Suspension à utiliser pour le brasage d'objets métalliques et son utilisation
Selon la technique courante, on brase les surfaces de métaux cuivreux et ferreux en utilisant un revêtement ou une pellicule mince d'un alliage à braser. Cet alliage à braser est en général sous forme de poudre ou de paillettes mélangées dans un véhicule. La suspension d'alliage à braser dans le véhicule est appliquée sur la surface à braser et la surface ainsi recouverte est chauffée à la température de brasage pendant le temps nécessaire.
Le véhicule sert principalement à obtenir une suspension commode d'alliage à braser pour permettre de l'appliquer facilement sur la surface à braser. De plus, le véhicule doit être choisi de façon à permettre à la suspension d'adhérer facilement aux surfaces à braser.
Par exemple, on peut braser des pièces laminées en cuivre ou alliage de cuivre en utilisant une pellicule ou un revêtement mince d'un alliage à base de cuivre contenant une forte proportion de phosphore dans un véhicule constitué par une résine à base d'un méthacrylate polymérisé.
Les procédés de la technique antérieure n'étaient pas entièrement satisfaisants. Par exemple, ces procédés sont souvent coûteux et d'emploi peu commode. Souvent le mélange alliage à braser-véhicule doit être utilisé immédiatement et ne peut être mis de côté. Dans de bonnes conditions, souvent le mélange à braser-véhicule sèche de façon à former une masse solide friable ou gluante d'usage peu commode.
Ces procédés présentent d'autres inconvénients comme, par exemple, le fait que les véhicules classiques laissent souvent des résidus indésirables sur les surfaces brasées.
La présente invention a par conséquent pour objet une suspension à braser commode et facile à utiliser, utilisable, par exemple, pour le brasage des surfaces de métaux cuivreux et ferreux, facile à employer, peu coûteuse, se conservant bien et ne laissant pas de résidus gênants sur les surfaces brasées.
D'autres avantages de la suspension selon l'invention apparaîtront ci-après.
La suspension à braser selon l'invention est constituée par un mélange de poudre d'alliage à braser fondant au-dessus de 5380 C, sous forme de particules de dimensions inférieures ou égales à 175 microns, mélangées à 3 à 10 /o en poids d'un polyoxyalcoylène hydroxylé ou polythioalcoylène thiol, pratiquement exempt d'eau, bouillant entre 260 et 5400 C et ayant un poids moléculaire supérieur à 200 (compris de préférence entre 900 et 1400). On peut ajouter, facultativement, un solvant volatil à la température ordinaire, tel que l'acétone ou la méthyléthylcétone, pour obtenir la consistance désirée pour l'emploi envisagé; ce solvant doit être compatible avec le composé polyoxyalcoylène ou polythioalcoylène et doit s'évaporer après application du mélange sur les surfaces à assembler.
La présente invention concerne également l'utilisation de ladite suspension. caractérisée en ce qu'on choisit les surfaces de métal à assembler dans le groupe formé par le cuivre, les alliages à base de cuivre et les alliages ferreux, on applique ladite suspension sur ces surfaces que l'on met en contact intime, on chauffe l'assemblage ainsi réalisé à une température supérieure au point d'ébullition du composé polyoxyalcoylène ou polythioalcoylène et au point de fusion de la suspension mais inférieure au point de fusion des surfaces métalliques et on refroidit l'assemblage.
La suspension selon la présente invention présente de nombreux avantages importants. Premièrement, la suspension est sous forme d'un liquide visqueux facile à appliquer sur les surfaces à braser. On utilisait fréquemment dans la technique antérieure une suspension qui se transformait en séchant en un solide friable peu com mode. De plus, la suspension selon l'invention se conserve bien. Elle peut être conservée facilement pendant plusieurs jours et même plus sans risque de détérioration. Cette suspension est facile à préparer dans un tonneau ou tambour sans risque d'endommager ou d'encrasser l'équipement De plus, chose importante, le composé hydroxylé ne laisse pas de résidus indésirables sur l'assemblage brasé.
Dans l'utilisation de la suspension selon la présente invention, les surfaces à braser sont du cuivre ou des alliages à base de cuivre ou de fer. Evidemment, la surface particulière à braser dépendra de l'emploi choisi pour les composants. On peut employer du cuivre très pur ou des alliages à base de cuivre, tels ceux contenant comme apport d'alliage du nickel, du fer, du phosphore, du manganèse, du magnésium, de l'aluminium, etc. On peut utiliser n'importe quel alliage ferreux, tel que l'acier inoxydable ou des alliages à base de fer contenant du silicium, du manganèse, du phosphore, du chrome, du nickel, etc.
Les surfaces à assembler peuvent être sous une forme quelconque, par exemple sous forme de tôles ou de plaques, de rubans, de cornières, de tubes ou de barres. Un mode d'utilisation préféré consiste à utiliser la suspension à braser pour lier de la poudre ou de la grenaille de cuivre. Par conséquent, conformément à ce mode d'utilisation préféré, on enduit de la poudre ou grenaille de cuivre de la suspension à braser, on brase la grenaille ainsi revêtue dans un moule ou une pièce ayant la forme désirée et on chauffe le moule ou la pièce à une température supérieure au point d'ébullition du composé hydroxylé ainsi qu'au point de fusion de l'alliage à braser, mais inférieure au point de fusion des surfaces à assembler, si bien que la grenaille ou poudre est transformée par brasage en une masse cohérente et solide.
On peut faire varier évidemment les conditions de brasage pour conférer à la masse ainsi liée une porosité appropriée, autrement dit les particules liées sont en général liées en des emplacements séparés et non liées à d'autres endroits.
L'alliage à braser doit être sous forme pulvérulente et fondre à une température supérieure à 5380 C. Evidemment, on peut utiliser sans difficulté tout alliage à braser convenant pour le brasage des surfaces métalliques choisies. On peut citer, à titre d'exemple d'alliages à braser: le bronze phosphoreux contenant entre 5 et 15 /o de phosphore, les alliages à base de cuivre contenant des éléments tels que le manganèse et le nickel, des alliages à base de nickel pour braser des aciers et le cuivre de pureté industrielle pour braser des aciers, mais cette liste n'est pas limitative.
La quantité d'alliage à braser variera évidemment entre de larges limites suivant l'application envisagée.
Quand on brase des tôles de grandes dimensions, on emploie une faible proportion d'alliage à braser par rapport au poids de la tôle et quand on brase de petites pièces, la proportion d'alliage à braser employée est plus grande. Si l'on brase une poudre ou grenaille, on emploie 4 à 15 % du poids de cette grenaille, de préférence.
Les dimensions des particules de l'alliage à braser pulvérulent sont inférieures ou égales à 175 microns et, de préférence, inférieures ou égales à 147 microns. Une poudre contenant des particules assez grossières, par exemple entre 147 et 175 microns peut être utilisée de façon satisfaisante bien qu'étant plus difficile à employer.
Le polyoxyalcoylène hydroxylé ou polythioalcoylène thiol a une masse moléculaire en général inférieure à 4000 et de préférence comprise entre 900 et 1400 ; il bout entre 260 et 5400 C. Ce composé organique aura de préférence une viscosité comprise entre 50 et 125 centistokes à 380 C et doit se volatiliser à peu près complètement par chauffage au-dessus du point d'ébullition, de préférence sans craquage ni décomposition, autrement dit, il ne doit laisser pratiquement aucun résidu. De plus, il doit brûler facilement en donnant des produits non toxiques. Le composé hydroxylé organique doit être à peu près exempt d'eau et de préférence quasiment non hygroscopique.
Ces composés organiques sont des polymères de composés aromatiques ou aliphatiques hydroxylés tels que les phénols, les alcools substitués. Les groupes oxyalcoylènes peuvent être C2.H4O, C3H6O, C4H8O, etc., mais de préférence C2H4O et C3HGO. Parmi les produits typiques utilisés, on peut citer: les polypropylènediols, les polypropylènethiols, les produits d'addition du nonylphénol et de l'oxyde d'éthylène et les alcools supérieurs polyéthoxylés. Si on le désire, on peut ajouter un fondant à la suspension pour le brasage sans atmosphère protectrice.
L'alliage à braser et le composé organique sont mélangés de façon à former une suspension. On emploie 3 à 10 % en poids du composé organique dans ce mélange. Quand on brase de la grenaille, il est préférable d'utiliser 3 à 6 % en poids de composés organiques et, si l'on brase d'autres articles, tels que des tôles, des plaques ou bien des tubes à des collecteurs, etc., il est préférable d'en employer 6 à 10 %. On mélange intimement le composé organique et l'alliage à braser de façon à obtenir une suspension ayant la consistance désirée. On peut employer une solution moins consistante si l'on désire appliquer par peinture ou projection la suspension sur les surfaces métalliques à braser.
On peut facilement réduire la consistance en faisant varier la proportion de composés organiques et/ou en utilisant un solvant volatil à la température ambiante. En variante, la suspension peut être mise sous forme pâteuse ou visqueuse en utilisant une moindre quantité de composés organiques et/ou de solvant. On peut obtenir toute consistance désirée, suivant l'usage final, en restant toujours entre les limites indiquées ci-dessus des proportions de composé organique par rapport à l'alliage à braser. On applique ensuite la suspension sur les surfaces à braser et on réalise un assemblage en plaçant les surfaces à assembler en contact intime en intercalant la suspension. On chauffe ensuite l'ensemble à une température supérieure au point de fusion de l'alliage à braser, ce qui volatilise effectivement le composé organique et fond l'alliage à braser sur les surfaces à assembler.
La durée de chauffage à cette température est comprise entre 3 et 15 mn, de préférence.
En variante, si l'on veut braser de la grenaille on peut revêtir celle-ci avec la suspension, placer la grenaille ainsi revêtue dans le moule ou montage désiré et chauffer comme ci-dessus.
On refroidit ensuite l'ensemble de façon à obtenir un ensemble brasé et lié solidement.
La présente invention sera mieux comprise en étudiant les exemples ci-après.
Exemple 1
Cet exemple décrit le brasage d'une grenaille. On utilise quatre types de grenailles différentes: du cuivre de pureté industrielle passant au tamis de mailles de 1,17mm et ne passant pas au tamis de mailles de 0,833 mm; du cuivre de pureté industrielle passant au tamis de 0,246 mm mais ne passant pas au tamis de 0,175 mm; de l'acier inoxydable 304 (chrome 10 nickel 10 %) passant au tamis de mailles de 1,17 mm mais ne passant pas au tamis de mailles de 0,833 mm; et de l'acier inoxydable 304 passant au tamis de 0,246mm mais ne passant pas au tamis de 0,175 mm. La grenaille de cuivre utilisée comme alliage à braser est en un alliage à base de cuivre ayant une teneur en phosphore d'environ 8 %.
L'acier inoxydable utilisé comme alliage à braser est constitué par un alliage à base de nickel contenant: 0,36 % de carbone, 0,5 % de silicium, 0,2 % de fer, 2,9 t0 de bore, le reste étant du nickel.
La grenaille à braser est introduite dans un tonneau en même temps qu'une charge de polypropylènediol ayant une masse moléculaire nominale de 1000 et une viscosité de 75 centistokes à 380C. On utilise environ 4 mi de propylène glycol par kilo de grenaille. La grenaille et le polypropylènediol sont mélangés pendant environ 6 mn de façon à mouiller à fond la grenaille avec le polypropylènediol. On ajoute ensuite la poudre à braser dans les proportions ci-après: la poudre d'alliage à braser à base de nickel est ajoutée dans la proportion de 6 % en poids de la grenaille; et la poudre d'alliage à braser à base de nickel est ajoutée dans la proportion de 10 % en poids de la grenaille. L'alliage à braser est ajouté progressivement tout en ajoutant le mélange de polypropylènediol et de grenaille dans le tonneau.
On continue à agiter jusqu'à ce que les matières soient mélangées à fond. Le mélange ainsi obtenu est introduit dans un moule ayant la forme désirée puis placé dans un four à atmosphère protectrice. Ce four est chauffé à une température supérieure à 5380 C pendant 3 à 15 mn, la masse chaude est retirée du four et refroidie à la température ambiante. On obtient ainsi une matière poreuse bien liée et perméable à l'air ou aux gaz.
Exemple 2
Cet exemple décrit un brasage réalisé en appliquant la suspension à braser par peinture, aspersion ou extrusion sur les points d'assemblage, dans le cas de l'assemblage d'enveloppes, de tubes à un collecteur, etc.
On utilise dans cet exemple les mêmes matières que dans l'exemple 1, autrement dit les articles à braser sont du cuivre de pureté industrielle et de l'acier inoxydable 304, les alliages à braser et le composé organique hydroxylé étant les mêmes.
On mélange intimement la poudre d'alliage à braser et le polypropylènediol en utilisant 6 à 10 % en poids de diol par rapport à la poudre d'alliage à braser. Les matières de départ sont mélangées à fond de façon à obtenir une pâte d'une consistance telle qu'elle ne s'écoule pas si elle est appliquée sur une surface verticale. Le mélange obtenu est stable à la conservation.
Juste avant l'emploi, on ajoute de l'acétone comme solvant, dans la proportion nécessaire pour obtenir un mélange suffisamment fluide pour être mis en oeuvre.
On applique ce mélange sur l'assemblage à braser, par exemple des tubes de cuivre à assembler à un collecteur en cuivre. L'acétone s'évapore presque immédiatement, laissant une pâte suffisamment épaisse pour rester en place. On place l'ensemble dans un four à atmosphère protectrice, le chauffe au-dessus de 5380 C et le maintient à cette température pendant 3 à 15 mn. On retire la matière du four et la refroidit à la température ambiante. L'assemblage obtenu est très solide.
Suspension to be used for brazing metal objects and its use
According to the current technique, the surfaces of copper and ferrous metals are brazed using a coating or a thin film of an alloy to be brazed. This solder alloy is generally in the form of powder or flakes mixed in a vehicle. The alloy suspension to be brazed in the vehicle is applied to the surface to be brazed and the surface thus covered is heated to the brazing temperature for the time required.
The main purpose of the vehicle is to obtain a convenient suspension of solder alloy to enable it to be easily applied to the solder surface. In addition, the vehicle must be chosen so as to allow the suspension to easily adhere to the surfaces to be brazed.
For example, rolled copper or copper alloy parts can be brazed using a film or thin coating of a copper-based alloy containing a high proportion of phosphorus in a vehicle consisting of a methacrylate-based resin. polymerized.
The prior art methods were not entirely satisfactory. For example, these methods are often expensive and inconvenient to use. Often the solder alloy-vehicle mixture must be used immediately and cannot be set aside. Under the right conditions, the solder-vehicle mixture often dries to form a crumbly or sticky solid mass of inconvenient use.
These methods have other disadvantages such as, for example, the fact that conventional vehicles often leave unwanted residues on the brazed surfaces.
The object of the present invention is therefore to provide a convenient and easy-to-use solder slurry, usable, for example, for brazing surfaces of copper and ferrous metals, easy to use, inexpensive, keeps well and leaves no residue. troublesome on brazed surfaces.
Other advantages of the suspension according to the invention will appear below.
The brazing suspension according to the invention consists of a mixture of brazing alloy powder melting above 5380 C, in the form of particles of dimensions less than or equal to 175 microns, mixed at 3 to 10 / o by weight of a hydroxylated polyoxyalkylene or polythioalkylene thiol, practically free of water, boiling between 260 and 5400 C and having a molecular weight greater than 200 (preferably between 900 and 1400). Optionally, a solvent volatile at room temperature, such as acetone or methyl ethyl ketone, can be added to obtain the desired consistency for the intended use; this solvent must be compatible with the polyoxyalkylene or polythioalkylene compound and must evaporate after application of the mixture to the surfaces to be assembled.
The present invention also relates to the use of said suspension. characterized in that the metal surfaces to be assembled are chosen from the group formed by copper, copper-based alloys and ferrous alloys, said suspension is applied to these surfaces which are placed in intimate contact, and heated the assembly thus carried out at a temperature above the boiling point of the polyoxyalkylene or polythioalkylene compound and at the melting point of the suspension but below the melting point of the metal surfaces and the assembly is cooled.
The suspension according to the present invention has many important advantages. First, the suspension is in the form of a viscous liquid easy to apply to the surfaces to be brazed. Frequently used in the prior art was a suspension which transformed on drying into an uncomfortable friable solid. In addition, the suspension according to the invention keeps well. It can be stored easily for several days and even longer without risk of deterioration. This suspension is easy to prepare in a barrel or drum without the risk of damaging or fouling the equipment. Importantly, the hydroxyl compound does not leave unwanted residues on the brazed assembly.
In the use of the suspension according to the present invention, the surfaces to be brazed are copper or alloys based on copper or iron. Obviously, the particular surface to be brazed will depend on the use chosen for the components. Very pure copper or copper-based alloys can be used, such as those containing nickel, iron, phosphorus, manganese, magnesium, aluminum, etc. Any ferrous alloy can be used, such as stainless steel or iron-based alloys containing silicon, manganese, phosphorus, chromium, nickel, etc.
The surfaces to be assembled can be in any form, for example in the form of sheets or plates, tapes, angles, tubes or bars. A preferred mode of use is to use the braze slurry to bind copper powder or shot. Therefore, in accordance with this preferred mode of use, copper powder or shot is coated with the suspension to be brazed, the shot thus coated is brazed in a mold or part having the desired shape and the mold or the mold is heated. part at a temperature above the boiling point of the hydroxyl compound as well as the melting point of the alloy to be brazed, but below the melting point of the surfaces to be assembled, so that the shot or powder is transformed by brazing into a coherent and solid mass.
The brazing conditions can of course be varied to give the mass thus bonded an appropriate porosity, in other words the bonded particles are generally bonded at separate locations and not bonded at other places.
The alloy to be brazed must be in powder form and melt at a temperature above 5380 C. Obviously, any brazing alloy suitable for brazing the chosen metal surfaces can be used without difficulty. We can cite, by way of example of alloys to be brazed: phosphor bronze containing between 5 and 15% of phosphorus, copper-based alloys containing elements such as manganese and nickel, alloys based on nickel for brazing steels and copper of industrial purity for brazing steels, but this list is not exhaustive.
The amount of alloy to be brazed will obviously vary between wide limits depending on the intended application.
When brazing large-sized sheets, a small proportion of the alloy to be brazed relative to the weight of the sheet is used and when brazing small parts, the proportion of alloy to be brazed used is greater. If a powder or shot is brazed, preferably 4 to 15% by weight of this shot is used.
The particle sizes of the powdered solder alloy are less than or equal to 175 microns and preferably less than or equal to 147 microns. A powder containing rather coarse particles, for example between 147 and 175 microns, can be used satisfactorily although it is more difficult to use.
The hydroxylated polyoxyalkylene or polythioalkylene thiol has a molecular mass generally less than 4000 and preferably between 900 and 1400; it boils between 260 and 5400 C. This organic compound will preferably have a viscosity of between 50 and 125 centistokes at 380 C and should volatilize almost completely on heating above the boiling point, preferably without cracking or decomposition in other words, it should leave virtually no residue. In addition, it must burn easily, giving non-toxic products. The organic hydroxy compound should be substantially free of water and preferably substantially non-hygroscopic.
These organic compounds are polymers of hydroxylated aromatic or aliphatic compounds such as phenols, substituted alcohols. The oxyalkylene groups can be C2.H4O, C3H6O, C4H8O, etc., but preferably C2H4O and C3HGO. Typical products used include: polypropylenediols, polypropylenethiols, adducts of nonylphenol and ethylene oxide and polyethoxylated higher alcohols. If desired, a flux can be added to the suspension for brazing without a protective atmosphere.
The alloy to be brazed and the organic compound are mixed to form a suspension. 3-10% by weight of the organic compound is used in this mixture. When brazing shot, it is preferable to use 3 to 6% by weight of organic compounds and, if brazing other items, such as sheets, plates or tubes to manifolds etc. ., it is preferable to use 6 to 10%. The organic compound and the alloy to be brazed are intimately mixed so as to obtain a suspension having the desired consistency. A less consistent solution can be used if it is desired to apply the suspension by painting or spraying onto the metal surfaces to be brazed.
The consistency can easily be reduced by varying the proportion of organic compounds and / or by using a solvent which is volatile at room temperature. Alternatively, the suspension can be made into a pasty or viscous form using a smaller amount of organic compounds and / or solvent. Any desired consistency can be obtained, depending on the end use, always remaining within the limits indicated above of the proportions of organic compound relative to the alloy to be brazed. The suspension is then applied to the surfaces to be brazed and an assembly is carried out by placing the surfaces to be assembled in intimate contact by interposing the suspension. The assembly is then heated to a temperature above the melting point of the alloy to be brazed, which effectively volatilizes the organic compound and melts the alloy to be brazed on the surfaces to be assembled.
The heating time at this temperature is preferably between 3 and 15 minutes.
As a variant, if it is desired to braze the shot, it is possible to coat the latter with the suspension, place the shot thus coated in the desired mold or assembly and heat as above.
The assembly is then cooled so as to obtain a brazed and firmly linked assembly.
The present invention will be better understood by studying the examples below.
Example 1
This example describes the brazing of a shot. Four different types of shot are used: copper of industrial purity passing through a sieve with a mesh of 1.17 mm and not passing through a sieve with a mesh of 0.833 mm; copper of industrial purity passing through a 0.246 mm sieve but not passing through the 0.175 mm sieve; 304 stainless steel (10% chromium nickel) passing through the 1.17 mm mesh screen but not passing through the 0.833 mm mesh screen; and 304 stainless steel passing through the 0.246mm screen but not passing through the 0.175mm screen. The copper shot used as the solder alloy is a copper-based alloy having a phosphorus content of about 8%.
The stainless steel used as an alloy to be brazed consists of a nickel-based alloy containing: 0.36% carbon, 0.5% silicon, 0.2% iron, 2.9 t0 boron, the rest being nickel.
The solder shot is introduced into a barrel along with a charge of polypropylene diol having a nominal molecular weight of 1000 and a viscosity of 75 centistokes at 380C. About 4 ml of propylene glycol are used per kilogram of shot. The shot and the polypropylene diol are mixed for approximately 6 minutes so as to thoroughly wet the shot with the polypropylene diol. The brazing powder is then added in the following proportions: the nickel-based brazing alloy powder is added in the proportion of 6% by weight of the shot; and the nickel-based solder alloy powder is added in the amount of 10% by weight of the shot. The solder alloy is gradually added while adding the mixture of polypropylene diol and shot to the barrel.
Stirring is continued until the materials are thoroughly mixed. The mixture thus obtained is introduced into a mold having the desired shape and then placed in an oven with a protective atmosphere. This oven is heated to a temperature above 5380 C for 3 to 15 minutes, the hot mass is removed from the oven and cooled to room temperature. This gives a porous material that is well bonded and permeable to air or gases.
Example 2
This example describes a brazing carried out by applying the suspension to be brazed by painting, spraying or extrusion on the assembly points, in the case of the assembly of envelopes, tubes to a manifold, etc.
The same materials are used in this example as in Example 1, in other words the articles to be brazed are copper of industrial purity and stainless steel 304, the alloys to be brazed and the organic hydroxyl compound being the same.
The solder alloy powder and the polypropylene diol are intimately mixed using 6 to 10% by weight of diol based on the alloy powder to be soldered. The starting materials are mixed thoroughly so as to obtain a paste of a consistency such that it does not flow if applied to a vertical surface. The mixture obtained is stable on storage.
Just before use, acetone is added as solvent, in the proportion necessary to obtain a sufficiently fluid mixture to be used.
This mixture is applied to the assembly to be brazed, for example copper tubes to be assembled to a copper manifold. The acetone evaporates almost immediately, leaving a paste thick enough to sit in place. The whole is placed in an oven with a protective atmosphere, the heat above 5380 C and maintained at this temperature for 3 to 15 minutes. The material is removed from the oven and cooled to room temperature. The assembly obtained is very solid.