PL196423B1 - Sposób tworzenia połączenia między miedzią i stalą nierdzewną - Google Patents

Abstract

1. Sposób tworzenia polaczenia miedzy miedzia i stala nierdzewna lub stopami miedzi a stopami stali austenitycznej, wktórym pomiedzy powierzchniami zlaczeniowymi laczonych elementów tworzy sie przynajmniej jedna warstwa posrednia, tak ze po- wierzchnie zlaczeniowe, wlacznie zwarstwami po- srednimi sciska sie wzajemnie i przynajmniej obszar zlaczenia rozgrzewa sie w celu utworzenia polacze- nia dyfuzyjnego, znamienny tym, ze na powierzchni lub naprzeciwko powierzchni zlaczeniowej elementu stalowego (2) tworzy sie pierwsza warstwe posred- nia (3), zapobiegajaca utracie niklu z elementu sta- lowego (2) iprzynajmniej druga warstwe posred- nia (4) na powierzchni lub naprzeciwko powierzchni zlaczeniowej elementu miedzianego (1) w celu uak- tywnienia tworzenia sie polaczenia dyfuzyjnego, apomiedzy pierwsza warstwa posrednia (3) a elementem miedzianym (1) tworzy sie przynajmniej trzecia warstwe posrednia (5), skladajaca sie glów- nie ze srebra (Ag) lub ze srebra (Ag) i miedzi (Cu), w postaci stopu albo w postaci mieszaniny. PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11)196423 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 356431 ⁽¹³⁾ (22) Data zgłoszenia: 21.02.2001 ^{(51) Int.Cl.}

B23K 20/16 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: B23K 20/24 (2006.01) 21.02.2001, PCT/FI01/00169 B23K 35/00 (2006.01) (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

30.08.2001, WO01/62432 PCT Gazette nr 35/01 (54) Sposób tworzenia połączenia między miedzią i stalą nierdzewną

	(73) Uprawniony z patentu:
(30) Pierwszeństwo:	OUTOKUMPU OYJ,Espoo,FI
23.02.2000,FI,20000409	(72) Twórca(y) wynalazku:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	Veikko Polvi,Pori,FI
28.06.2004 BUP 13/04	Pekka Taskinen,Pori,FI Tuija Suortti,Pori,FI
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.12.2007 WUP 12/07	(74) Pełnomocnik:
	Ważyńska Mirosława, PATPOL Sp. z o.o.

(57) 1. Sposób tworzenia połączenia między miedzią i stalą nierdzewną lub stopami miedzi a stopami stali austenitycznej, w którym pomiędzy powierzchniami złączeniowymi łączonych elementów tworzy się przynajmniej jedna warstwa pośrednia, tak że powierzchnie złączeniowe, włącznie z warstwami pośrednimi ściska się wzajemnie i przynajmniej obszar złączenia rozgrzewa się w celu utworzenia połączenia dyfuzyjnego, znamienny tym, że na powierzchni lub naprzeciwko powierzchni złączeniowej elementu stalowego (2) tworzy się pierwszą warstwę pośrednią (3), zapobiegającą utracie niklu z elementu stalowego (2) i przynajmniej drugą warstwę pośrednią (4) na powierzchni lub naprzeciwko powierzchni złączeniowej elementu miedzianego (1) wcelu uaktywnienia tworzenia się połączenia dyfuzyjnego, a pomiędzy pierwszą warstwą pośrednią (3) a elementem miedzianym (1) tworzy się przynajmniej trzecią warstwę pośrednią (5), składającą się głównie ze srebra (Ag) lub ze srebra (Ag) i miedzi (Cu), w postaci stopu albo w postaci mieszaniny.

PL 196 423B1

Opis wynalazku

Niniejszy sposób dotyczy sposobu tworzenia połączenia między miedzią i stalą nierdzewną.

W stanie techniki znanych jest kilka różnych sposobów tworzenia połączenia między stalą nierdzewną i miedzią. Przy łączeniu ze sobą miedzi i stali nierdzewnej należy brać pod uwagę kilka czynników, między innymi różne wytrzymałości obydwu materiałów w podwyższonych temperaturach, jak również różnice w ich przewodności cieplnej, rozszerzalności cieplnej i temperaturach topnienia. Podczas łączenia z wykorzystaniem takich sposobów, jak lutowanie lub spawanie, powstają problemy, powodowane przez tak zwaną kruchość lutu, co oznacza penetrację miedzi w złączu dyfuzyjnym do granic ziaren stali, co powoduje, iż połączenie to jest w znacznym stopniu kruche.

Opis patentowy US 4 194 672 ujawnia sposób łączenia miedzi i stali nierdzewnej przy użyciu spawania dyfuzyjnego. W sposobie tym pomiędzy powierzchniami złączenia łączonych elementów stosowana jest cienka warstwa niklu, stopów niklu, chromu, Ni + Cr lub Cr + Ni, w celu zapobieżenia dyfuzji miedzi do granic ziaren stali nierdzewnej oraz celem zwiększenia adhezji. Połączenie takie jest spawane dyfuzyjnie w temperaturze 850 - 950°C. Sposób ten wymaga do utworzenia połączenia stosunkowo wysokiej temperatury i długiego okresu trwania obróbki cieplnej. Ponadto wytrzymałość utworzonego tym sposobem połączenia jest ograniczona. Opis patentowy US 5 664 723 wprowadza technikę lutowania, w której element miedziany łączony jest z metalem lub z materiałem ceramicznym. Połączenie miedzi i stali nierdzewnej, ujawnione w tej publikacji, wykonane jest przy użyciu niezmiernie cienkiej warstwy niklu na powierzchni stali w charakterze bariery dyfuzyjnej a także poprzez użycie warstwy cyny w charakterze środka lutowniczego na powierzchni miedzi. Elementy te zbliżane są do siebie i nagrzewane w dwóch etapach, najpierw do temperatury 400°C przez 1 godzinę, a następnie dodatkowo do temperatury 800°C przez 20 minut. Sposób ten wymaga zatem stosunkowo długiego czasu nagrzewania w dwóch etapach.

Celem niniejszego wynalazku jest realizacja sposobu tworzenia połączenia, w którym możliwe do uniknięcia są wady i niedogodności rozwiązań, znanych ze stanu techniki.

Celem wynalazku jest stworzenie połączenia, które zachowuje dobre własności przewodnictwa elektrycznego, nawet przy dłuższym oddziaływaniu środowiska korozyjnego. Jeszcze innym celem wynalazku jest stworzenie połączenia, które charakteryzuje się dobrą wytrzymałością w wysokich temperaturach.

Wynalazek ten scharakteryzowany jest przez załączone zastrzeżenia.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że na powierzchnię lub naprzeciwko powierzchni złączeniowej elementu stalowego nakłada się pierwszą warstwę pośrednią zapobiegającą utracie niklu z elementu stalowego i przynajmniej drugą warstwę pośrednią, na powierzchnię lub naprzeciwko powierzchni złączeniowej elementu miedzianego, w celu aktywacji tworzenia się roztworu dyfuzyjnego. Według korzystnego przykładu wykonania, pierwszą warstwę pośrednią wybiera się z grupy następujących materiałów: nikiel (Ni), chrom (Cr), mieszanina lub stop niklu i chromu (Ni + Cr), mieszanina chromu i niklu (Cr + Ni). Według korzystnego przykładu wykonania druga warstwa pośrednia składa się głównie z cyny (Sn).

Według korzystnego wariantu wykonania wynalazku wprowadza się dodatkowo, pomiędzy pierwszą warstwę pośrednią a element miedziany, co najmniej trzecią warstwę pośrednią. Zgodnie z korzystnym wariantem wykonania sposobu, nakłada się przynajmniej drugą warstwę pośrednią oraz przynajmniej trzecią warstwę pośrednią, przy czym temperatura topnienia drugiej warstwy pośredniej jest niższa niż temperatura topnienia trzeciej warstwy pośredniej. Trzecia warstwa pośrednia może składać się głównie ze srebra (Ag) lub stanowić stop albo mieszaninę srebra (Ag) i miedzi (Cu). Według korzystnego wariantu wykonania sposobu, obszar połączenia nagrzewa się w jednym etapie.

Sposób według wynalazku posiada kilka ważnych zalet. Poprzez nałożenie, podczas tworzenia połączenia, warstwy niklu na powierzchnię stali możliwe jest zapobieżenie utracie niklu, jaka mogłaby zachodzić w stali austenitycznej w kierunku miedzi i mogłaby powiększyć kruchość stali. Tworzenie się połączenia aktywowane jest przez środek lutowniczy na powierzchni połączenia między powierzchnią miedzi i arkuszem stali pokrytym niklem. Dzięki użyciu aktywatora, zastosować można niższe temperatury łączenia, dzięki czemu niższe są naprężenia termiczne w obszarze połączenia. Dzięki zastosowaniu warstw pośrednich według wynalazku, do utworzenia połączenia wykorzystać można jednoetapowy proces nagrzewania. Dzięki wykorzystaniu układu według wynalazku, uzyskiwane są połączenia, odznaczające się lepszą wytrzymałością na rozciąganie niż konwencjonalne połączenia dyfuzyjne.

PL 196 423 B1

Określenie miedź oznacza poza elementami wykonanymi z miedzi również materiały stopowe z pewną zawartością miedzi, które zawierają przynajmniej 50% miedzi. Określenie stal nierdzewna oznacza głównie stopy stali austenitycznej, takie jak stale nierdzewne i kwasoodporne.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig.1 przedstawia strukturę połączenia według wynalazku przed nagrzewaniem, fig.2 - strukturę innego połączenia według wynalazku przed nagrzewaniem, a fig. 3 - strukturę trzeciego połączenia według wynalazku przed nagrzewaniem.

W sposobie według wynalazku tworzy się połączenie między elementem 1, składającym się głównie z miedzi oraz elementem 2 z nierdzewnej stali austenitycznej, przy czym w sposobie tym, między łączonymi powierzchniami, umieszcza się kilka warstw pośrednich, z których przynajmniej jedna składa się ze środka lutowniczego. Powierzchnie umieszcza się naprzeciw siebie i ściska, tak iż środek lutowniczy pozostaje między ściśniętymi powierzchniami. Energię cieplną doprowadza się przynajmniej do obszaru połączenia, przez co powstaje połączenie dyfuzyjne.

Figura 1 ilustruje przykład wykonania sposobu według wynalazku, ukazany na przekroju poprzecznym przed etapem obróbki cieplnej. Łączone są wzajemnie element 1, składający się głównie z miedzi oraz inny element 2 składający się z nierdzewnej stali austenitycznej. W połączeniu między tymi dwoma elementami rozmieszczone są warstwy pośrednie 3, 4. Pierwsza warstwa pośrednia 3, umieszczona naprzeciw stali, zawiera głównie nikiel (Ni). Dodatkowo, przy tworzeniu połączenia wykorzystywana jest również druga warstwa pośrednia 4, to jest tak zwana warstwa aktywatora, którą wtym przypadku stanowi na przykład cyna (Sn). Cyna działa jako aktywator i powoduje obniżenie temperatury, jaka wymagana jest do utworzenia połączenia.

Pierwsza warstwa pośrednia 3 może zostać utworzona na powierzchni stali nierdzewnej w odrębnej obróbce. Gdy w charakterze pierwszej warstwy pośredniej 3 wykorzystywany jest nikiel, warstwa ta może być wytworzona na powierzchni stali nierdzewnej, na przykład przy zastosowaniu elektrolizy. Stosuje się zwykle galwanizację niklem, tak że warstwa pasywacyjna na powierzchni stali nierdzewnej nie stanowi żadnej przeszkody dla transferu materiału na powierzchni połączenia między stalą nierdzewną a niklem. Pierwsza warstwa pośrednia 3 może mieć także postać metalowej folii.

Przy ogrzewaniu obszaru połączenia, na łączonych ze sobą powierzchniach elementów powstaje połączenie dyfuzyjne. Dzieje się tak na skutek dyfuzji niklu z jednej strony oraz dyfuzji miedzi i składników stali z drugiej strony. Utworzenie połączenia dyfuzyjnego oraz powstałych w nim struktur aktywowane jest przez niezmiernie cienką drugą warstwę pośrednią 4, wymaganą przez stosowane warunki wytwarzania oraz wymagane połączenie, to znaczy warstwę środka lutowniczego lub też przez mieszaninę kilku warstw pośrednich 4, 5, umieszczonych na powierzchni połączenia między pokrytym niklem elementem stalowym 2 a elementem miedzianym 1.

Stosowane środki lutownicze warstw pośrednich 4, 5, jak również środki aktywujące dyfuzję mogą być stopami srebra i miedzi oraz cyną w czystej postaci lub też mogą stanowić specyficzne struktury warstwowe. Połączenia wytrzymałe mechanicznie uzyskiwane są w zakresie temperatur 600 - 800°C. Dobór czasów trwania obróbki cieplnej może być dokonany tak, ażeby uniknąć powstania kruchych faz międzymetalicznych w gotowym połączeniu. Grubości środka lutowniczego jak również temperatura obróbki cieplnej oraz jej czas trwania dobrane są tak, aby zapobiec utracie niklu ze stali w wyniku umieszczenia na jej powierzchni stopu o wysokiej zawartości niklu. Zaletą niskiej temperatury łączenia jest minimalizacja naprężeń termicznych powstałych w obszarze połączenia.

Figura 2 ilustruje inny korzystny przykład wykonania sposobu łączenia według wynalazku, przed obróbką cieplną. Łączone są wzajemnie element składający się zasadniczo z miedzi oraz element 2, składający się z austenitycznej stali nierdzewnej. W połączeniu między tymi dwoma elementami rozmieszczonych jest kilka warstw pośrednich 3, 4, 5. Pierwsza warstwa pośrednia 3, umieszczona naprzeciwko stali, zawiera głównie nikiel (Ni). Dodatkowo, przy tworzeniu połączenia stosowana jest również druga warstwa pośrednia 4, to znaczy tak zwany aktywator, który w tym przypadku stanowi cyna (Sn). Cyna działa przy powstawaniu połączenia jako aktywator i powoduje obniżenie temperatury, wymaganej do utworzenia połączenia. Poza warstwą cyny połączenie to zawiera, pomiędzy warstwą cyny 4 oraz warstwą niklu 3, trzecią warstwę pośrednią 5, która składa się korzystnie z innego środka lutowniczego. W korzystnym przykładzie wykonania, jest to środek lutowniczy o postaci Ag + Cu, korzystnie w postaci metalowej folii. Według korzystnego przykładu wykonania druga warstwa środka lutowniczego zawiera, wagowo 71% Ag i 29% Cu. Środek lutowniczy posiada korzystnie, przy danym składzie stopu, pewną eutektyczną kompozycję zawierającą miedź.

PL 196 423B1

Figura 3 ilustruje jeszcze inny przykład wykonania sposobu według wynalazku przed nagrzaniem połączenia. Na obydwu powierzchniach trzeciej warstwy pośredniej 5 lub naprzeciwko tych powierzchni obecna jest druga warstwa pośrednia 4. W tym przykładzie wykonania stosowana może być zwykle warstwa folii, a jedna lub obydwie powierzchnie folii pokrywane są, przykładowo, cyną.

Grubości warstw pośrednich, stosowanych w sposobie są zmienne. Grubość warstwy Ni, zastosowanej w charakterze pierwszej warstwy pośredniej, wynosi zwykle 2- 50 mm. Po elektrolizie wynosi ona zwykle 2-10 mm, w postaci folii o grubości rzędu 20 -50 mm. Grubość folii Ag lub Ag + Cu, zastosowanej w charakterze trzeciej warstwy pośredniej, wynosi zwykle 10 -500 mm, korzystnie 20- 100 mm. Grubość drugiej warstwy pośredniej 4 zależy zwykle od grubości trzeciej warstwy pośredniej 5 i wynosi, przykładowo, 10 - 50% grubości trzeciej warstwy pośredniej. Wyjątkowo dobrej jakości połączenia uzyskano na przykład dzięki zastosowaniu warstwy cyny o grubość 5 -10 mm na powierzchniach o grubości 50 mm środka lutowniczego w postaci folii Ag + Cu. Warstwy cyny mogą być tworzone na przykład poprzez zanurzenie środka lutowniczego o postaci folii w roztopionej cynie, agdy jest to niezbędne, poprzez następujące kolejno walcowanie tej folii w celu jej wygładzenia.

Przykład 1

Połączono wzajemnie stal kwasoodporną (AISI 316) oraz miedź (Cu). Na złączeniowej powierzchni stali umieszczono, w charakterze pierwszej warstwy pośredniej, warstwę niklu (Ni) o grubości 7 mm. W charakterze aktywatora dyfuzji i środka lutowniczego wykorzystano środek lutowniczy typu Ag + Cu o składzie eutektycznym, zawierający, wagowo 71% Ag oraz 29% Cu. Środek lutowniczy miał postać folii o grubości 50 mm, zaś na powierzchni tej folii utworzono również warstwę cyny (Sn) o grubości rzędu 5-10 mm. Łączone razem elementy umieszczono naprzeciwko siebie a obszar połączenia rozgrzano do temperatury powyżej temperatury topnienia środka lutowniczego, to jest do temperatury około 800°C. Czas utrzymywania wynosił około 10 minut. W przykładzie tym uzyskano doskonałe połączenie.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób tworzenia połączenia między miedzią i stalą nierdzewną lub stopami miedzi astopami stali austenitycznej, w którym pomiędzy powierzchniami złączeniowymi łączonych elementów tworzy się przynajmniej jedna warstwa pośrednia, tak że powierzchnie złączeniowe, włącznie z warstwami pośrednimi ściska się wzajemnie i przynajmniej obszar złączenia rozgrzewa się w celu utworzenia połączenia dyfuzyjnego, znamienny tym, że na powierzchni lub naprzeciwko powierzchni złączeniowej elementu stalowego (2) tworzy się pierwszą warstwę pośrednią (3), zapobiegającą utracie nikluzelementu stalowego (2) i przynajmniej drugą warstwę pośrednią (4) na powierzchni lub naprzeciwko powierzchni złączeniowej elementu miedzianego (1) wcelu uaktywnienia tworzenia się połączenia dyfuzyjnego, a pomiędzy pierwszą warstwą pośrednią (3)aelementem miedzianym (1) tworzy się przynajmniej trzecią warstwę pośrednią (5), składającą się głównie ze srebra (Ag) lub ze srebra (Ag) i miedzi (Cu), w postaci stopu albo w postaci mieszaniny.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszą warstwę pośrednią (3) wybiera się z następującej grupy: nikiel (Ni), chrom (Cr), mieszanina lub stop niklu i chromu (Ni + Cr), mieszanina chromu i niklu (Cr + Ni).
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że druga warstwa pośrednia (2) składa się głównie z cyny (Sn).
4. 4. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że umieszcza się przynajmniej drugą warstwę pośrednią (4) oraz przynajmniej trzecią warstwę pośrednią (5), przy czym temperatura topnienia drugiej warstwy pośredniej (4) jest niższa niż temperatura topnienia trzeciej warstwy pośredniej (5).
5. 5. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że obszar złącza nagrzewa się w jednym etapie.
6. 6. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że obszar złącza nagrzewa się do temperatury 600 - 850°C.
7. 7. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że grubość pierwszej warstwy pośredniej (3) wynosi około 2 -50 mm.

   PL 196 423 B1
8. 8. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że grubość trzeciej warstwy pośredniej (5) wynosi około 10 - 500 mm.
9. 9. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 8, znamienny tym, że na powierzchnię trzeciej warstwy pośredniej (5) nakłada się drugą warstwę pośrednią (4).
10. 10. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 9, znamienny tym, że przynajmniej jedną z warstw pośrednich (3, 4, 5) nakłada się na obszar połączenia w postaci folii.