DE60117291T2

DE60117291T2 - Verfahren zum schützgaslöten eines galvanisch behandelten produkts mit einem stahlträgerbauteil und einer rostschutz-metallbeschichtung

Info

Publication number: DE60117291T2
Application number: DE60117291T
Authority: DE
Inventors: Ernest Totino; Christian Hug
Original assignee: Carbone Lorraine SA
Current assignee: Mersen SA
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: US20020079355A1; CA2432650C; EP1343605A1; ES2259054T3; US6702177B2; EP1343605B1; CA2432650A1; DE60117291D1; WO2002051576A1; ATE317736T1; DK1343605T3; US20040065392A1; JP2004519330A; FR2818579A1; KR20030061402A; FR2818579B1; KR100775301B1

Description

Die Erfindung betrifft die Vorrichtungen zur Handhabung, Lagerung und Behandlung von chemischen Produkten, die für die chemische Industrie bestimmt sind. Sie betrifft insbesondere die Vorrichtungen zum Mischen, Behandeln und Befördern von hochkorrosiven Produkten wie konzentrierten Säuren oder Basen. In der vorliegenden Anmeldung ist der Ausdruck "Chemievorrichtungsselement" eine Sammelbezeichnung für die Lagerbehälter, die Speicher, die Wärmetauscher, die Reaktoren, die Mischer, die Behandlungsvorrichtungen und die Beförderungsvorrichtungen.
Die Erfindung betrifft noch spezifischer eine Verfahren zur Herstellung eines Verbundprodukts, das wenigstens einen Trägerteil aus Stahl und eine metallische Korrosionsschutzverkleidung umfasst, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (s. zum Beispiel US-A-4 291 104.
Stand der Technik
In den chemischen Industrien werden zahlreiche Chemievorrichtungselemente benutzt, um hochkorrosive chemische Produkte zu handhaben, zu lagern und/oder zu behandeln, die folglich korrosiven Angriffen standhalten müssen.
Um eine gute Korrosionsfestigkeit zu garantieren, umfassen die chemischen Elemente meist Trägerteile aus Stahl und eine metallische Antikorrosionsverkleidung auf der Basis sogenannter Edelmetalle wie Titan, Tantal, Zirkon, einer Legierung auf Nickelbasis oder nichtoxidierbarem Stahl. Die Chemievorrichtungselemente können realisiert werden durch den Zusammenbau von Verbundteilen wie etwa Platten, die vorher mit einer metallischen Antikorrosionsverkleidung überzogen wurden. Die Antikorrosionsverkleidung kann auf verschiedene Arten an dem Trägerteil befestigt werden, zum Beispiel durch Molettierung bzw. Rändelung, durch Explosion ("Clad-Explosion"), durch Warmkalandrieren oder durch einfaches Aufziehen bzw. Ummanteln ohne Verbindung zwischen der Platte und der Antikorrosionsverkleidung.
Bestimmte Anwendungen wie etwa die Vorrichtungen mit niedrigem Innendruck bedürfen einer starken Verbindung zwischen dem Trägerteil aus Stahl und der Antikorrosionsverkleidung, das heißt eine Verbindung mit einer hohen Reiß- bzw. Trennfestigkeit, um zu vermeiden, dass sie sich voneinander lösen, was zu einem Kollaps (im Englischen "collapsing") der Antikorrosionsverkleidung führen würde. Das Rändeln, die Clad-Explosion und das Kalandrieren ermöglichen, sehr starke Trägerteil/Verkleidungsverbindungen zu erhalten, aber diese Techniken können nur angewendet werden, wenn die Dicke der Antikorrosionsverkleidung unter 0,7 mm liegt.
Die Anmelderin hat also eine Methode zur industriellen Anwendung entwickelt, mit der eine Antikorrosionsverkleidung von geringer Dicke auf einem Träger aus Stahl befestigt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundprodukts oder eines Chemievorrichtungselements nach Anspruch 1 zum Gegenstand.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass das Verfahren der Erfindung ermöglicht, eine Antikorrosionsverkleidung solide auf einem Metallteil aus Stahl zu befestigen, deren Dicke weniger als 1 mm oder sogar weniger als 0,5 mm und eventuell 0,3 mm oder noch weniger beträgt.
Figuren
Die 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbundprodukts.
Die 2 ist eine schematische Darstellung einer Realisierungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Erfindung
Nach der Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung eines Verbundprodukts (1) mit einem Trägerteil aus Stahl (2) und einer metallischen Antikorrosionsverkleidung (3) dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine Lötoperation unter kontrollierter Atmosphäre umfasst, wobei wenigstens ein Lötmaterial (4) benutzt wird, um eine mechanische Verbindung zwischen wenigstens einem bestimmten Teil des Trägers (2) und wenigstens einem bestimmten Teil des Überzugs (3) herzustellen.
Die genannten bestimmten Teile sind Verbindungsflächen. Die Übergang zwischen dem Träger und der Verkleidung kann durch mehrere Verbindungsflächen gebildet werden.
Die Verbindungsfläche oder -flächen werden vorteilhafterweise vor der Lötoperation vorbehandelt, um insbesondere die Oberflächenoxide zu eliminieren. Man kann zum Beispiel wenigstens eine der folgenden Behandlungen wählen: chemisch, elektrochemisch, physikalisch-chemisch oder mechanisch (etwa chemisches oder elektrochemisches Beizen, mechanisches Bearbeiten oder Schleifen). Diese Behandlungen können kombiniert werden.
Um die Solidität der Verbindung zu erhöhen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch die Abscheidung wenigstens einer Schicht umfassen, die fähig ist, die Haftung des Lötmaterial zu verbessern. Die Abscheidung kann auf chemischem Wege, elektrolytischem Wege oder in der Dampfphase erfolgen (chemische Dampfphasenabscheidung oder physikalische Dampfphasenabscheidung). Die genannte Schicht ist typisch metallisch, zum Beispiel aus Titan oder Kupfer. Die Abscheidung kann auf dem Trägerteil (2) oder auch der metallischen Verkleidung (3) oder auf beidem erfolgen.
Die Lötoperation umfasst die Annäherung beider Teile bis auf einen Abstand D, der vorzugsweise so gewählt wird, dass sich während der Lötoperation zwischen den Verbindungsflächen keine Gasblasen oder Verbindungsdefekte bzw. -fehler bilden. Der Abstand D ist typisch kleiner als 0,1 mm. Den gewünschten Wert von D erreicht man durch die Anwendung eines Plattierungsdrucks auf den Träger und die Verkleidung.
Die kontrollierte Atmosphäre ist ein inertes Gas (ein Edelgas (typisch Argon oder Helium) oder Stickstoff oder eine Mischung aus beiden).
Bei der erfindungsgemäßen Realisierungsart umfasst die genannte Lötoperation unter kontrollierter Atmosphäre:

– das Einbringen von wenigstens einem Lötwerkstoff zwischen dem Trägerteil aus Stahl (2) und der Antikorrosionsverkleidung (3), um einen Ausgangsverbund (5) herzustellen;
– das Anwenden eines Plattierungsdrucks auf den genannten Ausgangsverbund;
– das Einführen des Ausgangsverbunds in eine Kammer mit kontrollierter Atmosphäre (10), ausgestattet mit einer Heizeinrichtung (11), zum Beispiel einem Widerstand;
– die Kontrolle der Atmosphäre in der Kammer (10) (und folglich in der Umgebung des genannten Verbunds), indem man die genannte Atmosphäre austauscht gegen ein Intertgas;
– das Erwärmen des genannten Verbunds (5) bis auf eine Temperatur wenigstens gleich der Löttemperatur des genannten Lötwerkstoffs (4).

Die Löttemperatur, typisch gleich der Schmelztemperatur des Lötwerkstoffs, ist so, dass der Lötwerkstoff schmilzt und eine enge Verbindung mit dem Element herstellt, mit dem er Kontakt hat (Trägerteil aus Stahl und/oder Antikorrosionsverkleidung).
Der Schmelzwerkstoff verteilt sich vorteilhafterweise gleichmäßig zwischen dem Trägerteil und der Antikorrosionsverkleidung, um eine gleichmäßige Verbindungsschicht herzustellen und die Kontaktfläche zwischen diesen beiden Elementen zu vergrößern.
Die Einbringung des Lötwerkstoffs (4) zwischen dem Trägerteil (2) und der Antikorrosionsverkleidung (3) kann in zwei Schritten erfolgen. Insbesondere kann die Einbringung umfassen:

– die Anbringen des Lötwerkstoffs (4) auf dem Trägerteil (2), auf der sogenannten "Verbindungsfläche";
– das Positionieren der Antikorrosionsverkleidung (3) auf dem Trägerteil (2), um den genannten Ausgangsverbund (5) zu bilden.

In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, zunächst den Lötwerkstoff (4) auf dem Antikorrosionsverkleidung (3) auf der sogenannten "Verbindungsfläche" anzubringen und anschließend den Trägerteil (2) auf der Antikorrosionsverkleidung zu positionieren, um den genannten Ausgangsverbund (5) zu bilden.
Vor und/oder während der Erwärmung wird auf den gesamten Verbund ein mechanischer Plattierungsdruck angewendet. Dieser Plattierungsdruck wird ausgeübt, indem der Trägerteil und die Antikorrosionsverkleidung gegeneinander gepresst werden, so dass der Lötwerkstoff komprimiert wird.
Die Antikorrosionsverkleidung (3) ist aus Titan, einer Titanlegierung, Tantal, einer Tantallegierung, Zirkon oder einer Zirkonlegierung.
Der Lötwerkstoff (4) kann eine schmelzende Legierung sein (typisch eine eutektische Legierung) oder ein schmelzendes Metall. Dieser Werkstoff (4) enthält eventuell ein Flussmittel. Vorteilhafterweise kann der Lötwerkstoff in das Element diffundieren, mit dem er Kontakt hat, was eine sehr starke Verbindung zwischen den beiden Elementen ermöglicht. Der Lötwerkstoff präsentiert sich typisch in Form eines Pulvers, eines Bands oder eines Geflechts. Bei ihren Versuchen hat die Anmelderin festgestellt, dass das Geflecht den Vorteil hat, eventuelle Schwankungen des Abstands D zwischen den Verbindungsflächen zu kompensieren.
Wenn die Verkleidung (3) aus Tantal oder einer Tantallegierung ist, ist der Lötwerkstoff (4) typisch aus Nickel, Chrom, Silicium oder Bor oder einer Mischung oder einer Legierung aus diesen, etwa eine Legierung des BNi-Typs, die Nickel und Bor enthält (nach der ASTM-Klassifizierung), zum Beispiel Ni-14Cr-3B-4,5Si-4Fe, Ni-7Cr-3B-4,5Si-3Fe oder Ni-2B-3,5Si-1,5Fe. In diesen Fällen liegt die Löttemperatur typisch zwischen 1000 und 1050 °C. Der Lötwerkstoff (4) kann auch ein Material (etwa eine Legierung oder eine Mischung) auf der Basis von Silber sein, das Lithium, Kupfer, Aluminium, Zink und/oder Zinn enthält.
Wenn die Verkleidung (3) aus Titan oder einer Titanlegierung ist, ist der Lötwerkstoff (4) typisch ein Material (etwa eine Legierung oder eine Mischung) auf der Basis von Silber, die Lithium, Kupfer, Aluminium, Zink und/oder Zinn enthält, oder eine Legierung auf der Basis von Titan, etwa TiNi, TiZrBe, 48Ti-48Zr-4Be oder 43Ti-43Zr-12Ni-2Be.
Wenn die Verkleidung (3) aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung ist, ist der Lötwerkstoff (4) typisch ein Material (etwa eine Legierung oder eine Mischung) auf der Basis von Zirkon, Kupfer oder Nickel, etwa Zr-5Be, Cu-20Pd-3In, Ni-20Pd-10Si, Ni-30Ge-13Cr oder Ni-6P. Der Lötwerkstoff (4) kann auch ein Material (etwa eine Legierung oder eine Mischung) auf der Basis von Silber sein, die Lithium, Kupfer, Aluminium, Zink und/oder Zinn enthält.
Die Trägerteile aus Stahl und die Antikorrosionsverkleidung können die Form von Platten haben. Diese Elemente, die vorher zugeschnitten werden können, sind typisch eben, können aber auch gewölbte, semizylindrische oder andere Formen haben. Die Elemente können auch geformt werden, ehe sie durch Lötung vereinigt werden. Es ist auch möglich, die Lötung bei einem Chemievorrichtungselement mit Hilfe metallischer Antikorrosionsverkleidungen mit einer entsprechenden Form vorzunehmen.
Der verwendete Stahl ist im Allgemeinen eine Kohlenstoffstahl und vorzugsweise ein Chromstahl. Es ist besonders vorteilhaft, einen Stahl zu verwenden, dessen Wärmedehnungskoeffizient ungefähr dem der Antikorrosionsverkleidung entspricht, das heißt dass die Differenz zwischen dem Wärmedehnungskoeffizienten des Stahls und dem Wärmedehnungskoeffizienten der Antikorrosionsverkleidung vorteilhafterweise unter 20 % und vorzugsweise unter 10 % liegt. Noch genauer sollte der Wärmedehnungskoeffizient des Stahls gleich dem der Verkleidung ± 20 % und vorzugsweise ± 10 % sein.
Das Trägerteil (2) und/oder die Antikorrosionsverkleidung können sich in Platten- oder Blechenform präsentieren.
Beispiele, beispielartig präsentiert, nicht gedeckt durch den Gegenstand der die Erfindung definierenden Ansprüche.
Versuche 1
Es wurden Versuche zur Herstellung von Verbundteilen aus Platten aus Kohlenstoffstahl und Antikorrosionsverkleidungen aus Tantal mittels Vakuumlötung durchgeführt. Der Lötwerkstoff war eine BNi-Legierung der ASTM-Klassifizierung auf der Basis von Nickel, die Bor, Chrom und Silicium enthielt.
Die bei diesen Versuchen gemessenen Reiß- bzw. Trennfestigkeitswerte befanden sich zwischen denen von Verbundteilen, die durch Clad-Explosion hergestellt werden, und denen, die durch Rändelung hergestellt werden.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass die Diffusionstiefe des Lötmaterials in Tantal 10 bis 20 μm beträgt, so dass die Korrosionsfestigkeit der Tantalverkleidung durch diese Difusion nicht betroffen ist.
Versuche 2
Es wurden Versuche zur Herstellung von Verbundteilen aus Platten aus Kohlenstoffstahl und Antikorrosionsverkleidungen entweder aus Tantal oder aus Titan mittels Vakuumlötung durchgeführt, wobei ein Lötwerkstoff auf der Basis von Silber und Kupfer verwendet wurde.
Biege- und Lochungstests (Krümmungsradien von 30 mm bis 100 mm variierend) führten zu keinem Reißen oder Entfestigen der Lötfuge, die eine relativ niedrige Härte aufwies (110 Hv bzw. Vickershärte). Außerdem wurden die Titanplatten (1m × 1m) einer Kalandrierung mit einem Krümmungsradius von 150 mm unterzogen, und dies ohne Verschlechterung der Qualität der Fuge (auch nicht auf mikroskopischem Niveau).
Zudem hat die Anmelderin eine Diffusionstiefe des Lötwerkstoffs (4) in die Antikorrosionsverkleidung (3) von weniger als 60 μm festgestellt, so dass die Korrosionsfestigkeit durch diese Diffusion nicht betroffen ist.
Vorteile der Erfindung
Die durch das Verfahren der Erfindung hergestellten Plattierungsprodukte haben den Vorteil einer hohen transversalen Wärmeleitfähigkeit dank einer engen Verbindung zwischen Trägerteil und Antikorrosionsverkleidung über den größten Teil der Verbindungsfläche, was bei einer zum Beispiel durch Rändelung realisierten Verbindung, die keine Verbindungsnaht erzeugt, nicht der Fall ist. Eine transversale Wärmeleitfähigkeit ist insbesondere bei den chemischen Vorrichtung vorteilhaft, die Wärmeübertragungseinrichtungen wie Wärmetauscher oder eine Kühlungs- oder Erwärmungs-Doppelhülle umfassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsteils oder eine Bauelements für Chemieeinrichtungen mit einem Trägerbauteil aus Stahl (2) und einer rostschützenden Metallbeschichtung (3) auf einem Material, das zur Gruppe bestehend aus Tantal und seinen Legierungen, Titan und seinen Legierungen und Zrkonium und seinen Legierungen gehört, umfassend mindestens einen Lötvorgang unter kontrollierter Atmosphäre unter Verwendung von mindestens einem Lötwerkstoff (4) zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen mindestens einem bestimmten Teil des Trägers (2) und mindestens einem bestimmten Teil der Beschichtung (3), wobei die bestimmten Teile des Trägers und der Beschichtung nachfolgend auch Verbindungsflächen genannt werden, weicher Lötvorgang umfasst: – das Einbringen von mindestens einem Löwerkstoff (4) zwischen mindestens einen bestimmten Teil des Trägerbauteils (2) und mindestens einen bestimmten Teil der rostschützenden Metallbeschitung (3), um eine Erstverbindung (5) herzustellen; – das Einführen der Erstverbindung in eine mit Heizmitteln (11) versehene Kammer mit kontrollierter Atmosphäre (10); – die Erwärmung der Anordnung (5) auf eine Temperatur, die mindestens der Löttemperatur des Lötwerkstoffs (4) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötvorgang den Ersatz der Atmosphäre in der Kammer durch ein Schutzgas umfasst und vor und/oder während der Erwärmung ein Pressdruck auf die Erstverbindung (5) ausgeübt wird, um das Trägerbauteil und die rostschützende Beschichtung aneinander zu pressen und den Lötwerkstoff zu komprimieren.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Lötvorgang das Zusammenführen der Verbindungsflächen umfasst, derart, dass sich ein Abstand D kleiner als 0,1 mm ergibt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die kontrollierte Atmosphäre ein Schutzgas ist, das aus das Gruppe bestehend auf den Edelgasen, Stickstoff und deren Gsmischen gewählt wird.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, weiches von dem Löten zusätzlich mindestens eine Behandlung der Verbindungsflächen umfasst, welche Behandlung aus der Gruppe der chemischen, elektrochemischen, physikalisch-chemischen und mechanischen Behandlungen und deren Kombinationen gewählt wird.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich die Abscheidung mindestens einer Schicht umfasst, welche das Haften des Lötwerkstoffs zu verbessern vermag.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht metallisch ist und die Abscheidung chemisch, elektrolytisch oder aus der Dampfphase erfolgt.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (3) geringer als 1 mm ist.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Lötwerkstoffs (4) auf die korrosionsschützende Beschichtung (3) auf gleicher Höhe mit der Verbindungsfläche durchgeführt wird und das Trädgerbauteil anschließend auf die rostschützende Beschichtung platziert wird, um die Erstverbindung (5) herzustellen.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) auf Tantal oder einer Tantallegierung besteht und der Lötwerkstoff (4) ein nickel- und borhaltiger Werkstoff ist.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) aus Titan oder einer Titanlegierung besteht und der Lötwerkstoff (4) eine Legierung auf Basis von Titan ist.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) auf Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung besteht und der Lötwerkstoff (4) eine Legierung auf Basis von Zirkonium, Kupfer oder Nickel ist.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) aus Tantal oder einer Tantallegierung, aus Titan oder einer Titanlegierung oder aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung besteht und der Lötwerkstoff (4) ein Werkstoff auf Basis von Silber ist, der Lithium, Kupfer, Aluminium, Zink und/oder um enthält.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötwerkstoff in Form von Pulver, Band oder Draht vorliegt.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein Chromstahl ist.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stahls und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der rostschützenden Metallbeschichtung weniger als 20 % beträgt.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerbauteil (2) als Platte oder Blech ausgebildet ist.
Herstellungsverfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) als Platte oder Blech ausgebildet ist.