防腐耐熱鋅擴散合金鍍層的製作方法

2023-04-23 06:22:56

專利名稱：防腐耐熱鋅擴散合金鍍層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在其表面上有一層鋅擴散鎳合金鍍層的鋼基體以及一種形成所述鍍層的方法。
背景技術：
鋼製品經常遭到大氣侵蝕的破壞，所以必須進行保護。其通常是通過鍍敷有機膜(漆)或金屬鍍層(電鍍)來實現的。鋼也經常遭到在高溫下的熱氧化，如果其要經受這種環境，則它必須通過適當的鍍層進行保護。電鍍或噴塗金屬塗層或金屬漆經常被用來在高溫環境中提供保護，諸如在氣體渦流發動機中的高溫環境。當同時需要耐熱防腐時，問題就出現了。耐高溫鍍層通常不能有效的提供大氣侵蝕保護，而普通的能夠防止大氣侵蝕鍍層在高於420℃(大約790°F)時提供很少的熱防護作用。
發明概述因此，本發明的一個目的就是提供一種能夠耐熱防大氣侵蝕的鍍層。
本發明的另一個目的是提供一種形成上述鍍層的方法。
前述目的通過本發明的鍍層和方法實現。
根據本發明的第一方面內容，提供一種在基體上鍍覆防腐耐熱鍍層的方法。該方法主要包括以下步驟，在基體上鍍覆一層鎳基鍍層，在該鎳合金鍍層上鍍敷一層鋅，和使鋅擴散到鎳合金鍍層中。如果需要可以將所述待鍍基體在所述擴散步驟之前或之後沉浸到磷酸鹽化三價鉻轉化溶液中。
根據本發明的第二方面內容，提供一種具有至少一個表面和在其至少一個表面上的一層鋅擴散鎳合金鍍層的鋼基體。
關於本發明的方法和鍍層的其他細節，和其他相應的目的和優點將在以下詳細描述部分和附圖部分中闡述，其中同樣的附圖標記代表相同的內容。
附圖簡述

圖1是鋅擴散鎳合金鍍層形成過程示意圖；圖2是圖示說明在鋼基體上的鋅擴散鎳鈷鍍層的濃度分布的曲線圖；
圖3A和B圖示說明一種暴露在ASTM B117鹽霧中20小時後的鍍有NiCo-Zn鍍層的鋼板。
圖4是一種備選的鋅擴散鎳合金鍍層形成過程示意圖；圖5A和5B圖示說明一種暴露在ASTM鹽霧中199小時之前和之後的局部轉化鍍覆的樣品。
優選實施方案詳述本發明包括將鋅擴散到在先沉積在基體上的鎳基鍍層中。本發明的鋅擴散鎳合金鍍層可以被鍍覆在由較寬範圍的材料製成的基體上，但在由鋼材料製成的基體上如被命名為C1010的還原低炭鋼合金尤其有效。
圖1圖示說明根據本發明的鍍覆鋅擴散鎳合金鍍層10的過程。該過程從準備一個潔淨的基體12開始，該基體優選由鋼材料製成。基體12可以是用於氣體渦流發動機內的組件。純鎳或鎳合金鍍層14沉積在基體12的至少一個表面16上。任何適合的已知現有技術都可用於沉積鎳或鎳合金層14。優選地，該鎳或鎳合金鍍層14的沉積速度為大約12.0μm/小時，其中電鍍液的操作溫度為室溫(大約68°F(大約20℃)到130°F(大約55℃))。電鍍液組成由電鍍鎳材料而定。典型的鎳鈷合金電鍍液組成包括48-76g/l Ni，1.7-2.9g/l Co，15-40g/l硼酸，4.0-10g/l氯化物(來自NiCl2-6H2O)，其pH值為3.0至6.0，優選4.5至5.5。其他適合的可鍍覆的鎳合金包括NiFe，NiMo和NiSn。當鍍覆鎳鈷合金時，鈷在鍍層中的含量應為7.0到40wt％。鍍覆過程應當在電流密度0.5amps/dm2到4.304amps/dm2之間進行，其中電鍍液的pH值保持在2.0至6.0。鎳層14的厚度為2.0-20μm，優選1.0-14μm，最優選8.0-11μm。
在將鎳層14沉積到基體12上後，鋅層18將沉積到鎳或鎳合金層14上。鋅層沉積可使用任何適當的現有已知技術。優選地，鋅層沉積應用電鍍技術，其中鋅沉積在室溫下以大約1μm/分鐘的速度進行。鋅電鍍化學成分主要由鋅硫酸鹽加入乙酸鈉和氯化鹽組成。鋅金屬濃度為8.8g/l-45g/l。鈉鹽被用來提供適當的電鍍液導電性。鋅層在中度攪拌到輕度攪拌的室溫溶液中沉積。適當的鋅電鍍液化學成分包括442.5g/l ZnSO4-7H2O，26.5g/l NaSOP4，13.8g/l CH3COONa-3H2O和1.0g/l NaCl。電鍍液的pH值為4.8至6.2，其中pH值由NaOH或H2SO4調節。3.228amps/dm2至8.608amps/dm2範圍內的電流密度可用來鍍覆所述鋅層。鋅層18的厚度為0.8-14μm，優選2.0-14μm，最優選4.0-7.0μm。
鋅層18中的鋅可以應用任何適當的已知技術擴散到鎳合金層14中。優選應用熱擴散技術。熱擴散可在空氣爐或惰性氣體爐內進行，其中擴散溫度為600-800°F(315-427℃)，擴散時間至少為100分鐘。若需要，熱擴散可分兩步進行，首先將鍍有鎳合金14和鋅層18的基體12在80-100分鐘內加熱到上述溫度範圍的第一溫度，然後在20到60分鐘內加熱到上述溫度範圍的第二溫度，優選高於第一溫度。
以下所作的測試用來表示本發明的鍍層的作用。
試驗用的測試面板由潔淨的還原低炭鋼取樣管制成，所述面板在500ml室溫攪拌的測試電鍍液中鍍敷一層鎳鈷合金鍍層。所述合金鍍層是在電流密度為0.5-4.0amp/dm2範圍內進行沉積的。鎳鈷合金電鍍液組成包括62g/l Ni，2.3g/l Co，27.5g/l硼酸，7g/l氯化物，其pH值為5，由NaOH或H2SO4調節。鋅電鍍液的鋅金屬濃度為8.0-45g/l。氯化鉀和氯化銨鹽用來提供想要的電鍍液的導電率。在測驗取樣管上的鋅層是在室溫中度攪拌的溶液中沉積形成的。擴散分兩個階段完成，最典型的是先將樣品控制在630°F(332℃)90分鐘，然後控制在730°F(388℃)一個小時。
樣品的X-射線圖表明鋅原子穿過鎳鈷鍍層擴散到NiCo-Fe界面上，在較小的程度上鎳和鈷原子都擴散到鋅鍍層中，圖2的濃度分布圖表示不同種類的元素濃度梯度，該濃度梯度是由最初在大約2.0μm厚的鋅和在其下3.0μm厚的鎳鈷合金擴散成5.4μm厚的鍍層的擴散過程形成的。該圖表明80％的鍍層表面的金屬原子是鋅，鋅的含量在NiCo-Fe界面上下降到幾乎為0。
圖3A和3B表示所加的鋅是如何在腐蝕環境中提高本發明的鍍層的性能的。圖3A表示在熱擴散循環之前(右)和之後(左)形成的鍍層。圖3B描述了暴露在ASTM B117鹽霧中20個小時後的情況。樣品的邊緣用電鍍帶遮蔽。裸露的鋼部分上的嚴重的紅鏽表示出暴露的電鍍帶的寬度。含63％的鎳和37％的鈷的鎳鈷合金單獨起到了一些防腐作用，但被破壞的部分顯示出很高的易腐蝕性(在樣品鍍層上衝壓穿孔)。只有在沉積了一層薄的鋅層隨後又進行了熱擴散的頂部表現出增強了的防腐蝕能力。
現在參看圖4，如果需要，可以將所述帶鍍層的基體沉浸到一種磷酸鹽化三價鉻轉化溶液中。沉浸步驟可以在最後擴散步驟之前或之後進行。
所述磷酸鹽化三價鉻轉化溶液含有一種水溶性三價鉻化合物，一種水溶性氟化物和一種可以減少三價鉻的沉澱的增進防腐添加劑。該添加劑包括螯合劑或兩個或三個配位基配體。通常，該添加劑的含量基於整個溶液是5ppm到100ppm，優選的基於整個溶液的含量為15ppm到30ppmm。優選的抑制腐蝕的添加劑包括氨基磷酸的衍生物，例如鹽和酯衍生物像三磷酸三亞甲基胺(NTMP)，氨基烷基磷酸(hydroxy-amino-alkyl phosphoric acids)，乙基亞甲基亞氨磷酸(ethylimido(methylene)phosphoric acids)，二乙基氨甲基磷酸(diethyl aminomethyl phosphoricacid)等，可以是其中的一種或另一種或幾種的組合，只要這種組合得到的添加劑是充分溶於水的。一種特別適當的用作腐蝕抑制劑和溶液穩定劑的添加劑是三磷酸三亞甲基胺(NTMP)。
稀釋的酸性水溶液包括一種水溶性三價鉻化合物，一種水溶性氟化物和一種氨基磷酸。溶液中三價鉻化合物的含量為0.2g/l到10.0g/l(優選0.5g/l到8.0g/l)，氟化物的含量為0.2g/l到20.0g/l(優選0.5g/l到18.0g/l)。稀釋的三價鉻化合物電鍍液的PH值為2.5到4.0。
通過使用三價鉻含量為100ppm到300ppm、氟化物含量為200ppm到400ppm、抑制腐蝕氨基磷酸含量為10ppm到30ppm的電鍍液得到了非常好的防腐作用且逐漸減少了三價鉻的沉澱。
電鍍後的基體沉浸到磷酸鹽化三價鉻轉化溶液中5秒到15分鐘，優選至少30秒。
圖5A和5B表示本發明的經轉化鍍覆的作畫線標記的鎳鋅鍍覆取樣管只有左半部分暴露在鹽霧中。圖5B表示的是同樣的取樣管暴露在ASTM B117鹽霧中199個小時。比較圖5A和5B顯示轉化鍍覆部分尤其是作劃線標記的部分是如何擁有更好的防腐能力的。鍍有轉化鍍層的樣品那半部分與基礎電鍍部分相比總體上也有更好的表現。最右部分是沒有鍍覆的鋼，因此遭到了嚴重的紅鏽腐蝕。
本發明的鋅擴散鎳合金鍍層，可提供給基體尤其是應用在氣體渦流發動機的基體非常出色的防腐能力和高於900°F(482℃)的耐熱能力。
很明顯根據本發明提供了一個防腐耐熱的鋅擴散鎳合金鍍層，該鍍層能夠滿足在前文中已經闡明的目的、手段和優點。而本發明根據上下文已經描述的具體實施方式
中的其他選擇、修改和變化對已經了解在前的描述的本領域普通技術人員來說是顯而易見的。因此，本發明包含的其他選擇、修改和變化都將落入附加權利要求的廣泛的範圍內。
權利要求
1.一種在基體上鍍覆一種防腐耐熱鍍層的方法，包括以下步驟在所述基體上鍍覆一層鎳基鍍層；在所述鎳基鍍層上鍍敷一層鋅；和將鋅擴散到所述鎳基鍍層中。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述鍍覆鎳基鍍層步驟包括在所述基體表面電鍍一層鎳或鎳合金。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述鍍覆鎳基鍍層步驟包括鍍覆一層厚度為2.0-20μm的鎳或鎳合金。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述鍍覆鎳基鍍層步驟包括鍍覆一層厚度為2.0-14μm的鎳或鎳合金。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述鍍覆鎳基鍍層步驟包括鍍覆一層厚度為8.0-11μm的鎳或鎳合金。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述鍍覆鎳基鍍層步驟包括在用於氣體渦輪發動機的組件上鍍覆一層鎳或鎳合金。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述鍍覆鎳基鍍層步驟包括在鋼基質上鍍覆一層鎳合金層，所述鎳合金選自鎳鈷合金、鎳鐵合金、鎳錳合金、鎳鉬合金和鎳錫合金。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述鋅層鍍敷步驟包括製備一種鋅金屬濃度為8.0-45.0g/l的電鍍溶液和將所述鋅層電鍍到所述鎳合金層上。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述鋅層鍍敷步驟包括鍍敷一層厚度為0.8-14μm的鋅層。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述鋅層鍍敷步驟包括鍍敷一層厚度為2.0-14μm的鋅層。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述鋅層鍍敷步驟包括鍍敷一層厚度為4.0-7μm的鋅層。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述擴散步驟包括在空氣爐和惰性氣體爐中的至少一種爐內形成一個熱擴散循環，該循環在600-800°F下運行至少100分鐘。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述熱擴散循環包括在80-100分鐘內加熱所述鍍有鋅層的鎳基基體到上述溫度範圍的第一溫度，然後在20-60分鐘內加熱到一個比第一溫度更高的第二溫度。
14.如權利要求1所述的方法，進一步包括將所述基體沉浸到磷酸鹽化三價鉻轉化溶液中。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述沉浸步驟在所述鋅鍍覆步驟之後和所述擴散步驟之前進行。
16.如權利要求14所述的方法，其中所述沉浸步驟在所述擴散步驟之後進行。
17.如權利要求14所述的方法，其中所述沉浸步驟包括將所述基體沉浸到一種溶液中，所述溶液含有一種水溶性三價鉻化合物，一種水溶性氟化物和一種提高防腐性能的添加劑。
18.一種具有至少一個表面和在其至少一個表面上的一層鋅擴散鎳合金鍍層的基體。
19.一種如權利要求18所述的基體，其中所述基體由鋼製成。
20.一種如權利要求18所述的基體，其中所述基體包括一種用於氣體渦流發動機的組件。
21.一種如權利要求18所述的基體，其中所述鋅擴散鎳合金鍍層在溫度高於900°F時具有防腐耐熱性，其中所述鍍層具有鋅原子擴散進入其中的鎳或鎳合金層和鎳原子擴散進入其中的鋅層。
22.一種如權利要求21所述的基體，其中所述鎳合金鍍層由選自鎳鈷合金、鎳鐵合金、鎳錳合金、鎳鉬合金和鎳錫合金中的一種合金形成的。
23.一種如權利要求21所述的基體，其中所述鎳合金由鈷含量為7.0-40wt％的鎳鈷合金形成。
全文摘要
本發明涉及一種防腐耐熱的鋅擴散鎳合金鍍層，以及一種形成該鍍層的方法。該方法主要包括以下步驟，在基體上鍍覆一層純鎳或鎳合金鍍層，在該純鎳或鎳合金鍍層上鍍敷一層鋅層，和使鋅熱擴散到鎳合金鍍層中。該方法可進一步包括在擴散步驟之前或之後將被鍍基體沉浸到磷酸鹽化三價鉻轉化溶液中。該基體可以是一種用在氣體渦輪發動機的由鋼材料製成組件。
文檔編號C25D5/12GK1497065SQ0316491
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月22日 優先權日2002年9月23日
發明者H·M·霍金斯, H M 霍金斯, T·R·漢隆, 漢隆, P·巴蒂亞, 傺 申請人:聯合工藝公司