專利名稱：耐電化腐蝕性提高的制品的制作方法
本專利申請是申請日為1996年10月21日的待審專利申請08/734146后續的一部分。
背景技術：
總的來說，本發明涉及在腐蝕性環境中保護金屬，具體地說，在銅-鋁熱交換器用于空調器中時保護其免受腐蝕。
背景技術：
腐蝕是一個涉及兩個同時發生的反應(稱為半電池反應)的過程。一個半電池反應是金屬的氧化即腐蝕。該過程涉及失去電子，例如來自于氧化過程的電子則被相關聯的還原半電池反應所使用，該還原半電池反應常常是氧或氫的還原，例如氧化反應(腐蝕過程)僅能夠以使用氧化過程產生的電子的還原反應所控制的速率進行。這是因為必須保持電荷中性。
當兩種不同金屬在電解液存在下彼此接觸由此形成原電池電偶時，就發生電化腐蝕。較貴重的金屬(在電勢序中較負)可提供附加的表面積，使還原反應在上面發生。這就促進了不太貴重的金屬(在電勢序中較正)發生氧化/腐蝕。腐蝕的程度在兩種金屬的界面處最大，但是也可以在離實際界面一定距離的位置發生。
由銅管和鋁葉片制成的熱交換器的耐腐蝕性是用鋁葉片和鋁管制成的熱交換器約的大低十分之一。如上所述，這是因為當兩種不同金屬(如銅和鋁)在腐蝕性環境中接觸時，會形成原電池電偶，此時較貴重金屬促進較活潑金屬的腐蝕。較貴重金屬(在熱交換器用途中是銅)的不利作用，是(1)它提供附加表面積，使腐蝕過程的還原反應在其上面發生；和(2)銅上的腐蝕還原反應速率很高。這兩種因素都加快腐蝕過程，導致鋁葉片的腐蝕速率增大至10倍。
在沿海地區，最常見的電解液是鹽水。細小鹽水霧滴會從海岸吹至內陸長達50英里的距離。二氧化硫和其他工業污染物與水汽結合時，也會形成電解液。
阻止電化腐蝕的一個常見方法是用不同類型的涂料涂布腐蝕金屬露出的表面。由于多種原因，這些保護性涂層的成效有限。這些類型涂層的主要問題是它們阻止腐蝕的有效性由于受到一些環境因素例如紫外光和酸雨的影響而下降。另一個常見的問題是涂層材料往往與金屬基材附著得不好，最終會脫落下來或磨蝕掉，露出金屬基材。此外，這些保護性涂層在一定程度上是多孔的，會讓電解液滲透到基材表面，與原電池電偶接觸。這些涂層也可能較為昂貴。
使用鋁葉片和銅管時，用涂料涂布鋁葉片是目前常用的辦法。但是該辦法會降低熱交換器的熱效率，因為它在葉片與管之間插入了妨礙導熱的屏障。它也可能存在這樣的問題(1)由于銅表面與鋁表面之間的比率增大很多，在葉片圈附近的切變裸鋁邊緣侵蝕很快，(2)在葉片的沖壓過程中，工具磨損和玷污增大，(3)提高成本。
保護性涂層的現有技術是用涂層或油漆覆蓋會腐蝕的金屬，使其與侵蝕性的環境隔開來進行保護的。這個概念是眾所周知的，它是用涂層例如油漆或金屬涂層來保護基材，例如鍍鋅鋼就是如此。在鍍鋅鋼的情形下，鋅涂層對于鋼基材也是犧牲性的。對于原電池電偶，通過選擇在電勢序中彼此接近或類似的兩種金屬，就能夠使這兩種金屬組合的相容性更大，就可有效地降低電化腐蝕的推動力。
發明的揭示本發明的第一目的是提供一種制品，優選是熱交換器，它在用于腐蝕性環境中時具有提高的耐腐蝕性。
本發明的另一個目的是提供優選由銅和鋁材料分別作為管和葉片的材料制成的散熱片式熱交換器，它的還原反應動力學有所降低，用來抑制這些材料之間的腐蝕活性。
本發明的又一個目的是提供優選由銅和鋁材料分別作為管和葉片的材料制成的散熱片式熱交換器，它能減少在其非腐蝕性銅管上進行了降低還原反應動力學的表面處理，用來抑制相對于較貴重銅管的不太貴重鋁葉片圈的電化腐蝕。
本發明的再一目的是提供優選由銅和鋁材料分別作為管和葉片的材料制成的散熱片式熱交換器，在其非電化腐蝕的銅管上進行用錫的表面處理，與銅性能本身相比，這大大降低還原反應動力學，從而抑制相對于較貴重的銅管來說不太貴重的鋁葉片圈的電化腐蝕。
本發明的包括由第一金屬形成的第一部件和與第一部件在接觸面上連接的第二部件的制品，可達到上述目的并得到下述優點。第二部件由第二金屬形成，它的還原反應動力學比第一部件快，所述的第二金屬比第一金屬較為貴重。在第一和第二金屬之間提供這樣一種材料或物質，該材料可在一種電解液存在條件下降低第二金屬的還原反應動力學，用來降低第一金屬的電化腐蝕。在一個優選實施方式中，該制品是熱交換器，其中第一部件是葉片圈，第二部件是管，所述具有降低第二金屬還原反應動力學作用的材料是管上的涂層，該材料的還原反應動力學比銅低，用來降低管與葉片圈之間的腐蝕活性。
附圖的簡要說明
圖1是裝有根據本發明處理的熱交換器管的熱交換器的透視圖；圖2是根據本發明的原理所得性能提高的示意圖。
實施本發明的最佳方式下面將進行詳細說明，本發明為銅-鋁熱交換器提供防腐蝕保護。但是，本行業內的技術人員應當明白，本發明不局限于這個具體實施方式
，而且能夠與不同的金屬在電解液存在下彼此接觸的多種排列結合使用。
圖1示出了用于空調裝置的一般類型的散熱片式熱交換器1。該熱交換器包括一個或多個輸送管路，用來在熱交換器裝置中輸送冷卻劑。為了說明方便，該熱交換器1包括一個輸送管路2，它由入口管3和出口管4組成，它們在熱交換器1的一端用90°彎管5連接。但是應當明白，根據系統需要，可以將多個管路加入裝置中。所述裝置中還有一系列葉片6，它們是許多徑向排列的片狀部件，是沿輸送管路的長度間隔安裝的。這些葉片6固定在一對端板7和8之間的裝置內，限定著氣體流動的通道，氣體通過該通道流經管2延伸段的外面和間隔安裝的葉片6之間。
如上所述，該類型的熱交換器通常用于腐蝕性環境中。在一種代表性裝置中，采用銅質輸送管路和鋁質葉片制成該類型的熱交換器。鋁葉片與銅管接觸，能通過熱傳導帶走熱量，然后通過對流熱傳遞將熱量傳給在管外流動的氣體(通常是空氣)。由于銅的熱傳遞性能良好，通常耐腐蝕而且易于制造和維修，所以在管結構中使用銅。由于鋁的熱傳遞性能良好、易于制造且成本低，所以用鋁制造葉片。完全用銅和完全用鋁制造的熱交換器使用于某些用途中，可以避免電化腐蝕的問題。但是，這些熱交換器具有成本較高和難以制造和維修的缺點。鋁在電勢序中比銅具有明顯較強的正性，即貴重性較小。因此，鋁在電解液存在條件下與銅接觸時就氧化或腐蝕。在如圖1所示的裝置中，管與葉片的界面是形成原電池電偶的地方，在沒有某種阻止措施時，是鋁葉片最可能發生腐蝕的地方。一旦葉片在界面處腐蝕，葉片就不再與管接觸，因此熱交換器的效率就大大下降，因為葉片喪失了從管子傳出熱的能力。
根據本發明，用某種材料涂布或加入到露出的銅管2表面中，用來降低在銅與鋁之間驅動原電池電偶的還原反應速率，這是與對腐蝕的目標部件即葉片進行涂布不同的。錫合金是這種材料的最佳候選材料，因為它們能提供很低的還原反應動力學。因此，在銅管表面涂布或浸漬一層這種還原反應動力學比銅低的材料，就能夠達到這種降低還原反應動力學的目的。如背景技術中所述，傳統上是用與較貴重的部件電化相容的金屬涂布會腐蝕的材料，即轉換到在電勢序中彼此接近的相容金屬，就可防止電化腐蝕問題。如果兩種金屬在電勢序中彼此接近，那么就幾乎沒有電化腐蝕過程的驅動力。與此不同，本文發明了一種新方法。與涂布會腐蝕的金屬或者選擇電勢序中彼此接近的金屬不同，本發明是使用還原反應動力學低的金屬涂層，盡管電勢序顯示金屬涂層與未涂布部件由于在電勢序中有一定距離而有高驅動力。這種方法的新穎性在于(1)它不是最典型的保護方法，即采用隔離性涂層(油漆)將有腐蝕傾向的鋁葉片從腐蝕環境中隔開，(2)它也不是選擇不會形成原電池電偶的電化相容金屬。
如下表I中的電勢序所示，鋁和錫在電勢序中離得很遠。因此，預計較活潑的鋁合金與錫接觸時會腐蝕得更快。但是，因為對于腐蝕過程的還原反應錫的反應動力學慢，對于所討論的用途，電化腐蝕過程顯著速率降低至大約六分之一至十分之一。如上所述，這種低還原反應速率可大大降低腐蝕活性如圖2所示，而發生在較貴重銅管與不太貴重的鋁葉片圈之間的腐蝕活性就大得多。
表I部分買到的金屬和合金在海水中的電勢序
采用本發明的原理得到的改進如圖2所示，其中顯示了熱交換器在腐蝕性環境中電化腐蝕的電流密度降低至下分之一。測得的電流密度是鋁葉片腐蝕速率的直接衡量。這樣，通過用與鋁不相容的金屬(根據電勢序)涂布非腐蝕性銅管，就可降低鋁葉片的腐蝕速率直至小一個數量級。雖然純錫是優選的材料，但是含有金屬例如鋅、鎂、銅、鎵、鎘、鉛的錫合金也可降低還原反應動力學的速率，因此降低葉片材料的氧化速率。也可以單獨使用降低還原反應動力學的其他金屬。也可以根據本發明的原理，將無機涂層例如硅氧烷基體系施加到銅管上來降低還原反應動力學，但不是直接施加到會腐蝕的葉片上。除了向銅表面施加獨特的涂層外，本發明也包括將上述元素加到銅表面中，來降低銅表面上的還原反應動力學。銅表面也能夠用抑制還原反應動力學的元素例如砷和銻以低含量來涂布或浸漬。
在組裝熱交換器10之前，用錫或其他所述材料涂布在銅管2的表面上或加入該表面中。
本發明包括能降低銅表面上的還原反應速率并由此降低原電池電偶的銅部件與鋁部件之間的電化電流的所有涂層。所提出的方法價格便宜，并能保持葉片/管界面處的熱傳導。采用熱傳導率較高的涂層或施加很薄的涂層，可達到熱傳導高的目的。
向銅管施加保護性涂層體系有幾種方法。可能的方法包括(1)施涂富含金屬的涂料和噴涂物，(2)熱浸漬，(3)漿料/燒結方法，(4)包裝擴散方法，(5)物理蒸汽沉積(例如蒸發、濺鍍和IVD)，(6)化學蒸氣沉積，(7)等離子體和火焰噴鍍，(8)電鍍，(9)化學鍍(10)電泳。
本發明一個重要方面是在輸送管路2的整個表面上涂上一層均勻會降低還原反應速率的材料涂層。不管采用何種涂布方法，需要小心控制管表面準備預處理的變量、管的預熱溫度、涂料組成和涂層厚度，以獲得本發明的合適結果。應該對管的露出表面進行準備預處理，除去銅表面上的氧化層，以保證涂層材料與銅管附著良好。工業上已知有若干種表面的準備預處理方法，包括使用還原氣體、焊劑和機械磨蝕例如噴砂。
涂層要具有高的延展性，以便熱交換器后來的組裝不致損害涂層。涂層的延展性部分由涂層組成和厚度決定。涂層必須足夠厚，防止電解液滲入，而且要足夠薄使其具有良好的可成形性，并且在成本上合算。本發明興層的厚度，其最佳范圍擬為1-2密耳。
本發明的首要優點是提供一種制品，優選是一種熱交換器，它在用于腐蝕性環境中時具有提高的耐腐蝕性。本發明的另一個優點是提供分別優選用銅和鋁的材料作為管和葉片的材料形成的散熱片式熱交換器，它具有減慢的還原反應動力學，可抑制這兩種材料間的腐蝕活性。本發明的再一個優點是提供分別優選用銅和鋁的材料作為管和葉片的材料形成的散熱片式熱交換器，在其非電化腐蝕性銅管上進行了降低還原反應動力學的表面處理，用來抑制相對于較貴重銅管的不太貴重的鋁葉片圈的腐蝕。本發明的再一個優點是提供分別優選用銅和鋁材料作為管和葉片的材料形成的散熱片式熱交換器，在其非電化腐蝕性銅管上進行用錫的表面處理，與銅性能本身相比，這大大降低了還原反應動力學，從而能抑制相對于較貴重的銅管來說不太貴重的鋁葉片圈的電化腐蝕。
雖然本發明用最佳實施方式進行了描述和說明，但是本行業內的普通技術人員應當明白，只要不脫離本發明的精神和范圍，可以在其方式和細節上進行上述和其他的各種變化、省略和增加。
權利要求
1.一種制品，它包括由第一金屬形成的第一部件；與所述第一部件在接觸面上連接的第二部件，所述第二部件由第二金屬形成，第二金屬的還原反應動力學比第一金屬快，其電化腐蝕推動力比第一金屬大，其中所述的第二金屬比第一金屬貴重；降低所述第二金屬的還原反應動力學以便降低在電解液存在條件下第一金屬相對于第二金屬的腐蝕活性的裝置。
2.如權利要求1所述的制品，其特征在于所述的第一部件包括葉片圈，所述第二部件包括管。
3.如權利要求1或2所述的制品，其中所述的第二金屬具有表面，其中所述降低第二金屬還原反應動力學的裝置包括所述表面上能降低該還原反應動力學的涂層。
4.如權利要求1或2所述的制品，其中所述的第二金屬具有表面，其中所述的減少腐蝕的裝置包括所述表面上能降低該還原反應動力學的浸漬層。
5.如權利要求3所述的制品，其中所述的涂層存在于所述表面上，不包括所述第一部件與所述第二部件接觸以后形成的層。
6.如權利要求4所述的制品，其中所述的表面是在所述第一部件與所述第二部件接觸之前進行浸漬。
7.如權利要求3所述的制品，其中所述表面上的涂層含有錫。
8.如權利要求4所述的制品，其中所述的浸漬層含有錫。
9.如權利要求1或2所述的制品，其中所述的第二金屬具有表面，其中所述降低第二金屬還原反應動力學的裝置包括所述表面上的含有鋅、鎂、銅、鎵、鎘和鉛中至少一種金屬的錫合金涂層。
10.如權利要求1或2所述的制品，其中所述的第二金屬具有表面，其中所述的降低第二金屬還原反應動力學的裝置包括含有鋅、鎂、銅、鎵、鎘和鉛中至少一種金屬的錫合金浸漬層。
11.如權利要求1或2所述的制品，其中所述的第二金屬具有表面，其中所述的降低第二金屬還原反應動力學的裝置包括所述的用抑制第二金屬還原反應動力學的物質浸漬的表面。
12.如權利要求11所述的制品，其中所述的物質是砷和銻中的一種。
13.如權利要求1或2所述的制品，其特征在于所述的降低第二金屬還原反應動力學的裝置包括所述制品的所述第二金屬上的表面處理層，其中所述的表面處理層具有比所述第二金屬大大降低的還原反應動力學，而且是與所述第一金屬不電化相容的，用來降低在腐蝕性增強的電解液存在下第一金屬相對于所述第二金屬的腐蝕活性。
全文摘要
一種制品具有由第一金屬形成的第一部件和與第一部件在接觸面上連接的第二部件。第二部件由第二金屬形成,與第一金屬相比,第二金屬具有較快的還原反應動力學和較大的電化腐蝕推動力;所述的第二金屬比第一金屬貴重。在第一和第二金屬之間提供這樣一種材料,該材料可在一種電解液存在下降低第二金屬的還原反應動力學,可基本免除電化腐蝕問題。在一個優選實施方式中,該制品是熱交換器,其中第一部件是葉片圈,第二部件是管,所述材料是管上的涂層,該材料的還原反應動力學比銅低,用來降低管與葉片圈之間的腐蝕活性。
文檔編號F28F19/06GK1341162SQ00804295
公開日2002年3月20日 申請日期2000年2月4日 優先權日1999年2月26日
發明者T·J·加羅森, S·J·唐尼, D·P·加夫阿內 申請人:開利公司