SE524615C2 - Arrangemang för minskning av galvanisk korrosion mellan metallkomponenter - Google Patents

Description

524 615 2 Effekterna av så kallad galvanisk korrosion kan studeras genom att exempel sjösätta en motorbåt med en propelleraxel av rostfritt stål och en propeller av brons i saltvatten. I detta fall leder den galvaniska korrosionen redan efter en kort tid till kraftiga angrepp på den mindre “ädla” propellem. I fallet av motorbåtar är det därför brukligt att under vattenlinj en fästa en så kallad offeranod av en ännu mindre “ädel” metall än de som ingår i propellem, vilket får till följd att offeranoden korroderar i stället för propellem. Offeranoden ger således propellem ett skydd mot galvanisk korrosion tills anoden har förbrukats och måste ersättas med en ny.

Den galvaniska korrosionen kan förklaras genom ett elektrokemiskt resonemang, utgående från att metaller kan indelas i en så kallad elektrolytisk spänningsserie. Om bitar av två olika metaller som befinner sig på olika ställen i spänningsserien placeras i en elektrolyt och är i elektrisk kontakt med varandra uppkommer ett galvaniskt element. Därvid blir den metall som står lägst i spärmingskedjan anod eller lösningspol medan den andra metallen blir katod eller utfallningspol.

Metallemas placering i den elektrolytiska spänningskedjan kan anges som så kallade normalpotentialer vid 25 °C, varvid exempelvis järn (Fe) ofta uppges ha värdet -0,440 V och magnesium (Mg) ett värde om -2,37 V. I det fall att bitar av magnesium och järn bringas i elektrisk kontakt med varandra i en elektrolyt erhålls ett kortslutet galvaniskt element där magnesiumet fungerar som anod/lösningspol och löses upp under bildning av joner och avgivande av elektroner. Vid järnbiten som fungerar som katod/utfällningspol kommer i stället vätgas (H2) att fällas ut ur elektrolyten eller syrgas att reduceras.

Det bör noteras att även den normalt förekommande luftfuktigheten innehåller tillräckligt med lösta änmen för att kunna fungera som en elektrolyt. Galvanisk korrosion kan därför uppträda utan att de aktuella metallema är nedsänkta i någon vätska.

Det är tidigare känt med ett antal olika metoder att skydda korrosionsbenägna metaller mot atmosfärisk korrosion. Bland sådana metoder kan bland annat nämnas ytbeläggning med olika rostskyddsmedel, galvanisering, förkromning, etc. 524 615 Vad det gäller skydd mot atmosfärisk och/eller galvanisk korrosion är det även känt med speciella offerbeläggningar, dvs. att en korrosionsbenägen första metall ytbeläggs med en ännu mera korrosionsbenägen andra metall med förmågan att bilda ett skyddande oxidskikt. Sålunda är det tidigare känt att genom ångdeponering ytbelägga ett metallsubstrat med en offerbeläggning av aluminium för att skydda substratet från korrosionsangrepp.

Det är även känt att olika katodytor har olika kinetiska egenskaper vad det gäller att sönderdela vatten och reducera vätej oner och syrgas.

Vidare beskrivs i US-A-4,980, l 95 ett forfarande för att förhindra atmosfärisk korrosion av stål, i vilket det stålsubstrat som skall skyddas ytbeläggs med aluminium genom jonisk ångdeponering. Det med aluminium ytbelagda stålet nedsänks därefter i en vatttenhaltig, sur lösning av ett indiumsyrasalt, vilket påstås ge små ytavsättningar av metallisk indium.

Dessa ytavsättningar påstås kunna aktivera “offeregenskaperna” hos aluminiumet i ytbeläggningen, så att ytbeläggningen ger ett bättre korrosionsskydd än en ren aluminiumytbeläggning.

Vidare beskriver US-A-4,844,943 process för att skydda en metallisk yta mot korrosion beroende på kontakt med vanadin- och/eller natriumoxider vid gasförbrännings- temperaturer som uppstår som en följd av förbränning av tunga bränslen. Processen uppges innefatta att på metallytan avsätta ett skikt av åtminstone en skyddande metall vald ur gruppen bestående av alkaliska jordartsmetaller, bor, aluminium, gallium, indium, tallium, kisel, zirkonium och titan. Den skyddande metallen uppges oxidera in situ för att bildade ett skyddande oxidskikt, vilket reagerar med vanadinoxid, natriumoxider eller blandningar därav för att bilda en komposition med en mjukningstemperatur som är högre än den för vanadin- eller natriumoxider. 524 615 4 Den ena sökandens egen internationella patentansökan nr. PCT/DK95/0O42l beskriver ett ytbelagt aluminiummaterial som innehåller ett substrat av aluminium eller aluminiumlegering med åtminstone ett ytparti därav och ett första skikt bestående av oxider av substratmaterialet och ett andra skikt bestående väsentligen av indium, tenn och/eller gallium. Det ytbelagda aluminiummaterialet är särskilt användbart i bilar, luftfarkoster och byggnader, och har mycket goda egenskaper i avseende på korrosionsbeständighet, nöthållfasthet och låg friktion.

Bland annat med syfte att genom en lägre fordonsvikt kunna minska bränsleförbrukningen har användningen av olika lättviktsmaterial ökat alltmer inom den fordonstillverkande industrin. Detta har lätt till en ökad användning av material såsom aluminium, magnesium och legeringar av dessa. Av olika anledningar är det fortfarande nödvändigt eller önskvärt att kunna använda mera traditionella material, såsom stållegeringar, för vissa fordonskomponenter. Det ökade antalet olika metaller och metallegeringar som används i moderna motorfordon har lett till en ökad risk för att galvanisk korrosion skall uppträda mellan olika komponenter.

Risken för galvanisk korrosion kan ofta vara särskilt stor i samband med fästelement, infästa artiklar eller konsoler, eftersom exempelvis bultar eller skruvar av hållfasthetskäl ofta består av en stållegering, medan de komponenter som skall fästas ihop ofta består av lättviktsmaterial. Vidare är användningen av fästelement ofta särskilt stor i positioner hos exempelvis motorfordon där en hög luftfuktighet ger goda förutsättningar för galvanisk korrosion, såsom i anslutning till motorfordonets hj ulupphängningar eller inuti motorutrymmet.

För att minska problemen med galvanisk korrosion hos fästelement, exempelvis för användning i motorfordon, 'monteras ofia en mellanliggande aluminiumbricka mellan exempelvis en bult eller skruv av stål hos fästelementet och en komponent av en lättviktsmetall eller -legering. Detta är särskilt vanligt förekommande i fallet av magnesiumlegeringar. 524 615 5 Även om lösningen med en sådan elektrokemiskt mera kompatibel bricka minskar problemet med galvanisk korrosion mellan fästelementet och den aktuella metallkomponenten, ger den ett oönskat vikttillskott, en oönskad kostnad, en mera komplicerad montering, och i vissa fall en större risk för sättningar i förbandet.

Redogörelse fór uppfinningen Föreliggande uppfinning har därför som sitt första syfte att tillhandahålla ett arrangemang för minskning av galvanisk korrosion mellan metallkomponenter, vilket undanröjer behovet av korrosionsminskande brickor eller mellanlägg och därför medger både kostnads- och viktbesparingar, en enklare montering och stabilare förband.

Detta första syfte uppnås, i enlighet med patentkrav l, genom att ytskiktet innefattar indium eller en indiumförening varvid ytskiktet har en norrnalpotential som är högre än norrnalpotentialen för den forsta och den andra metallen, varvid ytskiktet efter monteringen ger den andra komponenten en försumbar galvanisk korrosionshastighet.

Ett andra syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett arrangemang för minskning av galvanisk korrosion mellan metallkomponenter, vilket kan åstadkommas med en förhållandevis låg miljöpåverkan, både när det gäller arbetsmiljön och de omgivande ekosystemen.

Detta andra syfte uppnås, i enlighet med patentkrav 3, genom att ytskiktet hos det uppfinningsenli ga arrangemanget i huvudsak består av indium (In), en indiurnlegering eller en indiumförening, Ytterligare syften med föreliggande uppfinning kommer att bli uppenbara genom den efterföljande beskrivningen, medan de särdrag som möjliggör att de ytterligare syftena uppnås anges i de bilagda, underordnade patentkraven. 524 615 Kortfattad figurbeskrivning Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i större detaljrikedom med hänvisning till den bilagda ritningen, varvid fig. 1 visar en starkt schematisk tvärsnittsvy av en föredragen utföringsform av ett arrangemang enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av fördragna utföringsformer I det följande kommer ett antal olika utforingsforrner av ett arrangemang enligt uppfinningen att beskrivas, när tillämpligt med hänvisning till fig. 1.

Det uppfinningsenliga arrangemanget 1 är avsett för minskning av galvanisk korrosion mellan metallkomponenter och innefattar åtminstone en första komponent 2 i vilken ingår en första metall, och åtminstone en andra komponent 3 i vilken ingår en andra metall.

Därvid måste förstås att det även kan ingå andra metaller eller metallegeringari respektive komponent än ovannämnda första och andra metaller.

Den första metallen har därvid en högre norrnalpotential eo än den andra metallen. Med normalpotential avses häri resultat erhållna vid mätningar med normal vätgaselektrod vid 25°C, på det sätt som exempelvis anges i G. Hägg, “Allmän och oorganisk kemi”, Stockholm, 1963, enligt vilka exempelvis eo för magnesiums (Mg) redoxreaktion uppges vara -2,37 V medan eo för jäms (Fe) redoxreaktion uppges vara -0,440 V.

I arrangemanget enligt uppfinningen är den första komponenten 2 avsedd att efter montering stå i elektrisk kontakt med den andra komponenten 3.

Enligt uppfinningen är därvid den första komponenten 2 belagd med ett väsentligen kontinuerligt ytskikt 4, vilket är avpassat för att efter monteringen ge den andra komponenten 3 en försumbar galvanisk korrosionshastighet. Därvid är det av stor vikt att ytskiktet 4 är väsentligen kontinuerligt om den avsedda effekten skall kunna uppnås. Med “försumbar korrosionshastighet” avses därvid att den andra komponenten korroderar 524 615 7 galvaniskt med en hastighet som är försumbar i förhållande till den normalt förväntade livslängden hos komponenten.

Enligt den föredragna utföringsforrnen är den försumbara korrosionshastigheten, uttryckt som en strömtäthet IQ vid en katodreaktion under vätgasutvecklingi en IM stark syra, lägre än 10"” A/cmz. Med Io avses därvid den strömtäthet som redovisas exempelvis på sid. 236 i “Instrumental Methods in Electrochemistry”, Ellis Horwood Limited, 1990, Chicester, England. Genom denna mycket långsamma kinetiska reaktionshastighet säkerställer ytskiktet 4, dvs. katoden, att de galvaniska korrosionsangreppen på den andra komponenten 3, dvs. anoden, förblir endast obetydliga under en för praktiska ändamål tillräckligt lång tidsperiod.

I en annan föredragen utföringsfonn är ytskiktet 4 avpassat för att vid ett på grund av korrosionen stigande pH bilda en hydroxid med en löslighet som ger en lägre halt fria hydroxidjoner än 105 M i destillerat vatten vid 25 °C. I denna utföringsform kommer den i ytskiktet bildade, väsentligen olösliga hydroxiden att försvåra att det underliggande metallskiktet går i lösning som en sidoreaktion p. g.a. alkalisering.

I en särskilt föredragen utföringsform innefattar ytskiktet 4 indium (In) eller en indiumförening.

Bland annat av miljöskäl består ytskiktet 4 därvid särskilt fördelaktigt i huvudsak av indium, en indiurnlegering eller en indiumförening. I järnförelse med andra korrosionshärnmare anses nämligen indium vara förhållandevis ofarligt både ur arbetarskyddssynpunkt och när det gäller utsläpp till den yttre miljön, eftersom indium ej har uppvisat några uppenbart negativa milj ökonsekvenser.

I en arman fördelaktig utföringsform innefattar ytskiktet 4 vidare en sealer, vilken kan vara av i och för sig tidigare känd typ, såsom alkalisilikat/vattenglas. I denna utföringsfonn säkerställs att eventuella porer i ytskiktet 4 tätas, och att ett elektriskt isolerande skikt bildas. 524 615 Enligt en annan utföringsform innefattar ytskiktet 4 vidare en tillsats av tenn, zink, vismut eller gallium. Denna utföringsform gör det möjligt att skräddarsy ytskiktets egenskaper utgående från de krav som den aktuella tillämpningen ställer.

Ytskiktet 4 ytbeläggs fördelaktigt på den första komponenten 2 genom varmdoppníng, elektrolys, ångdeponering, mekanisk beläggning eller kemisk beläggning. Mekanisk eller kemisk plätering kan därvid exempelvis användas. Man kan dock även tänka sig andra för ändamålet lämpliga, i och för sig tidigare kända, ytbeläggningsprocesser.

I en fördelaktig utfóringsform har ytskiktet 4 har en tjocklek inom intervallet 0,5 - 100 um.

Tjockleken måste dock avpassas för den aktuella tillämpningen beroende på det aktuella ytskiktets porositet, förväntat mekaniskt slitage, erforderlig livslängd, etc.

I en annan fördelaktig utföringsforrn utgörs den andra komponenten 3 huvudsakligen av en metallegering av magnesium (Mg) eller aluminium (Al). Såsom torde vara välkänt för fackmannen kan sådana metallegeringar under vissa förhållanden vara känsliga för galvanisk korrosion, varför arrangemanget enligt uppfinningen kommer särskilt till sin rätt i denna utföringsfonn.

I den särskilt fördelaktiga utföringsfonnen av arrangemanget enligt uppfinningen är den andra metallen magnesium (Mg). Det är välkänt att magnesium kan uppvisa stora problem med galvanisk korrosion, varvid den ökande användningen av magnesium inom exempelvis den fordonstillverkande industrin gör denna utföringsforrn särskilt fördelaktig.

I ännu en fördelaktig utföringsfonn av arrangemanget enligt uppfinningen utgörs den första komponenten 2 huvudsakligen av en obehandlad eller ytbehandlad stållegering.

I ytterligare en fördelaktig utföringsforrn av arrangemanget enligt uppfinningen är den första komponenten 2 förzinkad eller förtennad under ytskiktet 4. 524 615 9 I den särskilt fördelaktiga utföringsforni av uppfinningen är den första komponenten 2 ett fastelement, såsom en bult eller skruv. I denna utföringsform kommer de korrosionsskyddande egenskapema hos arrangemanget enligt uppfinning till särskilt stor nytta, eftersom fästelement ofta är belägna i särskilt korrosionsutsatta positioner hos exempelvis ett motorfordon, och ändå måste kunna demonteras även en lång tid efter den ursprungliga monteringen, något som lätt kan bli omöjligt med tidigare kända fastelement.

I en ännu en fördelaktig utföringsform är den första komponenten en infäst artikel eller en konsol (ej visade på figurerna), vilka är vanligt förekommande komponenter inom exempelvis fordonsindustrin och ofta utsatta för galvanisk korrosion.

I en särskilt föredragen utföringsforin av arrangemanget enligt uppfinningen är den första och andra komponenten (2) fordonskomponenter, avsedda att användas i exempelvis en personbil eller ett lastfordon.

Föreliggande uppfinning skall ej ses som begränsad till vad som har beskrivits ovan i anslutning till de föredragna utföringsformerna, eller till vad som visas på de bilagda ritningama, utan uppfinningens räckvidd definieras av de efterföljande patentkraven.

Claims (5)

524 615 10 Patentkrav

1. Ett arrangemang för minskning av galvanisk korrosion mellan metallkomponenter, nämnda arrangemang (1) innefattande åtminstone en första komponent (2) i vilken ingår en första metall, och åtminstone en andra komponent (3) i vilken ingår en andra metall, varvid den första metallen har en högre nonnalpotential (eo) än den andra metallen, och varvid den första komponenten (2) är avsedd att efter montering stå i elektrisk kontakt med den andra komponenten (3), där den första komponenten (2) är belagd med ett väsentligen kontinuerligt ytskikt (4), k ä n n e t e c k n at a v att ytskiktet (4) innefattar indium (In) eller en indiumförening varvid ytskiktet har en nonnalpotential (eo) som är högre än norrnalpotentialen för den första och den andra metallen, varvid ytskiktet efter monteringen ger den andra komponenten (3) en försumbar galvanisk korrosionshastighet.

2. Ett arrangemang enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t a v att den försumbara korrosionshastigheten, uttryckt som en strömtäthet 10 vid en katodreaktion under vätgasutveckling i en IM stark syra, år lägre än 1042 A/cmz.

3. Ett arrangemang enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v att ytskiktet (4) i huvudsak består av indium (In), en indiumlegering eller en indiumförening. 10. ll. 524 615 ll Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att ytskiktet (4) är avpassat för att vid ett på grund av korrosionen stigande pH bilda en hydroxid med en löslighet som ger en lägre halt fria hydroxidjoner än 10' 5 M i destillerat vatten vid 25 °C. Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att ytskiktet (4) vidare innefattar en sealer. Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att ytskiktet (4) vidare innefattar en tillsats av tenn, zink, vismut eller gallium. Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att ytskiktet (4) har ytbelagts på den första komponenten (2) genom varmdoppning, elektrolys, ångdeponering, mekanisk beläggning, eller kemisk beläggning. Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att ytskiktet (4) har en tjocklek inom intervallet 0,5 - 100 pm. Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att den andra komponenten (3) huvudsakligen utgörs av en metallegering av magnesium (Mg) eller aluminium (Al). Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att den andra metallen är magnesium (Mg). Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t a v att den första komponenten (2) huvudsakligen utgörs av en obehandlad eller ytbehandlad stållegering. 12. 13. 1

4. 1

5. 524 615 12 Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att den första komponenten (2) är förzinkad eller förtennad under ytskiktet (4). Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n at a v att den första komponenten (2) är ett fästelement, såsom en bult eller skruv. Ett arrangemang enligt något av patentkraven 1 - 13, k ä n n e t e c k n at a v att den första komponenten (2) är en infást artikel eller en konsol. Ett arrangemang enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t a v att den första och andra komponenten (2) är fordonskomponenter.