減少鎂和另一種金屬之間的腐蝕的方法

2023-09-11 04:40:45

專利名稱：減少鎂和另一種金屬之間的腐蝕的方法
技術領域：
本發明總體上涉及減少鎂和另一種金屬之間的腐蝕的方法。
背景技術：
已經發現，在許多應用中鎂有希望替代鋁。例如，鎂可以用來製作汽車和/或航空應用中的結構零件。這至少部分歸因於鎂與鋁相比具有較高的強度-重量比。在某些情況下，由鎂製作的零件可以結合至由另一種金屬製作的零件，並且/或者另一種金屬可以用於將兩個鎂質零件結合在一起。在任一種情況下，例如，當形成在鎂和另一種金屬之間的接觸面暴露在腐蝕環境中時，鎂質零件可能在該接觸面處容易發生磨損和腐蝕。

發明內容
本文公開了減少鎂與另一種金屬之間的腐蝕的方法。在一種方法中，通過至少在接觸面處冷噴塗防腐蝕材料來減少接觸面處的腐蝕，接觸面形成在緊固件和鎂質零件之間並且/或者形成在與緊固件相關聯的零件和鎂質零件之間，防腐蝕材料至少包含鎂。
在另一種方法中，形成在含鎂金屬和另一種金屬之間的接觸面處的腐蝕通過下述步驟減少將含鎂金屬和另一種金屬焊接到一起，以形成i)介於它們之間的焊接頭，以及ii)鄰近焊接頭的至少一個熱影響區，其中，至少一個熱影響區的若干部分包括含鎂金屬和另一種金屬的混合組分；並且將覆層施加到下述各項中的至少一個上i)含鎂金屬的靠近至少一個熱影響區的表面，ii)另一種金屬的靠近至少一個熱影響區的表面，或者iii)上述二者的組合，其中，覆層阻止含鎂金屬或另一種金屬中的至少一個發生腐蝕。


通過參閱下面的具體實施方式
及附圖，本發明的特徵和優點將變得顯而易見，在附圖中，相似的附圖標記對應於儘管可能不相同但卻相似的部件。為了簡潔起見，具有先前已經描述的功能的附圖標記或特徵可能會也可能不會結合其它包含該附圖標記或特徵的附圖進行描述。 圖1是減少形成在鎂和另一種金屬之間的接觸面處的腐蝕的方法的一個示例的半示意性剖視圖； 圖2A和2B是鎂和另一種金屬以兩種不同結構焊接在一起後的示意性剖視圖，鎂及另一種金屬上都具有防腐蝕材料；以及 圖3A和3B是減少形成在鎂和另一種金屬之間的接觸面處的腐蝕的方法的其它示例的示意性剖視圖。
具體實施例方式
當形成在不同金屬之間的接觸面暴露在腐蝕環境中時，在該接觸面處經常發生電蝕。本文使用的"腐蝕環境"是指任何包含腐蝕源的環境，當暴露於這些腐蝕源時，這些腐蝕源會致使或者至少引發金屬的腐蝕。腐蝕源的非限制性示例包括水、鹽、酸、含氧水溶液、含氯化物水溶液等等。
當不同的金屬彼此電連接並且暴露於電解液(即腐蝕源)時就會發生電蝕。在暴
露於電解液時，不同的金屬就呈現不同的腐蝕電勢，該電勢將促使動電電流在金屬之間流動。在大多數情況下，不太活躍的金屬會起到陽極的作用，比較活躍的金屬會起到陰極的作用。動電電流自陽極流向陰極，並且在某些情況下，動電電流促成陽極金屬的電化學溶解。 本發明公開的方法的實施例能夠有利地減少形成在不同金屬之間的接觸面處的
腐蝕。更具體地說，所述方法能夠減少形成在鎂和另一種金屬之間的接觸面處的腐蝕，該另一種金屬例如是鋼、鍍鋅鋼、鋅合金、鋁合金、銅合金和/或類似金屬。這是通過至少在金屬之間的接觸面的暴露部分上塗覆或以其他方式覆蓋與所塗覆或覆蓋的一種金屬或多種金屬具有基本相同的組分的材料來實現的。接觸面處的(一種或多種)金屬的腐蝕的減少有
利地提高了被結合金屬的強度，從而延長了被結合金屬的使用壽命。 圖1總體上示出了本發明公開的方法的一個示例。在該示例中，當形成在鎂質零件12和緊固件14(由不同於鎂的金屬製成)之間的接觸面IO暴露在腐蝕環境中時，接觸
面io處的腐蝕被減少。 在圖1所示的示例中，緊固件14用於將鎂質零件12結合到另一零件16上。在非限制性示例中，鎂質零件12由基本上純的鎂(即，具有小於約O. 1%雜質的鎂)或鎂合金製成。鎂合金的非限制性示例包括鎂鋁合金、鎂鋅合金、鎂錳合金、鎂鋯合金、鎂稀土元素合金和/或類似合金。另一零件16也由基本上純的鎂、選自上面列出的鎂合金、純鋁或鋁合金形成。 將鎂質零件12結合到另一零件16上的緊固件14可以選自任何合適的緊固件，包括但不限於鉚釘、螺釘、和/或類似物、和/或前述幾種的組合。在某些情況下，緊固件14可以與諸如墊圈、螺帽和/或類似物的零件15相關聯。該緊固件14或與緊固件14相關聯的零件15由例如鋼、鍍鋅鋼、鋁合金、銅合金或其組合物製成。 減少形成在鎂質零件12和緊固件14之間的接觸面處的腐蝕的方法包括至少在接觸面10上冷噴塗防腐蝕材料。更具體地說，鎂質零件12和另一零件16通過緊固件14結合在一起，並且之後至少在接觸面10的一部分(即，接觸面10的暴露部分)上冷噴塗防腐蝕材料20。在某些情況下，在接觸面10周圍的區域和緊固件14的每個暴露表面上冷噴塗防腐蝕材料20。所述區域通常是鎂質零件12的表面22的至少一部分，例如該部分在從接觸面10起大約10mm至大約20mm的範圍內。合成物件22包括通過緊固件14結合到一起的零件12、16，通過設置在該緊固件14上的防腐蝕材料層20保護緊固件14不受腐蝕。
在一個實施例中，在大約2(TC (例如室溫)至大約30(TC的溫度範圍內冷噴塗防腐蝕材料20。在另一個實施例中，通過冷噴塗形成的防腐蝕材料層20具有1 ii m至5mm範圍內的厚度。 防腐蝕材料20—般至少包含鎂。在非限制性示例中，防腐蝕材料20是基本上由純的鎂(即，具有小於約O. 1%的雜質)製成的粉末。在另一個非限制性示例中，防腐蝕材料20是由鎂合金製成的粉末，該鎂合金包括鎂鋁合金、鎂鋅合金、鎂錳合金、鎂鋯合金、鎂稀土元素合金、鎂鈦合金、和/或類似合金、和/或前述幾種的組合。在又一個示例中，防腐蝕材料20可以包括由前述材料和其它非金屬顆粒組成的混合物，該非金屬顆粒的示例包括氧化物(例如鎂、鋁、鈦或銅的氧化物)、氫氧化物(例如鎂、鋁、鈦或銅的氫氧化物)、鹽基化合物(例如鎂、鋁、鈦或銅的鹽基化合物)、和/或類似物、和/或前述幾種混合物的組合。
應當理解，在所述示例中，選擇製作防腐蝕材料20的材料基本上與選擇製作鎂質零件12的材料相同。例如，當鎂質零件12由基本上純的鎂製成時，防腐蝕材料20也是基本上純的鎂。同樣地，當鎂質零件12由鎂合金製成時，防腐蝕材料20也是鎂合金。應當進一步理解，防腐蝕材料20不必與選作鎂質零件12的材料完全相同。例如，作為防腐蝕材料20的鎂鋁合金可以冷噴塗到鎂鋅合金的零件12上。 當防腐蝕材料20至少被冷噴塗到接觸面10的暴露部分上時，防腐蝕材料20 —般粘結到含鎂零件12上。在某些情況下，防腐蝕材料20也被冷噴塗到鎂質零件12的環繞接觸面10的區域上。不受任何理論的約束，應當相信，這至少部分地歸因於防腐蝕材料20和鎂質零件12之間的分子間的範德瓦爾斯力，也歸因於冷噴塗期間接觸面10處的鎂的部分熔化。接觸面10處的鎂的部分熔化至少部分地歸因於鎂微粒從冷噴塗裝置以超聲速衝擊零件12的表面所產生的熱量。也應當相信，防腐蝕材料20同樣可適當地粘附到和/或定位到緊固件14上。這種粘附和/或定位是通過下述操作實現的將材料20至少布置到緊固件14上(在某些情況下，設置到鎂質零件12的環繞接觸面10的區域上)以及材料20與i)緊固件14和ii)鎂質零件12的鄰近緊固件14的部分形成粘接。
應當進一步理解，腐蝕也會發生在防腐蝕材料層20和緊固件14之間。在這種情況下，一種或多種附加的防腐蝕層(未圖示)可以施加到或以其他方式形成在防腐蝕材料20、鎂質材料12的至少一部分或二者的組合上。例如，附加的(一層或多層)防腐蝕層可以是通常用於保護鎂合金不受腐蝕的(一層或多層)陽極電鍍塗層。這種(一層或多層)陽極電鍍塗層的非限制性示例包括Keronite塗層、Tagnite塗層、和/或類似塗層、和/或前述幾種塗層的組合。 圖2A和2B以及圖3A和3B示出了減少形成在不同金屬之間的接觸面處的腐蝕的方法的其他示例。在這些示例中，含鎂金屬焊接到另一種金屬上，形成在二者之間的接觸面處的腐蝕被減少。含鎂金屬12'可以是基本上純的鎂(即，具有小於約O. 1%的雜質)或鎂合金。鎂合金的非限制性示例包括鎂鋁合金、鎂鋅合金、鎂錳合金、鎂鋯合金、鎂鈰合金、鎂稀土元素合金、和/或類似合金、和/或前述幾種合金的組合。另一種金屬的示例包括但不限於鋁、鋁合金、鋅、鋅合金、鋼、鍍鋅鋼、銅、銅合金、和/或類似物、和/或前述幾種金屬的組合。 —般應當理解，某些金屬(例如，鋁或銅)往往與鎂及其合金的相容性不強，並且在焊接期間，鎂或鎂合金會發生電蝕(即，陽極腐蝕)。此外，至少部分由於鎂或鎂合金的腐蝕產物的相對較高的鹼度，所以與鎂或鎂合金接觸的另一種金屬會溶解，從而導致另一種金屬的陰極腐蝕。 如圖2A至3B所示的減少前述腐蝕效果的方法包括焊接含鎂金屬12'和另一種金屬14'以在含鎂金屬12'和另一種金屬14'之間形成焊接頭(在本文中，也稱作接觸面10')。含鎂金屬12'和另一種金屬14'可以形成搭接接頭(如圖2A和3A所示)或對接接頭(如圖2B和3B所示)。焊接工序促使至少一個熱影響區30形成，該熱影響區30靠近被結合金屬12' 、 14'的接觸面10'。( 一個或多個)熱影響區30的部分包括( 一個或多個)混合區32，該混合區包括含鎂金屬和另一種金屬的混合組分。
6
現在參閱圖2A和2B，減少腐蝕的方法包括在焊接之前將防腐蝕材料/層20'添加到金屬12'、14'的表面上。圖2A和2B示出了焊接之後的被結合金屬12'、14'。
圖2A示出了含鎂金屬12'和另一種金屬14'焊接在一起形成搭接接頭，以及圖2B示出了含鎂金屬12'和另一種金屬14'焊接在一起形成對接接頭。在焊接之前，防腐蝕材料/層20'被布置在相應的零件12'、14'上。應當理解，防腐蝕層20'適當地防止含鎂金屬12'在接觸面10'處不受腐蝕，但是，圖2A和2B所示的實施例中使用的防腐蝕層20'不同於圖l所示的實施例中使用的防腐蝕材料20。布置防腐蝕材料/層20'可以通過處理所需表面以形成塗層或者通過將塗層沉積在所需表面上來完成。在一個實施例中，含鎂金屬12'的每個表面和/或另一種金屬14'的每個表面都經過處理以在其上形成防腐蝕材料/層20'。在圖2A和2B中示出的示例中，含鎂金屬12'的整個外部表面都經過處理以在其上形成防腐蝕材料/層20'，並且另一種金屬14'的整個外部表面也都經過處理以在其上形成防腐蝕材料/層20'。由於防腐蝕層20'在焊接之前形成，所以各個金屬12' 、 14'的每一個表面都可以被處理。但是，也可以選擇性地在各個金屬12'、14'的某些表面上形成防腐蝕材料層20'，而其它表面保持無塗覆。 應當相信，焊接工序會輕微損壞層20'的部分20'A，會嚴重損壞層20'的部分20'B，和/或使層20'的部分全部退化(例如，在接觸面10'處，材料20'不再存在)。這種對防腐蝕層20'的損壞一般發生在熱影響區30、32處。即使防腐蝕層20'可能由於焊接而被損壞或除去，但是材料/層20'仍會保護層下的金屬12'、14'不受腐蝕。
除了包括在金屬12'、14'上的防腐蝕層20'，可能還需要進一步保護不同金屬12'、14'不受電蝕。正如下文進一步描述的，這種附加的保護可以通過在焊接之後添加一種或多種覆層來實現。應當理解，下文所描述的覆層一般結合到防腐蝕層20'上(包括結合到受到損壞的部分20'A、20'B上)。此外，為了簡明起見，層20'已經在圖3A和3B中去除。 現在參閱圖3A所示的示例，在含鎂金屬12'和另一種金屬14'(其上具有防腐蝕材料層20')焊接在一起之後，i)將覆層34施加到含鎂金屬12'的靠近( 一個或多個)熱影響區30的表面36上，ii)將覆層34'施加到另一種金屬14'的靠近( 一個或多個)熱影響區30的表面38上，並且iii)將覆層34"施加到鄰近焊接頭或接觸面10'的位置。
儘管防腐蝕材料20'並未在圖3A中示出，但是應當理解，至少在防腐蝕材料20'A、20' B由於焊接而已經被損壞/退化的區域將覆層34施加到含鎂金屬12'的表面36。覆層34具有與含鎂金屬12'基本相同的組分。 類似地，施加到另一種金屬14'的表面38的至少一部分的覆層34'具有與另一種金屬14'基本相同的組分。此外，儘管防腐蝕材料20'並未在圖3A中示出，但是應當理解，至少在防腐蝕材料20' A由於焊接而已經被損壞/退化的區域將覆層34'施加到另一種金屬14'的表面38。 雷射覆層34"施加到鄰近焊接頭或接觸面10'的位置，使得覆層34"的一部分抵接含鎂金屬12'，而覆層34"的另一部分抵接另一種金屬14'。雷射覆層34"的組分從第一組分過渡到第二組分，該第一組分具有與含鎂金屬12'相同的組分，該第二組分具有與另一種金屬14'相同的組分。例如，含有第一組分的覆層34"的部分抵接含鎂金屬零件12'，而含有包含其它金屬的第二組分的覆層34"的部分抵接另一種金屬零件14'。
7
在圖3B所示的示例中，覆層34"被施加到接觸面10'的第一側40並且鄰近熱影響區30、32，並且覆層34"也被施加到接觸面10'的第二側42並且鄰近熱影響區30、32。更具體地說，儘管防腐蝕材料20'、20'A、20、未在圖3B中示出，但是應當理解，至少在防腐蝕材料20' A、20' B由於焊接而已經被損壞/退化的區域將覆層34"分別施加到金屬12'、14'的表面36、38。 一個覆層34"布置在鄰近接觸面10'的第一側40的含鎂金屬12'的表面36的部分以及另一種金屬14'的表面38的部分，並且另一個覆層34"布置在鄰近接觸面10'的第二側42的含鎂金屬12'的表面36的部分以及另一種金屬14'的表面38的部分。與上面結合圖3A所示的示例描述的覆層34"相似，所述覆層34"也具有變化的組分。覆層34"的鄰近金屬12'的組分與金屬12'相同，而覆層34"的鄰近另一種金屬14'的組分與另一種金屬14'相同。 不受任何理論的約束，應當相信，通過在( 一個或多個)熱影響區30、32上完全覆蓋覆層34、34'、34"中的一個，在焊接區域，尤其是在接觸面10'處，含鎂金屬12'和另一種金屬14'的腐蝕基本上被減少和消除。應當進一步相信，在接觸面10'處，覆層34"基本上密封接觸面10'，使得腐蝕源無法接觸任何形成在含鎂金屬12'和另一種金屬14'之間的間隙並開始電化學反應，否則這些電化學反應將導致電蝕或陰極腐蝕中的至少一種。還應當相信，覆層34、34'能夠防止發生在分別環繞(一個或多個)熱影響區30、32的表面36、38處的腐蝕。 應當理解，圖3A和3B所示的任一實施例中使用的覆層34"都應當足夠大以便從第一組分向第二組分過渡的組分梯度是相對平滑的。應當理解，覆層34"的大小一般至少部分地取決於含鎂金屬12'和另一種金屬14'之間的電化學差異。例如，如果金屬12'、14'之間的電化學差異基本上較大，那麼覆層34"也會較大。這種平滑的梯度有助於減少至少部分地因覆層34"的組分差異而產生的任何電效應。例如，如果電效應確實產生，則電效應的影響也將被均勻地分配到覆層34"的較大的表面區域上，並且應當相信，這不會導致在接觸面10'處發生局部嚴重腐蝕。 雖然已經詳細描述了若干實施例，但是對本領域技術人員而言顯而易見的是，所公開的實施例是可以修改的。因此，前面的描述應當理解為是示例性的而非限制性的。
權利要求
一種減少接觸面處的腐蝕的方法，所述接觸面形成在緊固件和鎂質零件之間並且/或者形成在與所述緊固件相關聯的零件和所述鎂質零件之間，所述方法包括至少在所述接觸面上冷噴塗防腐蝕材料，所述防腐蝕材料至少包含鎂。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，所述緊固件選自鉚釘、螺釘及鉚釘與螺釘的組合， 並且其中，與所述緊固件相關聯的零件選自螺母、墊圈及螺母與墊圈的組合。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，所述緊固件或者與所述緊固件相關聯的零件由鋼、 鍍鋅鋼、鋁合金、銅合金或者前述幾種材料的組合製成。
4. 如權利要求1所述的方法，其中，所述防腐蝕材料包括鎂粉或者鎂合金粉。
5. 如權利要求4所述的方法，其中，所述防腐蝕材料進一步包括非金屬顆粒。
6. 如權利要求1所述的方法，進一步包括用所述防腐蝕材料冷噴塗所述緊固件以及環 繞所述接觸面的區域。
7. 如權利要求1所述的方法，其中，所述防腐蝕材料結合到所述緊固件、與所述緊固件 相關聯的零件、所述鎂質零件或者前述幾種的組合上。
8. 如權利要求1所述的方法，其中，所述鎂質零件由基本上純的鎂或者鎂合金製成。
9. 如權利要求8所述的方法，其中，當所述鎂質零件由基本上純的鎂製成時，所述防腐 蝕材料是基本上純的鎂，並且其中，當所述鎂質零件由鎂合金製成時，所述防腐蝕材料是鎂
10. 如權利要求i所述的方法，進一步包括在所述防腐蝕材料、所述鎂質零件的至少一 部分或者二者的組合上施加至少一種防腐蝕層。
11. 一種物件，包括 鎂質零件；緊固件，所述緊固件與所述鎂質零件結合；以及防腐蝕材料，所述防腐蝕材料至少包含鎂，所述鎂冷噴塗到所述緊固件以及所述鎂質 零件的環繞所述緊固件的部分上。
12. —種減少接觸面處的腐蝕的方法，所述接觸面形成在含鎂金屬和另一種金屬之間， 所述方法包括將所述含鎂金屬和所述另一種金屬焊接到一起，以形成i)介於所述含鎂金屬和所述 另一種金屬之間的焊接頭，以及ii)鄰近所述焊接頭的至少一個熱影響區，其中，所述至少 一個熱影響區的若干部分包括所述含鎂金屬和所述另一種金屬的混合組分；以及將覆層施加到下述各項中的至少一個上所述含鎂金屬的靠近所述至少一個熱影響區 的表面、所述另一種金屬的靠近所述至少一個熱影響區的表面、鄰近所述焊接頭的位置、或 者前述幾項的組合；其中，所述覆層阻止所述含鎂金屬或所述另一種金屬中的至少一個發生腐蝕。
13. 如權利要求12所述的方法，其中，在焊接之前，所述方法進一步包括處理所述含鎂 金屬的表面或者所述另一種金屬的表面中的至少一個，以在其上形成防腐蝕材料層。
14. 如權利要求12所述的方法，其中，施加到所述含鎂金屬的表面上的覆層具有與所 述含鎂金屬基本相同的組分。
15. 如權利要求12所述的方法，其中，施加到所述另一種金屬的表面上的覆層具有與 所述另一種金屬基本相同的組分。
16. 如權利要求12所述的方法，其中，當所述覆層施加到鄰近所述焊接頭的位置時，所述覆層的一部分抵接所述含鎂金屬，而所述覆層的另一部分抵接所述另一種金屬。
17. 如權利要求16所述的方法，其中，所述覆層的組分從第一組分過渡到第二組分，所述第一組分包括在所述覆層的抵接所述含鎂金屬的部分處的含鎂金屬，所述第二組分包括在所述覆層的抵接所述另一種金屬的部分處的另一種金屬。
18. 如權利要求17所述的方法，其中，隨著所述覆層從第一組分過渡到第二組分，所述覆層中存在一定梯度。
19. 如權利要求12所述的方法，其中，所述另一種金屬選自鋁、鋁合金、鋅、鋅合金、鋼、鍍鋅鋼、銅、銅合金及前述幾種的組合。
20. 如權利要求12所述的方法，其中，所述含鎂金屬是基本上純的鎂或鎂合金。
21. —種物件，包括含鎂金屬；另一種金屬，所述另一種金屬焊接到所述含鎂金屬上，使得i)在兩種金屬之間形成焊接頭；並且ii)在鄰近所述焊接頭的位置形成至少一個熱影響區，其中，所述至少一個熱影響區的若干部分包括所述含鎂金屬和所述另一種金屬的混合組分；以及布置在下述各項中的至少一個上的覆層所述含鎂金屬的靠近所述至少一個熱影響區的表面，所述另一種金屬的靠近所述至少一個熱影響區的表面，鄰近所述焊接頭的位置，或前述幾項的組合。
22. 如權利要求21所述的物件，其中，當所述覆層施加到鄰近所述焊接頭的位置時，所述覆層的一部分抵接所述含鎂金屬，而所述覆層的另一部分抵接所述另一種金屬，並且其中，所述覆層的組分從第一組分過渡到第二組分，所述第一組分包括在所述覆層的抵接所述含鎂金屬的部分處的含鎂金屬，所述第二組分包括在所述覆層的抵接所述另一種金屬的部分處的另一種金屬。
全文摘要
本發明涉及減少鎂和另一種金屬之間的腐蝕的方法。本發明公開了減少形成在鎂和另一種金屬之間的腐蝕的方法。在一種方法中，防腐蝕材料被冷噴塗到形成在鎂和另一種金屬之間的接觸面處，防腐蝕材料包含鎂。在另一種方法中，覆層被施加到鎂和/或另一種金屬的熱影響區、焊接頭處或前述幾項的組合上。
文檔編號C23F15/00GK101760748SQ20091025419
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月10日 優先權日2008年12月10日
發明者A·A·羅, G·宋, X·Q·蓋登 申請人:通用汽車環球科技運作公司