KR102474175B1 - 슈퍼 오스테나이트계 강을 브레이징하기에 적합한 높은 용융 범위를 갖는 니켈계 합금 - Google Patents

슈퍼 오스테나이트계 강을 브레이징하기에 적합한 높은 용융 범위를 갖는 니켈계 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 20 중량% 내지 35 중량%의 크롬, 7 중량% 내지 15 중량%의 철, 2.5 중량% 내지 9 중량%의 실리콘, 0 중량% 내지 15 중량%의 몰리브덴, 불가피한 불순물들 및 니켈인 잔부를 포함하거나 이로 구성되는 합금의 형태인 니켈계 브레이징 필러 금속을 개시한다. 브레이징 필러의 고상선 온도는 1140℃ 내지 1240℃일 수 있다. 브레이징 필러 금속은 촉매 변환기들 및 열 교환기들의 제조에 적합하다. 본 발명은 또한 브레이징 방법을 개시한다.

Description

슈퍼 오스테나이트계 강을 브레이징하기에 적합한 높은 용융 범위를 갖는 니켈계 합금
본 발명은, 높은 내식성이 요구될 때, 예를 들어 염화물 환경들에서, 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강(super austenitic stainless steel)으로 제조된 컴포넌트들 또는 유사한 재료들로 제조된 컴포넌트들을 브레이징하기에 적합한 니켈계 브레이징 필러(nickel based brazing filler) 금속에 관한 것이다. 브레이징된 컴포넌트들로부터 제조된 제품들의 전형적인 예들은 열 교환기들이다. 본 발명은 또한 브레이징 방법에 관한 것이다.
브레이징은 브레이징 필러 금속의 보조 및 가열에 의해 금속 부품들을 결합시키기 위한 프로세스이다. 브레이징 필러 금속의 용융 온도는 베이스 재료의 용융 온도 미만이지만, 450℃ 초과이다. 이러한 온도 미만에서, 결합 프로세스는 솔더링로 불린다. 스테인리스 강들을 브레이징하기 위한 가장 일반적으로 사용되는 브레이징 필러 금속들은 구리 또는 니켈에 기초한다. 구리계 브레이징 필러 금속들이, 비용 이점들을 고려할 때 바람직한 반면, 니켈계 브레이징 필러 금속들은 높은 부식 및 고온 적용에서 필요하다. 구리는, 예를 들어, 지역 난방을 위한 그리고 수도 설비들(tap water installations)을 위한 열 교환기들을 위해 종종 사용된다.
높은 크롬 함량을 갖는 니켈계 브레이징 필러 금속들은 부식성 매체에 노출된 적용들에서 이들의 높은 내식성을 위해 사용된다. 니켈계 브레이징 필러 금속들은 또한 높은 서비스 온도 적용들에서 사용될 수 있다. 높은 부식 환경에 노출되는 전형적인 적용은 침식성(aggressive)냉각 매체로 냉각하기 위한 열 교환기들이다.
American Welding Society (ANSI/AWS A 5.8) 표준에서 열거된 수 개의 상이한 유형들의 니켈계 브레이징 필러 금속들이 존재한다. 이러한 니켈계 브레이징 필러 금속들 중 대부분은 열 교환기들을 브레이징하는데 사용된다. 조성물 Ni-7Cr-3B-4,5Si-3Fe (7 중량%의 Ni, 3 중량%의 B, 4.5 중량%의 Si, 3 중량%의 Fe 및 잔부 Ni)를 갖는 BNi-2는 고온 적용들에서 고강도 조인트들을 생성하는데 사용된다. 그러나, 붕소의 존재는 단점인데, 왜냐하면 이는, 붕소가 베이스 재료 내로 확산될 때, 베이스 재료의 취화(embrittlement)를 유발시킬 수 있기 때문이다. 붕소의 확산은 또한 CrB가 결정입계(grain boundaries)에서 형성됨에 따라, 내식성의 국부적 감소를 유발시킬 수 있다. 붕소를 포함하는 다른 니켈계 브레이징 필러 금속은 동일한 단점을 가진다.
붕소의 단점을 극복하기 위해, 다른 니켈계 브레이징 필러 금속들이 개발되었다. BNi-5(Ni-19Cr-10Si)는 높은 크롬 함량으로 인해 높은 내식성을 가진다. 이러한 합금에 대한 브레이징 온도는 다소 높으며(1150 내지 1200℃), 그리고 융점 강하제(melting point depressant)로서 오직 실리콘만을 사용할 때, 유동성이 제한된다. 붕소가 없는 다른 니켈계 브레이징 필러 금속들은 BNi-6(Ni-10P) 및 BNi7(Ni-14Cr-10P)이다. 이러한 브레이징 필러 금속들에 대한 브레이징 온도들은 브레이징 필러 금속들에 우수한 유동 특성들을 또한 제공하는 10 중량%의 인의 높은 함량으로 인해 보다 낮다. 그러나, 높은 인 함량(10 중량%)은 취성이 있는 상들을 포함하는 인을 형성하는 위험으로 인해 요구되는 강도를 갖지 못하는 브레이징된 조인트를 형성할 수 있다.
또 다른 니켈계 브레이징 필러 금속은 특허들(US6696017 및 US6203754)에서 설명된다. 이러한 브레이징 필러 금속은 조성물 Ni-29Cr-6P-4Si을 가지고, 그리고 꽤 낮은 브레이즈 온도(1050 내지 1100℃)로 높은 강도 및 높은 내식성을 조합한다. 이러한 브레이징 필러 금속은 높은 부식 환경에서 사용되는 EGR 냉각기들의 생성을 위해 특별히 개발되었다.
또 다른 니켈계 필러 금속은 미국 특허 출원 US2013/0224069A1에서 설명된다. 이러한 문헌은 염산에 대해 양호한 내식성을 갖는 브레이징 필러 금속을 설명한다. 합금은 6 내지 18 중량%의 몰리브덴, 10 내지 25 중량%의 크롬, 0.5 내지 5 중량%의 실리콘, 4.5 내지 8 중량%의 인 및 잔부 니켈 그리고 불가피한 불순물들을 포함한다. 설명된 다양한 합금들은 1120℃ 또는 그 미만의 액상선 온도들을 가진다.
ASM 전문 핸드북 스테인리스 강(speciality hand book Stainless Steel)에 따른 제한된 결정립 성장과 일치하는 가장 높은 실제 온도는 1095℃이다. 따라서, 이 온도 미만의 브레이징 온도가 스테인리스 강 컴포넌트의 결정립 성장이 갖는 문제들을 회피하기 위해 바람직하다.
Outokumpu로부터의 Type 254 SMO® 또는 Type 654SMO®와 같은 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강들(super austenitic stainless steels)은 상승되는 온도들에서 결정립 성장을 겪는 경향이 적다. 그러나, 이러한 강들에서, 취성이 있는 시그마 상들(sigma phases)은 1050℃ 근처에서 용이하게 형성된다. 니켈계 브레이징 필러 금속과 함께 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강들로 제조된, 침식 환경들을 겪는 컴포넌트들의 브레이징은 어렵고 문제가 있다. 그 이유들은, 예를 들어, 충분히 높은 브레이징 온도가 조인트의 응고 중에 취성이 있는 시그마 및 카이(chi) 상들의 형성을 회피하기 위해 적용되어야 하지만 브레이징 온도가 베이스 재료의 침식을 방지하기에 충분히 낮아야 한다는 것이다. 브레이징 금속은, 또한 갭들 및 틈새들(crevices)을 효율적으로 채우기 위해 충분히 만족스러운 유동을 가져야 한다.
이는 슈퍼 오스테나이트계 강들을 브레이징하는데 기존의 브레이징 합금들을 가장 부적합하게 만든다. BNi 5는 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강을 브레이징하는데 적합한 용융 간격(melting interval)을 가진다. 그러나, BNi 5의 내식성은 강들이 설계된 환경에서 이러한 유형들의 강들과 기능하기에 불충분하다.
가장 좋은 내식성을 갖는 종래의 니켈계 필러 금속들(Ni-29Cr-6P-4Si)은 염화물 환경에서 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강 등급들과 함께 작업하지 않는다. Ni-29Cr-6P-4Si가 충분히 만족스러운 내식성을 가지는 반면에, 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강의 특성들을 저하시키는 냉각 중에 베이스 재료에서 시그마 상들의 형성을 회피하기에는 고상선 온도가 너무 낮다. 따라서, 1140℃ 초과의 고상선 온도를 가지고 그리고 부식성 염화물 함유 환경들을 견딜 수 있는 조인트들을 형성할 수 있는 니켈계 브레이징 필러 금속에 대한 필요가 존재한다.
본 발명은, 20 중량% 내지 35 중량%의 크롬, 7 중량% 내지 15 중량%의 철, 2.5 중량% 내지 9 중량%의 실리콘, 0 중량% 내지 15 중량%의 몰리브덴, 불가피한 불순물들 및 니켈인 잔부를 포함하거나 이로 구성되는 합금의 형태인 니켈계 브레이징 필러 금속을 개시한다. 브레이징 필러의 고상선 온도는 1140℃ 내지 1220℃일 수 있다. 브레이징 필러 금속은 촉매 변환기들 및 열 교환기들의 제조에 적합하다.
본 발명은 또한 브레이징 방법을 개시한다.
본 발명의 일 양태에서, 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강들과 일치하는 우수한 내식성을 갖는 브레이징 필러 금속이 제공된다. 신규한 니켈계 브레이징 필러 금속에 의해 적합하게 브레이징되는 제품들의 예들은, 배기 가스 냉각 시스템들에서와 같이 산업적 적용들 또는 자동차 적용들에서 사용되는 열 교환기들, 예컨대 플레이트- 또는 튜브 열 교환기이다. 상이한 유형들의 촉매 변환기들은 또한 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강들로부터 제조된 가능한 적용들이다. 신규한 브레이징 필러 금속이 또한 종래의 스테인리스 강 등급들(grades)의 브레이징을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강들을 브레이징하는 신규의 브레이징 필러 금속의 사용을 수반하는 브레이징 방법이 제공된다. 추가의 양태에서, 브레이징된 제품이 제공된다.
취성이 있는 시그마 상들(sigma phases)의 형성을 회피하기 위해, 적어도 1050℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 적용되어야 한다. 브레이징 금속의 고상선 온도는, 급속 냉각이 적용되기 전에 브레이징 조인트의 완전한 응고(solidification)를 보장하기 위해 적어도 1140℃여야 하며, 그렇지 않으면 급속 냉각 중에 조인트에서 균열들 및 공동들(voids)을 형성하는 우려가 존재한다.
분말, 페이스트, 테이프, 포일 또는 다른 형태들의 형태인 브레이징 필러 재료는 결합될 수 있는 베이스 재료들의 표면들 사이의 갭(gap)에 또는 갭 안에 배치된다. 패키지(package)는 환원 보호 분위기에서 또는 진공에서 오븐(oven)에 배치되고, 액상선 온도를 초과하는 온도(적어도 1200℃ 초과)로 가열되고 그리고 브레이징이 완료될 때까지, 즉, 브레이징 필러 금속이 용융되며, 그리고 모세관(capillary) 힘들에 의해, 용융된 브레이징 필러 금속이 베이스 재료의 표면을 습윤시키고 갭 내로 유동할 때까지, 그 온도 상태로 유지된다. 고상선 온도 미만으로 냉각하는 중에, 고체 브레이징된 조인트가 형성된다. 고체 조인트가 형성될 때, 브레이징된 컴포넌트는 강제 냉각을 겪을 수 있으며, 이는 컴포넌트가 고압 하에서, 전형적으로 적어도 10 bar 하에서, 불활성 냉각 가스의 스트림을 겪는다.
따라서, 본 발명에 따른 브레이징 방법은 다음의 단계들을 포함할 것이다;
a) 본 발명에 따른 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 브레이징 필러 금속 재료를 스테인리스 강의 적어도 하나의 부품에 또는 스테인리스 강의 부품들의 조합에 적용하며, 그리고 적용가능하다면, 스테인리스 강의 부품들을 물품(article)에 조립하는 단계,
b) 브레이징 온도, 브레이징 필러 금속의 액상선 온도 초과, 적어도 1200℃ 초과의 온도로 물품을 가열하는 단계,
c) 완전한 브레이징이 획득될 때까지, 브레이징 온도로 부품(들)을 유지시키는 단계,
d) 브레이징된 조인트의 고상선 미만의 온도로 브레이징된 부품들을 냉각하는 단계,
e) 불활성 냉각 가스에 의해 적어도 10 bar의 압력에서 적어도 1050℃로부터 온도로부터 600℃ 또는 그 미만의 온도로의 강제 냉각으로 브레이징된 부품들을 냉각하는 단계,
f) 물품을 회수하는 단계.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 2℃/초의 속도로 적어도 1050℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 사용된다.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 2℃/초의 속도로 적어도 1100℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 적용되어야 한다.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 2℃/초의 속도로 적어도 1120℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 적용되어야 한다.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 5℃/초의 속도로 적어도 1050℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 사용된다.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 5℃/초의 속도로 적어도 1100℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 적용되어야 한다.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 5℃/초의 속도로 적어도 1120℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 적용되어야 한다.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 7℃/초의 속도로 적어도 1050℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 사용된다.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 7℃/초의 속도로 적어도 1100℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 적용되어야 한다.
본 발명에 따른 브레이징 방법의 일 실시예에서, 적어도 7℃/초의 속도로 적어도 1120℃로부터 최대 600℃로의 강제 냉각이 적용되어야 한다.
일 실시예에 따르면, 브레이징 필러 금속이 분말 형태로 제공될 수 있다. 브레이징 필러 금속의 분말로의 형성이 당 업계에서 공지된 방법들을 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 청구항들에서 규정된 조성물을 가지는 분말들은 균일한 합금을 용융하고 분무화 프로세스(atomization process)에 의해 이들을 분말로 변환함으로써 만들어질 수 있다. 분말의 평균 입자 크기는 10 내지 150㎛, 바람직하게는 20 내지 100㎛ 그리고 가장 바람직하게는 30 내지 70㎛의 범위일 수 있다. 평균 입자 크기는 EN24497에서 설명되는 방법을 사용함으로써 결정될 수 있거나, SS-ISO 13320-1에 따른 중앙값 입자 직경(X50)으로서 표현될 수 있다. 평균 입자 크기 또는 중간값 입자 직경은, 여기서 입자들의 집단에서 입자의 크기로서 해석될 수 있는데, 50 부피% 또는 중량%의 집단은 이러한 크기보다 더 작으며, 그리고 50 부피% 또는 중량%은 이러한 크기보다 더 크다.
전형적인 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강 등급들은 표 1에서 발견된다. 다른 이러한 강 등급들은 AL6XN 및 925hMo이다. 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스 강은 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 질소를 함유하고 ASM 핸드북(13A 판, 2003년)에 따라 규정된 45를 초과하는 PREN No.가지는 오스테나이스계 스테인리스 강으로서 규정될 수 있다. PREN No.는 여기서 방정식 PREN No.=%Cr+3.3*%Mo+30*%N에 의해 주어진다. 높은 크롬 및 질소 함량들과 함께 높은 몰리브덴 함량은 이러한 등급들에 우수한 내식성 및 개선된 기계적 특성들을 제공하고 있다.
Figure 112017090125212-pct00001
모든 스테인리스 강은, 당연히(by definition), 최소 11%의 크롬을 포함하며, 몇몇의 스테인리스 강들은 30% 초과의 크롬을 포함한다. 강에 그 내식성 특성들을 부여하는 보호 산화 크롬 층의 형성을 위해, 11% 초과의 크롬 함량이 요구된다. 크롬 함량이 높을수록, 내식성도 더 양호해지지만, 함량이 증가할 때, 유동 특징들은 부정적으로 영향을 받으며, 그리고 25% 초과의 크롬 함량을 갖는 브레이징 함금들은 매우 드물게 사용된다. 35% 초과의 크롬 함량들은 수 개의 금속간 상들이 생성됨에 따라, 조인트 강도의 감소를 유발할 수 있다.
따라서, 신규의 브레이징 필러 금속의 크롬 함량은 20 내지 35 중량%, 바람직하게는 25 내지 33 중량%이다. 일부 실시예들에서, 더 좁은 간격들이 요망될 수 있다.
함금의 융점을 감소시키기 위해, 융점 강하제들이 추가된다. 실리콘, 붕소 및 인이 효과적인 융점 강하제들인 것은 주지되어 있다.
일반적으로, 적어도 2 개의 융점 강하제들의 조합이 충분한 특징들, 예컨대 습윤 및 유동을 획득하기 위해 브레이징 필러 금속들에 사용된다. 본 발명에서, 그러나, 실리콘만이 사용될 수 있어, 브레이징 필러 금속의 제조 및 사용될 때의 취급을 용이하게 하는 것으로 나타나 있다.
9 중량% 초과의 실리콘의 함량은 적합하지 않는데, 왜냐하면 취성이 있는 상 형성에 대한 우려가 매우 높기 때문이며, 그리고 2.5 중량% 미만의 실리콘 함량은 브레이징 필러 금속에 불충분한 유동 특징들을 제공한다. 브레이징 필러 금속의 실리콘 함량은, 따라서 2.5 내지 9 중량%이다. 일부 실시예들에서, 더 좁은 간격들이 요망될 수 있다.
신규한 브레이징 필러 금속은 충분한 유동 특징들을 획득하기 위해 7 내지 15 중량%, 바람직하게는 8 내지 12 중량%의 철, 및 0 내지 15 중량%, 바람직하게는 5 내지 10 중량%, 바람직하게는 6 내지 10 중량% 및 가장 바람직하게는 7 내지 10 중량%의 몰리브덴을 포함한다. 일부 실시예들에서, 더 좁은 간격들이 요망될 수 있다.
불가피한 불순물들은 보통 2 중량%보다 낮은, 바람직하게는 1 중량%보다 더 낮은 양으로 그리고 컴포넌트의 존재가 브레이징 필러 재료의 특징들에 실질적으로 영향을 주지 않는 이러한 작은 양으로, 존재하는 컴포넌트들이다. 탄소는, 이러한 맥락에서, 불가피한 불순물로서 간주될 수 있으며, 그리고 본 발명의 특정 실시예들에서, 탄소 함량은 0.05 중량% 미만일 수 있다.
브레이징 필러 금속의 구성 성분들은 사전합금된 형태로 포함된다.
본 발명의 일 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
크롬(Cr): 20 내지 35 중량%
철(Fe): 7 내지 15 중량%
실리콘(Si): 2.5 내지 9 중량%
몰리브덴(Mo): 0 내지 15 중량%
최대 2 중량%의 불가피한 불순물들
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 25 내지 35 중량%
Fe: 7 내지 15 중량%
Si: 3 내지 8 중량%
Mo: 5 내지 10 중량%
최대 1 중량%의 불가피한 불순물들
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 25 내지 35 중량%
Fe: 7 내지 15 중량%
Si: 3 내지 8 중량%
Mo: 6 내지 10 중량%
최대 1 중량%의 불가피한 불순물들
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 25 내지 33 중량%
Fe: 8 내지 12 중량%
Si: 3 내지 8 중량%
Mo: 7 내지 10 중량%
최대 1 중량%의 불가피한 불순물들
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 28 내지 32 중량%
Fe: 8 내지 12 중량%
Si: 3 내지 8 중량%
Mo: 6 내지 9 중량%
최대 0.5 중량%의 불가피한 불순물들
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 28 내지 32 중량%
Fe: 8 내지 12 중량%
Si: 6 내지 8 중량%
Mo: 6 내지 9 중량%
최대 0.5 중량%의 불가피한 불순물들
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
크롬(Cr): 20 내지 35 중량%
철(Fe): 7 내지 15 중량%
실리콘(Si): 2.5 내지 9 중량%
몰리브덴(Mo): 0 내지 15 중량%
최대 2 중량%의 불가피한 불순물들(그 중 C는 0.05% 미만임)
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 25 내지 35 중량%
Fe: 7 내지 15 중량%
Si: 3 내지 8 중량%
Mo: 5 내지 10 중량%
최대 1 중량%의 불가피한 불순물들(그 중 C는 0.05% 미만임)
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 25 내지 35 중량%
Fe: 7 내지 15 중량%
Si: 3 내지 8 중량%
Mo: 6 내지 10 중량%
최대 1 중량%의 불가피한 불순물들(그 중, C는 0.05% 미만임)
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 25 내지 33 중량%
Fe: 8 내지 12 중량%
Si: 3 내지 8 중량%
Mo: 7 내지 10 중량%
최대 1 중량%의 불가피한 불순물들(그 중, C는 0.05% 미만임)
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 28 내지 32 중량%
Fe: 8 내지 12 중량%
Si: 3 내지 8 중량%
Mo: 6 내지 9 중량%
최대 0.5 중량%의 불가피한 불순물들(그 중, C는 0.05% 미만임)
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 니켈계 브레이징 필러 금속은:
Cr: 28 내지 32 중량%
Fe: 8 내지 12 중량%
Si: 6 내지 8 중량%
Mo: 6 내지 9 중량%
최대 0.5 중량%의 불가피한 불순물들(그 중, C는 0.05% 미만임)
잔부 니켈(Ni)을 포함한다.
브레이징 필러 금속은 1140℃ 내지 1220℃의 고상선 온도를 가지며, 용융 범위(즉, 액상선 온도와 고상선 온도 사이의 차이)는 좁아야하며, 즉 100℃미만이어야 한다. 고상선 온도 및 액상선 온도는 DSC(Differential Scanning Calorimetry)에 의해 결정될 수 있다.
브레이징 필러 금속은 브레이징될 갭을 유동하고 관통하기에 우수한 능력을 가진다. 또한, 용융된 브레이즈 합금은 브레이즈 합금이 용융될 때, 베이스금속을 침식시키지 않는데, 이는 왜냐하면 신규의 니켈계 필러 금속의 적합하게 밸런싱된 조성물은 베이스 재료로의 확산의 구동력을 제한하기 때문이다. 침식은, 용융된 브레이징 필러 금속에 의한 베이스금속의 용해에 의해 유발되는 조건으로서 규정되며, 베이스금속 두께의 감소를 초래한다. 침식은 항상 은 보다 높은 브레이징 온도와 함께 증가하는데, 왜냐하면 엘리먼트들의 확산 속도들은 온도와 함께 증가하고 있기 때문이다.
본 발명에 따른 브레이징 필러 금속은 가스 또는 물 분무화에 의해 제조될 수 있는 분말의 형태일 수 있다. 적용 기술에 따라, 상이한 입자 크기 분포가 요구된다. 브레이징될 부품들에 적용될 때, 이러한 맥락에서, 브레이징 필러 금속 재료로서 표시되는 브레이징 필러 금속은 분말의 형태 또는 페이스트, 테이프, 또는 포일의 형태일 수 있다.
브레이징 필러 금속은 진공 노 브레이징을 위해 또는 -30℃ 미만의 노점(dew point)을 갖는 환원 분위기에서 적합하다. 크롬의 증발을 회피하거나 감소하기 위해, 10-3 Torr 미만의 진공 레벨에 도달한 후에, 진공 노는 수 Torr의 압력으로 불활성 또는 환원 가스가 다시 채워질(backfilled) 수 있다.
브레이징 필러 금속은 적어도 1140℃의 고상선 온도를 가지고, 임의의 관찰된 결정립 성장 없이 1200℃ 또는 그 초과에서 브레이징될 때 양호한 내식성을 갖는 균열 없는 조인트들을 생성한다. 브레이징 필러 금속이 모세관 힘들에 작용하기 때문에, 브레이징될 베이스 재료 상의 브레이징 필러 금속의 습윤은 중요하며, 본 발명에 따른 브레이징 필러 금속의 요건은 우수하게 충족된다.
도 1은 1000℃ 미만으로 급속 냉각된 샘플, 결정입계에서의 석출물들을 나타낸다.
도 2는 1150℃로부터 강제 냉각된 샘플, 결정입계에서의 적은 석출물들을 나타낸다.
도 3은 적용된 힘의 함수로서의 샘플의 연신율을 나타낸다.
예들
기준 브레이징 필러 금속(Ni-29Cr-6P-4Si(Ni613))이 사용되었다. Ni613은 스웨덴의 Hoeganaes AB에 의해 제조된 니켈계 브레이징 필러 금속이고, 시판 중인 가장 좋은 내식성을 갖는 필러 금속이다.
표 2는 본 발명에 따른 샘플들의 화학적 조성물들, 비교 샘플들 및 기준 샘플을 나타낸다. 각각의 컴포넌트의 양은 중량%로 주어진다. ‘bal’(balance)라는 표현은 용융물에서의 나머지 재료가 Ni로 구성되며, 그리고 불가피한 불순물들이 컴포넌트의 존재가 브레이징 필러 재료의 특성들에 실질적으로 영향을 주지 않는 이러한 작은 양으로 존재하는 것을 의미한다.
예 1
용융 범위 및 유동.
브레이징 필러 재료에 대해 만족될 제 1 판별기준은, 고상선 온도가 1140℃ 내지 1220℃인 것이다. 게다가, 용융 범위는 좁아야하며, 즉 100℃ 미만이어야 한다. 표 2에서, 브레이징 필러 금속이 용융되고 브레이징되는 온도가 인, 망간 및 실리콘에 의해 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 화학적 분석이 공지된 분석 방법들에 따라 수행되었으며, 고상선 온도 및 액상선 온도는, STA 449 F3 주피터 기기(Jupiter instrument)에서 구동되었던 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 분석에 의해 측정되었다. 가열 속도가 10K/분으로 설정되었으며, 그리고 퍼지(purge) 가스는 아르곤이다.
유동은 0.5g의 브레이징 합금을 평탄한 스테인리스 강 플레이트 상에 놓음으로써 검사되었다. 그 후, 샘플은 높은 진공으로 액상선 초과의 온도에서 브레이징되었다. 브레이징 후에, 용융된 합금이 연구되었으며, 그리고 용융된 합금에 의해 커버된 영역이 측정되었다. 큰 영역이 양호한데, 왜냐하면 큰 영역이 양호한 유동 특성을 위해 요구되는 양호한 습윤을 나타내기 때문이다. 또한, 합금은 2 개 또는 그 초과의 상들로 분리되지 않아야 한다. 이는 또한 허용가능하지 않는 것으로 간주되었다. 양호(허용가능함), OK(허용가능함), 및 불량(허용가능하지 않음)은 유동 검사의 결과를 요약하는데 사용되었다.
Figure 112017090125212-pct00002
예 2
브레이즈 검사, 금속간 상들.
기준으로서, 브레이징 필러 금속 분말(Ni-29Cr-6P-4Si)이 진공으로 1150℃에서 SMO654의 강 플레이트들을 브레이징하기 위해 사용되었다. 브레이징된 조인트는 1000℃의 온도로의 임의의 강제 냉각 없이 냉각하도록 허용되었다. 이러한 온도 미만으로, 질소의 10bar의 압력에서 500℃의 온도로의 강제 냉각이 적용되었다. 이러한 샘플은 본 발명에 따라 브레이징된 샘플─질소의 10 bar의 압력에서 1150℃로부터 500℃의 온도로의 강제 냉각을 사용하여 SMO654의 강 플레이트들로 1250℃에서 브레이징되는 샘플 번호 7─과 비교되었다. 브레이징된 샘플들은 결정입계에서 임의의 금속간 상들을 식별하기 위해 금속 조직학(metallography)에 의해 연구되었다.
1000℃로부터의 강제 냉각을 받은 샘플에서, 석출물들은 금속 시이트 전체에 걸쳐 결정입계에서 발견되었다(도 1). 본 발명에 따른 브레이징 필러 금속을 사용하여, 1150℃로부터의 강제 냉각된 제 2 샘플에서, 금속간 상들의 양은 다량으로(heavily) 감소되었으며, 그리고 결정입계는 단지 표면에서만 보인다(도 2).
예 3
순수 SMO654 시이트가 노에 넣어지고, 1180℃로 가열되고, 그리고 서냉되었다(즉, 강제 냉각 없음). 기준으로서, 순수 SMO654 시이트는 1250℃의 노에 넣어지고, 질소의 10bar의 압력에서 1150℃로부터 500℃의 온도로의 강제 냉각을 받았다. 2 개의 시이트들은, 그 후, 인장 검사에 대해 검사되었다. 강제 냉각에 노출되지 않은 시편은, 응력-변형률 곡선으로 나타난 바와 같이, 1150℃ 초과로부터 강제 냉각에 노출된 시편보다 금속간 상들의 형성으로 인해 훨씬 적은 연성을 가진다(도 3).

Claims (14)

  1. 니켈계 브레이징 필러 금속(nickel based brazing filler metal)으로서,
    Cr: 25 내지 35 중량%,
    Fe: 7 내지 15 중량%,
    Si: 3 내지 8 중량%,
    Mo: 5 내지 10 중량%,
    최대 1 중량%의 불가피한 불순물들(그 중 C는 0.05% 미만임), 및
    잔부 니켈(Ni)로 이루어지는,
    니켈계 브레이징 필러 금속.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Cr: 25 내지 35 중량%,
    Fe: 7 내지 15 중량%,
    Si: 3 내지 8 중량%,
    Mo: 6 내지 10 중량%,
    최대 1 중량%의 불가피한 불순물들(그 중 C는 0.05% 미만임), 및
    잔부 니켈(Ni)로 이루어지는,
    니켈계 브레이징 필러 금속.
  3. 제 1 항에 있어서,
    Cr: 25 내지 33 중량%,
    Fe: 8 내지 12 중량%,
    Si: 3 내지 8 중량%,
    Mo: 7 내지 10 중량%,
    최대 1 중량%의 불가피한 불순물들(그 중 C는 0.05% 미만임), 및
    잔부 니켈(Ni)로 이루어지는,
    니켈계 브레이징 필러 금속.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속은 10 내지 150㎛의 평균 입자 크기를 가지는 분말로서 제공되는,
    니켈계 브레이징 필러 금속.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 니켈계 브레이징 필러 금속을 포함하는 브레이징 필러 금속 재료로서,
    상기 브레이징 필러 금속 재료는 분말, 페이스트(paste), 스트립(strip) 또는 포일(foil)의 형태인,
    브레이징 필러 금속 재료.
  6. 스테인리스 강의 적어도 2 개의 부품들을 포함하는 물품(article)을 브레이징하기 위한 방법으로서,
    a) 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 브레이징 필러 금속을 스테인리스 강의 적어도 하나의 부품에 또는 스테인리스 강의 부품들의 조합에 적용하는 단계,
    b) 브레이징 온도까지, 브레이징 필러 금속의 액상선 온도 초과, 적어도 1200℃ 초과의 온도까지 상기 물품을 가열하는 단계,
    c) 완전한 브레이징이 획득될 때까지, 상기 브레이징 온도로 부품(들)을 유지시키는 단계,
    d) 브레이징된 조인트의 고상선 미만의 온도로 상기 브레이징된 부품들을 냉각하는 단계,
    e) 불활성 냉각 가스에 의해 적어도 10 bar의 압력에서 적어도 1050℃로부터 600℃ 이하의 온도까지의 강제 냉각으로 상기 브레이징된 부품들을 냉각하는 단계,
    f) 상기 물품을 회수하는 단계를 포함하는,
    스테인리스 강의 적어도 2 개의 부품들을 포함하는 물품을 브레이징하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 e) 단계에 따른 강제 냉각이 적어도 2℃/초의 냉각 속도로 적어도 1050℃로부터 600℃ 이하의 온도까지 수행되는,
    스테인리스 강의 적어도 2 개의 부품들을 포함하는 물품을 브레이징하기 위한 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 스테인리스 강의 적어도 하나의 부품은 슈퍼 오스테나이트계(super austenitic) 스테인리스 강인,
    스테인리스 강의 적어도 2 개의 부품들을 포함하는 물품을 브레이징하기 위한 방법.
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