BE1008293A3

BE1008293A3 - Composition d'enduction et methode de formation.

Info

Publication number: BE1008293A3
Application number: BE9300554A
Authority: BE
Inventors: Alvin R Stetson; William D Brentnall; Zaher Z Mutasim
Original assignee: Solar Turbines Inc
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1996-04-02
Also published as: GB2267504A; MY108920A; AU3867093A; AU652911B2; GB9310103D0; GB2267504B; US5242488A; SG47788A1

Abstract

Une composition d'enduction pour des surfaces en alliage métallique ferreux consiste en une pâte comprenant principalement une solution de liaison de phosphate neutralisée par rapport à l'aluminium et de la poudre d'aluminium. Un procédé de formation de la solution de liaison composant la pâte d'enduction consiste à équilibrer une solution aqueuse de phosphate avec une petite quantité, mais contrôlée et nécessaire, d'aluminium dissous avant d'ajouter de la poudre d'aluminium pour former la pâte. De préférence, la solution de liaison contient également du magnésium. La présente invention résout le problème des solutions de liaison nécessitant des chromates ou molybdates nuisibles pour l'environnement pour neutraliser la solution de liaison avant la formation de la pâte.

Description


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   DESCRIPTION
Composition d'enduction et méthode de formation Domaine technique 
Cette invention concerne de manière générale une composition d'enduction résistant à la corrosion et à l'oxydation pour des surfaces en alliage ferreux et une méthode de formation dudit enduit et, plus particulièrement, une composition d'enduction pâteuse sous forme de poudre de phosphate et d'aluminium exempte de chrome et de molybdène et une méthode de formation. 



  Etat de la technique 
Les compositions d'enduction contenant de l'aluminium métallique et du phosphate pour la protection de surfaces en alliage métallique ferreux de l'oxydation et de la corrosion, en particulier à des températures élevées, sont bien connues de l'état de la technique. Le brevet américain 3.248. 251 de Charlotte Allen publié le 26 avril 1966, par exemple, présente une composition d'enduction contenant du chrome et/ou du molybdène pour inhiber la réaction entre un composant phosphate acide aqueux de la composition et un matériau métallique solide en particules, de préférence de la poudre d'aluminium. 



   Jusqu'à présent, des compositions d'enduction sous forme de poudre de phosphate et d'aluminium pour protéger 

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 des surfaces en alliage ferreux de l'oxydation sont basées sur une réaction acide-base pour neutraliser la solution de liaison et contiennent soit du molybdène ou du chrome hexavalent pour inhiber l'oxydation de l'aluminium métallique. Le molybdène et le chrome hexavalent sont tous deux considérés comme des substances chimiques toxiques et sont donc nocives pour l'environnement. Le chrome hexavalent, en particulier, est considéré comme carcinogène. Le molybdène est classé parmi les métaux lourds toxiques. 



   La présente invention vise à prévenir les problèmes susmentionnés. Le but est d'obtenir un enduit résistant à la corrosion et à l'oxydation à des températures élevées pour des surfaces en alliage métallique ferreux, ne nécessitant pas de chromates ou de molybdates pour contrôler la réaction entre la solution de liaison et le métal en poudre, p. ex. l'aluminium. Un autre but est d'obtenir une solution de liaison et un mélange pâteux de ces enduits, tous deux exempts de chrome ou de molybdène. 



  Description de l'invention 
Conformément à un aspect de la présente invention, une composition d'enduction pour des surfaces en alliage métallique ferreux consiste principalement en un mélange d'une solution de liaison et de poudre d'aluminium, dans une proportion d'environ 100 ml de solution de liaison et d'environ 80 g à 150 g de poudre d'aluminium. La solution de liaison se compose essentiellement, en poids, d'environ 47% à 74% d'H2O, d'environ 27% à 39%   dHPO, et   de moins d'environ 20% d'au moins un composé de magnésium choisi dans le groupe comprenant le   MgCO,   et le MgO et de l'aluminium en solution dans une quantité suffisante pour équilibrer substantiellement ladite solution de liaison par rapport à l'aluminium. 

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   Dans un autre aspect de la présente invention, une méthode de formation d'un enduit pâteux pour des surfaces en alliage ferreux comprend le mélange d'environ 500 à 800 parts en poids d'eau et 345 parts en poids d'acide phosphorique. De l'aluminium, soit sous forme de poudre métallique ou de composé, est ajouté en quantité suffisante pour équilibrer substantiellement la solution de liaison par rapport à l'aluminium. Du magnésium, sous forme de carbonate ou d'oxyde en quantité inférieure à environ 200 parts en poids peut également être ajouté au mélange. Celui-ci est ensuite remué ou agité pendant un temps suffisant pour permettre une réaction complète des composés ajoutés avec l'acide phosphorique et former une solution neutralisée substantiellement équilibrée par rapport à l'aluminium.

   La solution neutralisée est ensuite mélangée avec de la poudre d'aluminium pour former une pâte contenant environ 80 g à 150 g de poudre d'aluminium par 100 ml de solution neutralisée. 



  Meilleur mode   d'exécution   de l'invention 
Dans l'exécution préférée de la présente invention, une composition d'enduction pour des surfaces métalliques ferreuses consiste principalement en une solution de 
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 liaison neutralisée par une réaction d'oxydoréduction et en particules d'aluminium finement divisées. 



   La solution de liaison composant l'enduit, objet de la présente invention nécessite qu'il contienne suffisamment d'aluminium en solution de sorte qu'il soit substantiellement équilibré par rapport à l'aluminium,   c.-à-d.   que la quantité d'aluminium en solution atteigne substantiellement son point de saturation et soit donc principalement inerte par rapport à toute addition ultérieure d'aluminium. Etant donné son temps de réaction plus rapide, la poudre d'alumi- 

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 nium est la forme préférée d'aluminium, bien que d'autres sources d'aluminium, comme l'alumine (Al03) ou l'hydroxyde d'aluminium (Al [OH] ) puissent également être utilisées pour équilibrer la solution de liaison.

   Si l'alumine ou l'hydroxyde d'aluminium sont sélectionnés, il est préférable de chauffer le mélange pour augmenter le temps de réaction. Le magnésium, bien que n'étant pas essentiel, peut au choix être utilisé pour neutraliser, au moins partiellement, le mélange aqueux d'acide phosphorique, avant ou après   l'équi-   librage du mélange avec l'aluminium. 



   De préférence, la solution de liaison comprend soit du carbonate de magnésium (MgC03) ou de l'oxyde de magnésium (MgO) et se compose principalement, en poids, d'environ 47% à 74%   d'HO,   d'environ 27% à 39%   d'HPO, de   moins d'environ 20% de MgC03 ou de MgO et d'environ 0,5% à 3,5% d'aluminium en solution. Si le magnésium, sous forme de carbonate ou d'oxyde, n'est pas utilisé pour faciliter la neutralisation de la solution de liaison, il faudra employer de l'aluminium dans les quantités désignant les limites supérieures des gammes susmentionnées pour neutraliser suffisamment la solution d'acide phosphorique et équilibrer la solution par rapport à l'aluminium. 



   Plus spécifiquement, lorsque du MgC03 est utilisé comme agent neutralisant, la solution de liaison se compose principalement, en poids, d'environ 47% à 67% d'H2O, d'environ 27% à 35%   dHPO, de   moins d'environ 20% de MgC03 et d'environ 0,5%   à 3,   5% d'aluminium en solution. De préférence, la solution de liaison neutralisée par le carbonate de magnésium se compose principalement, en poids, d'environ 62% d'H2O, d'environ 27% d'H3PO4, d'environ 9% de MgC03 et d'environ 2% de poudre d'aluminium.

   Lorsque du MgO (magnésie) est utilisé comme agent neutralisant, la composition se compose principalement, en poids, d'environ 52% 

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 à 74% dHO, d'environ 30% à 39% dHPO, de moins d'environ 10% de MgO et d'environ 0,5% à 3,5% d'aluminium en solution et, de préférence, d'environ 65% d'H2O, d'environ 28% d'H3PO4, d'environ 5% de MgO et d'environ 2% de poudre d'aluminium. 



   Dans une exécution de la présente invention, la solution de liaison est formée en diluant de l'acide phosphorique (H3PO4) dans une proportion, en poids, d'environ 500 à 800 parts d'eau pour 345 parts d'acide phosphorique. Si les proportions sont inférieures à 500 parts d'eau et 345 parts d'acide phosphorique, la solution devient très épaisse tandis que si elles sont supérieures à 800 parts d'eau et à la même quantité d'acide phosphorique, la solution devient trop diluée. De préférence, 345 parts d'acide phosphorique sont mélangées à 780 parts d'eau. 



   Après dilution, de l'aluminium, de préférence sous forme de poudre atomisée, est ajouté au mélange aqueux d'acide phosphorique dans une quantité permettant d'équilibrer substantiellement le mélange par rapport à l'aluminium. Cela ne nécessite qu'une quantité relativement faible d'aluminium en poudre, par exemple d'environ 10 à 70 parts en poids à ajouter au mélange. Si un composé d'aluminium est sélectionné pour fournir de l'aluminium dissous dans le mélange, il faudra ajouter des quantités de ces composés pour fournir environ 0,5% à 3,5% d'aluminium en solution. De plus, pour accélérer la réaction, il est souhaitable de chauffer le mélange si la source d'aluminium est un composé comme l'alumine ou l'hydroxyde d'aluminium. 



   Après avoir ajouté l'aluminium, du carbonate de magnésium, de l'oxyde de magnésium ou un mélange des deux est ajouté au mélange d'eau et d'acide phosphorique.   S'il   s'agit de carbonate de magnésium, moins de 200 parts, en 

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 poids, et de préférence environ 120 parts, sont ajoutées au mélange d'acide phosphorique dilué. Si c'est de l'oxyde de magnésium (magnésie), moins de 100 parts, en poids, et de préférence environ 60 parts sont ajoutées. La solution est ensuite agitée jusqu'à ce que la réaction entre les composés de magnésium et la solution d'acide phosphorique soit pratiquement terminée. 



   Par ailleurs, la solution de liaison peut être formée en mélangeant d'abord le composé de magnésium avec le mélange phosphorique aqueux et en ajoutant ensuite de l'aluminium. L'ordre d'addition des composants, y compris la solution de liaison, importe peu. Lors de l'addition au mélange magnésie-phosphate, seulement 20 parts en poids d'aluminium en poudre sont nécessaires pour assurer   l'équi-   librage final de la solution de liaison. Il faut beaucoup plus d'aluminium, environ 70 parts en poids, si le mélange n'est pas partiellement neutralisé avec du magnésium,   c.-à-   d. si l'aluminium est ajouté directement au mélange aqueux acide de phosphate. 



   Quel que soit l'ordre d'addition, après avoir ajouté l'aluminium ou le composé d'aluminium, le mélange est agité énergiquement pour assurer la dispersion de l'adduit d'aluminium et ensuite amené à reposer pendant un temps suffisant pour que l'aluminium puisse réagir totalement avec la solution. Cette relation équilibre la solution de liaison par rapport à l'aluminium de sorte qu'elle soit principalement inerte lorsque l'aluminium en poudre est ensuite combiné avec la solution de liaison pour former une pâte. A la fin de la période d'équilibrage requise, typiquement de 8 à 20 heures, il reste de préférence une petite quantité d'aluminium non dissous dans le fonds du récipient de réaction.

   La présence d'aluminium ou d'un composé d'aluminium qui   n'a   pas réagi ou n'est pas précipité 

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 indique que la réaction est terminée et que l'équilibre est atteint. La solution de liaison peut facilement être séparée des particules non dissoutes par décantation. 



   L'enduit pâteux objet de la présente invention est ensuite formé en mélangeant la solution de liaison neutralisée décrite ci-dessus avec une poudre d'aluminium très finement atomisée, dont le diamètre nominal des particules est inférieur à environ 45 Mm et, de préférence, dont le diamètre moyen des particules est d'environ 3   Mm à   8   Mm.   La poudre d'aluminium est ajoutée à la solution de liaison dans des quantités permettant d'obtenir une proportion d'environ 80 g à 150 g de poudre d'aluminium par 100 ml de solution de liaison. De préférence, la pâte contient environ 125 g de poudre d'aluminium par 100 ml de solution de liaison. 



   La présente invention a découvert que la solution de liaison doit substantiellement être équilibrée par rapport à l'aluminium avant de former un mélange pâteux avec de la poudre d'aluminium, c.-à-d. que la solution de liaison doit essentiellement être inerte par rapport à toute autre réaction ultérieure avec de l'aluminium quand elle est en contact avec la grande quantité d'aluminium présente dans la pâte. La durée de conservation de la composition d'enduction pâteuse, objet de la présente invention, est comparable à celle des pâtes composées d-inhibiteurs de molybdate, soit d'une semaine. Cependant, il est recommandé de ne préparer à l'avance que la quantité de pâte à appliquer dans les huit heures. 



   La pâte est typiquement appliquée sur une surface en alliage métallique ferreux, comme de l'acier inoxydable 12%, par immersion ou pulvérisation, cette dernière étant le procédé préféré. La pâte doit de préférence être appli- 

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 quée en deux couches, d'environ 0,032 mm d'épaisseur, séchées à   820C   pendant 15 à 30 minutes et cuites à   343 C   pendant 30 à 60 minutes entre chaque couche. Les couches, une fois cuites, ne sont pas conductrices électriquement et ne peuvent donc pas garantir de protection galvanique contre la corrosion du matériau de substrat sous-jacent. 



  Toutefois, les couches peuvent être rendues conductrices électriquement en les martelant ou en les chauffant, comme spécifié dans la description MIL-C-8175B. Les couches peuvent donc être rendues conductrices, par des procédés mécaniques ou thermiques, et fournir dès lors une protection galvanique et une protection de barrage du substrat métallique en alliage ferreux sous-jacent. 



   Une fois que la seconde couche est appliquée, séchée, cuite et traitée pour la rendre conductrice électriquement, sa surface est éventuellement étanchée avec la solution de liaison pour augmenter encore la protection contre ltoxydation et la corrosion de la couche et diminuer le taux de consommation d'aluminium dans la couche pendant son utilisation. Les couches d'étanchéité sont séchées et cuites en même temps et à la même température que les enduits pâteux décrits précédemment. 



  Possibilité d'applications industrielles 
Les enduits exempts de chrome et de molybdène, objet de la présente invention, sont particulièrement utiles pour protéger de la corrosion et de l'oxydation les surfaces en alliage métallique ferreux utilisées à des températures élevées, comme les ailes de compresseur de moteurs de turbine à gaz. 



   Plusieurs spécimens d'essai ont été préparés pour comparer l'enduit, objet de la présente invention, avec des 

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 enduits connus et du commerce, qui contiennent malheureusement tous du chrome ou du molybdène. Après application de deux couches des pâtes respectives, au moins une couche de la solution de liaison respective a été appliquée à la surface de la seconde couche. 



   L'aspect et la rugosité de la surface des spécimens d'essai ont été examinés et leur conductivité, leurs propriétés mécaniques, y compris la résistance à   l'éclate-   ment et la contrainte d'adhérence, leur stabilité thermique, leur résistance à la corrosion et leur résistance à la corrosion à des températures élevées ont été étudiées. Il s'est avéré que les enduits, objet de la présente invention, étaient au moins aussi bons et, dans de nombreux cas, supérieurs aux enduits contenant des chromates et des molybdates. 



   D'autres aspects, objets et avantages de cette invention peuvent apparaître d'une étude de la description et des revendications jointes.

Claims

Revendications 1. Une composition d'enduction pour des surfaces en alliage métallique ferreux, composées principalement d'un mélange pâteux d'une solution de liaison et de poudre d'aluminium dans une proportion d'environ 100 ml de solution de liaison et d'environ 80 g à 150 g de poudre d'aluminium, ladite solution de liaison étant principalement composée, en poids, d'environ 47% à 74% dOH20, d'environ 27% à 39% dH, PO, de moins d'environ 20% d'au moins un composé de magnésium sélectionné dans le groupe formé du MgC03 et du MgO et de l'aluminium dans une quantité suffisante pour équilibrer substantiellement ladite solution de liaison par rapport à l'aluminium.
2. La composition d'enduction, selon la revendication 1, dans laquelle ladite solution de liaison contient environ 0,5% à 3,5% d'aluminium en solution.
3. La composition d'enduction, selon la revendication 1, dans laquelle ladite solution de liaison contient principalement, en poids, environ 62% d'H20, environ 27% d'H3PO4, environ 9% de MgC03 et environ 1% d'aluminium en solution.
4. La composition d'enduction, selon la revendication 1, dans laquelle ladite solution de liaison contient principalement environ 65% d'H20, environ 28% d'H3PO4, environ 5% de MgO et environ 1% d'aluminium en solution.
5. La composition d'enduction, selon la revendication 1, dans laquelle la proportion de poudre d'aluminium du mélange pâteux est d'environ 125 g par 100 ml de solution de liaison. <Desc/Clms Page number 11>
6. La composition d'enduction, selon la revendication 1, dans laquelle ladite poudre d'aluminium du mélange pâteux est une poudre d'aluminium atomisée dont le diamètre moyen des particules est inférieur à 45 mm.
7. La composition d'enduction, selon la revendication 6, dans laquelle les particules de ladite poudre d'aluminium atomisé ont un diamètre moyen d'environ 3 Mm à 8 Mm.
8. Une méthode de formation d'un enduit pâteux pour des surfaces en alliage ferreux, comprenant les étapes suivantes : mélange d'environ 500 à 800 parts en poids d'eau et 345 parts en poids d'acide phosphorique ; addition d'un composé d'aluminium, sélectionné dans le groupe comprenant une poudre d'aluminium métallique, de l'oxyde d'aluminium et de l'hydroxyde d'aluminium, dans une quantité suffisante pour équilibrer substantiellement ladite solution de liaison par rapport à l'aluminium ; addition d'environ 0 à 200 parts en poids d'au moins un composé de magnésium sélectionné dans le groupe comprenant le carbonate de magnésium et l'oxyde de magnésium ;

agitation dudit mélange pendant une période de temps suffisante pour permettre une réaction substantiellement complète desdits composés ajoutés avec l'acide phosphorique et, de là, formation d'une solution neutralisée, substantiellement équilibrée par rapport à l'aluminium ; mélange de ladite solution neutralisée avec de la poudre d'aluminium atomisé dans une quantité suffisante pour former une pâte contenant environ 80 g à 150 g de <Desc/Clms Page number 12> poudre d'aluminium par 100 ml de la solution neutralisée.
9. Une méthode de formation d'un enduit pâteux selon la revendication 8, dans laquelle ledit composé d'aluminium est ajouté dans une quantité suffisante pour fournir environ 10 à 35 parts en poids d'aluminium dissous dans ledit mélange.
10. Une méthode de formation d'un enduit pâteux selon la revendication 8, dans laquelle ledit composé d'aluminium ajouté audit mélange est d'environ 10 à 70 parts en poids de poudre d'aluminium atomisé.
11. Une méthode de formation d'un enduit pâteux selon la revendication 8, dans laquelle le diamètre moyen des particules de ladite poudre d'aluminium atomisé mélangée avec ladite solution de liaison neutralisée est inférieur à 45 Mm.
12. Une méthode de formation d'un enduit pâteux selon la revendication 8, dans laquelle l'étape d'addition d'au moins un composé de magnésium audit mélange consiste à ajouter moins d'environ 200 parts en poids de carbonate de magnésium.
13. Une méthode de formation d'un enduit pâteux selon la revendication 8, dans laquelle l'étape d'addition d'au moins un composé de magnésium audit mélange consiste à ajouter moins d'environ 100 parts en poids d'oxyde de magnésium. <Desc/Clms Page number 13>
14. Une méthode de formation d'un enduit pâteux selon la revendication 8 dans laquelle ladite poudre d'aluminium est mélangée avec ladite solution de liaison neutralisée dans une quantité suffisante pour former une pâte contenant environ 125 g de poudre d'aluminium par 100 ml de ladite solution neutralisée.