KR20000077157A - 금속 재료를 습윤시키기 어려운 브레이징용 융제 - Google Patents

금속 재료를 습윤시키기 어려운 브레이징용 융제 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 활성화 첨가제로서, 융제의 총량을 기준으로 하여, 붕소 원소 0.01 내지 10중량%와 원소, 합금 또는 화합물 형태의 원소 Mo, W, Mn, Co, Ni, Pd, Cu 또는 Ag 중의 하나 이상 0.01 내지 10중량%를 함유함을 특징으로 하는, 금속 재료를 은계 및 구리계 땜납으로 습윤시키기 어려운 브레이징용의 무기 붕소 및/또는 할로겐 화합물계 융제(flux)에 관한 것이다.
활성화 첨가제는 특히 모재(parent material)를 습윤시키기 어려운 경우, 땜납에 의한 습윤성을 사실상 증가시킨다.

Description

금속 재료를 습윤시키기 어려운 브레이징용 융제{Flux for brazing difficult to wet metallic materials}
본 발명은 은계 및 구리계 땜납으로 금속 재료를 습윤시키기 어려운 브레이징용 융제에 관한 것이다. 브레이징 공정에서 땜납에 의해 습윤시키기 어려운 이러한 종류의 물질은 사실상 스테인레스 강, 스케일을 함유하지 않는 강 및 분말 야금에 의해 생성된 복합재(예: 탄화물 금속)이다.
납땜은 금속 물질, 즉 땜납을 용융시킴으로써 액체 상을 수득하는, 용융에 의해 재료를 접합하고 피복하기 위한 열 공정이다. 당해 공정 동안에 모재의 고상선(固相線) 온도에 이르지는 않는다.
사용되는 땜납은 합금 또는 순수한 금속이다. 액상선 온도가 450℃를 초과하는 땜납을 가공하는 경우, 용어 브레이징이 사용된다.
순수한 금속 표면인 경우, 액체 땜납은 모재와 혼합된 결정 또는 금속간 화합물을 형성하는 한 모재를 습윤시킬 수 있다. 이어서 땜납은 조인트 표면에 걸쳐 스프레딩되고, 응고시킨 후에는 모재와 가중성 조인트를 형성한다.
납땜에 적합한 방법으로 설계된 경우, 접합되는 부분의 두개의 조인트 표면은 협소한 평형 슬릿을 형성한다. 이어서 용융 땜납은 작용하는 모세관 충전압으로 인하여 자발적으로 납땜 슬릿으로 용융되고, 당해 슬릿을 충전한다. 상기 공정이 방해되지 않고 수행되는 납땜되는 성분 표면의 최소 온도는 이른바 작업 온도이다. 이는 문제의 땜납에 대한 특징적 양이다.
모재와 결합을 형성할 수 있기 위하여, 용융 땜납은 금속성 모재와 직접 접촉시켜야 한다. 따라서, 어떠한 공학용 금속 표면에도 존재하는 종류의 산화물 층은 우선 루싱화시켜(loosening) 제거해야 한다. 납땜을 공기 중에서 수행하는 경우에는, 이를 납땜 부위를 산화물이 용해되거나 남땜 온도에서 분해되는 용융 유동 형태의 융제로 피복함으로써 달성한다.
따라서, 융제는 주로 땜납 및 재료 표면에 존재하는 산화물을 제거하고 이를 납땜하는 동안 재형성되지 못하게 하여 땜납이 모재를 충분히 습윤시킬 수 있도록 하는 역할을 한다.
융제의 융점 및 유효 온도는 사용되는 땜납의 작업 온도와 일치시켜야 하며, 이로 인하여 융제는 사용되는 땜납의 작업 온도의 50 내지 100° 미만에서 용융되어 앞으로 이러한 온도로부터 완전히 유효해진다. 게다가, 용융 융제는 필요한 납땜 온도에서 납땜 기간 내내 손상되지 않은 채로 잔존하는 가공품 위에 농밀하고 균일한 피막을 형성해야 한다.
브레이징 융제는 용융 상태에서 금속 산화물을 용해시킬 수 있는 염 혼합물로 실질적으로 구성된다. 상기 융제는 실질적으로 무기 붕소 화합물, 예를 들면, 특히 알칼리 붕산염 및 플루오로붕산염, 및 할로겐화물, 예를 들면, 특히, 알칼리 플루오르화물이다.
DIN EN 1045 규격에서는 중금속 브레이징용 융제(FH형)가 이의 조성 및 유효 온도에 따라 7종으로 분류되어 있다. 당해 융제는 분말, 페이스트 또는 현탁액으로서 사용되고, 후자는 분무, 브러싱 또는 침지에 의해 가공품에 도포된다. 그다음 이를 융점으로 가열하고 모재를 땜납을 가하여 용융시켜 함께 접합한다. 융제와 땜납을 하나의 제품으로 결합하는 방법 역시 공지되어 있다. 따라서, 융제 피복된 성형부 또는 융제 도포된 땜납 와이어 또한 모재를 접합하는 데 실질적으로 사용된다.
DE 제24 44 521호에는 붕산과 다양한 알칼리 금속 폴리보레이트로 구성된 납땜용 융제가 기재되어 있다. 상기 융제는 또한 원소 형태의 붕소 1중량%를 추가로 함유할 수 있다.
GB 제909 314호에는 니켈 및 니켈 합금을 브레이징하기 위한 브레이징 융제가 기재되어 있다. 상기 융제는 칼륨 테트라플루오로보레이트, 칼륨 메타보레이트 및 불화칼륨과 같은 통상적인 성분과는 별도로, 산화구리 및 염화구리와 같은 구리 화합물을 추가로 함유한다. 후자의 성분은 모재가 취성이 되는 것을 방지하기 위하여 융제와 모재와의 반응을 억제하는 데 요구된다.
그러나, 익히 공지된 융제는 주요 단점을 갖고 있다. 습윤되기 어려운 모재, 예를 들면, 스테인레스 강, 스케일을 함유하지 않는 강 및 탄화물 금속, 특히 코발트 함량이 6% 미만으로 낮은 탄화물 금속(K01-K10, PO5)은 통상적인 융제를 사용하는 경우 액체 땜납에 의해 불충분한 정도로만 습윤된다. 붕소 원소를 첨가한 융제(FH12형)는 공학 분야에서 모재를 접합시키는 데 사용한다. 붕소를 첨가하는 것은 약 700℃ 초과의 온도에서의 안정성, 즉 융제가 활성인 시간을 증가시키기 위한 것이다. 그러나, 탄화물 금속 및 크롬-니켈 강 자체의 습윤성은 특히 낮은 작업 온도(680℃ 미만)로 남땜하는 경우에는 붕소를 첨가하여 실질적으로 개선되지 않는다.
예를 들면, 다이아몬드 함침된 탄화물 금속을 접합시키는 것과 같은 특수 납땜 작업은 납땜 온도를 추가로 강하시킬 필요가 있어 다이아몬드 충전 및 탄화물 금속이 손상되도록 한다. 예를 들면, DE 제43 15 188호 및 제43 15 189호에 기재되어 있는 바와 같은 카드뮴 함유 은 브레이징 땜납 또는 바람직하게는 갈륨 함유 은 브레이징 땜납이 상기 적용에 사용된다. 상기 땜납은 작업 온도가 590 내지 640℃이다. 통상적인 융제는 이러한 온도 범위에서 효율성 및 습윤성이 불충분한 정도에 불과하다. 이는 납땜 공정 동안의 가공 신뢰성을 감소시켜 스크랩(scrap)을 증가시키고 제품 품질을 저하시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 중금속을 브레이징하기 위한 DIN EN 1045 규격에 의해 제공된 염의 모든 배합물(FH형)을 상기 융제의 기본 성분으로서 사용하고, 은계 및 구리계 땜납으로 모재의 습윤성을 현저히 향상시키는, 스테인레스 강, 스케일을 함유하지 않는 강 및 탄화물 금속과 같은 모재를 습윤시키기 어려운 브레이징용 융제를 개발하는 것이다.
본 발명에 따르는 목적은 활성화 첨가제로서, 융제의 총량을 기준으로 하여, 붕소 원소 0.01 내지 10중량%와 원소, 합금 또는 화합물 형태의 원소 Mo, W, Mn, Ni, Pd, Cu 또는 Ag 중의 하나 이상 0.01 내지 10중량%를 함유하는 무기 붕소 및/또는 할로겐 화합물계 융제에 의해 달성된다.
놀랍게도, 본 발명에 따르는 융제를 사용한 결과, 스테인레스 강 및 스케일을 함유하지 않는 강, 및 더욱 특히 탄화물 금속 및 금속 함량이 낮은 경질 금속과 같은 습윤시키기 어려운 재료의 습윤성이 통상적인 융제와 비교하여 현저히 향상된다는 것이 명백해졌다. 분명히, 붕소 및 추가의 기타 원소 중의 하나 이상의 함량으로 기타의 통상적인 조성을 갖는 융제의 상응하는 활성이 생성되었다. 이와 관련하여 상기 활성화제 혼합물의 개별적인 성분이 독립적으로는 통상적인 융제의 효율성을 개선시키지 않는다는 것은 흥미롭다. Mo, W, Mn, Co, Ni, Pd, Cu 및 Ag의 원소, 합금 또는 화합물 중의 하나 이상과 붕소와의 배합물만이 붕소 및/또는 할로겐 화합물의 브레이징 융제와 결합하여 이러한 놀라운 거동을 나타낸다.
본 발명에 따르는 브레이징 융제는 예를 들면, DIN EN 1045 규격에 의한 품질 및 양에 대하여 명시된 바와 같이, 실질적으로 이러한 융제 및 양에 대한 이의 조성에 대해 공지된 통상적인 기본 물질을 기재로 한다.
이러한 종류의 기본 성분은 무기 붕소 및/또는 할로겐 화합물이다. 적합한 붕소 화합물은 주로 붕산 및 붕산염 또는 알칼리 및 알칼리 토금속의 착체 붕산염, 특히 보락스(사붕산나트륨), 사붕산칼륨 및 칼륨 테트라플루오로보레이트이다. 적합한 할로겐 화합물은 주로 알칼리 및 알칼리 토금속의 불화물 및 염화물, 특히 불화칼륨 및 불화나트륨 또는 불화수소칼륨 및 불화수소나트륨이다.
본 발명에 따라, 브레이징 융제는 습윤성을 강화하기 위하여, 융제의 총량을 기준으로 하여, 붕소 원소 0.01 내지 10중량%와 Mo, W, Mn, Co, Ni, Pd, Cu 또는 Ag 중의 하나 이상 0.01 내지 10중량%의 활성화제 배합물을 함유한다. 융제는 바람직하게는 각각의 경우 융제의 총량을 기준으로 하여, 붕소 원소 0.1 내지 5중량%와 기타 언급한 원소 0.1 내지 5중량%를 함유한다.
유리하게는, 사용되는 붕소 원소는 무정형 붕소이다. 기타 원소는 독립적으로 또는 원소 형태, 이를 함유하는 합금 형태 또는 이의 화합물 형태로 혼합하여 사용할 수 있다. 적합한 화합물은 바람직하게는 상응하는 산화물이다.
활성화제 배합물의 성분은 유리하게는 미분된 형태로 사용되며, 이 경우 이의 평균 입자 크기는 바람직하게는 45㎛ 미만이어야 한다.
본 발명에 따르는 재료를 습윤시키기에 어려운 브레이징용 융제는, 융제의 총량을 기준으로 하여, 우선 미분된 붕소 분말 0.01 내지 10중량%와 함께 원소, 합금 또는 화합물 형태로 존재할 수 있는 원소 Mo, W, Mn, Co, Ni, Pd, Cu 및 Ag 중의 하나 이상의 미분된 첨가제 0.01 내지 10중량%를 집중적이고 균질하게 혼합한 다음, 그후 이러한 활성화제 혼합물을 무기 붕소 및 할로겐 화합물의 미분된 융제 혼합물에 가함으로써 제조한다.
붕소 외에, 텅스텐 또는 망간 원소를 원소 형태로, 합금으로서 또는 산화물 형태로 함유하는 융제 혼합물이 특히 유효하다.
본 발명에 따르는 브레이징 융제는 바람직하게는 활성화제 혼합물로서, 융제의 총량을 기준으로 하여, 평균 입자 크기가 각각의 경우 45㎛ 미만인 무정형의 붕소 0.5 내지 3중량%와 망간 0.5 내지 3중량%를 함유한다. 망간은 본원에서 효율성이 결과적으로 영향받지 않는 금속, 합금 또는 옥사이드 화합물로서 분말 형태로 사용될 수 있다. 유리하게는, 망간은 합금 MnNi40의 형태로 또는 이산화망간으로서 도입된다.
특정한 모재 및 작동 조건으로 조절하기 위하여, 융제는 바람직하게는 산소에 결합된 형태의 Si를, 예를 들면, 이산화규소로서 2중량% 이하 함유할 수 있다. 이 첨가제 역시 상응하게 미분된 형태로 혼합물에 첨가한다.
본 발명에 따르는 융제는 분말 혼합물로서 초기에 존재하고 고유하게 공지된 방법에서와 같이 이미 사용될 수 있다.
융제는 또한 페이스트 또는 현탁액 형태로 존재할 수 있으며, 이를 위하여 분말 화합물을 물, 지방 알콜, 글리콜 등과 같은 불활성 액체를 사용하여 페이스트 및/또는 현탁액으로 전환시킨다.
이러한 융제 페이스트 또는 현탁액은 소량의 보조 물질, 예를 들면, 통상적인 계면활성제, 결합제 또는 증점제를 함유할 수도 있다.
도포에 대해서는, 본 발명에 따르는 브레이징 융제는, 예를 들면, 스프링클링(sprinkling), 피복, 브러싱, 분무 또는 침지시킴으로서 문제의 형태에 적합한 방법으로 접합하거나 납땜시키는 모재 표면에 도포하고, 브레이징 공정을 수행한다. 이렇게 하면, 본 발명에 따르는 융제는 은계 및 구리계 땜납으로 브레이징하는 동안 모재 위의 땜납의 습윤 거동을 실질적으로 향상시킨다. 이는 특히 명백하고 금속 재료, 예를 들면, 특히 스테인레스 강, 스케일을 함유하지 않는 강 및 분말 야금에 의해 생성된 복합재를 습윤시키기 어렵다는 점에서 유리하다. 후자는 탄화물 금속 및 금속-세라믹 복합재의 경질 재료(예: 이른바 "서메트"), 더욱 특히 금속 함량이 낮은 재료를 포함한다.
본 발명에 따르는 융제는 또한, 예를 들면, 각각의 경우 미립자 브레이징 땜납을 함유하는 분말 혼합물, 페이스트 또는 현탁액으로서 납땜 재료와 혼합할 수도 있다.
기타 땜납-융제 배합물은, 예를 들면, 봉 및 환과 같은 땜납 성형부 위의 건조 또는 경화 융제 페이스트 제형을 압출함으로써 수득될 수 있는 융제 피복된 땜납이다.
아래에 주어진 실시예는 본 발명에 따르는 융제를 도포하는 전형적인 양태 및 형태를 제공한다.
실시예 1
융제 분말(DIN EN 1045에 따르는 FH 12형)
사붕산칼륨 41중량%,
사플루오로붕산칼륨 50중량%,
불화칼륨 5중량%,
무정형 붕소(평균 입자 크기 〈 5㎛) 2중량%,
망간 분말(평균 입자 크기 〈 45㎛) 2중량%.
기재된 성분을 중량 측정하고 분쇄하고 디오스나(Diosna) 교반기에서 15분 동안 균질화시킨다. 당해 융제 0.5g을 SMG 02(Cerametal, 코발트 함량 2 내지 3중량%)의 탄화물 금속 디스크 1㎠에 도포한다. 합금 L-Ag49(Ag49Cu16Zn23Mn7.5Ni4.5)의 땜납 와이어의 3㎜ 길이 부분을 도포하고 디스크를 옥시아세틸렌 버너를 사용하여 땜납의 융점으로 가열한다. 액체 땜납은 단시간 내에 탄화물 금속의 전체 표면을 습윤시킨다.
비교하기 위하여, 붕소 및 망간의 활성화 첨가제를 함유하지 않는 동일한 성분의 융제를 제조하고 위와 같이 시험한다. 땜납은 용융되지만, 도포된 표면 위의 탄화물 금속만을 습윤시킨다. 땜납은 전체 표면에 걸쳐 유동하지 않는다.
실시예 2
수성 융제 페이스트
불화수소칼륨 16.3중량%,
사붕산칼륨 27.2중량%,
사플루오로붕산칼륨 19.5중량%,
이산화망간(평균 입자 크기 〈 45㎛) 0.7중량%,
무정형 붕소(평균 입자 크기 〈 5㎛) 1.3중량%,
계면활성제(Marlowet) 1.0중량%,
물 34.0중량%.
물의 상응하는 양을 계면활성제가 담긴 용기에 장입한다. 잔류하는 성분을 연속적으로 고속 혼합기로 교반하면서 가하고, 30분 동안 균질화한다.
당해 페이스트를 탄화물 금속을 브레이징하기 위한 시판중인 융제 페이스트(FH12형, Degussa h special)와 이의 효율성에 대하여 비교한다. 이를 위하여, 각각의 페이스트의 얇은 피막을 스테인레스 강 시트에 도포한다(1.4301). 순환 땜납 디스크를 합금 B-Ag60CuSn-600/700의 500㎛ 두께의 땜납 스트립으로부터 펀칭시켜 금속 시트 위에 놓는다. 이어서 챔버 오븐 속의 은 블록 위에서 이를 750℃로 가열하고 2분 후에 오븐에서 꺼낸다. 냉각시킨 후, 땜납으로 습윤된 표면적을 측정하고 땜납 디스크의 원래의 표면적과 비교한다(습윤율). 본 발명에 따르는 융제는 당해 시험에서 6 내지 7의 습윤율을 제공하는 반면, 시판중인 융제는 단지 2 내지 3의 값을 낸다.
실시예 3
융제 분말(DIN EN 1045에 따르는 FH 21형)
보락스 35중량%,
붕산 40중량%,
실리카분 22중량%,
무정형 붕소(평균 입자 크기 〈 5㎛) 1중량%,
망간-니켈 합금 60/40(평균 입자 크기 〈 63㎛) 2중량%.
융제를 실시예 1과 유사한 방법으로 제조한다. 효율성의 개선은 황동 땜납 L-CuZn40을 사용한 아연 도금 강의 T-조인트 납땜에 의해 입증한다. 이를 위하여 10㎝ 길이의 아연 도금 강 시트를 45°의 각도로 구부리고, 제2 금속 시트 위에 놓는다. 10㎜ 길이의 황동 땜납 와이어를 한 구석에 융제와 함께 놓고, 옥시아세틸렌 버너를 사용하여 땝납의 작업 온도로 가열한다. 땜납은 본 발명에 따르는 융제가 사용되는 경우 당해 시험에서 완전히 슬릿을 충전시킨다.
비교하기 위하여, 붕소 및 망간-니켈 합금의 활성화 첨가제가 함유되지 않는 것을 제외하고는 동일한 제형의 융제를 사용하는 경우, 땜납은 구부러진 금속 시트의 중간까지 유동한다.
본 발명의 융제를 사용하여, 습윤시키기 어려운 금속 재료의 습윤성을 현저하게 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 활성화 첨가제로서, 융제의 총량을 기준으로 하여, 붕소 원소 0.01 내지 10중량%와 원소, 합금 또는 화합물 형태의 원소 Mo, W, Mn, Co, Ni, Pd, Cu 또는 Ag 중의 하나 이상 0.01 내지 10중량%를 함유하는, 금속 재료를 은계 및 구리계 땜납으로 습윤시키기 어려운 브레이징용의 무기 붕소 및/또는 할로겐 화합물계 융제.
  2. 제1항에 있어서, 붕소 0.1 내지 5중량%와 원소 Mo, W, Mn, Co, Ni, Pd, Cu 또는 Ag 중의 하나 이상 0.1 내지 5중량%를 함유하는 융제.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 무정형 붕소 0.5 내지 3중량%와 금속, 합금 또는 옥사이드 화합물로서의 망간 0.5 내지 3중량%를 함유하는 융제.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 평균 입자 크기가 45㎛ 미만인 미분된 형태의 활성화 첨가제를 함유하는 융제.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 분말 혼합물, 페이스트 또는 현탁액 형태로 존재하는 융제.
  6. 융제의 총량을 기준으로 하여, 붕소 원소 0.1 내지 10중량%와 원소, 합금 또는 화합물 형태의 원소 Mo, W, Mn, Co, Ni, Pd, Cu 또는 Ag 중의 하나 이상 0.1 내지 10중량%의 활성화제 배합물의, 금속 재료를 은계 및 구리계 땜납으로 습윤시키기 어려운 브레이징용의 무기 붕소 및/또는 할로겐 화합물계 융제에서 습윤성 증가 첨가제로서의 용도.
  7. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따르는 융제를 함유하는 땜납-융제 배합물.
  8. 제7항에 있어서, 분말 혼합물, 페이스트 또는 현탁액 형태로 존재하고, 미립 브레이징 땜납을 함유하는 땜납-융제 배합물.
  9. 제7항에 있어서, 융제 피복된 땜납 성형부 형태로 존재하는 땜납-융제 배합물.
KR1020000023900A 1999-05-08 2000-05-04 습윤시키기 어려운 금속 재료의 브레이징용 융제 KR100648389B1 (ko)

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