KR100734411B1 - 건조 용도용 융제 - Google Patents

Abstract

건조 용도("건조 융제 처리")에 매우 적합한, 알칼리 플루오로알루미네이트에 기초한 융제에 관한 것이다.

본 발명의 융제는 입자 크기 분포의 범위에 따라 규정된 미세 입자분을 포함하지 않는 융제이다.

Description

건조 용도용 융제{Fluxing agent for dry application}

본 발명은 건조 용도에 사용될 수 있는 융제(flux) 및 그의 땜 융제(soldering flux)로서의 사용에 관한 것이다.

오래 전부터 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 된 부품, 특히 자동차 공업용 열 교환기를 알칼리 플루오로알루미네이트 계통의 융제를 사용하여 서로 땜 연결하는 것은 알려져 있다. 그런데 융제는 보통 수 현탁물로서 열 교환기 위에 분무된다. 실리콘 분말 또는 포타슘 플루오로실리케이트와 같은 융접제 또는 융접제 형성 전구체의 존재 하에 부품을 융제의 융점 이상의 온도까지 가열할 때에, 안정성 있는 비 부식성 결합이 형성된다. 독일 공개 공보 제 197 49 042 호에, 이 공정에서 발생하는 폐수를 재순환시킬 수 있는 방법이 이미 공개되었다. 그러나 기타의 공정 변수들은 까다로운 것으로, 융제 슬러리의 농도가 조절되어야 하고, 열 교환기는 가열 전 건조되어야하며, 역시 재순환되는 융제 슬러리에는 오염물이 수용될 수 있다. 이런 결점은, 건조된 융제를 연결시키려는 부품에 적용하면, 방지될 수 있다. 이것은 "건조 융제 처리"의 경우이다. 그리고 건조 융제 분말은 정전기적으로 부품 에 적용된다. 이 공정의 잇점은 슬러리를 제조할 필요가 없는 것, 슬러리의 농도를 조절해야 할 필요가 없는 것, 부품을 위한 별도의 건조화 단계를 수행할 필요가 없다는 것 및 폐수가 발생하지 않는다는 것이다.

본 발명의 목적은, 공기를 이용하여 양호하게 수송될 수 있고, 건조상태로 잘 분무될 수 있고, 분무된 부품 위에 양호하게 부착될 수 있는 건조형 적용법("건조 융제 처리(dry fluxing)")에 적합한, 알칼리 플루오로알루미네이트를 기재로 하는 융제를 제공하는 것이다. 이 목적은 청구 범위에 기재되어 있는 융제에 의해 달성된다.

본 발명은 알칼리 플루오로알루미네이트 융제의 입자 크기 및 입자 크기 분포가 공기에 의한 수송, 분무성 및 융제 입자들의 부품에의 부착능에 영향을 미친다는 인식에 근거를 두고 있다. 작은 입자와 큰 입자가 융제 내에 포함되고, 그들의 비가 특정 규칙의 적용을 받으면 유리하다는 것이 발견되었다.

알칼리 플루오로알루미네이트에 기초를 둔 건조 용도("건조 융제 처리")에 사용될 수 있는 본 발명에 의한 융제는 입자의 체적 분포가 실질적으로 도 10의 곡선 1 과 2 사이에 놓이는 것이 특징이다. 입자 크기 분포는 레이저 회절에 의해 구해졌다.

바람직한 융제에서는 입자의 체적 분포는 실질적으로 도 11의 곡선 1 과 2의 사이에 놓인다.

도 10은 본 발명의 의미에 있어 사용 가능한 분말의 체적 분포 곡선에 대한 상한(곡선 1)과 하한(곡선 2)을 나타낸다. 이들 곡선은 분말의 %로 된 누적 체적 분포를 입자 크기에 대해 플롯한 것을 보여준다. 그의 누적 체적 분포(치)가 도 10의 곡선 1과 2의 곡선상에, 또는 곡선 1과 곡선 2의 내부(사이)에 위치하는 융제 분말이 본 발명의 범위에 속하는 분말이다.

입자 크기에 대한 도 10의 곡선 1과 2의 누적 체적 분포치가 다음의 표 A에 수록되어 있다.

표 A: 도 10의 곡선 1과 2의 누적 체적 분포치

하한= 곡선 1 상한 = 곡선 2.

상기 표의 읽기 예: 체적의 40 %가 12.5 ㎛ 또는 그 이하의 직경을 가진 입자들로 이루어져 있다.

도 11의 곡선 1과 2의 곡선상에, 또는 곡선 1과 2의 내부에 위치하는 누적 체적 분포치를 갖는 융제가 특히 바람직한 건조-융제-물성을 가진다는 것이 확인되었다. 표 B는 도 11의 곡선 1과 2의 입자 크기에 대한 누적 체적 분포의 수치를 표시한다.

표 B: 도 11의 곡선 1과 2의 입자 크기의 누적 체적 분포치

하한=곡선 1 상한=곡선 2

본 발명에 의한 재료는, 바람직하지 않은 입자분을 체로 쳐서 제거하고, 상 이한 입자 크기 분포를 가진 재료를 혼합하므로써 얻어질 수 있다.

분무율(spraying factor)은 유리하게는 25, 바람직하게는 35, 특히 바람직하게는 45 또는 그 이상이며, 이로부터 결정된 비 H_fluid:H₀는 적어도 1.05이다. 분무율의 상한치는 85이고, 바람직하게는 83.5이다. 분무율 및 비 H_fluid:H₀(팽창되지 않은 분말에 대한 팽창된 분말의 높이)의 결정은 이하에 더 상세히 설명될 것이다.

본 발명에 의한 재료는 건조 융제 방법에서 융제로 사용되기에 아주 적합하다. 그리고 분말은 압력 공기 또는 질소에 의해 저장 용기로부터 "분무 캐논(분무 총)"내에 도입되어, 정전기적으로 충전된다. 그런 후, 분말은 분무 캐논의 분무 헤드를 떠나 땜질할 부품에 충돌한다. 그런 후, 땜질할 부품들은, 경우에 따라서는 서로 조립되어, 일반적으로 질소를 위한 불활성 가스를 사용한 가운데, 땜 로(soldering furnace) 내에서 땜질되거나 또는 토오치 땜에 의해 땜질된다.

본 발명에 의한 분말은 공지의 융제에 비해 사용 기법상 이점을 갖고 있다. 예컨대 이 분말은 대단히 양호한 흐름 거동을 갖고 있다. 이것은 선정된 입자 크기의 분포에 기인한다. 이 양호한 흐름 거동으로 인해 막힘("축적") 경향이 감소된다. 이 물질은 매우 양호하게 정전기적으로 충전될 수 있다. 이 물질은 매우 양호하게 땜질될 부품에 부착한다. 물질 흐름은 매우 균일한 형상을 이룬다.

이하의 실시예에 따라 본 발명의 범위를 한정함이 없이 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

체적 분포의 결정:

시스템(장치): Sympatec HELOS

제조자: Sympatec GmbH, System-Partikel-Technik

구성:

레이저 회절에 의한 고체의 입자 크기 분포를 구하기 위한 측정 장치.

이 장치는 다음 부품들로 구성되어 있다:

빔 형성부를 구비한 레이저 광원, 측정될 입자가 레이저광과 상호 작용하는 측정 구역, 굴곡된 레이저광의 각도 분포를 광 검출기 상에 지점 분포로 변환시키는 표시 광학부, 자동 초점 장치를 구비한 다중 소자-광 검출기 및 측정된 강도 분포를 디지털화하는 후측에 연결된 전자부.

입자 크기 분포는 소프트웨어 WINDOX에 의해 산출된다. 그 원리는 (Fraunhofer에 따른) 굴절 패턴의 측정된 강도 분포의 평가에 기초를 두고 있다. 본 실시예의 경우에는 HRLD(고해상도 레이저 회절) 사용. 비 구형 입자의 입자 크기는 동일한 굴곡을 나타내는 구형 입자의 등가 직경 분포로 표시된다. 측정 전에 응집체는 개별 입자들로 분리시킨다. 측정을 위해 요구되는 분말의 에어로졸은 분산화 기구, 여기서는 RODOS 시스템, 내에서 생성된다. 진동 컨베이어(VIBRI)에 의해 분말은 분산화 기구내로 균일하게 공급된다.

측정 영역: 0.45...87.5 ㎛

평가: HRLD (버전 3.3 관련 항목 1)

시료의 밀도:

조절: 1 g/cm³

형태 계수: 1 복합 굴절율 m=n-ik; n=1; i=0

평가:

x는 ㎛로 된 입자 직경.

Q3은 기재된 직경까지의 입자들의 누적 체적 분율.

q3은 입자 직경 x에서의 밀도 분포.

x10은 누적 체적 분율이 10%에 도달했을 때의 입자 직경.

c-opt는 측정시 나타나는 광학적 농도(에어로졸 밀도).

입자의 직경 및 체적에 따른 입자 크기 분포의 모멘트(Moment)를 나타내는 M1, M3 및 입자의 체적당 표면적을 나타내는 Sv는 평가에 인용되지 않았다.

출발 재료:

상이한 입자 크기 분포를 가진 포타슘 플루오로알루미네이트로 된 두가지 분말을 대상으로, 건조 융제 처리를 위한 성질에 관해 시험했다. 이들 분말은 바람직하지 않은 입자 부분을 체로 쳐 제거함에 의해 얻을 수 있다. 다음에는 입자 크기 분포(체적 분포)가 표로 요약되어 있다. 분말 1("큰 크기"의 재료)의 입자 크기 분포는 도 1에, 분말 2("미세" 재료)의 것은 도 2에 표시되어 있다.

표 1: 분말 1의 체적 분포

x10 = 1.14 ㎛ x50 = 7.35 ㎛ x90 = 19.44 ㎛

Sv = 2.033 m²/cm³ Sm(입자의 중량당 표면적) = 8132 cm²/g cpot = 6.27 %

표 2: 분말 2의 체적 분포

x10 = 0.72 ㎛ x50 = 2.71 ㎛ x90 = 7.26 ㎛

Sv = 3.6046 m²/cm³ Sm = 14418 cm²/g cpot = 6.74 %

먼저 분말 1과 2, 그리고 이들의 특정 혼합물의 유동성 및 흐름 능력을 시험했다.

사용된 장치 및 실시:

분말 유동성 및 분말 흐름 능력을 측정할 하나의 측정 기구(Binks-Sames 분말 유동성 지시기 AS 100 - 451 195)를 진동 장치(Fritsch L-24) 위에 설치했다. 측정 기구는 바닥에 다공막을 가진 유동화 실린더를 갖고 있다. 시험할 분말 250 g을 실린더에 넣고 진동 장치에 스위치를 넣고 건조 질소의 균일한 흐름(유량 측정계에 의한 조절)을 다공막을 통해 분말 내에 도입했다. 분말은 팽창했다; 평형상태의 조절을 위해 1분간 기체가 작용하게 했다. 팽창 전과 후에 높이를 측정함에 의해 각 분말의 유동성을 구했다.

각 분말의 유동성 및 흐름 능력을 소위 "분무율"을 통해 구했다. 분무율은 팽창율(유동성)과 분말의 질량 흐름(흐름 능력)의 조합이다. 분무율은 건조-융제-용도를 위한 중요 인자를 나타낸다. 이 분무율은 다음과 같이 결정했다: 상기와 같이 시험할 분말을 유동화 실린더 내에서 팽창시켰다. 그런 다음, 실린더 측면에 형성된 구멍을 30초 동안 개방하고, 이 구멍을 통해 실린더를 떠나는 분말을 유리 비커 내에 수집하여 칭량했다. 0.5 분의 시간 단위에 대한 수집된 분말의 양의 비를, 이하에서는 "분무율"이라 지칭할 것이다. 설명을 하자면, 대단히 양호하게 유동화 가능하고 흐름 능력이 있는 분말은 분무율 140을 갖는다고 말할 수 있을 것이다. 대단히 불량하게 팽창하고 불량한 흐름 능력의 분말은 예컨대 분무율이 7이 될 것이다. 다음의 표 3에는 순수 분말 1, 순수 분말 2 및 100 중량% 중 90, 80, 70...10 중량 %의 분말 1과 잔부의 분말 2와의 중간 혼합물에 대한 분무율이 주어져 있다.

표 3:

¹ 복수회 측정의 평균치

시험에서 약 45 g/0.5 분 이상의 분무율에서는 양호한 흐름 거동이 달성되는 것이 확인되었다.

분무율은 다음과 같이 계산될 수도 있다:

a) 진동기는 스위칭 오프되고, 질소 공급도 스위칭 오프된 상태에서,

H_fluid는 팽창된 분말의 높이, H₀은 팽창되지 않은 분말의 높이로 하여

팽창율: H_fluid:H₀(cm/cm)를 계산한다.

직경에 따라 분포된 측정 지점들에서의 각각 5회 측정으로부터 평균치를 구 한다.

b) 분말의 흐름(g/0.5 분): 즉 0.5 분 동안에 구멍으로부터 유출한 분말의 질량을 10회 측정(m₁~m₁₀)하여 중앙치로서 구한다.

중앙치의 계산:

10회 측정값들의 크기가 m₅＜m₃＜m₁＜m₇＜m₉＜m₂＜m₄＜m₈＜m₁₀＜m₆인 경우,

중앙치 m = m₉ + m₂/2.

그러면 분무율 Rm은

Rm(g/0.5 분) = m(g/0.5 분)ㆍ팽창율.

놀랍게도 분무율은 분말 혼합물의 조성(구성)에 직선적으로 변하지 않고, 이 분무율은 시료(분말) 1의 함유량이 약 80 ∼ 90 %인 범위에서 강한 성질의 급변(도약)을 나타낸다. 이것이 도 3에 그래프적으로 나타나 있다. g/0.5 분으로 된 분무율이 혼합물 중 분말 1의 백분율에 대해 플롯되어 있는 것을 볼 수 있다. 이것은, 분말 중 미세 부분의 함량이 흐름 능력에 큰 영향을 미치는 것을 증명한다.

입자 크기 분포에 의존하는 알루미늄 부재에 대한 부착성 시험

건조 융제 처리에서 시험된 분말의 산업적 이용성에 대한 긍정적인 결론을 가능케하는 매우 간단한 방법에 의해 부착성을 시험했다.

외부 치수 0.5 m ×0.5 m의 평평한 정방형 알루미늄 판의 일측면에 분무에 의해 시험하려는 건조 융제 분말을 피복했다. 융제를 포함한 무게를 칭량했으며; 그런 다음 그 판을 수직 상태에서 5 cm 높이로부터 바닥에 떨어뜨리고 융제의 손실 량을 원래의 융제 사용량의 백분율로서 기록했다. 분말에 대해 각각 10회 측정했다. 본 발명에 따른 분말의 이용시 낮은 중량 손실을 보인 반면에, 부착성이 불량한 분말은 비교적 높은 중량 손실을 보였다(분말 3 및 분말 4 참조).

실제 조건 하에서의 시험:

두 개의 상이한 장치를 사용했다. 한 장치는, 반 연속 조작에 적합한, Nordson 사의 융제-도포 장치("융제 처리 부우스(fluxing booth)")이었다. 장치의 치수: 216 cm 높이, 143 cm 폭, 270 cm 깊이. 가장 중요한 부재는 저장 용기, 분무 캐논, 두 개의 여과 카트리지 및 제어 장치이었다. 융제 처리할 부재를 인위적으로 전후로 이동시킬 수 있는 틀 위에 설치했다. 분무 캐논은 자동적으로 왼쪽에서 오른쪽으로, 다시 역으로 약 21 초의 간격으로 동작했다(65 cm의 거리를 21 초에, 즉 3.1 cm/초의 속도).

제 2 융제 처리 장치로서 분무 캐논과 제어 장치를 갖춘 ITW/Gema사의 용기를 이 시스템 내에 설치했다.

분무 헤드와 틀 사이의 거리는 34 cm이었다.

작동 원리:

Nordson 사의 용기는, 융제를 벤추리 펌프 및 공급 호스를 통해 분무 캐논 내에 도입하기 위해, 분무 유동화의 원리를 이용했다. 용기 내의 교반- 및 진동 장치가 융제의 유동화를 지원했다.

ITW/Gema의 시스템은, 분말을 기계적으로 깔대기 내로 운반하기 위해, 스크류 컨베이어("나선 스크류 컨베이어")를 갖춘 용기를 갖고 있었다. 그리고 벤추리 펌프가 융제를 호스를 통해 분무 캐논 내에 수송했다.

ITW/Gema의 시스템에는, 융제에 의한 막힘을 방지하기 위해, 수 개의 지점에 진동기가 장착되어 있었다. 분무 캐논은 분말을 충전시키기 위해 100 kV로 작동했다.

실시예들에서 설명된 분말을, 융제 수송 및 분무 과정의 균일성 및 시험체(표면적 4.8 m²를 가진 열 교환기)에의 적용성(loading)을 시험하기 위해 Nordson 및 ITW/Gema의 장치에 적용했다. 먼저 공기 흐름 및 스크루 속도에 관한 제어 장치를, 융제 적용율이 약 5 g/m²에 달하도록 조정했다. 이어서 장치의 조절 상태를 변경함이 없이 실험을 30 분간 진행시켰다. 틀 위의 시험체에 융제를 2 ∼ 4 분의 간격으로 분무하고, 그런 후 융제 적용율을 구하기 위해 칭량을 행했다. 각각의 시험 시리즈는 10회 또는 11회의 측정을 포함했다. 결과는 표 4에 수록되어 있다.

표 4: 30 분 시험, 열 교환기에의 융제 적용율

도 4 내지 7에는 Nordson 장치 및 ITW/Gema 장치에 대해 시간에 대한 융제 적용율이 분말 1 및 분말 2에 대해 그래프적으로 통합되어 있다. 분말2에 대해서는 Nordson 장치에서는 막힘을 방지하기 위해 분무 헤드를 규칙적으로 송풍 세척을 해 야만 했다.

상기와 같은 30 분 시험 조사는 추가의 분말에 대해 행해졌다. 분말 3은 다음 물성을 가졌다: Rm의 측정치 59.25; H_fluid:H₀(mm/분)=1.11; 부착력 손실 11.5 %; 및 이하의 입자 크기 분포: 전체 입자의 90 %는 ＜35.15 ㎛의 크기를 가졌다; 전체 입자의 50 %는 ＜9.76 ㎛의 크기를 가졌고, 전체 입자의 10 %는 ＜1.35 ㎛의 크기를 가졌다. 입자 크기 분포의 최고 정점은 5 ㎛에 있었고, 두 번째 정점은 20 ㎛에 있었다. 이 분말의 누적 체적 분포치가 도 10 및 도 11에 양호하게 사용될 수 있는 분말의 예로서 표시되어 있다. 이 재료는 Nordson 장치와 ITW/Gema 장치 모두에서 양호한 결과를 제공했다. 장치에는 "흠자국"도 볼 수 없었고, 분무 헤드에 대한 송풍 세척도 필요없었다. 형성된 피막층은 "대단히 미려했다". 시간에 대한 융제 적용율은 도 8에 표시되어 있다. 추가 재료는 분말 4이었는데, 그것은 Rm = 82.85의 분무율을 가졌고; H_fluid:H₀은 1.10이었고; 부착 시험에서의 손실율은 16.7 %이었고; 입자 크기 분포: 전체 입자의 90 %는 28.6 ㎛ 미만의 직경을 가졌고; 전체 입자의 50 %는 8.9 ㎛의 직경을 가졌고; 전체 입자의 10 %는 1.67 ㎛ 미만의 직경을 가졌으며; 입자 크기 분포는 9.5㎛ 및 20 ㎛에서 정점을 가졌고, 이 재료 또한 우수한 결과를 제공했다. 도 9는 시간에 대해 분말 4에 의한 융제가 열 교환기 위에 균일하게 피복된 것을 보여준다.

우수한 결과는 다음의 포타슘 플루오로알루미네이트에 의해서도 얻어졌다: Rm=46.99; 비 H_fluid:H₀=1.05; 피막 손실: 6.39 %; 입자 크기 분포: 전체 입자의 90 % ＜19.84 ㎛; 전체 입자의 50 % ＜7.7㎛ ; 전체 입자의 10 % ＜1.16 ㎛; 입자 크기 분포의 최고 정점은 13 ㎛에 존재.

Claims (4)

1. 입자의 체적 분포가 실질적으로 도 10의 곡선 1과 곡선 2의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는, 건조 용도("건조 융제 처리")에 사용 가능한 알칼리 플루오로알루미네이트에 기초하는 융제.
2. 제 1 항에 있어서, 입자의 체적 분포가 실질적으로 도 11의 곡선 1과 곡선 2의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 융제.
3. 제 1 항에 있어서, 포타슘 플루오로알루미네이트에 기초하는 융제인 것을 특징으로 하는 융제.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 따른 융제를, 연결시킬 부재들에 건조한 상태로 적용하여 정전기적으로 충전시키고, 그 부재들을 가열하여 땜질하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 땜질하는 방법.

Images