ES2358656A1 - Nuevas composiciones de vidrio y procedimiento para realizar una union vidrio-metal. - Google Patents
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Abstract
Nuevas composiciones de vidrio y procedimiento
para realizar una unión vidrio-metal, donde el nuevo
vidrio comprende:
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\vskip1.000000\baselineskip
en función de los requerimientos necesarios,
destacando por su importancia el coeficiente de dilatación térmica,
de manera que este coeficiente de dilatación térmica es ajustado
para que coincida con el de la parte metálica o aleación con la que
se quiere llevar a cabo la soldadura vidrio-metal,
lo que permite poder llevar a cabo de manera satisfactoria dicha
soldadura obteniéndose una unión vidrio-metal
fuerte, libre de tensiones y duradera en el tiempo que pueda ser
empleada entre otras para la obtención de partes que forman parte de
colectores solares.
Description
Nuevas composiciones de vidrio y procedimiento
para realizar una unión vidrio-metal.
Nuevas composiciones de vidrios, cuyos
coeficientes de dilatación puedan ser seleccionados de manera que
puedan ser empleados como vidrios de soldadura para uniones
vidrio-metal, tales como las que presentan los tubos
de colectores solares.
Las uniones vidrio-metal se
emplean actualmente en una gran variedad de campos tecnológicos
tales como los de la industria electrónica, eléctrica, médica, etc.
Estas uniones son especialmente útiles para dispositivos que tengan
que trabajar en condiciones de vacío, ya que las uniones formadas
entre el vidrio y el metal son bastante fuertes y estancas. Las
propiedades de estas uniones vidrio-metal radican en
las buenas características estructurales de los materiales que las
componen, su alto poder aislante, su inalterabilidad química y su
impermeabilidad tanto a sólidos, líquidos y gases.
Estos tipos de uniones han sido desarrolladas
recientemente para partes de tubos de colectores solares, lo que
exige una durabilidad en el tiempo soportando tanto las inclemencias
meteorológicas (cambios de temperatura entre el día y la noche,
entre estaciones), esfuerzos mecánicos y térmicos, temperaturas de
trabajo de hasta 400ºC y completa estanqueidad.
Existen varios tipos de uniones
vidrio-metal:
1. Uniones en las que coinciden los coeficientes
de dilatación: Uniones donde el coeficiente de dilatación y
contracción del vidrio y el metal son similares, de manera que las
uniones resultantes presentan unas tensiones que se encuentran
dentro de un límite seguro, tanto durante la elaboración de la unión
como a lo largo de la vida útil del dispositivo.
2. Uniones en las que no coinciden los
coeficientes de dilatación: Uniones donde el coeficiente de
dilatación y contracción del vidrio y los del metal difieren
considerablemente, de forma que las tensiones que resultan de esta
unión se palían empleando:
- -
- Metales de diámetro pequeño, dando lugar a las denominadas uniones de compresión.
- -
- Metales dúctiles que amortiguan parte de las tensiones generadas.
- -
- Vidrios intermedios, de manera que se van ajustando los coeficientes de dilatación de forma que la última unión entre el vidrio y el metal será del primer tipo.
3. Uniones de soldadura, en las cuales la parte
metálica se suelda a una capa de metal que ha sido previamente
depositada en la superficie del vidrio por alguno de los diferentes
métodos que existen.
4. Uniones mecánicas entre el vidrio y el
metal.
\vskip1.000000\baselineskip
Actualmente la mayoría de las uniones
vidrio-metal se obtienen por los dos primeros
métodos.
Las condiciones más importantes para que se
produzca la unión vidrio-metal son las siguientes:
que exista una buena adherencia entre los materiales a unir, que los
coeficientes de dilatación sean compatibles y que la temperatura de
reblandecimiento del vidrio empleado sea relativamente baja y que
esta temperatura de trabajo no afecte a los materiales a unir.
Uno de los elementos fundamentales de las
plantas de energía solar basadas en colectores cilindros parabólicos
(CCP) es el tubo absorbedor y aunque en la actualidad se están
desarrollado y mejorando el funcionamiento de dichas plantas de
energía solar de manera que se genera energía de una manera cada vez
más eficiente y respetuosa con el medio ambiente, debido al elevado
coste de los dispositivos que las componen, sobre todo los tubos
absorbedores, el tiempo de vida útil debe prolongarse lo máximo
posible (10-20 años).
El tubo absorbedor está formado por dos tubos
dispuestos de manera concéntrica, un tubo de vidrio dispuesto en la
parte exterior y otro metálico colocado en la parte interna, por el
que circula un líquido, generalmente un aceite sintético, que se
calienta por efecto de los rayos solares hasta aproximadamente
400ºC. Este líquido tras una serie de procesos produce un vapor
sobrecalentado que finalmente se transforma en energía
eléctrica.
Los dos tubos que forman parte del tubo
absorbedor están separados por una cámara de vacío y, a su vez,
están unidos mediante una unión vidrio-metal. Debido
a las grandes dimensiones y peso del tubo absorbedor (4 metros de
longitud y 100 mm de diámetro aproximadamente), junto con la
naturaleza vítrea del tubo exterior y con que estos dispositivos se
sitúan al aire libre y están supeditados a experimentar las
inclemencias meteorológicas (granizo, lluvia, erosión de partículas
de polvo, etc.) hacen que la unión vidrio-metal sea
una de las partes más importantes y débiles del colector cilindro
parabólico. Además el sellado entre los dos tubos debe ser hermético
y mantenerse el vacío de manera que se minimicen las pérdidas de
calor y se optimice la generación de energía.
Los primeros intentos para la obtención de este
tipo de uniones vidrio-metal presentes en los
colectores solares se hicieron con una aproximación del método
HouseKeeper donde se empleaba una lámina fina de cobre y un vidrio
cuyos coeficientes de dilatación diferían considerablemente. El
metal era adelgazado para facilitar la formación de la unión
vidrio-metal y posteriormente el vidrio era
calentado de manera que el metal podía ser introducido dentro.
Debido al pequeño espesor del metal y a la naturaleza dúctil del
cobre las tensiones generadas debido a las diferencias entre los
coeficientes de dilatación se minimizaban y se obtenía una unión
vidrio-metal satisfactoria.
Debido a la naturaleza y el espesor del metal
empleado, éste era capaz de soportar las tensiones generadas durante
el enfriamiento de la pieza así como durante la vida útil del
dispositivo. Sin embargo, este tipo de soldaduras
vidrio-metal no satisfacía completamente los
requerimientos de estos sistemas ya que eran la parte más débil de
dicho sistema y por lo tanto una de las partes a mejorar.
Posteriormente se introdujo un nuevo avance para
este tipo de sistemas, como es el que consiste en emplear un metal y
un vidrio cuyos coeficientes de dilatación sean muy semejantes de
manera que la unión sea mucho más fuerte que la conseguida mediante
el método HouseKeeper y por lo tanto la duración del sistema también
sea mucho mayor.
Actualmente a nivel comercial se emplea un
vidrio y una aleación metálica cuyos coeficientes de dilatación se
sitúan alrededor de 5 x 10^{-6} ºC^{-1}.
Los vidrios poseen numerosas cualidades que les
hacen ser apropiados en la industria de vacío, entre otras estas
ventajas son:
- -
- Son prácticamente impermeables a los gases.
- -
- De acuerdo con su composición química pueden transmitir selectivamente en varias longitudes de onda.
- -
- Presentan buenas propiedades de aislamiento eléctrico.
- -
- Se moldean fácilmente en la llama.
- -
- Mediante elección de una determinada composición química las propiedades del vidrio se pueden variar de manera que se pueden obtener vidrios cuyas propiedades coincidan con el metal deseado.
Es en esta línea en la que se desarrolla la
invención que a continuación se propone.
Es objeto de la presente invención describir una
nueva familia de composiciones de vidrio que puedan ser empleadas
para obtener uniones vidrio-metal. Las
características del vidrio serán diseñadas de manera que puedan
obtenerse vidrios que presenten unas propiedades, tales como
coeficiente de dilatación térmico y resistencia química, lo que
permita obtener uniones vidrio-metal donde los
coeficientes de dilatación térmica de ambas partes sean lo más
próximos posibles.
Se han intentado hacer variaciones de las
soluciones existentes, ampliando la selección de los metales o
aleaciones metálicas conocidas sobre los que puede llevarse a cabo
la soldadura, pero no se han encontrado metales o aleaciones que
permitan llevar a cabo dicha soldadura en mejores condiciones ya que
los coeficientes de dilatación difieren mucho. Por otro lado, podría
emplearse otro tipo de vidrio con un coeficiente de dilatación mayor
pero generalmente el aumento del coeficiente de dilatación en el
vidrio lleva asociado un detrimento de las propiedades al menos de
resistencia química.
Los vidrios que se emplean para uniones con
otros materiales se clasifican generalmente como vidrios
"duros" y "blandos" en función del
coeficiente de dilatación \alpha. Los vidrios duros tienen
coeficientes de dilatación bajos,
\alpha < 5 x 10^{-6} ºC^{-1}, mientras que los vidrios blandos tienen coeficientes de dilatación mayores, \alpha > 8 x 10^{-6} ºC^{-1}. En general, los vidrios con elevados coeficientes de dilatación tienen menores temperaturas de reblandecimiento y de trabajo, pero normalmente esto conlleva un detrimento de las propiedades químicas de dicho vidrio. Por lo tanto es también objeto de la presente invención que los vidrios diseñados presenten un coeficiente de dilatación \alpha \sim 5 x 10^{-6} ºC^{-1} y siempre éste sea < 8 x 10^{-6} ºC^{-1}.
\alpha < 5 x 10^{-6} ºC^{-1}, mientras que los vidrios blandos tienen coeficientes de dilatación mayores, \alpha > 8 x 10^{-6} ºC^{-1}. En general, los vidrios con elevados coeficientes de dilatación tienen menores temperaturas de reblandecimiento y de trabajo, pero normalmente esto conlleva un detrimento de las propiedades químicas de dicho vidrio. Por lo tanto es también objeto de la presente invención que los vidrios diseñados presenten un coeficiente de dilatación \alpha \sim 5 x 10^{-6} ºC^{-1} y siempre éste sea < 8 x 10^{-6} ºC^{-1}.
Es también objeto de la presente invención,
diseñar nuevos vidrios cuyos coeficientes de dilatación se ajusten
lo máximo posible a la parte metálica o aleación metálica, de forma
que sea innecesario el empleo de vidrios intermedios, que encarecen
el proceso y limitan su industrialización. Además, estos vidrios
intermedios suelen presentar una resistencia química limitada, lo
que limita la durabilidad de los dispositivos obtenidos frente al
paso del tiempo y lo limita también para su empleo bajo ciertos
esfuerzos mecánicos o condiciones de trabajo.
Se selecciona como parte metálica o aleación
para ser unida al vidrio diseñado una aleación basada en hierro.
Esta aleación presenta además de hierro, níquel y cobalto, los
cuales hacen que esta aleación sea idónea para ser empleada en
uniones vidrio-metal con vidrios que presentan
coeficientes de dilatación como los que se describen en esta
patente.
Este tipo de aleaciones se desarrollaron
fundamentalmente para ser unidas con vidrios duros debido a los
problemas que presentaba trabajar con molibdeno y tungsteno que eran
los metales que tradicionalmente se empleaban debido a que los
coeficientes de dilatación térmica eran los más próximos para este
tipo de vidrios.
En la actualidad estas aleaciones se emplean
ampliamente para la fabricación de uniones
vidrio-metal para la obtención de uniones fuertes
donde se requieren condiciones de vacío o alto vacío como por
ejemplo en la fabricación de tubos de rayos X.
Dentro de estas aleaciones se selecciona la
conocida como Nilo-K (o con otros muchos nombres
tales como Kovar, Nicoseal, Nicosel, Rodar, Telcoseal, Sealvar,
Dilver, Pernifer 29-18, Alloy 29-17,
ASTM F 15, DIN 17745, AFNOR NF A54-301 y SEW 385)
que es una aleación ternaria que presenta un 29% de níquel, un 17%
de cobalto, <0.2% de silicio, < 0.3% manganeso, < 0.2% de
carbono y el resto hierro. Esta aleación presenta un coeficiente de
dilatación
\alpha \sim 5 x 10^{-6} ºC^{-1}.
\alpha \sim 5 x 10^{-6} ºC^{-1}.
En esta invención se propone una nueva familia
de composiciones de vidrio, cuyos coeficientes de dilatación puedan
ser diseñados de manera que se aproximen al de la parte metálica o
aleación con la que se quiere unir. El coeficiente de dilatación se
diseña en función de la composición de óxidos que forman parte de
dicho vidrio.
La mayoría de los metales o aleaciones empleados
en las uniones con vidrios presentan unas curvas de expansión
térmica muy diferentes a las características de los vidrios. Para
obtener una soldadura segura y exenta de tensiones los coeficientes
de dilatación entre el vidrio y el metal deben coincidir únicamente
en la región de temperatura inferior a la zona de transformación del
vidrio, de hecho, generalmente para temperaturas superiores, la
expansión térmica de ambas partes siempre difieren. La presente
invención recoge una familia de vidrios compuestos fundamentalmente
y de forma mayoritaria por la siguiente relación de óxidos:
SiO_{2}, B_{2}O_{3}, Al_{2}O_{3}, Na_{2}O, K_{2}O,
CaO, MgO, ZnO y en menor proporción, < 1%, por otros óxidos que
pueden estar presentes en las materias primas como impurezas
(TO_{2}, Fe_{2}O_{3}, Cr_{2}O_{3}, etc.) u otro tipo de
compuestos que pueden ser empleados como afinantes químicos durante
el proceso del elaboración del vidrio.
La familia de vidrios de la presente invención
esta compuesta por unas proporciones, expresadas en óxidos como las
que se muestran a continuación:
La presente invención también recoge unas nuevas
composiciones de vidrio que pueden ser empleadas en la elaboración
de uniones vidrio-metal presentes por ejemplo en
tubos para colectores solares. Dichas composiciones presentan unos
coeficientes de dilatación comprendidos entre 3 y 8 x10^{-6}
ºC^{-1}.
Se ha aumentado la cantidad de CaO con respecto
a otras familias de vidrios anteriormente descritas lo que ha
rebajado la temperatura de trabajo del vidrio y por lo tanto ha
reducido los costes durante la elaboración del vidrio. Además,
aunque la temperatura de manufactura del vidrio ha sido reducida
este resultado no ha sido en detrimento de las propiedades químicas
del vidrio así obtenido.
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se va a describir como sería una de las
composiciones preferentes así como el procedimiento para llevar a
cabo la unión, también según una realización preferente.
La composición preferida de esta familia de
vidrios consiste en: 74.2% SiO_{2}, 8.56% B_{2}O_{3}, 5.72%
Al_{2}O_{3}, 5.63% Na_{2}O, 2.13% K_{2}O, 3.57% CaO. La
composición preferida presenta un coeficiente de dilatación de 5.3 x
10^{-6} ºC^{-1}, esta propiedad ha podido ser ajustada mediante
un cálculo teórico previo de las composiciones en óxidos presentes
en el vidrio. La resistencia hidrolítica, entendiéndose por
resistencia hidrolítica la ofrecida por el vidrio a la cesión de
sustancias minerales solubles en agua, a 98ºC de este vidrio ha sido
evaluada empleando la ISO 719, resultando ser HGB 1. También ha sido
evaluada la resistencia hidrolítica a 121ºC según la ISO 720
resultando ser HGA 1.
En cuanto al procedimiento de realización de la
unión, éste implica una seria de etapas que deben ser realizadas de
forma continua sin intervalos de tiempo muerto entre ellas. Las
etapas son las siguientes: a) Preparación del metal, b) soldadura
metal-vidrio y c) eliminación de tensiones.
A continuación se describe cada etapa del
proceso.
a) Preparación del metal:
- -
- En primer lugar debe llevarse a cabo una limpieza y desengrasado de dicho metal.
- -
- Posteriormente debe llevarse a cabo una oxidación superficial de dicha parte metálica para promover una mejor adherencia con el vidrio en la unión vidrio-metal. Esta oxidación debe efectuarse entre 850 y 900ºC, en atmósfera de aire, hasta que se aprecia que la parte metálica presenta una coloración rojiza.
b) Soldadura metal-vidrio:
- -
- Tras efectuar la oxidación del metal se lleva a cabo el calentamiento de la parte del vidrio a unir al metal hasta que se alcanza una temperatura superior a su temperatura de reblandecimiento.
- -
- Una vez alcanzada la temperatura de reblandecimiento se aproximan las dos partes de manera que el vidrio y el metal quedan adheridos formando una unión vidrio-metal con unas propiedades apropiadas y suficientes para el fin perseguido.
c) Eliminación de tensiones:
- -
- Una vez efectuada la unión vidrio-metal se realizará un tratamiento térmico que eliminará las tensiones presentes tanto en el vidrio como en la unión vidrio-metal.
- -
- Cuando el tratamiento térmico haya finalizado se observará que el metal presenta una coloración de grisácea, no siendo deseada una coloración negra en el metal que podría estar indicando una sobreoxidación del mismo. Si esta sobreoxidación se hubiera producido podría provocar una menor adherencia entre el vidrio y el metal, lo que disminuiría tanto la fortaleza como la durabilidad de la unión y por lo tanto del dispositivo.
Claims (3)
1. Nuevas composiciones de vidrio para formar
uniones vidrio-metal caracterizada porque
comprende.
permitiendo ajustar propiedades
como el coeficiente de dilatación térmica de manera que se aproxime
lo máximo posible al coeficiente del metal al que se va a
unir.
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2. Nuevas composiciones de vidrio para uniones
vidrio-metal según reivindicación 1
caracterizada porque existe un vidrio preferido de
composición 74.2% SiO_{2}, 8.56% B_{2}O_{3}, 5.72%
Al_{2}O_{3}, 5.63% Na_{2}O, 2.13% K_{2}O, 3.57% CaO que
cuenta con propiedades óptimas para su utilización en la formación
de uniones para tubos absorbedores de energía solar.
3. Procedimiento para realizar una unión
vidrio-metal donde el vidrio pertenece a la familia
de composiciones descrita en la primera reivindicación,
caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- -
- Limpieza y desengrasado del metal.
- -
- Oxidación superficial de dicha parte metálica para promover una mejor adherencia con el vidrio en la unión vidrio-metal. Esta oxidación debe efectuarse entre 850 y 900ºC, en atmósfera de aire, hasta que se aprecia que la parte metálica presenta una coloración rojiza.
- -
- Calentamiento de la parte vítrea hasta que se alcanza una temperatura superior a su temperatura de reblandecimiento.
- -
- Aproximación de las dos partes hasta su contacto, de manera que el vidrio y el metal quedan adheridos formando una unión vidrio-metal con unas propiedades apropiadas y suficientes para la aplicación perseguida.
- -
- Tratamiento térmico a la unión vidrio-metal obtenida y que eliminará las tensiones presentes tanto en el vidrio como en la unión vidrio-metal. Al finalizar el tratamiento térmico el metal presentará una coloración grisácea.
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