耐电化腐蚀性提高的制品 本专利申请是申请日为1996年10月21日的待审专利申请08/734146后续的一部分。
技术背景
总的来说，本发明涉及在腐蚀性环境中保护金属，具体地说，在铜-铝热交换器用于空调器中时保护其免受腐蚀。
背景技术
腐蚀是一个涉及两个同时发生的反应(称为半电池反应)的过程。一个半电池反应是金属的氧化即腐蚀。该过程涉及失去电子，例如：
来自于氧化过程的电子则被相关联的还原半电池反应所使用，该还原半电池反应常常是氧或氢的还原，例如
氧化反应(腐蚀过程)仅能够以使用氧化过程产生的电子的还原反应所控制的速率进行。这是因为必须保持电荷中性。
当两种不同金属在电解液存在下彼此接触由此形成原电池电偶时，就发生电化腐蚀。较贵重的金属(在电势序中较负)可提供附加的表面积，使还原反应在上面发生。这就促进了不太贵重的金属(在电势序中较正)发生氧化/腐蚀。腐蚀的程度在两种金属的界面处最大，但是也可以在离实际界面一定距离的位置发生。
由铜管和铝叶片制成的热交换器的耐腐蚀性是用铝叶片和铝管制成的热交换器约的大低十分之一。如上所述，这是因为当两种不同金属(如铜和铝)在腐蚀性环境中接触时，会形成原电池电偶，此时较贵重金属促进较活泼金属地腐蚀。较贵重金属(在热交换器用途中是铜)的不利作用，是：(1)它提供附加表面积，使腐蚀过程的还原反应在其上面发生；和(2)铜上的腐蚀还原反应速率很高。这两种因素都加快腐蚀过程，导致铝叶片的腐蚀速率增大至10倍。
在沿海地区，最常见的电解液是盐水。细小盐水雾滴会从海岸吹至内陆长达50英里的距离。二氧化硫和其他工业污染物与水汽结合时，也会形成电解液。
阻止电化腐蚀的一个常见方法是用不同类型的涂料涂布腐蚀金属露出的表面。由于多种原因，这些保护性涂层的成效有限。这些类型涂层的主要问题是它们阻止腐蚀的有效性由于受到一些环境因素例如紫外光和酸雨的影响而下降。另一个常见的问题是涂层材料往往与金属基材附着得不好，最终会脱落下来或磨蚀掉，露出金属基材。此外，这些保护性涂层在一定程度上是多孔的，会让电解液渗透到基材表面，与原电池电偶接触。这些涂层也可能较为昂贵。
使用铝叶片和铜管时，用涂料涂布铝叶片是目前常用的办法。但是该办法会降低热交换器的热效率，因为它在叶片与管之间插入了妨碍导热的屏障。它也可能存在这样的问题：(1)由于铜表面与铝表面之间的比率增大很多，在叶片圈附近的切变裸铝边缘侵蚀很快，(2)在叶片的冲压过程中，工具磨损和玷污增大，(3)提高成本。
保护性涂层的现有技术是用涂层或油漆覆盖会腐蚀的金属，使其与侵蚀性的环境隔开来进行保护的。这个概念是众所周知的，它是用涂层例如油漆或金属涂层来保护基材，例如镀锌钢就是如此。在镀锌钢的情形下，锌涂层对于钢基材也是牺牲性的。对于原电池电偶，通过选择在电势序中彼此接近或类似的两种金属，就能够使这两种金属组合的相容性更大，就可有效地降低电化腐蚀的推动力。
发明的揭示
本发明的第一目的是提供一种制品，优选是热交换器，它在用于腐蚀性环境中时具有提高的耐腐蚀性。
本发明的另一个目的是提供优选由铜和铝材料分别作为管和叶片的材料制成的散热片式热交换器，它的还原反应动力学有所降低，用来抑制这些材料之间的腐蚀活性。
本发明的又一个目的是提供优选由铜和铝材料分别作为管和叶片的材料制成的散热片式热交换器，它能减少在其非腐蚀性铜管上进行了降低还原反应动力学的表面处理，用来抑制相对于较贵重铜管的不太贵重铝叶片圈的电化腐蚀。
本发明的再一目的是提供优选由铜和铝材料分别作为管和叶片的材料制成的散热片式热交换器，在其非电化腐蚀的铜管上进行用锡的表面处理，与铜性能本身相比，这大大降低还原反应动力学，从而抑制相对于较贵重的铜管来说不太贵重的铝叶片圈的电化腐蚀。
本发明的包括由第一金属形成的第一部件和与第一部件在接触面上连接的第二部件的制品，可达到上述目的并得到下述优点。第二部件由第二金属形成，它的还原反应动力学比第一部件快，所述的第二金属比第一金属较为贵重。在第一和第二金属之间提供这样一种材料或物质，该材料可在一种电解液存在条件下降低第二金属的还原反应动力学，用来降低第一金属的电化腐蚀。在一个优选实施方式中，该制品是热交换器，其中第一部件是叶片圈，第二部件是管，所述具有降低第二金属还原反应动力学作用的材料是管上的涂层，该材料的还原反应动力学比铜低，用来降低管与叶片圈之间的腐蚀活性。
附图的简要说明
图1是装有根据本发明处理的热交换器管的热交换器的透视图；
图2是根据本发明的原理所得性能提高的示意图。
实施本发明的最佳方式
下面将进行详细说明，本发明为铜-铝热交换器提供防腐蚀保护。但是，本行业内的技术人员应当明白，本发明不局限于这个具体实施方式，而且能够与不同的金属在电解液存在下彼此接触的多种排列结合使用。
图1示出了用于空调装置的一般类型的散热片式热交换器1。该热交换器包括一个或多个输送管路，用来在热交换器装置中输送冷却剂。为了说明方便，该热交换器1包括一个输送管路2，它由入口管3和出口管4组成，它们在热交换器1的一端用90°弯管5连接。但是应当明白，根据系统需要，可以将多个管路加入装置中。所述装置中还有一系列叶片6，它们是许多径向排列的片状部件，是沿输送管路的长度间隔安装的。这些叶片6固定在一对端板7和8之间的装置内，限定着气体流动的通道，气体通过该通道流经管2延伸段的外面和间隔安装的叶片6之间。
如上所述，该类型的热交换器通常用于腐蚀性环境中。在一种代表性装置中，采用铜质输送管路和铝质叶片制成该类型的热交换器。铝叶片与铜管接触，能通过热传导带走热量，然后通过对流热传递将热量传给在管外流动的气体(通常是空气)。由于铜的热传递性能良好，通常耐腐蚀而且易于制造和维修，所以在管结构中使用铜。由于铝的热传递性能良好、易于制造且成本低，所以用铝制造叶片。完全用铜和完全用铝制造的热交换器使用于某些用途中，可以避免电化腐蚀的问题。但是，这些热交换器具有成本较高和难以制造和维修的缺点。铝在电势序中比铜具有明显较强的正性，即贵重性较小。因此，铝在电解液存在条件下与铜接触时就氧化或腐蚀。在如图1所示的装置中，管与叶片的界面是形成原电池电偶的地方，在没有某种阻止措施时，是铝叶片最可能发生腐蚀的地方。一旦叶片在界面处腐蚀，叶片就不再与管接触，因此热交换器的效率就大大下降，因为叶片丧失了从管子传出热的能力。
根据本发明，用某种材料涂布或加入到露出的铜管2表面中，用来降低在铜与铝之间驱动原电池电偶的还原反应速率，这是与对腐蚀的目标部件即叶片进行涂布不同的。锡合金是这种材料的最佳候选材料，因为它们能提供很低的还原反应动力学。因此，在铜管表面涂布或浸渍一层这种还原反应动力学比铜低的材料，就能够达到这种降低还原反应动力学的目的。如背景技术中所述，传统上是用与较贵重的部件电化相容的金属涂布会腐蚀的材料，即转换到在电势序中彼此接近的相容金属，就可防止电化腐蚀问题。如果两种金属在电势序中彼此接近，那么就几乎没有电化腐蚀过程的驱动力。与此不同，本文发明了一种新方法。与涂布会腐蚀的金属或者选择电势序中彼此接近的金属不同，本发明是使用还原反应动力学低的金属涂层，尽管电势序显示金属涂层与未涂布部件由于在电势序中有一定距离而有高驱动力。这种方法的新颖性在于：(1)它不是最典型的保护方法，即采用隔离性涂层(油漆)将有腐蚀倾向的铝叶片从腐蚀环境中隔开，(2)它也不是选择不会形成原电池电偶的电化相容金属。
如下表I中的电势序所示，铝和锡在电势序中离得很远。因此，预计较活泼的铝合金与锡接触时会腐蚀得更快。但是，因为对于腐蚀过程的还原反应锡的反应动力学慢，对于所讨论的用途，电化腐蚀过程显著速率降低至大约六分之一至十分之一。如上所述，这种低还原反应速率可大大降低腐蚀活性如图2所示，而发生在较贵重铜管与不太贵重的铝叶片圈之间的腐蚀活性就大得多。
表I
部分买到的金属和合金在海水中的电势序贵重的或负的铂金石墨钛银耐热镍基合金3(62Ni、18Cr、18Mo)哈司特镍合金C(62Ni、17Cr、15Mo)18.8Mo不锈钢(钝态)18.8不锈钢(钝态)不锈的铬11-30％Cr(钝态)因科镍合金(钝态)(80Ni、13Cr、7Fe)镍(钝态)银焊料蒙乃尔铜镍合金(70Ni、30Cu)白铜(60-90Cu，40-10Ni)青铜(Cu-Sn)铜黄铜(Cu-Zn)耐热镍基合金2(66Ni、1Fe、32Mo)哈司特镍合金B(60Ni、6Fe、1Mn、30Mo)因科镍合金(活泼态)镍(活泼态)锡铅铅锡焊料18.8Mo不锈钢(活泼态)18.8不锈钢(活泼态)耐Ni(高Ni铸铁)铬不锈钢，13％Cr(活泼态)铸铁钢或铁2024铝(4.5Cu，1.5Mg，0.6Mo)镉(Cadium)商业纯铝(1100)锌活泼的或正的镁和镁合金
采用本发明的原理得到的改进如图2所示，其中显示了热交换器在腐蚀性环境中电化腐蚀的电流密度降低至下分之一。测得的电流密度是铝叶片腐蚀速率的直接衡量。这样，通过用与铝不相容的金属(根据电势序)涂布非腐蚀性铜管，就可降低铝叶片的腐蚀速率直至小一个数量级。虽然纯锡是优选的材料，但是含有金属例如锌、镁、铜、镓、镉、铅的锡合金也可降低还原反应动力学的速率，因此降低叶片材料的氧化速率。也可以单独使用降低还原反应动力学的其他金属。也可以根据本发明的原理，将无机涂层例如硅氧烷基体系施加到铜管上来降低还原反应动力学，但不是直接施加到会腐蚀的叶片上。除了向铜表面施加独特的涂层外，本发明也包括将上述元素加到铜表面中，来降低铜表面上的还原反应动力学。铜表面也能够用抑制还原反应动力学的元素例如砷和锑以低含量来涂布或浸渍。
在组装热交换器10之前，用锡或其他所述材料涂布在铜管2的表面上或加入该表面中。
本发明包括能降低铜表面上的还原反应速率并由此降低原电池电偶的铜部件与铝部件之间的电化电流的所有涂层。所提出的方法价格便宜，并能保持叶片/管界面处的热传导。采用热传导率较高的涂层或施加很薄的涂层，可达到热传导高的目的。
向铜管施加保护性涂层体系有几种方法。可能的方法包括：(1)施涂富含金属的涂料和喷涂物，(2)热浸渍，(3)浆料/烧结方法，(4)包装扩散方法，(5)物理蒸汽沉积(例如蒸发、溅镀和IVD)，(6)化学蒸气沉积，(7)等离子体和火焰喷镀，(8)电镀，(9)化学镀(10)电泳。
本发明一个重要方面是在输送管路2的整个表面上涂上一层均匀会降低还原反应速率的材料涂层。不管采用何种涂布方法，需要小心控制管表面准备预处理的变量、管的预热温度、涂料组成和涂层厚度，以获得本发明的合适结果。应该对管的露出表面进行准备预处理，除去铜表面上的氧化层，以保证涂层材料与铜管附着良好。工业上已知有若干种表面的准备预处理方法，包括使用还原气体、焊剂和机械磨蚀例如喷砂。
涂层要具有高的延展性，以便热交换器后来的组装不致损害涂层。涂层的延展性部分由涂层组成和厚度决定。涂层必须足够厚，防止电解液渗入，而且要足够薄使其具有良好的可成形性，并且在成本上合算。本发明兴层的厚度，其最佳范围拟为1-2密耳。
本发明的首要优点是提供一种制品，优选是一种热交换器，它在用于腐蚀性环境中时具有提高的耐腐蚀性。本发明的另一个优点是提供分别优选用铜和铝的材料作为管和叶片的材料形成的散热片式热交换器，它具有减慢的还原反应动力学，可抑制这两种材料间的腐蚀活性。本发明的再一个优点是提供分别优选用铜和铝的材料作为管和叶片的材料形成的散热片式热交换器，在其非电化腐蚀性铜管上进行了降低还原反应动力学的表面处理，用来抑制相对于较贵重铜管的不太贵重的铝叶片圈的腐蚀。本发明的再一个优点是提供分别优选用铜和铝材料作为管和叶片的材料形成的散热片式热交换器，在其非电化腐蚀性铜管上进行用锡的表面处理，与铜性能本身相比，这大大降低了还原反应动力学，从而能抑制相对于较贵重的铜管来说不太贵重的铝叶片圈的电化腐蚀。
虽然本发明用最佳实施方式进行了描述和说明，但是本行业内的普通技术人员应当明白，只要不脱离本发明的精神和范围，可以在其方式和细节上进行上述和其他的各种变化、省略和增加。