Brevet FR2518440A1 — publié le 19830624

L'invention concerne un procédé pour braser du cuivre sur du cuivre ou sur des alliages d'acier, en particulier sur des aciers inoxydables. Il est connu que la brasure de métaux alliés sur d'autres métaux est en général difficile car les métaux d'alliage, qui sont moins nobles que le fer, comme le chrome, le molybdène, le manganèse, le titane et le vanadium, forment, même dans les conditions où les surfaces des aciers au carbone reste encore propre, des couches d'oxydes difficiles à détruire. Cette couche d'oxyde empêche l'imprégnation de l'acier inoxydable par le matériau de brasage et ainsi la formation d'une brasure résistante. La situation est particulièrement difficile dans les travaux de brasage exécutés sous gaz protecteur ou sous vide sans fondant, car dans ce cas les traces d'oxygène et/ou de vapeur d'eau présentes dans le gaz protecteur ou dans l'air résiduel renforcent la couche d'oxyde sur la surface pendant toute la durée du processus de soudage, ce qui rend parfois le soudage impossible. Les procédés de soudure d'aciers inoxydables sous gaz protecteur ou sous vide ont pour inconvénient essentiel que le matériau de soudure doit tout d'abord être déposé sur la surface de l'acier avant le traitement thermique pour protéger cette surface (une simple disposition sans recouvrement de la surface ne suffit pas) et qu'il faut maintes fois même utiliser des fondants gazeux pour pouvoir éliminer les difficultés mentionnées ci-dessus ÉN. Lashko et S. Lashko:Brazing and soldering of metals (MIR éditeurs, Moscou). Dans les brevets japonais 77 76 254 et 79 85 158 il est également recommandé de déposer du matériau de soudure pour la protection des surfaces préalablement au traitement thermique. Dans les procédés connus de brasure d'aciers inoxydables sur d'autres métaux il faut donc soit travailler avec des agents fondants, soit protéger par un traitement préalable les surfaces à braser l'une avec l'autre, soit les deux sont-nécessaires. La brasure de cuivre sur du cuivre ou sur d'autres métaux que des aciers alliés ne présente en général pas de difficultés techniques particulières, si on choisit le matériau de soudure adapté au but poursuivi et le procédé adapté. Le point de fusion du matériau de soudure doit se trouver au-dessous de celui du cuivre et le matériau de soudure ne doit former aucun alliage avec le cui- vre à la température de soudure, sinon il se produirait une érosion du matériau de base. Parfois cependant l'apport et la fixation du matériau de soudure au voisinage de la surface à souder sont compliqués et exigent une technique de procédé ou une technologie comprenant de nombreuses étapes.Par exemple pour la fabrication d'échangeurs de chaleur formés de tubes de cuivre et de tôles de cuivre, le matériau de soudure doit être amené dans des trous découpés dans les plaques de cuivre évacuant la chaleur, et ensuite on fait subir un traitement thermique à l'échangeur de chaleur monté, dans une atmosphère de gaz protecteur ou sous vide. Un exemple moderne pour l'application de ce principe se trouve dans le procédé-décrit dans le brevet britannique 1 558 264. On connait également par Rompu, CHEMIE LEXIKON, 5. édition, 1962, colonne 2078, la brasure de métaux lourds et de produits en fer par brasage à l'argent. On connait en outre par le même ouvrage, colonnes 2 998 à 2 999, la brasure de fer et de cuivre par brasage au cuivre. Les soudures obtenues avec ces brasures connues laissent cependant encore à désirer. La présente invention a pour but de pourvoir, en remédiant aux imperfections des procédés connus, à un procédé simple de brasure grâce auquel on peut souder avec un meilleur résultat des alliages d'acier, en particulier de l'acier inoxydable, avec du cuivre sans utilisation de fondants et sans pré-traitement de protection des surfaces, et on peut réaliser à volonté la brasure de cuivre sur du -cuivre avec une technique. de procédé ou une technologie très simplifiée par rapport à l'état de la technique, en particulier par suppression des opérations concernant la préparation des surfaces à souder ensemble même dans le cas de surfaces de forme et de réalisation complexes, ainsi que les mesures concernant l'apport et la fixation du matériau de soudure. L'invention repose sur la constatation étonnante que la plupart des alliages d'acier, tels que les aciers inoxydables, peuvent être brasés sur du cuivre même sans protection préalable de la surface et sans fondant, dans une atmosphère de gaz protecteur pur approprié ou sous une pression suffisamment faible et avec un traitement thermique d'une durée suffisante, si on utilise comme matériau de brasure certains métaux purs sélectionnés. Le matériau de soudure fondant imprègne alors de façon optimale la surface de l'alliage d'acier à souder au cuivre Ceci ne se produit pas en un instant, mais l'imprégnation est un processus lent car le métal fondu nécessite un certain temps pour décomposer et supprimer les oxydes superficiels.La durée de soudage nécessaire dépend de la pureté du gaz protecteur ou de la quantité d'oxygène résiduel et/ou de vapeur d'eau résiduelle après réalisation du vide. L'invention repose en outre sur la constatation étonnante que lors de l'utilisation de certains métaux purs sélectionnés comme matériau de brasure, l'alliage superficiel qui se forme "in situ" durant le traitement thermique à partirdumétal de base de cuivre et des métaux purs déposes sur sa surface, qui n'est pas nécessairement un alliaqe qui imprègne le cuivre, peut servir de matériau de soudure par formation d'une soudure superposée lors de la brasure, sans qu'il se produise une érosion du métal de base.L'alliage fluide superficiel formé "in situ" entre les métaux purs sélectionnés et le cuivre à souder conduit à une impré- gnation optimale de la surface de l'alliage d'acier à souder au cuivre et ainsi à une soudure optimale, où il n'y a pas de nécessité, comme on l'a déjà indiqué, que l'alliage superficiel imprègne aussi le cuivre. La présente invention a en conséquence pour Objet un procédé pour la brasure de cuivre sur du cuivre ou sur des alliages d'acier par dépôt d'un métal formant un alliage comme matériau de brasure sur au moins une des surfaces de cuivre ou sur la surface de cuivre, par compression des surfaces à souder et par traitement thermique de 10 à 200 minutes de la pièce dans un gaz protecteur purifié ou sous vide à une pression d'au plus 1 Pa à des températures de 850 à 1080 C jusqu'à l'apparition de l'alliage superficiel, lequel procédé est caractérisé en ce qu'on utilise comme métal formant alliage,-de l'étain, de l'indium ou du manganèse. Selon un mode de réalisation avantageux du procédé selon l'invention, on dépose un revêtement'de base en nickel, cobalt, indium et/ou argent d'une épaisseur d'au plus 30 p avant le dépôt du métal formant alliage. On procède de préférence au dépôt du métal formant alliage et/ou du-revêtement de base à partir de solutions électrolytiques On procède de préférehce au dépôt du métal formant alliage et/ou du revêtement de basesuivant une épaisseur de 1 à 30)i. Le procédé selon l'invention présente l'avantage par rapport aux procédés de l'état de la technique de permettre d'obtenir la formation d'une liaison d'alliage plus résistante entre le matériau de soudure et la ou les sur face(s) de cuivre et une meilleure imprégnation de la surface de l'alliage d'acier à souder au cuivre par l'alliage formé par le matériau de soudure et le cuivre, et ainsi une meilleure soudure. Il est alors superflu,même dans lecas d'alliages d'acier à souder au cuivre, de réaliser un traitement préalable pour assurer la protection préalable de la surface et d'utiliser un fondant-dans de l'argon ou 3ous vide. On obtient des soudures de qualité remarquable par le procédé selon l'invention En ce qui concerne la brasure d'alliages d'acier sur du cuivre, le procédé selon l'invention est particulièrement approprié pourla brasure sur cuivre d'aciers inoxydables, avant tout des alliages d'acier qui contiennent de l'argent, de l'étain, de l'indium, du manganèse, du gallium et/ou du nickel ou du bronze d'étain comme métal ou métaux d'alliage ou comme alliage de métal d'alliage. Une application avantageuse du procédé-selon l'invention concerne la fabrication d'échangeurs de chaleur et de piè- ces de machines en cuivre ou en cuivre et en aciers inoxydables ou en d'autres alliages d'acier. L'invention est explicitée plus en détail à l'aide des exemples qui vont suivre. Les fours tubulaires utilisés pour la réalisation des exemples ont été mis sous vide ou balayés par de l'argon qui a été préalablement purifié sur des catalyseurs au cuivre et des filtres mol écu- laires. On a utilisé comme aciers inoxydables les suivants, conformément à la norme DIN 17007: 1.4113, 1.4122, 1.4301, - 1.430tir 1.4541 et 1.4571 Les exemples s'organisent en 3 groupes : brasure d'aciers inoxydables sur du cuivre, brasure de cuivre sur du cuivre et enfin le regroupement d'autres exemples selon le procédé de l'inventon. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces exemples de mise en oeuvre sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. A) Brasure d'acier inoxydable sur du cuivre. Exemple 1 On a déposé une couche d'étain d'environ sur une surface de cuivre, à partir d'une solution électrolytique. La surface de cuivre ainsi recouverte a été comprimée contre une surface d'acier inoxydable et l'ensemble a été soumis à un traitement thermique à environ 10000C pendant 90 minutes sous atmosphère de protection d'argon purifié. On a obtenu une liaison de soudure remarquable. Exemple 2 On a déposé électrolytiquement une couche de ni- ckel de 1 P > i d'épaisseur sur une surface de cuivre et on a déposé sur la surface de cuivre ainsi nickelée une couche d'étain de 7)1 d'épaisseur. La surface ainsi recouverte a été soudée avec de l'acier inoxydable de la façon décrite dans l'exemple 1. On a obtenu une liaison de soudure remarquable. Exemple 3 On a repris le mode opératoire décrit dans l'exemple 1 avec la différence qu'on a déposé de l'indium à la place de l'étain sur la surface de cuivre. On a également obtenu une liaison de soudure remarquable. B) Brasure de cuivre sur du cuivre. Exemple 4 On a repris le mode opératoire décrit dans l'exemple 1 avec là différence qu'on a appliqué sous pression une surface de cuivre sur la surface de cuivre étamée, au lieu de la surface de l'acier inoxydable et que le procédé thermique a duré 15 minutes. On a obtenu une liaison de soudure remarquable. Exemple 5 On a déposé sur une surface de cuivre tout d'abord une couche de nickel de 1 p d'épaisseur et ensuite encore une couche d'indium de 8 p d'épaisseur. On a pressé une surface de cuivre contre la surface ainsi revêtue et on a chauffé le tout à environ 1000 OC dans un gaz protecteur. On a obtenu une liaison de soudure excellente. Exemple 6 On a opéré comme dans l'exemple 5 avec cependant la différence qu'on a déposé un revêtement de cobalt à la place du revêtement de nickel. On a également obtenu une liaison de soudure remarquable. C) Résumé d'autres exemples selon le procédé de l'invention. Exemples 7 à 10 Pour illustrer la brasure d'acier inoxydable sur du cuivre, on a regroupé dans le tableau ci-après d'autres exemples avec indication des paramètres de soudure. Les expériences ont été effectuées sour vide ou dans une atmosphère de gaz protecteur d'argon purifié, sous une pression de 1 bar. On a déposé électrolytiquement à partir de solutions électrolytiques, les métaux formant le matériau de soudure nécessaires pour réaliser l'alliage superficiel, sur la surface de cuivre.Dans la plupart des exemples, on a réalisé également électrolytiquement un revêtement de base sur le cuivre et la couche métallique formant l'alliage a été déposée sur cette couche de base. TABLEAU Exemple Matériau de soudure Revêtement de base Traitement thermique formant alliage Métal Epaisseur Métal Epaisseur Tempérautre Temps formant en alliage en u en u en C minutes 7 Indium 7,5 - - 1 000 20 8 Indium 7,5 nickel 0,5 1 000 30 9 Indium 10 cobalt 1 1 050 60 10 Indium 2 argent 7,5 1 000 45 11 Etain 10 - - 975 90 12 Etain 8 nickel 1 975 90 13 Etain 7 cobalt 0,5 975 90 14 Etain 4 indium 4 1 000 90 15 Etain 7 argent 3 1 000 75 16 Manganèse 10 - - 975 90 17 Manganèse 10 nickel 1 975 90 18 Manganèse 10 cobalt 1 975 90 Dans chaque cas, on a obtenu une liaison de soudure remarquable. Exemple 19 Les exemples selon le procédé conforme à l'in- vention, décrits dans les exemples 7 à 18 pour la brasure d'acier inoxydable sur du cuivre, ont aussi pu être utilisés sans modification, pour la brasure de cuivre sur du cuivre. Dans ce cas, il a été suffisant de chauffer la pièce à la température nécessaire, un traitement thermique plus long n'étant pratiquement pas nécessaire à cette température. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée de la présente invention. Revendications 1. Procédé de brasure de cuivre sur du cuivre ou sur des alliages d'acier, par dépôt d'un métal formant alliage comme matériau de brasure sur au moins une des surfaces de cuivre ou sur la surface de cuivre, par compression des surfaces à souder ensemble et par-traitement thermique de 10 à 200 minutes de la pièce dans une atmosphère de gaz protecteur purifié ou sous vide, sous une pression d'au plus 1 Pa, à des températures de 8500 à 10800C jusqulà la formation de l'alliage superficiel, lequel procédé est caractérisé en ce qu'on utilise de l'étain, de l'indium ou du manganèse comme métal formant alliage-. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose un revêtement de base en nickel, cobalt, indium et/ou argent d'une épaisseur d'au.plus 30 jeu avant le dépôt du métal formant alliage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on procède au dépôt du métal formant alliage et/ ou du revêtement de base à partir de solutions électroly- tiques. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on procède au dépôt du métal et/ou du revêtement de base suivant une épaisseur de 1 à 30 .