金属离子在导电基材表面上的沉积 【技术领域】
本发明涉及用于涂覆金属的组合物和工艺，且更具体地说，涉及用于涂覆金属表面的金属的含水组合物和用于制备这些含水组合物的工艺。
背景技术
已经开发出许多方法来在诸如含铁金属、钢、不锈钢、铝、锌和钛的商品金属上形成新的转化表面。这些方法包括电镀、磷化(转化表面)、化学气相沉积、离子溅射和其他技术。1870年英国提出了银的早期的电镀法。后来，提出了电镀贵金属，即铜和金的方法。这些金属必须与氰化物络合以在基材材料上形成粘附的沉积物。使用氰化物仍然是在基材上形成贵金属的最初的粘附沉积物的优选方法。氰化物是一种毒性极强的材料，其危害环境并威胁到公众健康。使用氰化物时必须采取许多安全措施，即便如此，使用者仍可能遭受危险有毒的烟气。随着电镀技术多年的发展，电镀诸如锌、镉、镍和铬的其他元素的技术均获得了发展，并在商界中广泛用于工程和装饰目的。
基材表面的电镀沉积物不会进入表面的金属间隙内。因此，当基材被“冷加工”到屈服点时，沉积物的粘着力不足以维持其完整性。在61,000PSI下进行冷加工破坏了锌的电沉积物，镉为69,000PSI，而钢基材将具有80,000PSI或更强的屈服点。这一直是电镀工业中值得注意的问题。电镀人员必须处理许多不同的参数以建立有效的沉积步骤来达到期望的最终结果。电镀需要的步骤有预处理、预清洗以及漂洗控制的电镀浴和特殊的阳极。电镀通常遵循电动序规则，即更贵的金属可以被电镀到次贵的金属上，但相反的方向不行。这限制了将元素周期表中的所有金属电镀到元素周期表中的其他金属基材上的能力。
表面改性的另一种方法是磷化，其中，在钢和铝上形成了磷酸盐转化表面。磷酸盐转化表面被广泛地用于抑制腐蚀以及作为油漆的基底。磷化是商界中应用最广泛的技术之一，主要作为底涂层应用于汽车工业来抑制腐蚀以及作为固定物来保持油漆。
转化涂层磷化方法需要庞大的电镀浴，且是能量密集的且耗时的。磷化需要至少10分钟或更长时间来获得商业上可接受的、粘附的转化表面。该行业多年来已经开发出许多促进剂来加速转化过程。
20世纪后半叶，发展了新的和外来的技术以在金属上获得更好的表面。这些方法通过诸如真空蒸发、溅射、磁控溅射或离子电镀的气相沉积技术在基材上形成涂层来修饰金属。这些技术可以用于硬化金属表面，诸如金属加工工具，包括碳化钨刀片、钻头、滚刀等。化学气相沉积在真空室内进行，且金属在氮气氛中被离子化，并沉积到基材上且扩散入基材中。这些技术的结果的一些示例是氮化钛和氮化硼。沉积通常是根据视线进行的，且工艺受限于基材金属的形状、尺寸和构型。该工艺是昂贵的，需要专门的设备和高的能耗。沉积物在温度、气体组成等严格的条件下形成。这些技术导致沉积物具有应用于许多商业产品的密实、光滑、无缺陷地表面。
许多金属形成了益于防止金属腐蚀的钝化氧化物表面。这样的金属是铝、不锈钢和钛。形成于不锈钢上的氧化膜是使表面钝化的单分子层。形成于碳钢上的氧化层有害于金属，且被称为铁锈。
授权给Hardin等人的美国专利第6755917号描述了一种用于在金属材料表面上提供转化涂层的解决方法。该解决方法包括一种过氧化物物质，且受限于元素周期表中的第IB、IIB、IVA、VA、VIA和VIII族金属中的至少一种。具体地，Hardin还提供了一种用于补充根据本发明的转化涂层解决方法的液态的酸性含水浓缩物，其中，浓缩物包含总稀土离子∶单价阴离子的摩尔比为1∶200到1∶6的稀土离子(如此处定义的)和单价阴离子，和/或总稀土离子∶二价阴离子的摩尔比为1∶100到1∶3的稀土离子和二价阴离子，和/或浓缩物包含选自第IB、IIB、IVA、VA、VIA和VII族，优选为选自Cu、Ag、Au、Cd、Hg、Ni、Pd、Pt、Co、Rh、Ir、Ru、Os、Sn、Pb、Sb、Bi、Se和Te的组的至少一种金属和阴离子，使得该组中的元素总和与阴离子的摩尔比在1∶50到1∶10,000的范围内。而且，Hardin的方法受限于酸性含水溶液。
已知不锈钢上存在的薄的单分子氧化膜可以为金属提供极佳的钝化表面。腐蚀可能会在某一天被金属表面上的薄的单分子层征服，这已经成为一种理论。进一步从理论上认为，借助薄的、粘着力强的金属膜可以获得显著降低的摩擦。
Jacqueline Krim博士在1996年10月发行的Scientific American(科学美国人)上发表了题为“原子尺度的摩擦”的论文。她的发现得出的结论是，“在原子水平上，金属对金属接触没有摩擦”。这个令人惊讶的发现质疑了许多信以为真的事实，即摩擦是一种仅通过使用润滑剂来降低由金属在另一种金属上滑动所产生的热才能够被减弱的条件。另一个惊人的结论是，在原子水平上，“摩擦源自当靠近表面的原子因相对表面中的原子的滑动作用而开始运动时的原子晶格振动。这些振动是真正的声波。这样，使一个表面在另一个表面上滑动所需的一些机械能被转换为声能，并最终转换为热。”热导致摩擦。为了维持滑动，必须增加更多的机械能。Krim进一步指出，“固体仅以某些不同的频率振动，因此机械能的量依赖于实际激发的频率。如果相对表面中的原子与另一表面的频率共振，则会引起摩擦。但是，如果相对表面与其他表面自身的频率中的任一个都不发生共振的话，则不会产生声波。该特点揭露了令人兴奋的可能性，即具有相对较少的共振频率的非常小的固体可能显示几乎无摩擦的滑动。”
Krim的工作中的另一个惊人的结果是，干膜比液体膜光滑。这颠覆了当前所有关于摩擦思想的认知。其他科学家进行的进一步测试验证了原子水平上的金属对金属接触会消除摩擦，且液体润滑剂通过“粘/滑”作用引起摩擦。液体将粘在金属内的间隙中，然后滑出去。这引起晶格的振动并产生声波，声波转换为热，从而引起摩擦。
据估计，降低摩擦每年可以节省高达1.6％的国民生产总值或超过2000亿美元。因此，几乎消除了商品金属上的摩擦的工艺将会是新的且有用的，但是却从来没有可利用的。很明显，这种工艺具有很大的价值，并且能帮助国家寻求能源独立，并极大地降低因金属结构、地下管道、储存罐、桥梁和立交桥的腐蚀引起的基础设施更替的成本。
磷酸盐转化表面用于商业设备中以降低分贝水平。高分贝水平是工作场所的持续性危害，且危害人体健康，引起早期听力损失。诸如OSHA和EPA的政府监管机构经常敦促业界在制造操作中产生较低的分贝水平。因此，降低分贝水平的任何转化表面将有利于人体健康，并改善工作场所环境。
授权给Choi等人的美国专利第7087104号描述了一种储存溶液的系统和方法，该溶液包含由金属离子、络合剂、铵盐和强碱组成的组的子集。快要使用时，溶液用于形成包括整个组的化学镀沉积溶液。在本发明的一个实施方案中，金属离子包括钴离子，络合剂包括柠檬酸，铵盐包括氯化铵，而强碱包括四甲基氢氧化铵。制备碱溶液，并随后在使用前放置2天以使其稳定。必须制备另一种溶液，并且然后仅在用于电镀浴中之前与第一种溶液混合。这需要复杂的后勤和熟练的操作人员，以在电镀浴处进行最终的制备。
授权给McCoy等人的美国专利第5310419号公开了制备用于金属电镀和其他用途的电解液的方法。发现，使用外部的电动势源，元素周期表中的所有金属都能够被电沉积在导电基材上。
授权给Defalco等人的美国专利第5340788号公开了采用润滑油作为载流体来制备应用于内燃机部件的油添加剂的方法。溶液与聚乙二醇混合用于引入到润滑油中。
发明公开内容
本发明提供了用于制备沉积到诸如金属的导电基材上和/或沉积入导电基材内的金属离子以基本上消除金属对金属接触的摩擦的组合物和工艺。本发明使用在含水的实施方案中，以在所有金属基材上形成新的金属表面。该工艺形成了可以吸附或吸收到导电基材上和/或吸附或吸收到导电基材内的金属离子和非金属离子的稳定的含水溶液。该含水溶液由与来自元素周期表的第I族到第VIII族的水溶性金属盐或非金属盐混合的铵碱金属磷酸盐和/或铵碱金属硫酸盐组成。含水溶液允许金属离子纳米沉积到导电基材表面上和/或导电基材表面内。由沉积的金属离子形成的表面将提供金属钝化，且基本上消除金属对金属接触中的摩擦，而无需使用基于烃的润滑剂。
本发明的用于生产离子络合物的工艺是在含水反应介质中进行的，且离子络合物在形成金属物体上的转化表面中用作含水溶液。为了制备无机离子络合物，需要以下反应物：(a)选自元素周期表的第I-VIII族的至少一种水溶性非碱金属盐；(b)碱金属氢氧化物；(c)含硫化合物和/或含磷化合物，诸如无机酸；(d)氢氧化铵；以及(e)水。当反应物正磷酸、水、氢氧化铵和碱金属氢氧化物混合在一起时能产生母溶液A。发生放热反应，且含水溶液的温度约为100℃。之后可以将测量量的金属盐引入到反应容器中，搅拌并加热，直到金属盐完全溶解于含水介质中，金属盐诸如硝酸银、氧化锌、诸如硫酸铝的铝盐、钼酸铵、钨酸铵或任何水溶性金属盐。当反应物硫酸、水、氢氧化铵和碱金属氢氧化物混合在一起时能产生母溶液B。发生放热反应，且含水溶液的温度约为100℃。之后，将测量量的金属盐引入到反应容器中并溶解，金属盐诸如硼酸或硫酸铜、或钼酸铵。于是，金属离子在含水溶液中是可溶的，而不会沉淀并保持稳定。碱金属氢氧化物可以是元素周期表的第IA族中金属的任何氢氧化物，主要有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂，而氢氧化钾是优选的反应物。
金属的含水溶液也在金属表面上沉积氮。磨损试验显示，通过施用含水溶液形成的金属涂层减轻了金属的磨损，就像基于油的润滑剂一样有效。
本发明的优点是，该解决方法可以应用于任何结构上，而不考虑构型，而且不存在当今商业上使用的现有的化学镀、化学气相或电镀技术的缺点和局限。
另一个优点是可以运输到任何地点的基础稳定的溶液。
另一个优点是采用含水溶液来形成金属材料上的转化涂层的简化工艺。
另一个优点是对所有金属基材形成了不含氧化物的转化表面。
附图简述
图1显示了不锈钢上的银-磷-钾沉积物。
图2显示了铝上的硅-磷-钾沉积物。
图3显示了不锈钢上的硅-磷-钾沉积物。
图4显示了铝上的锌-磷-钾沉积物。
图5显示了1010碳钢上的铝-磷-钾沉积物。
图6显示了1010碳钢上的铜-磷-钾沉积物。
图7显示了1010碳钢上的钼-磷-钾沉积物。
图8显示了不锈钢上的钼-磷-钾沉积物。
图9显示了由油相沉积的1010碳钢板上的硅-磷-钾沉积物。
图10由扫描电镜图像显示了铝上的硼涂层的厚度。
图11由扫描电镜图像显示了铝上的钼涂层的厚度。
图12显示了在EDAX图I内的1010碳钢上存在氮-硅-钾。
图13显示了在EDAX图II内的铝上存在氮-硅-钾。
图14显示了在EDAX图III内的不锈钢上存在氮-硅-钾。
实施本发明的最佳模式
虽然下面的描述详述了本发明的优选实施方案，但是应理解，本发明并不是将其应用限制到附图所阐释的各部分的构型和布置的细节，因为本发明能够是其他实施方案并能够以不同的方式实施。
需要一种低廉的、有效的、易于施用的技术来降低原子水平上的金属对金属的摩擦。令人惊讶地，当根据本发明产生金属离子时，所产生的离子扩散入金属间隙内。令人惊讶地，产生的离子并不遵循电动序规则，即铝可以沉积在铁金属上，这是任何先前的文献未预料到的。令人惊讶地，本发明产生的银离子在阳光存在下，在含水溶液中保持光稳定。光稳定的离子化银只能通过昂贵的技术获得，通过离子溅射，如美国专利第5,985,308号中描述的，或通过美国专利第6897349号中描述的方法，该方法包括络合不同的溶剂，诸如醇和供给氯负离子的化合物。离子化银一直是很多研究的主题。虽然存在诸多已知的稳定离子化银的方法，但是这种方法中没有任何一种方法使用含水溶液。仅仅通过浸没、刷涂或喷涂就在金属部件上沉积粘附的银表面将具有极大的价值。在含水溶液中稳定的离子化银将在电子和医药方面具有广泛的应用，例如，因为其抗菌特性，在绷带中用于创伤愈合以及在医疗器械上形成抗菌表面。
本发明不需要使用施加的外部电动势，而是仅通过浸没、刷涂或喷涂就在基材上形成薄的粘着力强的金属膜。本发明的令人惊讶的发现是，可以制备新的转化表面，以将单分子层沉积到基材上并沉积到基材内。大部分电镀规范要求沉积物厚度为1密耳(23-24微米)。本发明提供了导电基材上的厚度为0.05微米到10微米的永久性薄膜。
本发明的用于生产离子络合物的工艺是在含水反应介质中进行的，且离子络合物在形成金属物体上的转化表面时用作含水溶液。为了制备无机离子络合物，需要以下反应物：(a)选自元素周期表的第I-VIII族的至少一种水溶性非碱金属盐；(b)碱金属氢氧化物；(c)含硫化合物和/或含磷化合物，例如无机酸；(d)氢氧化铵；以及(e)水。
非碱金属盐反应物可以是来自元素周期表的第I-VIII族的任何非碱金属。可适用的非碱水溶性金属盐的代表性的、非限制的示例包括的金属源自：第I-B族：铜、银、金；第II-A族：铍、镁；第II-B族：锌、镉；第III-A族：铝、镓、铟；第IV-A族：硅、锡、铅；第IV-B族：钛、锆、铪；第V-A族：锑、铋；第V-B族：钒、铌、钽；第VI-A：硒、碲；第VI-B族：铬、钼、钨；第VII-B族：锰；和第VIII族：铁、钴、镍、钯、铑。
虽然硅作为第IV-A族的一员被认为是非金属且通常不定义为金属元素，但是硅在本发明的方法中作为非碱金属。因此，“元素周期表的第I-VIII族的非碱金属”的表述意指包括任何和所有上面的和等同的金属，包括硅在内。将进一步认识到，术语“元素周期表的第I-VIII族的非碱金属”不包括第I-A的碱金属。类似地，第II-A族的碱土金属，钙、锶和钡均不在此术语的范围内。另一方面，第II-A族的铍和镁在实施本发明时可以被合适地采用，且这些金属也落入了此处采用的“元素周期表的第I-VIII族的非碱金属”的表述的范围内。还可以使用非碱金属盐的组合。
当反应物正磷酸、水、氢氧化铵和碱金属氢氧化物混合在一起时能产生母溶液A。发生放热反应，且含水溶液的温度约为100℃。之后，可以将测量量的金属盐引入到反应容器中，搅拌并加热，直到金属盐完全溶解于含水介质中，金属盐诸如硝酸银、氧化锌、诸如硫酸铝的铝盐、钼酸铵、钨酸铵或任何水溶性金属盐。碱金属氢氧化物可以是元素周期表的第IA族中金属的任何氢氧化物，主要有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂，且氢氧化钾是优选的反应物。还可以使用这些碱金属氢氧化物的组合。
母溶液A的制备
向反应容器中加入约0.5升到1.5升，优选为约1.0升的水和约0.5升到1.5升，优选为约1.0升的按体积计约75％到85％，优选为约80％的正磷酸。然后，加入约0.5升到1.5升，优选为约1.0升的按体积计约15％-35％，优选为约26％的氢氧化铵。接着，加入约0.5升到1.5升，优选为约1.0升的按体积计约20％-60％，优选为约49％的氢氧化钾。
当反应物硫酸、水、氢氧化铵和碱金属氢氧化物混合在一起时能产生母溶液B。发生放热反应，且含水溶液的温度约为100℃。之后，将测量量的非碱金属盐引入到反应容器中并溶解，非碱金属盐诸如硼酸或硫酸铜、或钼酸铵。于是，金属离子在含水溶液中变得可溶，而不会沉淀并保持稳定。碱金属氢氧化物可以是元素周期表的第IA族中金属的任何氢氧化物，主要有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂，且氢氧化钾是优选的反应物。也可以使用这些碱金属氢氧化物的组合。
母溶液B的制备
向反应容器中加入约1升到3升，优选为约2升的水和约0.5升到1.5升，优选为约1升的浓硫酸。然后，加入约0.5升到1.5升，优选为约1升的按体积计约15％-35％，优选为约26％的氢氧化铵。接着，加入约0.5升到1.5升，优选为约1.0升的按体积计约20％-60％，优选为约49％的氢氧化钾。必须小心，因为反应是高度放热的。
硝酸银母溶液A的示例
使用约80ml到120ml，优选为约100ml的母溶液A，用磷酸将溶液的pH调节到约7。向溶液中加入约0.1克-10克，优选为约1克的硝酸银。搅拌并加热，直到溶液中的硝酸银完全溶解。将1010钢试样浸没入硝酸银溶液中1分钟。在钢试样上形成了薄的、粘着力强的、亮的银膜。使用扫描电镜(SEM)检查该表面。除了使用氰化物溶液和施加的外部电动势以外，还没有已知的方法在钢上形成银的粘附沉积物。本工艺无需氰化物的存在且无施加的外部电动势就可以进行银沉积而产生粘着力强的非浸没沉积物。硝酸银溶液能放置于玻璃容器中并暴露在阳光下数周。银并未变成光敏感的，这表明在本发明的低廉工艺中，银可以被稳定，本发明将被广泛地应用于诸如抗菌活性和保护医疗器械表面的领域。美铝(Alcoa)的2”X2’铝箔包装物片能够与硝酸银溶液接触，并且然后擦入表面中。铝箔表面将被涂覆上银膜。可以将410不锈钢试样浸没入硝酸银溶液中1分钟。不锈钢上将形成薄的粘着力强的银膜。
可以将棉纱布绷带浸没入银溶液中，并随后暴露于阳光下数天。当离子化银暴露于阳光时，绷带不会如预期般变黑，这表明处理后的绷带用作用于健康和愈合创伤的抗菌绷带的有效性。处理后的纱布绷带可以经受丙烷火把的火焰。当直接接触火焰顶端时，棉会被烧焦，但是纱布不会被点燃，这表明银溶液用作了织物的阻燃剂。
钼酸铵母溶液A的示例
使用约80ml到120ml，优选为约100ml的母溶液A，将约0.1克-10克，优选为约1克的钼酸铵加入该溶液中。搅拌并加热，直到钼酸铵完全溶解。将1010钢试样浸没入溶液中1分钟。在钢试样上形成了一层薄的粘着力强的钼膜。将铝箔2”X2”带浸没入溶液中30秒钟。铝试样上形成了一层薄的钼沉积物。在“Electroplating(电镀)”中，Frederick A Lowenheim，McGraw Hill Book company，第141页陈述了“从他们的电极电势的角度看，应该可以从pH约5的含水溶液中电镀诸如钨和钼的金属。尽管这样(不管本文中的权利要求)，这些金属无法以纯的形式从含水溶液中沉淀。”这样，本发明提供了在钢和其他导电基材上形成钼表面的意想不到的方法。
钨酸铵母溶液A的示例
使用约80ml到120ml，优选为约100ml的母溶液A，将约0.1克-10克，优选为约1克的钨酸铵加入该溶液中。搅拌并加热，直到金属盐完全溶解。将1010钢条浸没入溶液中1分钟。在钢带上形成了一层薄的、亮的、粘着力强的钨膜。与钼的示例一样，本发明提供了在钢上形成钨表面的意想不到的方法。
母硫酸铜母溶液B的示例
使用约80ml到120ml，优选为约100ml的母溶液B，将约0.1克-10克，优选为约1克的硫酸铜加入该溶液中。搅拌并加热，直到金属盐完全溶解于溶液中。将1010钢板浸没入溶液中高达2分钟。在钢试样上形成了一层粘附的、可见的铜沉积物。在诸如锌和钢的活性金属上沉积粘附铜板的唯一实际的方法是使用氰化物浴。尽管因为环境限制而付出了许多努力来放弃含氰化物的电镀浴，但是仍然没有研制出氰化铜浴的实际的替代物。已知，无氰化物的铜和施加的外部电动势将形成无用的浸没沉积物。用于粘附沉积物的标准ASTM测试是在电镀表面上放置塑料胶带并撕拉该带。如果沉积物是浸没沉积物，则铜将会与带剥离。如果沉积物是粘附的，那么铜将不会与塑料胶带剥离。当塑料胶带应用到此实施例中的铜表面时，铜膜保持粘附。
硫酸铝母溶液B的示例
使用约80ml到120ml，优选为约100ml的母溶液B，将约0.1克-10克，优选为约2克的硫酸铝加入该溶液中。搅拌并加热溶液，直到完全溶解。将1010钢试样浸没入溶液中1分钟。在钢试样上形成了一层薄的、粘着力强的、光亮的铝粘附膜。
硼酸母溶液B的示例
使用约80ml到120ml，优选为约100ml的母溶液B，将约0.1克-10克，优选为约2克的硼酸加入该溶液中。搅拌并加热，直到完全溶解。将1010钢试样浸没入溶液中1分钟。在钢试样上形成了一层薄的、粘着力强的、亮的硼膜。将铝箔试样2”X2”浸没入溶液中。在铝上形成了一层薄的硼膜。将不锈钢试样浸没入溶液中，则在不锈钢上形成了一层薄的金属硼膜。
钨酸铵母溶液B的示例
使用约80ml到120ml，优选为约100ml的母溶液B，将2ml的按体积计12％的钨酸铵加入该溶液中。搅拌并加热，直到完全溶解。将1010钢试样浸没入溶液中1分钟。在钢表面上形成了一层薄的、粘着力强的、亮的金属钨膜。
母溶液A和母溶液B的组合的示例
使约160ml的母溶液A和约40ml的母溶液B相结合。通过加入约10ml的按重量计约49％的氢氧化钾来提高溶液的pH，使得与氢氧化钾结合后的溶液的pH提高至高于12。加热并搅拌，直到氢氧化钾完全溶解。该溶液能够被雾化成碳氢化合物流，诸如内燃机中的天然气或汽化汽油以增强燃料燃烧。溶液可以被雾化入内燃机的进气孔以增加可用于燃烧的空气的体积而提高燃料的节约。
母溶液A和钨酸铵母溶液B的组合的油衍生物的示例
将约160ml的母溶液A和约40ml的钨酸铵母溶液B共混在一起。使用约200ml的高度精炼的矿物油，向矿物油中共混入约20ml(按体积计10％)的母溶液A和钨酸铵母溶液B的混合溶液。使该油溶液脱水以除去水，并通过升高温度至100℃以上来沉淀盐。当油溶液变得明亮而澄清时，使油冷却然后倾析油。倾析液随后可以被用作油添加剂或用作燃料添加剂。众所周知，钨具有催化特性。诸如铂、铁等的具有催化特性的任何金属都可以在此技术中用于制造燃料和润滑油添加剂。
转化表面的示例
选择三种基材材料：美铝生产的铝箔、1010碳钢和400系不锈钢。选择的这些基材金属代表了世界上最广泛使用的金属。选择金属离子溶液以显示本发明生产的任何金属离子可以沉积在不同金属基材之上和其内，这带来迄今未知的新的金属表面。根据母溶液A制备金属离子溶液。样品没有进行去除氧化物、尘土、铁锈或油的预处理，而是在环境条件下使每一个浸没30秒钟，并利用环境空气和纸巾干燥。然后通过Vista Engineering ofBirmingham，Alabama，US的EDS(电子色散谱)检查样品。这些结果显示在图1-9的分析图上。图1显示了不锈钢上的银-磷-钾沉积物。图2显示了铝上的硅-磷-钾沉积物。图3显示了不锈钢上的硅-磷-钾沉积物。图4显示了铝上的锌-磷-钾沉积物。图5显示了1010碳钢上的铝-磷-钾沉积物。图6显示了1010碳钢上的铜-磷-钾沉积物。图7显示了1010碳钢上的钼-磷-钾沉积物。图8显示了不锈钢上的钼-磷-钾沉积物。图9显示了从油相沉积的1010碳钢板上的硅-磷-钾沉积物。
施用于铝表面的金属涂层的厚度测量的示例
按照上面所述的来制备钼酸铵母溶液A和硼酸母溶液B。在铝表面上施用每种溶液的涂层并使涂层干燥。在NASA马歇尔飞行中心采用已知的扫描电镜技术来测量铝涂层的厚度。从扫描电镜图像来计算涂层的厚度。硼涂层的图像显示在图10中，而图11中为钼涂层的图像。对照背景12，涂层10显示在铝金属11的表面上。沿着涂层10的长度进行了好几次测量。钼涂层的平均厚度+标准误差为1.32+0.11微米(n＝7)，而硼的为1.22+0.25微米(n＝4)。
氮沉积物的示例
根据目前的技术，氮只能通过CVD(化学气相沉积)沉积在金属基材上，此技术是形成氮化物表面的昂贵且非常受限的方法。本发明的方法也将氮和待沉积的金属一起沉积到金属基材上。SEM的分析能力受限于识别元素周期表中的元素氧及氧以上的元素。氧的原子量为8，而氮的原子量为7。EDAX(电子色散分析x-射线)能识别周期表中小于6的元素。根据上述母样品A制备硅的含水溶液。将涂层施用于不同的金属且使样品在得克萨斯州的休斯顿市的Corrmet实验室的EDAX上运行，结果如下：图12显示了在EDAX图I中，1010碳钢上存在氮-硅-钾。图13显示了在EDAX图II中，铝上存在氮-硅-钾。图14显示了在EDAX图III中，不锈钢上存在氮-硅-钾。这些分析结果显示，使用本发明的组合物和方法可以在基材上获得用于氮/金属表面的全新技术。
磨损测试
与标准的基于油的润滑剂相比，在Engineered Lubricants，MarylandHeights，Mo.处，用Epsilon线性精密测试机器，摩擦学测试设备来在本发明的干膜涂层上进行磨损测试。机器用于评估流体和油脂的磨损和极压特性。该机器能够在整个测试持续期间评估磨损速率，并实时比较磨损与所有其他指出的变量，诸如扭矩、摩擦、摩擦系数、负载样品、RPM、样品温度、流体温度、样品周期和测试持续期。在高达4,000psi的条件下，使用不锈钢针和V棒，且针逆着V棒旋转。测试期间油中产生的热不断排出。不锈钢针和V块在标准润滑油中运行50分钟。连续地记录磨损。IA不锈钢针V块被浸没入本发明的含水硅/磷溶液中1分钟，浸提并邮寄到测试实验室。用预先涂覆的针和块进行磨损测试50分钟。测试结果显示出，使用基于油的润滑剂和本发明的干膜的磨损具有相同的1英寸0.06的磨损模式。因而，本发明的硅/磷干膜具有与使用标准润滑剂观察到的磨损模式相同的磨损模式。
前面的描述受限于本发明的特定实施方案。然而，很明显，本领域的技术人员将可以对所公开的本发明的实施方案进行变更和修改，从而获得本发明所有优点中的一些且并不偏离本发明的精神和范围。例如，本发明不限于上面所列的金属，而是包括所有金属，包括耐高温金属。该方案不需要使用过氧化化合物、稀土或加速添加剂。pH可以是酸性的，或中性的，或碱性的，这取决于哪种pH是转化表面的离子沉积的最佳方案。进一步，方案可以在环境温度下应用，而无需Hardin工艺中所需的预处理和预清洁步骤。该方案可以应用于竖立物体，诸如桥梁、立交桥和其他现场的金属结构。这些形成转化表面的应用方法极大地降低了成本且允许已建好的金属结构发生钝化。其他金属表面技术包括声脉冲(pinging)、玻璃熔接(glassbeading)和镀锌。
将会理解，本领域的技术人员可以对为了解释本发明的性质而已经在上面描述和阐释的各部分的细节、材料和布置做出各种变化，而并不偏离在下面的权利要求中陈述的本发明的原理和范围。