SE523855C2 - Järnbaserat lodmaterial för sammanfogning av elememt och lödd produkt framställd härmed - Google Patents

Description

- . . - .- szs ass applikationer. Det är t ex oftast inte tillåtet att använda kopparlod för livsmedelsapplikationer, däremot används kopparlödda plattvärmeväxlare i tjärrvärme- och bruksvatteninstallationer.

Värmeväxlare sammanfogade med nickellod kan utnyttjas i många sammanhang och är också tillåtna i ett begränsat urval av livsmedels- applikationer.

Sammansättningen hos den lödfog. som erhålles vid nickellödning av järn- eller icke Ni-baserade material awiker kraftigt från sammansättningen hos det material som sammanfogas. Man erhåller alltså oönskade skillna- der i kemiska och mekaniska egenskaper.

Föreliggande uppfinning erbjuder möjlighet att genom lödning samman- foga en produkt genom att använda ett lodmaterial med i huvudsak samma sammansättning som det basmaterial av vilken produkten framställs, varvid dock lodmaterialet innehåller tillsatser som sänker dess likvidustemperatur. Föreliggande uppfinning erbjuder alltså en möjlighet att framställa en livsmedelsgodkänd apparatur som t ex en plattvärme- växlare genom att använda ett Iodmaterial enligt uppfinningen.

Uppflnningen" kännetecknas huvudsakligen av att lodmaterialet utgöres av en legering som förutom järn innehåller Cr och Ni, varvid mängdenCr är 17 - 40 %, mängden Ni maximalt är 20 %, mängden Mn maximalt är 16 % och mängden Mo maximalt är 7 %, allt räknat i viktsprocent samt 7-16 % Si, vilken Si-tillsats sänker likvidustemperaturen, d v s den temperatur vid vilken lodmaterialet smält fullständigt ochvarvid legeringen kan innehålla B i en mängd av maximalt 1,5 %. 10 15 20 25 30 523 855 Med fördel innehåller lodmaterialet förutom Si också P, som ett supplement eller komplement till Si, vilka grundämnen också sänker likvidustemperaturen, varvid mängden P är maximalt 15 %. - l en fördelaktig utföringsform innehåller det järnbaserade lodmaterialet 8- 12 % Si. Den verksamma, lösta mängden Si bör ligga inom nämnda intervall för att den önskade smältpunktssänkande effekten skall uppnås.

Den analyserade mängden Si kan dock vara betydligt högre, eftersom Si kan förekomma i form av kiselkarbider eller kiselnitrider, vara bundet till syre eller ha förslaggats på annat sätt.

Det järnbaserade lodmaterialet kan om så önskas innehålla mikro- legeringselement såsom Ni, Ti, W, Al, Cu, Nb, Ta med flera.

Variationer i sammansättning kan också sammanhänga med små ofrånkomliga mängder av förorenande element som C, O, N och S.

Detjärnbaserade lodmaterialet framställes med fördel genom gas- eller vattenatomisering av en smälta med sammansättning enligt ovan.

Uppfinningen omfattar även en lödd produkt framställd genom samman- lödning av järnbaserade element, vilken produkt kännetecknas av att elementen är sammanfogade med ettjärnbaserat lodmaterial som är legerat med ett likvidussänkande grundämne såsom Si, eventuellt också med B eller P.

Den lödda produkten utgöres företrädesvis av en lödd plattvärmeväxlare framställd genom sammanlödning av plattor av ett järnbaserat material medelst ettjärnbaserat lodmaterial varvid de vid lödningen erhållna lödfogarna har en metalllurgisk sammansättning nära det järnbaserade 10 15 20 25 30 523 855 plattmaterialets sammansättning med lokalt högre mängder Si i och omkring Iödfogarna i jämförelse med det järnbaserade plattmaterialet.

Det äri sig känt att Si, B och P sänker likvidustemperaturen i Ni- legeflngan För sammanfogning medelst lödning av järnbaserade material har man som tidigare nämnts arbetat med Cu- eller Ni- lcd. Det har nu över- raskande visat sig att man kan utgå från ett basmaterial av samma sammansättning som materialet i de produkter man önskar sammanfoga och genom att legera detta med kisel åstadkomma ett väl fungerande lodmaterial. Genom att studera binära fasdiagram för rentjärn och Si, B i och P kan man konstatera att en Fe-Si legering har ett smältpunkts- minimum på 1212 °C vid omkring 19% Si. För en Fe-B-legering finns det ett smältminimum vid c:a 1174 °C vid ungefär 4 % B. I Fe-P-systemet finnes ett smältminimum vid c:a 1048 °C vid ungefär 10 % P.

Vanligen använder man dock inte rena järnmaterial utan man arbetar med järnbaserade legeringar som förutom Fe också innehåller relativt stora mängder Cr och Ni. I legeringarna ingår också Mo och Mn. Att med hjälp av fasdiagram försöka fastställa effekten av tillsats av olika mängder kisel blir så gott som omöjligt eftersom antalet dimensioner blir lika stort som antalet grundämnen i legeringen.

För att kunna erhålla en lödfog bör lodmaterialets likvidustemperatur ligga under 1200 °C. Genom att legera det järnbaserade lodmaterialet med bor eller fosfor skulle det i och för sig vara möjligt att erhålla ett lodmaterial som smälter. Nackdelen med legeringar med dessa material är att de bildar spröda intermetalliska faseri material med hög halt av t.ex. Cr, Mn, Mo och Ni. De spröda faserna kan dock bringas att försvinna vid en 525 ess långvarig upphettning. Att använda en legeríng innehållande 19 % löst kisel skulle inte vara önskvärt, eftersom den höga kiselhalten gör lödfogen spröd, när lödoperationen genomföres på vanligt sätt.

Förvånansvärt nog har man alltså funnit att en tillsats av mindre mängd _ kisel kan ge en sådan sänkning av Iikvidustemperaturven att ett lämpligt lodmaterial erhålles. l nedanstående tabell visas olika exempel på lodmaterialsamman- sättningar vilka framställts genom _smältning i en liten vakuumugn. Göten fick därefter stelna i kokillen Tabell 1. Riktanalys för testsmältor Smälta Fe %Si %Mn %P %B %Cr %Mo %Ni 1 Bal 6 1 O 0 17 2,5 12 2 Bal 8 1 0 0 17 2,5 12 3 Bal 10 1 O O 17 2,5 12 4 Bal 12 1 0 0 17 2,5 12 5 Bal 15 1 0 O 17 2,5 12 6 Bal 6 1 0 ^ 1,5 17 2,5 12 7 Bal 6 1 3 O 17 2,5 12 8 Bal 10 1,5 17 2,5 20 Uttrycket Bal innebär att resterande mängd material i smältan utgöres av Fe.

Den verkliga sammansättningen av smältorna efter gjutningen uppmättes och framgår av tabell 2. 10 15 20 523 855 Tabell 2. Uppmätta halter i göten Smälta Fe %Si %Mn %P %B %Cr %Mo %Ni ppm O* 1 Bal 5,86 1,43 17,1 2,45 11,9 2 Bal 8,20 1,29 17,2 2,51 11,9 3 Bal 10,0 1,25 17,1 2,46 12,0 (56:57) 4 Bal 12,1 1,20 16,8 2,47 11,9 (31:31) 5 Bal 14,7 1,81 16,6 2,54 11,9 (38:42) 6 Bal 5,93 1,46 1,20 16,7 2,42 11,9 7 Bal 6,37 1,60 3,09 17,2 2,51 11,6 - a 8 Bal 10,0 1,47 16,4 2,54 20,5 (27:30) Två uppmätningar Ur dessa testsmältor gjordes ett pulver och en testlödning gjordes i en vakuumugn, vars max-temperatur är c:a 1190 °C. Proverna granskades okulärt för en bedömnig av om legeringen smält eller ej, d v s uppnått och passerat solidustemperaturen eller smält fullständigt, d v s uppnått likvidustemperaturen.

Tabell 3. Okulär bedömning av solidus- och likvidus-egenskaperna efter testlödning vid 1190 °C i vakuumugn Som framgår av tabellen uppvisar smälta 2-5 och 8 vid den okulära Smälta >Solidus >Likvidus 1 Ja Nej 2 Ja Nära 3 Ja ja eller nära 4 Ja Ja 5 ' Ja Ja 6 Ja Nej 7 Ja Nej 8 Ja Nära besiktningen tecken på att materialet kan anses lämpligt att använda för lödningsändamål. 10 15 20 25 w' 523 855 Bifogade ritningar visar hur smäitorna 2, 3 och 5 undersökts för mätning av smältintervall i en DTA- utrustning (Differential Thermal Analysis).

Mätningen utföres så att materialet i två försök upphettades från rumstemperatur till en temperatur av 900 °C och därefter till en maxtemperatur på 1300 °C för att därefter kylas till en temperatur av 900 °C. Upphettningen och avkylningen upprepas en ytterligare gång. De toppar som överlappar varandra och går nedåt i diagrammet visar den värmeenergi som måste tillföras för att uppnå smältning. Utbredningen av denna topp utgör ett mått på smältintervallet hos den studerade legenngen.

Fig 1 visar DTA kurva för smälta nr 2, fig 2 visar samma kurva for smälta nr 3 och fig 3 för smälta nr 5.

Som framgår av ritningarna är smältintervallet för en legering med c.a 8 % Si 1154 - 1197 °C (fig 1), fören legering med 10 % Si 1145 - 1182 °C (fig 2) och för en legering med 15 % Si 1142 - 1177 °C (fig 3)- Noggrannheten hos smältintervallet, eller awikelser från det uppmätta värdet enligt vad som angivits ovan beror inte enbart på skillnader i medelsammansättning. Förutom mikrostrukturen hos materialet är också halten av föroreningar viktig. Vanliga förorenande ämnen är C, O, S och N. Vid högre O-halter förslaggas Si under framställningen så att den effektiva, löstahalten av Si minskar. Detta innebär vanligen att likvidustemperaturen och solidustemperaturen stiger.

Kolhalten påverkar smältternperaturen så att en högre C-halt vanligtvis ger ett lägre smältintervall (lägre solidus- och likvidustemperatur), men 10 15 20 25 30 523 855 inverkar negativt på t ex korrosionsegenskaper vid lödning av ett av ett järnbaserat material som t ex AISI 316. Skillnader gentemot de uppmätta värdena torde således förekomma naturligt av skäl som nämnts ovan.

Variationer av solidus- occh likvidustemperaturerna med :10 °C är inte ovanliga.

Noggrannheten på värdet är också beroende av vilket mätinstrument och vilket förfarande som används vid analysen. En osäkerhet med i 20 °C för likvidus- och solidustemperaturerna kan förekomma vid den typ av Iegeringar där analys med DTA-metoden är vanligt förekommande.

Lodmaterialet enligt uppfinningen utnyttjas lämpligen i form av ett pulver.

Pulvret kan framställas genom att ett göt åstadkommas, vilket göt sedan krossas och males. Eftersom lodmaterialet är sprött är detta en lämplig tillverkningsmetod. Nackdelen med götgjutning är att en viss risk för segringar kan ge ett inhomogent material med svårdefinierade eller breda smältintervall. Vid mindre göt och/eller snabb kylning minskar dock risken för segringar. Vid götgjutning är det viktigt att minimera' kontakten med luft genom att använda vakuumgjutnig eller gjutning under skyddsgas. Till följd av den mekaniska bearbetningen ökar lodmatmerialets energiinnehåll och därmed dess reaktivitet.

Ytterligare framställningssätt för att erhålla ett pulver med homogen sammansättning utgöres av vatten- eller gasatomisering. Egenskaperna hos pulvret varierar i beroende av framställningssättet. De krossade och malda partiklarna är kantiga och vassa , de vattenatomatiserade är nodulära och de gasatomiserade i det närmaste sfäriska. Denna skillnad i partikelform ger lodmaterialet något varierande egenskaper vid användning för lödning. Genom att välja olika atomiseringsmetoder och krossnings/malningsgrad kombinerat med siktning kan fördelningen av 10 523 ess ' partikelstorleken kontrolleras. Vid vattenatomisering blir syrehalten i rå- pulvret vanligtvis högre eftersom vattenatomisering sker vid högre syre- potential än gasatomisering. En högre syrehalt kan ge dels Si- oxidutskiljningari materialet som kan ha en negativ inverkan på de mekaniska egenskaperna hos lödfogen. Den effektiva Si-halten i lodmaterialet blir följaktligen lägre, vilket innebär att smältintervallet förskjuts.

Lodmaterialet enligt uppfinningen kan appliceras på de ställen man önskar en lödfog genom olika metoder. Ett pulver av lodmaterialet framställt enligt något av ovan beskrivna metoder kan slammas upp i något bindemedel för att sedan appliceras på lämpligt sätt.

Claims (5)

10 15 20 25 30 523 855 - - > » »- 1. . . .. ... - -- . .. -.. . .... . . . n. .n -. . -...... . . ~ . . . .. - . . . t. . .10 . - n . u ..- Patentkrav

1. Järnbaserat Iodmaterial för sammanfogning av element genom Iödning, k ä n n e t e c k n at av att lodmaterialet utgöres av en legering som förutom järn innehåller Cr och Ni, varvid mängden Cr är 17 - 40 %, mängden Ni maximalt är 20 %, mängden Mn maximalt är 16 % och mängden Mo maximalt är 7 %, allt räknat i viktprocent samt 7 - 16 % Si, vilken Si-tillsats sänker likvidustemperaturen, d v sden temperatur vid vilken lodmaterialet är fullständigt smält och varvid legeringen kan innehålla B i en mängd av maximalt 1,5 %.

2. Järnbaserat Iodmaterial enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at av att lodmaterialet förutom Si också innehåller P, som ett supplement eller komplement till Si, vilket grundämne också sänker likvidustemperaturen, varvid mängden P är maximalt 15 %.

3. Järnbaserat Iodmaterial enligt krav 1, k ä n n e t e c k n at av att mängden Si är 8-12 %.

4. Järnbaserat Iodmaterial enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n at av att lodmaterialet är framställt genom gas- eller vattenatomisering av en smälta med sammansättning enligt ovan.

5. Lödd produkt framställd genom sammanlödning .avjärnbaserade element, k ä n n e t e c k n a d av att produkten utgöres av en plattvärmeväxlare med plattor av ett järnbaserat material _ g sammanlödd med ett järnbaserat Iodmaterial som är legerat med ett likvidussänkande grundämne som Si, eventuellt också med B eller P, varvid de vid lödningen erhållna lödfogarna har en metallurgisk sammansättning nära detjärnbaserade plattmaterialets sammansättning med lokalt högre mängder Si, i och omkring Iödfogarna ijämförelse med det järnbaserade plattmaterialet.