專利名稱：用于形成轉(zhuǎn)化表面的方法和組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括地講涉及金屬轉(zhuǎn)化表面(conversion surface)領(lǐng)域，更具體地講，涉及鐵、鋁部件以及能夠形成轉(zhuǎn)化表面的其他金屬基材的磷酸鹽-金屬化學(xué)吸附層的形成。
背景技術(shù)：
如所周知，形成鐵-磷酸鹽轉(zhuǎn)化表面為形成這樣一種表面，它除了其他的優(yōu)點(diǎn)之外，還表現(xiàn)出高的干膜潤(rùn)滑性。設(shè)備的鐵部件或鐵零件上鐵-磷酸鹽轉(zhuǎn)化表面的形成傳統(tǒng)上通過(guò)磷化浴工藝完成。這種磷化浴還通常包括元素鋅以優(yōu)化磷酸鹽在目標(biāo)物件表面上的沉積過(guò)程。使用磷化浴工藝對(duì)于涂覆特定類型的零部件為實(shí)用的，也就是說(shuō)，對(duì)于表面要暴露于這些元素的大部件，磷化浴工藝要求拆開(kāi)需要處理的部件以進(jìn)行涂覆。
授予DeFalco的美國(guó)專利5,540,788提出一種通過(guò)在潤(rùn)滑液中傳送磷化處理化合物在鐵基材上形成轉(zhuǎn)化表面而形成鐵-磷表面的方法。該方法包括在完工的機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)上形成鐵/磷酸鹽表面以形成轉(zhuǎn)化表面。該組合物可以通過(guò)潤(rùn)滑油引入運(yùn)轉(zhuǎn)著的發(fā)動(dòng)機(jī)中。公開(kāi)的該組合物包含磷酸源、堿金屬氫氧化物和活性NH2基團(tuán)的來(lái)源。值得注意的是，由于所描述的強(qiáng)放熱反應(yīng)使活性NH2基團(tuán)的來(lái)源形成活性NH2基團(tuán)。試驗(yàn)表明，在上述反應(yīng)中作為活性NH2基團(tuán)的來(lái)源的相同化合物在不同的物理?xiàng)l件下不產(chǎn)生活性NH2基團(tuán)，因?yàn)樵诓煌奈锢項(xiàng)l件下遵循不同的反應(yīng)途徑。DeFalco專利中產(chǎn)生的活性NH2基團(tuán)最好稱作磷酰胺。這種特別的化合物得自DeFalco專利中描述的強(qiáng)放熱反應(yīng)。值得注意的還有，高pH的物理?xiàng)l件導(dǎo)致形成游離氨。當(dāng)磷酰胺與潤(rùn)滑介質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)中循環(huán)時(shí)，形成這種組合物特定的磷酸鹽-鐵轉(zhuǎn)化表面。
各種形式的含磷酸鹽物質(zhì)已被用來(lái)在鐵和非鐵金屬上形成所需的轉(zhuǎn)化表面，每種物質(zhì)得到性能獨(dú)特的特定表面。多數(shù)研究致力于含磷涂層鐵基材上的沉積，包括鋅的使用。最好形成成本合算的組合物，當(dāng)它與金屬基材或部件接觸時(shí)會(huì)形成磷酸鹽-金屬轉(zhuǎn)化表面。最好該組合物對(duì)鐵表面的轉(zhuǎn)化有用。最好該組合物對(duì)能夠形成轉(zhuǎn)化表面的非鐵金屬表面的轉(zhuǎn)化有用。特別期望最好該組合物對(duì)鋁(包括鋁合金)表面的轉(zhuǎn)化有用。最好形成的轉(zhuǎn)化表面耐腐蝕，同時(shí)即使在干燥時(shí)也有高的潤(rùn)滑系數(shù)。最好包括一種將該組合物傳送至待轉(zhuǎn)化的部件而不必拆開(kāi)需要涂覆的部件的方法。
除鐵類金屬部件之外，人們進(jìn)行了各種努力產(chǎn)生改進(jìn)的非鐵金屬部件，特別是鋁部件。人們致力于鋁合金組合物來(lái)產(chǎn)生改進(jìn)的鋁部件，例如摩托雪撬、割草機(jī)、修草機(jī)、助動(dòng)車、舷外發(fā)動(dòng)機(jī)、全地形車、泥土路摩托車、鏈鋸等中常見(jiàn)的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是致力于形成轉(zhuǎn)化表面。例如美國(guó)專利6,419,769中公開(kāi)了一種獨(dú)特的硅-鋁合金組合物。類似地，為了增加強(qiáng)度，人們已經(jīng)在鋁合金中加入稀土金屬，例如美國(guó)專利5,284,532討論的組合物。
由于其典型的用途，常常偶爾使用二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。例如雪撬摩托在淡季停用。這就導(dǎo)致與凝結(jié)作用(coudensation)和由此導(dǎo)致的腐蝕相關(guān)的其他問(wèn)題。為避免這類問(wèn)題常常加入緩蝕劑。
鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)用潤(rùn)滑油來(lái)潤(rùn)滑發(fā)動(dòng)機(jī)。選擇高的膜強(qiáng)度的潤(rùn)滑油以減小摩損。這能防止金屬-金屬間的接觸，保護(hù)活塞不被磨損。當(dāng)工作溫度高時(shí)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭距被損耗。鋁活塞因熱膨脹，引起摩擦的增加。各種專有的潤(rùn)滑油已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)以改善在高工作溫度下的性能。采用ASTM D-4863二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑試驗(yàn)測(cè)量在350℃(662°F)的扭距輸出，作為性能的基準(zhǔn)。
潤(rùn)滑劑技術(shù)領(lǐng)域的特點(diǎn)在于不斷地尋求改進(jìn)的潤(rùn)滑劑和添加劑?；緷M足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑劑性能的添加劑發(fā)揮多種作用，包括提供去垢力、抗氧化性、污染物懸浮等。為了改善潤(rùn)滑性，已經(jīng)研究了各種合成油和添加劑。為增加潤(rùn)滑性，已經(jīng)測(cè)試了合成酯的多種組合。還建議了其他添加劑以降低磨損。一個(gè)實(shí)例為美國(guó)專利6,242,394公開(kāi)的二沖程潤(rùn)滑劑。美國(guó)專利6,172,013公開(kāi)的潤(rùn)滑油組合物通過(guò)使用鉬和脂族或芳族二羧酸的二酯的添加劑增強(qiáng)(enhanced)摩擦系數(shù)和耐磨性能。乙醛酸和苯酚的加成物為人所共知的。例如在美國(guó)專利5,281,346中Adams公開(kāi)一種二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑劑，所述潤(rùn)滑劑包含芳族羧酸的堿金屬或堿土金屬鹽。
為了形成所需的潤(rùn)滑劑或表面，人們研究了各種形式的含磷酸鹽物質(zhì)，每種含磷酸鹽物質(zhì)得到具有獨(dú)特特征的特定的表面組合物。人們大多致力于含磷涂層在鐵基材上的沉積以及鋅的應(yīng)用。最好形成成本合算的在非鐵金屬表面上形成磷酸鹽-金屬轉(zhuǎn)化表面的組合物。最好在鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)上形成磷酸鹽-金屬轉(zhuǎn)化表面。最好在運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)或部件上形成轉(zhuǎn)化表面。最好在鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)上形成能夠改善干膜潤(rùn)滑性、效率、強(qiáng)度和/或排放(emission)控制的轉(zhuǎn)化表面。最好包括一種將該組合物傳送至待轉(zhuǎn)化的部件而不必拆開(kāi)需要涂覆的部件的方法。最好形成一種不需要鋅的組合物和方法。
發(fā)明概述本發(fā)明包括用于在金屬部件上形成含磷轉(zhuǎn)化表面的組合物和方法。本發(fā)明的組合物用于在金屬表面上形成薄層。
本發(fā)明包括含磷溶液，所述含磷溶液包含作為中間溶液各組份的[Y]H2PO4、[Y]2HPO4和水或其他溶劑，其中Y為陽(yáng)離子，[Y]H2PO4、[Y]2HPO4以及本文中討論的其他鹽也稱作鹽組分。鹽組分的陽(yáng)離子部分可以為任何陽(yáng)離子，鉀為優(yōu)選的陽(yáng)離子。在這種情況下，優(yōu)選的組份為KH2PO4、K2HPO4和水。將中間溶液與載體液體混合。載體液體為能使所述鹽在載體液體中保持至少部分分散狀態(tài)的任何液體。隨后將用于中間溶液中的大部分水或其他溶劑除去，使得鹽在載體液體中保持至少部分分散狀態(tài)和/或部分溶解狀態(tài)，以形成含磷的溶液。當(dāng)?shù)玫降暮兹芤号c金屬基材接觸時(shí)，可在金屬基材上形成磷酸鹽-金屬層。
所述鹽的優(yōu)選陽(yáng)離子為堿金屬或IA族元素。除了上述的正磷酸外，本發(fā)明還包括焦磷酸，它為正磷酸的縮合類似物，所以為正磷酸的衍生物和等價(jià)物。應(yīng)注意的是，通過(guò)將正磷酸縮合為焦磷酸的方法，PO43-變成P2O72-或其他縮合的磷酸鹽。因此[Y]H2PO4、[Y]2HPO4和[NH4]2HPO4為焦磷酸的前體。因此使用焦磷酸形式包含在正磷酸鹽形式的定義之內(nèi)，它可以表達(dá)為[Y]H2PO4、[Y]2HPO4和[NH4]2HPO4及類似的形式。
最好所述含磷溶液基本不含鋅。雖然在所述溶液中可存在一定量的鋅，例如鋅存在與原材料中，但是不添加或不存在有利于涂敷的數(shù)量的鋅。因此，認(rèn)為所述含磷溶液基本不含鋅。最好該溶液也基本不含鹵素。
所述含磷溶液的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案包括往[Y]H2PO4、[Y]2HPO4和水或其他溶劑的中間溶液中加入[NR4]2HPO4。[NR4]中的R可以為烷基、氫或其組合。因此包含了磷酸的銨鹽及胺鹽。當(dāng)所述溶液用銨化合物或胺化合物制備時(shí)，溶液中的氮基本上都為銨或胺離子的形式。至多存在可忽略不計(jì)的游離氨，使得所述溶液基本不含氨。
另一個(gè)實(shí)施方案包括加入[X]C2H3O2，其中C2H3O2-離子為醋酸根，使得所述中間溶液至少包含[Y]H2PO4、[Y]2HPO4、[X]C2H3O2和水或其他溶劑。優(yōu)選的實(shí)施方案包括以NH4或K或其他IA族元素作為X。[NR4]2HPO4，其中R為氫、烷基或其組合，也可加入這種混合物中。將該中間溶液與載體液體混合，除去大部分水或其他溶劑以形成含磷溶液。優(yōu)選所述溶劑(例如醇)具有足夠的揮發(fā)性，可通過(guò)加熱從與載體液體混合的中間溶液中除去，雖然這并不是要求的特征。當(dāng)用銨化合物制備含磷溶液時(shí)，銨化合物定義為那些含有NHx基團(tuán)的化合物，含磷溶液中的氮基本上都為銨離子的形式。這里也包含了胺離子。至多存在可忽略不計(jì)的游離氨。此外，最好在不產(chǎn)生過(guò)量的熱(即沒(méi)有進(jìn)行強(qiáng)放熱反應(yīng))下形成所述混合物。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述含磷溶液的pH在約6.0至8.0之間。
本發(fā)明的含磷溶液可用于各種條件下，諸如含水條件或親水條件。在親水條件下，最好包含載體液體和促進(jìn)與載體液體中的分散的分散劑。所述載體液體可以為與金屬部件或金屬基材接觸的潤(rùn)滑液，或者在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述載體液體為與潤(rùn)滑液(例如馬達(dá)油)高度混溶的單獨(dú)的親水液體。所述載體液體的一個(gè)特征為含磷溶液的鹽在載體液體中至少部分可溶。
在某些情況下，所述載體液體的量等于目標(biāo)液體的量，如潤(rùn)滑液。目標(biāo)液體為用于將含磷溶液與待處理的金屬接觸的大多數(shù)液體。所述含磷溶液可以通過(guò)使用物理混合(例如高速剪切混合器或其他方法)分散在目標(biāo)液體中。在這些情況下，所述目標(biāo)液體作為載體液體。
本發(fā)明包括一種使用含磷溶液在一個(gè)體系中在金屬部件或金屬基材上形成轉(zhuǎn)化表面的方法。該體系可為如與含磷溶液接觸的金屬部件的簡(jiǎn)單體系，或者該體系可為如發(fā)動(dòng)機(jī)中的復(fù)雜的一系列部件，其中含磷溶液與該體系的至少一部分接觸。在該部件與含磷溶液或包含含磷溶液的目標(biāo)液體至少部分接觸的地方，形成磷酸鹽-金屬層表面，得到轉(zhuǎn)化的金屬基材，在與含磷溶液接觸的金屬基材的表面具有磷酸鹽-金屬層或轉(zhuǎn)化表面。所用的含磷溶液的量為能有效形成轉(zhuǎn)化表面的量。接觸該部分的目標(biāo)液體的優(yōu)選實(shí)施方案包括潤(rùn)滑液或磷化浴。由該方法形成的轉(zhuǎn)化表面的特點(diǎn)和組成具體取決于金屬部件所含金屬和含磷溶液。當(dāng)金屬部件包含鐵時(shí)，在鐵的表面上形成磷酸鹽-鐵表面。當(dāng)金屬部件包含鋁時(shí)，形成鋁-磷酸鹽表面。當(dāng)金屬含鎳時(shí)，形成磷酸鹽-鎳表面。鉻和鉬有類似的結(jié)果。
除了可用于鐵類金屬部件之外，本發(fā)明包括可用于在非鐵部件(如鋁二沖程發(fā)動(dòng)機(jī))上形成含磷轉(zhuǎn)化表面的組合物和方法。本發(fā)明的組合物可用于在金屬表面形成薄層。
一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案包括潤(rùn)滑組合物或潤(rùn)滑劑，所述潤(rùn)滑組合物或潤(rùn)滑劑含有大量具有潤(rùn)滑粘度的油。將一定量的含磷溶液加入油中形成潤(rùn)滑組合物，當(dāng)其與金屬部件接觸時(shí)能在金屬部件上形成轉(zhuǎn)化表面。
本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案包括一種在非鐵金屬部件上形成非鐵金屬-磷酸鹽轉(zhuǎn)化表面的方法，所述方法通過(guò)在接觸區(qū)將非鐵金屬部件與活性磷溶液接觸以在接觸區(qū)上形成非鐵金屬-磷酸鹽轉(zhuǎn)化表面。接觸區(qū)可限于金屬部件表面的一部分，或者可以包括整個(gè)金屬部件。活性磷溶液的制備方法如下在設(shè)計(jì)形成強(qiáng)放熱反應(yīng)的條件下將含磷的酸與堿金屬氫氧化物鹽以及銨/胺化合物混合以制備活性磷溶液。銨/胺化合物為要么含銨要么含胺并在放熱反應(yīng)中相互作用的活性化合物。氫氧化銨和仲鎢酸銨為這類化合物的兩個(gè)實(shí)例。
發(fā)明詳述雖然公開(kāi)了所述活性磷溶液可用于鐵上形成轉(zhuǎn)化表面，新的研究表明，當(dāng)在適當(dāng)?shù)妮d體中將活性磷溶液傳送至鋁表面上可用來(lái)在鋁上形成轉(zhuǎn)化表面。
盡管許多發(fā)動(dòng)機(jī)為鐵的，但是傾向于用鋁制造二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明也可用于在這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)上形成轉(zhuǎn)化表面。本發(fā)明的含磷溶液可以通過(guò)循環(huán)至各部件的任何液體引至運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)中。
當(dāng)鋁部件或發(fā)動(dòng)機(jī)與本發(fā)明的含磷溶液或活性磷溶液接觸時(shí)形成鋁-磷酸鹽轉(zhuǎn)化表面。兩種溶液的任何一種都能以浸液式(bath)方法或原位形成轉(zhuǎn)化表面。與浸液式的傳統(tǒng)電沉積不同，本發(fā)明的含磷溶液不用鋅。通過(guò)使用目標(biāo)液體可傳送含磷溶液，與鋁部件接觸從而在鋁部件上形成鋁轉(zhuǎn)化表面。優(yōu)選的目標(biāo)液體的一個(gè)實(shí)例為作為機(jī)動(dòng)車或其他設(shè)備的一部分的二沖程鋁發(fā)動(dòng)機(jī)中的潤(rùn)滑油。含磷溶液與潤(rùn)滑油結(jié)合形成潤(rùn)滑組合物。所述潤(rùn)滑組合物包含大量具有潤(rùn)滑粘度的油和一定量的能在鋁部件或金屬部件上形成轉(zhuǎn)化表面的含磷原溶液(primary solution)。如含磷溶液一樣，活性磷溶液也可通過(guò)活性磷溶液與鋁發(fā)動(dòng)機(jī)接觸(優(yōu)選通過(guò)使用目標(biāo)液體傳送來(lái)接觸)在鋁部件上形成轉(zhuǎn)化表面。
對(duì)于潤(rùn)滑組合物，在試驗(yàn)中潤(rùn)滑組合物中的磷占潤(rùn)滑組合物重量的約0.01％至約0.5％。一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案包含0.3％重量的磷。增加磷的量也同樣有效。值得注意的是，用低重量百分?jǐn)?shù)的磷可制備成本非常合算的溶液。
雖然因其帶來(lái)的好處所述含磷溶液用來(lái)在發(fā)動(dòng)機(jī)上形成轉(zhuǎn)化表面，但是本發(fā)明的方法包括在任何金屬部件或金屬基材上用本發(fā)明的含磷溶液形成轉(zhuǎn)化表面。例如飛機(jī)的部件通常由鋁制造。轉(zhuǎn)化表面在飛機(jī)部件上的應(yīng)用能夠降低摩擦系數(shù)。摩托艇發(fā)動(dòng)機(jī)、割草機(jī)或包括金屬馬達(dá)或金屬部件的其他設(shè)備都可受益于本發(fā)明的轉(zhuǎn)化表面。通過(guò)形成轉(zhuǎn)化表面這種成本合算的方法，應(yīng)用于各種各樣的設(shè)備在經(jīng)濟(jì)上是可行的。該方法還可用活性磷溶液在非鐵金屬部件上應(yīng)用。
將部件或組件的鋁合金與一定量的能夠形成轉(zhuǎn)化表面的含磷溶液或活性磷溶液接觸，結(jié)果形成轉(zhuǎn)化表面。使用含磷溶液得到的轉(zhuǎn)化表面包含磷酸鋁和氧化鋁。將含磷溶液加至鋁表面形成作為鋁部件上的轉(zhuǎn)化表面的反應(yīng)產(chǎn)物AlPO4(磷酸鋁)和Al2O3(氧化鋁)。用紅外和X射線試驗(yàn)技術(shù)證實(shí)了這些物質(zhì)的存在。根據(jù)鋁表面鋁合金的成分和副反應(yīng)，也會(huì)形成其他的含鋁物質(zhì)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，乙酸鹽化合物用來(lái)控制溶液的pH值。
實(shí)施例1優(yōu)選制劑的一個(gè)實(shí)施例包括下列量的含磷溶液1.597摩爾的KH2PO40.693摩爾的K2HPO40.315摩爾的[NH4]2HPO4和水在本實(shí)施例中，將上述鹽混合并溶解于水中，水量足以至少部分溶解這些鹽。上述試驗(yàn)使用了55.6摩爾的水。這樣形成了中間溶液，該中間溶液包含2.9％摩爾的KH2PO4、1.2％摩爾的K2HPO4、0.5％摩爾的[NH4]2HPO4和95.3％摩爾的水。然后將該中間溶液與載體液體混合。然后加熱從中間溶液與載體液體的混合物中除去水以制備本發(fā)明的含磷溶液。本發(fā)明得到的含磷溶液是指由于殘留在溶液中的水可忽略不計(jì)，因此為基本干燥或無(wú)水的含磷溶液。優(yōu)選除去水份至這樣的水平，水占該含磷溶液的約0.1％重量。值得注意的是，可以有更多的水殘留在溶液中而不改變含磷溶液的功能，但是0.1％重量被選為優(yōu)選的產(chǎn)品規(guī)格。
評(píng)價(jià)了含0.16至16％摩爾的鉀或其他陽(yáng)離子的含磷溶液。超出這個(gè)范圍的溶液雖然成本或效率有所變化，但也為有效的。
含磷溶液的pH可以通過(guò)控制各組分的比率來(lái)控制?？刂频玫降腍2PO4-和HPO42-離子的比率，可以形成pH值在優(yōu)選的約6.0至約8.0范圍內(nèi)的含磷溶液。例如該比率約為15.8時(shí)，則pH為6。該比率約為0.0158時(shí)，則pH為8。試驗(yàn)結(jié)果控制在pH為7，雖然整個(gè)范圍被認(rèn)為為中性的并因而為優(yōu)選的。通過(guò)模擬，以該比率作為控制pH的唯一手段，下列用量預(yù)期能達(dá)到所示的pH值。

實(shí)施例2制備包括在水中溶解的KH2PO4、K2HPO4和乙酸鉀的制劑。在該實(shí)施例中不用銨鹽，所以最終制劑中不含氨。
本步驟包括依次往5加侖的塑料桶中加入51磅去離子水、17.6磅KH2PO4、14.2磅K2HPO4和2.2磅醋酸鉀，然后再加16.4磅水，在快速機(jī)械攪拌下將鹽加入水中，在加完所有鹽之后加熱混合物。KH2PO4的溶解稍有吸熱，將物料的溫度降低4至5℃。盡管無(wú)需完全溶解，但本實(shí)驗(yàn)包括加熱該混合物至40℃以溶解剩余的鹽。或者，如果要求完全溶解，可以另外加水。完全溶解后的pH在目標(biāo)范圍7.0-7.1內(nèi)，所以不需要通過(guò)加入KOH或醋酸來(lái)調(diào)整pH。在最終稀釋以至于沒(méi)有鹽從溶液中結(jié)晶之后，結(jié)果得到的P值約為65000ppm。
實(shí)施例3-5形成下列中間混合物并進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)施例3

EF 1000P，摩爾/升＝2.61EF 1000P，ppm＝65591
實(shí)施例4

EF 1000P，摩爾/升＝2.61EF 1000P，ppm＝65591實(shí)施例5

在這些中間混合物中，KH2PO4占鹽的38至55％摩爾，K2HPO4為鹽的24至35％摩爾。鹽用水稀釋，使得每升中間溶液磷(P)的摩爾數(shù)為約2.61摩爾/升。將該中間溶液與載體液體混合。發(fā)現(xiàn)以較低的磷濃度制備含磷溶液也是有效的。
實(shí)施例61.597摩爾的KH2PO40.693摩爾的K2HPO40.315摩爾的[NH4]2HPO40.289摩爾的[NH4]C2H3O2和水[NH4]C2H3O2也稱作醋酸銨。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，KH2PO4、K2HPO4、[NH4]2HPO4和水形成中間溶液，然后將該中間溶液加入精制油載體液體中，并與分散劑混合以形成含磷溶液。示例性的分散劑包括烯基琥珀酰亞胺或相似類型的分散劑，包括早先上市的產(chǎn)品TFA 4690C。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用了總堿值為30至160的無(wú)油基的分散劑。優(yōu)選中間溶液為含磷溶液的約8至12％重量，而精制油載體液體為得到的混合物的88至92％重量。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，將中間溶液以約10％重量的比例加至精制油載體中。加熱所得的混合物以除去大量的水。所得的混合物表現(xiàn)出膠體或乳液的特征。當(dāng)將中間混合物混合至潤(rùn)滑油中時(shí)，含磷溶液中磷的有效量很低，但仍然保持有效。優(yōu)選的實(shí)施方案中的一個(gè)實(shí)施例在中間溶液中磷含量為0.3％重量。在加至潤(rùn)滑油中時(shí)，磷的含量可為5-100ppb并仍有效。含磷溶液中磷的優(yōu)選范圍為300-1250ppm。磷的其他優(yōu)選范圍為300-600ppm。磷的特別優(yōu)選的范圍為300-400ppm。如前面的實(shí)施例所示，更高的量也為有效的。
含磷溶液的可選擇實(shí)施方案的一個(gè)實(shí)例包括在常溫下將約2.6摩爾堿金屬和銨陽(yáng)離子的正磷酸鹽混合，該含磷溶液在常溫下pH為7。將測(cè)得體積的這種含磷水溶液懸浮在油-分散劑混合物中，加熱除去大部分水，稀釋至磷含量為約0.3％重量。最好該含磷溶液可以在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)與金屬部件接觸，不需要拆開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)。
用KH2PO4、K2HPO4、[NH]2HPO4和水的含磷溶液作為添加劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，并顯示出重要的改進(jìn)。評(píng)估了在該制劑中鈉用作陽(yáng)離子的效果。優(yōu)選的陽(yáng)離子為IA族金屬。其他的陽(yáng)離子可包括有機(jī)化合物。選擇陽(yáng)離子考慮的因素包括成本和耐腐蝕性。
實(shí)驗(yàn)室測(cè)試已經(jīng)公開(kāi)了表面層的性質(zhì)。在180°F下在1018碳鋼上應(yīng)用含磷溶液后進(jìn)行了一系列分析試驗(yàn)。光學(xué)微觀檢查(20倍)清楚地顯示在碳鋼上應(yīng)用本發(fā)明的含磷溶液得到相當(dāng)均勻的表面層。在應(yīng)用油基混合物中的含磷溶液之后鋼表面的掃描電子顯微鏡(SEM)顯出相當(dāng)光滑的層。當(dāng)今技術(shù)水平的表面分析儀器測(cè)量顯示形成了薄表面轉(zhuǎn)化層，根據(jù)不同的條件和濃度，層的厚度為15-80埃。該層的組成可變化并包含F(xiàn)e、O、P、N和K。認(rèn)為該層由混合物中的磷酸鹽類物質(zhì)與金屬(Fe)的氧化物表面反應(yīng)而形成，厚度最初為約25埃。由得到轉(zhuǎn)化層的該化學(xué)反應(yīng)形成的表面化合物似乎有簡(jiǎn)單的FePO4至較復(fù)雜的磷酸鹽，諸如NH4Fe2[PO4]2、K3Fe3[PO4]4·xH2O、NH4Fe3[H2PO4]6[HPO4]2·xH2O、KFe2[HPO4]2[PO4]和相關(guān)化合物，這取決于操作條件。表面層中磷酸鹽結(jié)構(gòu)與表面金屬(Fe)離子的配位被認(rèn)為是這些表面化合物穩(wěn)定性的根源。
具有潤(rùn)滑粘度的各種油包括天然和合成的潤(rùn)滑油及其混合物。這些潤(rùn)滑劑包括火花點(diǎn)火和壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)(包括汽車和卡車發(fā)動(dòng)機(jī)、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶和鐵路內(nèi)燃機(jī)等)的曲軸箱潤(rùn)滑油。它們也被用于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、固定功率發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)等。自動(dòng)傳輸液、驅(qū)動(dòng)橋潤(rùn)滑劑、齒輪潤(rùn)滑劑、金屬加工潤(rùn)滑劑、液壓液及其他的潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂組合物也可受益于結(jié)合使用本發(fā)明的組合物。
磷酸、堿金屬氫氧化物和活性NH2基團(tuán)的來(lái)源的混合物已經(jīng)在美國(guó)專利5,540,788中探討過(guò)，所述專利通過(guò)引用結(jié)合在本文中。這一稱作磷酰胺的混合物被公開(kāi)用來(lái)形成鐵-磷酸鹽轉(zhuǎn)化表面。該方法通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成磷酰胺混合物，而不是通過(guò)溶解。高放熱反應(yīng)的結(jié)果形成磷酰胺，得到磷酰胺混合物。用于形成鋁轉(zhuǎn)化表面的本活性磷溶液為與磷酰胺及其應(yīng)用有關(guān)的公開(kāi)的改進(jìn)。
如本文所公開(kāi)，磷酰胺混合物仍然有用并為進(jìn)一步研究的主題。制備磷酰胺的兩個(gè)特征為放熱反應(yīng)和在高pH下游離氨的生成，除非在特殊情況下，否則可認(rèn)為這兩個(gè)特征是不需要的。本發(fā)明的含磷溶液通過(guò)將pH值保持在約6-8或者將pH值保持在低于生成氨的水平，從而避免了游離氨的形成和相關(guān)情況，并避免了強(qiáng)放熱反應(yīng)帶來(lái)的后果和復(fù)雜性。
活性磷溶液的試驗(yàn)表明，活性磷溶液與非鐵金屬互相作用形成轉(zhuǎn)化表面。上面討論的示例性的非鐵金屬的實(shí)例為鋁。活性磷溶液當(dāng)跟鋁接觸時(shí)形成磷-鋁轉(zhuǎn)化表面。其他能夠形成轉(zhuǎn)化表面的非鐵金屬也能與活性磷溶液相互作用。
盡管本發(fā)明僅說(shuō)明或描述了某些形式，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然不限于這些，在不偏離本發(fā)明的范圍內(nèi)，還可以有各種變化。例如已具體討論了鋁和鐵部件上的轉(zhuǎn)化表面。在其他金屬或金屬部件上使用含磷溶液或活性磷溶液也包括在本發(fā)明中。合金也包含在金屬的討論中。
權(quán)利要求
1.一種含磷溶液，所述含磷溶液包含鹽的混合物和載體液體，所述鹽包含[Y]H2PO4；和[Y]2HPO4，其中[Y]為陽(yáng)離子，所述載體液體能將所述鹽以至少部分分散的狀態(tài)保持在所述載體液體中，所述含磷溶液當(dāng)與金屬基材接觸時(shí)能夠在所述金屬基材上形成磷酸鹽-金屬層，所述含磷溶液基本不含鋅，在沒(méi)有強(qiáng)放熱反應(yīng)下將形成所述含磷溶液的混合物混合。
2.權(quán)利要求1的含磷溶液，所述含磷溶液還包含[NR4]2HPO4，其中R選自氫、烷基及其組合。
3.權(quán)利要求1或2的含磷溶液，其中基本不存在游離氨。
4.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的含磷溶液，其中所述含磷溶液還包含[X]C2H3O2，其中C2H3O2為醋酸根，[X]為陽(yáng)離子。
5.權(quán)利要求4的含磷溶液，其中[X]選自鉀、NH4及其組合。
6.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的含磷溶液，其中所述含磷溶液的pH在約6.0至8.0之間。
7.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的含磷溶液，其中[Y]H2PO4中的Y為鉀。
8.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的含磷溶液，其中[Y]2HPO4中的Y為鉀。
9.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的含磷溶液，其中[Y]H2PO4和[Y]2HPO4中的Y選自堿金屬。
10.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的含磷溶液，所述含磷溶液還包含分散劑。
11.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的含磷溶液，所述含磷溶液還包含目標(biāo)液體，使得所述目標(biāo)液體能使所述含磷溶液與金屬接觸。
12.權(quán)利要求11的含磷溶液，其中所述目標(biāo)液體為潤(rùn)滑液。
13.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的含磷溶液，其中所述金屬基材包含發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一部分。
14.一種在金屬基材上形成磷酸鹽-金屬層的方法，其中所述金屬基材與目標(biāo)液體至少部分接觸，所述方法包括往所述目標(biāo)液體中加入能有效形成所述磷酸鹽-金屬層的量的權(quán)利要求1的含磷溶液，使與所述含磷溶液混合的所述目標(biāo)液體與所述金屬基材接觸，使得在所述金屬基材上得到所述磷酸鹽-金屬層。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述含磷溶液還包含[NR4]2HPO4，其中R選自氫、烷基及其組合。
16.權(quán)利要求14或15的方法，其中所述含磷溶液還包含NH4C2H3O2，其中C2H3O2為醋酸根。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述含磷溶液的pH在約6.0至8.0之間。
18.權(quán)利要求14、15、16或17的方法，其中所述含磷溶液的[Y]H2PO4中的Y為鉀。
19.權(quán)利要求14、15、16、17或18的方法，其中所述含磷溶液的[Y]2HPO4中的Y為鉀。
20.權(quán)利要求14、15、16、17、18或19的方法，其中所述目標(biāo)液體選自潤(rùn)滑液或磷化浴。
21.一種轉(zhuǎn)化金屬基材，所述轉(zhuǎn)化金屬基材包含采用權(quán)利要求14的方法在金屬基材上形成轉(zhuǎn)化表面形成的磷酸鹽-金屬層。
22.權(quán)利要求21的轉(zhuǎn)化金屬基材，所述金屬基材包含鐵。
23.權(quán)利要求21的轉(zhuǎn)化金屬基材，其中金屬基材包含非鐵金屬。
24.權(quán)利要求23的轉(zhuǎn)化金屬基材，其中所述非鐵金屬為鋁。
25.權(quán)利要求20、21、22或23的轉(zhuǎn)化金屬基材，其中所述金屬基材為發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一部分。
26.一種潤(rùn)滑組合物，所述潤(rùn)滑組合物包含大量具有潤(rùn)滑粘度的油和一定量的權(quán)利要求1的含磷溶液，所述含磷溶液與金屬部件接觸時(shí)能在所述金屬部件上形成磷酸鹽-金屬層。
27.權(quán)利要求26的潤(rùn)滑組合物，其中磷在所述潤(rùn)滑組合物中的存在量為約300ppm至1250ppm之間。
28.一種潤(rùn)滑內(nèi)燃機(jī)的方法，所述方法包括為所述發(fā)動(dòng)機(jī)提供權(quán)利要求26的潤(rùn)滑組合物。
29.一種在非鐵金屬部件上形成非鐵金屬-磷酸鹽轉(zhuǎn)化表面的方法，所述方法包括以下步驟制備活性磷溶液將含磷的酸與堿金屬氫氧化物鹽以及銨/胺化合物混合，發(fā)生放熱反應(yīng)從而制備所述活性磷溶液；和在所述非鐵金屬部件上的接觸區(qū)使所述非鐵金屬部件與所述活性磷溶液接觸，以在所述接觸區(qū)形成所述非鐵金屬-磷酸鹽轉(zhuǎn)化表面。
30.權(quán)利要求29的方法，其中所述非鐵金屬部件包含鋁。
31.權(quán)利要求29或30的方法，其中所述非鐵金屬部件包含發(fā)動(dòng)機(jī)的至少一部分。
32.權(quán)利要求29、30或31中的方法，其中用潤(rùn)滑液傳送所述活性磷溶液從而與潤(rùn)滑環(huán)境中的所述非鐵金屬接觸。
33.一種用于鋁部件的磷酸鹽-金屬層，所述表面包含磷酸鋁；和氧化鋁，所述磷酸鋁和氧化鋁在鋁部件上形成所述磷酸鹽-金屬層，所述鋁部件與一定量的權(quán)利要求1的能形成所述磷酸鹽-金屬層的含磷溶液接觸，從而形成所述磷酸鹽-金屬層。
全文摘要
本發(fā)明概括地講涉及金屬轉(zhuǎn)化表面領(lǐng)域，更具體地講，涉及鐵、鋁部件以及能夠形成轉(zhuǎn)化表面的其他金屬基材的磷酸鹽－金屬化學(xué)吸附層的形成。使含磷溶液與金屬部件接觸，以便形成轉(zhuǎn)化表面。
文檔編號(hào)C10M125/24GK1768162SQ200480008614
公開(kāi)日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月31日
發(fā)明者D·M·史密斯 申請(qǐng)人:環(huán)保燃料有限公司