CN101208378B - 具有陶瓷材料外层的耐腐蚀物件 - Google Patents
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Abstract
一种包括导电主体部件例如含铜或银以及含难熔金属优选钽的涂层的物件。难熔金属层的至少一部分已转化成导电陶瓷材料，优选硼化钽。该难熔金属层提高物件的耐腐蚀性质，并且该陶瓷材料防止难熔金属层氧化，因此防止在传导电流时物件的钝化。该物件适于用作腐蚀性环境中的电极。因为能不施加贵金属层而避免钝化作用，所以该物件具有经济效益。还有一种形成该物件的方法，其中陶瓷材料优选通过在气相或固相中施加硼化物并加热该物件来提供。
Description
技术领域
本发明涉及一种物件，它一方面耐腐蚀，另一方面为可导电的。此外，本发明涉及一种以具有经济效益而不降低物件的耐腐蚀或传导性质的方式制造该物件的方法。本发明的物件可理想地用作用于腐蚀性环境中的电极。
背景技术
对于某些用途来说，期望提供导电的耐腐蚀表面。例如当制造用于破坏性或侵蚀性介质如酸、碱、含离子(如氯离子等)的环境的电极时，这一期望是相关的。目前，这样的电极典型地由贵金属如金或铂或者由耐腐蚀材料如钽、铌、钛、锆等制得，其外层为厚度约1μm到20μm的贵金属。该外层可使用电化学反应而施加，例如Degussa工艺，或该外层可作为箔片层被层压在该表面上。这些方法提供了导电表面，并获得了由底层材料决定的耐腐蚀性。施加该贵金属层是为了防止难熔金属在传导电流期间被氧化。这样的氧化是非常不希望有的，这是因为会导致物件表面的钝化。
然而，存在上述方法不适用的情况。因为贵金属一般相对昂贵，完全从贵金属制造电极或提供贵金属层所牵涉到的成本往往被认为过高。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种能经济地制造的耐腐蚀且导电的物件。
本发明的进一步的目的是提供具有较高导电性的耐腐蚀物件。
本发明更进一步的目的是提供一种可用于腐蚀性环境且能经济地制造的电极。
本发明甚至更进一步的目的是提供一种以经济的方式制造耐腐蚀和导电性物件的方法。
本发明甚至更进一步的目的是提供一种物件和制造物件的方法，其中避免使用贵金属层而不存在物件钝化的风险。
根据本发明的第一方面，上述及其它目的通过提供这样的物件来实现，该物件包含：
-导电性主体部件，
-至少基本上覆盖主体部件的外表面的涂层，所述涂层包含难熔金属或难熔金属的合金，所述涂层的至少一部分包含导电陶瓷材料。
该主体部件是导电的，即它能传导电流。因此该物件将为导电的，且该物件的导电性将由选择用于主体部件的材料决定。
该物件进一步包括包含难熔金属或难熔金属合金的层。这样的材料已知为耐腐蚀的，因此该层赋予该物件以期望的耐腐蚀性。
因此，期望的导电性可通过为主体部件选择适当的材料而获得，不考虑该材料的耐腐蚀性，因为该物件将由该层保护(在腐蚀方面)。同样地，主体部件的材料可按照其它所需的性能进行选择，如导热率、抗拉强度、硬度等。
因为该层的至少一部分包含导电陶瓷材料，因此确保了物件外表面是导电的。此外，因为该层包含陶瓷材料，防止了难熔金属发生氧化，从而物件的钝化得以防止。这一点通过不必使用贵金属层而获得，且制造成本因此可显著地减少而不降低物件的耐腐蚀性质。
该主体部件优选由金属或合金制成或包括金属或合金，如铜、银、钛或任何其它合适类型的金属或它们的合金。
在一个实施例中，整个层包含陶瓷材料。或者，陶瓷材料可仅存在于层的一部分，优选层的外部。在这种情况下，存在陶瓷材料的层的区域和不存在陶瓷材料的层的区域之间的边界可能是渐变的，也就是说陶瓷材料的密度可沿着从外表面向着主体部件穿过该层的线逐渐降低。
陶瓷材料可以是难熔金属的硼化物。或者，该陶瓷材料可以是任何其它合适的导电陶瓷材料，如难熔金属的氮化物或碳化物。
该层可包含钽或钽的合金。备选地或附加地，该层可以包含任何其它合适的难熔金属如铌、钛、锆等和/或这些难熔金属中任何金属的合金。
在一个优选实施例中该层包含钽或钽的合金，以及该陶瓷材料是硼化钽，TaBX，优选TaB2。这一点是特别有利的，因为TaB2可具有金属电导率(大约0.07×106Ω-1cm-1)，同时它与钽一样具有耐腐蚀性(至少在酸性环境中)。因为硼原子嵌入钽晶体内部直到获得组成TaB2，其中仍然保持金属的结构，因此获得了导电性，。其它可能的钽化合物是TaB，Ta2B和Ta3B4。TaB导电率为0.01×106Ω-1cm-1。
如以上所提及，该主体部件优选由金属或合金制成，在这样的情况下，在一个实施例中该层包含难熔金属和存在于主体部件中的金属的合金。在这个实施例中第一层可通过使得产生期望合金的方式施加难熔金属而在主体部件上形成。因此物件的耐腐蚀性得以提高。此外，确保期望耐腐蚀性所需要的难熔金属用量可低于在主体部件的顶部上施加单独涂层的情况。例如如果该主体部件由钛或钛的合金制得和如果该难熔金属是钽，则可在主体部件的表面上形成钛/钽合金。在这种情况下，为了提供充分耐腐蚀性的涂层所需要的钽的量少于若将单独的钽涂层施加于主体部件上所需要的量。
在上述实施例中，陶瓷材料的层可有利地通过施加非金属组分优选硼而形成。然后硼最初与难熔金属(优选钽)反应。这可产生包含难熔金属和存在于该主体部件中的金属两者的合金以及所施加的非金属组分的陶瓷层。在上面的实施例中，适宜的是钛、钽和硼。
或者，该陶瓷层可包含混合氧化物，即包含难熔金属与存在于主体部件中的金属的合金的氧化物，例如钛/钽氧化物。这样的层具有比纯的氧化钽层更高的电导率，在该物件用作电极的情况下这一点是所希望的。
该层厚度可在0.1μm到200μm的区间，如在0.5μm到100μm的区间内，如1μm到20μm的区间内，如5μm到100μm的区间内。在任何情况下，层的厚度应当足以保护主体部件防止腐蚀。因此层厚度可取决于预期的使用环境、存在于该层的难熔金属和层的确切材料组成。
主体部件电导率在0.01×106Ω-1cm-1到0.65×106Ω-1cm-1区间内。
该物件优选是电极或构成电极的一部分。由于该电极的导电性和耐腐蚀性，该电极将非常适用于破坏性和腐蚀性的环境。此外，如上所述，生产成本相对于适用于这样环境中的现有技术电极而言显著地降低了。
根据本发明的第二方面，上述及其它目的通过提供形成物件的方法来实现，该方法包括如下步骤：
-提供导电性主体部件，
-将涂层施加到主体部件的表面部分，所述涂层包含难熔金属或难熔金属的合金，和
-以使得所述涂层的至少一部分转化成导电陶瓷材料的方式加工所述涂层。
应当指出的是，本领域技术人员将容易认识到与本发明第一方面相关联地进行描述的任何特征也可与本发明的第二方面相结合，反之亦然。
如上所述，该层的加工，以一种使该层的至少一部分转化成导电陶瓷材料的方式，可以确保该物件具有所期望的耐腐蚀性以及所期望的导电性，并且物件的钝化得以防止。此外，这些性质以经济的方式获得，这是因为避免了对贵金属层的需求。
该加工步骤可包括将物件放置于包含所需元素的气态环境中，在这样的情况下陶瓷材料可由该层的难熔金属和所需元素之间的气相反应形成。
或者，该加工步骤可包括施加固相的所需元素，在这样的情况下该陶瓷材料可由该层的难熔金属和所需元素之间的固相反应形成。在这个实施例中，可将含硼的糊状物涂覆在主体部件上。
在一个优选实施例中，所需元素是硼。在这种情况下，陶瓷材料可优选是硼化钽，TaBX，如上所述。
该主体部件可包含金属或合金。在这种情况下将涂层施加到主体部件表面部分上的步骤可按照一种方式来进行，该方式使得所得涂层包含难熔金属和存在于主体部件中的金属的合金。这在上面已作描述。
该加工步骤可进一步包含将非金属化合物施加到该层上，从而形成包含难熔金属、存在于主体部件中的金属和非金属化合物的陶瓷材料。非金属化合物可优选是氧，并且在这种情况下陶瓷材料优选包含难熔金属与存在于主体部件中的金属的合金的氧化物，最优选的是钛/钽氧化物。这在上面已作描述。另外或附加地，这样的涂层可包含混合的金属/难熔金属组分的氮化物和/或碳化物和/或金属或者难熔金属。
加工步骤可进一步地包括将至少该层加热到温度介于300℃到1500℃区间的温度，如介于500℃到1500℃区间的温度。准确的温度取决于各种情形，特别是材料的选择、是否在气相中或在固相中施加一种或多种化合物等。
附图说明
本发明进一步参考附图来说明，其中：
图1显示根据本发明的一个实施例并且包含主体部件的物件，
图2显示了具有难熔金属层的图1的物件，和
图3显示了图1和图2的物件，其中难熔金属层的一部分包含陶瓷材料。
具体实施方式
图1显示根据本发明的实施例的物件1。物件1包含导电主体部件2，例如由铜或银制成或包含铜或银。
图2显示图1的物件1。在图2中，主体部件2的外表面3已经具备包含难熔金属(优选钽)的涂层4。施加层4是为了改进物件1的耐腐蚀性质。
图3显示图1和2的物件1。在图3中，物件1已经以这样的方式处理，该方式使得难熔金属层4的外面部分5已经转化成导电陶瓷材料。陶瓷材料5可有利地是硼化钽，如TaB2。陶瓷材料5防止难熔金属层4氧化，以及从而防止物件1的钝化。
图1-3因此举例说明了按照本发明的一个实施例的形成物件1的方法。首先提供主体部件2，如在图1中所示。随后将难熔金属层4施加于主体部件2的外表面3上，以便为物件1提供所需的耐腐蚀性质。这在图2中作了图解。最后，将包含主体部件2和在其上面形成的难熔金属层4的物件1进行加工，以便将难熔金属层4的至少外部转化成陶瓷材料5，从而为难熔金属层4提供保护作用防止氧化。这在图3中作了图解。该加工可有利地通过在气相中将硼(有可能与氧气结合)施加于物件1上，并加热物件1和气体来进行。由此在存在于难熔金属层4中的钽和存在于所施加的气体中的硼之间将发生反应，由此在层4中形成TaB2，其中TaB2是导电陶瓷材料。得到的物件1将为导电性的、耐腐蚀的并且受到保护免受钝化。因此物件1非常适合用作在腐蚀性环境中的电极。此外，与具有贵金属层以防止传导电流时电极钝化的电极相比材料成本得以降低。
Claims (7)
1.一种形成物件的方法，该方法包括如下步骤：
-提供导电性主体部件，
-将涂层施加到主体部件的表面部分，所述涂层包含难熔金属或难熔金属的合金，和
-以使得所述涂层的至少一部分转化成导电陶瓷材料的方式加工所述涂层；
其中主体部件包含金属或合金，其中将涂层施加到主体部件的表面部分上的步骤是以这样的方式进行的，该方式使得所得涂层包含难熔金属与存在于主体部件中的金属的合金。
2.权利要求1的方法，其中加工步骤包括将物件放置于含有所需元素的气体环境中，其中通过该涂层的难熔金属与所需元素之间的气相反应形成陶瓷材料。
3.权利要求1的方法，其中加工步骤包括以固相施加所需元素，其中通过该涂层的难熔金属与所需元素之间的固相反应形成陶瓷材料。
4.权利要求2或3的方法，其中所需元素为硼。
5.权利要求1的方法，其中加工步骤包括将非金属化合物施加到该涂层上，从而形成包含难熔金属、存在于主体部件中的金属和非金属化合物的陶瓷材料。
6.权利要求5的方法，其中非金属化合物为氧，其中陶瓷材料包含难熔金属与存在于主体部件中的金属的合金的氧化物。
7.权利要求2，3，5或6的方法，其中加工步骤进一步包括将至少该涂层加热到300℃到1500℃区间的温度。
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