DE3340987C2

DE3340987C2 - Verfahren zum Herstellen zunderbeständiger gelöteter Bauelemente aus Chromstahl und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE3340987C2
Application number: DE19833340987
Authority: DE
Inventors: Manfred 5609 Hückeswagen Lehnert
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1982-11-11
Filing date: 1983-11-10
Publication date: 1987-02-12
Also published as: DE3340987A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Chromstahlbauteilen für Gasbrenner, wobei in einer ersten Alternative das Ausgangsteil erst gelötet und dann mit einer Aluminium enthaltenden Schicht versehen wird. Alternativ kann die Schicht auch aus Silizium bestehen. Schließlich kann das Löten und Diffundieren in einem gemeinsamen Arbeitsgang auch während des Betriebes geschehen. Weiterhin kann man als Ausgangsmaterial einen Chrom-Molybdän-Stahl verwenden, dem man gegebenenfalls auch Titan zusetzen kann. Schließlich kann die Schicht auch ein Erdalkalimetall, insbesondere Calcium oder einen Stoff aus der Reihe der seltenen Erden enthalten, insbesondere Cer.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen zunderbeständiger gelöteter Bauelemente aus Chromstahl und auf die nach dem Verfahren hergestellten Bauelemente.
Es ist üblich, für Brenner von Durchlauf- oder Umlauf-Wasserheizern Chromstahl mit einem Legierungsanteil von 17 Gewichts-% Chrom zu verwenden. Diese Brenner sind aus Stahlblechen im Stanzverfahren hergestellt, sie werden auch gelötet. Bei den in den Brennkammern der brennstoffbeheizten Wärmequellen herrschenden hohen Oberflächentemperaturen verzundern die Brenner relativ stark. Schädigungen sind daher auf die Dauer nicht zu vermeiden.
Es wäre zwar möglich, statt des einfachen Chromstahls einen zunderbeständigen, anderweitig legierten Stahl zu verwenden, dies bringt jedoch starke Probleme hinsichtlich der Lötbarkeit im Spaltgas-Schutzgasofen. Mögliche andere Verbindungstechniken wie Schweißen sind sehr aufwendig.
Aus der DD-PS 17 711 ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem mit Metallüberzügen korrosionsgeschützte Stahlteile miteinander verbunden werden. Hierbei werden die zu verbindenden Teile unter Zwischenlage von Lotfolien zusammengespannt und in einer Gasatmosphäre gleichzeitig gelötet und einer Metalldiffusion unterworfen.
Über die Art des Stahls noch der Veredelungsschicht ist nichts gesagt.
Aus der GB-PS 9 92 321 ist es bekannt, ein Chromstahlteil mit einem Chromgehalt von 3-35% mit einer oxydationsfesten Aluminiumschicht zu versehen, indem das Aluminium in die Stahloberfläche eindiffundiert wird. Hierbei ist über die Lötfähigkeit oder die Lötung dieser Stahlteile nichts ausgeführt.
Schließlich ist es aus der US-PS 38 91 784 bekanntgeworden, Wärmetauscher für Turbinen, die aus Chromstahlteilen bestehen, unter Verwendung von Kupfer zu löten, wobei eine Aluminiumschicht aufgetragen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, ein aus Chromstahl bestehendes Bauelement löten zu können, gleichzeitig aber in oxydierender und reduzierender Atmosphäre zunderbeständig auszugestalten.
Die Lösung dieser Aufgabe liegt in den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Verfahrensansprüche.
Besonders vorteilhaft ist ein nach dem Verfahren unmittelbar hergestellter Brenner.
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche beziehungsweise gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die Ausführungsbeispiele anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen fertigen Brenner aus einem Chromstahlblech,
Fig. 2 den Brenner in einer Seitenansicht auf der Transportkette des Lötofens,
Fig. 3 einen Querschnitt III-III in einem mittleren Bereich durch einen großen Schlitz in einem Brennerrohr,
Fig. 4 einen Querschnitt IV-IV durch einen kleinen Schlitz in einem Brennerrohr,
Fig. 5 eine Einzelheit V gemäß Fig. 3 und
Fig. 6 eine Einzelheit VI gemäß Fig. 4.
In allen sechs Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.
Die Fig. 1 zeigt einen Reihenbrenner für einen Umlauf-Gaswasserheizer, der aus einem 0,21 mm starken Chromstahlblech besteht, das einen Legierungsanteil von 17 Gew.-% Chrom aufweist. Der Rest besteht aus Eisen beziehungsweise zufällig technisch bedingten Verunreinigungen. Der Brenner 1 ist ein Rostbrenner, das heißt, er besteht aus einzelnen Brennerrohren 2, die reitend auf einer Gasverteilerkammer 3 aufsitzen und aus dieser mit einem Gasluftgemisch gespeist werden. Die Brennerrohre weisen an ihrer Oberseite, die dem Betrachter der Figur eins zugewandt ist, Schlitze 4 auf, an denen sich Brennstoff-Luftgemisch-Austrittsöffnungen 16 bilden. Die Brennstoff-Luftgemisch-Austrittsöffnungen 16 sind im mittleren Bereich 5 des Brenners 1 entsprechend der Querschnittsdarstellung der Fig. 3, das heißt groß, gehalten im Außenbereich 6, so wie die Fig. 4, das heißt klein, zeigt.
Die Gasverteilerkammer 3 wird, vergleiche Fig. 2, durch einzelne Mischrohre 7 gespeist, die an der den Brennerrohren 2 abgewandten Seite 8 eine Düse 9 aufweisen, in die eine Gasdüse 10 ein Gas einbläst. Aus dem Spalt 11 zwischen Gasdüse und Düse 9 wird Primärluft mitgerissen. Sowohl die einzelnen Brennerrohre 2 als auch die Gas-Verteilerkammer 3 mit den daran befestigten Mischrohren 7 bestehen aus Chromstahl und sind miteinander zu verlöten. Die Verlötung erfolgt in dem Bereich, in dem die mit einer entsprechenden Ausformung versehenen Brennerrohre reitend auf der Oberseite der Gas-Verteilerkammer 3 aufsetzen. Dies ist ein halbkreisringförmiger Spaltbereich 12, sichtbar in Fig. 2.
Reiner Chromstahl ist gut lötbar, aber nicht zunderbeständig bei der Betriebstemperatur. Würde dieser Stahl mit einer Aluminium- oder Siliziumschicht abgedeckt, die man anschließend in das Chromstahlmaterial eindiffundieren läßt, so wäre zwar die Zunderbeständigkeit gegeben, aber die Lötfähigkeit im Spaltbereich 12 nicht mehr gewährleistet. Somit wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren so vorgegangen, daß zunächst die Bauteile 7 und 2 unter Zugabe von Lötmitteln ineinander gesteckt werden und anschließend auf eine Transportkette 13 eines Schutzgasofens aufgelegt werden. Beim Transport durch den Schutzgaslötofen werden die beiden Teile miteinander verlötet. Anschließend werden in einem weiteren Arbeitsgang die hohen Temperaturen ausgesetzten Brennerrohre allseitig mit einer Aluminium- oder Siliziumschicht 14 abgedeckt und wieder auf eine Transportkette 13 aufgelegt. Beim zweiten Durchgang durch einen anderen Schutzgasofen diffundiert die Aluminium- oder Siliziumschicht in das Chromstahlmaterial ein. Die vorher bereits hergestellte Lötstelle wird hierbei nicht beeinträchtigt. Anschließend ist das Material zunderbeständig.
Aus den Fig. 3 und 4 gehen Querschnitte durch das einzelne Brennerrohr 2 in einem Bereich 5 eines großen Schlitzes 4 und einem Bereich 6 eines kleinen Schlitzes 4 hervor. Hieraus ist ersichtlich, daß die einzelnen Brennerrohre 2 mit Einschnitten 4 versehen sind, so daß sie stehenbleibende Bereiche 19 und anschließend eingedrückte Bereiche 15 ergeben, die zwischen sich den eigentlichen Schlitz 16 bilden. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Abbildungen liegt darin, daß nach Fig. 3 der Schlitz bis in den Außenbereich des Brennerrohres reicht, während er bei der Schlitzausformung gemäß Fig. 4 nur im Mittenbereich der Oberseite 17 des Brennerrohres erscheint. Vergrößerte Darstellungen Dieser Eckenbereiche gehen aus den Fig. 5 und 6 hervor. Hier ist der ursprüngliche Chromstahlbereich linksschraffiert dargestellt und mit St bezeichnet. Die zunächst außen aufgebrachte Aluminiumschicht 14 ist rechtsschraffiert dargestellt und mit Al bezeichnet. Nach dem Diffusionsglühen entsteht eine Aluminiumverteilung gemäß der Kurve 18. Das bedeutet, daß der Aluminium- beziehungsweise Siliziumanteil je nach dem zur Anwendung kommenden Beschichtungsmaterial an der Außenseite am größten ist, dann schnell mit der Einwanderungstiefe in den Chromstahlbereich bis zu einem Minimum abnimmt und anschließend an der anderen Außenseite wieder zunimmt. Das bedeutet, daß die gesamte Materialstärke des Chromstahlbereiches von dem Aluminium- oder Silizium durchdrungen wird. Eine etwa gleiche Verteilung ergibt sich auch im eingeprägten Bereich 15, so daß auch hier eine etwa analoge Kurve 18 über die Bereichsverteilung entsteht.
Man kann das Verfahren auch insoweit abwandeln und die Aufgabe äquivalent lösen, indem die Ausgangsbauteile vor dem Löten im gefährdeten Bereich, also im Bereich der Brennerrohre 2, teilweise mit Aluminium- oder Silizium insoweit beschichtet werden, als daß der reine Lötbereich von der Beschichtung ausgenommen wird. Dann können anschließend die zusammengesteckten und mit Lötmaterial versehenen Bauelemente auf die Transportkette 13 aufgelegt werden und in einem einzigen Arbeitsgang bei einem Durchgang durch den Schutzgasofen sowohl gelötet als auch eindiffundiert werden.
Es ist hierbei wichtig, daß durch entsprechende Wahl der Transportzeit beziehungsweise der Temperatur die Lötung eher erfolgt sein muß, als die Diffundierung in den Lötbereich stattfindet. Untersucht man nach dem Löt- beziehungsweise Diffusionsprozeß die gelöteten Bauteile, so wird man feststellen, daß auch im ursprünglich nicht beschichteten Bereich des Einbauteils eine Diffusion stattgefunden hat. Wesentlich für beide Verfahren ist aber nur, daß das Löten im nicht diffundierten Bereich vor dem Diffundieren stattfindet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gilt für einen Reihenbrenner für einen Umlauf-Gaswasserheizer, der mit Stadtgas, also sehr wasserstoffhaltigem Gas, betrieben werden soll, und der aus einem Chrom-Molybdän- Stahl mit 17 Gewichtsprozent Chrom und 1,2 Prozent Molybdän hergestellt ist. Die Anteile können zwischen 16 bis 18 Prozent Cr und 0,9 bis 1,5 Prozent Mo liegen. Der Rest besteht aus Eisen beziehungsweise zufällig technisch bedingten Verunreinigungen. Dieser Chrom- Molybdän-Stahl ist gut lötbar, aber nicht zunderbeständig bei der Betriebstemperatur in der Brennkammer des Gaswasserheizers. Würde dieser Stahl mit einer Aluminium- oder Siliziumschicht abgedeckt, die man anschließend in das Chrom-Stahl-Material eindiffundieren läßt, wäre zwar die Zunderbeständigkeit gegeben, aber die Lötfähigkeit wäre nicht mehr gewährleistet. Somit wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren so vorgegangen, daß zunächst die Bauteile des Brenners unter Zugabe von Lötmitteln ineinandergesteckt werden und anschließend auf eine Transportkette eines Schutzgasofens aufgelegt werden. Beim Transport durch den Schutzgaslötofen werden die beiden Teile miteinander verlötet. Anschließend werden in einem weiteren Arbeitsgang die hohen Temperaturen ausgesetzten Teile des Brenners allseitig mit einer Aluminium- oder Silizium- Schicht abgedeckt und wieder auf eine Transportkette gelegt. Beim zweiten Durchgang durch einen anderen Schutzgasofen diffundiert das Aluminium oder Silizium in das Chrom-Molybdän-Stahl-Material ein. Die vorher bereits hergestellte Lötstelle wird hierbei nicht beeinträchtigt. Anschließend ist das Material zunderbeständig.
Man kann das Verfahren auch insoweit abwandeln und die Aufgabe äquivalent lösen, indem die Ausgangsbauteile vor dem Löten im gefährdeten Bereich teilweise mit Aluminium oder Silizium insoweit beschichtet werden, als der reine Lötbereich von der Beschichtung ausgenommen wird. Dann können anschließend die zusammengesteckten und mit Lötmaterial versehenen Bauelemente auf die Transportkette aufgelegt werden und in einem einzigen Arbeitsgang bei einem Durchgang durch den Schutzgasofen sowohl gelötet als auch diffundiert werden. Es ist hierbei wichtig, daß durch entsprechende Wahl der Transportzeit beziehungsweise der Temperatur die Lötung eher erfolgt sein muß, als die Diffundierung in den Lötbereich stattfindet. Untersucht man nach dem Löt- beziehungsweise Diffusionsprozeß die gelöteten Bauteile, so wird man feststellen, daß auch im ursprünglich nicht beschichteten Bereich des Bauteils eine Diffusion stattgefunden hat. Wesentlich für das Verfahren ist aber nur, daß das Löten im nicht beschichteten Bereich vor dem Diffundieren stattfindet.
Gemäß einer weiteren Möglichkeit ist es auch vorteilhaft, als Ausgangsmaterial einen Chrom-Molybdän-Titan- Stahl mit der Zusammensetzung 17 Gewichtsprozent Chrom, 2,2 Gewichtsprozent Molybdän und, je nach C- und N-Gehalt etwa 0,5 Gewichtsprozent Titan, Rest Eisen sowie technisch bedingte Verunreinigung zu verwenden. Der Cr-Bereich liegt zwischen 17 bis 19 Prozent, der Mo-Bereich zwischen 1,8 bis 2,3 Prozent. Der Titangehalt wird nach Maßgabe folgender Beziehungen gewählt:
Ti ≤ 10 (% C + % N) ≤ 22 (% C + % N)
(% C + % N) ≤ 0,025
Auch Chromstahl-Bauteile mit dieser Zusammensetzung lassen sich sowohl mit Aluminium als auch mit Silizium einwandfrei überziehen. Das Aluminium beziehungsweise Silizium liegt hierbei in einer Schlämmpaste in metallisch reiner Form vor. Diese Schlämmpaste kann entweder aufgespritzt werden, ein Auftragen ist auch durch Streichen oder Tauchen möglich. Das Aluminium oder das Silizium kann auch im Flamm-Spritz-Verfahren aufgebracht werden. Das Beschichten mit Aluminium beziehungsweise Silizium kann entweder mit der einen oder anderen Substanz oder auch mit einer Mischung beider Substanzen erfolgen.
Es wäre im übrigen auch möglich, die aufgebrachte Aluminium- und/oder Siliziumschicht während des Betriebes des Brenners im Gaswasserheizer bei den dort herrschenden Temperaturen eindiffundieren zu lassen.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die aufzutragende aluminium- und/oder siliziumhaltige Schicht auch Calcium beziehungsweise ein anderes Erdalkalimetall oder ein Stoff der seltenen Erden, insbesondere Cer, enthält. Bei der Verwendung von Calcium sollte dieses als Calciumoxyd oder Calciumcarbonat vorliegen. Diese Substanz wird unter die Beschichtungsmasse untergerührt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen zunderbeständiger gelöteter Bauelemente aus Chromstahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsteil mit Ausnahme des zu lötenden Bereichs mit einer Aluminium oder Silizium enthaltenden Schicht versehen wird und daß anschließend in einem gemeinsamen Arbeitsgang das Löten und Diffundieren durchgeführt wird.

2. Verfahren zum Herstellen zunderbeständiger gelöteter Bauelemente aus Chromstahl, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein Chrom-Molybdän-Stahl verwendet wird, der erst gelötet und dann mit einer Aluminium oder Silizium enthaltenden Schicht versehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein Chrom-Molybdän-Titan- Stahl verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein Stahl mit 1,8 bis 2,2 Gewichtsprozent Molybdän, 0,5 Gewichtsprozent Titan und 17 bis 19 Gewichtsprozent Chrom, Rest Eisen sowie technisch bedingte Verunreinigungen verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Chrom-Molybdän-Stahl der Zusammensetzung 16 bis 18 Gewichtsprozent Chrom, 0,9 bis 1,2 Gewichtsprozent Molybdän, Rest Eisen sowie technisch bedingte Verunreinigungen verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Beschichten ein Diffusionsglühen durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusionsglühen am Ort der Verwendung des Bauteils durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit einem Erdalkalimetallzusatz verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit einem Calciumzusatz verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schicht Calcium in Form von Calciumoxyd oder Calciumcarbonat zugesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht mit einem zusätzlichen Stoff aus der Reihe der seltenen Erden verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schicht Cer zugesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht mit sowohl Aluminium als auch Silizium verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Titangehalt nach Maßgabe folgender Beziehungen gewählt wird:
Ti ≤ (% C + % N) ≤ 22 (% C + % N)
(% C + % N) ≤ 0,025

15. Verwendung des nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellten Brenners für eine brennstoffbeheizte Wärmequelle.