EP1138793A2 - Aluminiumlegierung zum Herstellen von Präzionsteilen durch spanabhebende Formgebung und zum Erzeugen von extrem - Google Patents

Aluminiumlegierung zum Herstellen von Präzionsteilen durch spanabhebende Formgebung und zum Erzeugen von extrem Download PDF

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EP1138793A2
EP1138793A2 EP01106442A EP01106442A EP1138793A2 EP 1138793 A2 EP1138793 A2 EP 1138793A2 EP 01106442 A EP01106442 A EP 01106442A EP 01106442 A EP01106442 A EP 01106442A EP 1138793 A2 EP1138793 A2 EP 1138793A2
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EP
European Patent Office
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aluminum alloy
aluminum
anodizing
alloy according
ppm
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EP01106442A
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English (en)
French (fr)
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EP1138793A3 (de
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Joachim Dr. Arlt
Karl-Hermann Prof. Dr. Busse
Ralf Dr. Walther
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VenTec Gesellschaft fur Venturekapital und Unternehmensberatung
Original Assignee
VenTec Gesellschaft fur Venturekapital und Unternehmensberatung
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the aim of the stain is that remove oxide from any aluminum surface and at Aluminum alloys near-surface phases, the accompanying elements included to remove as completely as possible.
  • Pickling depends crucially on the quality of anodization. Are on the Surface still oxide residues and poorly anodizable foreign phases existing, the layer structure is disturbed locally. Then there can be none form a closed layer.
  • the component is immersed in an acid bath, which in addition to dissolved aluminum can also contain other additives to a lesser extent.
  • a voltage between 10 and 120 volts is applied between the workpiece and the counter electrodes.
  • the current density is 0.5 to 3 amperes per dm 2 .
  • the bath temperatures are around 0 ° C to 25 ° C.
  • the anodizing layer builds up during the coating (often called anodized layer) not evenly.
  • the Layer build-up is relatively high after the voltage is applied, it always drops the thicker the layer becomes.
  • the acidity at the same time removes the surface of the anodizing layer at a constant rate after a certain time no further layer build-up. This Phenomenon is called redemption.
  • To generate a High-quality anodization is not too much for this borderline case approach. High layer thicknesses with anodizing are then achieved if you increase the voltage and the current density, the bath cools and in large scale bath additives suppressing the redissolution, e.g. Oxalic acid, used. After the actual anodization, the component is thoroughly cleaned rinsed.
  • the final stage of anodization is the so-called compression of the Layer, which is considered a swelling of the layer under irreversible Has to introduce water absorption.
  • the oxides in the Anodizing water on. The compression takes place in a bath with hot Water (deionized) or in a chamber with wet steam.
  • the Compression can be influenced by various process parameters (e.g. pH value, temperature, time).
  • an anodizing layer is not a homogeneous layer. Anodizing are always made up of two clearly separate areas.
  • a very first one forms directly on the base material thin, dense, homogeneous layer, the thickness of which is 0.1% to a maximum of 2% Total layer thickness.
  • This so-called barrier layer is in the essential for the electrical insulation properties of the Shift system responsible.
  • the so-called porous layer on top which is by far the largest Thickness portion of the layer system consists of more or less amorphous aluminum oxide, oxide hydroxide and hydroxide and mixed oxide phases as well as salts from the anodizing bath. Like the name of the layer for Expresses, this layer always has a more or less large one porous portion. It consists of very small, ideally hexagonal cells (Typically 0.02 to 0.06 ⁇ m in diameter) perpendicular to the Top of the barrier layer are grown. So you can Macroscopically also considered as stalked (length to diameter can up to 1000: 1). Run inside these stems Pores from the surface of the layer almost to the barrier layer. The The number of these cells per unit area is determined by the parameters of Coating determined.
  • a layer system described above can only in this way on a chemically and physically homogeneous metal surface separate.
  • alloy elements which intermetallic phases, e.g. Iron and silicon, which can also form with aluminum, can be reduced to reduce imperfections in anodizing.
  • JP Patent No. P 60-40528, DE 3606218 A1 for an aluminum material for Watch case, suggested the iron content and silicon content in the Aluminum material with 0.5 - 3.0% magnesium as an alloying element lower than 100 ppm to make it crystal clear and after one To get gold colored anodizing layers.
  • Similar so-called Glossy alloys for decorative purposes are currently available on the market and are therefore state of the art.
  • the present invention relates to a machining suitable high purity aluminum alloy for producing extremely corrosion-resistant anodizing layers.
  • the sum of the elements in the Aluminum alloy according to this invention, except magnesium and Aluminum should not be more than 300 ppm (total concentration).
  • the concentration of the elements except aluminum and Magnesium for each individual element should not be more than 40 ppm.
  • This high purity of the aluminum alloy according to the invention is due to the fusion of ultra-pure aluminum and magnesium reached (purity of the aluminum used for melting and Magnesium each better than 99.995%).
  • the aluminum alloy according to the invention is first degassed.
  • the hydrogen content is below 0.25 ppm lowered. This will cause gas bubbles to form in the following Hot working and / or cold working of the cast material no longer close, avoided.
  • melt is filtered using ceramic filters remove any existing oxides and oxide inclusions in the To prevent castings.
  • rollers can only be used for initial thicknesses cast slab up to approx. 600 mm can be used. Therefore, for current time for components of large dimensions (thickness, width, Height) due to hot rolling only low degrees of deformation (quotient from the Thickness of material before deformation / Thickness of material after Deformation) can be achieved.
  • the raw dimension is before the mechanical one Processing for a vacuum chamber for use as a round plasma reactor 400 mm x 350 mm x 250 mm, i.e. with hot forming by rolling can currently only have a degree of deformation of around 2.4 can be achieved.
  • the aluminum alloy according to this invention is used for components large size by forging a cast body with and without Drop formed. Another way to achieve high Degree of deformation is the extrusion of the cast body.
  • the forming temperature is preferably as low as possible chosen to avoid excessive grain growth, because in the alloy according to the invention which hinders grain growth The grain boundaries are missing.
  • the grain size (average grain diameter) the crystallite of the aluminum alloy should be after the forming and the optionally subsequent heat treatment not more than 500 microns be.
  • the blasting treatment has become (Sandblasting, shot peening) to compact the anodized Surfaces proven to be successful.
  • spherical grit e.g. made of ceramics or metallic alloys, such as more corrosion-resistant Steel, thrown at high pressure onto the surface to be compacted (e.g. ball diameter 0.5 - 3 mm, 3 - 10 bar jet pressure).
  • Sharp-edged blasting material may not be used here, because hereby possibly lying below the surface of the workpiece Defects, such as pores, can be opened easily and then closed Lead to defects in the anodization.
  • a further improvement in the corrosion resistance of the anodization can be done by mechanical polishing and lapping with fine polishing and Lapping agents, e.g. made of diamond or pure corundum (0.1 to 5 ⁇ m Grain diameter) can be achieved. This will cause the roughness peaks of the anodizing, which favor the corrosion attack.
  • the surfaces to be coated can also be coated Electrochemical polishing can be edited to determine the density of the Increase anodization.
  • the alloy according to this invention does not contain any elements Limit grain growth during solidification or heat treatment. As mentioned above, this results in a relatively coarse grain structure. This does not bother from a technical point of view, because there are practically none There are precipitates at the grain boundaries that the anodizing layer could affect. However, with a high-quality component from such a high-quality alloy to problems in appearance come when the component is visually "spotty" due to the coarse grains looks.
  • the blasted component down to a layer thickness of approx. 15 ⁇ m Anodizing can be pre-coated, and then the layer preferably with a mixture of 120 grams of phosphoric acid, 80 grams of chromic acid per liter of solution can be stripped at 60 to 80 ° C. After this pretreatment, anodized components from the in this Written alloy again show the glassy appearance of the Anodized layer without the above-mentioned grain structure with the naked eye is visible.
  • Pure aluminum alloys with a content of> 99.5% aluminum are suitable from economic and technical Reasons only very limited for a mechanically complex Machining through machining manufacturing processes, such as turning, Milling, drilling.
  • the only alloy component is the aluminum alloy according to the invention between 1.4 to 2.9% magnesium added.
  • the invention is based on a comparative embodiment are explained in more detail.
  • vacuum chambers and others Process parts (components that are located inside the plasma reactor) often made of aluminum alloy with the international material number: 6061 T 6, which often after machining be anodized. Therefore, this material was used for a comparative Corrosion test with the aluminum alloy according to this invention selected.
  • Table 1 shows that using the emission spectroscopy method determined compositions of the alloys used.
  • the dimensions of the mechanical samples produced by milling were 80 mm x 80 mm x 5 mm.
  • the degree of deformation of the for the production of the Samples of the material used were approx. 50.
  • test specimens were mechanically produced, they were each anodized in a sulfuric acid bath and subsequently in one Hot water bath at 98 ° C, 180 minutes, compressed.
  • the layer thickness which was determined using the eddy current method, was approx. 30 ⁇ m.
  • the color of the anodized samples from material 6061 T 6 appeared yellowish, whereas the anodization on the aluminum alloy, according to of this invention, colorless (glassy) until silver gray appeared.
  • Figure 1 shows the comparative result of the Corrosion test. It can be seen that the material 6061 T 6 after a period of around 3 hours the specified limit of 10 mg of free aluminum (penetration of the anodizing layer) by reaction the hydrochloric acid solution with the base body is exceeded. On the other hand the anodization fails with the aluminum alloy according to the invention only after twice the time of around 6 hours.
  • Figure 1 shows the comparative results of the corrosion test carried out on the anodized test specimens.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine für die spanabhebende Formgebung geeignete hochreine Aluminiumlegierung, die neben Aluminium als Legierungsbestandteil 1,4 bis 2,9 % Magnesium aufweist. Alle weiteren Elemente (Verunreinigungen) sind in der Summe mit bis zu maximal 300 ppm begrenzt. Die Konzentration der einzelnen Elemente (Verunreinigungen) bis auf Aluminium und Magnesium beträgt maximal 40 ppm. Der Gasgehalt ist begrenzt mit maximal 0,25 ppm. Bauteile aus dieser Legierung können durch Anodisieren mit extrem korrosionsbeständigen Schichten versehen werden. Durch zusätzliches Verdichten der Oberfläche der erzeugten Bauteile aus dieser Legierung, z.B. durch Sand- bzw. Kugelstrahlen, kann die Korrosionsbeständigkeit der Anodisierung weiter günstig beeinflusst werden.

Description

Über Aluminiumlegierungen und deren anodische Oxidation (Anodisieren) ist bereits viel gearbeitet worden. Zusammenfassend ist der Stand der Technik z.B. den folgenden Publikationen zu entnehmen: T.W. Jellinek: Oberflächenbehandlung von Aluminium, F. Leutze Verlag 1997; F. Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium, Springer Verlag 1998. Unter einer Anodisierung versteht man die elektrochemisch erzeugte Konversionsschicht auf Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Dabei wird die Oberfläche des Aluminiumwerkstoffes durch anodische Oxidation in eine Aluminiumoxid/Hydroxid- bzw. Mischoxid/Hydroxidschicht umgewandelt. Damit ein Bauteil in hinreichender Qualität anodisiert werden kann, muß es nach einer sorgfältigen Entfettung gebeizt werden. Ziel der Beize ist es, das auf jeder Aluminiumoberfläche vorhandene Oxid zu entfernen und bei Aluminiumlegierungen oberflächennahe Phasen, die Begleitelemente enthalten, möglichst vollständig zu entfernen. Schon von einer sachgemäßen Beize hängt die Qualität einer Anodisierung entscheidend ab. Sind auf der Oberfläche noch Oxidreste und schlecht anodisierbare Fremdphasen vorhanden, wird der Schichtaufbau lokal gestört. Es kann sich dann keine geschlossene Schicht bilden.
Zum eigentlichen Anodisieren wird das Bauteil in ein Säurebad, das neben gelöstem Aluminium noch weitere Zusätze im geringeren Umfang enthalten kann, getaucht. Zwischen dem Werkstück und den Gegenelektroden wird eine Spannung zwischen 10 und 120 Volt angelegt. Die Stromdichte beträgt dabei 0,5 bis 3 Ampere pro dm2. Die Badtemperaturen betragen je nach Verfahren rund 0° C bis 25 °C.
Im Zeitverlauf baut sich während der Beschichtung die Anodisierschicht (oftmals genannt Eloxalschicht) nicht gleichmäßig auf. Nachdem der Schichtaufbau nach Anlegen der Spannung relativ hoch ist, sinkt er immer weiter ab, je dicker die entstandene Schicht wird. Da die Säure gleichzeitig die Oberfläche der Anodisierschicht mit einer konstanten Rate abträgt, erzielt man nach einer gewissen Zeit keinen weiteren Schichtaufbau. Dieses Phänomen wird als Rücklösung bezeichnet. Zur Erzeugung einer hochwertigen Anodisierung darf man sich diesem Grenzfall nicht zu sehr nähern. Hohe Schichtstärken bei Anodisierungen werden dann erreicht, wenn man die Spannung und die Stromdichte erhöht, das Bad kühlt und im großen Umfang die Rücklösung unterdrückende Badzusätze, z.B. Oxalsäure, verwendet. Nach der eigentlichen Anodisierung wird das Bauteil gründlichst gespült.
Als letzte Stufe einer Anodisierung erfolgt die sogenannte Verdichtung der Schicht, die man sich als ein Aufquellen der Schicht unter irreversibler Wasseraufnahme vorzustellen hat. Dabei nehmen die Oxide in der Anodisierung Wasser auf. Die Verdichtung erfolgt in einem Bad mit heißem Wasser (deionisiert) oder in einer Kammer mit nassem Dampf. Die Verdichtung kann durch diverse Prozeßparameter beeinflußt werden (z.B. pH-Wert, Temperatur, Zeit).
Eine Anodisierschicht ist jedoch keine homogene Schicht. Anodisierungen sind immer aus zwei deutlich getrennten Bereichen aufgebaut.
Direkt auf dem Grundwerkstoff bildet sich im Idealfall zunächst eine sehr dünne, dichte, homogene Schicht, deren Dicke 0,1 % bis maximal 2 % der Gesamtschichtstärke ausmacht. Diese sogenannte Sperrschicht ist im wesentlichen für die elektrischen Isolationseigenschaften des Schichtsystems verantwortlich.
Die darüber liegende sogenannte poröse Schicht, die den weitaus größten Dickenanteil des Schichtsystems ausmacht, besteht aus mehr oder weniger amorphen Alumiumoxid-, Oxidhydroxid- und Hydroxid- und Mischoxidphasen sowie Salzen aus dem Anodisierbad. Wie die Bezeichnung der Schicht zum Ausdruck bringt, hat diese Schicht immer einen mehr oder weniger großen porösen Anteil. Sie besteht aus sehr kleinen, im Idealfall sechseckigen Zellen (Durchmesser typischerweise 0,02 bis 0,06 µm), die senkrecht auf die Oberseite der Sperrschicht aufgewachsen sind. Daher kann man sie makroskopisch betrachtet auch als stengelig (Länge zu Durchmesser kann bis 1000 : 1 betragen) beschreiben. Im Inneren dieser Stengel verlaufen Poren von der Oberfläche der Schicht bis fast auf die Sperrschicht. Die Anzahl dieser Zellen pro Flächeneinheit wird durch die Parameter der Beschichtung bestimmt. Das wesentliche Ziel der Verdichtung einer Anodisierung ist es daher, durch Aufquellen der Wände der Zellen (Hydratbildung) die Poren zu verschließen. Die Isolationseigenschaften dieser porösen Schicht werden im wesentlichen dadurch bestimmt, ob die Poren vollständig (und nicht nur oberflächlich) geschlossen sind und ob die Leitfähigkeit fördernden Salze in der Schicht eingeschlossen sind.
Ein vorstehend beschriebenes Schichtsystem kann sich in dieser Weise nur auf einer chemisch und physikalisch homogenen Metalloberfläche abscheiden. Die zum gegenwärtigen Zeitpunkt verwendeten Aluminiumknetlegierungen zum Herstellen von Präzisionsbauteilen, z.B. für die Halbleiterindustrie, sind aber weder physikalisch noch chemisch homogen.
Während die unvermeidliche Kornstruktur des Grundwerkstoffes nur einen geringen Einfluß auf die Qualität einer Anodisierschicht hat, wenn die Korngrenzen nicht belegt sind, ist dies jedoch der Fall, wenn sich an den Korngrenzen Fremdphasen angereichert haben. Auf diese Weise können sich Fehlstellen ausbilden. Gleiches gilt in noch stärkerem Maße für die Phasen, die sich direkt aus der Schmelze abscheiden, da die entstehenden Ausscheidungen in der Regel gröber sind. Die Fremdphasen stören die Ausbildung einer Anodisierschicht um so weniger, desto feiner und kugeliger sie eingeformt sind. Denn nur dann kann man sie vor dem eigentlichen Anodisieren durch Beizen entfernen oder sie werden in der Schicht eingeschlossen ohne von der Schichtoberfläche zum Grundwerkstoff durchgehende Fehlstellen zu bilden.
Nur wenige der in Aluminiumknetlegierungen enthaltenen binären, ternären, quarternären, oder noch komplexeren intermetallischen Phasen verhalten sich bei der Anodisierung, was Schichtaufbau und Rücklösung angeht, wie reines Aluminium. Ist die "Fremdphase" schlechter anodisierbar, entsteht eine Fehlstelle; aber auch dann, wenn diese Phase zu stärkerer Rücklösung neigt. Unbedenklich sind von den im größeren Umfang in den Alumininumknetlegierungen vorhandenen Phasen nur die Aluminium-/ Magnesiumphasen.
Hinzu kommt, daß oberflächennahe Lunker, Poren und nichtmetallische Einschlüsse aller Art im Aluminiumwerkstoff vermieden werden müssen, da sie zu Fehlstellen in einer Anodisierung führen.
Aus den obigen Ausführungen zum Stand der Technik ist zu entnehmen, daß insbesondere die Legierungselemente, welche intermetallische Phasen, z.B. Eisen und Silizium, auch mit Aluminium bilden können, abgesenkt werden müssen, um Fehlstellen in Anodisierungen zu reduzieren.
Diese intermetallischen Phasen insbesondere aus Silizium und Eisen mit Aluminium beeinflussen auch die Farbgestaltung und die optischen Eigenschaften von Anodisierungen erheblich. Daher wird im JP Patent Nr. P 60-40528, DE 3606218 A1, für einen Aluminiumwerkstoff für Uhrengehäuse, vorgeschlagen, den Eisengehalt und Siliziumgehalt in dem Aluminiumwerkstoff mit 0,5 - 3,0 % Magnesium als Legierungselement, auf unter 100 ppm abzusenken, um hierdurch glasklare und nach einer Einfärbung goldfarbige Anodisierschichten zu erhalten. Ähnliche sogenannte Glanzlegierungen für dekorative Zwecke sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf dem Markt erhältlich und sind damit Stand der Technik.
Das alleinige Absenken von einigen Legierungselementen in einer Aluminiumlegierung zum Anodisieren reicht aber nicht aus, um eine geschlossene dichte, extrem korrosionsbeständige Anodisierschicht insbesondere auf Bauteilen für chemische Reaktoren und Plasmareaktoren zum Herstellen und Bearbeiten von Halbleitersubstraten (Wafern) zu erzeugen. Hierbei werden oftmals aggressive Gasgemische und Plasmen auf der Basis oder mit Beimengungen von Chlor und Fluor verwendet, welche bei einer kleinsten Fehlstelle in den Anodisierungen sofort den Grundwerkstoff (die Aluminiumlegierungen) angreifen können. Aufgrund dieses extremen Korrossionsangriffes, auch in Kombination mit elektrischen Durchschlägen, ausgelöst durch eine Plasmaentladung, werden umgehend freies Aluminium und / oder andere Reaktionsprodukte, wie z.B. AlF6, freigesetzt, welche die Produktionsausbeute bei der Halbleiterherstellung, infolge von Partikelkontamination und chemischer Kontamination der Halbleitersubstrate (Wafer), drastisch zu reduzieren vermögen.
Um weitestgehend fehlerfreie, geschlossene und extrem korrosionsbeständige Anodisierungen auf Bauteilen für derartige oder ähnliche Anwendungen zu erzeugen, ist es daher erforderlich, eine hochwertige Aluminiumlegierung zu entwickeln, auf der die Bildung dieser Schichten durch Anodisierung erfolgreich vorgenommen werden kann. Da die Bauteile für die oben erwähnten Einsätze meist größere Abmessungen (z.B. Vakuumkammern bis zu einem Kammervolumen von rund 0,8 m3) aufweisen, die vorzugsweise aus Vollmaterial durch spanabhebende Formgebung (z.B. Fräsen, Drehen) erzeugt werden, ist es zudem aus wirtschaftlichen und technischen Gründen erforderlich, daß die Aluminiumlegierung in einfacher Weise durch spanabhebende Bearbeitungsverfahren zu bearbeiten ist.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine für die spanabhebende Bearbeitung geeignete hochreine Aluminiumlegierung zum Erzeugen von extrem korrosionsbeständigen Anodisierschichten.
Herkömmliche Aluminiumlegierungen nach dem Stand der Technik weisen die folgenden Nachteile auf, die dem Erzeugen von extrem korrosionsbeständigen Anodisierschichten auf Bauteilen insbesondere für Anwendungen in chemischen Reaktoren und Plasmareaktoren, für das Herstellen und Bearbeiten von Halbleitersubstraten (Wafern), entgegenstehen. Diese sind:
  • I. Die Bildung von meist spießigen, intermetallischen Phasen gebildet durch die Elemente Aluminium, Silizium, Eisen, Kupfer, Chrom, Titan und Mangan, welche insbesondere bei zu niedrigem Umformgrad das Aufwachsen von Anodisierschichten behindern und zu Fehlstellen in den Anodisierungen führen.
  • II. Die Bildung von örtlich hohen Anreicherungen von Legierungselementen (Seigerungen), welche dem Aufwachsen von thermodynamisch stabilen Anodisierschichten entgegenstehen.
  • III. Poren, Lunker, Gasblasen und Oxideinschlüsse aller Art, die beim Vergießen der Schmelze entstehen. Auf derartigen Fehlstellen im Grundkörper kann keine geschlossene fehlerfreie Anodisierung aufwachsen.
  • IV. Die schlechte Eignung von Reinaluminiumlegierungen zum Bearbeiten durch spanabhebende Formgebung. So lassen sich Reinaluminiumlegierungen, nach dem Stand der Technik, mit einer Reinheit > 99,5 % Aluminium aufgrund der sich beim mechanischen Bearbeiten bildenden langen Späne schlecht spanend zu bearbeiten und eignen sich daher nicht für eine wirtschaftliche Fertigung von komplizierten, mechanisch aufwendigen Bauteilen.
    • Es ist die Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und eine Aluminiumlegierung zu schaffen, die es ermöglicht geschlossene, extrem korrosionsbeständige Anodisierschichten zu erzeugen.
    Zu I. und II.
    Da nahezu alle in Aluminiumlegierungen vorhandenen Elemente, z.B. Silizium, Kupfer, Chrom, Titan, Mangan, Eisen mit dem Aluminium schon bei geringen Konzentrationen intermetallische Phasen bilden und zu örtlichen Anreicherungen durch Seigerungen im Aluminiumwerkstoff neigen, wird die Konzentration aller dieser Elemente in der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung drastisch abgesenkt.
    Nach den Ergebnissen unserer Arbeiten darf die Summe der Elemente in der Aluminiumlegierung gemäß dieser Erfindung, außer Magnesium und Aluminium nicht mehr als 300 ppm (gesamte Konzentration) betragen.
    Zudem darf die Konzentration der Elemente außer Aluminium und Magnesium für jedes einzelne Element nicht mehr als 40 ppm betragen.
    Diese hohe Reinheit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung wird durch das Zusammenschmelzen von höchstreinem Aluminium und Magnesium erreicht (Reinheit des zum Schmelzen eingesetzten Aluminiums und Magnesiums jeweils besser als 99,995 %).
    Zu III.
    Um Poren, Lunker und Gasblasen in der Aluminiumlegierung zu vermeiden wird die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung zunächst entgast. Hierbei wird insbesondere der Wasserstoffgehalt auf Werte kleiner 0,25 ppm abgesenkt. Hierdurch werden Gasblasen, welche sich bei der folgenden Warmverformung oder / und Kaltverformung des gegossenenen Materials nicht mehr schließen lassen, vermieden.
    Zudem wird die Schmelze mit keramischen Filtern gefiltert, um gegebenenfalls vorhandene Oxide zu entfernen und Oxideinschlüsse im Gußkörper zu verhindern.
    Bei der Warmverformung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen durch Walzen können beim heutigen Stand der Technik nur Ausgangsdicken für die gegossene Bramme bis rd. 600 mm eingesetzt werden. Daher können zum gegenwärtigen Zeitpunkt für Bauteile großer Abmessungen (Dicke, Breite, Höhe) durch Warmwalzen nur niedrige Verformungsgrade (Quotient aus der Dicke des Materials vor der Verformung / Dicke des Materials nach der Verformung) erreicht werden.
    Beispielsweise beträgt die Rohabmessung vor der mechanischen Bearbeitung für eine Vakuumkammer für den Einsatz als Plasmareaktor rund 400 mm x 350 mm x 250 mm, d.h. bei einer Warmverformung durch Walzen kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt nur ein Verformungsgrad von rund 2,4 erreicht werden.
    Daher wird die Aluminiumlegierung gemäß dieser Erfindung, für Bauteile großer Abmessung durch Schmieden eines Gußkörpers mit und ohne Gesenk umgeformt. Eine weitere Methode zum Erzielen von hohen Umformgraden ist das Strangpressen des Gußkörpers.
    Die Umformtemperatur wird dabei vorzugsweise so niedrig wie möglich gewählt, um ein übermäßiges Kornwachstum zu vermeiden, da in der erfindungsgemäßen Legierung die das Kornwachstum behindernde Belegung der Korngrenzen fehlt. Die Korngröße (mittlerer Korndurchmesser) der Kristallite der Aluminiumlegierung soll nach der Umformung und der gegebenenfalls anschließenden Wärmebehandlung nicht mehr als 500 µm betragen.
    Hierdurch werden zu breite Korngrenzen verhindert, die in der Anodisierung auch Fehlstellen erzeugen können.
    Durch die oben beschriebene Verfahrensweise lassen sich Fehlstellen im mechanisch zu bearbeitenden oder / und zu beschichtenden Rohkörper weitestgehend ausschließen.
    Sollte es aufgrund von besonders komplizierten Bauteilgeometrien technisch nicht möglich sein, eine hohe Dichte der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung zu erreichen, hat sich die Strahlbehandlung (Sandstrahlen, Kugelstrahlen) zum Verdichten der zu anodisierenden Oberflächen als erfolgreich erwiesen. Hierbei wird kugelförmiges Strahlgut, z.B. aus Keramik oder metallischen Legierungen, wie korrosionsbeständiger Stahl, mit hohem Druck auf die zu verdichtende Oberfläche geschleudert (z.B. Kugeldurchmesser 0,5 - 3 mm, 3 - 10 bar Strahldruck).
    Der Einsatz von scharfkantigem Strahlgut darf hierbei nicht erfolgen, da hierdurch gegebenenfalls unter der Oberfläche des Werkstückes liegende Fehlstellen, wie Poren, leicht geöffnet werden können und dann zu Fehlstellen in der Anodisierung führen.
    Eine weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Anodisierung kann durch mechanisches Polieren und Läppen mit feinen Polier- und Läppmitteln, z.B. aus Diamant oder reinem Korund (0,1 bis 5 µm Korndurchmesser) erreicht werden. Hierdurch werden die Rauheitsspitzen der Anodisierungen abgetragen, die den Korrosionsangriff begünstigen. Vor dem Anodisieren können auch die zu beschichtenden Oberflächen mit elektrochemischem Polierverfahren bearbeitet werden, um die Dichte der Anodisierung zu erhöhen.
    Die Legierung gemäß dieser Erfindung enthält keine Elemente, die ein Kornwachstum beim Erstarren oder der Wärmebehandlung begrenzen. Daher ergibt sich, wie oben erwähnt, eine relativ grobe Kornstruktur. Diese stört aber von technischem Standpunkt aus nicht, weil es praktisch keine Ausscheidungen an den Korngrenzen gibt, die die Anodisierschicht beeinträchtigen könnten. Allerdings kann es bei einem hochwertigen Bauteil aus einer derart hochwertigen Legierung zu Problemen in der Anmutung kommen, wenn das Bauteil aufgrund der groben Körner visuell "scheckig" aussieht.
    Ein probates Mittel, diese Kornstruktur zu kaschieren ist wiederum, das Bauteil mit einem möglichst abriebfesten kugeligen Strahlmittel vor dem Beschichten strahlen. Versuche hierzu sind mit Glasperlen und kugeligen Zirkondioxid durchgeführt worden. Mit beiden Strahlmitteln gelingt es bei,sehr moderaten Bedingungen (Strahlmittel 30 bis 200 µm Durchmesser, Stahldruck 1,2 bis 2 bar, Injektoranlage) eine absolut gleichmäßige Oberflächenstruktur zu erzielen. Das ohne diese Behandlung glasartige Aussehen der Beschichtung ändert sich hierbei in ein helles Grau. Dies kann ein Vorteil sein, wenn der Kunde auf ein vertrautes "normales" Aussehen der Anodisierung besteht.
    Soll jedoch der glasartige Eindruck der Beschichtung erhalten bleiben, muß das gestrahlte Bauteil bis zu einer Schichtdicke von ca. 15 µm durch Anodisieren vorbeschichtet werden, und die Schicht anschließend vorzugsweise mit einer Mischung aus 120 Gramm Phosphorsäure, 80 Gramm Chromsäure pro Liter Lösung bei 60 bis 80 °C abgebeizt werden. Nach dieser Vorbehandlung wiederum anodisierte Bauteile aus der in dieser Schrift beschriebenen Legierung zeigen wieder das glasartige Aussehen der Eloxalschicht, ohne das die oben genannte Komstruktur mit bloßem Auge sichtbar ist.
    Zu IV.
    Reinaluminiumlegierungen mit einem Gehalt von >99,5 % Aluminium, nach dem Stand der Technik, eignen sich aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nur sehr eingeschränkt für eine mechanisch aufwendige Bearbeitung durch spanabhebende Fertigungsverfahren, wie Drehen, Fräsen, Bohren.
    Bei der spanabhebenden Bearbeitung von Reinaluminiumlegierungen bilden sich vor allem lange Späne, die selbst bei hohen Schnittgeschwindigkeiten nicht mehr vollständig geschnitten werden. Ein sogenanntes Schmieren bzw. Fressen der bearbeiteten Oberflächen ist die Folge.
    Zudem verziehen sich Bauteile aus Reinaluminium sehr schnell aufgrund der Neigung von Reinaluminium zu kriechen.
    Aus diesem Grund wird als einziger Legierungsbestandteil der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung zwischen 1,4 bis 2,9 % Magnesium zugesetzt.
    Hierdurch entsteht einerseits ein kürzerer Span bei der mechanischen Bearbeitung und die Härte und Festigkeit des Grundwerkstoffes wird im Vergleich zu Reinaluminiumlegierungen deutlich erhöht (Härte von Reinaluminiumlegierungen kleiner 300 N/mm2, Aluminiumlegierung gemäß der Erfindung Härte >500 N/mm2, Messungen nach Brinell HB 31,25, Kugeldurchmesser 2,5 mm).
    So lassen sich beim Verwenden von z.B. Schneidwerkzeugen beschichtet mit polykristallinem Diamant vergleichbare Spanleistungen (Schnittgeschwindigkeiten), wie bei anderen konventionellen Aluminiumlegierungen (z.B. internationale Werkstoff-Nr.: 6061, 6060) bei der mechanischen Zerspanung erreichen.
    Zusammengefaßt lautet daher die Analysenvorschrift für die Aluminiumlegierung gemäß dieser Erfindung, eine Legierung für extrem korrosionsbeständige Beschichtungen durch anodische Oxidation:
  • Mg 1,4-2,9%
  • Summe aller weiterer Elemente außer Al und Mg maximal 300 ppm,
  • dabei kein Element einzeln über 40 ppm,
  • Gasgehalt, inclusive Wasserstoff, kleiner 0,25 ppm,
  • Rest Al.
    • Die Erfindung soll anhand eines vergleichenden Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
    Zum gegenwärtigen Zeitpunkt werden Vakuumkammern und andere Prozeßteile (Bauteile die sich innerhalb des Plasmareaktors befinden) vielfach aus der Aluminiumlegierung mit der internationalen Werkstoff-Nr.: 6061 T 6 gefertigt, die nach der spanabhebenden Bearbeitung oftmals anodisiert werden. Daher wurde dieser Werkstoff für eine vergleichende Korrosionsuntersuchung mit der Aluminiumlegierung gemäß dieser Erfindung ausgewählt.
    Tabelle 1 zeigt die mit Hilfe der Methode der Emissionsspektroskopie ermittelten Zusammensetzungen der verwendeten Legierungen.
    Die Abmessungen der mechanisch, durch Fräsen gefertigten Proben betrug 80 mm x 80 mm x 5 mm. Der Verformungsgrand des für die Herstellung der Proben verwendeten Werkstoffs betrug rd. 50.
    Nach dem mechanischen Herstellen der Probekörper wurden diese jeweils in einem schwefelsauren Bad anodisiert und nachfolgend in einem Heißwasserbad bei 98° C, 180 Minuten, verdichtet. Die Schichtdicke, welche mit Hilfe der Wirbelstrommethode ermittelt wurde, betrug jeweils rd. 30 µm. Die Farbe der anodisierten Proben aus dem Werkstoff 6061 T 6 erschien gelblich, wohingegen die Anodisierung auf der Aluminiumlegierung, gemäß dieser Erfindung, farblos (glasartig) bis silbergrau erschien.
    Die so hergestellten Probekörper wurden nun einem Korrosionstest unter Beaufschlagung mit 5 % iger Salzsäure (HCI) unterzogen.
    Abbildung 1 zeigt das vergleichende Ergebnis der vorgenommenen Korrosionsprüfung. Es ist zu erkennen, daß bei dem Werkstoff 6061 T 6 bereits nach einer Zeit von rund 3 Stunden der festgelegte Grenzwert von 10 mg freiem Aluminium (Durchdringen der Anodisierschicht) durch Reaktion der Salzsäurelösung mit dem Grundkörper überschritten wird. Dagegen versagt die Anodisierung bei der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung erst nach der doppelten Zeit von rund 6 Stunden.
    Beschreibung der Tabellen und Abbildungen
    Aus der Tabelle 1 ist die chemische Zusammensetzung der verwendeten Aluminiumlegierungen zu entnehmen.
    Abbildung 1 zeigt die vergleichenden Ergebnisse des durchgeführten Korrosionstests auf den anodisierten Probekörpern.
    Figure 00090001

    Claims (9)

    1. Eine Aluminiumlegierung zum Erzeugen von extrem korrosionsbeständigen Anodisierungsschichten für Prozeßbauteile insbesondere für den Einsatz in chemischen Reaktoren und / oder Plasmareaktoren, für das Herstellen und Bearbeiten von Halbleitersubstraten (Wafern).
    2. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, bei der neben Aluminium nur Magnesium als Legierungselement in der Konzentration von 1,4% bis 2,9 % verwendet wird und die Summe aller weiteren Elemente in der Legierung nicht mehr als 300 ppm beträgt und die Konzentration der einzelnen Elemente mit Ausnahme des Aluminiums und des Magnesiums 40 ppm nicht übersteigt.
    3. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 und 2, bei der der Gasgehalt in der Schmelze kleiner als 0,25 ppm ist.
    4. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 bis 3, bei der diese vor der mechanischen Bearbeitung durch Warm- und / oder Kaltverformung hoch verdichtet wird und dabei einen Verformungsgrad größer 10 aufweist.
    5. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 bis 4, bei der die Schmelze bei der schmelzmetallurgischen Herstellung gefiltert wird, um die Oxidanteile im Gußkörper zu verringern.
    6. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 bis 5, bei der zum zusätzlichen Verdichten der Oberfläche des umgeformten Grundkörpers nach der mechanischen Vorbearbeitung und / oder nach dem Endbearbeiten vor dem Anodisieren eine Oberflächenbehandlung durch Strahlen mit kugeligem Strahlgut aus Keramik oder / und Metallen und / oder Metalllegierungen erfolgt.
    7. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 bis 6, bei der die Anodisierschichten der hieraus hergestellten Bauteile eine Dicke von 5 - 300 µm, vorzugsweise zwischen 25 µm und 90 µm, aufweisen.
    8. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 bis 7, bei der die Anodisierschicht zum Erzeugen von glatten und dichten Oberflächen zusätzlich mechanisch poliert und / oder geläppt wird.
    9. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 - 8, bei der der Grundkörper nach der mechanischen Bearbeitung örtlich und / oder vollständig elektrochemisch poliert wird.
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