EP2371994B1 - Procédé pour réaliser un revêtement d'acier inoxydable sur une matrice en cuivre - Google Patents

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EP2371994B1
EP2371994B1 EP11153762A EP11153762A EP2371994B1 EP 2371994 B1 EP2371994 B1 EP 2371994B1 EP 11153762 A EP11153762 A EP 11153762A EP 11153762 A EP11153762 A EP 11153762A EP 2371994 B1 EP2371994 B1 EP 2371994B1
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EP
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stainless steel
gas
coating
carrier gas
particles
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Michel Saez
Jean-Pierre Bernard
Alain Cloarec
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0042—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for foodstuffs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/085—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from copper or copper alloys

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a thin coating of stainless steel on a copper matrix using a heated carrier gas to convey unmelted stainless steel particles.
  • Stainless steel is a metal recommended for food but with poor thermal conductivity.
  • copper has good thermal conductivity but its direct contact with food is not recommended.
  • the problem is to be able to achieve a coating of a thin layer of stainless steel on a copper matrix which leads to a good attachment of the stainless steel on the copper without causing a significant proportion of porosities and / or deformations of the matrix.
  • FR 2520265 teaches the deposition of a stainless steel coating on a substrate.
  • GB 2394479 describes the deposition of a copper layer on a stainless steel substrate.
  • the solution is a process for producing a stainless steel coating on at least a portion of the surface of a copper matrix, characterized in that unmelted or partially melted stainless steel particles are projected onto the matrix in copper to be coated using a carrier gas heated to a temperature between 50 and 800 ° C, said carrier gas being nitrogen or helium.
  • fine solid (unmelted) stainless steel particles are accelerated in a heated gas stream, particularly nitrogen (N 2 ) or helium (He) at a temperature less than 700 ° C, for example 350 ° C.
  • a heated gas stream particularly nitrogen (N 2 ) or helium (He) at a temperature less than 700 ° C, for example 350 ° C.
  • the carrier gas is therefore not sufficiently heated to allow the projected stainless steel to melt since it has a melting point of about 1450 ° C. to 1538 ° C. depending on the Cr and Ni it contains.
  • the heating of the particles and their projection are done by means of a heat spray gun 1, as illustrated in FIG. Figure 1 fed, on the one hand, with carrier gas 2, for example nitrogen from a storage tank or bottles of gas and, on the other hand, with powder 3 from a powder reserve .
  • carrier gas 2 for example nitrogen from a storage tank or bottles of gas
  • the spray gun 1 is provided with gas heating means 4 to give them the desired temperature, for example an electrical resistance 4 of 17 kW which heats the gas by direct or indirect contact.
  • the heated gas and the powder are mixed in a mixing chamber 5 located in the gun 1, before being expelled by a jet nozzle 6, for example a Laval nozzle with converge / divergent, and to go impact the copper matrix of the tube 10 to form the layer 7 (or the successive layers) of desired coating.
  • the nozzle / die distance is chosen empirically so as to obtain a homogeneous coating over the entire surface covered, typically the nozzle is at a distance between 30 mm and 60 mm of the matrix to be coated.
  • the matrix may be prepared, in particular sandblasting, prior to the projection of the stainless steel particles, so as to clean it (degreasing) and to promote the attachment of the projected particles.
  • the coating obtained has good adhesion to the matrix, is of good quality and almost devoid of porosity and the substrate (matrix) has not undergone any deformation or modification of its characteristics because of the low temperatures used.
  • the projected stainless steel powder has also retained its characteristics.
  • the stainless steel coating could then undergo, without breaking, a machining to give it a smooth surface appearance.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé pour réaliser un revêtement de faible épaisseur d'acier inoxydable sur une matrice de cuivre en utilisant un gaz vecteur chauffé pour véhiculer des particules d'acier inoxydable non fondues.
  • Dans le domaine alimentaire, il est usuel de réaliser un refroidissement de certaines denrées alimentaires par échange thermique, c'est-à-dire en mettant les denrées à refroidir en contact avec des plaques métalliques faisant office d'échangeurs de chaleur.
  • L'acier inoxydable est un métal recommandé dans le domaine alimentaire mais qui présente une mauvaise conductivité thermique. A l'inverse, le cuivre présente une bonne conductivité thermique mais sa mise en contact direct avec des denrées alimentaires n'est pas recommandée.
  • De là, il a été proposé d'utiliser des plaques de cuivre recouvertes d'une fine couche, c'est-à-dire d'un revêtement surfacique de faible épaisseur, d'acier inoxydable. En effet, une telle association présente les avantages du cuivre et de l'acier mais sans en présenter les inconvénients.
  • Toutefois, réaliser des revêtements d'acier inoxydable sur cuivre n'est pas chose aisée. En effet, il convient non seulement d'obtenir un bon accrochage de l'acier inoxydable sur le cuivre mais aussi d'éviter la formation de porosités et toute déformation éventuelle de la matrice.
  • Le problème qui se pose est de pouvoir réaliser un revêtement d'une fine couche d'acier inoxydable sur une matrice en cuivre qui conduise à un bon accrochage de l'acier inox sur le cuivre sans engendrer une proportion importante de porosités et/ou de déformations de la matrice.
  • FR 2520265 enseigne le dépôt d'un revêtement d'acier inoxydable sur un substrat. GB 2394479 décrit le dépôt d'une couche de cuivre sur un substrat d'acier inoxydable.
  • La solution est un procédé pour réaliser un revêtement d'acier inoxydable sur au moins une partie de la surface d'une matrice en cuivre, caractérisé en ce que des particules d'acier inoxydable non fondues ou partiellement fondues, sont projetées sur la matrice en cuivre à revêtir en utilisant un gaz vecteur chauffé à une température comprise entre 50 et 800°C, ledit gaz vecteur étant de l'azote ou de l'hélium.
  • Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • le gaz vecteur est chauffé à une température d'au moins 70°C.
    • le gaz vecteur est chauffé à une température d'au plus 700°C.
    • les particules d'acier inoxydable sont non fondues.
    • les particules d'acier inoxydable ont une taille moyenne comprise entre 5 et 50 µm.
    • les particules d'acier inoxydable sont formées d'acier inoxydable austénitique.
    • le revêtement est formé d'une ou plusieurs couches d'acier inoxydable.
    • le revêtement a une épaisseur inférieure à 1000 µm, de préférence inférieure ou égale à 500 µm, de préférence inférieure ou égale à 200 µm, typiquement inférieure ou égale à 100 µm environ.
    • le revêtement a une épaisseur supérieure à 1 µm, de préférence supérieure ou égale à 10 µm, de préférence supérieure ou égale à 25 µm.
    • la matrice en cuivre est portée par ou formée d'une pièce de forme tubulaire ou une plaque.
    • la matrice est une plaque de cuivre.
    • la matrice est un tube en cuivre.
    • le gaz est distribué à une vitesse entre 300 et 1600 m/sec, de préférence d'au moins 400 m/sec.
    • le mélange gaz vecteur/poudre est distribué au moyen d'une tuyère de Laval, c'est-à-dire avec passage interne convergent/divergent.
    • le chauffage du gaz est opéré au moyen d'un pistolet de projection comprenant des moyens de chauffage du gaz permettant de leur conférer la température souhaitée, de préférence les moyens de chauffage comprennent au moins une résistance électrique apte à et conçue pour réchauffer un gaz par contact direct ou indirect.
    Exemple
  • Afin de montrer l'efficacité du procédé de l'invention, on a réalisé le dépôt d'une couche 7 de l'ordre de 100 µm d'acier inoxydable austénitique type 304 sur la surface extérieure 8 d'un tube 10 en cuivre (matrice) de 1 cm d'épaisseur par un procédé de projection thermique selon l'invention, comme illustré sur la Figure 2.
  • Plus précisément, de fines particules d'acier inoxydables à l'état solide (non fondus) subissent une accélération dans un flux de gaz chauffé, en particulier de l'azote (N2) ou de l'hélium (He) à une température inférieure à 700°C, par exemple à 350°C.
  • Selon l'invention, le gaz vecteur n'est donc pas suffisamment chauffé pour permettre une fusion de l'acier inoxydable projeté puisque celui-ci à une température de fusion de l'ordre de 1450°C à 1538°C selon la teneur en Cr et Ni qu'il contient.
  • Le réchauffage des particules et leur projection se font au moyen d'un pistolet 1 de projection thermique, comme illustré en Figure 1, alimenté, d'une part, en gaz vecteur 2, par exemple de l'azote provenant d'un réservoir de stockage ou de bouteilles de gaz et, d'autre part, en poudre à projeter 3 provenant d'une réserve de poudre.
  • Le pistolet de projection 1 est doté de moyens de chauffage 4 du gaz permettant de leur conférer la température souhaitée, par exemple une résistance électrique 4 de 17 kW qui réchauffe le gaz par contact direct ou indirect. Le gaz chauffé et la poudre se mélangent au sein d'une chambre de mélange 5 située dans le pistolet 1, avant d'être expulsés par une buse 6 de projection, par exemple une buse de Laval avec convergent/divergent, et d'aller impacter la matrice en cuivre du tube 10 pour y former la couche 7 (ou les couches successives) de revêtement désirée.
  • L'injection de fines particules (taille approximative entre 5 et 50 µm) dans le jet de gaz à vitesse supersonique (i.e. > 360 m/sec) permet de les accélérer suffisamment pour permettre leur adhérence sur la matrice-support en cuivre. L'impact des particules sur la matrice provoque en fait une déformation plastique des particules libérant ainsi une énergie suffisante pour obtenir un bon accrochage des particules d'acier inoxydable sur la matrice-support.
  • La distance buse/matrice est choisie empiriquement de sorte d'obtenir un revêtement homogène sur toute la surface recouverte, typiquement la buse est à une distance entre 30 mm et 60 mm environ de la matrice à revêtir.
  • Il est à noter que, d'une façon générale, la matrice peut faire l'objet d'une préparation, en particulier d'un sablage, préalablement à la projection des particules d'acier inoxydable, de manière à la nettoyer (dégraissage) et à favoriser l'accrochage des particules projetées.
  • Grâce au procédé de l'invention, il est possible de réaliser une (ou plusieurs) couche (successives) d'acier inoxydable sur la matrice en cuivre.
  • Le revêtement obtenu présente une bonne adhérence sur la matrice, est de bonne qualité et quasi exempt de porosités et le substrat (matrice) n'a pas subi de déformation ou de modification des ses caractéristiques du fait des températures peu élevées mises en oeuvre. La poudre d'acier inoxydable projetée a également conservé ses caractéristiques.
  • Par ailleurs, le revêtement en acier inoxydable a pu subir ensuite, sans se rompre, un usinage pour lui conférer un aspect de surface lisse.

Claims (10)

  1. Procédé pour réaliser un revêtement d'acier inoxydable sur au moins une partie de la surface d'une matrice en cuivre, caractérisé en ce que des particules d'acier inoxydable non fondues ou partiellement fondues, sont projetées sur la matrice en cuivre à revêtir en utilisant un gaz vecteur chauffé à une température comprise entre 50 et 800°C, ledit gaz vecteur étant de l'azote ou de l'hélium.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz vecteur est chauffé à une température d'au moins 70°C et/ou le gaz vecteur est chauffé à une température d'au plus 700°C.
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage du gaz est opéré au moyen d'un pistolet de projection comprenant des moyens de chauffage du gaz.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules d'acier inoxydable sont non fondues.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules d'acier inoxydable ont une taille moyenne comprise entre 5 et 50 µm.
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement est formé d'une ou plusieurs couches d'acier inoxydable.
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement a une épaisseur comprise entre 1 et 1000 µm, de préférence entre 10 et 500 µm.
  8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice en cuivre est portée par ou constitue une pièce de forme tubulaire ou une plaque.
  9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz est distribué à une vitesse entre 300 et 1600 m/sec, de préférence d'au moins 400 m/sec.
  10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gaz vecteur/poudre est distribué au moyen d'une tuyère de Laval.
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