金屬和樹脂結(jié)合的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種金屬和樹脂結(jié)合的方法，該方法包括：清潔金屬表面；在金屬表面形成氧化膜層，所述氧化膜層的厚度為2-5um，并在氧化膜層形成了膜孔；成孔處理，對所述膜孔進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成復(fù)合納米孔；注入樹脂進(jìn)入復(fù)合納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合。本發(fā)明能夠使得金屬和樹脂的結(jié)合力進(jìn)一步牢固。
【專利說明】金屬和樹脂結(jié)合的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬嵌件成型【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種金屬和樹脂復(fù)合的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]將金屬和合成樹脂一體化的技術(shù)，是汽車、家庭電氣化制品、產(chǎn)業(yè)設(shè)備等部件制造業(yè)等廣闊產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域所要求的，為此開發(fā)出大量粘接劑。例如，常溫或通過加熱而發(fā)揮功能的粘接劑，被用于將金屬和合成樹脂一體化的接合，該方法目前是通常的接合技術(shù)。
[0003]也有研究著不使用粘接劑的更合理的接合方法。對于鎂、鋁、作為其合金的輕金屬類，或不銹鋼等鐵合金類，不使用粘接劑而將高強(qiáng)度的工程樹脂一體化的方法，是其中一例為了使金屬與塑膠的結(jié)合更為牢固可靠，一般在注塑前、金屬嵌件的加工過程中，會將金屬設(shè)計(jì)、制造成一定形狀的結(jié)構(gòu)，如在金屬上設(shè)計(jì)并制造卡扣結(jié)構(gòu)、螺栓結(jié)構(gòu)等，以使塑膠在注塑過程中流動(dòng)并填充進(jìn)金屬的卡扣、螺栓等結(jié)構(gòu)中，從而使金屬與塑膠兩部分相互咬合而增強(qiáng)牢固性。
[0004]但上述增強(qiáng)牢固性的處理方法，因金屬嵌件上的卡扣、螺栓等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作而使金屬的加工周期變長、生產(chǎn)成本提高，且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)很難適用于小尺寸的金屬件，應(yīng)用范圍受限。另外，僅使用粘結(jié)劑、或具有卡扣、螺栓等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬作為嵌件，在注塑過程中，極易出現(xiàn)塑膠在金屬結(jié)構(gòu)中注塑不滿或者溢膠的現(xiàn)象，良品率不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種金屬和樹脂結(jié)合的方法，使得金屬和樹脂結(jié)合的更牢
O
[0006]本發(fā)明提供了一種金屬和樹脂結(jié)合的方法，該方法包括:
[0007]清潔金屬表面；
[0008]在金屬表面形成氧化膜層，所述氧化膜層的厚度為2_5um，并在氧化膜層形成了膜孔；
[0009]成孔處理，對所述膜孔進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成復(fù)合納米孔；
[0010]注入樹脂進(jìn)入復(fù)合納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合。
[0011]優(yōu)選的，所述成孔處理的方法為:將金屬合金中其他雜質(zhì)成分溶解形成復(fù)合納米孔。
[0012]優(yōu)選的，在成孔處理還包括如下步驟:
[0013]在形成復(fù)合納米孔之后還包括吸氮處理，在復(fù)合納米孔上吸附氮原子。
[0014]優(yōu)選的，在成孔處理還包括如下步驟:
[0015]在形成復(fù)合納米孔之前還包括膜孔清洗，用于調(diào)整膜孔均勻度。
[0016]優(yōu)選的，膜孔清洗，調(diào)整膜孔均勻度；條件為:在硫酸鈦或鈦白粉濃度為20-40%的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11 ;
[0017]成孔處理，將金屬合金中其他金屬成分溶解形成納米孔；條件為:在濃度為20-40%中的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒；成孔處理溶液是指氯化氨，氟化氨，碳酸鈉，KBH3其中的一種或幾種混合物的濃度為20-40% ;溶液pH值:8?
11.成孔處理工序一般需要進(jìn)行1-3次重復(fù)操作；
[0018]吸氮處理，在膜孔上吸附氮原子，提高與熔融狀態(tài)下的塑膠結(jié)合力；條件為:在含氮的物質(zhì)濃度為20-40 %的溶液中，溫度:20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11。
[0019]優(yōu)選的，所述清潔金屬表面的方法包括:
[0020]使用溶液去除金屬表面的弱堿性油污；
[0021]使用溶液去除金屬表面的酸性油污；
[0022]堿蝕，進(jìn)一步去除油污，并去除金屬外殼的自然表面膜。
[0023]優(yōu)選的，使用溶液去除金屬表面的弱堿性油，條件為:在碳酸鈉濃度為5-20%的溶液中，在溫度為40-70攝氏度的條件下進(jìn)行30秒-300秒；
[0024]使用溶液去除金屬表面的酸性油，條件為:在硫酸或硝酸的濃度為5-10%的溶液中，在常溫下，進(jìn)行10-120秒；
[0025]堿蝕，條件為:在氫氧化鈉的濃度為3-10%的溶液中，在40-70攝氏度的條件下，進(jìn)行5-120秒。
[0026]優(yōu)選的，在所述在金屬表面形成氧化膜層的方法為:
[0027]將金屬放入溶液中進(jìn)行氧化形成氧化膜，條件為:在硫酸或磷酸或草酸的濃度為10-20%為溶液中，在18-21攝氏度和18-22V電壓的條件下進(jìn)行5_15分鐘，形成的氧化膜厚度為2-5um。
[0028]優(yōu)選的，所述金屬為鋁合金。
[0029]優(yōu)選的，在注入樹脂進(jìn)入納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合之前還包括:將金屬表面烘干；
[0030]在注入樹脂進(jìn)入納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合之后還包括:
[0031]烘烤金屬和樹脂的結(jié)合體，以消除樹脂內(nèi)應(yīng)力。
[0032]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明沒有采用傳統(tǒng)蝕刻的方式形成復(fù)合納米孔，而是采用在陽極氧化膜孔基礎(chǔ)上二次成孔處理，形成了復(fù)合納米孔，所以，此工藝避免了傳統(tǒng)蝕刻工藝易被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，不僅提高了金屬和樹脂的結(jié)合力，而且金屬與塑膠結(jié)合的穩(wěn)定性也大大增加。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明提供的方法的流程圖；
[0034]圖2是本發(fā)明提供的金屬和樹脂復(fù)合的示意圖；
[0035]1-金屬，4-樹脂，6-金屬和樹脂的結(jié)合面；
[0036]圖3是采用鋁合金的情況下，通過本發(fā)明提供的方法得到的復(fù)合納米孔在10萬倍下的微觀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖4是采用鋁合金的情況下，通過本發(fā)明提供的方法得到的復(fù)合納米孔在20萬倍下的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合具體的實(shí)施例及附圖對的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，以使其更加清楚。以下實(shí)施例僅為了描述本發(fā)明所列舉的較為詳細(xì)的實(shí)施例，并不作為對本發(fā)明的限定。
[0039]本發(fā)明提供的金屬和樹脂結(jié)合的方法，參見圖1，該方法包括:
[0040]步驟Sll,清潔金屬表面。
[0041]步驟S12，在金屬表面形成氧化膜層，所述氧化膜層的厚度為2_5um，并在氧化膜層形成了膜孔。
[0042]步驟S13，成孔處理，對所述膜孔進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成復(fù)合納米孔。
[0043]步驟S14，注入樹脂進(jìn)入復(fù)合納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合。
[0044]參見圖2，將金屬I和樹脂4按照上述的步驟進(jìn)行結(jié)合，形成了金屬和樹脂的結(jié)合面6。
[0045]以下以鋁合金為例進(jìn)行說明。
[0046]步驟Sll中，所述清潔金屬表面的方法包括:
[0047]使用溶液去除金屬表面的弱堿性油污，以去除產(chǎn)品表面油污和CNC加工帶入的車削液。
[0048]使用溶液去除金屬表面的酸性油污，以進(jìn)一步去除金屬表面油污。
[0049]堿蝕，進(jìn)一步去除油污，并去除金屬外殼的自然表面膜，以進(jìn)一步去除油污，并去除鋁合金外殼的自然表面膜，使接下來的氧化形成均勻的膜孔。
[0050]上述三個(gè)步驟可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取舍。
[0051]使用溶液去除金屬表面的弱堿性油，條件為:在碳酸鈉濃度為5-20%的溶液中，在溫度為40-70攝氏度的條件下進(jìn)行30秒-300秒。
[0052]使用溶液去除金屬表面的酸性油，條件為:在硫酸或硝酸的濃度為5-10%的溶液中，在常溫下,進(jìn)行10-120秒。
[0053]堿蝕，條件為:在氫氧化鈉的濃度為3-10%的溶液中，在40-70攝氏度的條件下，進(jìn)行5-120秒。
[0054]步驟S12中，在所述在金屬表面形成氧化膜層的方法為:
[0055]將金屬放入溶液中進(jìn)行氧化形成氧化膜，條件為:在硫酸或磷酸或草酸的濃度為10-20%為溶液中，在18-21攝氏度和18-22V電壓的條件下進(jìn)行5_15分鐘，形成的氧化膜厚度為2-5um。目的:以鋁合金為例，形成一層鋁氧化膜保護(hù)鋁在后工序中不被腐蝕及組織結(jié)構(gòu)不被破壞，同時(shí)利用氧化膜孔增強(qiáng)與塑膠的結(jié)合力。
[0056]步驟S13中，成孔處理的方法為:將金屬合金中其他雜質(zhì)成分溶解形成復(fù)合納米孔。
[0057]以鋁合金為例，就是去掉鋁合金中其他金屬成分溶解形成復(fù)合納米孔。復(fù)合納米孔的結(jié)構(gòu)可以參見圖3和圖4。
[0058]各種鋁合金存在一定比例的其他金屬成分，這些成分如Mg，F(xiàn)e, Cu，Mn等，先將鋁合金形成一層保護(hù)膜，再經(jīng)過特殊溶液緩慢溶解除氧化膜層外的其他合金某一種或多種成分并逐步形成無數(shù)特殊形狀的復(fù)合納米孔。這些復(fù)合納米孔直徑10-30nm,深度20-500nm。這些復(fù)合納米孔能均勻覆蓋在整個(gè)金屬表面，能使PPS(全稱為聚亞苯基硫醚，英文名稱為 Polyphenylenesulfide,簡稱 PPS)，PBT (飽和聚酷對苯二甲酸丁酷 PolybutyleceTerephthalate) ,PA(尼龍,聚酰胺Polyamide PA)等樹脂能順利進(jìn)入這些復(fù)合納米孔中并牢牢抓緊達(dá)到超強(qiáng)的結(jié)合力。
[0059]這些特殊溶解液由酸性或堿性溶液及緩蝕劑，PH穩(wěn)定劑等成分組成，酸性或堿性液均具有一定的還原性，同時(shí)減少鋁的氧化膜溶解，選擇弱酸或弱堿較佳.如氯化氨，氟化氨；弱堿性選擇碳酸鈉，KBH3等；緩蝕劑減少溶液對金屬表面的腐蝕，一般選擇苯并三唑，鄰位和對位的甲苯硫脲、丙硫醚、二戊基胺、甲醛、對位硫甲酚等；PH值穩(wěn)定劑一般選擇H3B03 等。
[0060]在形成復(fù)合納米孔之后還包括如下步驟:
[0061]吸氮處理，在復(fù)合納米孔上吸附氮原子，提高與熔融狀態(tài)下的塑膠結(jié)合力。
[0062]在形成復(fù)合納米孔之前還包括如下步驟:
[0063]膜孔清洗，用于調(diào)整膜孔均勻度。
[0064]為了提高金屬和樹脂的結(jié)合力，成孔的步驟可以包括膜孔清洗、形成復(fù)合納米孔、吸氮處理三個(gè)步驟。但膜孔清洗和吸氮處理是為了更好的提高金屬和樹脂的結(jié)合力的，所以不是必須的步驟。視鋁合金的成分需重復(fù)膜孔清洗、形成復(fù)合納米孔、吸氮處理三個(gè)工序1-3次循環(huán)。如5052材料。對于6系的材料需要在成孔的步驟重復(fù)2-3次。
[0065]膜孔清洗，調(diào)整膜孔均勻度；條件為:在硫酸鈦或鈦白粉濃度為20-40%的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11 ;
[0066]成孔處理，將金屬合金中其他金屬成分溶解形成納米孔；條件為:在濃度為20-40%中的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒；成孔處理溶液是指氯化氨，氟化氨，碳酸鈉，KBH3其中的一種或幾種混合物的濃度為20-40% ;溶液pH值:8?
11.成孔處理工序一般需要進(jìn)行1-3次重復(fù)操作；
[0067]吸氮處理，在膜孔上吸附氮原子，提高與熔融狀態(tài)下的塑膠結(jié)合力；條件為:在含氮的物質(zhì)濃度為20-40%的溶液中，溫度:20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11。
[0068]在步驟S13之后，步驟S14之前，在注入樹脂進(jìn)入納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合之前還包括:將金屬表面烘干。在60-70度烘烤20-30分鐘，使產(chǎn)品表面充分干燥；烘干后用密閉膠袋包裝。
[0069]為使復(fù)合納米孔不被填充和腐蝕，產(chǎn)品在密閉保存30天內(nèi)進(jìn)行注塑，注塑材料選擇上述提到的PPS (全稱為聚亞苯基硫醚,英文名稱為Polyphenylenesulfide,簡稱PPS), PBT(飽和聚酯對苯二甲酸丁酯Polybutylece Terephthalate), PA(尼龍，聚酰胺Polyamide PA)等樹脂。注塑條件參考目前市場常用的注塑工藝。比如:對于PPS樹脂，模具溫度在140-160度，炮筒溫度300-320度等；對于PBT樹脂，模具溫度在140-160度，炮筒溫度230-260度等。
[0070]在步驟S14之后，注入樹脂進(jìn)入納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合之后還包括:
[0071]烘烤金屬和樹脂的結(jié)合體，以消除樹脂內(nèi)應(yīng)力。注塑完成后需要進(jìn)行烘烤消除樹脂內(nèi)應(yīng)力，烘烤條件:150-170度，1-2小時(shí)。
[0072]下面以鋁合金為例，詳細(xì)講述鋁合金和樹脂結(jié)合的方法。
[0073]購入市售的原厚度為1.5mm的A16061招合金,切斷成多個(gè)大小為18mmX45mm的長方形片，制作為鋁合金基材的鋁合金片.在該鋁合金片的端部開2個(gè)貫通孔，用市場通用的鈦掛具利用2個(gè)貫通孔牢牢掛住.早槽中使用含有鋁合金用脫脂劑“HY-305 (Hongyi公司制)” 10%的水溶液60°C，將鋁合金片浸潰其中5分鐘，用自來水水洗。
[0074]接著，在另外槽中準(zhǔn)備溫度為60°C的含有Na0H5%的水溶液，將鋁合金片浸潰其中30秒，用自來水清洗.再將該水洗的鋁合金片放入陽極氧化槽中用電壓20V，溫度20°C，濃度為10%的硫酸濃液中氧化3分鐘,取出后用離子交換水充分水洗；
[0075]在另外槽中準(zhǔn)備溫度為40°C的膜孔清洗劑水溶液，將該鋁合金片浸潰其中30秒，用離子交換水充分水洗.再將該水洗好的鋁合金片放入溫度40°C的成孔劑的水溶液中浸潰30秒,用離子交換水充分水洗,在將該水洗好的鋁合金片放入溫度為40°C的吸氮水溶液中浸潰30秒，并將此步驟重復(fù)一次.
[0076]再將完成這些工藝的鋁合金片放入設(shè)定為60°C的烤箱中干燥20分鐘.
[0077]從鈦掛具上取下鋁合金片準(zhǔn)備開始注塑，此次注塑采用45T的ENGE品牌的臥式注塑機(jī)器，樹脂選用PPS1135ML(日本Poly公司，含35% GF)黑色膠粒和PBT930HL(日本Poly公司，含30% GF)白色膠粒.取五片放入實(shí)際溫度達(dá)到150°C的注塑模具中，將PPS1135ML(日本Poly公司)黑色塑膠顆粒加入料桶中，將料筒溫度升到310°C開始注塑.注塑完成后取出鋁片轉(zhuǎn)移到170度烤箱中烘烤I小時(shí)消除樹脂內(nèi)應(yīng)力.
[0078]取五片鋁合金片放入實(shí)際溫度達(dá)到150°C的注塑模具中，將PBT930HL(日本Poly公司)白色塑膠顆粒加入料桶中，將料筒溫度升到260°C開始注塑.注塑完成后取出鋁片轉(zhuǎn)移到150度烤箱中烘烤I小時(shí)消除樹脂內(nèi)應(yīng)力.
[0079]待烘烤完成并烤箱溫度自然冷卻時(shí)取出已經(jīng)完成的注塑片(如圖2)，進(jìn)行拉拔力測試，與PPS1135ML結(jié)合的測試片所得到結(jié)合力測試結(jié)果為每平方厘米的結(jié)合面積均達(dá)到40MPa以上.與PBT930HL結(jié)合的測試片所得到結(jié)合力測試結(jié)果每平方厘米的結(jié)合面積均達(dá)到30MPa以上.
[0080]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于，該方法包括: 清潔金屬表面； 在金屬表面形成氧化膜層，所述氧化膜層的厚度為2-5um，并在氧化膜層形成了膜孔； 成孔處理，對所述膜孔進(jìn)行進(jìn)一步處理，形成復(fù)合納米孔； 注入樹脂進(jìn)入復(fù)合納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于， 所述成孔處理的方法為:將金屬合金中其他雜質(zhì)成分溶解形成復(fù)合納米孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于， 在成孔處理還包括如下步驟: 在形成復(fù)合納米孔之后還包括吸氮處理，在復(fù)合納米孔上吸附氮原子。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特在在于， 在成孔處理還包括如下步驟: 在形成復(fù)合納米孔之前還包括膜孔清洗，用于調(diào)整膜孔均勻度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于， 膜孔清洗，調(diào)整膜孔均勻度；條件為:在硫酸鈦或鈦白粉濃度為20-40%的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?11 ; 成孔處理，將金屬合金中其他金屬成分溶解形成納米孔；條件為:在濃度為20-40%中的溶液中，溫度20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒；成孔處理溶液是指氯化氨,氟化氨，碳酸鈉，KBH3其中的一種或幾種混合物的濃度為20-40% ;溶液pH值:8?11.成孔處理工序一般需要進(jìn)行1-3次重復(fù)操作； 吸氮處理，在膜孔上吸附氮原子，提高與熔融狀態(tài)下的塑膠結(jié)合力；條件為:在含氮的物質(zhì)濃度為20-40%的溶液中，溫度:20-60攝氏度的條件下浸泡10秒-300秒，溶液pH值:8?U。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于，所述清潔金屬表面的方法包括: 使用溶液去除金屬表面的弱堿性油污； 使用溶液去除金屬表面的酸性油污； 堿蝕，進(jìn)一步去除油污，并去除金屬外殼的自然表面膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于，使用溶液去除金屬表面的弱堿性油，條件為:在碳酸鈉濃度為5-20%的溶液中，在溫度為40-70攝氏度的條件下進(jìn)行30秒-300秒； 使用溶液去除金屬表面的酸性油，條件為:在硫酸或硝酸的濃度為5-10%的溶液中，在常溫下，進(jìn)行10-120秒； 堿蝕，條件為:在氫氧化鈉的濃度為3-10%的溶液中，在40-70攝氏度的條件下，進(jìn)行5-120 秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于， 在所述在金屬表面形成氧化膜層的方法為: 將金屬放入溶液中進(jìn)行氧化形成氧化膜，條件為:在硫酸或磷酸或草酸的濃度為10-20%為溶液中，在18-21攝氏度和18-22V電壓的條件下進(jìn)行5_15分鐘，形成的氧化膜厚度為2-5um。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于，所述金屬為鋁合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬和樹脂結(jié)合的方法，其特征在于， 在注入樹脂進(jìn)入納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合之前還包括:將金屬表面烘干； 在注入樹脂進(jìn)入納米孔，完成金屬和樹脂的結(jié)合之后還包括: 烘烤金屬和樹脂的結(jié)合體，以消除樹脂內(nèi)應(yīng)力。
【文檔編號】C23F1/32GK104149261SQ201410300396
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】計(jì)愛婷 申請人:計(jì)愛婷