KR100821397B1

KR100821397B1 - 니켈 코팅

Info

Publication number: KR100821397B1
Application number: KR1020060017473A
Authority: KR
Inventors: 토마스 알. 한론
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2008-04-10
Also published as: EP1710323A1; ATE525492T1; JP2006283191A; US20080124542A1; CN1847452A; KR20060106874A; EP1710323B1; SG126134A1; TW200639270A; US20060222880A1

Abstract

니켈기 제1 재료는 무전해 도금에 의해 기층에 적층된다. 아연기 제2 재료는 제1 재료 위에 적층된다. 제1 재료 및 제2 재료 중 적어도 하나의 재료의 하나 이상의 구성성분이 다른 재료로 확산된다. 확산은 내식성이 향상된 아연-니켈 합금층을 만들어 낸다.

무전해도금, 아연 니켈 합금, 니켈 코팅, 니켈 붕소 도금

Description

니켈 코팅 {NICKEL COATING}

도1은 예시적인 코팅 과정의 순서도.

도2는 확산 전의 Fe 기층 위의 e-NiB 코팅 정상에 2개의 Zn 층의 단면의 전자 마이크로프로브 스캔.

도3은 도2의 코팅의 확대도.

도4는 코팅 층의 열유도 확산 이후의 도3의 코팅의 도면.

도5는 도4의 코팅의 아연 x선 맵.

도6은 도4의 코팅의 니켈 x선 맵.

도7은 Ni와 B와 Zn의 성분을 도시한, 도3의 코팅의 선 스캔.

각각의 도면에 있는 같은 도면 부호와 지시 기호들은 같은 구성 요소를 가리킨다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 스틸 테스트 기층

22: e-NiB 코팅

24: 아연 코팅

본 발명은 니켈 코팅에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 무전해 니켈 붕소 도금에 관한 것이다.

전체가 본 명세서에 참조로 병합되는 미국 특허 제6,756,134호는 부식과 열 보호를 위해 아연이 확산된 니켈 합금 코팅을 개시하고 있다. 니켈과 아연 층은 기층 상에 연속적으로 전기 도금되고, 그 다음에 열확산된다.

별도로, 무전해 니켈 (EN) 코팅은 마모와 부식 보호를 포함하는 목적을 위해 사용되어 왔다. 무전해 니켈 인 (ENP 또는 e-NiP) 도금은 환원제로서 하이포아인산나트륨의 사용에 의해 이루어질 수 있다. 무전해 니켈 붕소 (ENB 또는 e-NiB) 도금은 환원제로서 수소화붕소 나트륨 또는 디메틸아미노보란과 같은 화합물의 사용에 의해 이루어질 수 있다. e-NiB 코팅은 e-NiP 코팅에 비해 유리한 내마모성 특성을 가질 수 있지만, 유리한 내식성을 제공하지 못할 수 있다.

니켈기 제1 재료가 무전해 도금에 의해 기층 위에 도포된다. 아연기 제2 재료가 제1 재료 위에 도포된다. 제1 및 제2 재료 중 적어도 하나의 재료의 하나 또는 그 이상의 구성성분들이 다른 재료로 확산된다. 이것으로 내식성이 향상된 ZnNi 합금층을 만들 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들의 세부 사항은 첨부 도면들과 및 이하의 기재 내용에 설명되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점들은 상세한 설명과, 도면과, 청구항들로부터 명백할 것이다.

e-NiB 코팅의 내식성 문제는 마이크로 다공성, 원주 구조로 인한 것으로 믿어져 왔다. 내식성을 향상시키기 위하여, 전기 도금, 슬러리 패킹, 또는 다른 방법을 통해 e-NiB 코팅 기층의 표면에 아연층이 도포된 다음 NiB 층과 상호 확산될 수 있을 것이 요구되었다.

도1에 도시된 공정에서, 기층이 형성된다. 예시적인 기층들은 티타늄기(예를 들면, 티타늄 또는 티타늄 합금)로 되어 있고, 단조 및/또는 기계 가공에 의해 형성된다. 예시적인 기층은 항공 산업에 사용되는 부품용이다(예를 들면, 가스 터빈 엔진 압축기 블레이드, 베인 및 다른 구성품들). 임의의 세정 또는 다른 처리 후에, 니켈기 제1 재료는 기층 위에 도포된다. 도포는 위에 직접 가해질 수도 있거나, 또는 하나 이상의 중간층이 도포될 수도 있다. 도포는 제1 위치에서 제1 두께로 될 수 있다. 이것은 기층 표면의 대부분 위에 실질적으로 균일한 제1 두께가 될 수 있다. 제1 두께는 국부적인 기층 두께보다 실질적으로 더 작을 수 있다. 예시적인 제1 두께는 적어도 5 ㎛ (예를 들면, 10 ~ 1000 ㎛)이다. 이 두께는 목적에 따라 달라질 것이다. 500 ㎛ 내지 1000 ㎛를 꽤 초과하는 범위의 공간 충전 (예를 들어, 치수 회복) 두께가 적당할 것이다. 내식성 및 내마모성을 위해, 10 ~ 100 ㎛ 가 충분할 것이다. 단순한 부식 보호를 위해서는, 더 얇은 코팅이 가능하다. 제1 재료는 NiB일 수 있고, 도포되는 것에 따라, 1 ~ 15 %의 붕소, 더 좁게는 1 ~ 10 %의 붕소를 포함할 수 있다. 1 ~ 5%는 저-중-붕소 코팅에 적합하고 그리고/또는 9 ~ 14%는 고-붕소 코팅에 적합하다.

임의의 세정 및/또는 다른 처리 후에, 아연기 제2 재료는 제1 재료 위에 도포된다. 바람직하게는, 도포는 위에 직접 가해질 수 있고, (만일 그러한 중간층이 충분한 침투성 또는 확산 가능성을 가지고 있어서 제1 재료와 제2 재료 사이에 확산을 허용한다면) 하나 이상의 중간층이 도포될 수 있다. 도포는 제1 위치에서 제2 두께로 될 수 있다. 이것은 기층의 표면의 대부분 위에 실질적으로 균일한 제2 두께가 될 수 있다. 제2 두께는 제1 두께보다 작을 수 있다. 예시적인 제2 두께는 2 ~ 50 ㎛이고, 더 좁게는 5 ~ 20 ㎛이다.

하나 이상의 추가 층들의 잠재적인 도포를 포함하여, 임의의 세정이나 및/또는 다른 처리 후에, 적절한 온도에서의 가열은 적어도 하나의 제1 재료 및/또는 제2 재료의 하나 이상의 구성성분이 다른 재료로 확산되도록 한다. 이러한 확산은 아연-니켈 합금층을 만든다. 상기 가열은 대기압 상태 또는 비활성 대기압 상태에서 수행될 수 있다. 진공 또는 반응성 대기압 상태도 가능하다. 예시적인 가열은 적어도 30분 동안 적어도 300℃의 온도로, 더 구체적으로는 0.5 ~ 3시간 동안 300 ~ 500 ℃의 온도로 이루어진다. 확산은 적어도 1.5시간 동안 450 ℃ 또는 2시간 동안 300℃의 온도로 가열함으로써 얻어진 확산 정도만큼의 확산 정도를 제공하는 효과가 있다.

확산 처리는 상기 제2 두께의 적어도 50%의 깊이를 통해 실질적으로 10 ~ 25 %의 니켈의 외부/외측/상부 영역을 형성한다. 상기 깊이는 상기 제2 두께의 100 ~ 200% 일 수 있고, 제1 재료와 제2 재료 사이의 최초 접합점/경계에 걸쳐 있을 수 있다. 더 넓게는, 상기 영역에서 아연 함유량은 적어도 50% 일 수 있고, 니켈 함유량은 적어도 10% 일 수 있다. 아연 함유량은 적어도 70%일 수 있다.

얕은 전이 영역의 내측/아래에, 실질적으로 변하지 않은 제1 재료의 영역이 있을 수 있다. NiB 재료에 있어서, 이 기저 영역은 적어도 50%의 니켈 함유량과 적어도 1%의 붕소 함유량을 가질 수 있다. 상당한 잠재적인 상부가 있지만, 예시적인 두께는 적어도 10㎛이다. 니켈 함유량은 적어도 80%일 수 있고, 붕소 함유량은 중-고 붕소 재료에 대해 적어도 5%일 수 있다. 어느 정도의 붕소 확산이 있을 수 있지만, 확산된 영역에서의 그 함유량은 실질적으로 기저 영역에서의 함유량보다 작을 수 있다 (예를 들어, 1/5 이하).

후-확산 도포 또는 처리가 더 있을 수 있다. 상승된 온도에서 실시된다면, 확산과 겹칠 수 있다. 예를 들어, 크롬기 제3 재료는 적어도 대부분의 확산 이후에 도포될 수 있고, 또는 그 전에 도포될 수 있다. 예시적인 마감 코팅은 확산 이후에 도포되는 Cr-VI기, 또는 더 바람직하게는, Cr-III기 변환 코팅이며, 확산 재료의 내부식 특성을 더 강화하도록 제공된다.

시험예에서, 제1 재료 및 제2 재료만을 도포시키고, 확산 이후의 추가의 처리가 없다. 도2 및 도3은 e-NiB 코팅(22)의 도포와 수반되는 아연 코팅(24)으로 전기 도금한 후의 스틸 테스트 기층(20)을 도시하고 있다. 예시적인 NiB 코팅은 실질적으로 니켈 및 붕소로 구성되어 있고, 상당히 붕소가 많은, 대략 10%의 붕소 함유량을 가진다(달리 표시되지 않았으면 모두 중량%이다). 예시적인 e-NiB 코팅(22)의 두께는 약 240㎛이다. 예시적인 아연 코팅(24)은 전기 도금된 아연이다. 예시적인 아연 코팅(24)의 두께는 약 10 ㎛이다.

확산을 일으키기 위해, 예시적인 기층은 850˚F (약 454℃)에서 두 시간 동안 에어오븐 안에 놓여있었다. 상호 확산된 코팅은 도4에 도시되어 있다. 최초의 NiB/Zn 인터페이스는 어두운 점들이 산재되어 있는 더 밝은 색의 층을 통해 어두운 선으로 보여질 수 있다. 인터페이스는 도5 및 도6의 x선 맵에서 유사하게 볼 수 있다.

도7은 아연이 e-NiB층 안으로 약 4㎛ 확산된 것과, 붕소가 아니라 니켈이 아연층을 통해 외부로 확산되어 거의 일정하게 18 중량%의 니켈을 가진 실질적으로 ZnNi 합금인 층이 된 것을 가리키는 선 스캔 데이터를 도시하고 있다. 부품의 외부 표면에 또는 근처에(예를 들어, 만일 추가로 코팅층이 도포되는 경우) 희생 아연(Zn-Ni 합금으로서)이 존재하기 때문에 내부식성이 향상된다. 중간 전이 영역은 비교적 얇다. 합계 농도가 100%로 나타나지 않는 것은 샘플링 고려와 미처리 비표준화 데이터의 사용에 기인한다.

코팅 도포는 한편으로는 현행의(existing) e-NiB 코팅과, 다른 한편으로는 전기 도금되어 확산된 Ni/Zn 코팅(예를 들면, 미국특허 제6,756,134호)의 도포를 포함한다. 후자와 비교하여, 본 발명의 e-NiB 코팅의 사용은 표준 전기 도금에 의해 얻는 것보다 더 단단하고 더 공형인 니켈층의 이점을 제공할 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 실시예들이 만들어질 수 있다고 이해될 것이다. 예를 들면, 부품 실시 조건들이 어느 특정한 실시에 영향을 줄 것이다. 매우 다양한 입자들이 상기 코팅에 사용될 수 있고, 다양한 기층 재료들이 사용될 수 있다. 이 재료들은 금속(예를 들어, Ti기, Fe기 및 Al기 금속)과 비금속(예를 들어, e-NiB로 추가 도금을 하기 위해 Au와 같은 기초 금속 코팅을 더 포함하는 조성물 또는 플라스틱)을 포함한다. 따라서, 다른 실시예들은 이하의 청구항들의 범주 내에 있다.

니켈기 제1 재료가 무전해 도금에 의해 기층 위에 도포되고, 아연기 제2 재료가 제1 재료 위에 도포된 다음, 제1 및 제2 재료 중 적어도 하나의 재료의 하나 또는 그 이상의 구성성분들을 다른 재료에 확산시킴으로써, 내식성을 향상시킨 ZnNi 합금층을 만들 수 있다.

Claims

무전해 NiB 도금에 의해 기층 위에 니켈기 제1 재료를 도포하는 단계와,

상기 제1 재료 위에 아연기 제2 재료를 도포하는 단계와,

상기 제1 재료 및 제2 재료 중 적어도 하나의 재료의 하나 이상의 구성성분을 다른 재료로 확산시키는 단계를 포함하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 재료는 상기 기층 위에 직접 도포되고, 상기 제2 재료는 상기 제1 재료 위에 직접 도포되는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 추가의 재료가 도포되지 않는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 확산 이후에 크롬기 제3 재료를 도포하는 단계를 더 포함하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 확산 동안에 크롬기 제3 재료를 도포하는 단계를 더 포함하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 확산 단계는 적어도 0.5시간 동안 적어도 300℃의 온도로 가열되는 단계를 포함하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 확산 단계는 0.5 내지 3시간 동안 300 내지 500℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 확산 단계는 1.5시간 동안 450℃의 온도로 가열함으로써 얻어지는 확산도보다 더 높은 확산도를 제공하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 확산 단계는 2.0시간 동안 300℃의 온도로 가열함으로써 얻어지는 확산도보다 더 높은 확산도를 제공하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 기층은 티타늄기인 코팅 방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제1 재료를 도포하는 단계는 제1 위치에서 50 내지 500 ㎛의 제1 두께로 도포하는 단계를 포함하고,

상기 제2 재료를 도포하는 단계는 상기 제1 위치에서 5 내지 20 ㎛의 제2 두께로 도포하는 단계를 포함하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 재료를 도포하는 단계는 균일한 제1 두께로 도포하는 단계를 포함하고,

상기 제2 재료를 도포하는 단계는 상기 제1 두께보다 작은 균일한 제2 두께로 도포하는 단계를 포함하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 재료는 도포되는 것에 따라 1 내지 10%의 붕소를 포함하는 코팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 재료는 도포되는 것에 따라 2 내지 6%의 붕소를 포함하는 코팅 방법.
제12항에 있어서, 상기 확산은 상기 제2 두께의 적어도 50%의 깊이에 걸쳐서 10 내지 25%의 니켈 영역을 형성하는 코팅 방법.
제1항의 코팅 방법에 의해 형성된 코팅된 기층.
기층 위에 니켈기 제1 재료를 무전해 도금에 의해 도포하는 단계와,

상기 제1 재료 위에 아연기 제2 재료를 도포하는 단계와,

상기 제1 재료와 제2 재료로부터 니켈-아연 합금을 형성하는 단계를 포함하는 코팅 방법.
제18항에 있어서, 상기 제1 재료를 도포하는 단계는 상기 무전해 도금으로 구성되고,

상기 합금 형성 단계는 적어도 1시간 동안 적어도 400℃의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 코팅 방법.
기층과, 코팅 시스템을 포함하는 코팅 물품이며,

상기 코팅 시스템은 50% 내지 99%의 니켈 함유량과, 1% 내지 50%의 붕소 함유량과, 적어도 10㎛의 두께를 가진 제1 영역과,

50% 내지 90%의 아연 함유량과, 10% 내지 50%의 니켈 함유량과, 적어도 4㎛의 두께를 가지고, 상기 제1 영역의 외부에 위치한 제2 영역을 가진 조성 구배를 갖는 코팅 물품.
제20항에 있어서, 상기 기층은 티타늄기인 코팅 물품.
제20항에 있어서, 상기 제1 영역 니켈 함유량은 80% 내지 95%이고,

상기 제1 영역 붕소 함유량은 5% 내지 20%이고,

상기 제2 영역 아연 함유량은 70% 내지 90%이고,

상기 제2 영역은 상기 제1 영역 붕소 함유량의 1/5 보다 적은 붕소 함유량을 갖고,

상기 제2 영역에서 니켈 함유량과 붕소 함유량의 합은 10% 내지 30%이고,

상기 코팅 시스템은 10㎛를 넘지 않는 두께를 가진 상기 제1 영역 및 제2 영역 사이의 전이 영역을 가진 코팅 물품.