CZ20031423A3 - Povrchová úprava pro konstrukční lepené spoje kovů, odolné vůči korozi - Google Patents

Description

Povrchová úprava pro konstrukční lepené spoje kovů, odolné vůči korozi

Oblast techniky

Tento vynález se týká přípravy spojů povlečených kovových substrátů odolných vůči korozi, které odolávají delaminaci a v antikorozním povlaku neobsahují šestimocný chrom.

Dosavadní stav techniky

Konstrukční spojování kovu na kov a systémů kompozitního typu široce užívané v leteckém průmyslu a jinde často vyžaduje výslednou konstrukci v rozumné míře odolnou vůči extrémním atmosférickým podmínkám dané aplikace. V zájmu prevence poruch leteckých konstrukcí musí být spojení kovu s kovem nebo kompozitním systémem schopno odolat podmínkám daného prostředí. Zvláštní význam má odolnost vůči korozi a delaminaci kompozitních struktur. Až dosud se lepené spoje kov na kov a kompozitní systémy (bez chromátového základního nátěru) osvědčovaly zcela nedostatečně v důsledku poruch adheze na rozhraní mezi polymerním lepidlem a hliníkovým povrchem.

Konverzní povlékání se široce užívá při úpravě kovového povrchu pro zlepšení antikorozních vlastností. Konverzní povlékání se provádí chemickou reakcí mezi kovem a roztokem lázně, který konvertuje nebo modifikuje kovový povrch na tenký film s potřebnými funkčními vlastnostmi. Konverzní povlaky jsou zejména užitečné při úpravě povrchu kovů jako je ocel, zinek, hliník a hořčík. V minulosti se chromátová konverze osvědčila jako nejúčinnější způsob konverzního povlékání pro hliník a hořčík. Chromátová konverze používaná v minulosti však obecně obsahovala vysoce toxický šestimocný chrom. Používání šestimocného chrómu však má za následek potencionálně riskantní pracovní podmínky dělníků a velmi vysoké náklady likvidace odpadu.

Proto je vysoce žádoucí nabídnout zlepšený způsob výroby lepených spojů kovových substrátů odolných vůči korozi, šetrný k životnímu prostředí, jež by nepodléhaly delaminaci.

·· ·· ·· ·· • · · · · · · • · · · · ···· • · ··· · · ·· • · · · · ·

Podstata vynálezu

Tento vynález nabízí způsob přípravy kovových substrátů odolných vůči korozi neobsahujících šestimocný chrom a uspokojivě spojených lepidly pro fungování ve vodném prostředí s vysokou teplotou.

V souladu se způsobem podle tohoto vynálezu se kovový substrát anodizuje v anodizačnim roztoku s kyselinou fosforečnou. Potom se anodizovaný kovový substrát kontaktuje s kyselým povlékacím roztokem, který místo šestimocného chrómu obsahuje trojmocný chrom, s cílem vytvořit na anodizovaném kovu povlak. Aplikuje se nechromátový základní nátěr a povlečený anodizovaný kovový substrát se může lepeným spojem spojit s jiným takto upraveným kovovým substrátem a vytvořit kompozitní výrobek. Výsledný výrobek vykazuje vynikající pevnost vazby a antikorozní stálost.

Tento vynález nabízí vícestupňový způsob úpravy kovových substrátů (výhodně hliníkových slitin), jež je třeba spojit například slepením a tak vytvořit kompozitní výrobek.

Způsob zahrnuje 1) anodizaci kovového substrátu v anodizačním roztoku obsahujícím kyselinu fosforečnou 2) styk anodizovaného substrátu s kyselým povlakovým roztokem bez šestimocného chrómu ale obsahujícím trojmocný chrom s cílem vytvořit na anodizovaném kovovém substrátu povlak obsahující trojmocný chrom.

Kovový podklad se anodizuje kyselinou fosforečnou způsobem známým ze stavu techniky. Vhodné způsoby anodizace kyselinou fosforečnou popisují patenty US 4 085 012 a 4 127 451, jež jsou zde oba zahrnuty ve formě odkazu. V souladu se způsobem podle vynálezu se kovový podklad, výhodně hliníková slitina, anodizuje v anodizačním roztoku obsahujícím kyselinou fosforečnou v koncentraci mezi 3 % hmotn. a 20 % hmotn. při teplotě mezi 10 °C (50 °F) až 30 °C (85 °F) a anodizačním potenciálu mezi 3 a 25 volty.

Po anodizaci se kovový podklad kontaktuje s kyselým roztokem obsahujícím trojmocný chrom s cílem vytvořit na • · kovovém podkladu antikorozní povlak obsahující trojmocný chrom. Kyselý vodný roztok obsahuje ve vodě rozpustnou sloučeninu trojmocného chrómu, ve vodě rozpustnou fluoridovou sloučeninu a alkalické činidlo. Sloučenina trojmocného chrómu je v roztoku obsažena v množství mezi 0,2 g/1 a 5 g/1 (výhodně mezi 0,5 g/1 a 2 g/1), fluoridová sloučenina v množství mezi 0,2 g/1 a 5 g/1 (výhodně mezi 0,5 g/1 a 2 g/1), alkalický roztok v takovém množství, aby se pH roztoku udrželo mezi 3,0 a 5,0 (výhodně 3,5 až 4,0). Vhodný roztok se popisuje v US patentu 5 304 257, který je zde zahrnut ve formě odkazu. Kovové substráty se do roztoku mohou ponořovat, mohou se roztokem postřikovat nebo se jím natírat a podobně. Potom se na substrát nanese vhodný nechromátový základní nátěr.

Kovové podklady připravené podle tohoto vynálezu potom lze spojit lepeným spojem na kompozitní výrobek, jak je známo podle stavu techniky. Vhodná lepidla jsou díky stavu techniky dobře známa stejně jako způsob jejich nanášení na kovové podklady a provedení spoje. Viz US patenty 4 085 012 a 4 127 451. Kompozitní výrobky vyrobené v souladu s tímto vynálezem vykazují vynikající antikorozní vlastnosti a pevnost spoje, jak dokazuje následující příklad.

Příklady provedení vynálezu

Připravilo se pět vzorků z odřezků hliníkové slitiny 6061 spojených lepidlem pro klínovou destruktivní zkoušku. Dva odřezky rozměrů 15 cm x 15 cm x 0,32 cm (6 palců x 6 palců x 0,125 palce) se očistily a usušily. Potom se odřezky ponořily do kyseliny fosforečné a anodizovaly v těchto podmínkách:

Složení anodizačního roztoku: 7,5 % obj. kyseliny fosforečné;

Napětí: 15 V Teplota: místnosti Doba: 20 minut

Potom se odřezky anodizované kyselinou fosforečnou vyjmuly a sušily. Odřezky se ponořily do povlakového roztoku s trojmocným chromém v následujících podmínkách:

• φ φφφφ • · · φ · φ φ φ · φ φ φ · · ··· · · · φ «φφ φ φ „ φφ φφφφφφφφφ ·· ·· ·· φφ φ* φφ

Složení roztoku: 1 díl sloučeniny s chromém;

díl fluoridové sloučeniny; a 18 dílů deionizované vody;

Sloučenina trojmocného chrómu: síran chromítý Fluoridová sloučenina: fluorozirkoničitan draselný pH: 3,8

Teplota: místnosti Doba: 10 minut ponoru

Bezprostředně po úpravě trojmocným chromém se odřezky opatřily verzí BR6757-1 epoxidového základního nátěru neplněného chromém jako základním nátěrem a 90 minut se tvrdily při teplotě 175 °C (350 °P). Potom se odřezky spojily lepící fólií s nylonovou vložkou Loctite Aerospace EA9689 a tvrdily se dvě hodiny při tlaku 4,2 MPa (60 psi) a teplotě 175 °C (350 °F). Spojené odřezky se potom rozřezaly na 5 vzorků pro klínovou destruktivní zkoušku používanou pro stanovení kvality spoje. Potom se vzorky testovaly podle normy ASTM D3762. Výsledky ukazuje tabulka 1.

Tabulka 1

Vzorek č.	Počáteční délka trhliny (palce)	Růst trhliny po (palce)	Způsob poruchy
		1 hodina	2 hodiny	4 hodiny	24 hodiny	% koheze
1	1,725	0,055	0,055	0,055	0,080	100
2	1,515	0,050	0,050	0,050	0,075	100
3	1,485	0,043	0,065	0,065	0,088	100
4	1, 515	0,050	0,070	0,070	0,145	100
5	1,610	0,058	0,058	0,058	0,091	100
průměr	1,570	0,051	0,060	0,060	0,096	100

Dochází k následujícím třem typům poruch:

- C/A znamená poruchu koheze lepidla, což je preferovaný druh poruchy. Udává, že pevnost vazby je větší než pevnost lepidla. K poruše došlo uvnitř lepidla, nikoliv na rozhraní buď lepidla » ·· • · • · · · • · 4 • · 4 ·· ···· a základního nátěru, nebo základního nátěru a kovu.

- A/P znamená poruchu na rozhraní lepidla a základního nátěru. Tato porucha svědčí o interakcích se základním nátěrem, jež mohou ovlivnit pevnost vazby mezi lepidlem a základním nátěrem. Tento typ též slouží jako kontrola kvality systému.

- P/M znamená poruchu na rozhraní základního nátěru a kovu. Tento mechanismus udává, že proces není uspokojivý.

Jak je zřejmé z tabulky 1, všechny vzorky vykazovaly 100% poruchu C/A, jež znamená vynikající pevnost vazby. Kromě toho byl růst trhliny srovnatelný s normovanou rychlostí růstu trhliny a proto byl přijatelný.

Tento vynález se může provést v jiných podobách nebo uskutečnit jinými způsoby aniž by se odchýlil od smyslu a podstatných charakteristik vynálezu. Toto provedení je tedy třeba považovat v každém ohledu jen za ilustrativní a ne omezující, přičemž rozsah vynálezu vytyčují připojené nároky, a všechny změny odpovídající jeho záměru a v mezích ekvivalence je třeba považovat za pokryté těmito nároky.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob přípravy povlaku na kovový podklad obsahujícího trojmocný chrom, vyznačující se tím, že zahrnuje stupně:

   (a) přípravu anodizačního roztoku obsahujícího kyselinu fosforečnou;

   (b) anodizaci kovového podkladu v anodizačním roztoku obsahujícím kyselinu fosforečnou;

   (c) přípravu kyselého povlakového roztoku obsahujícího trojmocný chrom;

   (d) styk anodizovaného kovového substrátu s kyselým povlakovým roztokem za vzniku povlaku obsahujícího trojmocný chrom na anodizovaném kovovém podkladu.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že anodizační roztok s kyselinou fosforečnou má koncentraci kyseliny fosforečné mezi 3 % hmotn. a 20 % hmotn.
3. 3. Způsob podle nároku 1,vyznačuj ící se tím, že kyselý povlakový roztok s trojmocným chromém obsahuje ve vodě rozpustnou sloučeninu trojmocného chrómu, fluoridovou sloučeninu rozpustnou ve vodě a alkalické činidlo.
4. 4. Způsob podle nároku 1,vyznačuj ící se tím, že dále zahrnuje nanesení lepidla na povlečený a anodizovaný kovový podklad a vytvoření jeho spoje s jiným povlečeným anodizovaným kovovým podkladem za vzniku kompozitního výrobku.
5. 5. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že anodizační napětí je mezi 3 a 25 volty.
6. 6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že se anodizace provádí při teplotě mezi 10 °C (50 °F) a 30 °C (85 °F).

   ·· 99 • 9 9

   9 9 999

   9 9 9 • 9 9 • 9 99 ·· ····

   Ί. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že pH roztoku je mezi 3,0 a 5,0.
7. 8. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že pH roztoku je mezi 3,5 a 4,5.
8. 9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že kovový podklad je hliníková slitina.
9. 10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se anodizovaný kovový podklad ponoří do kyselého povlakového roztoku.
10. 11. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se anodizovaný kovový podklad nastříká kyselým povlakovým roztokem.