ES2835378T3

ES2835378T3 - Elemento de liberación que incluye acero inoxidable para ser utilizado en plantillas de unión por difusión

Info

Publication number: ES2835378T3
Application number: ES18789305T
Authority: ES
Inventors: Yoshiaki Hori; Kazunari Imakawa
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: SG11201902184PA; US10695874B2; EP3567127B8; EP3567127A1; KR20190109225A; MY194076A; EP3567127B1; EP3567127A4; CN110494580A; WO2019176073A1; KR102220875B1; US20190283189A1

Abstract

Elemento de liberación que incluye acero inoxidable para una plantilla de unión por difusión que tiene una excelente capacidad de supresión de las deformaciones y de liberación, siendo el material un acero inoxidable que contiene el 1,5 % en masa o más, de Si, y siendo una relación (Fr/Fp) de la resistencia a las temperaturas altas (Fr) del acero inoxidable a 1000 °C con respecto a la resistencia a las temperaturas altas (Fp) de un elemento de unión a 1000 °C, de 0,9 o más, en el que la relación (Fr/Fp) se determina mediante el procedimiento de medición descrito en la descripción, debiendo ser unido el elemento de unión a unir mediante unión por difusión, en el que el acero inoxidable contiene C: 0,1 % en masa o menos, Si: entre 1,5 y 5,0 % en masa, Mn: 2,5 % en masa o menos, P: 0,06 % en masa o menos, S: 0,02 % en masa o menos, Ni: entre 8,0 y 15,0 % en masa, Cr: entre 13,0 y 23,0 % en masa, N: 0,2 % en masa o menos, en el que el acero inoxidable contiene, además, uno o varios seleccionados del grupo que consiste en Mo: 3,0 % en masa o menos, Cu: 4,0 % en masa o menos, Nb: 0,8 % en masa o menos, Ti: 0,5 % en masa o menos, V: 1,0 % en masa o menos, y B: 0,02 % en masa o menos, y/o el acero inoxidable contiene, además, uno o varios seleccionados del grupo que consiste en Al: 0,2 % en masa o menos, REM: 0,2 % en masa o menos, Y: 0,2 % en masa o menos, Ca: 0,1 % en masa o menos, y Mg: 0,1 % en masa o menos, y los restos son Fe e impurezas inevitables.

Description

DESCRIPCIÓN

Elemento de liberación que incluye acero inoxidable para ser utilizado en plantillas de unión por difusión SECTOR TÉCNICO

La presente invención hace referencia a un elemento de liberación adecuado para un procedimiento de fabricación en el que se utiliza unión por difusión.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Existen diversos tipos de intercambiadores de calor. Entre estos, los intercambiadores de calor de tipo de placas (intercambiadores de calor de placas planas), que tienen un alto rendimiento de intercambio de calor y se pueden instalar y mantener fácilmente, son ampliamente utilizados para calentadores de agua eléctricos, equipos industriales, acondicionadores de aire de automóviles y otros. Un intercambiador de calor de tipo de placas tiene una pluralidad de placas metálicas delgadas dispuestas en capas, configura das de manera que las trayectorias para los medios de alta y baja temperatura se formen de manera alterna y adyacentes entre las placas dispuestas en capas, para permitir el intercambio de calor entre los medios de alta y baja temperatura a través de cada placa.

Como procedimientos para ensamblar una pluralidad de placas dispuestas en capas, el documento de Patente 1 describe, por ejemplo, procedimientos de unión tales como sellado con una junta de estanqueidad y un tornillo, soldadura por arco (welding, en inglés) y soldadura fuerte (brazing, en inglés). Para intercambiadores de calor de tamaño entre pequeño y mediano, las operaciones de unión a menudo se realizan mediante soldadura fuerte, con vistas a una resistencia a la presión. No obstante, los intentos de disponer en capas y unir placas corrugadas mediante soldadura fuerte pueden resultar en defectos de unión inherentes a los materiales de la soldadura fuerte, tales como la erosión que se produce tras la unión, grietas en partes soldadas y trayectorias de flujo enterradas con una masa fundida de la soldadura fuerte.

En consecuencia, se ha considerado la utilización del procedimiento de unión por difusión para sustituir al procedimiento de soldadura fuerte. La unión por difusión es un procedimiento de unión que aprovecha la interdifusión de átomos de un material base que se produce en una interfaz de unión a alta temperatura y alta presión, al vacío o en una atmósfera inerte. Se puede obtener una zona unida por difusión que tiene dicha resistencia y resistencia a la corrosión comparables a las del material base.

La unión por difusión se realiza disponiendo capas y prensando los elementos de unión con un medio de presurización, y manteniendo el estado presurizado durante un período de tiempo predeterminado. Un elemento de liberación, tal como una placa de cubierta y un separador, puede estar intercalado entre un elemento de unión y un medio de presurización cuando se realiza la unión por difusión. Dicho elemento de liberación puede estar fabricado de carbono, porque se requieren propiedades de resistencia térmica y antirrotura a una cierta temperatura durante la unión por difusión. Por ejemplo, el Documento de Patente 2 describe un medio de unión por difusión en el que se utiliza una lámina elástica de carbono.

Documento de Patente 1: Solicitud de Patente japonesa no examinada, Publicación N° 2010-85094 Documento de Patente 2: Solicitud de Patente japonesa no examinada, Publicación N° 2014-128815

En el Documento de Patente WO2016/039429 A1 se da a conocer un ejemplo de una placa de acero austenítico. CARACTERÍSTICAS DE LA INVENCIÓN

Problemas que debe resolver la invención

Mientras tanto, una placa de acero inoxidable, que tiene una excelente resistencia a la corrosión, se utiliza como placa metálica, con vistas a una mayor durabilidad de un intercambiador de calor. Cuando los elementos de placa de acero inoxidable están dispuestos en capas y unidos por difusión utilizando elementos de liberación que incluyen carbono, que están dispuestos adyacentes a los elementos de placa, el acero inoxidable puede reaccionar con el carbono. Esto puede complicar la liberación de un elemento de liberación de un elemento de placa tras la finalización del tratamiento de unión por difusión, lo que tiene como resultado una menor capacidad de liberación de ambos elementos. De manera desventajosa, la resistencia a la corrosión de los elementos de placa puede disminuir también debido a la carburación, en la que el carbono penetra en el acero inoxidable, o la rugosidad de la superficie de los elementos de placa puede aumentar, teniendo como resultado una textura superficial deteriorada.

Además, las placas como elementos de unión son mantenidas a alta presión y alta temperatura, porque la unión por difusión requiere que los elementos de unión sean presurizados y calentados con un dispositivo de prensado en caliente y otros. Además, un elemento de placa para formar una trayectoria de flujo en el cuerpo principal de un intercambiador de calor tiene una parte de una superficie no adherida al lado de la trayectoria del flujo y, por lo tanto, tiene un grado relativamente pequeño de restricción por el entorno en comparación con otros elementos de la placa (véase la figura 3 (A)). Por lo tanto, se puede producir una deformación por calor en la que un elemento de placa se dilata hacia el lado de una trayectoria de flujo en la parte de la superficie no unida mediante calentamiento en un tratamiento de unión por difusión, por ejemplo, tal como se muestra en la figura 3 (B). De manera desventajosa, es posible que la parte deformada no pueda volver al estado original incluso después de haber sido enfriada tras la finalización del tratamiento de unión por difusión, dependiendo de la extensión de la dilatación térmica.

La presente invención se realiza con el fin de resolver los problemas mencionados anteriormente. Un objetivo de la presente invención es dar a conocer un elemento de liberación para una plantilla de unión por difusión, en el que se suprime la deformación de los elementos de unión aun manteniendo las propiedades de unión por difusión de los elementos de unión, y en el que la capacidad de liberación (capacidad de separación de un elemento de unión de un elemento de liberación) después del tratamiento de unión por difusión es excelente.

Medio para resolver los problemas

Los inventores de la presente invención se centraron en los materiales y en las propiedades de un elemento de liberación que hace contacto directo con un elemento de unión (elemento de placa). Los inventores de la presente invención descubrieron que el objetivo anterior se puede conseguir seleccionando, como material constituyente de un elemento de liberación, un material que no reacciona con un elemento de unión, y que es adecuado también para suprimir la deformación después de la unión por difusión. Por lo tanto, se ha completado la presente invención. Específicamente, la presente invención está definida en la reivindicación adjunta.

Efectos de la invención

La presente invención puede dar a conocer un elemento de liberación fabricado de acero inoxidable para una plantilla de unión por difusión, en el que la utilización de una combinación de elementos de unión y elementos de liberación que tienen las configuraciones mencionadas anteriormente puede suprimir la deformación de los elementos de unión mientras se mantienen las propiedades de unión por difusión de los elementos de unión, y puede proporcionar una capacidad de liberación excelente después del tratamiento de unión por difusión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 ilustra esquemáticamente una realización de los elementos de unión colocados en un dispositivo de prensado en caliente.

La figura 2 muestra patrones de calentamiento y enfriamiento en el tratamiento de unión por difusión utilizado en los ejemplos.

La figura 3 ilustra esquemáticamente un procedimiento para medir la cantidad de deformación, según los ejemplos. (A) un montaje de ensayo antes de la unión por difusión, y (B) elementos de placa deformados después de la unión por difusión.

La figura 4 ilustra esquemáticamente un procedimiento para medir la capacidad de liberación, utilizado en los ejemplos.

MODO PREFERENTE PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN

A continuación, se describirán las realizaciones de la presente invención. La presente invención no estará limitada a estas descripciones.

La presente realización hace referencia a una plantilla de unión por difusión para ser utilizada en un procedimiento de fabricación de un intercambiador de calor, incluyendo el procedimiento disponer en capas una pluralidad de elementos de unión fabricados de acero inoxidable y aplicar calor y presión para efectuar la unión por difusión de los elementos de unión. En el procedimiento de fabricación citado anteriormente, los elementos de liberación se disponen a ambos lados de los elementos de unión, y las plantillas de sujeción se disponen de manera que intercalen los elementos de unión a través de los elementos de liberación, y a continuación se presionan a través de las plantillas de sujeción con un dispositivo de presión, para permitir que los elementos de placa como los elementos de unión se unan por difusión, fabricando de este modo un intercambiador de calor. En la presente realización, un elemento de liberación de la plantilla de unión por difusión está dispuesto entre un elemento de placa y una plantilla de sujeción.

(Elemento de unión)

La figura 1 muestra la descripción general de los elementos de unión que van a ser sometidos a un tratamiento de unión por difusión. Como dispositivo para realizar la unión por difusión, se puede utilizar un dispositivo de prensado en caliente que puede aplicar calor y presión bajo una atmósfera predeterminada. Los elementos de unión (elementos de placa) que van a ser unidos por difusión se preparan como un laminado en el que una pluralidad de elementos de placa están dispuestos en capas y son cargados en un dispositivo de presurización y calentamiento. A continuación, los elementos de liberación son dispuestos para hacer contacto con ambos lados del laminado. La figura 1 muestra un ejemplo de un laminado 2 de placas en el que cuatro elementos de placa 1 están dispuestos en capas. Dentro de un dispositivo de presurización y calentamiento, cada una de las plantillas de sujeción 4 está dispuesta para hacer contacto con uno de los dos elementos de liberación 3 dispuestos en los lados exteriores de los laminados 2 de placas. Cada una de las plantillas de sujeción 4 están conectadas a un árbol de presurización 5 de un dispositivo de presión. Cuando se acciona un mecanismo de presurización (no mostrado), el laminado 2 de placas es presionado por las plantillas de sujeción 4 de una manera intercalada a través del árbol de presurización 5 para permitir que se aplique una presión predeterminada a los elementos de placa 1, y este estado presurizado es mantenido durante un período de tiempo predeterminado. El laminado 2 de placas que incluye los elementos de unión es calentado y presurizado en condiciones predeterminadas para efectuar la unión por difusión de los elementos de placa 1 en el interior del dispositivo de presurización y calentamiento, en los que se mantiene el vacío o una atmósfera inerte. Cabe señalar que el número de elementos de placa no está limitado a cuatro. Se pueden utilizar una pluralidad de laminados de placas para preparar un montaje en el que un elemento de liberación está dispuesto entre los laminados de placas respectivos, y a continuación se puede unir el montaje. Cabe señalar que los dos interiores de los elementos de placa 1 tienen un grosor mayor que los dos externos para formar una trayectoria de flujo (no mostrada) con los dos interiores, tal como se muestra en la figura 1. Además, la combinación de trayectorias de flujo no estará limitada a la configuración que se muestra en la figura 1.

El dispositivo de presión puede incluir simplemente un mecanismo de presurización tal como servo, resorte y peso. Se puede aplicar un agente de separación en la superficie de un elemento de liberación antes de la unión por difusión, de manera que el elemento de liberación pueda ser retirado fácilmente de un elemento de unión después de la unión por difusión.

En un intercambiador de calor que tiene una pluralidad de elementos de placa dispuestos en capas, un fluido pasa a través de trayectorias de flujo estrechas formadas por los elementos de placa, para permitir el intercambio de calor entre un fluido a alta y baja temperatura a través de cada elemento de placa. Por lo tanto, los elementos de placa deben tener una buena resistencia mecánica (resistencia a temperatura alta) y resistencia a la corrosión en un rango de temperaturas altas. A la vista de lo anterior, el acero inoxidable, que es excelente en resistencia térmica y durabilidad, se utiliza para los elementos de placa en la presente realización. Además, los elementos de placa se configuran preferentemente para tener la forma de una placa delgada con el fin de mejorar el rendimiento del intercambio de calor.

(Elemento de liberación)

En la presente realización, se utiliza un elemento de liberación tal como el definido en la reivindicación. Un elemento de liberación, que será colocado en un elemento de unión y será expuesto a alta temperatura y alta presión durante la unión por difusión, es necesario, por ejemplo, para mostrar una rotura y corrosión menos significativas a una temperatura alta, y no reaccionar con el elemento de unión. Un elemento de liberación, según la presente realización incluye, preferentemente, un acero que tenga un gran contenido de Si, con vistas a suprimir las reacciones con un elemento de unión.

(Contenido de Si)

El elemento de liberación, según la presente realización incluye un acero que tiene 1,5 % en masa o más, de Si. El Si es un elemento fácilmente oxidable y, por tanto, puede formar una película de óxido robusta sobre la superficie de un elemento de liberación. El material base del elemento de liberación es puesto en contacto con un elemento de unión a través de la película de óxido de Si. Esto puede inhibir una reacción en la interfaz entre el elemento de liberación y el elemento de unión. La formación de la película de óxido de Si puede suprimir la adhesión y las reacciones de interfase entre estos elementos y, por lo tanto, el elemento de liberación puede ser retirado fácilmente del elemento de unión con una pequeña fuerza de liberación después de completar el tratamiento de unión por difusión. La película de óxido de Si mencionada anteriormente puede inhibir también la penetración de ingredientes del elemento de liberación en el interior del elemento de unión, lo que permite mantener una buena resistencia térmica y a la corrosión del acero inoxidable en el elemento de unión, y permite mantener también una textura de superficie lisa. A la vista de lo anterior, el elemento de liberación está fabricado de un acero que tiene entre 1,5 % en masa y 5,0 % en masa de Si.

Incluso cuando se forma una película de óxido de Si sobre la superficie de un elemento de liberación, la película de óxido de Si puede ser destruida parcialmente debido a un cambio excesivo en la forma del elemento de liberación inducido por una carga externa, una dilatación o contracción térmica, y otros. Si esto ocurre, una parte del elemento de liberación puede ser puesta en contacto con un elemento de unión no a través de la película de óxido, teniendo como resultado una menor capacidad de liberación de estos elementos. A la vista de lo anterior, un elemento de liberación incluye preferentemente un acero que contiene Si a un cierto nivel o superior, para permitir que se forme una película de óxido estable y robusta.

Considerando la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión en entornos de temperatura alta, los aceros inoxidables a base de austenita, que tienen una excelente resistencia térmica, durabilidad, capacidad de conformación y otros, son adecuados para un material del elemento de liberación, según la presente realización. Específicamente, se utilizan aceros que tienen las siguientes composiciones.

(1) Un acero inoxidable que incluye C: 0,1 % en masa o menos, Si: entre 1,5 y 5,0 % en masa, Mn: 2,5 % en masa o menos, P: 0,06 % en masa o menos, S: 0,02 % en masa o menos, Ni: entre 8,0 y 15,0 % en masa, Cr: entre 13,0 y 23,0 % en masa, N: 0,2 % en masa o menos.

(2) Un acero inoxidable que incluye uno o varios seleccionados del grupo que consiste en Mo: 3,0 % en masa o menos, Cu: 4,0 % en masa o menos, Nb: 0,8 % en masa o menos, Ti: 0,5 % en masa o menos, V: 1,0 % en masa o menos, y B: 0,02 % en masa o menos, además de la composición de (1).

(3) Un acero inoxidable que incluye uno o varios seleccionados del grupo que consiste en Al: 0,2 % en masa o menos, REM: 0,2 % en masa o menos, Y: 0,2 % en masa o menos, Ca: 0,1 % en masa o menos, y Mg: 0,1 % en masa o menos, además de la composición de (1) o (2), y los restos son Fe e impurezas inevitables.

Se describirán los ingredientes de los aceros inoxidable anteriores.

El C puede mejorar la resistencia y la dureza del acero mejorando la solución sólida. No obstante, un mayor contenido de C puede reducir la procesabilidad y la tenacidad del acero. Por tanto, el contenido de C es de 0,1 % en masa o menos.

El Si, que se mezcla para permitir la formación de una película de óxido robusta sobre la superficie de un elemento de liberación tal como se ha descrito anteriormente, se incluye en una cantidad de 1,5 % en masa o más. La formación de una película de óxido de Si puede inhibir una reacción en una interfaz entre un elemento de liberación y un elemento de unión y, por lo tanto, el elemento de liberación puede ser retirado fácilmente del elemento de unión con una pequeña fuerza de liberación después de la unión por difusión. La película de óxido de Si puede inhibir también la penetración de los ingredientes del elemento de liberación en el interior del elemento de unión, lo que permite mantener una buena resistencia térmica y a la corrosión del elemento de unión, y permite mantener también una textura de superficie lisa. Cuando el contenido de Si es menor de 1,5 % en masa, los efectos mencionados anteriormente obtenidos de la formación de una película de óxido no pueden ser obtenidos por completo. Cabe señalar que la adición de más del 5,0 % en masa puede saturar sustancialmente los efectos mencionados anteriormente y ya no puede proporcionar una procesabilidad adecuada debido al endurecimiento. Por tanto, el contenido es 5,0 % en masa o menos.

El Mn es un elemento que puede mejorar las propiedades de oxidación a temperaturas altas. Un contenido excesivo puede reducir la procesabilidad debido al endurecimiento por trabajo. Por lo tanto, el contenido de Mn es de 2,5 en masa o menos.

El Cr es un elemento que puede formar un revestimiento en estado pasivo para conferir resistencia a la corrosión, conduciendo a una mayor resistencia a la corrosión. Un contenido de menos de 13,0 % en masa no puede proporcionar suficientemente los efectos del mismo. Un contenido de más del 23,0 % en masa puede reducir la procesabilidad. Por tanto, el contenido de Cr está comprendido entre 13,0 y 23,0 % en masa.

El Ni es un elemento esencial para estabilizar una fase austenítica para mantener la resistencia a la corrosión, y es también eficaz para la procesabilidad. Un contenido de menos del 8,0 % en masa no puede proporcionar estos efectos de manera suficiente, mientras que un contenido de más del 15,0 % en masa puede saturar estos efectos, dando teniendo como resultado un mayor coste. Por tanto, el contenido de Ni está comprendido entre el 8,0 y el 15,0 % en masa.

El P y el S pueden estar presentes como impurezas inevitables. Los contenidos de estos es preferentemente lo más bajo posible dentro de un rango en el que no se deterioran la procesabilidad y las propiedades del material. El contenido de P es de 0,06 % en masa o menos, y el contenido de S es de 0,02 % en masa o menos.

El N es eficaz como elemento estabilizador de la austenita y puede mejorar aún más la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la corrosión del acero inoxidable junto con el Cr y el Ni. No obstante, la adición excesiva puede reducir la fabricabilidad. Por lo tanto, el contenido de N es de 0,2 % en masa o menos.

El Mo y el Cu son elementos que pueden contribuir a mejorar la resistencia a las altas temperaturas y la resistencia a la corrosión. Los contenidos de Mo y Cu son ambos preferentemente de 0,02 % en masa o más. No obstante, cuando el contenido de Mo es excesivo, se puede formar una fase de ferrita, lo que reduce la procesabilidad. Por tanto, el contenido de Mo es de 3,0 % en masa o menos. Un contenido excesivo de Cu puede ser responsable de una menor trabajabilidad en caliente. Por tanto, el contenido de Cu es de 4,0 % en masa o menos.

El Nb, el Ti y el V son eficaces para mejorar la resistencia a altas temperaturas. El contenido de Nb es preferentemente de 0,01 % en masa o más, el contenido de Ti es preferentemente de 0,01 % en masa o más, y el contenido de V es preferentemente de 0,01 % en masa o más. Por otro lado, cuando estos elementos están incluidos en cantidades excesivas, la procesabilidad se puede ver reducida. Por tanto, el contenido de Nb es de 0,8 % en masa o menos, el contenido de Ti es de 0,5 % en masa o menos y el contenido de V es de 1,0 % en masa o menos.

El B es un elemento que puede mejorar la trabajabilidad en caliente. El contenido de B es preferentemente de 0,0002 % en masa o más. Por otro lado, la adición excesiva puede favorecer la precipitación de boruros, dando como resultado una menor procesabilidad. Por lo tanto, el contenido de B es de 0,02 % en masa o menos.

Se pueden añadir uno o varios seleccionados del grupo que consiste en Mo, Cu, Nb, Ti, V y B.

El Al, un REM (elemento de tierras raras), el Y, el Ca y el Mg son eficaces para mejorar la resistencia a la oxidación a altas temperaturas, y se pueden añadir uno o varios seleccionados de estos elementos. El contenido de Al es preferentemente de 0,001 % en masa o más, el contenido de un REM es preferentemente de 0,001 % en masa o más, el contenido de Y es preferentemente de 0,0002 % en masa o más, el contenido de Ca es preferentemente de 0,0002 % en masa o más, y el contenido de Mg es preferentemente de 0,0002 % en masa o más. No obstante, un contenido excesivo de estos elementos puede reducir la procesabilidad. Por lo tanto, el contenido de Al es de 0,2 % en masa o menos, el contenido de un REM es preferentemente de 0,2 % en masa o menos, el contenido de Y es de 0,2 % en masa o menos, el contenido de Ca es preferentemente de 0,1 % en masa o menos, y el contenido de Mg es de 0,1 % en masa o menos.

La forma de un elemento de liberación se selecciona apropiadamente dependiendo de la forma de un elemento de unión. Un elemento de placa para un intercambiador de calor de tipo placa es, en general, en forma de placa. Por consiguiente, un elemento de liberación dispuesto en contacto con él se utiliza como placa de liberación. El grosor de la placa de un elemento de liberación está comprendido preferentemente entre 2 y 10 mm, más preferentemente entre 3 y 8 mm.

(Relación de resistencias a altas temperaturas)

Además, en la presente realización, la unión por difusión se realiza utilizando una combinación de un elemento de liberación y un elemento de unión, siendo la relación (Fr/Fp) de la resistencia a altas temperaturas (Fr) del elemento de liberación a 1000 °C con respecto a la resistencia a altas temperaturas (Fp) del elemento de unión a 1000 °C, de 0,9 o más.

Un elemento de liberación, que está intercalado entre una plantilla de sujeción y un elemento de unión, y expuesto a alta presión y alta temperatura durante la unión por difusión, puede sufrir deformación si la resistencia a altas temperaturas del elemento de liberación es baja. La deformación del elemento de liberación puede deteriorar la presurización uniforme del elemento de unión con el que el elemento de liberación hace contacto, teniendo como resultado una región de unión defectuosa. En consecuencia, en la presente realización, los elementos de liberación son estudiados por sus propiedades a altas temperaturas en términos de resistencia a alta temperatura a 1000 °C que corresponde a una temperatura de tratamiento estándar durante la unión por difusión.

Específicamente, se evalúan en base a la relación (Fr/Fp) de la resistencia a alta temperatura (Fr) de un elemento de liberación a 1000 °C con respecto a la resistencia a alta temperatura (Fp) de un elemento de unión a 1000 °C. Un elemento de liberación preferentemente incluye un acero que tiene una relación (Fr/Fp) de las resistencias a altas temperaturas a 1000 °C de 0,9 o más. Cuando la resistencia a alta temperatura de un elemento de liberación es menor de 0,9 con respecto a la de un elemento de unión, el elemento de liberación puede sufrir una deformación excesiva cuando se presuriza con plantillas de sujeción. La deformación de un elemento de liberación puede tener como resultado la deformación de un elemento de unión debido a la presurización no uniforme del elemento de unión. Por lo tanto, con vistas a la supresión de la deformación, se utiliza preferentemente una combinación de un elemento de liberación y un elemento de unión en la que la relación de resistencias a alta temperatura es de 0,9 o más, más preferentemente de 1,0 o más.

(Relación de coeficientes de dilatación térmica)

Preferentemente, se utiliza una combinación de un elemento de liberación y un elemento de unión en la que la relación (Tr/Tp) de un coeficiente de dilatación térmica (Tr) del elemento de liberación con respecto a un coeficiente de dilatación térmica (Tp) de un elemento de unión de 30 °C a 1000 °C está comprendida entre 0,90 y 1,60. Un elemento de unión y un elemento de liberación se dilatan térmicamente al calentarse para sufrir una deformación elástica. Cuando el grado de dilatación térmica es diferente entre estos elementos, la restricción mutua debido a sus deformaciones puede inducir una deformación acumulada, lo que resulta en una deformación plástica dependiendo de la cantidad de deformación.

En concreto, un elemento de unión que participa en la formación de una trayectoria de flujo de un medio de calor (porción hueca) en un intercambiador de calor puede estar en contacto con un elemento de liberación en un lado de la superficie mientras que puede tener también una porción que puede ser una superficie no adherente en el lado opuesto de la superficie. Una parte en la que las superficies de unión de los elementos de unión se superponen está restringida por el entorno, pero la parte hueca mencionada anteriormente no está restringida por el entorno. Esto puede resultar en la aparición de deformaciones elásticas debido a la dilatación térmica (véase la figura 3 (B)). Una deformación elástica excesiva puede, a su vez, tener como resultado una deformación plástica, y volver a la forma original puede resultar difícil.

Cuando se utiliza un elemento de liberación que tiene una pequeña relación de resistencias a altas temperaturas, la resistencia a la deformación del elemento de liberación es menor en comparación con un elemento de placa. Por tanto, el coeficiente de dilatación térmica del elemento de unión es preferentemente comparable con el del elemento de liberación. En la presente realización, esta propiedad térmica se puede evaluar en base a la relación (Tr/Tp) de un coeficiente de dilatación térmica (Tr) de un elemento de liberación con respecto a un coeficiente de dilatación térmica (Tp) de un elemento de unión. Cuando un elemento de liberación tiene una pequeña relación de resistencias a altas temperaturas, la relación del coeficiente de dilatación térmica (Tp/Tr) anterior es preferentemente de 1,0 ± 5 %, es decir, está comprendida entre 0,95 y 1,05.

(Velocidad media de enfriamiento)

La velocidad media de enfriamiento después del calentamiento en la unión por difusión es preferentemente menor de 1,2 °C/min. Un elemento de unión y un elemento de liberación experimentan dilatación térmica durante la unión por difusión y experimentan contracción térmica en una etapa de enfriamiento después de la unión por difusión para volver a sus formas originales. Cuando el grado de dilatación térmica es diferente entre el elemento de liberación y el elemento de unión, la restricción mutua de sus cambios contractivos durante el enfriamiento puede inducir una deformación acumulada. Cuando estos cambios contractivos alcanzan una magnitud excesivamente grande, puede ocurrir una deformación plástica. Por consiguiente, en la presente realización, nos centramos en la velocidad media de enfriamiento después de completar la unión por difusión. Cuando el tratamiento se realiza a una velocidad media de enfriamiento de menos de 1,2 °C/min, se puede reducir la cantidad de deformación residual después del enfriamiento. No se prefiere una velocidad de enfriamiento más rápida porque los cambios de contracción térmica pueden ser mayores, lo que tiene como resultado una mayor cantidad de deformación residual después del enfriamiento. La velocidad media de enfriamiento anterior simplemente puede ser controlada en un rango de temperatura desde una temperatura de mantenimiento durante la unión por difusión hasta aproximadamente 400 °C. (Plantilla de sujeción)

Una plantilla de sujeción hace referencia a un elemento que está conectado a un mecanismo de presurización de un dispositivo de presión, y transmite fuerza de presión a un elemento de unión. Preferentemente, una plantilla de sujeción incluye carbono, porque se requiere que sea térmicamente resistente y que no se dañe a la temperatura durante la unión por difusión.

(Agente de separación)

En una realización de la presente invención, se aplica preferentemente un agente de separación en ambos lados de un elemento de liberación. Por ejemplo, se pueden utilizar aerosoles a base de nitruro de boro tal como polvo de nitruro de boro hexagonal (h-BN). El grosor del revestimiento de un agente de separación puede ser simplemente 3 veces o más (aproximadamente 10 pm) del tamaño medio de partícula (por ejemplo, aproximadamente 3 pm) del polvo del agente de separación.

EJEMPLOS

A continuación, se describirán ejemplos de la presente invención. La presente invención no estará limitada a los siguientes ejemplos y se pueden realizar modificaciones de manera apropiada.

(Fabricación de láminas de ensayo)

Los aceros N° 1 a N° 9 que tienen las composiciones de ingredientes mostradas en la Tabla 1 fueron hechos lingotes cada uno en un horno de fusión al vacío de 30 kg, y los lingotes de acero resultantes fueron forjados cada uno en una lámina que tenía un grosor de 30 mm. Posteriormente, se realizó un laminado en caliente a 1200 °C para producir una hoja laminada en caliente que tenía un grosor de 6 mm y, a continuación, se realizó un recocido de remojo a 1100 °C durante 60 segundos para obtener una hoja laminada en caliente y recocida. La hoja laminada en caliente y recocida se laminó en frío para ^formaruna lámina que tenía un grosor de 3,0 mm y, a continuación, se realizó el recocido final mediante remojo de 30 segundos a 1100 °C para obtener una lámina de acabado final que tenía un grosor de 3 mm. A continuación, se realizó un tratamiento de acabado superficial, según el acabado 2B o el acabado 2D para obtener una chapa laminada en frío y recocida. Los aceros N° 5 y N° 6 utilizados para producir placas se sometieron, además, a laminado en frío y recocido para ajustar los grosores de la lámina de acabado final a 0,4 mm y 1,0 mm, respectivamente. A continuación, se realizó un tratamiento de acabado superficial, según el acabado 2B o 2D para obtener materiales laminados en frío y recocidos. Se cortaron láminas de ensayo con dimensiones de 210 mm x 160 mm de las láminas recocidas y laminadas en frío anteriores. Estas láminas de ensayo se utilizaron para ensayar elementos de unión o elementos de liberación. Los restos de cada una de las composiciones de ingredientes que se muestran en la Tabla 1 son Fe e impurezas inevitables.

Los aceros N° 1 a N° 5 son acero inoxidable a base de austenita. Los aceros N° 6 a N° 9 son acero inoxidable a base de ferrita.

[Tabla 1]

(Medición de la resistencia a altas temperaturas)

Las láminas de ensayo obtenidas se sometieron a ensayos de tracción a alta temperatura con una velocidad de deformación de 0,3 %/min a temperatura de 1000 °C, según el documento JIS G 0567 para medir valores de 0,2 % de tensión de ensayo. Estos valores medidos se consideraron en el presente documento como valores de resistencia a alta temperatura a 1000 °C. Los resultados de la medición se muestran en la Tabla 1 (unidad: MPa). A continuación, se calcularon las relaciones (Fr/Fp) de la resistencia a alta temperatura (Fr) de un elemento de liberación con respecto a la resistencia a alta temperatura (Fp) de un elemento de unión en base a los valores medidos. Los resultados se muestran en la Tabla 2.

(Medición de coeficientes de dilatación térmica)

Las láminas de ensayo obtenidas se calentaron de 30 °C a 1000 °C a una velocidad de calentamiento de 1 °C/segundo con un dilatómetro diferencial (un dispositivo de medición de dilatación térmica de calentamiento por infrarrojos (TMA), muestra estándar: cuarzo, Rigaku Corporation), según el documento JIS Z 2285. Se midió la cantidad de dilatación de una pieza de ensayo en el ensayo para calcular un coeficiente de dilatación térmica (a30 a 1000 °C) de 30 °C a 1000 °C. Los resultados de la medición se muestran en la Tabla 1 (unidad: x10-6/°C).

(Ensayo de unión)

Se fabricó un montaje de ensayo combinando cuatro láminas de ensayo de elementos de unión (elementos de placa) con una lámina de ensayo de un elemento de liberación (placa de liberación). Tal como se muestra en la Tabla 2, las cuatro láminas de ensayo como elementos de placa eran de acero N° 5 en este ensayo. Se dispusieron en capas dos láminas de ensayo (grosor: 1,0 mm/lámina) como elementos de placa, cada una con una abertura que sirva como trayectoria de flujo, y dos elementos de placa (grosor: 0,4 mm/placa) como placas de intercambiador de calor que no tienen ninguna abertura que sirva como trayectoria de flujo para intercalar las dos láminas de ensayo dispuestas en capas citadas anteriormente. A continuación, se dispuso en capas una lámina de ensayo como elemento de liberación que tenía un grosor de 3,0 mm. La lámina de ensayo fue uno de los aceros N° 1 a N° 5. Se utilizaron plantillas de sujeción fabricadas de carbono. Se aplicó polvo de nitruro de boro hexagonal (aerosol de boro, YK Inoas Co., Ltd.) como agente de separación en ambos lados del elemento de liberación. El montaje de ensayo citado anteriormente se sometió a un tratamiento de unión por difusión bajo las siguientes condiciones de presurización y calentamiento en un dispositivo de prensado en caliente.

- Atmósfera: un grado inicial de vacío de 1 x 10-2 Pa o menos

- Temperatura de unión: 1080 °C

- Tiempo de calentamiento: de la temperatura normal a la temperatura de unión en aproximadamente 2 horas. - Tiempo de remojo (unión): 3 horas

- Velocidad media de enfriamiento: de 1080 °C a 400 °C a 3,2 °C/min (Patrón A) o 1,1 °C/min (Patrón B).

- Presión de prensado: presión superficial de 2 MPa

Los patrones de calentamiento y enfriamiento utilizados para el tratamiento de unión por difusión mencionado anteriormente se muestran en la figura 2. Los patrones A y B mostrados en la figura 2 representan los dos patrones, tal como se han descrito anteriormente, con diferentes velocidades medias de enfriamiento. Después de enfriarse a la temperatura normal, el montaje de ensayo fue retirado del dispositivo de prensado en caliente y se realizaron los siguientes ensayos de evaluación para la supresión de deformaciones y la capacidad de liberación.

(Evaluación de la capacidad de supresión de deformaciones)

La capacidad de supresión de la deformación se evaluó basándose en la cantidad de deformación de los elementos de placa unidos por difusión. Se describirá un enfoque para medir la cantidad de deformación. La figura 3 muestra esquemáticamente una sección transversal del montaje de ensayo. La figura 3(A) muestra un estado antes de la unión por difusión, en el que un montaje de ensayo 14 que tiene una combinación de cuatro elementos de placa 11 a a 11d y dos placas de liberación 13 está intercalado entre plantillas de sujeción de carbono 15, y está listo para presurización. La figura 3(B) muestra un estado del montaje de ensayo 14 después de la unión por difusión. Después de la unión por difusión, los elementos de placa 11a y 11d orientados hacia una parte de cavidad 16 en el montaje de ensayo 14, que están limitados por la placa de liberación 3 y los otros elementos de placa 11b y 11c en partes distintas de las orientadas hacia la parte de cavidad, se dilatan mediante calentamiento para sufrir una deformación de modo que se doblen hacia la parte de cavidad. Estos permanecerán en una forma doblada a menos que vuelvan a la forma original en virtud de cambios contractivos durante el enfriamiento. Se midieron las alturas 17 en ubicaciones que mostraban la mayor deformación de la superficie del elemento de placa 11a o 11d en contacto con la placa de liberación 3. De entre estas, se utilizó el valor mayor. En la presente memoria descriptiva, este valor se denomina cantidad de deformación de un elemento de placa. El estado de deformación después de la unión por difusión se evaluó basándose en la cantidad de deformación definida tal como se describió anteriormente. La altura 17 se midió con un sistema de medición de forma tridimensional de alta velocidad Comus. La capacidad de supresión de la deformación se evaluó de la siguiente manera: buena (A), cuando la cantidad de deformación es menor de 30 pm; regular (B) cuando está comprendida entre 30 pm y 50 pm; y mala (C) cuando es superior a 50 pm.

(Evaluación de la capacidad de liberación)

Se utilizó un montaje de ensayo para evaluar la capacidad de liberación después de la unión. Con este fin, se ensayó la liberación de las placas de liberación de un elemento de placa. La descripción general se muestra en la figura 4. Se prepararon una unidad de tensión (no mostrada) y dos plantillas, cada una con una ventosa 25 unida a un extremo de un alambre 26. Las ventosas 25 de las plantillas fueron unidas a las superficies de las dos placas de liberación 23 del montaje de ensayo 24 después de la unión por difusión. Se conectó un peso 27 que tenía un peso predeterminado al cable 26 de una de las plantillas y, a continuación, se tiró del cable 26 de la otra plantilla con la unidad de tensión. Si los elementos de liberación 23 se liberaron con éxito del elemento de placa 21 o no, se determinó visualmente cuando se tiró de ambos lados del montaje de ensayo 24 con una fuerza correspondiente al peso del peso 27. Los ensayos se realizaron de una manera similar con pesos variados del peso 27. Un elemento de placa y una placa de liberación después de la unión por difusión se liberan preferentemente con una fuerza pequeña. Por tanto, los criterios de evaluación fueron los siguientes. La capacidad de liberación se evaluó como buena (A) cuando las placas de liberación se liberaron del elemento de placa con un peso de 5 kg o menos. La capacidad de liberación se evaluó como levemente mala (B) cuando las placas de liberación se liberaron del elemento de placa con un peso de 20 kg o menos. La capacidad de liberación se evaluó como mala (C) cuando las placas de liberación no se liberaron del elemento de placa con un peso de más de 20 kg.

(Resultados del ensayo)

En el presente documento, se utilizaron combinaciones de un elemento de placa que incluye acero inoxidable a base de austenita del acero N° 5, o un elemento de placa que incluye acero inoxidable a base de ferrita del acero N° 6 y placas de liberación, cada una de las cuales incluye cualquiera de los aceros inoxidables. N° 1 a N° 9 para preparar 18 montajes de ensayo. Se utilizaron los 18 montajes de ensayo para ensayar la resistencia a altas temperaturas, los coeficientes de dilatación térmica, la capacidad de supresión de la deformación y la capacidad de liberación. Los resultados de los ensayos se muestran en la Tabla 2. Para la capacidad de supresión y la capacidad de liberación de la deformación, los ensayos se realizaron con dos patrones de calentamiento y enfriamiento, cada uno utilizando tres montajes de ensayo. La capacidad de supresión de la deformación se evaluó en base al valor medio de las cantidades de deformación de tres montajes. La capacidad de liberación se evaluó en base a la media de los resultados de tres montajes.

En los Ejemplos 1 a 6, según la presente invención, se unieron por difusión montajes de ensayo que tenían placas de liberación que incluían cualquiera de los aceros N° 1 a N° 3. La cantidad de deformación después de la unión por difusión estuvo en un rango de 50 pm o menos, es decir, buena (A) o regular (B) para todos los casos, lo que demuestra que se obtuvieron artículos unidos por difusión con deformación suprimida. Combinaciones específicas de elementos de unión y placas de liberación, según la presente invención puede favorecer, presumiblemente un progreso adecuado de la dilatación y contracción térmicas debido al calentamiento y enfriamiento durante el tratamiento de unión por difusión, lo que conduce a la supresión de la deformación.

Además, con respecto a la capacidad de liberación de los ejemplos 1 a 6, según la presente invención, las placas de liberación fueron liberadas de los elementos de placa con una pequeña fuerza de tracción. Cuando se utilizaron las combinaciones de elementos de unión y placas de liberación, según la presente invención, las placas de liberación pudieron ser retiradas fácilmente de los elementos de unión después de la unión por difusión. Las películas de óxido de Si formadas en las superficies de las placas de liberación inhibieron presumiblemente las reacciones de interfase entre los elementos de unión y las placas de liberación, conduciendo a la adhesión suprimida de estos materiales y, por lo tanto, conduciendo a una capacidad de liberación mejorada.

Además, cuando los resultados de los casos en los que la velocidad media de enfriamiento fue de 3,2 ° C/min (Patrón A) se compararon con los de los casos en los que la velocidad media de enfriamiento después de la unión por difusión fue de 1,1 °C/min (Patrón B) en los ejemplos 1 a 6, según las realizaciones de la presente invención, los montajes de ensayo enfriados con el Patrón B, es decir, con una velocidad media de enfriamiento menor, mostraron una mejor capacidad de supresión de la deformación en comparación con los enfriados con el Patrón A. Una velocidad de enfriamiento menor puede reducir presumiblemente la extensión de los cambios térmicos de contracción y acumulación de deformaciones, conduciendo a la supresión de la deformación.

Por otro lado, los ejemplos comparativos 1 a 12 utilizaron placas de liberación de los aceros N° 4 a N° 9. En los ejemplos comparativos 1 a 12, el contenido de Si del acero en las placas de liberación fue inferior al 1,5 % en masa, que está fuera del rango definido, según la presente invención. Para todos los casos, la capacidad de liberación fue levemente mala (B) o mala (C), y la liberación después de la unión por difusión fue difícil.

Además, en los ejemplos comparativos 3 a 6, 10 y 12, en los que la relación de resistencias a altas temperaturas fue inferior a 0,9, la deformación después de la unión por difusión fue significativa, lo que dio como resultado una mala capacidad de supresión de la deformación (C) después de unión por difusión.

Estos resultados de los ensayos demuestran que los aceros inoxidables que tienen las composiciones especificadas en la presente invención pueden proporcionar una plantilla de unión por difusión en la que se suprime la deformación de los elementos de unión mientras se mantienen las propiedades de unión por difusión de los elementos de unión, y la capacidad de liberación después del tratamiento de la unión por difusión es excelente. En concreto, los resultados de los ensayos demuestran también que los aceros inoxidables son adecuados para los elementos de liberación.

EXPLICACIÓN DE NÚMEROS DE REFERENCIA

1 Elemento de placa (elemento de unión)

2 Laminado de placas

3 Elemento de liberación

4 Plantilla de sujeción

5 Árbol de presurización

11a, 11b, 11c, 11d Elemento de placa

13 Placa de liberación

14 Montaje de ensayo

15 Plantilla de sujeción

16 Parte de cavidad

17 Altura (cantidad de deformación)

21 Elemento de placa

23 Placa de liberación

24 Montaje de ensayo

25 Ventosa

26 Alambre

27 Peso

Claims

REIVINDICACIONES

1. Elemento de liberación que incluye acero inoxidable para una plantilla de unión por difusión que tiene una excelente capacidad de supresión de las deformaciones y de liberación, siendo el material un acero inoxidable que contiene el 1,5 % en masa o más, de Si, y siendo una relación (Fr/Fp) de la resistencia a las temperaturas altas (Fr) del acero inoxidable a 1000 °C con respecto a la resistencia a las temperaturas altas (Fp) de un elemento de unión a 1000 °C, de 0,9 o más, en el que la relación (Fr/Fp) se determina mediante el procedimiento de medición descrito en la descripción, debiendo ser unido el elemento de unión a unir mediante unión por difusión, en el que el acero inoxidable contiene C: 0,1 % en masa o menos, Si: entre 1,5 y 5,0 % en masa, Mn: 2,5 % en masa o menos, P: 0,06 % en masa o menos, S: 0,02 % en masa o menos, Ni: entre 8,0 y 15,0 % en masa, Cr: entre 13,0 y 23,0 % en masa, N: 0,2 % en masa o menos, en el que el acero inoxidable contiene, además, uno o varios seleccionados del grupo que consiste en Mo: 3,0 % en masa o menos, Cu: 4,0 % en masa o menos, Nb: 0,8 % en masa o menos, Ti: 0,5 % en masa o menos, V: 1,0 % en masa o menos, y B: 0,02 % en masa o menos, y/o el acero inoxidable contiene, además, uno o varios seleccionados del grupo que consiste en Al: 0,2 % en masa o menos, REM: 0,2 % en masa o menos, Y: 0,2 % en masa o menos, Ca: 0,1 % en masa o menos, y Mg: 0,1 % en masa o menos, y los restos son Fe e impurezas inevitables