用于使用锻焊接连接氧化物弥散强化贵金属板的工艺及装置

摘要

本发明涉及用于使贵金属板(1、4)接合以形成结构零件的工艺和装置，并且涉及通过所述工艺制成的产品(1、4)。

说明书

背景知识

在玻璃工业中、尤其在用于特种玻璃的熔化和热成型的设备中使用 由贵金属和贵金属合金(比如优选的PGM材料)构成的结构零件。在 熔炼技术中使用的这些设备部件(也称为PGM(铂系金属))产品用 于熔化、纯化、输送、均质化和分配液体玻璃。这些贵金属合金大多是 具有铑、铱或金的合金添加物的铂基合金。如果由于由玻璃熔化物所施 加的机械应力和/或热应力而需要非常高的结构零件强度，则越来越多 地使用氧化物弥散强化铂基合金，这是由于氧化物弥散强化铂基合金的 特征在于比标准合金更高的抵抗热应力、机械应力和化学应力的能力。 氧化物弥散强化合金、下文也称为ODS合金的突出之处在于非常均匀 的微结构。

承载玻璃熔化物的设备零件常常是设计为薄壁管系统的贵金属板 结构。熔化的玻璃在介于1000℃与1700℃之间的温度下流过这些零件。

由于它们的高熔点，PGM(铂系金属)材料的突出之处在于耐高 温性并且由此在于高的机械强度和耐磨性，并且由此尤其适于生产与玻 璃熔化物相接触的设备零件或设备中的结构零件。合适的材料是铂和铂 合金和/或其他PGM金属，其可选地还包含少量的基本金属作为进一步 合金化的部件或氧化添加物。典型的材料是提纯的铂、铂-铑合金和铂- 铱合金，其包含少量的细微分布的难熔金属氧化物比如具体的是二氧化 锆或氧化钇，以增大强度和高温蠕变断裂强度(creep rupture strength)。

但是，除了选取合适的材料以外，贵金属部件的生产(特别是定形) 在确定强度方面也具有显著的作用。通常，这些部件由单独的金属板接 合到一起以提供所需的几何形状，并且通常通过熔化焊接而彼此相连。 在该工艺中，在彼此待连接的金属板之间的接头以及合适的相同类型的 焊料材料，通过热量供应而转变为熔融状态并且熔接到一起。在该情况 下，熔化热能够由电弧或点燃的气体-氧气混合物产生。但是，如果以 该方式接合的部件暴露于很高的温度(例如高于1200℃)，则焊缝常 常形成整个金属结合的弱点。已经确定的原因是焊缝中的不均匀性以及 热影响区中的微结构的变化。具体地，在圆筒形结构零件(例如管件) 中的纵向焊缝由于其与周向焊缝相比时的几乎高达两倍的作用应力而 特别危险，并且由此这些纵向焊缝常常失效并且分开。当使用已知的焊 接工艺(例如钨极惰性气体(TIG)保护电弧焊接、等离子焊接、激光 焊接或自熔焊接)时，合金被熔化。其中，当在高于1200℃的使用期 间熔化典型的替代式固溶合金时由于再结晶而仅观察到焊缝中的强度 的很小的损失，当焊接氧化物弥散强化的合金时该熔化导致典型的为 ZrO₂和/或Y₂O₃的弥散物的大部分在熔化物中凝结和浮动。在焊缝中形 成粗晶固化微结构。焊缝中的弥散物的强化作用由此被抵消。以该方式 接合到一起的部件抵抗应力的能力、以及其服务寿命由此减小到由标准 合金接合而成的部件的水平。

从JP 5212577 A和EP 0320877 B1中已知用于防止该缺点的措施。 在其中公开的工艺中，以Pt-ODS箔片随后覆盖ODS金属板上的熔化 焊接焊缝，并且在高温下通过锤锻将Pt-ODS箔片压到焊缝内。该措施 通过箔片增大了焊缝的晶粒尺寸分布的精细度并且由此减小在表面上 形成裂缝的可能性。除了其他陈旧的替代以外，已经借助于通过锻焊接 (hammer welding)焊缝形成的一体式连接。但是，这种类型的连接经 受质量方面的很大变化。为了消除这些变化，需要用于制备焊缝的极大 花费和在焊接期间对工艺参数的非常准确的控制。在该工艺的情况下， 在锤锻期间均匀地加热待接合的两种材料特别是金属板被证实是困难 的。当这样做时，在锤锻期间，常常几乎不可能通过焊炬充分地加热处 于焊接位置中的下金属板以实现良好的附接效果。该工艺由此是非常费 力的，不必然导致最佳的结果并且是非常昂贵的。另外，当制造锻焊接 焊缝时存在基本的问题，其中在具有铑含量＞4％的重量百分比的合金的 情况下并且通常在ODS合金的情况下，在锤锻期间存在材料的低粘附 性。已经存在于ODS材料中的氧化物和/或在锤锻期间形成的氧化物(主 要为氧化铑)显著地减小两个结构零件(具体是金属板)的附接结合。 差的附接结合不但具有显著增大生产费用的效果，而且同时增大了在焊 缝的接合区域的某些区域中不再获得足够结合的风险。

在DE 10237763 B4中，在产生氧化物弥散强化(ODS)金属材料 的结构零件的永久一体式连接期间，单独材料的焊接分别在低于它们的 熔点下执行，其中在接合区域中至少部分地形成扩散结合部。在第二工 艺步骤中，扩散结合部(优选地整个接合区域)被加热到同样低于彼此 待彼此连接的材料和/或结构零件的熔点的温度，并且在该温度下进行 机械再压锻，优选地进行锤锻。在该情况下，取决于在焊接操作之前的 彼此相关的布置，彼此待连接的两种材料限定有接合点，后者通常也形 成接合区域，即其中产生在两者之间的期望的连接的区域。由此在该工 艺中，通过布置为在热作用下的机械再压锻之前执行产生扩散焊接结合 而提供了氧化物弥散强化(ODS)金属材料的结构零件的永久一体式连 接。优选的实施例使用焊料。焊料布置在位于彼此待连接的两种材料和 /或氧化物弥散强化金属材料的结构零件之间的接合区域中。此处，焊 料能够呈分离元件的形式或呈位于接合区域中彼此面对的接合面中的 至少一个上的覆层的形式。在该情况下，合适的焊料具体地不但为易延 展的熔炼合金，例如PtAu5、PtIr1、纯Pt，而且为更硬的合金，例如 PtRh5、PtRh10、PtIr3。所述文献强调，由于明显增大了两种材料之间 的附接性，焊料使得能够在彼此待连接的两种材料之间实现明显改进的 结合，并且这又明显减小了生产费用。另外，应当明显增大了接合区抵 抗热应力和机械应力的能力。此外，所述文献强调，插入贵金属箔片是 首要优选的。在优选实施例中，该文献教导，将待连接的金属板的边缘 切成斜切边缘，一个置于另一个的上面而斜切边缘正好在彼此之上，并 且在风化(frost)步骤中，首先与扩散结合部临时地相连，该扩散结合 部进行机械再压锻以影响在后续步骤中的最后的扩散结合。

不利的是，边缘的斜切部分面对彼此并且正好重叠，这将或者导致 扩散结合部比其他金属板薄，或者导致较不强烈的扩散结合，这均导致 更小强度的结合，特别是当施加机械载荷时。另外，使用与待连接的金 属板不同成分的焊料或箔片是不利的，这是由于克肯达耳(Kirkendall) 效应将导致孔的形成。

发明内容

本发明基于提供用于连接氧化物弥散强化贵金属板的改进的和/或 可选的工艺以及用于执行该工艺的装置的目的。

合适的贵金属板是由从如下构成的组中选取的贵金属构成的 金属板：钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、以及它们彼此的合金和 它们与其他金属的合金，优选地从由金、铂、铑、铱、以及它们彼此 的合金和它们与其他金属的合金(特别是纯铂、铂与金、铱、或铑的 合金)中选取的合金，特别是从由PtAu5、PtIr1、PtRh5、PtRh10、 PtIr3构成的组中选取的合金。根据本发明，贵金属板是氧化物弥散 强化的，即通过合适氧化物的弥散而稳定的微小晶粒。这些氧化物通 常是稀土氧化物，例如氧化钇和二氧化锆。特别优选的是由铂、PtAu5、 PtIr1、PtRh5、PtRh10或PtIr3构成的金属板，其通过氧化钇或二氧 化锆而被氧化物弥散强化。

该目的通过权利要求的主题并且如在本说明书中公开的主题实现。

根据第一方面，本发明具体地涉及以上提及的工艺，所述工艺包括 如下步骤：预加热基底，将至少两个待连接的金属板部分布置为重叠， 至少一个金属板部分靠在所述基部上，并且使所述金属板部分经受扩散 锻焊接(diffusion hammer welding)。在该情况下，基部能够具有直 线或弯曲的形式或者任意其他单一的或组合的形式，并且可以是砧座。 所述基部优选地具有具体地与扩散焊接的区域中随后期望的形式相对 应的形式。由此，如果待形成的是管状物件，所述基部优选地形成有与 所述管状物件相同或相似的曲率半径。重叠布置能够手动地设置或借助 于机器设置。与所述待重叠的金属板部分相邻的金属板区域优选地被夹 持，以防止它们在制备和扩散锻焊接期间滑移出适当的位置。

此外，根据另一方面，边缘优选地被切成斜切边缘，更优选地以直 线的方式切成斜切边缘。此处，所述待连接的金属板部分被切成斜切边 缘，使得所述斜切边缘随后向外延伸，即当所述金属板部分布置为重叠 时远离所述相邻的金属板部分。已经发现的是，所述金属板部分以该方 式的斜切和对准增大了所完成的、接合的产品的蠕变断裂强度。这在下 面更详细地示出。还在该情况下，所述金属板部分经受扩散锻焊接。根 据本发明的优选工艺还包括以上讨论的两个方面，即，设置和预加热基 部以及以提议的方式形成斜切边缘。

所述斜切边缘的斜面宽度(F)优选的是初始金属板厚度(t₀)的1 倍至3倍，优选地为两倍。更优选地，所述斜面角度α为大约15°至大 约27°，优选地为大约17.6°至大约25.6°，更优选地为大约19.6°至大约 23.6°并且最优选地为大约21.6°。所述斜切边缘优选地定形为使得所述 边缘的所述斜切部分彼此平行或至少部分地平行，这意味着当所述斜切 部分布置为面对彼此时两个边缘将彼此补充。当斜切角度α对于两个边 缘相同时这始终是这样的。

根据本发明，所述基部被预加热到大约300℃至大约600℃，优选 地为大约350℃至大约550℃，更优选地为大约400℃至大约500℃。这 能够以任意期望的方式进行，例如通过在合适的炉子中使用火焰加热所 述基部，或者优选地通过设置在基部中和/或上的感应或电阻加热器。

此外，根据本发明，重叠布置涉及将金属板部分优选地布置为一个 直接在另一个的上面/下面。由此，没有焊料和/或箔片设置在所述金属 板部分之间。根据本发明，也没有使用箍带(bandage)，这意味着没 有另外的管状部段或金属板将被置于所述金属板的所述重叠部分的上 面或下面，而例如在DE 1527299的图1中所示的，该另外的管状部段 或金属板被引入到介于所述待连接的边缘之间的所述扩散结合部内。已 经发现的是，本发明仍然比现有技术获得更好的蠕变断裂强度。

所述金属板部分优选地布置为重叠，其中重叠长度为初始金属板厚 度(t₀)的2.5倍至7.5倍，优选地为初始金属板厚度(t₀)的4倍至7 倍。在扩散焊接之后，所述金属板部分的重叠是初始金属板厚度(t₀) 的3倍至8倍，优选地为初始金属板厚度(t₀)的5倍至7倍。

扩散锻焊接优选地使用气体-氧气焊炬执行。由此，所述金属板部 分被局部加热，优选地到大约1000℃至大约1700℃的温度，更优选地 到大约1200℃至大约1300℃或大约1400℃至大约1600℃的温度。更优 选地，所述金属板部分在它们布置为重叠之前在相互面对的侧上进行粗 糙化，优选地具有大约0.05μm至大约25μm的表面粗糙度R_a，并且 更优选地为大约0.5μm至大约10μm的表面粗糙度R_a。该粗糙度可(例 如研磨)而设置。粗糙度使得能够在扩散焊接的区域中提供扩大的表面 积，和/或使得能够提高对焊接参数的控制能力。

本发明还提供下述：在扩散锻焊接之后使由扩散锻焊接产生的焊缝 经受冷成型或热成型，以使所述焊缝平滑和/或减小其厚度。在该过程 中，厚度优选地减小为初始金属板厚度(t₀)的0.9倍至1.2倍，并且更 优选地大约为初始金属板厚度(t₀)。所述焊缝随后还能够经受通过研 磨和抛光焊缝(若合适则与整个表面一起)的表面精加工处理以获得一 致的表面质量。

该过程优选地控制为使得在冷成型或热成型之后，所述焊缝具有初 始金属板厚度(t₀)的大约5倍至大约10倍的宽度，并且更优选地具有 初始金属板厚度(t₀)的大约6倍至大约7倍的宽度。

更优选地，扩散焊接后继有在大约900℃至大约1400℃的温度下的、 并且优选地为大约1000℃至大约1200℃的温度下的热处理(“去应力 退火”)。

根据本发明，在金相显微断面中，在通过根据本发明的工艺获得的 焊缝与不具有焊缝的相邻金属板部分之间没有差异能够被确定。

根据另一方面，本发明还涉及用于连接氧化物弥散强化贵金属板的 装置，具体的是用于执行根据本发明的工艺的装置。具体地，所述装置 包括能够如上述地形成和装备的可加热基部。此外，设置有用于布置至 少两个待连接的金属板部分使得它们重叠的对准装置。该对准装置能够 包括可液压致动的夹爪、可气压致动的夹爪和/或可电致动的夹爪。在 夹持之后，所述两个金属板部分中的至少一个靠在所述基部上。此外， 设置有用于使所述金属板部分经受扩散锻焊接的锤具。能够使用半自动 或全自动锤具。

根据本发明的装置优选地包括可加热基部，所述基部适于至少在其 与所述金属板部分相接触的表面上被加热到大约300℃至大约600℃， 优选地到大约350℃至大约550℃，更优选地到大约400℃至大约500℃。

附图说明

下面的说明基于优选的示例实施例讨论本发明：

图1示出了根据本发明的原理图，示出了在接合之前的两个斜切金 属板部分，斜面远离于彼此地面对；

图2示出了与图1相似的另一原理图，但是其中金属板部分设置在 加热的基部10和/或砧座上；

图3示出了另一原理图，示出了通过扩散锻焊接连接的两个金属板 部分；

图4示出了另一原理图，示出了通过扩散锻焊接连接且也已经经受 冷成型的两个金属板部分；以及

图5示出了另一原理图，示出了已经通过根据现有技术工艺的扩散 锻焊接连接且也已经经受冷成型的两个金属板部分；以及

图6示出了图表，示出了标准化后的蠕变断裂强度。

具体实施方式

在图1中，能够见到两个金属板部分，第一金属板部分1和第二金 属板部分4，并且在该实施例中，这些金属板具有相同的或至少非常相 似的金属板厚度t₀。这些厚度也能够彼此不同。金属板部分的两个端部 以直线的方式向外斜切，即，在远离相应的相邻金属板部分的那侧上斜 切，并且由此以斜面角α形成斜面3和6，斜面宽度由F表示。根据本 发明的一个方面，这些斜面由此定向为使得在两个金属板部分没有接合 的状态下，两个金属板部分不在一个平面中或者基本不在一个平面中。 在具有重叠宽度的重叠区域中，两个金属板部分随后相接触的相应 的接触部分2和5彼此相对地设置，可能的是使这些接触部分粗糙化。 重叠宽度总是大于斜面宽度F。

图2示出了实施例，其中第二金属板部分4靠在基部10(比如砧座) 上，该基部已经被加热或仍然待加热。在该情况下，热量应当初始地从 基部传递至第二金属板部分4，并且如合适，也传递至第一金属板部分 1。如果第一金属板部分1的一部分也靠在基部10上，则热量也经由该 部分传递，尽管对金属板部分的待焊接的点的预加热是重要的。

两个金属板部分1和4通过对准装置(未示出)以夹持力F_E进行 夹持。对准装置通常仅经由夹持的金属板部分间接地连接至基部10。

图3示出了以两个金属板部分已经通过扩散锻焊接接合到一起的 形式的两个金属板部分1和4。这产生如图3中示意性示出的结构。在 焊缝的区域中，厚度为初始金属板厚度t₀的1.0倍至1.6倍。焊缝的宽 度为B_weld并且通常比初始重叠宽度宽(参见图1)。

图4首要地示出了通过冷成型获得的厚度上的减小，其中在焊缝的 区域中的厚度为t_finished。如已经提及的，其基本对应于t₀或仅略大。焊 缝的完成宽度B继而宽于在扩散锻焊接之后不久的焊缝宽度。

示例

在比较示例中，由材料PGSPtRh10(以氧化锆稳定的PtRh10微晶 粒)构成且具有0.8mm的厚度并具有插入到金属板部分之间的化学纯 铂箔的金属板部分经受扩散焊接；如根据本发明的示例，具有不同的斜 面和重叠的多个金属板部分经受扩散焊接。表1中给出了不同的重叠长 度和斜面角度。基部被预加热至大约400℃的温度并且随后在大约 1250℃的温度下经受扩散焊接。在冷却之后，焊缝在室温下被锤锻变薄 至初始金属板厚度。表2中给出并且在图6中示出在1400℃的温度下 的在一小时、十小时和一百小时下相对于比较示例标准化的蠕变断裂强 度的结果。为了确定蠕变断裂强度，具有焊缝和600mm、5mm和0.8 mm的长度、宽度和高度的条带在1400℃下在炉子中加载不同的重量， 并且时间记录为直到标绘在拉伸力下断裂为止。在一小时、十小时和一 百小时下的蠕变断裂强度从获得的曲线确定并且相对于比较示例的蠕 变断裂强度标准化。表1中示出了重叠长度和斜面角度。

表1

表2

与比较测试相比，从该结果能够见到明显改进的蠕变断裂强度。

与未焊接的起始材料相比，屈服强度仅略微地减小。甚至在较长的 时间(在测试操作100h)之后，蠕变断裂强度仅比未焊接的起始材料 小最多20％。在更高的温度(1400℃)下，蠕变断裂强度比具有插入 到焊缝内的箔片的样品的情况高几乎50％。

本发明还包括在附图中的单独的特征，即使这些特征在其中示出为 与其他特征一起提及和/或没有在上面或下面提及。

本发明还包括具有在上面或下面关于各种实施例而提及或示出的 特征的任意组合的实施例。

本发明还包括精确的或准确的表述、特征、数值或范围等，如果这 些表述、特征、数值或范围已经在上面或下面与诸如“大约、差不多、 左右、基本、大致、至少”等之类的表述一起使用(即，“大约3”应 当还包括“3”，或者“基本径向地”还应当包括“径向地”)。