CN111188081B - 金属件、金属制品及金属件的制作方法 - Google Patents

金属件、金属制品及金属件的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种金属件，包括：金属基体；第一孔，设置于金属基体上且在金属基体的表面具有孔口；及第二孔，设置于第一孔的底部；孔口的周缘上的第一点和第二点间的直线线段为第一线段；第一孔的腔体的第一截面与第一孔的内壁相交形成的第一截面的周缘上的第四点和第五点间的直线线段为第二线段；第一孔与第二孔相交的周缘上的第六点和第七点间的直线线段为第三线段；第二孔的腔体的第二截面与第二孔的内壁相交形成的第二截面的周缘上的第九点和第十点间的直线线段为第四线段；其中，第一线段的长度小于第二线段的长度；第三线段的长度小于第四线段的长度。本发明还提出一种金属制品及金属件的制作方法。

Description

金属件、金属制品及金属件的制作方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种金属件、金属制品及金属件的制作方法。
背景技术
由于工业品对材料的强度、外观、密度等物理化学性质的要求，目前仅使用金属不能满足这些要求，金属复合体在保留金属材料的特性同时又引入其他材料的特性，是目前工业品用材料的一个新选择。然而，在实际生产中，金属复合体由于涉及两种或以上材料的复合，会出现这些材料之间的结合强度不够，制备方法困难等问题。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种金属件、金属制品及金属件的制作方法。
一种金属件，包括：
金属基体；
第一孔，设置于所述金属基体上且在所述金属基体的表面具有孔口；及
第二孔，设置于所述第一孔的底部；
所述孔口的周缘上的第一点和第二点间的直线线段为第一线段，所述第一线段的长度为所述孔口的周缘上两点之间的最长距离；
所述孔口的周缘上的第三点，所述第三点、所述第一点及所述第二点位于第一虚拟平面内，所述第一孔的腔体的第一截面与所述第一虚拟平面平行；
所述第一截面与所述第一孔的内壁相交形成的第一截面的周缘上的第四点和第五点间的直线线段为第二线段，所述第二线段的长度为所述第一截面的周缘上两点之间的最长距离；
所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上的第六点和第七点间的直线线段为第三线段，所述第三线段的长度为所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上两点之间的最长距离；
所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上的第八点，所述第八点、所述第六点及所述第七点位于第二虚拟平面内，所述第二孔的腔体的第二截面与所述第二虚拟平面平行，所述第二截面与所述第二孔的内壁相交形成的第二截面的周缘上的第九点和第十点间的直线线段为第四线段，所述第四线段的长度为所述第二截面的周缘上两点之间的最长距离；其中，
所述第一线段的长度小于所述第二线段的长度；
所述第三线段的长度小于所述第四线段的长度。
一种金属制品，包括：
金属件；及
材料体，成型于所述金属件上；其中，
所述金属件为上述的金属件；
所述材料体包括结合部，所述结合部设置于所述第一孔和所述第二孔内。
一种金属件制作方法，包括：
将金属基体放置于电解液溶液中；
对所述金属基体进行第一次电化学蚀刻，在所述金属基体上蚀刻出第一孔；及
对所述金属基体进行第二次电化学蚀刻，在所述第一孔的底部蚀刻出第二孔，形成金属件；第一次电化学蚀刻与第二次电化学蚀刻的反应时间之比的范围为3:2～3:1。
上述金属件、金属制品、及金属件制备方法中，通过在金属基体的表面上及第一次蚀刻形成的第一孔的孔底蚀刻生成第一孔和第二孔，并通过控制第一次电化学蚀刻与第二次电化学蚀刻的反应时间之比，控制生成的第一孔与第二孔的大小比例，形成能够与其它材料体高强度结合的双圈结构的孔洞。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的金属件的50倍电子显微镜放大图。
图2是本发明实施方式提供的金属件的100倍电子显微镜放大图。
图3是本发明实施方式提供的金属件的200倍电子显微镜放大图。
图4是本发明的一实施方式中的金属件的示意图。
图5是图4中圆圈V处的放大图。
图6是图4中所示金属件的俯视图。
图7是本发明的一实施方式中的金属制品的示意图。
图8为本发明的实施方式中的金属件的制作方法的流程图。
主要元件符号说明
Figure BDA0002292371980000031
Figure BDA0002292371980000041
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图3所示，为本发明的一实施方式提供的金属件的电子显微镜放大图。图1是金属件的50倍电子显微镜放大图，图2是金属件的100倍电子显微镜放大图，图3是金属件的200倍电子显微镜放大图。
请参阅图4至图6，本发明的一实施方式提供的金属件1。金属件1包括金属基体2、开设于所述金属基体2上的若干第一孔3及开设于若干第一孔3的底部的若干第二孔4。所述第一孔3在所述金属基体2的表面具有孔口31。
为方便说明，定义：所述孔口31的周缘为S1。第一点A和第二点B是周缘S1上的两个不同点，第一点A和第二点B之间的直线线段为第一线段X1，所述第一线段X1的长度为所述孔口31的周缘S1上任意两点之间的最长距离。第三点C是所述孔口31的周缘S1上异于所述第一点A和所述第二点B的另一点。所述第一点A、所述第二点B及所述第三点C位于一第一虚拟平面P内。
所述第一孔3的腔体中与所述第一虚拟平面P平行的第一截面为Q。所述第一截面Q与所述第一孔3的内壁相交的周缘为S2。第四点D和第五点E是第一截面Q的周缘S2上的两个不同点，第四点D和第五点E之间的直线线段为第二线段X2，所述第二线段X2的长度为所述第一截面Q的周缘S2上任意两点之间的最长距离。
可以理解地，此处的第一截面Q和周缘S2的数量不止一个，所述第二线段X2取所有周缘S2上两点之间的最长直线距离中的最大值。即，若：第一截面Q1的周缘S21上两点之间的最长直线距离为X21，第一截面Q2的周缘S22上两点之间的最长直线距离为X22，第一截面Q3的周缘S23上两点之间的最长直线距离为X23......第一截面Qn的周缘S2n上两点之间的最长直线距离为X2n，则所述第二线段X2取X21、X22、X23......X2n中的最大值。
所述第一孔3距所述金属基体2表面的距离，即所述第一孔3的深度为H1。
所述第一孔3与所述第二孔4相交的周缘为S3。第六点F和第七点G是周缘S3上的两个不同点。第六点F和第七点G之间的直线线段为第三线段X3，所述第三线段X3的长度为所述第一孔3与所述第二孔4相交的周缘S3上任意两点之间的最长距离。
所述第一孔3与所述第二孔4相交的周缘S3上异于第六点F和第七点G的第八点H，第八点H、第六点F及第七点G位于第二虚拟平面T内。所述第二孔4的腔体中与所述第二虚拟平面T平行的第二截面为R。所述第二截面R与所述第二孔4的内壁相交的周缘为S4。第九点I和第十点J是第二截面R的周缘S4上的两个不同点，第九点I和第十点J之间的直线线段为第四线段X4，所述第四线段X4的长度为所述第二截面R的周缘S4上任意两点之间的最长距离。
可以理解地，此处的第二截面R和周缘S4的数量不止一个，所述第四线段X4取所有周缘S4上两点之间的最长直线距离中的最大值。即，若：第二截面R1的周缘S41上两点之间的最长直线距离为X41，第二截面R2的周缘S42上两点之间的最长直线距离为X42，第二截面R3的周缘S43上两点之间的最长直线距离为X43......第二截面Rn的周缘S4n上两点之间的最长直线距离为X4n，则所述第四线段X4取X41、X42、X43......X4n中的最大值。
所述第二孔4距所述第一孔3底部的距离，即所述第二孔4的深度为H2。
请参见图7，本申请的一实施方式提供的金属制品5包括金属件1和与金属件1相结合的材料体6。
所述材料体6在金属件1的第一孔3及第二孔4中形成结合部。所述结合部用于将金属件1与材料体6结合。
所述金属基体2的材料选自镁、镁合金、铝、铝合金、钛、钛合金、不锈钢、碳钢和铁中的至少一种。
所述材料体6的材料选自聚合物(如塑料，橡胶，纤维)，金属或无机非金属材料(如陶瓷，玻璃)等中的至少一种。
所述第一线段X1的长度小于所述第二线段X2的长度，从而使第一孔3的孔口31相对第一孔3的内腔呈向内的缩颈状，使孔口31处形成朝向中央的“倒勾”；同样的，所述第三线段X3的长度小于所述第四线段X4的长度，使第二孔4在第一孔3底部的开口处形成朝向中央的“倒勾”，形成双圈结构的孔洞。如此，使置于第一孔3和第二孔4中的结合部可以相对卡持于第一孔3和第二孔4中，增强材料体6与金属件1的结合力。
所述第一线段X1与所述第二线段X2的比值范围为1:3～2:3。若大于2:3，则孔口31相对较大，将导致材料体6与金属件1的结合力不足；若小于1:3，则孔口31相对较小，将导致材料体6通过注射等方式填充进入第一孔3及第二孔4时，不能完全填充第一孔3及第二孔4。
所述第二线段X2的长度大于所述第四线段X4的长度，具体地，所述第二线段X2的长度与所述第四线段X4的长度的比值范围为1:1～2:1。若小于1:1，则第二孔相对第一孔较大，将导致材料体6通过注射等方式填充进入第一孔3及第二孔4时，不能完全填充进第二孔4；若大于2:1，则材料体6与金属件1的结合力不足。
所述第一线段X1的长度与所述第一孔3的深度H1的比值范围为2:3～2:5。若大于2:3，则第一孔较浅，将导致材料体6与金属件1的结合力不足；若小于2:5，则第一孔较深，将导致材料体6通过注射等方式填充进入第一孔3及第二孔4时，不能完全填充进第一孔3及第二孔4。
所述第三线段X3的长度与所述第二孔的深度H2的比值范围为1:1～1:2。若大于1:1，则第二孔较浅，将导致材料体6通过压铸等方式冲压填充第一孔3及第二孔4时，冲击力大，第二孔4容易遭到破坏；若小于1:2，则第二孔较深，将导致材料体6通过注射等方式填充进入第一孔3及第二孔4时，不能完全填充进第二孔4内，且“倒勾”结构不强，导致材料体6与金属件1的结合力降低。
所述第三线段X3的长度与所述第四线段X4的长度的比值范围为2:3～1:3。若大于2:3，则第二孔在第一孔底部的开口相对较大，会将第二孔的“倒勾”结构破坏，导致第二孔消失；若小于1:3，则第二孔在第一孔底部的开口相对较小，第二孔内气压较大，在材料体6通过注射等方式填充进入第一孔3及第二孔4时，使材料体6不能完全填充进第二孔4内。
相较于现有技术，本申请的金属件1和金属制品5，通过在金属基体2上形成第一孔3及第一孔3中的第二孔4，使得第一孔3及第二孔4分别形成“倒勾”的双圈结构孔洞，有效增强了金属件1与材料体6的结合强度。
在本发明中，第一孔3及第二孔4通过电解蚀刻制造。第一孔3及第二孔4为微米级小孔，即，第一孔3及第二孔4的至少一个尺寸为微米级，即大于等于1μm且小于等于1000μm。这里的第一孔3及第二孔4的尺寸可以是周缘上两点之间的距离，或是孔的深度。
请参见图8，本申请的一实施方式还提供一种金属件的制作方法，包括：
步骤S1，将金属基体放置于电解液溶液中。
具体地，所述电解液溶液为反应盐、缓冲溶剂及pH调节剂的混合溶液。所述反应盐为硝酸盐，其金属离子为碱金属。所述反应盐的浓度为1～5g/L。所述缓冲溶剂为一元弱酸、二元弱酸、三元弱酸或其组合。所述缓冲溶剂的浓度为4～8g/L。所述pH调节剂为碱金属氢氧化溶液。所述pH调节剂的浓度为80～120g/L。通过调节pH调节剂的加入量，使所述电解液溶液的pH在9～11。
一实施例中，所述反应盐为3.8g/L的NaNO3，缓冲溶剂为5g/L的CH3COOH，pH调节剂为100g/L的NaOH，调节电解液溶液的pH在10.5。
以金属基体作为电解的阳极；将阴极体放入电解液中作为电解的阴极。阴极体采用导电无机物。该导电无机物可以是金属或非金属。此处的金属可以是金、银、铜、铝、锌、钨、镁、黄铜、铁、铂、钙、钼、钴、铬、镍、铟、不锈钢和锡等，此处的非金属可以是石墨。为本申请的一个实施例，阴极体采用石墨或不锈钢。
一实施例中，在将金属基体放置于电解液溶液中之前，还包括对所述金属基体进行前处理的步骤：
脱脂，将所述金属基体置于清洗剂中去除表面油污；
碱咬，将去除油污的所述金属基体用强碱溶液清洗去除毛边；及
酸洗，碱咬后的所述金属基体用强酸溶液清洗。
具体地，采用脱脂剂，在温度为50～60℃下，反应3～5min，然后用蒸馏水清洗30s，重复两次；随后，放入浓度为20～40g/L的NaOH溶液中，以NaOH作为碱咬剂，在温度为50～60℃下，反应20～60s，然后用蒸馏水清洗30s，重复两次；最后，放入浓度为20～30wt％的HNO3溶液中，以HNO3作为酸洗剂，常温下反应30～60s，然后用蒸馏水清洗30s，重复两次。
步骤S2，对所述金属基体进行第一次电化学蚀刻，在所述金属基体上蚀刻出第一孔。
具体地，通过施加直流或交流电压进行阳极氧化操作，对金属基体进行电解。
电化学蚀刻通过在碱性条件下，氧化性电解液中，调节反应电流密度使金属基体表面溶解速度大于氧化速度，得到蚀刻孔洞。
因电化学蚀刻阳极以金属基体的溶液氧化为主，阴极以氢的还原为主，不涉及电解质的反应，溶液中主要成分变为金属基体离子浓度升高，pH降低，反应速度变慢。故反应过程中需通过添加pH调节剂调节pH在9.5～11.2之间，确保阴极还原反应不受影响，继而影响反应速度。
第一次电流密度诱发点蚀的发生，并且决定在金属基体上点蚀的数量，而反应时间则决定生成孔洞的直径及深度，且孔洞的直径与深度在一定范围内成线性关系。第一次电流密度的取值范围为1～1.5A/cm2。而反应时间则控制在6～15min。
一实施例中，采用定电流模式，控制第一次电流密度为1.5A/cm2，反应时间为15min。
步骤S3，对所述金属基体进行第二次电化学蚀刻，在所述第一孔的底部蚀刻出第二孔，形成金属件。
第二次电化学蚀刻目的是在第一次蚀刻出的第一孔的底部继续蚀刻出第二孔，因此，第二次电流密度与第一次电流密度之比的范围为1:4～1:2。此时，第二次电流密度较低，不足以支撑第一次蚀刻的第一孔的扩大溶解，但大于生成氧化膜的氧化电流，因此第二次蚀刻溶解发生在电位较低的第一孔的底部，蚀刻形成第二孔，即孔中有孔，双圈结构的孔洞。第一次电化学蚀刻与第二次电化学蚀刻的反应时间之比的范围为3:2～3:1，可通过控制第二次反应的时间得到蚀刻孔的大小比例不同的双圈结构的孔洞。
一实施例中，采用定电流模式，控制第二次电流密度为0.5A/cm2，反应时间为5min。
上述电解操作不限于定电流模式，还可采用单段电解蚀刻、多段电解蚀刻、蚀刻电压先大后小或是先小后大的重复循环组合的电解蚀刻等。电压、操作温度和操作时间可以根据实际情况设置。
一实施例中，对所述金属基体进行二次电化学蚀刻的步骤之后，还包括对蚀刻后的所述金属基体进行后处理的步骤，以去除氧化皮：
酸洗，将蚀刻后的所述金属基体用酸溶液清洗；及
风干，去除酸洗后所述金属基体表面的水分。
具体地，采用浓度为20～30wt％的HNO3，作为酸洗剂，常温下反应30～60s；然后，采用蒸馏水清洗30s，重复2次；放入烘箱，在70～80℃下进行烘干，5～10min。
本发明的实施方式还提供制备上述金属制品5的方法。包括：
制备金属件1；
施加包含材料体6的物质至金属件1的表面上；
定型包含材料体6的物质以形成金属制品。
上述步骤中制备的金属件1为采用上述金属件的制作方法获得的金属件1。
上述步骤，施加包含材料体6的物质至金属件1的表面上。其中，此处的材料体6的材料可选自聚合物(如塑料，橡胶，纤维)，金属或无机非金属材料(如陶瓷，玻璃)等中的至少一种。
上述步骤，定型包含材料体6的物质以形成金属制品5。其中，在含有材料体6的物质成型后，位于第一孔3及第二孔4中的物质形成上述的结合部，从而将材料体6和金属件1结合，进而形成上述金属制品5。
上述材料体6的物质的定型方式可以根据材料体6的材料和状态进行设定。
例如，若材料体6采用金属且其形态为粉末状，可以采用激光熔融复合的技术手段进行定型。
例如，若材料体6采用聚合物：当其形态为液态(溶液)时，可以采用蒸发溶剂的方式定型；当其形态为粉末时，可以采用加热融化后冷却定型进行处理；当其形态为熔融态时，可以采用注塑的方式定型；当其形态为气体时，可以采用气体原位聚合的技术手段进行定型。
例如，若材料体6采用陶瓷且其形态为粉末状，可以采用添加粘结剂粘合或粉末烧结的方式进行定型。
例如，若材料体6采用玻璃：当其形态为粉末时，可以采用加热熔融然后冷却定型的方式进行定型；当其形态为熔融态，可以采用冷却定型方式进行处理。
以上示例只是部分实施方式的介绍，材料体6采用的材料和定型方式并不限于上述示例说明。
本申请的金属件的制备方法，通过二次电解过程，使得在金属基体2的表面上及第一次蚀刻形成的第一孔的孔底蚀刻生成第一孔和第二孔，并通过控制第一次电化学蚀刻与第二次电化学蚀刻的反应时间之比，控制生成的第一孔与第二孔的大小比例，形成能够与其它材料体6高强度结合的双圈结构的孔洞。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种金属件，包括：
金属基体；
第一孔，设置于所述金属基体上且在所述金属基体的表面具有孔口；及
第二孔，设置于所述第一孔的底部；
所述孔口的周缘上的第一点和第二点间的直线线段为第一线段，所述第一线段的长度为所述孔口的周缘上两点之间的最长距离；
所述孔口的周缘上的第三点，所述第三点、所述第一点及所述第二点位于第一虚拟平面内，所述第一孔的腔体的第一截面与所述第一虚拟平面平行；
所述第一截面与所述第一孔的内壁相交形成的第一截面的周缘上的第四点和第五点间的直线线段为第二线段，所述第二线段的长度为所述第一截面的周缘上两点之间的最长距离；
所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上的第六点和第七点间的直线线段为第三线段，所述第三线段的长度为所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上两点之间的最长距离；
所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上的第八点，所述第八点、所述第六点及所述第七点位于第二虚拟平面内，所述第二孔的腔体的第二截面与所述第二虚拟平面平行，所述第二截面与所述第二孔的内壁相交形成的第二截面的周缘上的第九点和第十点间的直线线段为第四线段，所述第四线段的长度为所述第二截面的周缘上两点之间的最长距离；其中，
所述第一线段的长度小于所述第二线段的长度，从而使所述第一孔的孔口相对所述第一孔的内腔呈向内的缩颈状；
所述第三线段的长度小于所述第四线段的长度。
2.如权利要求1所述的金属件，其中，
所述第一线段与所述第二线段的比值范围为1:3～2:3。
3.如权利要求1所述的金属件，其中，
所述第二线段的长度大于所述第四线段的长度。
4.如权利要求3所述的金属件，其中，
所述第二线段的长度与所述第四线段的长度的比值范围为1:1～2:1。
5.如权利要求1所述的金属件，其中，
所述第一线段的长度与所述第一孔的深度的比值范围为2:3～2:5。
6.如权利要求1所述的金属件，其中，
所述第三线段的长度与所述第二孔的深度的比值范围为1:1～1:2。
7.如权利要求1所述的金属件，其中，
所述第三线段的长度与所述第四线段的长度的比值范围为2:3～1:3。
8.一种金属制品，包括：
金属件；及
材料体，成型于所述金属件上；其中，
所述金属件为如权利要求1-7中任意一项所述的金属件；
所述材料体包括结合部，所述结合部设置于所述第一孔和所述第二孔内。
9.如权利要求8所述的金属制品，其中，
所述材料体的材料选自聚合物，金属和无机材料中的至少一种。
10.一种金属件的制作方法，用于制作形成金属件，所述金属件包括金属基体；
所述制作方法包括：
将金属基体放置于电解液溶液中；
对所述金属基体进行第一次电化学蚀刻，在所述金属基体上蚀刻出第一孔；
对所述金属基体进行第二次电化学蚀刻，在所述第一孔的底部蚀刻出第二孔，形成所述金属件；第一次电化学蚀刻与第二次电化学蚀刻的反应时间之比的范围为3:2～3:1，第二次电流密度与第一次电流密度之比的范围为1:4～1:2；其中，
所述第一孔，设置于所述金属基体上且在所述金属基体的表面具有孔口；及
所述第二孔，设置于所述第一孔的底部；
所述孔口的周缘上的第一点和第二点间的直线线段为第一线段，所述第一线段的长度为所述孔口的周缘上两点之间的最长距离；
所述孔口的周缘上的第三点，所述第三点、所述第一点及所述第二点位于第一虚拟平面内，所述第一孔的腔体的第一截面与所述第一虚拟平面平行；
所述第一截面与所述第一孔的内壁相交形成的第一截面的周缘上的第四点和第五点间的直线线段为第二线段，所述第二线段的长度为所述第一截面的周缘上两点之间的最长距离；
所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上的第六点和第七点间的直线线段为第三线段，所述第三线段的长度为所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上两点之间的最长距离；
所述第一孔与所述第二孔相交的周缘上的第八点，所述第八点、所述第六点及所述第七点位于第二虚拟平面内，所述第二孔的腔体的第二截面与所述第二虚拟平面平行，所述第二截面与所述第二孔的内壁相交形成的第二截面的周缘上的第九点和第十点间的直线线段为第四线段，所述第四线段的长度为所述第二截面的周缘上两点之间的最长距离；其中，
所述第一线段的长度小于所述第二线段的长度，从而使所述第一孔的孔口相对所述第一孔的内腔呈向内的缩颈状；
所述第三线段的长度小于所述第四线段的长度。
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