CN103540979A - 镀铜的铝或铝合金的纽扣或紧固构件及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及镀铜的铝或铝合金的纽扣或紧固构件及其生产方法。提供一种纽扣或紧固构件，其中铝或铝合金用作原料，第一镀铜层直接形成在所述原料的整个表面上，第二镀铜层直接形成在所述第一镀铜层上，其中前述第二镀铜层比前述第一镀铜层厚。

Description

镀铜的铝或铝合金的纽扣或紧固构件及其生产方法
技术领域
本发明涉及镀铜的铝的纽扣或紧固构件(fastener member)。另外，本发明涉及前述构件的生产方法。
背景技术
已知在铝的表面上直接形成镀铜的技术。例如，在日本未实审专利申请公布H2-240290中记载了一种方法，通过借助碱脱脂、用表面活性剂洗涤、酸洗或水洗的预处理，随后在0.1-2.0A/dm2的电流密度下使用包含10-500g/L磷酸和/或磷酸盐的焦磷酸铜镀浴进行镀覆，然后热处理铝来获得直接镀铜的铝。该公布的实施方案1描述了在铝板上形成约10μm厚的镀铜层。该方法使得形成均匀的镀铜层，具有良好的铝基材和镀铜之间的粘合性以及美丽的外观。
发明内容
通常已知，由于黄铜优异的可镀性而将其用作母材(base metal)来表面镀覆纽扣领域中的产品。已知使用锌作为母材来表面镀覆紧固件领域中的产品。近年来，除了对纽扣和紧固件轻量化的需求以外，材料价格的急剧增加也已造成了问题。因此，使用轻量且相对廉价的铝生产纽扣和紧固件已被认为是一种解决方案。然而，由于使用铝不能获得厚重感或复古(vintage)外观，因此期望表面镀覆。
另一方面，尽管铝在其表面会形成强氧化膜，但已知为难镀覆材料。因而，难以使用与黄铜和锌相同的方法来镀覆。因此，通常进行使用锌和铝取代反应的锌酸盐处理来作为预处理，从而改进镀膜和铝原料的粘合性。然而，由于锌酸盐处理涉及化学取代，很难在整个表面上实施均一的锌取代处理，同样，处理液的控制也是困难的。
在这一点上，日本未实审专利申请公布H2-240290中记载了不进行锌酸盐处理的铝表面直接镀铜的方法，但在该公布中所记载的方法用于静止镀覆(still plating)，并不是为了小型产品如纽扣或紧固件的大规模生产。另外，在纽扣和紧固件领域中的构件对强度有要求。
出于对前述事实的考虑而构思出本发明，一个方面包括纽扣或紧固构件，其中铝或铝合金用作原料，第一镀铜层直接形成在所述原料的整个表面上，第二镀铜层直接形成在所述第一镀铜层上，其中前述第二镀铜层比前述第一镀铜层厚。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的实施方案中，所述第一镀铜层的平均结晶粒径大于所述第二镀铜层的平均结晶粒径。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的另一实施方案中，所述第一镀铜层的平均厚度为0.01-1.5μm，而所述第二镀铜层的平均厚度为1.6-10μm。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的另外的实施方案中，在所述第二镀铜层上，以一层或两层以上的层形成最终镀层。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的另外的实施方案中，所述最终镀层的整体厚度比所述第一镀铜层和所述第二镀铜层的总厚度薄。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的另外的实施方案中，所述第一镀铜层和所述第二镀铜层均通过转筒滚镀(barrel plating)来形成。
本发明的另一方面为配置有基于本发明的纽扣或紧固构件的纽扣或紧固件。
本发明另外的方面为镀铜纽扣或紧固构件的生产方法，包括：第一步，通过使用铝或铝合金作为原料进行成形工艺来生产纽扣或紧固构件的半成品；第二步，在步骤1所得的半成品上利用转筒经电冲击镀铜而在原料的整个表面上直接形成第一镀铜层；接着第三步，利用转筒进行电镀铜，直接在第一镀铜层上形成比第一镀铜层厚的第二镀铜层。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的生产方法的实施方案中，第一镀铜层的平均结晶粒径大于所述第二镀铜层的平均结晶粒径。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的生产方法的另一实施方案中，在第二步后，在一分钟内开始第三步。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的生产方法的另一实施方案中，所述第一镀铜层的平均厚度为0.01-1.5μm，而所述第二镀铜层的平均厚度为1.6-10μm。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的生产方法的另外实施方案中，进一步包括第四步，在所述第二镀铜层上，以一层或两层以上的层形成最终镀层。
在基于本发明的纽扣或紧固构件生产方法的进一步实施方案中，所述最终镀层的整体厚度比所述第一镀铜层和所述第二镀铜层的总厚度薄。
附图说明
图1：示出作为按扣(snap button)构件的纽扣紧固件的实例的斜视图。
图2：图1中的纽扣紧固件的截面图及其局部放大视图。
图3：示出图1中的纽扣紧固件在将纽扣固定在布之前的截面图。
图4：示出固定至布的纽扣的截面图。
图5：基于本发明的实施方案的拉链用拉头主体(slider body)和拉片(pulltab)的斜视图。
具体实施方式
基于本发明的纽扣或紧固构件使用铝或铝合金作为原料。铝合金可为铝铜合金、铝锰合金、铝硅合金、铝镁合金、铝镁硅合金、铝锌镁合金、铝锌镁铜合金或任意其他适合的铝合金。基于强度和可加工性的理由，这些合金中，优选铝镁合金、铝锰合金或铝镁硅合金，理想的是铝镁合金。
基于本发明的纽扣或紧固构件包括作为基底镀层直接形成在前述原料表面上的第一镀铜层。由于如果第一镀铜层的厚度变得太薄粘合性会降低，因此优选0.01μm以上的平均厚度，理想的是0.1μm以上的平均厚度。另一方面，由于如果第一镀铜层的厚度变得太厚生产效率会降低，因此优选1.5μm以下的平均厚度，理想的是1.0μm以下的平均厚度。
在铝或铝合金的表面上形成氧化膜，所以第一镀铜层优选在通过脱脂、酸洗、用表面活性剂洗涤或水洗进行适当预处理后形成。可通过使用铝或铝合金作为原料和如压铸成形或加压成形等方法进行成形工艺来形成产品。然后在形成纽扣或紧固构件的半成品后，通过在该半成品上利用转筒电冲击镀铜来形成第一镀铜层。转筒滚镀消除了将材料设置于镀覆用夹具中的需求，并且不像静止镀覆，能够大规模生产，此外，由于无此类设置，所以消除了对于因在夹具中设置材料期间残留的接触痕量(contact traces)所造成的腐蚀的顾虑。转筒滚镀使产品的整个表面得到镀覆，而静止镀覆会使被夹具覆盖的表面部分未镀覆。
通常已知的使用转筒滚镀的铝用镀覆方法可用于冲击镀铜浴，Uyemura&Co.,Ltd.(U.S.)的CL-NC ALKALINE COPPER法由于其对基材表面的粘合性、均一粘合性和在平滑度和其他性质方面的相对优势而成为一种优选的方法。将无氰化物浴用于该镀浴，使得在铝的表面上直接冲击镀铜而不进行锌酸盐处理。CL-NC ALKALINE COPPER法可以使形成于原料表面上的氧化膜的去除和镀铜同时进行，而不进行锌酸盐或其他基材处理(base treatment)。优选0.3-1.2A/dm2的电流密度，理想的是0.5-1.0A/dm2。优选55-75℃的镀浴温度，理想的是60-70℃。优选7.0-8.5的pH，理想的是7.0-8.0。优选30-60分钟的镀覆时间，理想的是40-50分钟。优选2-12rpm的筒速，理想的是4-8rpm.。因此，可获得粘附至铝的表面并防止溶胀的光滑镀膜。
作为中间镀层的第二镀铜层直接形成于第一镀铜层上，具有比第一镀铜层厚的厚度。具有比第一镀铜层厚的第二镀铜层的优点是改进的构件本身的强度和改进的对腐蚀的耐久性。另外，镀层更平滑。由于高平滑度，改进了光泽，并且当第二镀铜层上进行另外的最终镀覆时改进了镀覆粘合性。
第二镀铜层优选1.6μm以上的平均厚度，以便充分实现前述优点，理想的是2.0μm以上的平均厚度。然而，由于如果第二铜层的厚度太厚生产效率会降低，因此优选10μm以下的平均厚度，理想的是5.0μm以下的平均厚度。
由于第二镀铜层形成于第一镀铜层上，甚至比在铝上更容易实现镀覆。因此，第二镀铜层可通过多种本领域技术人员已知的镀铜方法来形成。从大规模生产的视角，优选与第一镀铜层类似利用转筒来电镀铜。氰化铜浴(copper cyanide bath)、焦磷酸铜浴、氟硼酸铜浴或硫酸盐浴可用于电镀铜浴。然而，第二镀铜层的形成优选在第一镀铜层形成后从镀覆设备中除去的三分钟内开始，理想的是在一分钟内开始。这是因为如果第一镀铜层暴露于空气中并氧化，则镀覆的粘合性显著降低。
在基于本发明的纽扣或紧固构件的优选实施方案中，第一镀铜层的平均结晶粒径大于第二镀铜层的平均结晶粒径。在典型的实施方案中，第一镀铜层的平均结晶粒径为0.7-1.1μm，在甚至更典型的实施方案中，第一镀铜层的平均结晶粒径为0.8-1.0μm。在典型的实施方案中，第二镀铜层的平均结晶粒径In为0.2-0.6μm，在甚至更典型的实施方案中，第二镀铜层的平均结晶粒径为0.3-0.5μm。
通过用聚焦离子束(FIB)切断并露出镀层的截面，然后通过EBSP分析截面结构来获得平均结晶粒径。这里，将晶体取向错误超过10°的晶体的边界定义为晶界，其平均值基于切断法(参见，例如日本工业标准JIS G0051:2005)计算。
可根据需要将各种最终镀覆施加于第二镀铜层上。最终镀层可为一层，或两层以上。最终镀层可为例如铜锡合金镀层或镍镀层，或其组合。最终镀层可通过任何公知的方法形成，但由于上述原因而优选转筒滚镀。此外，不限定形成最终镀层的时间，镀覆处理可在第二镀铜层形成后从镀覆设备中除去后的约两或三天开始。
从成本的视角，最终镀层应比第一镀铜层和第二镀铜层的总厚度薄。另外，从防止镀覆中的破裂的视角，最终镀层应当薄。具体地，最终镀层的整体厚度优选为第一镀铜层和第二镀铜层的总厚度约20-60%，理想的是约30-55%。最终镀层的平均厚度整体优选5.0μm以下，理想的是3.0μm以下。然而，由于如果最终镀层整体过薄将会暴露中间镀层并促进了腐蚀的风险，因此优选1.0μm以上的平均厚度，理想的是1.5μm以上。
以该方式，可使用在已完成原料表面镀覆后获得的纽扣或紧固构件通过公知的手段组装纽扣或紧固件。尽管不限定，但如图1-4所示，某些可能的纽扣构件包括纽扣紧固件(称作铆钉(rivet))和通过纽扣紧固件固定至布的纽扣。所述纽扣包括可通过衣服上的孔而开关的纽扣(由帽部和其中覆盖所述帽的本体部构成)、具有阳接合构件(male engaging member)和阴接合构件并可通过将二者连通或分开而开关的纽扣(称作按扣)以及用于补强或装饰衣服的缝合部(sewn part)的纽扣，例如图1-4所示的纽扣。另外，有时纽扣紧固件具有帽部来覆盖它们的基部，以便改进外观。此外，纽扣紧固件不限于图1-4所示的那些，并可例如具有多个从环形基部突出的突出部，或通过弯曲由方形平金属片的两侧边缘来形成订书针样形状。紧固构件可为拉头(主体和/或拉片(pull tab))或链牙(fastener element)，其可为上止(top-stopping)或下止(bottom-stopping)。
图1示出作为纽扣构件的纽扣紧固件10的实例的斜视图。纽扣紧固件10具有通过盘状基部11的中央同心状突出的突起12。突起12的外径具有尖端13，由于其随着接近尖端而逐渐收缩，因而假定为锥形。该纽扣构件可固定为衣服缝合部的补丁或装饰。
参照图2，示出前述纽扣紧固件10的截面图。由虚线包围的区域为显示纽扣紧固件10的表面镀覆结构图的部分放大图。前述纽扣紧固件10可包括铝或铝合金原料20，以及顺序形成于其整个表面上的第一镀铜层、第二镀铜层和最终镀层。图2示出第一镀铜层21、第二镀铜层22和最终镀层23。这里的最终镀层为铜-锡合金镀层23。铜-锡合金镀层23的厚度比第一镀铜层21和第二镀铜层22的组合薄。
图3为示出将金属纽扣32固定至衣服31之前的前述纽扣紧固件10的截面图，其中纽扣32与纽扣紧固件10相对示出，布31夹于二者之间。纽扣32包括稍微朝布31弯曲的大致盘状的基部33、形成于基部33中央的环状凸部34和在环状凸部34的内部同心形成的凹部35。
我们将说明将纽扣32固定至布31的步骤。首先，纽扣紧固件10的突起12穿过布31，并嵌入纽扣32的凹部35。接着，突起12通过压向凹部35的底部而可塑性变形，以使其填充凹部35内部的空间，最后突起12和凹部35如图4所示啮合。通过这样来做，纽扣32固定至布31。在该实施方案中，纽扣紧固件10具有基于本发明构造的镀层，尽管其可为具有基于本发明构造的镀层的纽扣32。
另外，如图5的斜视图所示，基于本发明构造的镀层可适用于拉链的拉头主体40和拉片41。
实施例
制备100个具有图1所示形状的试验品铝纽扣紧固件。各纽扣紧固件具有约7.6mm的基部直径和约6.5mm的突起长度。使用由Uyemura&Co.,Ltd.提供的CL-NC ALKALINE COPPER预处理步骤(提供各纽扣紧固件的碱脱脂、水洗、硝酸活化和水洗)对这些进行预处理。接着，根据由Uyemura&Co.,Ltd.提供的CL-NC ALKALINE COPPER步骤制备铜冲击(copper strike)镀浴，且将试验品的整个表面转筒滚镀。镀覆条件如下。
镀覆时间：45分钟
筒速：6rpm
电流密度：0.5A/dm2
镀浴温度：65℃
pH:7.5
将从镀覆设备中移除的试验品水洗并干燥。当通过用扫描透射电子显微镜(STEM)观察截面来测量任意一个试验品的所得冲击镀铜膜(第一镀铜层)的厚度时，平均值为0.5μm。另外，试验品未显示镀层剥离，并形成具有均一厚度的镀膜。当通过上述方法测量时第一镀层的平均结晶粒径为0.8μm。测量约10个以上的试验品，但它们具有基本上相同的平均厚度和平均结晶粒径。
第一镀铜层厚度的测量步骤如下。在用聚焦离子束(FIB)切断和暴露镀层截面后，观察10000×放大的STEM图像，在10个任意点测量第一镀铜层的厚度，将10个点的平均值构成一个试验品的第一镀铜层厚度。此外，在该实施方案中，尽管使用STEM图像，但SEM图像也是可接受的。
接着，在如下条件下在各试验品上进行电镀铜。镀覆条件如下。在从镀覆设备中移除后，在一分钟内开始电镀铜，从而形成第一镀铜层。
镀浴：氰化铜镀覆NaCn(12g/L)、CuCn(65g/L)
镀覆时间：60分钟
筒速：6rpm
电流密度：0.5A/dm2
镀浴温度：50℃
pH：12
将从镀覆设备中移除的试验品水洗并干燥。当通过用扫描透射电子显微镜观察截面来测量任意一个试验品的所得镀铜膜(第二镀铜层)的厚度时，平均值为4μm。另外，试验品未显示镀层剥离，并形成具有均一厚度的镀膜。换言之，在所述镀膜和铝表面之间直接形成镀膜而无任何中间体(intermediate)。当通过上述方法测量时第二镀层的平均结晶粒径为0.4μm。测量约10个以上的试验品，但它们具有基本上相同的平均厚度和平均结晶粒径。
接下来描述确定第二镀铜层厚度的测量步骤。在用聚焦离子束(FIB)切断和暴露镀层截面后，观察10000×放大的STEM图像，在10个任意点测量第一镀铜层和第二镀的总厚度，将10个点的平均值构成一个试验品的第一镀铜层和第二镀铜层的总厚度。通过从该平均值中扣除预先所得的第一镀铜层的平均厚度获得的值为第二镀铜层厚度的测量值。
接着，在如下条件下在各试验品上进行电镀铜-锡。镀覆条件如下。
镀浴：氰化铜锡镀覆F.KCN(50g/L)、KOH(30g/L)、Cu(7.5g/L)、Sn(30g/L)、Zn(0.4g/L)
镀覆时间：30分钟
筒速：6rpm
电流密度：0.5A/dm2
镀浴温度：65℃
pH：13以上
将从镀覆设备中移除的试验品水洗并干燥。当通过用扫描透射电子显微镜观察截面来测量任意一个试验品的所得铜锡镀膜(最终镀层)的厚度时，平均值为2μm。另外，试验品未显示镀层剥离，并且形成具有均一厚度的镀膜。测量约10个以上的试验品，但它们具有基本上相同的平均厚度和平均结晶粒径。
接下来描述最终镀层的厚度的测量步骤。在用聚焦离子束(FIB)切断和暴露镀层截面后，观察10000×放大的STEM图像，在10个任意点测量第一镀铜层、第二镀铜层和最终镀层的总厚度，将10个点的平均值构成一个试验品的第一镀铜层、第二镀铜层和最终镀层的总厚度。通过从该平均值中扣除预先所得的第一镀铜层的平均厚度和第二镀铜层的平均厚度获得的值为最终镀层的测量值。
在最终镀覆后，通过将强度(当用固定机在固定至布后试验从布中移除时的强度)、镀覆粘合性、光泽和耐腐蚀性与常规产品的强度、镀覆粘合性、光泽和耐腐蚀性方面相比较来评价试验品。
强度是指当已通过固定机将纽扣32固定至纽扣紧固件10，且布31夹在二者之间时(如图4所示)所见的强度，试验装置在保持在布31上的同时抓取纽扣32，在远离布31的方向拉高(图中上方)，并将纽扣32从布31中移除。
通过一次粘合试验和二次粘合试验来求得镀覆粘合性。
一次粘合试验为镀覆部分(试验品)的镀层对原料表面的粘合性的评价(参见，例如，日本工业标准JIS-K-5600-5-6)。使用切刀，在镀覆试验品上刺入镀层，并产生接触原料表面的网格状切口。在该网格上附着粘合带，并评价剥离时镀层的粘性(clinging)。二次粘合试验为在沸水处理原料表面后镀覆部分(试验品)镀层粘合性的评价。在沸水中处理镀覆的试验品30分钟并冷却，随后用切刀刺入并产生接触原料表面的X形切口，在该X形切口上附着粘合带，然后评价剥离时镀层的粘性。
通过与标准部品比较外观来评价光泽。
耐腐蚀性涉及在固定的大气条件下使用盐雾试验机用中性5%浓度的氯化钠水溶液对部品(试验品)喷射预定时间，接着清洁并观察外观变化(参见，例如，日本工业标准JIS-Z-2371、JIS-H-8502、JIS-K-5600)。
结果示于表1。表中的结果为测量10个试验品时的平均值。比较结果也总结如下。
强度：所得强度与常规产品(黄铜)相同。
镀覆粘合性：所得粘合性在一次粘合试验和二次粘合试验期间均与常规产品(黄铜)相同。
光泽：所得光泽与常规产品(黄铜)相同。
表1
*在比较例1中，在原料表面上形成镀铜(与实施例1的第二镀铜层相同)，其中原料为铜合金(黄铜)。
尽管已参考附图详细描述了本发明，但本发明不限于前述实施方案，并且可进行各种修饰，只要在本发明的范围内即可。

Claims (14)

1.一种镀铜纽扣或紧固构件的生产方法，其包括：
由铝或铝合金形成半成品构件；
通过使用转筒滚镀在所述半成品构件的表面上电冲击镀铜来在所述表面上直接形成第一镀铜层；和
利用转筒进行电镀铜，在所述第一镀铜层上直接形成比所述第一镀铜层厚的第二镀铜层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一镀铜层的平均结晶粒径大于所述第二镀铜层的平均结晶粒径。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一镀铜层的形成完成后，在一分钟内开始形成第二镀铜层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一镀铜层的平均厚度为0.01-1.5μm，且所述第二镀铜层的平均厚度为1.6-10μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
在所述第二镀铜层上形成最终镀层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述最终镀层的整体厚度比所述第一镀铜层和所述第二镀铜层的总厚度薄。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
在所述半成品构件上形成第一镀铜层之前，通过脱脂、酸洗、用表面活性剂洗涤或水洗所述半成品构件来预处理所述半成品构件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在单筒内预处理所述半成品构件和形成第一镀铜层。
9.一种纽扣或紧固构件，其通过根据权利要求1所述的方法来生产。
10.一种纽扣或紧固构件，其包括：
由铝或铝合金形成的纽扣或紧固构件；
覆盖所述由铝或铝合金形成的纽扣或紧固构件的整个表面的第一镀铜层；和
覆盖所述第一镀铜层的第二镀铜层，其中所述第二镀铜层比所述第一镀铜层厚。
11.根据权利要求10所述的纽扣或紧固构件，其中所述第一镀铜层的平均结晶粒径大于所述第二镀铜层的平均结晶粒径。
12.根据权利要求10所述的纽扣或紧固构件，其中所述第一镀铜层的平均厚度为0.01-1.5μm，且所述第二镀铜层的平均厚度为1.6-10μm。
13.根据权利要求10所述的纽扣或紧固构件，其中最终镀层覆盖所述第二镀铜层。
14.根据权利要求10所述的纽扣或紧固构件，其中所述最终镀层的整体厚度比所述第一镀铜层和所述第二镀铜层的总厚度薄。
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