NL9201899A - Overgangsverbinding van metaal aan keramiek. - Google Patents

Description

OVERGANGSVERBINDING VAN METAAL AAN KERAMIEK

De uitvinding heeft betrekking op de verbinding aan kopse zijde tussen een keramisch buisvormig onderdeel en een metalen onderdeel door middel van metallisch solderen en betreft voorzieningen om de effecten van het verschil in uitzettings-coëfficient op de tot standkoming van een zodanige verbinding en op de levensduur ervan tijdens thermisch bedrijf te compenseren.

Industriële keramische materialen zijn vaak ideaal voor toepassing vanwege hun bijzondere mechanische, physische en chemische eigenschappen in componenten waarin extreme thermische corrosieve en/of erosieve omstandigheden heersen.

Om keramische materialen constructief toe te kunnen passen is het echter vaak noodzakelijk of gewenst om de keramische elementen te verbinden met metallische.

Hiervoor worden in de praktijk veelal mechanische verbindingstechnieken gebruikt als klemmen of krimpen. Ook lijmen met organische composieten of solderen met z.g. smeltglassoorten zijn veel toegepaste verbindingsmethoden.

Daarnaast wordt ook het metallisch solderen toegepast, al dan niet met voor-metalliseren van de keramische componenten of gebruikmakend van aktieve soldeertypen. Dit zijn soldeer-soorten waaraan aktieve elementen als Ti of Zr zijn toegevoegd om een betere bevochtiging van het keramiekoppervlak te bewerkstelligen door het soldeermateriaal.

Dergelijke soldeerverbindingen kunnen vooral daar toegepast worden waar hoge eisen gesteld worden aan de dichtheid van de verbinding en aan de sterkte en stabiliteit van de verbinding bij hogere temperaturen.

Solderen is een thermische bewerking waarbij de gesoldeerde objecten afkoelen van de soldeertemperatuur naar de omgevingstemperatuur. Ook in het gebruik van de verbinding kunnen één of meerdere malen thermisch cycli voorkomen.

De verschillen in uitzettingscoëfficient tussen de keramische en de metallische component(en) van de soldeerverbin-ding, veelal een factor 3 i 4, nopen tot bijzondere voorzieningen om deze verbinding de voornoerode thermische cycli te kunnen laten "overleven".

Een met succes toegepaste methode is om in de verbinding een keten van meerdere materiaalsoorten op te nemen met achtereenvolgend oplopende uitzettingscoëfficient in de richting van het uiteindelijke metalen constructiedeel. Deze oplossing heeft tot nadeel dat zij relatief duur is en vaaK ongewenst in verband met de heersende corrosieve belasting.

De onderhavige uitvinding betreft een constructieve voorziening om deze verschillen in uitzettingscoëfficient in voldoende mate te compenseren.

Het eerste kenmerk van deze constructieve compensatie-voorziening is dat deze voldoende flexibiliteit heeft om de genoemde verschillen in uitzettingscoëfficient niet te laten resulteren in te hoge trek- en buigspanningen in het keramische deel van de component.

Het tweede kenmerk ervan is dat geen nauwe eisen ten aanzien van maat- en vormtoleranties aan de keramische onderdelen gesteld behoeven te worden voor het doen slagen van de soldeerverbinding. Hierdoor hoeven "gevaarlijke" en dure bewerkingen van het cylindrisch of conisch op maat slijpen van het keramische onderdeel niet plaats te hebben.

De werkwijze volgens de uitvinding bestaat uit het aan kopse zijde van een keramische buis aanbrengen door middel van solderen van een metalen gedeelte, waarvan de materiaalsoort is afgestemd op de heersende corrosieve en thermische omstandigheden en met een zodanige geometrische vormgeving dat voornoemde trek- en buigspanningen op een voldoende laag nivo blijven, zowel tijdens de soldeercyclus (afkoelfase) als tijdens de eventuele thermische cycli tijdens bedrijf.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande figuren:

Fig. 1 toont een aanzicht van een metaal-keramiekverbin-ding volgens de werkwijze van de uitvoering: fig. 1 toont een keramische buis (a), b.v. Aluminiumoxyde, welke aan haar kopse einde vlak geslepen is. Een metalen gedeelte (b), b.v. roest-vaststaal van het type AISI 316, voorzien van een dunwandig sinusvormig gegolfd uiteinde, met karakteristieke waarden voor golffrequentie (steek), golfamplitude (kleiner dan de wanddikte van de keramische buis), wanddikte en lengte van dit profiel (c) wordt d.m.v. solderen op eerder genoemd kopse uiteinde gesoldeerd.

Indien noodzakelijk, zoals b.v. voor het compenseren van uitzettingsverschillen in axiale richting, b.v. in warmtewisselaars, kan voornoemde radiale balg integraal gevolgd worden door een axiale balg (d).

Vervolgens kan deze dunwandige metalen balgconstructie integraal overgaan in een cylindrisch deel met grotere wanddikte (b) om het verbinden, b.v. door middel van lassen in een grotere constructie, eenvoudig te maken.

In die toepassing is er dus sprake van een overgangsver-bindingsstuk van b.v. een keramische buis en een warmtewisselaar naar b.v. een pijpplaat in een warmtewisselaar.

Fig. 2 geeft een langsdoorsnede van een dergelijke gesoldeerde overgangsverbinding.

Fig. 3 geeft een dwarsdoorsnede met het sinusvormige golf-patroon van de z.g. "radiale balg".

Fig. 4 geeft de toepassing van een dergelijke overgangsverbinding in een model van een warmtewisselaar.

Het solderen van het keramische deel aan het metalen deel kan b.v. worden uitgevoerd met een aktief soldeer op eutedti-sche Ag/Cu-basis met toevoeging van 2,5% Ti.

Dit zijn slechts uitvoeringsvoorbeelden.

Op deze wijze ontstaat een verbinding met hoge mate van lekdichtheid.

Indien niet zodanige lekdichtheidseisen gesteld worden, kan de vereiste geometrische flexibiliteit ook met een eenvou- diger uitvoering gerealiseerd worden. In dat verband zou de flexibele overgang ook gevormd kunnen worden door een groter aantal staafvormige elementen van kleine diameter (draad) loodrecht en over de volledige orotrek op het kopse keramiek vlak te solderen.

Ook zou in dat verband een op het kopse keramiekvlak gesoldeerde spiraalvormig opgewonden band tot de gewenste flexibele overgang kunnen leiden.

Claims (10)

1. Werkwijze voor het aan elkaar verbinden door middel van solderen van een keramisch onderdeel aan een metalen onderdeel met het kenmerk dat in het metalen onderdeel een zodanige geometrische flexibiliteit is aangebracht dat thermische spanningen in het keramische onderdeel vanuit de soldeerverbinding ten gevolge van verschillen in uitzettingscoëfficient, zowel in de soldeercyclus als tijdens een latere thermische belasting een onaanvaardbaar nivo niet zullen overschrijden.

2. Een werkwijze volgens de uitvinding volgens conclusie 1 met het kenmerk dat het solderen wordt uitgevoerd met een metallisch soldeer met voldoende ductiliteit.

3. Een werkwijze volgens de uitvinding volgens conclusie 1 met het kenmerk dat het keramische deel buisvormig is.

4. Een werkwijze volgens de uitvinding volgens conclusie 1 en 3 met het kenmerk dat de soldeerverbinding tot stand komt met het vlakgesIepen kopse deel van het uiteinde van het keramische onderdeel.

5. Een werkwijze volgens de uitvinding volgens conclusie 1 en 4 met het kenmerk dat het metalen onderdeel is voorzien van een sinusvormig omtreksprofiel van geringe wanddikte en voldoende hoogte waaruit de geometrische flexibiliteit voortkomt.

6. Een werkwijze volgens de uitvinding volgens conclusie l en 3 met het kenmerk dat het buisvormige keramische onderdeel een diameter heeft van 10 tot 30 mm en een wanddikte van 1 tot 4 mm en is vervaardigd van gesinterd keramiek met tenminste 85% Ala03.

7. Werkwijze volgens de voorgaande conclusies met het kenmerk dat het metalen onderdeel tenminste de twee-voudige uitzettingscoëfficient heeft t.o.v. ala03.

8. Werkwijze volgens de voorgaande conclusies met het kenmerk dat het het "flexibele" deel van het metalen onderdeel- een sinusvormig radiaal-balgpatroon bezit met de volgende uitvoering: aantal sinusvormige golven: 1 è 1,5 x de buisdiameter in mm amplitude : 0,3 a 0,4 x de wanddikte van de buis in mm hoogte radiale balgvorm : 0,2 è 1 x de buisdiameter in mm, met een minimum van 3 mm wanddikte : tussen 0,05 en 0,4 mm

9. Werkwijze volgens de voorgaande conclusies met het kenmerk dat het metalen onderdeel tevens is voorzien van een axiale compensatiebalg en een uiteinde met voldoende wanddikte om deze in een metalen constructie te lassen»

10. Toepassing van de uitvinding volgens de voorgaande conclusies in warmtewisselaars, filterinstallaties, etc. De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van bijgaande figuren: Fig. 1 toont een aanzicht van een metaal-keramiekverbin-ding volgens de werkwijze van de uitvoering: fig. l toont een keramische buis (1), b.v. Aluroiniumoxyde, welke aan haar kopse einde vlak geslepen is. Een metalen gedeelte (2·)# b.v. roest-vaststaal van het type AISI 316, yoorzien van een dunwandig sinuBvormig gegolfd uiteinde, met karakteristieke waarden voor golffrequentie (steek), golfamplitude (kleiner dan de wanddikte vap de keramische buis), wanddikte en lengte van dit profiel (3) wordt d.m.v. solderen op eerder genoemd kopse uiteinde gesoldeerd. Indien noodzakelijk, zoals b.v. voor het compenseren van uitzettingsverschillen in axiale richting, b.v. in warmtewisselaars, kan voornoemde radiale balg integraal gevolgd worden door een axiale balg (4). Vervolgens kan deze dunwandige metalen balgconstructie integraal overgaan in een cylindrisch deel met grotere wanddikte (6) om het verbinden, b.v. door middel van lassen in een grotere constructie, eenvoudig te maken. In die toepassing is er dus sprake van een overgangsver-bindingsstuk van b.v. een keramische bui6 en een warmtewisselaar naar b.v. een pijpplaat in een warmtewisselaar. Fig. 2 geeft een langsdoorsnede van een dergelijke gesoldeerde overgangsverbinding. Daarbij is de metalen buis met 2 aangegeven, de axiale balg met 4, de radiale balg met 3, het soldeermateriaal met 6 en het keramische deel met 1. Fig. 3 geeft een dwarsdoorsnede met het sinusvormige golf-patroon van de z.g. "radiale balg". Fig. 4 geeft de toepassing van een dergelijke overgangsverbinding in een model van een warmtewisselaar. . Het solderen van het keramische deel aan het metalen deel kan b.v. worden uitgevoerd met een aktief soldeer op eutedti-sche Ag/Cu-basis roet toevoeging van 2,5% Ti. Dit zijn slechts uitvoeringsvoorbeelden. Op deze wijze ontstaat een verbinding met hoge mate van lekdichtheid. Indien niet zodanige lekdichtheidseisen gesteld worden, kan de vereiste geometrische flexibiliteit ook met een eenvou-