络离子混合物以及在表面上沉积涂层的方法技术

本发明专利技术涉及到用于在金属、尤其是内燃机内部的金属表面上提供耐磨损及节省燃料的涂层的组合物和方法。将铵离子源、含水介质中的碱金属和欲施涂至表面上的涂层金属组合，生成包含络离子混合物的电解质溶液。该电解质溶液可用于在传导性基体上沉积涂层金属。涂层金属可以包括磷、硫、碳、铋、硼、硅及其组合。可以在烃介质中将电解质溶液脱水，从而提供用作润滑油添加剂和燃料添加剂的新颖材料。当在内燃机中使用时，这些新表面可以显著地减小摩擦系数、使火焰峰平稳、减少腐蚀、提高燃料经济性以及减少烃的排放。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及的领域为包括无机和有机离子混合物的水溶液、它们的制备及应用。更具体而言，本专利技术涉及用于制备性能增强的表面的组合物及方法，所述性能增强的表面可以包含磷、硫、碳、硼、或铋的表面转化，所述表面转化可以延长包括内燃机金属部件的金属部件的寿命。新的转化表面使用离子的络合含水混合物而改善了燃料消耗和降低烃污染物。相关技术的描述硅的顺利沉积一直是镀覆领域所追求的。例如，授予Merkl的标题为“Method Of Preparing Inorganic And Polymeric Complexes AndProducts So Produced”的美国专利4,029,747据称描述了多金属氨基化物的新组合物及制造方法。Merkl描述到，这些络合物适合于“生产肥皂和去污剂”以及“在不同的基体上镀覆一种或多种周期表中I-VIII族的不同金属”。Merkl的无机聚合络合物在镀覆方面的一个特征在于，通过使用这些络合物据称可以对以前无法镀覆的某些金属进行镀覆，例如钛、钽和铌及硅等难熔金属。尽管以前已经有过通过真空沉积和溅射技术沉积硅的报导，但根据Merkl所述似乎还没有硅金属顺利镀覆的记录。Merkl描述了若干实验，其中将硅置于具有氢氧化铵、碱金属氢氧化物和非碱性金属的溶液中。描述于Merkl专利中的若干分析方法显示，在碱性介质中氮可以被稳定化。Merkl描述了一种方法，该方法为了制备聚合络合物需要有吸热阶段和放热阶段。Merkl教导，若不是如所描述的那样进行反应，则将会形成硅酸盐且不可逆，使所得到的产物对聚合目的而言是无用的。正如将要证明的那样，根据本专利技术来看，这是不正确的。硅是一种常见于沙石、粘土、铝土矿、花岗岩以及许多其它矿物的储量丰富且脆性的非金属元素。硅化学品首先开发于1860年代，从那时起开始在许多工业用途中得到广泛的应用，例如硅酸钠、硅酸钾、硅铁以及高纯硅。钠和钾的硅酸盐用作干燥剂、去污剂的组分、阻燃剂，用于水泥中以及在炼钢中用作使钢硬化的添加剂。一般可参见Silicon Chemistry“From the Atom to Extended Systems”，P.Jutzi和U.Schubert(编辑)(2003)WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA，Weinheim，ISBN 3-527-30647-1。授予Ropp的美国专利4,634,540描述了通过使硅质岩与碱金属氢氧化物反应来制备硅酸钠和/或钾的若干方法。在Ropp的反应中没有使用铵离子。在过去人们已经多次尝试改善金属的表面性能，以扩展它们的应用。例如，授予Teng等人的美国专利4,533,606描述了据称适合于在金属基体上电沉积锌、硅和磷的共沉积物的方法及含水组合物。然而，其仅仅描述了包括磷和锌与硅的共沉积物，且电沉积需要相当的时间。授予McCoy等人的美国专利5,084,263和5,310,419描述了使用多种金属的“无机聚合水络合物”的更快的电镀法，然而，硅不在其中。授予Defalco等人的美国专利5,540,788描述了在内燃机中原位形成磷酸铁转化表面。然而，McCoy等人和Defalco等人描述的方法在其制备中都需要使用强酸性组分。为了开发出充分致密、高强度的陶瓷作为特别是在内燃机中的钢的替代物，在1960年代和1970年代开发了氮化硅。氮化硅的研究显示了保持高强度和抗氧化性的高温性能。氮化硅的形式有至少三种，即1)反应粘接氮化硅；2)热压氮化硅；和3)烧结氮化硅。烧结氮化硅具有更高的密度，比起其它两种方法来说用处更广泛些。氮化硅表面的重要性能包括良好的密度、高温强度、优异的抗热冲击性能、优良的耐磨性能、良好的断裂韧度、防止机械疲劳及蠕变、良好的抗氧化性和增强的润滑性能。然而，制造过程的困难使得该材料不能成为在多种应用中用于替代金属的主要产品。氮化硅陶瓷体的制造可以是相对复杂的。例如，授予Komatsu等人的美国专利6,784,131描述了构成耐磨构件的氮化硅烧结体，其是通过至少下列的步骤生成的将预定量的烧结助剂，所需的添加剂，例如有机粘合剂，和Al、Mg、AlN、Ti等的化合物混合到具有预定细平均粒度且包含非常少量氧的氮化硅细粉末中；通过诸如单轴冲压法、模压法或刮刀法、橡胶冲压法、CIP(冷等静压制)等的成型方法成型为具有预定形状的压实体。接着成型步骤之后，进行用以去除添加剂和粘合剂的多重加热步骤、真空之下的高温烧结以及高温硬化。虽然氮化硅在制造方法上存在着若干的缺点，但其还是在内燃机的部件中发挥着多种用途，例如用于更快速起动的电热塞、用于使排放降低的预燃烧室，和用于减少滞后及排放控制的涡轮增压器。只有通过采用更好的制造步骤降低成本，使部件具有竞争力，才可能使氮化硅的用途更广泛。因此，能够采用水溶液在金属上沉积氮化硅表面对于汽车工业来说具有巨大的商业价值，更不必说航空航天业以及其它领域。寻求改善燃料经济性和降低毒物排放的方法已经成为开发用于内燃机小型部件的氮化硅涂料的驱动力。近来，涉及诸如燃料消耗以及尾气排放的汽车法规越来越严格。这背后的原因是明显的，包括诸如空气污染、酸雨等的环境问题，以及出于对石油能量逐渐消耗和温室气体最低化的关注而出台的保护有限的全球烃资源的政策。目前，作为应对措施，至少可论证地来讲，降低燃料消耗是最经济的解决方案。然而，过去用来提高效率和改善性能的许多材料科学方法都是不成熟的。例如，授予Locke等的美国专利6,784,143描述到，降低尾气中毒物排放的要求越来越高，这主要是由于环境问题，例如诸如烃、一氧化碳和氮氧化物的污染物的排放。现在，汽车尾气系统中用于降低污染物排放的催化转化器的使用已有一定时期。这种转化器一般使用诸如铂或其变体的催化金属与金属氧化物的组合，安置在尾气流中，例如在汽车尾气管中，从而将有毒气体转化为无毒气体。据信，磷组分可以使这些转化器中的催化剂中毒，所述磷组分例如降低磨损用添加剂二硫代磷酸锌的分解产物，这是一种有效的抗磨油添加剂。此外可能的是，硫组分使用于降低氮氧化物的催化剂组分中毒。尽管如上所述，Locke的专利中仍需要高浓度的磷和硫，虽然这些浓度有所降低。因此，在汽车工业中明显有这样的压力，即出于排放方面的考虑，应在燃料和润滑油添加剂组合物中降低磷和硫的含量，而不是为降低磨损的目的而增加它们的含量。通过减少油组合物中可以使用的二硫代磷酸锌的允许量的办法显然可以很容易实现磷浓度的降低，但这是以减小油(和燃料)组合物的抗磨及抗氧化性能为代价的。如本领域中熟知的那样，为减少已知的抗磨组分(特别是硫)的浓度而改变燃料和油的配方将导致过早的发动机故障，发动机制造商已经遇到了相当的困难。因此，在包括但不限于内燃机中的金属的金属磨损表面上无电原位沉积硅和氮的方法将是发动机技术上的突破，且具有明显的商业价值。一些优选实施方案的概述因此本专利技术的目的是要克服现有技术之不足，从而提供硅、硅/氮/碱或硅/氮双金属的金属化学组合物的独特和新颖的用途。在一些实施方案中提供了一种在金属，特别是内燃机内部金属表面上提供抗磨损且节省燃料的涂层的组合物和方法。在一个优选的实施方案中，将铵离子源、含水介质中的碱金属和欲在表面上施涂的涂层金属进行组合，生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于改善发动机性能的添加剂，其在水溶液中包含铵、碱金属和选自磷、硫、碳、铋、硼、硅及其组合的涂层组分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗兰克德法尔科，安德鲁J博克霍尔特，
申请(专利权)人：欧姆尼西尔公司，
类型：发明
国别省市：US[]