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笔记本电脑外壳工艺

作者:博乐坊 日期:2021-01-06 03:08

  笔记本电脑外壳工艺_机械/仪表_工程科技_专业资料。【科普】笔记本外壳材料 之二 “羞涩”的铝合金 笔记本外壳材料 之二 “羞涩”的铝合金 虽然标题如此,本部分准备介绍两种常用于笔记本外壳的合金材料,也是最为 典型的轻合金——铝合金和镁合金。 铝

  【科普】笔记本外壳材料 之二 “羞涩”的铝合金 笔记本外壳材料 之二 “羞涩”的铝合金 虽然标题如此,本部分准备介绍两种常用于笔记本外壳的合金材料,也是最为 典型的轻合金——铝合金和镁合金。 铝合金大家耳熟能详,实在是一种烂大街的东西。现在对生活追求高些的人们, 家里日用东西一概不用塑料,要么不锈钢,要么铝合金,甚至连铝合金都感觉 低档。实际上塑料如果做得好,其性能、外观、手感绝对不逊于金属制品。不 过国内塑料日用品大多是低档到不行而已。题外话,不算字数,哈哈。 老实说,搞这么个系列性的东西还是有些托大了。毕竟对笔记本机壳,对真东 西研究得实在少到不值一提,到底哪些型号用了是铝合金,哪些用了镁合金, 都分别在哪些部位用的,用得哪种型号的合金,实在是找不到资料,也没弄来 样品做过分析。所能做的,只能是通过从事材料学专业教学研究几年来的一点 粗陋的认识,对人们常见的误解,对公关文案上常见的花火做些辨别而已,希 望博乐于阅读技术性文字的朋友一乐。 从何说起呢?实在提不出个头绪来,还是先讲古吧。 铝是年轻的元素,从发现到现在不到 200 年,从成功炼出铝块(早期在实验室 里得到的都是粉末或小球)到现在不过一百五六十年。从产业化的电解炼铝法 发明算,更仅有一百二十多年。要是从德国人阿弗列?威尔莫发明硬铝,给了柔 弱的铝一副坚硬的筋骨,把它从庙堂请到车间,直接推动了航空、汽车、电力、 建筑等重要工业的发展算起,也就将将一百多年,但是铝极大地改变了世界的 面貌。二十世纪,是铝的世纪。没有铝就没有现代意义的航空工业,没有航空 工业,就没有我们现在耳熟能详习以为常的思维和生活方式。 铝质轻,比重 2.7 左右,即便与更重的元素,如铜、锌等合金化后,比重增大也 不多。如果大量加入锂后,比重甚至会降到 2.0 以下,比很多碳纤维和很多塑料 都要轻。纯的铝是很软的,延展性极好,但是强度不足以作为制造设备和零件 的结构材料。但是加入其他元素形成合金之后,利用溶解度随温度的变化,使 这些高温能完全与铝形成溶液(当然是固态的溶液,材料科学上叫做固溶体) 的合金元素(例如常用的二系铝合金中的铜) ,在低温(指低到常温范围内)下 沉淀出来,形成沉淀相(叫法很乱,也有叫二次相的) 。当然这个沉淀相的出现 并不是说都像液体溶液中析出的沉淀那样都沉到底部。在固体溶液中析出的沉 淀相自然不可能受重力作用都沉到铝合金锭子的底部,实际上它们会弥散地分 布于铝合金内部组织各处。这些沉淀相会阻碍合金受力作用(如拉伸力、压缩 力、扭转力、剪切力等)时,不同部位之间的相对滑移,使材料对载荷(实际 上是对载荷引起的形变)表现出更大的抵抗力,我们就说材料有更高的强度。 这就是铝合金的强化原理——沉淀强化。 当然某些铝合金中也存在另外一种强化机制——固溶强化,但是相对于沉淀强 化作用较次要,也较少见。解释起来又麻烦,恕我偷懒掠过了。 沉淀强化的实际效果需要温度的配合,也就是说把合金元素加到液态铝中浇成 锭子还不算完,就像其他合金材料那样,还要经过合理的热处理才能获得理想 的综合性能。对沉淀强化铝合金而言,其热处理通常采用固溶+淬火+时效。抱 歉,又出专业名词了。简单地说,固溶就是加热,让沉淀相(特别是分布得不 理想的沉淀相)重新溶解,使整个大块材料重新变成一个均匀的固体溶液。形 成固体溶液之后,浸入水,或专用淬火药剂中淬火(淬火都应该知道吧) 。淬火 的目的是用激冷把固体溶液强制保持到低温。而随后的时效就是让处于不稳定 状态的过饱和固体溶液在人为控制的温度(这个温度一般不会超过 200 度)下 保持一段时间(时间长短视最终要求的性能而定) ,在这段时间内,过饱和固体 溶液中的合金元素,其超过该温度下溶解度的那部分就会以沉淀相的形式析出 来,析出越均匀,强化效果越理想。 铝合金,包括其他常用结构金属元素的合金化是历久弥新的研究和发展领域。 毕竟影响因素多不胜多,平平常常就能想到的,合金元素的种类和相对比例、 热处理各阶段的温度、时间等,这就多少个参数了。而且冶金研究经常要在高 温工况下测量,对设备要求高,人也受累。材料的力学、理化性能检测又是另 一个大工程。比如航空发动机上用的那些材料,那一个的技术要求不是几百个 参数。所以一个新的合金,哪怕是老合金的新热处理工艺的研发成功,都是了 不起的成果。 糟糕糟糕,一不留神又扯远了。赶紧回头,说笔记本吧。 现在笔记本外壳用金属材质(或金属基体里嵌纤维——这个内容放到第四部分 纤维复合材料里介绍) 的, 莫不宣传自己用的是 “镁合金” 至少是 , “镁铝合金” 。 果真?果然? 当初笔记本上用镁合金,甚至是外壳用镁合金的概念刚流行时,我也曾经怀疑, 嗤之以鼻过,逢人就给人纠正: “什么镁合金,不过是高镁含量的铝合金罢了! 噱头,一切都是噱头!” ! 为什么我当初那么坚决地否认一切镁合金应用的宣传呢?基于以下几点似是而 非的认识: 一、 “镁(及其合金)耐腐蚀性差呀! ” 这确实是有道理的。镁、铝和钛并称为三大轻金属,它们的合金并称三大轻合 金系列。但是从各方面看铝更像钛,它们的耐腐蚀性都很好,原因在于它们在 通常条件下表面都存在一种“钝化”的作用。简单地说,就是这两种金属及其 合金的表面存在一层极薄,但是极稳定致密,与基体金属结合极好,同时又有 自修复效果的氧化物(对钛而言,还有一部分氮化物,因为钛可以与空气中的 氮气自发地反应,而铝则不能)膜,这层膜起到了阻挡或隔绝外部侵蚀性环境 因素的作用。镁则是另外一种情况。镁虽然性质也极活泼,用刀切开镁块,铮 亮的新断口很快就变暗变糊了,就是快速地与空气中的氧(可能还有水,至少 吸附水会起一定的促进作用。这里水深高人多,话还是不要说太绝对得好)反 应成膜。但是这个膜层结构不好,它是疏松多孔的。不光不能起到隔绝防护作 用,反而会因其多孔更加容易吸附水汽,加剧基体金属材料的氧化损失——也 就是发生了腐蚀。正因为镁合金的严重的腐蚀倾向,现在至少国内的军机和波 音的新型号民机都禁止在结构部位使用镁合金(其他的器材,比如电子附件盒 等等用镁合金的还是很多的) 。其他的民用领域,比如汽车,因为没有像飞机那 么变态的可靠性要求(当然一旦不可靠了,死人的风险对当事人而言无论多低 都是不可接受的) 只要想办法做好表面处理, , 腐蚀防护, 镁合金因其比重轻 (1.8 左右,比铝轻 1/3) ,强度方面还可以接受所带来的减重、节油、安全等好处还 是值得过的。比如国产桑唐纳轿车从 2000 型开始就使用镁合金铸造的油箱了。 但是啊但是,当初就是只知其一不知其二,总感觉镁合金氧化物生得不好,应 该不会像铝合金那样可以方便地通过阳极氧化(后面马上说到)获得优良的耐 腐蚀性。其实则不然,镁合金的阳极氧化早就是成熟技术。甚至有一种更加简 便,效果也不错的表面处理方法,叫做微弧氧化的工艺,乌克兰人早就连设备 都卖到哈尔滨了。我师兄后来也开始做微弧氧化,当然是自己攒设备土法上马, 但是确实工艺简单得要死,效果却好得要死。科学研究,知难行易,张教授诚 不我欺也! 二、 “镁合金贵呀! ” 其实也没多贵的。镁储量极丰,海水、盐湖水抽上来,把氯化镁分出来,跟铝 一样电解就是。刚随便在 google 上查了查所谓“媒体价” ,国内最常用的镁合金 AZ91D(是一种含 Zn 和 Al 的镁合金)按吨走的价格平均到 1 公斤是 32 块钱, 而最常用的铝镁合金——ZL30x 系列公斤价是 68 元。当然这个比较是不大可靠 的,但是应该说镁合金就算贵也不会比铝合金贵太多。当然现在镁合金的使用 也逐渐多起来了,价格或许会逐渐走高也说不定。 所以啊所以,当我在 51nb 上看 t60 拆解照片,结结实实地看到防滚架和 A 壳上 的“cast Mg” (铸镁)字样时,我惊愕:我错了!我傻了!我土了! 其实联想到大和的传统,以及日系轻薄本一贯追求极致的作风,又怎会对镁合 金的应用视而不见呢?6x 系列上随 roll cage 大方登场的镁合金可能已经是迟到 了。 那么,话说回来,到底有没有“高镁铝合金”用到笔记本外壳上呢? 惭愧,还是了解甚少。或许现在就有,或许曾经有过,也大多淹没在泛滥的公 关文案当中而不可考了。特别是在表面防护问题的解决使镁合金大行其道的今 天,铝合金会永远没有大大方方出头的日子了吧?先是被跑龙套的(或许这样 说不太公平,反正就是一乐,这个请别太较真)钛,后是被镁给抢了风头,换 我也羞死了! 但是,幸亏这世界还有 Apple。Apple 用铝合金是有优良传统的,人家用铝合金 就大大方方告诉你是铝合金。说到这里,或许应该提醒下大家,Apple 的 powerBook G4 可是有过 Titanium 系列的, 不过这个 Titanium 是不是货真价实估 计也不可考察了。毕竟 IBM 时代的 ThinkPad 和 Apple 都是小众产品(lenovo 的 TP 有“卖”向大众的意思,但是黑迷却不太领情似的,人心难测) ,甚至笔记本 都是小众产品,对普罗大众来说,了解笔记本、了解 tp 或 Apple、下决心掏两 倍以上的银子购买,心理上要跨越三大步才能到位。所以这 Titanium,或许将永 远如那传说里的神祗一样,只有被人顶礼膜拜的份了吧。 为何 Apple 义无反顾地用铝呢?简单分析一下不难发现, Apple 的 powerbook 其 机壳设计简洁到寒酸,哪像 tp 掉过底来,又是折角又是台阶的。形体越简单, 就越容易通过模锻(就是在模具中锻造)来成型,否则细节太多模具寿命会短 到无法接受。而用压铸的办法生产铝合金,特别是笔记本机壳这种质量要求比 较高的产品,因为铝合金熔点还是太高(纯铝的在 660 多度,铸造用合金要低 些) ,高温下活泼的液态金属氧化,造成铸件氧化物夹杂的问题不太容易避免, 废品率会比较高(这些属于不负责任的揣测了——笔者谨注并向专家求证) ,能 耗方面相对锻造也不合算。当然用镁合金铸造也会有这方面的问题。 锻造,则限制机壳设计,铸造,则工艺问题多。没有两全其美,看哪个更加适 合设计理念吧。 镁合金这种东西的腐蚀问题终究是它最大的罩门。镁合金的应用一直以来是受 到腐蚀防护技术的限制。直到前一二十年,随着阳极氧化的应用和微弧氧化的 发展, 厂商才敢大大方方地用镁。 所以你看那些卡片 DC 一个赛一个地比着轻薄, 一大部分原因都是因为用了镁合金做壳。 那么这个阳极氧化、微弧氧化到底是什么意思? 不知道各位对电解知道多少。现在至少有点化学基础的人,平时略微留点心应 该会知道氯化钠,也就是我们吃的食盐中最主要的成分,另一个最大的用途就 是用来电解,生产非常有用的两种无机化工原料——氢氧化钠(俗称烧碱)和 氯气,同时还能副产氢气。其过程就是在食盐水槽子里头插两根钛或钌或铑或 其他惰性材料制成的电极,电极分别接到强大的直流电源(汇流排都是小孩胳 膊粗的)的正负极上,槽压加上去,连电源负极的那个电极(这里一般称为阴 极)提供的电子就把水中的一个氢离子还原出来,两个氢原子合并成氢气,从 阴极室跑出来。另外一端的阳极(也就是接电源正极的那个电极)从氯化钠解 离出来的氯离子那里强行夺走电子,把它氧化成氯气,从阳极室里跑出来。这 种过程,或工艺就叫做电解。 如果电解能明白,阳极氧化就简单了。其实就是把电解食盐水的两个电极中, 其中作为阳极(也就是连接电源正极的那个)的材料换成要处理的铝合金或镁 合金零件就是了。另一端随便用个碳或不锈钢做阴极,反正是被电源负极供来 的电子保护着,不会受到溶液的腐蚀。当然槽子里的溶液就不能用食盐水了, 要换成专用配方的电解质溶液。电流强度也要根据处理的零件的裸露面积调节。 这样,在合适的电流密度、温度和电解质溶液提供的化学环境构成的组合工艺 参数下,给槽子(或者说给零件)通一段时间的电,就会发现裸金属铮亮的外 观变成乌突突毛糙糙的样子了(可能说得严重了,但是确实很难准确形容阳极 氧化膜的外观) ,这就是生成了阳极化膜的结果。阳极化膜生长的过程,正如其 他很多用到烂大街的化学反应一样,说法并未完全统一,仍有一些模糊之处, 当然这并不妨碍我们放心大胆地用它们,自然也不妨碍我在这里大嘴胡说了。 科学技术哪有那么多弄得清楚明白的,真理姑娘身上最后一件贴身小衣服是永 远可望不可即的。量子力学严密了那么多年,到了还不是让海森堡弄出一个测 不准原理,大伙就都老实了? 又扯远了。回来简单说说为什么会长出阳极化膜来。在电源正极的作用下,铝 上的电子被不断夺走,表面的铝原子不断地变成铝离子,接触到水之后,发生 水解反应,生成从氢氧化铝到羟基氧化铝等不同的水解产物。在溶液的化学环 境,和铝的电位合适的时候,这些水解产物就会长成一种结构规则致密的膜层。 当所有裸露的铝表面都被膜层覆盖之后,后续的生长过程就与电位无关,而仅 与电流密度,和溶液化学环境决定的水解产物再溶解的速率有关了。 最终形成的阳极化膜,从化学成分上说,是含有羟基(-OH)的氧化物,因为毕 竟是在水溶液中长出来的,带个把羟基不稀奇。从结构上说,铝合金的阳极化 膜是一种底层(就是直接附着在金属材料基体上的)是连续致密,顶层呈蜂窝 状,带有垂直于表面,互相平行,均匀分布盲孔的结构。这种结构的好处多多, 第一,连续致密的底层起封闭、隔绝、阻挡作用,是防腐的最后一道防线;第 二,多孔的顶层可以为后续涂装的有机涂层(就是俗称的油漆了,当然现在的 合成涂料基本没桐油什么事了,都是环氧、聚氨酯等树脂——树脂的概念将在 本系列文章第三部分,塑料中解释)提供“锚固点” ,也就是说涂层固化成漆膜 后,会像蜈蚣一样向阳极化膜的孔中长出无数条腿来,在阳极化膜上牢牢扎根, 这样结合力更好,否则漆一起皮剥落,再好的涂料也白瞎了;第三,阳极化膜 中的羟基,可以与环氧等涂层形成氢键作用,进一步提高结合力,当然这个概 念有点深了,但估计学过大学化学的朋友们应该至少还应该记得氢键这个名词, 总之,记住这是不比机械猫合作用弱的一种作用就没错。 正因为阳极化膜有这许许多多的好性质,所以不管镁合金,还是天然耐蚀性不 差的铝合金,现在基本上都是阳极化完了再涂漆来用。镁合金不说它了,铝合 金虽然天然有钝化倾向,但是自然生成的钝化膜很薄,而且在表面沉淀相(刚 解释完的概念啊,忘了的话往前翻页) “露头”的地方,由于有其他合金化元素 的干扰,钝化膜生长得很不完整。所以还是老老实实一起阳极化完了,用着踏 实,而且也不贵。 阳极化工艺根据所使用电解质溶液配方的不同,可以分为硫酸阳极化、草酸阳 极化、铬酸阳极化、磷酸阳极化等多种。不同工艺获得的阳极化膜的成分、结 构、质地、颜色等都会略有不同。据我所知,国内飞机上铝结构件以前用硫酸 阳极化得多(受苏联的影响) ,但是硫酸阳极化膜质地脆硬,容易诱发铝合金的 疲劳损伤。现在由于长期给波音、庞巴迪等外航代工,受他们的影响,逐渐转 到铬酸阳极化工艺上来了。当然六价铬是有毒的,需要注意劳动防护和污水处 理,这一点从事机电、外贸行当的朋友们都了解。如果铝合金件需要进行粘接, 比如粘个蜂窝芯夹层板啥的,铝合金就需要用磷酸阳极化来处理,因为获得的 阳极化膜胶粘性能最好。 阳极化就说这么多吧。那么什么是微弧氧化呢? 简单地说,把阳极化槽的两个电极靠近,电压升高,直到两个电极之间的电场 强度大到击穿溶液,产生火花放电的程度,就差不多是微弧氧化了。当然电解 质溶液还是不一样,要加一些特殊的东西。微弧氧化操作的时候,在水中发生 火花放电的景象还是有点小壮观滴……。那么为什么要搞这么变态的东西出 来?还是因为镁的氧化膜生的不好。要知道,铝的氧化物的密度比铝小,也就 是说生成的膜层因为膨胀的关系会挤紧,当然其致密结构基本上不能用这个理 由来解释了。但是反过来说,镁的氧化物的密度反倒比镁大,镁氧化膜会因体 积收缩的关系而变得疏松,结构无论如何也是致密不起来的。所以镁阳极化工 艺一直不很成功。怎么解决呢? 也不知当初谁想得招,愣把给瓷器烧釉子的概念迁移过来了:既然镁的氧化物 疏松,我给它加个高热,让它熔融了,一变了液态,自然就把那些孔隙给填死 了,就算填不死给它流平了也成,就像家里装修刷涂料一样,腻子有个把小缝 没关系,油漆流过去就都看不见了。但是氧化镁,正如其他金属的氧化物一样, 人家本质上都是陶瓷啊,熔点高得一塌糊涂,没等它化,镁合金已自身难保了。 但是在溶液中用电火花放电加热则不同,一来能量集中于表面,背侧的镁合金 受溶液环绕散热,温度不会升的太高。二来,还是可以把给瓷器烧釉子的概念 拿过来,电解质溶液中加入特殊成分,咳,也没啥保密的,就是加入硅酸盐和 氟化物,用这些东西作为助熔剂,促进氧化镁液化,降低所需温度,减轻对工 艺条件的苛刻要求。这样,氧化镁老老实实化了,跟硅酸盐等其他乱七八糟一 块烧成釉子——学术上的专门称呼叫做陶瓷膜,腐蚀防护就基本没问题了。 这种微弧氧化获得的陶瓷膜的结构,与阳极化膜大致相仿,也是由连续致密的 底层和疏松多孔的表层构成,自然也有类似以上提到的三点好处。 镁合金微弧氧化膜的结构、质地、性能、外观也是受工艺条件的影响的。不同 电解质配方获得的颜色可以有很大区别,灰、白、黄,都有可能。之前看到过 一位 51nb 网友质疑朋友的 t400 防滚架颜色不对, 是黄的, 虽然最终没看到照片, 但估计就是因为微弧氧化工艺改变的结果,而不是换了塑料的缘故吧。 镁合金微弧氧化工艺有一个问题,就是需要在强碱性溶液中进行。带来的问题 有二:一是火花放电时溶液剧烈蒸腾,如果不加罩子冷凝回流,碱雾弥漫,能 呛到人说不出话来;二是镁在碱性溶液中会发生严重腐蚀,控制不好得话,会 因过腐蚀造成工件尺寸超差,或者因腐蚀产物夹杂降低陶瓷膜的致密性和与基 体的结合力。所以微弧氧化工艺的调试也有些技术含量在里头,每年都有大量 的专利。 -----------------------------------------------抛砖引玉,先发第一部分。如网友对这个题目感兴趣,有问题欢迎在跟帖中提 出。 下期预告:笔记本外壳材料 之三 “低档”的塑料 小修,改了几处错别字,补充阳极化膜的生长过程


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