表面处理钢材、其生产方法及化学转化处理液技术

开发了一种化学转化处理液，该处理液可以在含０．５－１３％Ｃｒ的用于油井钢管的接头部分的钢材上稳定地形成磷酸盐类化学转化膜。使用其中加入规定量钾的化学转化处理液，可以在油井钢管的接头部分的螺纹表面上形成含规定量钾化合物且具有规定厚度的化学转化膜。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于在钢材如含Cr钢表面上形成化学转化膜的化学转化处理液及使用该液体的表面处理方法。本专利技术还涉及用该表面处理方法生产的表面处理钢材，特别是具有优异抗咬合性能(seizing resistance)的表面处理钢材。
技术介绍
化学转化处理是钢材表面与腐蚀溶液相互起化学反应形成对钢材表面有良好粘结性的腐蚀产品膜的一种处理方法。化学转化处理通常指磷酸盐处理、铬酸盐处理、草酸盐处理等，这取决于使用的腐蚀溶液的类型。但是，用这种传统化学转化处理不能在钢如高Cr钢上形成化学转化膜。例如，日本未审公开专利申请57-82478中公开了一种已知方法，其中，用基于碱金属磷酸盐且含有钛化合物和氯酸盐的化学转化处理液对钢材表面进行化学转化处理，再用含磷酸锌的化学转化处理液进行化学转化处理。但是该方法的缺点是这种处理必须进行两次。另外，该方法不能在高Cr钢如13％Cr钢上形成令人满意的磷酸盐的化学转化膜。日本未审公开专利申请5-40034中公开了一种用其中加入氟离子的含锰和磷酸的化学转化处理液进行表面处理的方法。但是，即使用这种方法，也不能在含Cr钢上形成化学转化膜。油井钢管通过联接器相互联接。因此，在油井钢管端部上形成的阳螺纹和在联接器内表面上形成的阴螺纹紧密配合，密封螺纹，形成联接钢管的气密或液密接头。在紧固时，在螺纹上要施加很大的扭矩，所以在螺纹表面上易于出现缺陷如磨损(galling)，这将降低油井钢管可相互重复联接的次数。另外，如果在螺纹表面上发生腐蚀，则难以保证其具有足够高的气密性和液密性。因此，过去为了防止磨损，用软金属如Cu电镀由含Cr钢制成的由于油井钢管的螺纹接头的螺纹表面。但是，因为电镀需要花费人力和时间，所以电镀法不能令人满意，所以还有改善的空间。
技术实现思路
因此，目前需要一种技术能够在含Cr钢表面上稳定地形成令人满意的化学转化膜如磷酸锌膜或磷酸锰膜。本专利技术的一个目的是提供一种化学转化处理液，即使在含Cr钢如含0.5-13％Cr钢表面上该处理液也能够稳定地形成磷酸盐的化学转化膜。本专利技术的另一个目的是提供一种生产表面处理钢材的方法，其中，以即使在上述含Cr钢表面上也能够稳定地形成磷酸盐的化学转化膜的方式进行表面处理。本专利技术的另一个目的是提供一种其上形成有这种磷酸盐的化学转化膜的表面处理钢材。本专利技术的专利技术人发现向磷酸盐类化学转化处理液中加入钾化合物可以大幅改善成膜稳定性，即使在以前难以在其上形成化学转化膜的含Cr钢上也能稳定地形成磷酸盐类化学转化膜。基于这些发现，本专利技术的专利技术人继续进行研发，进一步发现钾化合物，特别是四硼酸钾的这种作用常见于用铬酸盐处理、草酸盐处理等方法形成的化学转化膜，然后完成了本专利技术。从广义上讲，本专利技术是一种表面处理钢材，其包括钢材和在钢材的至少一部分表面上形成的化学转化膜，所述化学转化膜含有0.1-1000mg/m2的钾，其厚度是5-50微米，优选5-35微米。在本专利技术的一个优选实施方案中，化学转化膜是磷酸盐类化学转化膜，如磷酸锌类化学转化膜或磷酸锰类化学转化膜。在油井钢管的情况下，优选在联接器的接头部分上形成磷酸锰类化学转化膜，在油井钢管的接头部分上形成磷酸锌类化学转化膜。本专利技术的另一个方面是一种生产表面处理钢材的方法，其中，用含有锌和磷酸或锰和磷酸且还含有钾的化学转化处理液在钢材表面上进行化学转化处理。化学转化处理液中的含钾离子的摩尔浓度至少是6×10-4％，至多是7×10-1％。化学转化处理可以通过在温度为60-100℃，优选70-100℃的化学转化处理液中将钢材浸泡至少5分钟进行。一种替代方案是，将温度为60-100℃，优选70-100℃的化学转化处理液供给钢材至少5分钟来进行化学转化处理。本专利技术的另一个方面是一种用于钢材的化学转化处理液，其含有锌和磷酸或锰和磷酸，还含有钾。在一个优选实施方案中，化学转化处理液中的含钾离子的摩尔浓度至少是6×10-4％，至多是7×10-1％。当本专利技术的化学转化处理液含有锰和磷酸且还含有钾时，总酸值优选至少是30且小于55，总酸值与游离酸值的比优选是3-15。附图简述附图说明图1是本专利技术的实施例中使用的用于喷淋实验法的装置的示意图。具体实施例方式下面详述本专利技术。在本说明书中，除非特别指出，“％”表示“质量％”。根据本专利技术，在将要处理的钢材表面除油和用水洗涤后，在钢材上进行化学转化处理如磷酸盐类、铬酸盐类或草酸盐类处理。特别优选用含有锌和磷酸或锰和磷酸的化学转化处理液进行化学转化处理。这种化学转化处理液指的是锌-磷酸类或锰-磷酸类化学转化处理液。化学转化处理方法本身是已知的。因此将省略对化学转化处理方法本身的描述。对本专利技术中使用的钢材的化学组成没有特别限制，但是当本专利技术在用传统方法难以在其上进行化学转化处理的含0.5-13质量％Cr(下面简单地表示为％)的含Cr钢上进行是特别有利的。对钢材的形式也没有限制。例如可以是用作油井钢管的无缝钢管或联接器，特别是钢管或联接器的螺纹接头部分。还可以是其他形式的管、棒、板或薄片等。从经济方面考虑，当本专利技术用于无缝钢管如由含Cr钢制成的油井钢管的螺纹接头时特别有利。优选将待处理的钢材表面部分的表面粗糙度Rmax调节至0.1-60微米。本申请中使用的术语“化学转化膜”指的是当溶液和钢材表面的化学反应产品以膜形式粘结在钢表面上时形成的膜。在各种化学转化膜中有磷酸盐类、铬酸盐类、草酸盐类等，这取决于用于成膜的溶液类型。本专利技术对化学转化膜的种类没有特别限制，只要含有钾即可。但是，当本专利技术应用于无缝钢管如油井钢管的接头上时，膜优选是磷酸盐类化学转化膜。这是因为磷酸盐类，特别是磷酸锰类或磷酸锌类化学转化膜具有优异的粘结钢表面的性能，还具有优异的防锈性能和抗磨损性能。化学转化膜更优选是磷酸锰类化学转化膜。“化学转化处理液”指用于形成这种化学转化膜的处理液。化学转化处理液也包括磷酸盐类、铬酸盐类、草酸盐类等。在本专利技术中，化学转化处理液含有钾化合物，用于促进化学转化膜的形成、提高化学转化膜的均匀性、防止裸露(膜下面的金属基底裸露)。但是，如果化学转化处理液中同时存在F离子和Al离子，则由于同时存在的Fe离子和Zn离子的作用，可能形成K2Al(Fe，Zn)F6淤渣并沉淀下来，向化学转化处理液中加入钾化合物将不能达到所需的效果。因此，化学转化处理优选在没有氟离子的情况下进行。可用在本专利技术中的钾化合物的例子包括硼酸盐(如四硼酸钾)、氢氧化物(如氢氧化钾)、氟化物(如氟化钾)、硝酸盐(如硝酸钾)、氯化物(如氯化钾)、硫酸盐(如硫酸钾)等。这些钾化合物可以单独使用，也可以两种或多种组合使用。钾化合物优选是硼酸盐，更优选是四硼酸钾。在使用钾化合物时，将其加入含锌或锰的化学转化处理液。在使用磷酸盐类化学转化处理液的情况下，可以认为钾对形成化学转化膜的作用机理如下。向化学转化处理液中加入钾化合物将破坏液体中的锌或锰与磷酸的平衡状态，形成可溶的磷酸钾，磷酸钾溶解在液体中。同时，过量的锌或锰形成具有羽毛状凸出物的浮动不溶凝胶。可以认为这种浮动材料被快速吸附在钢材表面上，作为促进在钢表面上形成磷酸盐膜的核，并且形成裸露(金属基底裸露)量最小的令人满意的磷酸盐膜。尽管原因尚不清楚，但是当不用钾化合物，而用钠化合物(Na2B4O7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面处理钢材，其包括钢材和在钢材的至少一部分表面上形成的化学转化膜，化学转化膜含有０．１－１０００ｍｇ／ｍ↑［２］的钾，其厚度是５－５０微米。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：井泽胜，后藤邦夫，
申请(专利权)人：住友金属工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]