CN103827359A - 激光纹理化和阳极化表面处理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种处理制品的金属表面的方法，其包括以下步骤：提供具有金属表面的制品；使用激光对所述表面进行纹理化处理以产生横跨所述表面的受控图案；以及对所述表面进行阳极化处理。所述受控图案可包括一系列凹坑，所述一系列凹坑是以横跨所述表面的预定重复图案（如点阵列或格栅）蚀刻的。所述受控图案还可包括以横跨所述表面的预定伪随机图案蚀刻的一系列凹坑。

Description

激光纹理化和阳极化表面处理
技术领域
本发明涉及用于制品表面的处理以及具有此类经处理的表面的制品。更具体地，本发明涉及在制品的金属表面上执行激光纹理化和阳极化处理的方法以及根据该方法处理的此类金属表面。
背景技术
商业和消费品工业中许多产品为金属制品，或包含金属表面。金属表面通常由许多工艺处理，以产生一种或多种期望功能效果、触觉效果、装饰性效果、或其它效果。在一种此类工艺中，可对表面进行纹理化处理以使表面粗糙化、成形表面、除去表面污染物、或产生其它效果。该纹理化工艺可经由一种或多种机械工艺例如通过机加工、刷涂、或研磨喷砂实现。研磨喷砂例如涉及抵靠表面而强力推进磨料流，例如小珠、砂、和/或玻璃。作为另外一种选择，可通过化学工艺（例如化学蚀刻）对表面进行纹理化处理。该工艺通常涉及使用蚀刻溶液，例如氢氧化钠（NaOH）溶液。
发明内容
在一个实施例中，一种方法包括如下步骤：提供具有金属表面的制品；使用激光对表面进行纹理化处理以产生横跨整个表面的受控图案；对该表面进行阳极化处理。纹理化步骤可通过沿着预定路径相对于表面来移动激光并以一定间隔脉冲该激光以产生一系列凹坑而执行。在一个实施例中，受控图案包括以横跨表面的预定重复图案蚀刻的一系列凹坑。该重复图案可呈具有基本上均匀地间隔开的凹坑的二维阵列的形式。在另一个实施例中，重复图案可呈二维格栅的形式，其包括由重叠凹坑形成的一系列基本上垂直的线。
作为另外一种选择，受控图案可包括以横跨表面的预定伪随机图案蚀刻的一系列凹坑。该伪随机图案可近似于小珠或砂子喷砂的外观，同时提供对喷砂图案和区域的更多控制。
本发明的附加特征将示出于下面的描述中，并且部分地将从下面的描述中显而易见，或可通过实践本发明习得。前面的大体描述和下面的具体描述两者均是示例性和解释性的，并且旨在提供对受权利要求书保护的本发明的进一步解释。
附图说明
并入本文中的附图构成本说明书的一部分，并示出了本发明的示例性实施例。附图连同本说明书一起进一步用于解释本文所描述的示例性实施例的原理，并使得相关领域的技术人员能够进行和使用本文所描述的示例性实施例。
图1是根据本发明的一个实施例的表面处理的示例性方法的流程图。
图2是根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的放大视图。
图3是示出根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的图像的放大视图。
图4是根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的放大视图。
图5是示出根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的图像的放大视图。
图6是示出根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的图像的放大视图。
图7是根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的放大视图。
图8是根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的放大视图。
图9是根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的放大视图。
图10是示出根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的图像的放大视图。
图11是根据本发明的一个实施例的在示例性激光纹理化步骤之后的表面一部分的放大视图。
图12是根据本发明的一个实施例的表面处理的示例性方法的流程图。
图13是根据本发明的一个实施例的表面处理的示例性方法的流程图。
具体实施方式
下面的详细描述参考附图，其示出了示例性实施例。其它实施例也是可能的。可在不脱离本发明的实质和范围的情况下，对本文所描述的示例性实施例作出修改。因此，下面的详细描述不旨在进行限制。本文所呈现的实施例的操作和行为是基于修改和变化可在本发明的范围内的理解而描述的。
图1是表面处理的示例性方法的高水平流程图。该方法可包括提供具有表面的金属部件的步骤10。该方法可应用于广义范围的金属部件，包括但不限于：家用电器和炊具，例如壶和平底锅；机动车部件；运动装备，例如自行车；以及电子部件，例如膝上型计算机和用于电子设备（例如媒体播放器、电话和计算机）的外壳。在一些实施例中，该方法可在由Apple Inc.（Cupertino,California）制造的媒体播放器或膝上型计算机上实施。
合适的金属包括铝、钛、镁、铌等。金属部件可通过使用多种技术形成，并且可具有多种形状、形式和材料。这些技术的实例包括提供金属部件作为预成形的片材，或使该金属部件挤出成使得其成形为期望的形状。在一个实例中，金属部件可被挤出成使得该金属部件成形为期望的形状。挤出可以是用于以不确定长度的连续方式产生期望形状的工艺，使得材料随后被切割成期望的长度。在一个实施例中，金属部件可具有经由任何合适的浇铸工艺（例如压铸和永久模铸工艺等）而浇铸的形状。在一个实施例中，金属部件可由铝例如挤出的6063级铝形成。在一些实施例中，金属部件由铝-镍或铝-镍-锰铸造合金制成。
该方法还包括步骤12：对金属部件的表面执行激光纹理化处理以产生横跨该表面的受控图案。该步骤可在金属表面上产生一种或多种装饰性效果、结构性效果、功能性效果、或其它效果。例如，纹理化步骤可产生期望的触觉效果、减少外观微量表面缺陷、和/或减少外观指纹或污迹。此外，纹理化步骤可被用来产生一系列峰和谷。这些峰和谷可赋予表面闪闪发光的效果，这在一些情况下可使该表面看起来更明亮。
在一个实施例中，步骤12是通过沿着预定路径相对于金属表面来移动激光并以一定间隔脉冲该激光以产生一系列凹坑而执行的。该间隔可以是预定的或非预定的，并且可以是周期性的或非周期性的。激光可在移动其位置之前被脉冲若干次。此外，激光可沿着该路径通过若干次。在一个实施例中，激光可沿着该路径通过四次。在一些实施例中，激光可相对于静止金属表面移动，而在其它实施例中，金属表面可相对于固定式激光移动。
在一些实施例中，激光在金属表面之上通过，但不在该表面中产生凹坑。例如，激光可呈稳定激光束的形式，而非如上所述的脉冲形式。在一些实施例中，激光系统被配置成减小激光的效果，使得激光不在金属表面中产生凹坑。例如，可增加激光与表面之间的距离，或可减小激光的功率。在一个实施例中，激光仅熔化表面的一部分，使得该表面具有的反射率与该表面的剩余部分不同。激光可附加地或作为另外一种选择用于改变表面的颗粒（grain）结构，使得阳极化工艺在激光处理的区域中是不同的。
一种用于与该方法一起使用的合适的激光是由FOBA Technology+Services GmbH（Lüdenscheid,Germany）制造的DP2UV激光标记系统。该系统包括掺杂钕的钒酸钇（Nd:YVO4）二极管泵浦激光器，其具有355nm的波长、2W的输出功率、0.04mJ的脉冲能量、以及最高至5000mm/s的标记速度。其它合适的激光器包括20W红外纤维激光器、18W红外纤维激光器、50W红外YAG激光器、20W红外钒酸盐激光器和18W皮秒IR激光器。激光系统可根据需要沿着3条或更多条轴线经由计算机数控机床以电子方式控制。在其它实施例中，激光器由用户手动地移动。激光系统可包括一个或多个电流计，如高速镜式电流计，以控制激光束的位置。在一些实施例中，激光垂直于金属表面指向，但可替换地，如果需要可相对于金属表面成一定角度指向。
由激光产生的凹坑的形状可为基本上圆形的，直径为大约20-25μm。凹坑可以是任何其它合适的形状，例如三角形、正方形、椭圆形、或非几何形状，如鲨鱼齿形状。根据需要并可取决于激光系统的特征（例如激光基质、其脉冲能量、持续时间、以及在表面之上的通过次数），凹坑的直径和深度可较大或较小。凹坑的尺寸也可受金属表面的特征影响。在一些实施例中，表面可具有的一些凹坑具有第一直径和深度，并且一些凹坑具有不同的第二直径和深度。这可通过改变激光类型或设置实现，或通过使激光仅在表面的一部分之上通过多次实现。
如下面参考图2-11进一步所描述的，受控图案可包括以横跨表面的预定重复图案或伪随机图案蚀刻的一系列凹坑。在一些实施例中，受控图案包括重复部分和非重复部分。在一些实施例中，受控图案可仅覆盖金属表面的一部分。
图1的方法还包括对金属表面执行阳极化工艺的步骤14。对金属表面进行阳极化处理使该金属表面的一部分转化为金属氧化物，由此形成金属氧化层。阳极化的金属表面提供增强的耐腐蚀性和耐磨性。阳极化的金属表面也可用于获得装饰性效果，例如促进染料吸收以向该阳极化的金属表面赋予颜色。
标准的阳极化工艺可包括将金属表面置于具有在约18和22℃之间范围内的温度的电解浴中。硬质阳极化可通过将金属表面置于具有在约0和5℃之间范围内的温度的电解浴中实现。
在一个实施例中，阳极化步骤14可对金属表面产生透明效果。在该实施例中，金属表面可置于已被优化以增加氧化层的透明效果的电解浴中。电解浴可包含硫酸（H2SO4），该硫酸的浓度范围在约150g/l和210g/l之间，约160g/l和200g/l之间，或约170g/l和190g/l之间，或浓度可为约180g/l。电解浴也可包含与金属表面相同的金属离子。例如，电解浴可包含铝离子，该铝离子的浓度约小于15g/l，或浓度范围在约4g/l和10g/l之间，约5g/l和9g/l之间，或约6g/l和8g/l之间，或浓度为约7g/l。阳极化可按在约1.0安培每平方分米和1.2安培每平方分米之间范围内的电流密度发生。阳极化可具有在约30和60分钟之间、约35和55分钟之间、或约40和50分钟之间范围内的持续时间，或可具有可为约45分钟的持续时间。氧化层的厚度可部分地由阳极化工艺的持续时间控制。
图2是在示例性纹理化步骤12之后的表面18的一部分的放大视图。该纹理化步骤12可包括使用激光以形成受控图案，该受控图案包括以横跨表面18的预定重复图案蚀刻的一系列凹坑16。在该实施例中，预定重复图案呈间隔开大约50μm的基本上均匀地间隔开的凹坑16的二维阵列形式。图3示出了显示表面18的一部分的图像的放大视图，表面18的该一部分包括类似于上面参考图2所描述的图案的受控图案中的凹坑16。图4示出了具有受控图案的表面18的一部分的放大视图，其中在与图2和图3中的图案进行比较时，该受控图案在凹坑16之间具有较大的间隔。图5和图6各自示出了显示表面18的一部分的图像的放大视图，表面18的该部分包括类似于上面参考图4描述的图案的受控图案中的凹坑16。图5示出了在激光单次通过之后的表面18，而图6示出了在激光四次通过之后的表面18。
图7示出了具有图案的表面18的一部分的放大视图，该图案包括在彼此偏移的列中形成的不同尺寸的凹坑16。在一些实施例中，图案内的凹坑深度是不同的。图8示出了具有重复图案的表面18的一部分的放大视图，该重复图案包括在彼此偏移的列中形成的凹坑16。
图9是在示例性纹理化步骤12之后的表面18的一部分的放大视图。该纹理化步骤12可包括获得受控图案，该受控图案包括由重叠凹坑16产生的一系列基本上垂直的水平线20和竖直线26。在一个实施例中，水平线20和竖直线26均匀地间隔开大约100μm。图10示出了显示表面18的一部分的图像的放大视图，表面18的该部分包括类似于上面参考图9描述的图案的受控图案中的凹坑16。
图11是在示例性纹理化步骤之后的表面18的一部分的放大视图。该纹理化步骤12可包括获得受控图案，该受控图案包括以横跨表面18的预定伪随机图案蚀刻的一系列凹坑16。如图11所示，所述凹坑中的许多重叠，但在可供选择的实施例中，该凹坑可间隔开。在一个实施例中，伪随机图案可近似于常规研磨喷砂的外观。在一个实施例中，伪随机图案可包括重叠的凹坑。在一个实施例中，表面18使用如本文所提供的激光器进行纹理化处理，并且也通过常规研磨喷砂和/或化学蚀刻进行纹理化处理。例如，表面18可首先通过抵靠表面18强力推进磨料（如小珠、砂和/或玻璃）而进行纹理化处理。该步骤完成之后，表面18可接着进行本文所提供的激光器纹理化处理，以产生横跨表面18的受控图案。作为另外一种选择，表面18可在经受研磨喷砂之前进行激光纹理化处理。
在一些实施例中，金属表面的第一部分可与金属表面的第二部分不同地进行处理，以便产生不同的图案和视觉效果。例如，在一个实施例中，金属表面的第一部分可使用本文所描述的激光纹理化工艺处理，而金属表面的第二部分可不经受纹理化步骤。在另一个实施例中，表面18的第一部分和第二部分可通过不同的技术进行处理。例如，第一部分可经受研磨喷砂或化学蚀刻，而第二部分可经受本文所述的激光纹理化工艺。此外，两个部分均可根据需要进行处理以获得不同程度的耐划性和耐磨性。
图12是表面处理的示例性方法的高水平流程图。该方法包括如上所述的步骤：提供具有表面的金属部件（步骤10）；对该金属部件的表面执行激光纹理化处理以产生横跨表面的受控图案（步骤12）；以及对金属表面执行阳极化工艺（步骤14）。该方法还包括对金属表面进行化学光亮化的步骤22。
在一个实施例中，该化学光亮化步骤可通过将表面暴露于酸性溶液而实现。可用于该溶液的酸包括但不限于：磷酸（H3PO4）、硝酸（HNO3）、硫酸（H2SO4）、以及它们的任何合适的组合。酸可以是磷酸，磷酸与硝酸的组合，磷酸与硫酸的组合，或磷酸、硝酸和硫酸的合适的组合。其它成分可包括硫酸铜（CuSO4）和水。在一个实施例中，使用85%的磷酸溶液，其保持在95℃的温度下。化学光亮化步骤22的处理时间可根据期望的目标光泽度值来调节。在一个实施例中，处理时间可在约40和60秒之间的范围内。
图13是表面处理的示例性方法的高水平流程图。该方法包括如上所述的步骤：提供具有表面的金属部件（步骤10）；对该金属部件的表面执行激光纹理化处理以产生横跨表面的受控图案（步骤12）；以及对金属表面执行阳极化工艺（步骤14）。该方法还包括对金属表面进行抛光的步骤24。
抛光步骤24可通过任何合适的抛光方法（如磨光或滚动抛光）而实现。该步骤可手动地或利用机器辅助执行。在一个实施例中，金属表面经由滚动抛光而被抛光，其涉及将物体置于填充有介质的滚光桶中，然后在物体在桶内部的情况下旋转该桶。抛光步骤24可向表面18赋予平滑的、玻璃质外观。例如，抛光步骤24可包括在桶中以约140RPM的旋转速度对金属表面进行滚动抛光约2小时。桶可被填充约60%，并且介质可以是与悬浮在润滑剂（例如霜膏）中的切削介质混合的研碎的胡桃木壳。
上述方法中的任一种均可包括对金属表面进行一种或多种进一步的处理，例如冲洗、脱脂、除污、染色、密封、重复抛光、纹理化、光亮化、或阳极化步骤。例如，染色通常可指将金属表面浸渍或浸没在染料溶液中。密封通常可指将金属表面浸没在密封溶液中以封闭制品的表面上的孔。抛光一般如上所述，但应该指出的是也可使用类似的或不同的抛光技术。
应该指出的是，上面讨论并在图1和图8-9的流程图中示出的步骤是为了进行示意性的说明，并且仅仅是示例性的。为了产生具有期望效果的金属表面，并不需要执行每一个步骤，并且也可包括附加的步骤，这对本领域的技术人员而言是显而易见的。这些步骤可根据需要重新排序。例如，对金属表面进行抛光的步骤24可在纹理化步骤24之前或之后执行，也可在阳极化步骤14之前或之后执行。
对具体实施例的前述描述如此充分地揭示了本发明的一般本质，使得其他人可在不偏离本发明的一般概念的情况下，通过应用本领域的知识而容易地针对各种应用来对此类特定实施例作出修改和/或调整，而无需过度实验。因此，基于本文所呈现的教导和指导，此类调整和修改旨在落入所公开的实施例的等同物的意义和范围内。应该理解，本文的措辞或术语是用于描述而非限制的目的，因此本说明书的术语或措辞应由技术人员按照该教导内容和指导进行解读。
此外，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例限制，而是应仅根据以下权利要求书及其等同物进行限定。

Claims (21)

1.一种处理制品的金属表面的方法，包括：
接收所述制品，所述制品的金属表面具有第一反射率；
使用激光来熔化所述金属表面的至少一部分，以产生具有第二反射率的熔化的金属表面的至少一部分，其中所述第一反射率和第二反射率是不同的；以及
对所述金属表面进行阳极化处理以在所述金属表面上形成阳极化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中熔化所述金属表面的所述至少一部分包括改变所述金属表面的所述至少一部分的颗粒结构，并且其中对所述金属表面进行阳极化处理包括在所述熔化的金属表面的所述至少一部分上形成第一阳极化层部分和在所述金属表面的剩余部分上形成第二阳极化层部分，其中所述第一阳极化层部分不同于所述第二阳极化层部分。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在熔化所述金属表面的所述至少一部分之前，使用激光对所述金属表面进行纹理化处理以产生一系列凹坑。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述一系列凹坑是以横跨所述表面的预定重复图案蚀刻的。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述凹坑间隔开大约50μm。
6.根据权利要求3所述的方法，其中使用激光对所述表面进行纹理化处理仅沿着所述表面的一部分发生。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在熔化所述金属表面的至少一部分之前对所述金属表面进行抛光。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在对所述金属表面进行阳极化处理之前执行化学光亮化操作。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在熔化所述金属表面的至少一部分之前，通过抵靠所述金属表面强力推进磨料流来对所述金属表面进行纹理化处理。
10.一种处理部件的金属表面的方法，包括：
使用滚动抛光工艺对所述金属表面进行抛光以形成抛光的表面；
通过抵靠所述抛光的表面的至少第一部分强力推进磨料流来对所述抛光的表面的所述第一部分进行纹理化处理而形成所述金属表面的第一纹理化部分；以及
通过使用激光在所述抛光的表面的至少第二部分上产生一系列凹坑来对所述抛光的表面的所述第二部分进行纹理化处理而形成所述金属表面的第二纹理化部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中形成第一纹理化部分发生在形成第二纹理化部分之前。
12.根据权利要求10所述的方法，其中形成第二纹理化部分发生在形成第一纹理化部分之前。
13.根据权利要求10所述的方法，其中形成第二纹理化部分包括形成一系列凹坑，所述一系列凹坑是以横跨所述抛光的表面的至少所述第二部分的预定重复图案蚀刻的。
14.根据权利要求10所述的方法，其中使用激光形成第二纹理化部分以在所述金属表面的所述第一纹理化部分上产生一系列凹坑。
15.一种具有外壳的电子设备，所述外壳具有金属表面，所述金属表面包括：
抛光的部分，其具有第一反射率；
熔化的部分，其具有第二反射率，其中所述熔化的部分通过如下方式产生：将激光导向所述金属表面以改变所述金属表面的颗粒结构，使得所述抛光的部分的颗粒结构不同于所述熔化的部分的颗粒结构；以及
阳极化层，其中所述阳极化层包括在所述熔化的部分上的第一阳极化层部分和在所述抛光的部分上的第二阳极化层部分，其中所述第一阳极化层部分不同于所述第二阳极化层部分。
16.根据权利要求15所述的电子设备，还包括所述金属表面的纹理化部分，其中所述纹理化部分包括通过抵靠所述抛光的部分的至少一部分强力推进磨料流形成的纹理。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其中所述纹理化部分由激光进行进一步纹理化处理，所述激光在所述纹理化部分上产生一系列凹坑。
18.根据权利要求17所述的电子设备，其中所述一系列凹坑是以横跨所述纹理化部分的预定重复图案蚀刻的。
19.一种具有外壳的电子设备，所述外壳具有金属表面，所述金属表面包括：
第一纹理化部分，所述第一纹理化部分是通过抵靠所述金属表面的抛光的部分强力推进磨料流形成的；以及
第二纹理化部分，所述第二纹理化部分具有由激光形成的一系列凹坑；以及
阳极化层，形成于所述金属表面的所述第一纹理化部分和第二纹理化部分上。
20.根据权利要求19所述的电子设备，其中所述一系列凹坑是以横跨所述纹理化部分的预定重复图案蚀刻的。
21.一种处理铝制品的方法，包括以下步骤：
提供具有表面的铝制品；
沿预定路径相对于所述表面移动激光并且以一定间隔脉冲所述激光以产生一系列凹坑；
通过将所述表面暴露于含磷酸的酸性溶液来对所述表面进行化学光亮化处理；
对所述表面进行阳极化处理以在所述表面上形成阳极化层。
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