Металлополимерная композиция для соединения пластин паянного пластинчатого теплообменника из нержавеющей стали Российский патент 2021 года по МПК B23K35/36 B23K35/14 

Область техники

Изобретение относится к материалам для паяного соединения пластин паянного пластинчатого теплообменника (ППТО) из нержавеющей стали.

Уровень техники

Чтобы получить лучшее паяное соединение пластин ППТО, надо использовать материал припоя почти такой же, как и материал пластин, чтобы получить однородное соединение. Обычно пластины ППТО изготавливают из нержавеющей стали. Часто пластины паянных теплообменников изготавливают из стали 08X18H10 (зарубежный аналог - сталь марки aisi 304), а для их паянного соединения в паяльной пасте могут использовать металлический порошок из материала aisi 316 (это улучшенный вариант стали aisi 304, по ГОСТ 5632-2014 сталь аустенитного класса марки 03Х17Н14М3). Также важно использовать мелкозернистый металлический порошок, так как температура его плавления будет немного ниже, чем у основного материала пластин ППТО.

В отобранных в результате тщательного патентного поиска трех патентных РСТ-заявках раскрывается, как различные химические элементы в составе паяльной пасты (или припоя) на основе порошка из нержавеющей стали марок aisi 316 или aisi 304 (или просто стали 316, 304) влияют на спекаемое соединение пластин ППТО.

В двух патентных аналогах в пасте в том числе в качестве одних из основных добавочных элементов используют бор и кремний, в основном для улучшения температурных условий процесса пайки (или спекания) пластин.

В РСТ-заявке WO0238327 (А1) - 2002-05-16 MATERIAL FOR JOINING AND PRODUCT PRODUCED THEREWITH: пластины теплообменника изготовлены из пластинчатого материала на основе железа, который представляет собой нержавеющую сталь 316, содержащую максимум 2,0 мас. % Mn, 16,5-18 мас. % Cr, 10,0-13,0 мас. % Ni, 2,0-2,5 мас. % Мо и остальное Fe, спаянные вместе с припоем на основе железа в паяных соединениях, припой на основе железа, состоящий из: от 9 до 30 мас. % Cr; от 5 до 25 мас. % Ni; от 0,5 до 9 мас. % Мо; от 1 до 5 мас. % Mn; от 0 до 1 мас. % N; от 6 до 20 мас. % Si; от 0,1 до 1,5 мас. % В; остальное Fe. Припой на основе железа получают распылением газом, распылением водой и формованием из расплава, дроблением и измельчением слитка.

В РСТ-заявке WO2016055430 (А1) - 2016-04-14 A BRAZING MATERIAL FOR BRAZING ARTICLES OF AUSTENITIC STAINLESS STEEL AND METHOD THEREFORE в п. 14 формулы изобретения нержавеющая сталь представляет собой аустенитную нержавеющую сталь типа 304 или 316. Припой для пайки изделий из аустенитной нержавеющей стали содержит: 1,8-2,2% молибдена (Мо); 12,5-13,5% никеля (Ni); 16,8-18,6% хрома (Cr); 7,0-12,0% кремния (Si); 3,0-5,5% Mn; 1,0-2,0% бор (В); остальное - железо (Fe) и небольшие количества других элементов, при этом процентное содержание этих элементов ниже 0,1% для каждого элемента, все проценты даны по массе. В пп. 14 или 15 формулы паяемые изделия из нержавеющей стали являются пластинами теплообменника.

В третьей более близкой РСТ-заявке WO2016193383 (А1) - 2016-12-08 BRAZING METHOD FOR BRAZING ARTICLES, A BRAZED HEAT EXCHANGER AND A BRAZING ALLOY, в отличие от двух предыдущих, элемент бор в припое не используется, но кремний - остается. Целью настоящего изобретения являлась оценка возможности соединения основного материала из нержавеющей стали aisi 316 с наполнителями, не содержащими бор. Испытания на соединение были проведены с 316 основными материалами и различными смесями чистого 316L РМ и не содержащего бор наполнителя F312. Не содержащие бора наполнители F312 имеют приблизительную температуру солидуса, то есть температуру плавления, равную 1250°C. Температуры термообработки в этом исследовании проводятся при температурах, равных или ниже 1250°C. Таким образом, процесс соединения пластин можно рассматривать как активированную диффузионную сварку или пайку с частично расплавленными наполнителями, в зависимости от содержания кремния в наполнителях. Было показано, что можно паять изделия из нержавеющей стали 316, в частности пластинчатые теплообменники, с помощью твердого припоя на основе железа, не содержащего бора, содержащего кремний Si и марганец Mn в качестве присадок, снижающих температуру плавления. Было обнаружено, что изделие из нержавеющей стали может быть соединено при температурах ниже, чем температура, при которой припой полностью расплавляется. Также размер частиц порошка припоя имеет решающее значение для достижения наилучших результатов. Меньшие размеры частиц обеспечивают более прочное соединение. Способ пайки изделия из нержавеющей стали включает следующие этапы: получение паяльной пасты, содержащей металлический порошок, содержащий: следовые количества С и S; 2-2,5% Мо; 12-13% Ni; 17,5-18,5% Cr; 6-8,3% Si; 4,5-5,5% Mn; все проценты даны по весу, остальное - железо (Fe). Металлический порошок имеет размер частиц менее 106 мкм (есть отдельное указание чистого порошка 316L, имеющего размер зерна 22 мкм), при этом металлический порошок превращается в пасту путем добавления 7% связующего и растворителей. Растворитель адаптирован для испарения во время цикла пайки. Пасту наносят на точки контакта или близко к точкам контакта между паяемыми изделиями из нержавеющей стали, после чего изделия помещают в печь. Печь нагревают до температуры ниже, чем температура, при которой металлический порошок паяльной пасты полностью расплавляется (температура, при которой металлический порошок паяльной пасты полностью расплавляется, составляет более 1250°C), после чего изделиям из нержавеющей стали дают возможность застыть путем понижения температуры. Нагревание включает стадии: - постепенного повышения температуры от комнатной до температуры, при которой испаряются растворители и/или связующее; - поддержание температуры, при которой растворители и/или связующее испаряются, до тех пор, пока большая часть или все связующее и/или растворитель не испарится; - повышение температуры до температуры пайки; а также поддержание температуры пайки до образования соединений пластин.

Сходством предлагаемой металл-полимерной композиции с данным аналогом можно признать: достаточно близкий химический состав (хотя в предлагаемой композиции нет не только бора, но и почти нет кремния) и фракции металлического порошка; соединение пластин теплообменника из нержавеющей стали марки 316; близкие величины температур для спекания пасты и образования соединений пластин.

Но есть и существенное отличие. Во всех патентных аналогах практически ничего не сказано, какие связующие вещества, зачем и в каком процентном соотношении они находятся. Также в предлагаемой композиции отсутствуют растворители.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения - улучшение удобства и точности нанесения при невысоких температурах композиции пасты (или припоя) для повышения качества соединений пластин ППТО за счет применения в композиции определенных полимерных добавок в экспериментально определенных процентных соотношениях.

Предлагаемую металл-полимерную композицию получают путем механического смешивания на лопастном смесителе трех компонентов (металлический порошок марки aisi 316 или 03Х17Н14М3 по ГОСТ 5632-2014, в таблице которого в разделе 6 - стали аустенитного класса, строка 6-4), органическое связующее (полиэтилен высокого давления (ПВД) по ГОСТ 16337-77 и воск марки ЯВ-1) и пластификатор (стеариновая кислота). Указанный металлический порошок - из стали аустенитного класса - легированной коррозионностойкой, в которой: железо (основное) с хромом (16.8-18.3 масс. %), никелем (13.5-15.0 масс. %), молибденом (2.2-2.8 масс. %) и марганцем (1-2 масс. %), при этом нет бора и почти нет кремния (не более 0.4 масс. %). Металлический порошок по размерам своих частиц - для лучшей спекаемости многофракционный в диапазоне ниже 40 мкм.

Процентное соотношение компонентов в композиции по масс. %: металлический порошок 92-94, органическое вещество 6-8. Органическое вещество необходимо для того, чтобы удобно, точно и в нужном количестве нанести композит в необходимые места соединения пластин. В органическом веществе процентное соотношение по мас. %: ПВД 9-15, воск 84-90. Воск необходим для придания композиции текучести: чем больше воска, тем больше текучесть композиции. ПВД нужен для того, чтобы композиция находилась в нужных точках соединения пластин во время ее спекания, при этом ПВД сдерживает растекание пасты. Стеариновая кислота (пластификатор), как поверхностно-активное вещество, по массе 1% от органического вещества, нужна для улучшения литейной способности термопластичных связующих ПВД и воска.

Осуществление изобретения

Использование композиции в процессе соединения пластин ППТО заключается в следующем: гранулированный металл-полимерный композит помещают в цилиндр литейной установки и нагревают до температуры 130°C, при которой термопластичные связующие расплавляются и композиция превращается в однородную пастообразную массу.

На литейной установке устанавливают необходимое давление прессования и через сопло малого диаметра готовый расплавленный металл-полимерный композит из цилиндра литейной установки точно и в нужном количестве наносят на все необходимые места соединения (стыка) пластин ППТО между собой.

После сборки всех пластин теплообменника уже с наличием готового металл-полимерного композита в местах соединения пластин, ППТО помещают в вакуумную печь для спекания композиции при соединении пластин ППТО при температуре 1380-1400°C до полной готовности собранного ППТО. При этом выдерживают полки температур во времени, чтобы вначале по мере роста температуры испарился воск, затем ПВД, а потом уже начал спекаться металлический порошок с пластинами ППТО, но без расплавления самих пластин ППТО.

Данное изобретение получено при выполнении проекта в рамках соглашения №075-02-2018-1933 (внутренний №05.574.21.0208) от 20.12.2018 г., заключенного между заявителем МГТУ им. Н.Э. Баумана и Минобрнауки России.

Изобретение может быть использовано для соединения пластин паянного пластинчатого теплообменника (ППТО) из нержавеющей стали. Металлополимерную композицию получают путем механического смешивания компонентов на лопастном смесителе и его гранулирования. Композиция содержит металлический порошок марки 03Х17Н14М3 и органическое связующее при следующем их соотношении, мас. %: металлический порошок 92-94, органическое связующее 6-8. Органическое связующее состоит из полиэтилена высокого давления (ПВД), воска и стеариновой кислоты в качестве пластификатора при следующем соотношении компонентов связующего, мас. %: ПВД 9-15, воск 84-90, стеариновая кислота - 1. Упомянутый металлический порошок имеет размер частиц менее 40 мкм и содержит, мас. %: хром 16,8-18,3, никель 13,5-15,0, молибден 2,2-2,8, марганец 1-2, кремний не более 0,4, железо - остальное. Изобретение обеспечивает удобство и точность нанесения припоя при повышении качества соединений пластин ППТО за счет применения в композиции металлического порошка и полимерных добавок в заданных процентных соотношениях.

Металлополимерная композиция для соединения пайкой пластин пластинчатого теплообменника из нержавеющей стали, содержащая металлический порошок марки 03Х17Н14М3 и органическое связующее при следующем их соотношении, мас. %: металлический порошок 92-94, органическое связующее 6-8, при этом органическое связующее состоит из полиэтилена высокого давления (ПВД), воска и стеариновой кислоты в качестве пластификатора при следующем соотношении компонентов связующего, мас. %: ПВД 9-15, воск 84-90, стеариновая кислота - 1, а упомянутый металлический порошок имеет размер частиц менее 40 мкм и содержит, мас. %: хром 16,8-18,3, никель 13,5-15,0, молибден 2,2-2,8, марганец 1-2, кремний не более 0,4, железо - остальное.