DE102015213168A1

DE102015213168A1 - Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oxidschicht sowie ein dadurch erzeugtes Substrat

Info

Publication number: DE102015213168A1
Application number: DE102015213168.8A
Authority: DE
Inventors: Juergen Steinbach; Heiko Elsinger; Leonie Kern; Peter Pfeiffer; Svetislav Vukovic
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2017-01-19
Also published as: EP3118354B1; EP3118354A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oxidschicht auf einem Substrat aus einer Silizium-haltigen Aluminiumlegierung durch Laservorbehandlung und Anodisieren sowie ein dadurch erzeugtes Substrat. Im Verfahren wird dabei ein Oberflächenbereich auf dem Substrat mit einem Laser aufgeschmolzen und das Substrat anschließend anodisiert. Dadurch entsteht ein Substrat mit einer strukturierten Oxidschicht, wobei in einem Oberflächenbereich keine oder eine zumindest reduzierte Schichtdicke gegenüber der nicht behandelten Oberfläche vorliegt.

Description

Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oxidschicht auf einem Substrat aus einer Silizium-haltigen Aluminiumlegierung durch Laservorbehandlung und Anodisieren sowie ein dadurch erzeugtes Substrat.
Stand der Technik
Durch Anodisieren wird die Oberfläche eines Substrates aus einer Aluminiumlegierung in eine Aluminiumoxidschicht konvertiert. Bauteile aus anodisiertem Aluminium weisen demnach an der Oberfläche eine Oxidschicht auf. Oxidfreie Oberflächenbereiche können aufgrund des Tauchbadprozesses nur durch Maskierungen oder ein nachträgliches Abtragen der Oxidschicht realisiert werden. Durch eine Laserbearbeitung kann die Oxidschicht eines Bauteils aus anodisiertem Aluminium beispielsweise lokal entfernt werden.
Für den Druckguss von Gehäusegeometrien eignet sich eine Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von z.B. 12%. Da die Löslichkeit von Silizium in einer Aluminiumlegierung begrenzt ist, liegen nach dem Guss Siliziumausscheidungen vor. Diese Siliziumausscheidungen weisen eine Plättchenform und eine charakteristische Korngröße auf. Es ist bekannt, dass für solche Legierungen die mechanische Festigkeit durch Lösungsglühen und Abschrecken gesteigert werden kann. Es ist des Weiteren bekannt, dass diese Art der Festigkeitssteigerung eine Oxidbildung durch Anodisieren behindert.
Alternativ ist in DE 4326430 A1 eine Möglichkeit beschrieben, wie ein Elektrolyt zu abgegrenzten Oberflächenbereichen des Substrates gepumpt und somit lokal begrenzt anodisiert werden kann.
Die Schriften DE 10 2006 051 709 A1 und DE 10 2013 110 659 A1 beschreiben eine weitere Alternative, wobei in einer Sauerstoff-Atmosphäre mithilfe eines Lasers ein Substrat aus einer Aluminiumlegierung lokal aufgeschmolzen wird und die Aufschmelzzone mit Sauerstoff reagiert, d.h. Aluminiumoxid in einem abgegrenzten Bereich durch eine Laserbearbeitung gebildet wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oxidschicht auf einem Substrat aus einer Silizium-haltigen Aluminiumlegierung durch eine Laservorbehandlung und Anodisieren sowie ein durch das Verfahren erzeugtes Substrat. Die Erfindung ist prinzipiell auch auf Magnesium- oder Titanlegierungen übertragbar.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt ein Substrat aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von 5–15 % bereitgestellt. Anschließend wird auf dem Substrat in einem zweiten Schritt ein zweiter Oberflächenbereich mit einem Laser aufgeschmolzen. Im zweiten Oberflächenbereich wird bis zur Eindringtiefe des Lasers durch das Aufschmelzen eine kleinere Korngröße der Siliziumausscheidungen als in der Legierung im ersten Oberflächenbereich erzeugt. In einem dritten Schritt wird das Substrat durch einen Tauchbadprozess anodisiert, wodurch im ersten Oberflächenbereich eine ersten Oxidschicht mit einer ersten Schichtdicke gebildet wird und im zweiten Oberflächenbereich keine Oxidschicht oder eine zweite Oxidschicht mit einer niedrigeren zweiten Schichtdicke als der ersten Schichtdicke der ersten Oxidschicht entsteht.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann im zweiten Schritt des Verfahrens im zweiten Oberflächenbereich eine Maske während der Laserbearbeitung zur weiteren Strukturierung eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Substrat aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von 5–15 %. Das Substrat weist in einem ersten Oberflächenbereich auf der Oberfläche eine erste Oxidschicht mit einer ersten Schichtdicke auf. In einem zweiten Oberflächenbereich liegt keine Oxidschicht oder eine niedrigere zweite Schichtdicke einer zweiten Oxidschicht als die erste Schichtdicke der ersten Oxidschicht im ersten Oberflächenbereich vor. Außerdem weist der zweite Oberflächenbereich an der Oberfläche bis zur Eindringtiefe des Lasers innerhalb der Aluminiumlegierung eine kleinere Korngröße der Siliziumausscheidungen als im ersten Oberflächenbereich auf. Im zweiten Oberflächenbereich liegt deshalb an der Oberfläche bis zur Eindringtiefe des Lasers innerhalb der Aluminiumlegierung auch eine höhere Härte als innerhalb der Aluminiumlegierung im ersten Oberflächenbereich vor. Vorteilhafterweise weist der zweite Oberflächenbereich durch das Anodisieren keine Oxidschicht oder eine um mindestens eine Größenordnung niedrigere zweite Schichtdicke der zweiten Oxidschicht als die erste Schichtdicke der ersten Oxidschicht im ersten Oberflächenbereich auf.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer strukturierten Oxidschicht auf einem Substrat aus einer Silizium-haltigen Aluminiumlegierung durch einen Tauchbadprozess ohne Maskierung, d.h. es können Oberflächenbereiche mit deutlich unterschiedlicher Schichtdicke und daraus resultierenden unterschiedlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften in einem günstigen Verfahren realisiert werden. So kann beispielsweise im Bereich der hohen Schichtdicke ein hoher Korrosionsschutz und im Bereich der niedrigen Schichtdicke einen niedriger ohmscher Widerstand zur elektrischen Erdung eines Bauteils realisiert werden. Außerdem kann die Haftung einer Dichtung oder eines Klebers bei niedrigerer Oxidschichtdicke verbessert sein. Des Weiteren erleichtern niedrigere Oxidschichtdicken beispielsweise nachträgliche spannende Bearbeitungs- oder Schweißprozesse.
Gegenüber dem Stand der Technik kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auf ein lokales Entfernen der Oxidschicht eines anodisierten Bauteils und auf einen gegebenenfalls damit verbundenen zusätzlichen Reinigungsschritt verzichtet werden, wodurch die Herstellung vereinfacht wird.
Zeichnungen
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ablaufdiagramm mit den Prozessschritten des Verfahrens.
2 zeigt eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Substrat.
3 zeigt den Querschnitt A-A‘ aus 2 eines erfindungsgemäßen Substrates.
4 zeigt den Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels, wobei ein erfindungsgemäßes Substrates Kontakt zu einem Fügepartner aufweist.
5 zeigt einen Querschnitt eines als Kappe ausgeformten erfindungsgemäßen Substrates aus einer Aluminiumlegierung zur Realisierung eines Gehäuses.
Ausführungsbeispiele
Das Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oxidschicht auf einem Substrat aus einer Silizium-haltigen Aluminiumlegierung durch Laservorbehandlung ist in 1 beschrieben. In einem ersten Schritt 101 erfolgt eine Bereitstellung eines Substrates 201 (siehe 2) aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil zwischen 5–15 %. In einem zweiten Schritt 102 wird ein zweiter Oberflächenbereich 204 auf der Oberfläche 202 des Substrates 201 (siehe 2 und 3) mit einem Laser bis zu einer Eindringtiefe 305 (siehe 3) aufgeschmolzen. Eine solche Laserbearbeitung kann beispielsweise gepulst und mit einem Neodym-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Laser erfolgen. Im zweiten Schritt 102 wird durch die Laserbearbeitung im zweiten Oberflächenbereich 204 des Substrates 201 von der Oberfläche 202 (siehe 2) bis zur Eindringtiefe 305 (siehe 3) eine Korngröße von Siliziumausscheidungen innerhalb der Aluminiumlegierung reduziert und damit in diesem zweiten Oberflächenbereich 204 auch eine höhere Härte als innerhalb der Aluminiumlegierung im ersten Oberflächenbereich 203 (siehe 2) erreicht. In einem dritten Schritt 103 wird das Substrat 201 anodisiert (siehe 2). Durch das Anodisieren wird auf der Oberfläche 202 des Substrates 201 im ersten Oberflächenbereich 203 eine erste Oxidschicht 301 mit einer ersten Schichtdicke 302 gebildet (siehe 3). Im zweiten Oberflächenbereich 204 entsteht durch das Anodisieren keine Oxidschicht oder eine zweite Oxidschicht 303 mit einer zweiten Schichtdicke 304 (siehe 3). Vorteilhafterweise weist die erste Oxidschicht 301 eine erste Schichtdicke 302 von 3–40 µm auf. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oxidbildung im zweiten Oberflächenbereich vermieden oder die zweite Oxidschicht 303 weist eine zweite Schichtdicke 304 von 0–3 µm auf (siehe 3).
In 2 ist eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Substrat 201 mit einer Oberfläche 202 dargestellt. Die Oberfläche 202 ist durch den ersten Oberflächenbereich 203 und den zweiten Oberflächenbereich 204 strukturiert, wobei im ersten Oberflächenbereich 203 eine erste Oxidschicht 301 mit einer ersten Schichtdicke 302 und durch das Aufschmelzen während der Laserbehandlung im zweiten Oberflächenbereich 204 keine Oxidschicht oder eine zweite Oxidschicht 303 mit einer zweiten Schichtdicke 304 vorliegt (siehe 3).
In 3 ist ein in 2 dargestellter Querschnitt entlang der Strecke A-A‘ abgebildet. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Darstellungen ist in 3 auch die Eindringtiefe 305 des Laserstrahls in das Substrat eingezeichnet. Im zweiten Oberflächenbereich 204 liegen von der Oberfläche 202 bis zur Eindringtiefe 305 innerhalb der Aluminiumlegierung Siliziumausscheidungen mit einer geringeren Korngröße als innerhalb der Aluminiumlegierung im zweiten Oberflächenbereich 203 vor.
In 4 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Substrates dargestellt, wobei im ersten Oberflächenbereiches 402 eine Oxidschicht 404 vorliegt. Im zweiten Oberflächenbereiches 403 liegt in diesem Ausführungsbeispiel kein Oxid vor. Im zweiten Oberflächenbereiches 403 ist allerdings ein Fügepartner 406 angeordnet. Der Fügepartner 406 kann dabei an das Substrat 401 im zweiten Oberflächenbereich 403, wie in 4 dargestellt, anliegen und dort beispielsweise auch mit Schrauben, mit Kleber oder durch Schweißen fixiert sein (die Fixierungen sind nicht dargestellt). Die erste Schichtdicke 405 der ersten Oxidschicht 404 beträgt z.B. 20µm. Der elektrische Widerstand zwischen dem Fügepartner 406 und dem Substrat 401 ist aufgrund der fehlenden Oxidschicht im zweiten Oberflächenbereich 403 niedrig, weshalb das Substrat 401 durch den Kontakt zu dem Fügepartner 406 elektrisch kontaktiert werden kann. Außerdem ist in einer solchen Ausgestaltung die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Fügepartner 406 und dem Substrat 401 hoch, weshalb durch einen Kontakt zu dem Fügepartner 406 im zweiten Oberflächenbereich 403 auch Wärme vom Substrat 401 abgeleitet werden kann.
In 5 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Substrates 501 dargestellt, wobei das Substrat 501 als Kappe ausgeformt ist. Durch einen Laser wird in einem zweiten Oberflächenbereich 503 des Substrates 501 eine Oberfläche 505 des Fügerands am Kappenende aufgeschmolzen und somit innerhalb der Aluminiumlegierung im zweiten Oberflächenbereich 503 eine geringere Korngröße von Siliziumausscheidungen als innerhalb der Aluminiumlegierung im ersten Oberflächenbereich 503 realisiert. Durch Anodisieren wird im ersten Oberflächenbereich 502 eine erste Oxidschicht 504 mit einer ersten Schichtdicke 505 realisiert. Die Oxidbildung im zweiten Oberflächenbereich 503 wird vermieden. Dies ermöglicht im zweiten Oberflächenbereich 503 eine bessere Haftung eines Klebers 504 oder einer Dichtung als im ersten Oberflächenbereich 502. In einer möglichen Ausgestaltung ist der Kleber durch Ausgestaltung als Verbundmaterial mit metallischen Partikeln elektrisch leitfähig, so dass die Klebeverbindung außerdem einen gut leitfähigen, elektrischen Kontakt zum Substrat ermöglicht. Das aus einem Druckguss-Prozess hergestellte und als Kappe ausgestaltete Substrat 501 kann zusammen mit einem Deckel ein Gehäuse für eine elektrische Schaltung realisieren.
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

DE 4326430 A1 [0004]
DE 102006051709 A1 [0005]
DE 102013110659 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Oxidschicht umfassend • einen ersten Schritt (101), in dem ein Substrat (201, 401, 501) aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von 5–15 % bereitgestellt wird, und • einen dritten Schritt (103), wobei an einer Oberfläche (202, 507) des Substrates (201, 401, 501) in einem ersten Oberflächenbereich (203, 402, 502) eine erste Oxidschicht (301, 404, 504) mit einer ersten Schichtdicke (302, 405, 505) durch Anodisieren in einem Tauchbad gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass • in einem zweiten Schritt (102) vor dem dritten Schritt (103) in einem zweiten Oberflächenbereich (204, 403, 503) auf dem Substrat (201, 401, 501) die Oberfläche (202, 507) mit einem Laser bis zu einer Eindringtiefe (305) aufgeschmolzen wird, wodurch im dritten Schritt (103) im zweiten Oberflächenbereich (204, 403, 503) durch das Anodisieren keine Oxidschicht oder eine niedrigere zweite Schichtdicke (304) einer zweiten Oxidschicht (303) als die erste Schichtdicke (302, 405, 505) der ersten Oxidschicht (301, 404, 504) im ersten Oberflächenbereich (203, 402, 502) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt (102) das Aufschmelzen der Oberfläche (202, 507) des Substrates (201, 401, 501) im zweiten Oberflächenbereiches (204, 403, 503) mit einem Laser erfolgt, wobei eine Aluminiumoxidbildung im zweiten Schritt (102) vermieden wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Schritt (103) im zweiten Oberflächenbereich (204, 403, 503) die zweite Schichtdicke (304) um mindestens eine Größenordnung niedriger als die ersten Schichtdicke (302, 405, 505) der ersten Oxidschicht (301, 404, 504) ist.
Substrat mit einer strukturierten Oxidschicht, umfassend • ein Substrat (201, 401, 501) aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von 5–15 %, und • ein erster Oberflächenbereich (203, 402, 502) an der Oberfläche (202, 507) des Substrates (201, 401, 501) mit einer ersten Oxidschicht (301, 404, 504), welche eine erste Schichtdicke (302, 405, 505) aufweist, und • ein zweiter Oberflächenbereich (204, 403, 503) an der Oberfläche (202, 507) des Substrates (201, 401, 501), welcher kein Oxid oder eine niedrigere zweite Schichtdicke (304) einer zweiten Oxidschicht (303) als die erste Schichtdicke (302, 405, 505) der ersten Oxidschicht (301, 404, 504) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Oberflächenbereich (204, 403, 503) unterhalb der Oberfläche (202, 507) des Substrates (201, 401, 501) in der Aluminiumlegierung im Bereich einer Eindringtiefe (305) des Lasers eine kleinere Korngröße von Siliziumausscheidungen als im ersten Oberflächenbereich (203, 402, 502) vorliegt.
Substrat nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche (202, 507) im zweiten Oberflächenbereich (204, 403, 503) durch die kleinere Korngröße der Siliziumausscheidungen innerhalb der Eindringtiefe (305) eine höhere Härte der Aluminiumlegierung als an der Oberfläche (202, 507) im ersten Oberflächenbereich (203, 402, 502) vorliegt.