利用熔融金属的凝固点降低的金属物体成型方法

摘要

金属物体成型方法包括预备步骤和金属注入步骤。在预备步骤中，将流动性改善材料放入压模中。然后在金属注入步骤中将熔融金属倒入模具中制备铸件。由于熔融金属的高温，流动性改善材料熔化进入熔融金属中，使得熔融金属的凝固点降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属物体成型方法，该方法便于制备诸如笔记本电脑和移动电话的便携式电子设备的金属外壳。本发明还涉及用该方法制备的金属外壳。

背景技术

在包括笔记本电脑、移动电话等的便携式电子设备中，外壳通常用轻金属(如镁合金或铝合金)制成，以实现重量降低和良好的散热。这种通常包括薄壁和复杂形状的金属外壳可通过压铸技术制备。众所周知，在压铸法中，采用的是用来对与要求形状对应的空腔加以确定的阴模或模具。将熔融金属注入模具空腔中，并在其中硬化。然后打开模具，取出完成的铸件。模压技术在例如JP-A-9(1997)-272945中就已被阐述。

发现普通压铸技术有以下几方面的不足。

通常注入模腔的熔融金属会因为熔融金属向模具的传热而冷却。当空腔包括较大部分和较狭窄部分时，熔融金属在狭窄部分的冷却速度往往比宽阔部分快。不利的是熔融金属的流动性随着金属温度降低而变差。因此，在狭窄部分的熔融金属会在其到达空腔端部前硬化。采用普通压铸技术，当模腔的狭窄部分不大于1.5mm时往往产生这种缺陷。

在普通技术的另一方面，常用脱模剂来进行压铸，使所得铸件容易与模具的模腔表面分离。例如JP-A-5(1993)-92232描述了含有粉末状氮化硼、氮化硅或云母的脱模剂。根据该JP文献的描述，将脱模剂涂抹在模具的模腔表面，然后将熔融金属注入封闭模具中。在该方法中，注入的金属通过脱模剂中含有的颗粒与模具的模腔表面分开。这样所得铸件就容易从模具中脱开。然而，应该注意到：这种普通的脱模剂虽能有利于铸件从模具中脱离，但不能改善熔融金属的流动性。

                          发明概述

在上述技术背景下提出了本发明。因此本发明一个目的是提供金属物体成型方法，用该方法能适当制备具有薄壁的金属物体，而不会产生由于熔融金属的流动性差导致的缺陷。本发明另一个目的是提供用该方法制备的电子设备外壳。

根据本发明第一方面，提供了金属物体成型方法。在预备步骤中，提供带有流动性改善材料的模具，将该材料熔化进入熔融金属中，使熔融金属的凝固点降低。在随后的注入步骤中，将熔融金属注入模具中以制备铸件。

优选的流动性改善材料可包括润滑剂中含有的金属颗粒。在预备步骤中将该润滑剂涂布在模具的模腔表面上。在注入步骤中，使用温度高到足以融化至少一部分金属颗粒的熔融金属。

优选的金属颗粒涂覆了诸如烯烃树脂、丙烯酸树脂或苯乙烯树脂的热塑性树脂。

优选的颗粒直径为1～100μm。

优选的润滑剂含有5～30wt％的金属颗粒。

优选的流动性改善材料可包括金属板。在预备步骤中，将金属板置于模具的模腔表面上。在注入步骤中，使用温度高到足以融化至少一部分金属板的熔融金属。

优选的流动性改善材料可包括锌或锌基合金，而熔融金属可包括镁或镁基合金。

优选的锌基合金可含有60～95wt％的锌和5～40wt％的锡。

根据本发明的第二方面，提供了通过上述方法制备的电子设备外壳。

本发明的其他特征和优点将参照附图从以下详细描述中得知。

                附图说明

图1表示根据本发明的方法涂布流动性改善材料的模具；

图2表示注入熔融金属的封闭模具；

图3表示充满熔融金属的模腔；

图4表示从分离的压模中取出的铸件；

图5是根据本发明第二实施方案采用的流动性改善金属板的透视图；

图6表示图5的流动性改善金属板如何在模腔中定位；

图7表示充满注入的熔融金属的模腔；

图8是表示通过本发明第二实施方案得到的铸件的平面图；和

图9表示用于压铸试样板的金属物体成型装置的基本特征。

优选实施方案详述

以下将参照附图描述本发明的优选实施方案。

图1到4表示根据本发明第一实施方案的金属物体成型方法的某些步骤。如图1所示，模具1具有喷涂了润滑剂L的模腔表面1c。润滑剂L可由润滑液和分散在润滑液中的润滑颗粒组成。

润滑液可以是硅油或水性乳液脱模剂。也可以向硅油中加入表面活性剂、抗发泡剂或增稠剂。

润滑颗粒可由纯锌或锌基合金制成。为了在注入模具1中的熔融金属中适当融化，锌基合金需具有特定的组分。如该合金可含有40wt％的锡，使其在约350℃(液相线温度)下融化，而在约200℃(固相线温度)下凝固。

优选的锌或锌基颗粒可涂覆热塑性树脂。这样就能避免锌或锌基颗粒(下文中的“核心颗粒”)不会由于长时间暴露在空气或润滑剂L中而变成氧化物或氢氧化物。如果没有涂覆，该颗粒就会受到空气或润滑剂L影响，这可能会破坏润滑剂L的润滑性或分散能力。所用热塑性树脂的实例是烯烃树脂(如聚丙烯或聚乙烯)、苯乙烯树脂(如聚苯乙烯或丙烯腈-苯乙烯共聚物)，或丙烯酸树脂，它们可以是水溶性或非水溶性的。这些树脂材料可以单独使用或混合使用。它们的熔点为约150～300℃。这样，通过使用这些树脂，可将模具1的模腔表面1c加热到该范围内适当的温度。

核心颗粒的树脂涂覆可以下列方式进行。首先，将选自上述种类的合适树脂材料加热到融化。然后将核心颗粒加到熔融树脂中。搅拌该混合物，使核心颗粒均匀分散在树脂中。最后，将树脂颗粒混合物冷却到硬化，使核心颗粒嵌在树脂材料中。在分散到润滑液中前将这样得到的树脂块打碎成碎片。或者可这样向颗粒涂覆树脂：将树脂材料溶解在适当的溶剂中、向溶剂中加入核心颗粒、搅拌加入了颗粒的溶剂然后蒸发溶剂。

润滑剂L含有5～30wt％润滑颗粒。这种颗粒含量范围使得润滑剂L适当流动，而且当将润滑剂L涂覆到模腔表面1c时，也能使颗粒均匀分布在该表面上。

在所示实施方案中，锌或锌基合金的粒径优选的为1～100μm。如果粒径小于1μm，喷嘴在喷涂润滑剂L时会堵塞。如果大于100μm，颗粒就不能均匀分散在润滑液中，从而很难将颗粒均匀涂覆到模腔表面1c上。

润滑颗粒的加入和混合在将润滑剂L涂覆到模腔表面1c之前进行。当进行涂覆时，理想的是一直搅拌所用润滑剂L，使润滑颗粒不沉淀。根据润滑剂L的粘度不同，搅拌速率可为10～1000rpm。通过采用比重小的树脂如聚丙烯来涂覆颗粒可减少颗粒的沉淀。

当润滑剂L涂覆到热的模腔表面1c(约150～300℃)上时，水分(如果有的话)就会从润滑剂L中蒸发掉。然后，当采用涂覆了树脂的颗粒时，热塑性膜融化，以暴露出核心颗粒。由于熔融的树脂材料，使核心颗粒良好地黏附在模腔表面1c上。

然后将模具1闭合，如图2所示，以形成要求的模腔20。模具1由固定模具1a和可移动模具1b组成。模腔20包括入口空间21和溢流空间22。入口空间21用于将熔融金属30引入模腔20中。熔融金属从铸造套2注入模腔20中。

金属30优选的是密度不大于5g/cm³的轻金属(如铝或镁)或轻金属合金。通过采用这种轻质材料，可制备适用于笔记本电脑或移动电话的轻外壳。

然后如图3所示，设置在铸造套2中的活塞3前移，将熔融金属30推入模腔20中。在该步骤中，金属30的温度为600～700℃，而模具1的温度根据金属30的种类不同为150～300℃。注入金属30从入口空间21流入并充满溢流空间22。

当熔融金属30进入模腔20时，涂覆在模腔表面1c上的部分润滑剂L就进入在模腔中流动的金属30中。然后，通过熔融金属30加热，润滑剂L中含有的润滑颗粒(由熔点约为420℃的锌或锌基合金制成)就会融化并与热金属30混合。结果，融化的颗粒与紧临模腔表面1c流动的金属30结合形成合金。

由于与锌材料混合，使金属30的最外层合金化区域的凝固点降低。这就意味着即使金属30的部分热量传导给了模具1，金属30也能在模腔20中保持适当的流动性。因此金属30在模腔中流动良好，能充满模腔的任何狭窄部分。当金属30由铝或铝基合金(如Si基ADC3或Mg基ADC5)构成并含有50wt％锌时，熔融金属30的凝固点约为450℃。当金属30由镁或镁基合金(如Al基AM60或Al-Zn基AZ91)构成并含有50wt％锌时，熔融金属30的凝固点约为340℃。

当部分润滑颗粒进入在模腔20中流动的金属30中时，其他部分仍保留在模腔表面1c上。有益的是这些残余颗粒降低了流动金属30与模腔表面1c间的摩擦。

以上两个特点(即金属30的凝固点降低和摩擦力减小)都使注入模腔20中的熔融金属30保持了良好的流动性。结果能减小推动熔融金属30进入模腔20的压力。此外，也能克服熔融金属的缺点并使所得铸件具有光滑的表面。

适当冷却金属30后，将可移动模具1b从固定模具1a上移开来打开模具1，如图4所示。得到包括诸如入口部分32和溢流部分33的不必要部分的铸件P1’。沿规定的切割线(断开线)切割铸件P1’，去掉这些不必要的部分，得到要求的产品P1。

现在参照表示根据本发明第二实施方案的金属物体成型方法的图5-8。

图5表示用于该方法的金属板10。该板10由锌制成(纯度99.99％)，包括主要部分15和与主要部分15垂直的辅助部分16。主要部分15具有第一表面15a和与第一表面15a相对的第二表面15b。主要部分15的长度L1为100mm，宽度L2为50mm。辅助部分16的高度L3为2.0mm。板10的厚度L4为0.3mm。

根据第二实施方案的方法，金属板10以图6所示方式连接到固定模具1b上。具体的是，模具1b通过定位槽1d形成，板10的辅助部分16压入该槽中。在固定状态下，主要部分15的第一表面15a与模具1b保持接触，而第二表面15b暴露在模腔20中。固定板10之后，通过将可移动模具1a与固定模具1b接触来封闭模具1。如前述实施方案，这样形成的模腔20包括入口空间21和溢流空间22。熔融金属30从铸造套2注入模腔20中。

然后，如图7所示，用设置在铸造套2中的活塞(未示出)将熔融金属30压入模腔20中。金属30可由镁基合金如AZ91D(由ASTM提供)制成。AZ91D通常含有9wt％的Al、1wt％的锌和90wt％的镁。根据熔融金属30的种类不同将模具1加热到150～300℃。注入金属30通过入口空间21流入，并流到金属板10上。板10与熔融金属30接触后将部分融化或者全部融化，并与金属30混合，从而增加金属30中的锌含量。如前述实施方案所示，这会导致金属30的凝固点降低，从而使金属30保持其良好的流动性。溢流空间22充满后，金属30发生冷却而模具1仍然封闭。这样就制备了与金属板10(如果板未完全融化)一体的铸件P2’。

铸件P2’充分冷却后，将可移动模具1b与固定模具1a分开，打开模具1并取出铸件P2’。在该步骤中，铸件P2’包括诸如三角形入口部分32和溢流部分33的不必要部分。用例如切刀去除这些部分，得到要求的产物P2。在图示实施例中，产物P2的宽度L5为100mm，长度L6为150mm，厚度为0.8mm。

图6所示金属板10的定位只是一个例子，而不应看作是限定的。根据本发明，板10可设置在相对于熔融金属30可能停滞的部位而言，熔融金属流的上游处。金属板30不是必需由锌制成，可以是能融化到熔融金属30中且能降低金属30的凝固点的任何其他物质。例如板30可由铝合金、镁合金、锌合金或锡合金制成。

现在参照图9和下表描述根据本发明的实施例1～8和比较例1和2。实施例1～7对应上述第一实施方案，而实施例8对应上述第二实施方案。

实施例1

<润滑剂的制备>

制备实施例1的润滑剂，使其含有作为润滑液的市售硅油(产品名：Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.制造的KF54)和5wt％粒径为约20μm的锌颗粒(产品名：Hakusui Chemical Co.，Ltd.制造的R颗粒)。用于实施例1的锌颗粒通过蒸发冷却得到。

<形成试样铸件>

用图9所示的成型装置50制备由Mg合金(AZ91D)制成的试样铸件。装置50包括真空室51和与室51连接的真空泵52，在真空室内，耐火材料一锅，或坩埚53排列在模具54侧面。坩埚53配有加热器55。坩埚53与加热器55一起向模具54倾斜，将坩埚53中的熔融金属倒入模具54的模腔54a中。模腔54a按形成长60mm、宽10mm和厚3mm的试样铸件的尺寸设计。

用以下方式制备试样铸件。首先，将上述润滑剂(硅油与5wt％的锌颗粒)以1ml/cm²的量喷在模具54的模腔表面上。待喷涂润滑剂从一个烧杯中取出，润滑剂在该烧杯中持续搅拌。模具54温度保持130℃。如图9所示，将Mg合金(AZ91D)块放入坩埚53。然后将真空室51抽真空到10^-4Torr，加热坩埚53，使其表面温度升到约650℃。这样将坩埚53中的Mg合金块融化。随后倾斜坩埚53，将熔融的Mg合金倒入模具54的模腔54a中。待Mg合金充分冷却后，从模具54中取出铸件(“试样板”)。基于该试样板，测量流动长度，即测量倒入的熔融金属在模腔54a中自模具54的入口54b处的流动距离。此外还观察试样板的外观。结果示于下表中。试样外观用三个等级评价。具体说，表中符号◎表示试样板没有包括表面凹陷、表面皱褶等的缺陷。而符号○表示试样板在1～3个位置有这种缺陷，符号△表示试样板在4个或更多位置有这种缺陷。

实施例2和3

<润滑剂的制备>

制备实施例2的润滑剂和实施例3的润滑剂，使它们含有与实施例1相同的硅油。对于润滑颗粒，实施例2的润滑剂含有15wt％的锌颗粒(直径20μm)，而实施例3的润滑剂含有30wt％的锌颗粒(直径20μm)。用这些润滑剂制备试样板，并基于该板测量流动长度并且观察外观。结果示于表中。

实施例4

<润滑剂的制备>

制备实施例4的润滑剂，使其含有市售硅油(产品名：Shin-Etsu ChemicalCo.，Ltd.制造的KF54)和15wt％直径为20μm的Zn-Sn合金颗粒。Zn与Sn的组分比为9∶1。Zn-Sn合金颗粒通过将锌和锡混合制备合金，然后冷冻破碎合金，使每个颗粒的直径达到预定值来得到。使用这样制备的润滑剂，如实施例1所示，制备出试样板，并测量流动长度和观察外观。结果示于表中。

实施例5

<润滑剂的制备>

制备实施例5的润滑剂，使其含有市售的水性乳液脱模剂(产品名：Nichibei Ltd.制造的Caster Ace)和15wt％直径为约8μm的Zn-Sn合金颗粒。Zn与Sn的组分比为7∶3。Zn-Sn合金颗粒通过将锌和锡混合制备合金，然后冷冻破碎合金，使每个颗粒的直径达到预定值来得到。使用这样制备的润滑剂如实施例1所示制备试样板，并测量流动长度和观察外观。结果示于表中。

实施例6

<润滑剂的制备>

制备实施例6的润滑剂，使其含有市售硅油(产品名：Shin-Etsu ChemicalCo.，Ltd.制造的KF54)和15wt％用树脂浸透的颗粒。在该实施例中，用树脂浸透的颗粒通过熔化聚丙烯，并与锌颗粒混合得到。锌颗粒直径为约20μm。锌颗粒与聚丙烯的重量比为6∶4。将混合物冷冻破碎到要求的尺寸。所得用树脂浸透的颗粒含有涂覆了聚丙烯的锌颗粒。

<形成试样铸件>

采用实施例6的润滑剂，用与实施例1相同的方式形成试样板，不同的是模具54(图9)的加热温度保持180℃而不是130℃。基于所得试样板测量流动长度并且观察外观。结果示于表中。

实施例7

<润滑剂的制备>

制备实施例7的润滑剂，使其含有市售的水性乳液脱模剂(产品名：Nichibei Ltd.制造的Caster Ace)和15wt％用树脂浸透的颗粒。如实施例6所述，用树脂浸透的颗粒通过熔化聚丙烯，并与锌颗粒混合得到。锌颗粒直径为约20μm。锌颗粒与聚丙烯的重量比为6∶4。采用这样得到的润滑剂，用与实施例1相同的方式形成试样板。基于该试样板测量流动长度并且观察外观。结果示于表中。

比较例1

比较例1的润滑剂仅含有硅油(产品名：Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.制造的KF54)，其不与锌颗粒或任何其他颗粒混合。采用该润滑剂，用与实施例1相同的方式形成试样板。基于该试样板测量流动长度并且观察外观。结果示于表中。

比较例2

比较例2的润滑剂仅含有市售的水性乳液脱模剂(产品名：Nichibei Ltd.制造的Caster Ace)，其不与锌颗粒或任何其他颗粒混合。采用该润滑剂，用与实施例1相同的方式形成试样板。基于该试样板测量流动长度并且观察外观。结果示于表中。

                                          表

润滑剂的构成  润滑剂颗粒  直径(μm)    涂覆层  流动长度  (mm)    外观实施例1硅油和Zn颗粒(5wt％)  20    无  25    ○实施例2硅油和Zn颗粒(15wt％)  20    无  30    ◎实施例3硅油和Zn颗粒(30wt％)  20    无  28    ◎实施例4硅油和Zn-Sn(9∶1)颗粒(15wt％)  20    无  32    ◎实施例5水性乳液脱模剂和Zn-Sn(7∶3)颗粒(15wt％)  8    无  28    ◎实施例6硅油和用树脂浸透的颗粒(15wt％)  20  已形成  36    ◎实施例7水性乳液脱模剂和用树脂浸透的颗粒(15wt％)  20  已形成  34    ◎比较例1硅油  -   -  20    △比较例2水性乳液脱模剂  -   -  18    ○

<实施例1～7和比较例1～2的评价>

如表所示，实施例1～7在流动长度(流动性)上优于比较例1和2。具体地，与采用和实施例2、4和6相同的润滑液(硅油)的比较例1比较，实施例2、4和6的流动性提高了50％以上。同样，与采用和实施例5和7相同的润滑液(水性乳液脱模剂)的比较例2比较，实施例5和7的流动性提高了50％以上。此外，可注意到采用用树脂浸透的润滑颗粒的实施例6和7比其他实施例1～5的流动性优异。对于试样板的外观，实施例1～7的外观光滑，而比较例1和2的外观不光滑。

实施例8

<模铸>

图5所示的金属板10采用锌板(锌的纯度99.99％，L1＝100mm，L2＝50mm，L3＝2mm，L4＝0.3mm)制成。将该锌板放入模铸机械的模具中。将加热到630℃的熔融Mg合金(ASTM的AZ91D)注入加热到250℃的模具中。注入压力为70kgf/cm²，注入速率为2.0m/s。锌板整体融化在熔融金属中。待金属冷却后，打开模具，取出试样铸件。以这种方式制备100个试样铸件。

<质量检查>

用肉眼检查100个试样铸件的表面缺陷，包括裂纹、缺口、皱褶、波纹等。结果是所有试样铸件都没有这种缺陷。

比较例3

用与实施例8相同的方式制备100个试样铸件，不同的是在模具中不放金属板。在这种情况下，发现67个试样铸件有缺陷。

根据本发明，如上所述，熔融金属的流动性可通过控制熔融金属的凝固点和/或降低熔融金属与模具的模腔表面之间的摩擦力来提高。由于流动性的改善，就能制备高质量的薄壁金属物体。

虽然对本发明进行了这样的描述，但是，显然这种描述可以采用许多方式加以改变。这样的改变不认为脱离了本发明的精神和范围，而且，对于本领域的专业人员显而易见的是，所有的这种修改都包含在以下权利要求的范围内。