläche zu verändern, die zwischen dem Metall M und dem Substrat 12 gebildet wird (beispielsweise an solchen Oberflächen, die einer Abnutzung oder einem Rollkontakt ausgesetzt sind). Beispielsweise kann eine starke Verbindung an Bereichen auf der Substratoberfläche S gebildet werden, an denen eine hohe Dichte der Nanoporen 16 vorliegt, mit denen das Metall M während des Übergießens wechselwirken kann. Die Musterbildung (unter Verwendung einer Maske, wie vorstehend beschrieben ist) kann beispielsweise verwendet werden, um die Anzahl der Poren 16 in bestimmten Bereichen an der Substratoberfläche S zu verringern. Dies kann beispielsweise nützlich sein, wenn es wünschenswert ist, eine Spannung von dem Substrat 12 auf das übergegossene Metall M zu übertragen oder umgekehrt.
Es versteht sich, dass die Krümmung zwischen bestimmten Abschnittsabmessungen auch derart betrachtet werden kann, dass dort Bereiche mit erhöhter Spannung vorliegen. Für diese Bereiche kann die Musterbildung in Kombination mit mehreren Anodisierungsbehandlungen unter Verwendung verschiedener Spannungen oder verschiedener Zeiten Oberflächen mit unterschiedlichen porösen Strukturen erzeugen. Beispielsweise kann die Oberfläche für eine erste Zeit unter Verwendung einer konstanten Spannung anodisiert werden, und anschließend wird ein Abschnitt der Oberfläche maskiert. Eine zweite Anodisierungsbehandlung kann anschließend auf den nicht maskierten Abschnitt der Oberfläche unter Verwendung einer anderen Spannung als derjenigen angewendet werden, die während der ersten Anodisierungsbehandlung verwendet wird. Nachdem die zweite Anodisierung abgeschlossen ist, weist der Bereich der Oberfläche, der nicht maskiert war, Nanoporen auf, die bezüglich des Durchmessers entlang ihrer jeweiligen Längen variieren. Die Nanoporen, die während des ersten Anodisierungsprozesses in dem maskierten Bereich gebildet werden, bleiben während des zweiten Anodisierungsprozesses unverändert. Somit können die Nanoporen in dem maskierten Bereich im Wesentlichen gleichmäßige Nanoporen umfassen, die kürzer oder länger bezüglich der Abmessung sind (was zumindest teilweise davon abhängt, wie die Anodisierungsspannung oder die Anodisierungszeit während der zweiten Anodisierungsbehandlung verändert wurde) als die Nanoporen, die in dem nicht maskierten Bereich der Oberfläche gebildet werden.
Wie vorstehend kurz erwähnt wurde, kann die Musterbildung verwendet werden, um Bereiche zwischen Clustern von Nanoporen 16 zu erzeugen, wobei jedes Cluster als eine Nanoinsel bezeichnet werden kann. Diese Nanoinseln können in den Fällen nützlich sein, in denen das geschmolzene Metall M nicht ausreichend in die Nanoporen 16 eindringen kann (d. h., wenn keine Nanoinseln vorhanden sind), was zumindest teilweise durch die Oberflächenspannung bedingt sein kann. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein der Nanoinseln, die von entblößten Bereichen umgeben sind (d. h. Bereichen ohne irgendwelche Nanoporen), den Oberflächenbereich der Substratoberfläche S vergrößert, in den das geschmolzene Metall M während des Übergießens geeignet eindringen kann. Gemäß einem Beispiel werden die porösen Nanoinseln gebildet, indem Abschnitte der Substratoberfläche S maskiert werden. Die unmaskierten Bereiche werden ein Wachstum und eine Nanoporenbildung durchlaufen, und sie werden dadurch zu Nanoinseln. Die nicht maskierten Abschnitte werden anodisiert, um die Nanoporen 16 und die Nanoinseln zu bilden. Es versteht sich, dass sich der Ausdruck ”Nano”, wenn er in Verbindung mit der porösen Nanoinsel verwendet wird, auf die Größe (d. h. den effektiven Durchmesser) der einzelnen Nanoporen 16 bezieht, die in der Nanoinsel gebildet werden. Obgleich es möglich ist, dass der Oberflächenbereich der Nanoinseln in den Mikrometerbereich fallen kann (1 μm² bis 1000 μm²), kann der Oberflächenbereich der Nanoinseln so groß sein, wie es gewünscht ist.
Wie ebenfalls vorstehend kurz erwähnt wurde, kann eine kontinuierliche nanoporöse Schicht gebildet werden, die nicht poröse Vertiefungen/Löcher aufweist. Diese können gebildet werden, indem die bezeichneten Abschnitte der Substratoberfläche S maskiert werden, welche die Vertiefungen bilden werden, und indem die unmaskierten Abschnitte der Oberfläche S einer Anodisierung ausgesetzt werden. Die Bereiche, welche die Vertiefungen umgeben, enthalten Nanoporen 16, während die Vertiefungen keine Nanoporen 16 enthalten. Die Größe der Vertiefungen kann ebenfalls in dem Bereich von Nanometern liegen, sie können jedoch auch so groß sein, wie es gewünscht ist. Ferner können die Vertiefungen eine beliebige Gestalt oder Form annehmen, wie beispielsweise Kreise, Quadrate, gerade Linien, verschnörkelte Linien, eine Blütenform usw. Es wird auch angenommen, dass das Vorhandensein der Vertiefungen ebenfalls den Oberflächenbereich der Substratoberfläche S vergrößert, in den das Metall während des Übergießens eintreten kann.
Sobald die Aluminiumoxidstruktur 18 gebildet ist, wird das Magnesiummetall (in 1C mit dem Bezugszeichen M bezeichnet) mit dem Substrat 12 verbunden. Dies kann beispielsweise durchgeführt werden, indem das Substrat 12 einschließlich der auf diesem gewachsenen Struktur 18 in einem Gießformwerkzeug oder in einer Gussform (nicht in den Figuren gezeigt) angeordnet wird und indem das Magnesiummetall M anschließend über die Substratoberfläche S gegossen wird. Es wird angenommen, dass das Magnesiummetall M, das in einem geschmolzenen Zustand übergegossen wird, in die Nanoporen 16 eindringt, die in der Oxidstruktur 18 gebildet sind. Wenn Nanoinseln oder Vertiefungen gebildet werden, wird das geschmolzene Metall M auch in solche Bereiche eindringen, die keine Nanoporen 16 enthalten. In einigen Fällen fließt das Magnesiummetall M durch die Nanoporen 16 (und in bestimmten Fällen in die Bereiche ohne Nanoporen), und es kann das darunter liegende Substrat 12 kontaktieren. Das Magnesiummetall M kann das darunter liegende Substrat 12 solange kontaktieren, wie die Aluminiumoxidschicht 16 weggeätzt ist, um das darunter liegende Substrat 12 freizulegen. Ansonsten kann das Metall M die Barriereschicht 19 kontaktieren. Es versteht sich jedoch, dass sich eine starke Verbindung bilden kann, ohne dass das Metall M über die gesamte Strecke durch die Poren 16 fließt (wo das Metall M beispielsweise eine metallurgische Verbindung mit dem darunter liegenden Substrat 12 bildet), solange sich das Magnesiummetall M geeignet mit dem Aluminiumoxid 18 verbindet. Darüber hinaus wird eine Schicht 14 des Magnesiummetalls auf der Oberfläche der Struktur 18 gemäß der Form des Gießformwerkzeugs oder der Gussform gebildet. Die Schicht 14 bildet in Kombination mit dem Aluminiumsubstrat 12 das Teil 10 (in 1D gezeigt). Es versteht sich, dass die Kontinuität zwischen dem Magnesiummetall M im Inneren der Nanoporen 16 und der Magnesiumschicht 14 (in 1D gezeigt) das Teil 10 mit der gewünschten strukturellen Integrität versieht. Durch Abkühlen werden das Magnesiummetall M, das in die Poren 16 geflossen ist, und die Magnesiumschicht 14 (die miteinander einstückig sind) verfestigt. Es wird angenommen, dass die Verfestigung des Magnesiummetalls M im Inneren der Poren 16 (das mit der Schicht 14 einstückig ist, die auf dem Substrat 12 gebildet wurde) eine mechanische Verzahnung mit der Aluminiumoxidstruktur 18 bildet. Es wird ferner angenommen, dass diese mechanische Verzahnung der Grenzfläche zwischen der Schicht 14 und dem Substrat 12 eine ausreichende Verfestigung verleiht, sodass das Teil 10 als Ganzes strukturell zuverlässig ist.
Es versteht sich, dass die Oxidstruktur 18, die mittels des vorstehend beschriebenen Anodisierungsprozesses gebildet wird, in einigen Fällen selbstbenetzend gegenüber dem Verbindungsmetall (wie beispielsweise dem Magnesiummetall M) sein kann. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”selbstbenetzend” auf die Fähigkeit des Metalloxids, das die Struktur 18 bildet, mit einer Flüssigkeit in Kontakt zu bleiben, die darauf aufgebracht wird (z. B. mit dem geschmolzenen Magnesiummetall M). Dieser Kontakt wird im Allgemeinen zumindest teilweise aufgrund der intermolekularen Wechselwirkungen des Metalls und des Metalloxids aufrechterhalten, wenn diese zusammengebracht werden. Die Selbstbenetzungseigenschaft hängt oft zumindest teilweise von der Zusammensetzung der Materialien und der Temperatur ab. Solange die Oberfläche (in diesem Fall die Struktur 18) selbstbenetzend ist, kann das geschmolzene Magnesium M ferner direkt auf die Substratoberfläche S aufgetragen werden (d. h. auf die Oxidstruktur 18, die darauf gebildet ist).
In den Fällen, in denen die Struktur 18 nicht selbstbenetzend gegenüber dem Metall M ist, kann ein Benetzungsmittel vor dem Verbinden (z. B. vor dem Übergießen) in die Poren 16 der Struktur 18 eingebracht werden. Als das Benetzungsmittel kann ein beliebiges Material ausgewählt werden, das der Oberfläche, auf die das Metall M aufgebracht werden soll, auf geeignete Weise Benetzungseigenschaften verleiht und das keine Korrosion oder andere ähnliche Probleme bei dem Reagieren mit der Oberfläche erzeugt. Gemäß einem Beispiel kann ein Metalloxid in die Nanoporen 16 eingebracht werden, das mit dem geschmolzenen Metall M reagiert, um ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, das eine Eigenschaft zur Benetzung gegenüber dem Magnesiummetall M aufweist. Beispiele des Metalloxids, das eingebracht werden kann, umfassend Oxide von Mangan, Natrium, Silizium, Zinn, Kadmium und Zink. Gemäß einem anderen Beispiel kann ein anderes Metall in die Nanoporen 16 eingebracht werden, um diesen eine Benetzungseigenschaft gegenüber dem Metall M zu verliehen. In einigen Fällen kann das andere Metall auch zu der Verbindungsfestigkeit der mechanischen Verzahnung beitragen, die während des Verfahrens gebildet wird. Als das andere Metall kann ein beliebiges Metall ausgewählt werden, das in dem geschmolzenen Metall M lösbar ist, für das einige Beispiele Mangan, Zink, Natrium, Silizium, Zinn, Kadmium, Molybdän und/oder Legierungen von diesen umfassen. Es wird angenommen, dass Eisen und/oder Nickel bei bestimmten Anwendungen ebenso funktionieren.
Das Metalloxid oder das Metall, die zum Erreichen der Benetzung verwendet werden (im Gegensatz zu dem geschmolzenen Metall M), können in die Nanoporen 16 unter Verwendung eines chemischen Bades oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung eingebracht werden, oder sie können in den Anodisierungsprozess eingebunden werden (indem beispielsweise die angelegte Spannung umgekehrt wird, was dadurch erreicht werden kann, dass eine Wechselspannung vorgesehen wird, die größer als die Gleichspannung ist (in den Fällen, in denen das Metall positiv geladen ist) oder indem das Metall oder das Metalloxid in dem Elektrolyt verwendet wird, der zum Bilden der anodisierten Schicht 18 verwendet wird). Das Einbringen des Metalloxids oder des Metalls in die Nanoporen 16 kann auch unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses ausgeführt werden.
Wenn die Struktur 18 selbstbenetzend gegenüber dem Metall M ist oder wenn die Struktur 18 selbstbenetzend gegenüber dem Metall M gemacht wurde, wird das Metall M auf das Substrat 12 aufgebracht, um das Teil 10 zu bilden, wie es in 1D gezeigt ist. Gemäß einem Beispiel wird das Metall M mittels eines Übergießprozesses aufgebracht. Das Übergießen umfasst im Allgemeinen, dass das Metall M (z. B. Magnesium) in einem geschmolzenen Zustand über das Aluminiumsubstrat 12 eingeleitet wird (beispielsweise mittels Gießen). Wie vorstehend erwähnt wurde, dringt das geschmolzene Magnesium in die Struktur 18 ein, indem es in die Nanoporen 16 fließt. Gemäß einem Beispiel wird festes Magnesium in den geschmolzenen Zustand geschmolzen, indem das Magnesium über seine Schmelztemperatur erwärmt wird. Anschließend wird ein Gießwerkzeug 20 verwendet (wie beispielsweise ein Keramik- oder Metallschmelztiegel oder eine Gießpfanne, wie es in 1C gezeigt ist), um das geschmolzene Magnesiummetall M über das Substrat 12 zu gießen, das sich im Inneren des Gießformwerkzeugs oder der Gussform (nicht gezeigt) befindet. In einigen Fällen kann das geschmolzene Metall M eingeleitet werden, indem das Substrat 12 in einem Hohlraum (z. B. in einer Form) angeordnet wird und indem das Metall M anschließend in den Hohlraum injiziert wird. Gemäß einem noch anderen Beispiel kann ein gegen die Schwerkraft wirkender Formgussprozess bei Unterdruck verwendet werden, bei dem sich die Form oberhalb eines Bades des geschmolzenen Metalls M befindet und bei dem das Metall M mittels einer mechanischen Pumpe oder unter Anwendung eines Gasdrucks auf das Bad eingeleitet wird, um das Metall M nach oben in die Form zu drücken. Das geschmolzene Magnesium M dringt in die Poren 16 ein und bildet auch die Schicht 14, wie vorstehend beschrieben ist. Gemäß einem Beispiel wird der Übergießprozess als abgeschlossen angesehen, wenn die verfestigte Schicht 14 mit einer gewünschten Dicke über der Oberfläche des Substrats 18 gebildet ist.
Nun auf 1D Bezug nehmend, wird das Teil 10 durch die Verfestigung des Metalls M zum Bilden der Schicht 14 gebildet, die das Metall in den Poren 16 und oberhalb der Struktur 18 umfasst. Gemäß einem Beispiel umfasst die Verfestigung des Metalls M das Abkühlen des Metalls M. Das Abkühlen des Metalls M kann beispielsweise mittels eines Wärmeverlustes durch natürliche Abstrahlung, Konvektion und/oder Wärmeleitung ausgeführt werden. Gemäß einem Beispiel können diese Verfahren des Wärmeverlustes ausgeführt werden, indem das Teil 10 der Raumtemperatur ausgesetzt wird (z. B. einer Temperatur, die von ungefähr 20°C bis ungefähr 30°C reicht). Gemäß einem noch anderen Beispiel kann das Teil 10 im Inneren des Gießformwerkzeugs oder der Gussform abgekühlt werden, indem die Temperatur des Formwerkzeugs oder der Form verringert wird. Gemäß einem noch anderen Beispiel kann das Teil 10 auf zumindest 100°C aufgeheizt werden (oder sogar bis ungefähr 300°C). Die Temperatur, bis zu der das Teil 10 aufgeheizt wird, ist weiterhin geringer als die Verfestigungstemperatur des Metalls M, und daher kühlt das Metall M ab, wenn Wärme in das Substrat 12 und in das Formwerkzeug/die Form geleitet wird. Das Formwerkzeug/die Form können unter Verwendung von Öl oder Wasser abgekühlt werden, das durch das Formwerkzeug hindurchtritt.
Obgleich das Beispiel, das unter Bezugnahme auf 1A–1B gezeigt und beschrieben ist, das Wachsen der porösen Oxidstruktur 18 auf dem Substrat 12 umfasst, versteht es sich, dass andere Verfahren verwendet werden können, um die Oxidstruktur 18 zu bilden. Beispiele anderer Verfahren zum Bilden der Oxidstruktur 18 umfassen, dass das Oxid auf die Oberfläche S des Substrats 12 aufgebracht wird oder dass ein Metall aufgebracht und dieses anschließend oxidiert wird. Geeignete Aufbringungstechniken umfassen die chemische Gasphasenabscheidung, die physikalische Gasphasenabscheidung, das thermische Spritzen und einen Eintauchprozess. Der Eintauchprozess kann beispielsweise umfassen, dass das Substrat 12 in ein geschmolzenes Metall eingetaucht wird, um eine dünne Metallschicht auf der Oberfläche S zu erzeugen, und dass die dünne Metallschicht anschließend oxidiert wird. Die Poren 16 können anschließend in dem aufgebrachten Material gebildet werden, beispielsweise mittels Elektroerosion, mittels eines Prozesses, der einen Laser verwendet, und/oder durch Kugelstrahlen. Gemäß einem Beispiel werden die Poren 16 anschließend mittels Elektroerosion unter Verwendung einer geeigneten Elektrode in dem Oxid gebildet (um die Oxidstruktur 18 zu bilden). Gemäß einem noch anderen Beispiel kann Elektroplattieren verwendet werden, um ein Material aufzubringen, und während des Aufbringens können sich die Poren 16 bilden. Wenn beispielsweise das Elektroplattieren als eine Möglichkeit zum Erzeugen einer porösen Oberfläche verwendet wird, kann die Porosität der Oberfläche unter Verwendung einer Musterbildung und/oder eines Maskierungsprozesses (wie beispielsweise der Lithographie), unter Verwendung des Sputterings von nicht leitenden Materialien usw. gesteuert werden. Gemäß einem Beispiel wird ein Stahlsubstrat maskiert und anschließend wird ein Elektroplattieren unter Verwendung von Kupfer und anschließend von Nickel ausgeführt. Nickel oxidiert von Natur aus in Luft, und dieser Prozess kann durch ein Aufheizen in Luft beschleunigt werden. Die Poren bilden sich infolge des Maskierungs- und Elektroplattierungsprozesses, und diese Poren können bezüglich der Abmessung größer sein (z. B. im Bereich von Mikrometern).
Es versteht sich auch, dass die Poren 16 in anderen Nicht-Oxidmaterialien, wie beispielsweise Metallen, gebildet werden können. Es kann ein Metallsubstrat ausgewählt werden, und anschließend können die Poren 16 unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Techniken in der Oberfläche gebildet werden.
Ein anderes Beispiel des Verfahrens wird nun nachstehend in Verbindung mit den 1A–1D und 3 im Detail beschrieben. Es versteht sich, dass ein beliebiges der vorstehend erwähnten Substratmaterialien in diesem Beispiel verwendet werden kann, einschließlich beispielsweise Aluminium, Stahl, Titan, Kupfer und Legierungen von diesen. Es versteht sich ferner, dass dieser Prozess dem zuvor beschriebenen Prozess ähnlich, außer dass keine anodisierte Struktur 18 auf der Oberfläche S des Substrats 12 gebildet wird. Im Gegensatz dazu umfasst das vorliegende Beispiel des Verfahrens, dass eine Vielzahl von Nanospalten 16' direkt in dem Aluminiumsubstrat 12 gebildet werden, wie es in 3 gezeigt ist.
Die Nanospalte 16' können mittels eines beliebigen einer Tiefätzung, einer Bearbeitung mit Laser, einer Bearbeitung durch Elektroerosion, einer elektrochemischen Bearbeitung oder einer Mikrobogen-Oxidation gebildet werden. Nachdem die Nanospalte 16' gebildet sind, umfasst das Verfahren ferner, dass ein Metall M mit dem Substrat 12 verbunden wird, beispielsweise mittels des Übergießverfahrens, das vorstehend beschrieben ist. Bei diesem Prozess dringt das geschmolzene Metall M jedoch in die Spalte 16' ein, die in der Aluminiumoberfläche S gebildet sind, und das Teil 10 wird während der Verfestigung des Metalls M gebildet.
Es versteht sich, dass das vorliegende Beispiel des Verfahrens ebenso bestimmte Musterbildungs- und/oder Benetzungsprozesse verwenden kann, wenn dies erforderlich ist, welche ebenso vorstehend beschrieben sind.
Die Nanospalte 16' können viele verschiedene Formen annehmen, von denen ein Beispiel ein Schnitt mit einer Breite W und einer Länge L ist, der sich über die gesamte Substratoberfläche S erstreckt, wie es in 3 gezeigt ist. Andere Formen des Nanospalts 16' können einen beliebigen Schlitz, Schnitt, Riss, eine beliebige Lücke und/oder dergleichen umfassen, der bzw. die direkt in der Substratoberfläche S gebildet ist. Obwohl die Spalte 16', die in 3 gezeigt sind, gleichmäßig über die Oberfläche S gebildet sind, können die Spalte 16' auf andere Weise zufällig über die Oberfläche S hinweg gebildet werden, und in einigen Fällen können sich ein oder mehrere Spalte 16' miteinander schneiden. Ferner kann die Tiefe jedes Spalts 16' variieren, oder sie kann im Wesentlichen dieselbe sein, und die Tiefe kann zumindest teilweise durch den Prozess gesteuert werden, der zum Bilden der Nanospalte 16' verwendet wird. Gemäß einem Beispiel weisen die Nanospalte 16' eine Tiefe auf, die von ungefähr 50 nm bis ungefähr 300 μm reicht. Gemäß einem anderen Beispiel können die Nanospalte 16' eine Tiefe aufweisen, die von ungefähr 10 nm bis ungefähr 100 μm reicht.
Gemäß einem noch anderen beispielshaften Verfahren kann die Substratoberfläche S mit einem Muster elektroplattiert werden, um Lücken und/oder Wege zwischen den elektroplattierten Bereichen der Oberfläche S zu erzeugen. Das Elektroplattieren kann beispielsweise durchgeführt werden, indem eine elektrochemische Zelle verwendet wird, in der die mit dem Muster versehenen Bereiche der Oberfläche S die Kathode sind und Metallionen zu den mit dem Muster versehenen Oberflächenbereichen transportiert werden. Die Spannung, die über die Zelle angelegt wird, kann niedriger als diejenige sein, die für die Anodisierung verwendet wird, beispielsweise geringer als ungefähr 10 V, da die plattierte Oberfläche die Elektrizität besser als das Oxid (z. B. Aluminiumoxid) leiten kann. Während des Übergießens kann das übergegossene Metall M die Lücken/Wege auffüllen, um eine mechanische Verzahnung zu erzeugen.
Die Beispiele des Verfahrens wurden vorstehend zum Bilden eines Kraftfahrzeugteils beschrieben. Wie vorstehend erwähnt wurde, können die Beispiele des Verfahrens ebenso zum Bilden von Nicht-Kraftfahrzeugteilen verwendet werden, wie beispielsweise für Flugzeug-, Werkzeug-, Hauskomponenten (z. B. Rohre) und/oder dergleichen.
Es versteht sich, dass die hierin vorgesehenen Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereichs umfassen. Beispielsweise sollte eine Dicke, die von ungefähr 2 μm bis ungefähr 250 μm reicht, derart interpretiert werden, dass sie nicht nur die explizit angegebenen Betragsgrenzen von ungefähr 2 μm bis ungefähr 250 μm umfasst, sondern dass sie auch einzelne Beträge wie beispielsweise 10 μm, 50 μm, 220 μm usw., und Unterbereiche, wie beispielsweise 50 μm bis 200 μm usw., umfasst. Wenn darüber hinaus ”ungefähr” verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, bedeutet dies, dass kleinere Abweichungen (bis zu +/–20%) von dem angegebenen Wert inbegriffen sind.
Es versteht sich ferner, dass, wie hierin verwendet, die Singularformen der Artikel ”ein, eine” und ”der, die, das” Bezugnahmen auf die Mehrzahl umfassen, wenn der Inhalt nicht klar etwas anderes angibt.
Obgleich verschiedene Beispiele im Detail beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher soll die vorstehende Beschreibung nicht als einschränkend angesehen werden.

Claims

Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat (12), umfassend, dass: eine Vielzahl von Nanoporen (16) in einer Oberfläche des Substrats (12) gebildet wird; das Metall in einem geschmolzenem Zustand über die Substratoberfläche gegossen wird, wobei das Metall in die Vielzahl der Nanoporen (16) eindringt; und das Metall im Inneren der Vielzahl von Nanoporen (16) durch Abkühlen verfestigt wird, wobei die Verfestigung des Metalls eine mechanische Verzahnung zwischen dem übergegossenem Metall und dem Substrat (12) bildet, wobei das Bilden der Vielzahl von Nanoporen (16) ausgeführt wird, indem eine Struktur (18), welche die Vielzahl von Nanoporen (16) umfasst, mittels Anodisierung von der Substratoberfläche wachsen gelassen wird; wobei: die Struktur (18) selbstbenetzend gegenüber dem Metall ist; oder die Struktur (18) nicht selbstbenetzend gegenüber dem Metall ist und wobei das Verfahren vor dem Übergießen des Metalls auf die Substratoberfläche ferner umfasst, dass: ein Metalloxid in die Vielzahl von Nanoporen (16) eingeleitet wird; das Metalloxid mit dem Metall reagiert, um ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, das eine Eigenschaft für das Benetzen mit dem Metall aufweist; und die Vielzahl von Nanoporen (16) mit unterschiedlichen Abmessungen in einem ersten und einem zweiten Bereich der Substratoberfläche gebildet wird, indem: vor dem Bilden der Vielzahl von Nanoporen (16) der erste Bereich der Substratoberfläche maskiert wird und die Nanoporen (16) in dem zweiten, unmaskierten Bereich wachsen gelassen werden, während eine erste Spannung zur Anodisierung angelegt wird, und anschließend der zweite Bereich der Substratoberfläche maskiert wird und die Nanoporen (16) in dem ersten, nunmehr unmaskierten Bereich wachsen gelassen werden, während eine zweite Spannung zur Anodisierung angelegt wird, die von der ersten Spannung verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metalloxid von Oxiden von Mangan, Natrium, Silizium, Zinn, Kadmium, Zink, Nickel und Eisen ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Struktur (18) nicht selbstbenetzend gegenüber dem Metall ist und wobei das Verfahren vor dem Übergießen des Metalls auf die Substratoberfläche ferner umfasst, dass ein anderes Metall in die Vielzahl von Nanoporen (16) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Metall Magnesium ist und das Substrat (12) von Aluminium, Magnesium, Zink, Titan, Kupfer, Stahl sowie Legierungen von diesen ausgewählt wird; oder das Metall Aluminium ist und das Substrat (12) von Aluminium, Zink, Magnesium, Titan, Kupfer, Stahl sowie Legierungen von diesen ausgewählt wird.
Kraftfahrzeugteil (10), das umfasst: ein Substrat (12), das eine Oberfläche mit einer Vielzahl von Nanomerkmalen (16) aufweist, die darin definiert sind; und ein übergegossenes Metall, das mit der Substratoberfläche mittels einer mechanischen Verzahnung verbunden ist, die zwischen verfestigten Abschnitten des übergegossenen Metalls gebildet ist, die innerhalb der Vielzahl von Nanomerkmalen (16) angeordnet sind, die Vielzahl von Nanomerkmalen (16) mit unterschiedlichen Abmessungen in einem ersten und einem zweiten Bereich der Substratoberfläche gebildet ist, indem: vor dem Bilden der Vielzahl von Nanomerkmalen (16) der erste Bereich der Substratoberfläche maskiert wird und die Nanomerkmale (16) in dem zweiten, unmaskierten Bereich wachsen gelassen werden, während eine erste Spannung zur Anodisierung angelegt wird, und anschließend der zweite Bereich der Substratoberfläche maskiert wird und die Nanomerkmale (16) in dem ersten, nunmehr unmaskierten Bereich wachsen gelassen werden, während eine zweite Spannung zur Anodisierung angelegt wird, die von der ersten Spannung verschieden ist.
Kraftfahrzeugteil nach Anspruch 5, wobei: das Metall Aluminium ist und das Substrat (12) von Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt wird; jedes von der Vielzahl von Nanomerkmalen (16) eine Nanopore (16) ist und wobei jede Nanopore (16) einen effektiven Durchmesser aufweist, der von ungefähr 15 nm bis ungefähr 75 nm reicht; jedes Nanomerkmal (16) von ungefähr 50 nm bis ungefähr 300 nm von einem benachbarten Nanomerkmal (16) beabstandet ist; und die Substratoberfläche eine Oxidschicht (18) ist, die von einem darunterliegenden Substratmetall gewachsen ist, und wobei die Oxidschicht (18) eine Dicke aufweist, die von ungefähr 40 μm bis ungefähr 250 μm reicht.