專利名稱：防腐耐熱鋅擴散合金鍍層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
鋼制品經(jīng)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(xiàn)的。鋼也經(jīng)常遭到在高溫下的熱氧化，如果其要經(jīng)受這種環(huán)境，則它必須通過適當?shù)腻儗舆M行保護。電鍍或噴涂金屬涂層或金屬漆經(jīng)常被用來在高溫環(huán)境中提供保護，諸如在氣體渦流發(fā)動機中的高溫環(huán)境。當同時需要耐熱防腐時，問題就出現(xiàn)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于420℃(大約790°F)時提供很少的熱防護作用。
發(fā)明概述因此，本發(fā)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(fā)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(fā)明的鍍層和方法實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面內(nèi)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后沉浸到磷酸鹽化三價鉻轉(zhuǎn)化溶液中。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面內(nèi)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(guān)于本發(fā)明的方法和鍍層的其他細節(jié)，和其他相應(yīng)的目的和優(yōu)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(nèi)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小時后的鍍有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小時之前和之后的局部轉(zhuǎn)化鍍覆的樣品。
優(yōu)選實施方案詳述本發(fā)明包括將鋅擴散到在先沉積在基體上的鎳基鍍層中。本發(fā)明的鋅擴散鎳合金鍍層可以被鍍覆在由較寬范圍的材料制成的基體上，但在由鋼材料制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(jù)本發(fā)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凈的基體12開始，該基體優(yōu)選由鋼材料制成?；w12可以是用于氣體渦流發(fā)動機內(nèi)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(xiàn)有技術(shù)都可用于沉積鎳或鎳合金層14。優(yōu)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(yōu)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(yīng)為7.0到40wt％。鍍覆過程應(yīng)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(yōu)選1.0-14μm，最優(yōu)選8.0-11μm。
在將鎳層14沉積到基體12上后，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?shù)默F(xiàn)有已知技術(shù)。優(yōu)選地，鋅層沉積應(yīng)用電鍍技術(shù)，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?shù)碾婂円簩?dǎo)電性。鋅層在中度攪拌到輕度攪拌的室溫溶液中沉積。適當?shù)匿\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(diào)節(jié)。3.228amps/dm2至8.608amps/dm2范圍內(nèi)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(yōu)選2.0-14μm，最優(yōu)選4.0-7.0μm。
鋅層18中的鋅可以應(yīng)用任何適當?shù)囊阎夹g(shù)擴散到鎳合金層14中。優(yōu)選應(yīng)用熱擴散技術(shù)。熱擴散可在空氣爐或惰性氣體爐內(nèi)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(nèi)加熱到上述溫度范圍的第一溫度，然后在20到60分鐘內(nèi)加熱到上述溫度范圍的第二溫度，優(yōu)選高于第一溫度。
以下所作的測試用來表示本發(fā)明的鍍層的作用。
試驗用的測試面板由潔凈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范圍內(nèi)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(diào)節(jié)。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(dǎo)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，然后控制在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(huán)境中提高本發(fā)明的鍍層的性能的。圖3A表示在熱擴散循環(huán)之前(右)和之后(左)形成的鍍層。圖3B描述了暴露在ASTM B117鹽霧中20個小時后的情況。樣品的邊緣用電鍍帶遮蔽。裸露的鋼部分上的嚴重的紅銹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(在樣品鍍層上沖壓穿孔)。只有在沉積了一層薄的鋅層隨后又進行了熱擴散的頂部表現(xiàn)出增強了的防腐蝕能力。
現(xiàn)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(zhuǎn)化溶液中。沉浸步驟可以在最后擴散步驟之前或之后進行。
所述磷酸鹽化三價鉻轉(zhuǎn)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淀的增進防腐添加劑。該添加劑包括螯合劑或兩個或三個配位基配體。通常，該添加劑的含量基于整個溶液是5ppm到100ppm，優(yōu)選的基于整個溶液的含量為15ppm到30ppmm。優(yōu)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于水的。一種特別適當?shù)挠米鞲g抑制劑和溶液穩(wěn)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(yōu)選0.5g/l到8.0g/l)，氟化物的含量為0.2g/l到20.0g/l(優(yōu)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淀。
電鍍后的基體沉浸到磷酸鹽化三價鉻轉(zhuǎn)化溶液中5秒到15分鐘，優(yōu)選至少30秒。
圖5A和5B表示本發(fā)明的經(jīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化鍍層的樣品那半部分與基礎(chǔ)電鍍部分相比總體上也有更好的表現(xiàn)。最右部分是沒有鍍覆的鋼，因此遭到了嚴重的紅銹腐蝕。
本發(fā)明的鋅擴散鎳合金鍍層，可提供給基體尤其是應(yīng)用在氣體渦流發(fā)動機的基體非常出色的防腐能力和高于900°F(482℃)的耐熱能力。
很明顯根據(jù)本發(fā)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(jīng)闡明的目的、手段和優(yōu)點。而本發(fā)明根據(jù)上下文已經(jīng)描述的具體實施方式
中的其他選擇、修改和變化對已經(jīng)了解在前的描述的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，本發(fā)明包含的其他選擇、修改和變化都將落入附加權(quán)利要求的廣泛的范圍內(nèi)。
權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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于氣體渦輪發(fā)動機的組件上鍍覆一層鎳或鎳合金。
7.如權(quán)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(zhì)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(quán)利要求1所述的方法，其中所述鋅層鍍敷步驟包括制備一種鋅金屬濃度為8.0-45.0g/l的電鍍?nèi)芤汉蛯⑺鲣\層電鍍到所述鎳合金層上。
9.如權(quán)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(quán)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(quán)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(quán)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(nèi)形成一個熱擴散循環(huán)，該循環(huán)在600-800°F下運行至少100分鐘。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述熱擴散循環(huán)包括在80-100分鐘內(nèi)加熱所述鍍有鋅層的鎳基基體到上述溫度范圍的第一溫度，然后在20-60分鐘內(nèi)加熱到一個比第一溫度更高的第二溫度。
14.如權(quán)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(zhuǎn)化溶液中。
15.如權(quán)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后和所述擴散步驟之前進行。
16.如權(quán)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后進行。
17.如權(quán)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(quán)利要求18所述的基體，其中所述基體由鋼制成。
20.一種如權(quán)利要求18所述的基體，其中所述基體包括一種用于氣體渦流發(fā)動機的組件。
21.一種如權(quán)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于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(quán)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(quán)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(fā)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后將被鍍基體沉浸到磷酸鹽化三價鉻轉(zhuǎn)化溶液中。該基體可以是一種用在氣體渦輪發(fā)動機的由鋼材料制成組件。
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(yōu)先權(quán)日2002年9月23日
發(fā)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(lián)合工藝公司