JP2006283191A - ニッケル被覆 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性を高めるニッケル被覆が提供される。
【解決手段】無電解めっきにより第一のＮｉ基材料を基体上に堆積させる。第二のＺｎ基材料を第一の材料上に堆積させる。第一の材料および第二の材料の一方または両方のうちの一つまたは複数の成分を他方の中に拡散させる。この拡散によって、耐食性を高めるＺｎＮｉ合金層が生成される。第一の厚みは、局部的な基体の厚みより実質的に小さくてもよい。例示的な第一の厚みは、少なくとも５μｍ（例えば、１０〜１０００μｍ）である。第二の厚みは、第一の厚みより小さくてもよい。例示的な第二の厚みは、２〜５０μｍ、より狭くは５〜２０μｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ニッケル被覆に関する。より詳細には、本発明は、無電解ニッケルホウ素めっきに関する。

米国特許第６，７５６，１３４号は、腐食および熱保護のために亜鉛拡散ニッケル合金を開示しており、この特許の開示は、参照することによって詳細に述べるかのように本願に組み込まれる。ニッケル層および亜鉛層は、基体（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の上に連続して電気めっきされ、次いで熱拡散される。
米国特許第６，７５６，１３４号明細書

別個に、無電解ニッケル（ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｎｉｃｋｅｌ）（ＥＮ）被覆が、摩耗および腐食保護を含む目的のために使用されてきた。無電解ニッケルリン（ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｎｉｃｋｅｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）（ＥＮＰまたはｅ−ＮｉＰ）めっきは、還元剤として次亜リン酸ナトリウムを用いて達成できる。無電解ニッケルホウ素（ＥＮＢまたはｅ−ＮｉＢ）めっきは、還元剤として水素化ホウ素ナトリウム またはジメチルアミノボランなどのような化合物を用いて達成できる。ｅ−ＮｉＢ被覆は、ｅ−ＮｉＰ被覆に対して有利な耐摩耗性特性を有し得るけれども、有利な耐食性は与えることができない。

第一のＮｉ基材料が、無電解めっきにより基体の上に付与（ａｐｐｌｙ）される。第二のＺｎ基材料が、第一の材料の上に付与される。第一の材料および第二の材料の一方または両方のうちの一つまたは複数の成分が、他方の中に拡散される。これによって、耐食性を高めるＺｎＮｉ合金層を生成できる。

本発明の一つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明中に述べられる。本発明の他の特徴、目的および利点は、説明および図面から、また特許請求の範囲から明らかとなる。

さまざまな図面中の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示す。

ｅ−ＮｉＢ被覆の耐食性の問題は、ミクロ細孔（ｍｉｃｒｏ−ｐｏｒｏｕｓ）柱状構造に起因すると考えられる。耐食性を高めるために、電気めっき、スラリー充填（ｓｌｕｒｒｙ ｐａｃｋｉｎｇ）またはその他の方法によってｅ−ＮｉＢ被覆基体の表面に亜鉛の層を付与し、次いでＮｉＢ層と相互拡散できることが仮定されていた。

図１に概略を示した例示的なプロセスにおいて、基体を形成できる。例示的な基体は、鍛造および／または機械加工によって形成されたチタン基（例えば、チタンまたはチタン合金）である。例示的な基体は、航空宇宙産業で使用される部品（例えば、ガスタービンエンジン圧縮機ブレード、ベーン、およびその他の部材）のためのものである。任意の清浄化またはその他の処理の後に、第一のＮｉ基材料を基体の上に堆積させる。この付与は、直接上部にされてもよいし、あるいは、一つまたは複数の介在層（ｉｎｔｅｒｖｅｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を付与していてもよい。付与は、第一の位置において第一の厚みにすることができる。これは、基体の表面の大部分に亘って本質的に均一な第一の厚みとすることができる。第一の厚みは、局部的な基体の厚みより実質的に小さくてもよい。例示的な第一の厚みは、少なくとも５μｍ（例えば、１０〜１０００μｍ）である。この厚みは、目的に依存している。空間充填（例えば、寸法の修復）のためには、５００μｍから、１０００μｍを十分に超えるまでの厚みが適切となり得る。耐摩耗性または耐食性のためには、１０〜１００μｍで十分となり得る。単なる腐食保護のためには、かなりもっと薄い被覆が可能である。第一の材料は、ＮｉＢとすることができ、付与したままで、１〜１５％のＢ、より狭くは１〜１０％のＢを含むことできる。１〜５％のＢが、低〜中間のＢの被覆では適切となりかつ／または９〜１４％のＢが、高いＢの被覆では適切となり得る。

任意の清浄化および／またはその他の処理の後に、第二のＺｎ基材料を第一の材料の上に堆積させる。この付与は好ましくは、直接上部にされてもよいし、あるいは、一つまたは複数の介在層を付与していてもよい（そのような中間層が、第一および第二の材料間の拡散を可能とするのに十分な透過性または拡散可能性を有するならば）。この付与は、第一の位置において第二の厚みにすることができる。これは、基体の表面の大部分に亘って本質的に均一な第二の厚みとすることができる。第二の厚みは、第一の厚みより小さくてもよい。例示的な第二の厚みは、２〜５０μｍ、より狭くは５〜２０μｍである。

一つまたは複数の追加の層を付与する可能性を含め、任意の清浄化および／またはその他の処理の後に、適切な温度において加熱することによって、第一の材料および／または第二の材料のうちの一方または両方の一つまたは複数の成分が、他方の中に拡散する。この拡散は、ＺｎＮｉ合金の層を生成できる。加熱は、周囲雰囲気または不活性雰囲気中で実施できる。真空または反応性雰囲気もまた可能である。例示的な加熱は、少なくとも０．５時間の継続時間、少なくとも３００℃の温度にであり、より詳細には、０．５〜３時間、３００〜５００℃にである。拡散は、１．５時間の継続時間、４５０℃の温度にまたは２時間、３００℃の温度に加熱することによって得られる拡散の程度と少なくとも同じくらいの高さの拡散の程度を提供するのに有効となり得る。

拡散処理によって、上記の第二の厚みの少なくとも５０％の深さに亘って本質的に１０〜２５％Ｎｉの外側／外部寄り／上部の領域を形成できる。この深さは、上記の第二の厚みの１００〜２００％とすることができ、第一および第二の材料間のもとの接合部／境界にわたることができる。より一般的には、この領域において、Ｚｎ含有量は、少なくとも５０％とすることができ、Ｎｉ含有量は、少なくとも１０％とすることができる。Ｚｎ含有量は、少なくとも７０％とすることができる。

浅い移行領域の内部寄り／下方において、本質的に不変の第一の材料の領域が存在し得る。ＮｉＢ材料では、この基部領域は、少なくとも５０％のＮｉ含有量と、少なくとも１％のＢ含有量とを有する。例示的な厚みは、少なくとも１０μｍであるけれども、実質的に上側の可能性がある。Ｎｉ含有量は、少なくとも８０％とすることができ、中間〜高Ｂ材料では、Ｂ含有量は、少なくとも５％とすることができる。いくらかのＢ拡散が存在してもよいけれども、拡散された領域におけるその含有量は、基部領域中の含有量より実質的に低いものとすることができる（例えば、５分の１未満）。

さらに後拡散付与または処理があってもよい。高温で実施されるならば、拡散との重複層（ｏｖｅｒｌａｐ）があってもよい。例えば、少なくとも拡散の主要部分の後に、第三のＣｒ基材料を付与することができ、また、その前に付与することができる。例示的な仕上げ（ｆｉｎｉｓｈ）被覆は、拡散後に付与され、拡散材料の耐食性をさらに高めるのに役立つＣｒ−ＶＩ−基または、より好ましくは、Ｃｒ−ＩＩＩ−基変換（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）被覆である。

試験例では、第一の材料および第二の材料のみを付与し、その後に拡散を行い、追加の処理は行わない。図２および図３は、ｅ−ＮｉＢ被覆２２を付与し、その後に亜鉛被覆２４で電気めっきした後の鋼試験基体２０を示す。例示的なＮｉＢ被覆は、本質的にニッケルとホウ素とから成り、かなりホウ素に富んでおり、ホウ素含有量は約１０％である（特に示さない限り百分率は全て重量による）。例示的な被覆２２の厚みは約２４０μｍである。例示的な亜鉛被覆２４は、電気めっきされた亜鉛である。例示的な被覆２４の厚みは約１０μｍである。

拡散を生じさせるために、例示的な基体を、空気炉（ａｉｒ ｏｖｅｎ）中に、８５０°Ｆ（４５４℃）で２時間置いた。この相互拡散被覆は図４に示す。もとのＮｉＢ／Ｚｎ界面は、全体に振りまかれた暗いしみ（ｓｐｏｔ）を有するより明るい色の層中に走る暗い線として見ることができる。この界面は、図５および図６のＸ線図にも同様に見られる。

図７は、線走査データを示しており、この線走査データは、Ｚｎがｅ−ＮｉＢ層内へ約４μｍ内側へ拡散し、ＢでなくＮｉがＺｎ層全体に亘って外側へ拡散して、重量でほぼ一定の１８％のＮｉを有する本質的にＺｎＮｉ合金である層となっているのを示している。耐食性は、部品の外側表面におけるまたは外部表面近く（例えば、さらなる被覆層を付与した場合）の、犠牲Ｚｎ（ＺｎＮｉ合金として）の存在により高められている。中間移行領域は比較的薄い。合計濃度が見かけ上１００％にならないのは、試料採取の問題および正規化されていない生データの使用による。

被覆付与は、一方では既存のｅ−ＮｉＢ被覆のようなもの、他方では電気めっき拡散Ｎｉ／Ｚｎ被覆（例えば、米国特許第６，７５６，１３４号による）のようなものを含む。後者に比較して、ｅ−ＮｉＢの本被覆の使用によって、標準電気めっきで得られるニッケル層より硬くかつより高度に等角（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）のニッケル層の利点が得られる。

本発明の一つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行うことができることは理解されるであろう。例えば、部品作動条件は、任意の特定の実施に影響を及ぼすであろう。広範ないろいろの物品にこの被覆を使用することができ、また広範ないろいろの基体材料を用いることができる。これらの材料としては、金属（例えば、Ｔｉ基、Ｆｅ基、およびＡｌ基）、非金属（例えば、プラスチックおよび複合材などで、これらは更にｅ−ＮｉＢとオーバープレート（ｏｖｅｒｐｌａｔｅ）できるようにＡｕなどの基部金属被覆を含んでもよい）などが挙げられる。従って、他の実施態様は、添付の特許請求の範囲に含まれる。

例示的な被覆プロセスの流れ図である。 拡散前のＦｅ基体上の二層Ｚｎ上部ｅ−ＮｉＢ被覆の断面の電子マイクロプローブ走査の図である。 図２の被覆の拡大図である。 熱誘導拡散後の図３の被覆の図である。 図４の被覆の亜鉛Ｘ線図である。 図４の被覆のニッケルＸ線図である。 Ｎｉ、Ｂ、およびＺｎの各含有量を示す、図３の被覆の線走査である。

符号の説明

２０…鋼試験基体
２２…ｅ−ＮｉＢ被覆
２４…亜鉛被覆

Claims (22)

1. 無電解めっきにより第一のＮｉ基材料を基体の上に付与し、
   第一の材料の上に第二のＺｎ基材料を付与し、
   第一の材料および第二の材料の一方または両方のうちの一つまたは複数の成分を他方の中に拡散させる、
   ことを含むことを特徴とする被覆方法。
2. 第一の材料は基体の上に直接付与され、
   第二の材料は第一の材料の上に直接付与される、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 本質的に追加の材料を付与しないことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 少なくとも拡散の主要部分の後に、第三のＣｒ基材料を付与することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 少なくとも拡散の主要部分の前に、第三のＣｒ基材料を付与することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 拡散は、少なくとも０．５時間の継続時間、少なくとも３００℃の温度に加熱することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 拡散は、０．５〜３時間の継続時間、３００〜５００℃の温度に加熱することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 拡散は、１．５時間の継続時間、４５０℃の温度に加熱することによって得られる拡散の程度と少なくとも同じくらの高さの拡散の程度を提供するのに有効であることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 拡散は、２．０時間の継続時間、３００℃の温度に加熱することによって得られる拡散の程度と少なくとも同じくらの高さの拡散の程度を提供するのに有効であることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 基体はＴｉ基であることを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 第一の材料を付与することは、無電解ＮｉＢめっきを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 第一の材料を付与することは、第一の位置において５０〜５００μｍの第一の厚みに付与することを含み、
    第二の材料を付与することは、第一の位置において５〜２０μｍの第一の厚みに付与することを含む、
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
13. 第一の材料を付与することは、本質的に均一な第一の厚みに付与することを含み、
    第二の材料を付与することは、第一の厚みより小さな本質的に均一な第二の厚みに付与することを含む、
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 第一の材料は、付与したままで、１〜１０％のＢを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 第一の材料は、付与したままで、２〜６％のＢを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
16. 拡散によって、前記第二の厚みの少なくとも５０％の深さに亘って本質的に１０〜２５％Ｎｉの領域が形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
17. 請求項１記載の方法により形成されることを特徴とする被覆基体。
18. 無電解めっきにより第一のＮｉ基材料を基体の上に付与し、
    第一の材料の上に第二のＺｎ基材料を付与し、
    第一の材料および第二の材料からＮｉＺｎ合金を形成する、
    ことを含むことを特徴とする被覆方法。
19. 第一の材料を付与することは、本質的に前記無電解めっきから成り、
    前記の形成することは、少なくとも１時間の継続時間、少なくとも４００℃の温度に加熱することを含む、
    ことを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 基体と、被覆システムとを含む被覆物品であって、
    被覆システムは、組成勾配を有しており、この組成勾配は、
    少なくとも５０％のＮｉ含有量と、少なくとも１％のＢ含有量と、少なくとも１０μｍの厚みとを有する第一の領域と、
    第一の領域の外部寄りにあり、少なくとも５０％のＺｎ含有量と、少なくとも１０％のＮｉ含有量と、少なくとも４μｍの厚みとを有する第二の領域と、
    を有することを特徴とする被覆物品。
21. 基体はＴｉ基であることを特徴とする請求項２０記載の物品。
22. 第一の領域のＮｉ含有量は、少なくとも８０％であり、
    第一の領域のＢ含有量は、少なくとも５％であり、
    第二の領域のＺｎ含有量は、少なくとも７０％であり、
    第二の領域は、第一の領域のＢ含有量の５分の１未満のＢ含有量を有し、
    被覆システムは、第一の領域と第二の領域の間に１０μｍ以下の厚みを有する移行領域を有する、
    ことを特徴とする請求項２０記載の物品。