KR20030074836A

KR20030074836A - 브레이징 플럭스로서의 환원 금속

Info

Publication number: KR20030074836A
Application number: KR10-2003-7010811A
Authority: KR
Inventors: 그레이 엠. 팜그렌
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-09-19
Also published as: WO2002066200A8; AU2001275856C1; WO2002066200A1; CN1255243C; RU2003125885A; US6575353B2; EP1361931A1; KR100769747B1; TWI244418B; AU2001275856B2; US6858050B2; MY136293A; JP2004523363A; US20030201308A1; US20020155313A1; CN1491145A

Abstract

본 발명은 브레이징 접합체의 제조 방법을 포함한다. 그 방법은 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가지며 제1 산화물을 형성할 수 있는 제1 재료; 제1 재료 상의 제1 산화물의 적어도 일부를 환원시킬 수 있는, 제1 재료에 인접한 제1 환원 금속; 환원 금속에 인접한 경납; 및 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 재료를 포함하는, 경납에 인접한 제2 재료를 포함하는 다층 어셈블리를 형성하는 것을 포함한다. 그 방법은 그후에 어셈블리 주위에 진공을 형성하고; 어셈블리를 가열하여 환원 금속 및 경납을 용융시키는 것을 포함한다. 어셈블리는 그후에 냉각됨으로써 브레이징 접합체를 형성하게 된다.

Description

브레이징 플럭스로서의 환원 금속 {REDUCING METALS AS A BRAZING FLUX}

브레이징 (brazing)은 2종 이상의 재료의 어셈블리를 한 구조물로 접합 또는 결합하는 방법이다. 브레이징은 재료들을 경납 (braze) 및 임의의 플럭스 (flux)의 존재하에 두 재료의 고상선 온도 미만의 온도로 가열함으로써 이루어진다. 브레이징 접합체는 경납에 의해 접합된 금속 내지는 금속 결합이다. 어떤 경우에는, 경납 전에 플럭스가 첨가되어 금속 중의 하나 또는 둘다의 표면을 환원시킴으로써 표면이 젖기에 더욱 적합하게 되어 양호한 결합이 얻어진다.

붕화물 및 불화물과 같은 비-금속 이온성 염을 함유하는 것과 같은 일부 공지된 플럭스는 저온에서 산화물을 용해시켜 작용한다. 예를 들면, 상품명 핸디 플럭스 (HANDY FLUX) (Lucas Milhaupt, Inc. (Cudahy, WI) 제품)로 시판되는 불화물 플럭스는 315 ℃에서 산화물을 용해시키기 시작하고 590 내지 870 ℃에서 활성으로 남아있는 불화물을 함유한다. 이러한 유형의 플럭스는 브레이징 접합체 내에 잔류 플럭스 및 플럭스의 반응 생성물을 남겨서 결국은 브레이징 접합체 내의 부식 점의 원인이 될 수 있으므로 어떤 상황에서는 바람직하지 않은 결과를 일으킬 수 있다.또한, 이들 플럭스는 비부식성 재료의 금속 표면을 고갈시켜 그 자리에 부식성 재료 만을 남기고, 예를 들면 스테인레스 강철 상에 철 풍부 표면을 남긴다. 이러한 유형의 플럭스의 양을 최소화함으로써 브레이징 접합체에서 최종적으로 나타날 수 있는 부식량이 감소된다.

바람직한 브레이징 환경은 진공 로인데, 그것이 용선 (hot metal)을 부식할 수 있는 대기 중 산소를 최소화하기 때문이다. 붕화물 및 불화물을 함유하는 플럭스는 진공 로에 사용하기에는 너무 휘발성이어서, 진공 로가 모든 금속의 표면 상의 산화를 중지시킬 수도 없게 된다. 그러한 금속의 예는 스테인레스 강철이다. 스테인레스 강철 표면 상의 크롬의 산화물은 진공 로에서도 스테인레스 강철 부품의 젖음을 억제한다. 공지된 해결책 중의 하나는 스테인레스 강철 상에 니켈 박층을 도금하는 것이다. 경납은 니켈 표면을 젖게 할 것이며 금속 확산은 도금된 니켈과 스테인레스 강철 모재 사이의 결합을 증가시킬 것이다. 니켈에 의한 스테인레스 강철의 도금이 효과가 있긴 하지만, 그것은 값비싼 도금 단계를 필요로 하며 도금된 니켈이 균일한 피복성 및 접착성과 같은 브레이징에 대한 요건을 확실히 충족시키는데 있어서 품질 보증 문제를 도입한다.

공지된 또다른 해결책은 진공 로 안으로 수소를 혼합시켜 로에서 임의의 산소와 반응시킴으로써 무산소 환경을 전달하는 것이다 [Brazing of StainlessSteel, Paul F. Stratton, Heat Treating Progress, p.p. H14-H16 (August 2000)에 기재됨]. 그러나, 실상에서 무산소 환경을 얻는 것은 거의 불가능하다. 이는 극히 건조한 수소 분위기를 필요로 할 만큼 쉽게 산화되는 특정 금속 (예를 들면, 크롬)에 특히 해당된다.

그러므로, 진공 로에서 비휘발성이며, 금속, 특히 쉽게 산화되는 금속의 표면을 환원시키는 브레이징 플럭스의 개발이 요망된다. 또한, 접합하기가 어려운 금속의 간단하고 저렴한 브레이징 방법의 개발이 요망된다.

발명의 요약

발명의 한 실시태양에서, 본 발명은 브레이징 접합체의 제조 방법을 포함한다. 그 방법은 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가지며 제1 산화물을 형성할 수 있는 제1 재료; 제1 재료 상의 제1 산화물의 적어도 일부를 환원시킬 수 있는, 제1 재료에 인접한 제1 환원 금속; 환원 금속에 인접한 경납; 및 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 재료를 포함하는, 경납에 인접한 제2 재료를 포함하는 다층 어셈블리를 형성하는 것을 포함한다. 그 방법은 그후에 어셈블리 주위에 진공을 형성하고; 어셈블리를 가열하여 환원 금속 및 경납을 용융시키는 것을 포함한다. 어셈블리는 그후에 냉각됨으로써 브레이징 접합체를 형성하게 된다.

본 발명의 또다른 면은 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 제1 재료를 포함하는 제1층; 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 제2 재료를 포함하는 제2층; 및 경납 및 산화 알루미늄을 가진 다중상 합금을 포함하는, 제1층과 제2층 사이의 용가재 (filler) 층을 포함하는 브레이징 접합체를 제공한다.

본 발명은 또한 융합된 연마체를 포함하는 제1층; 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 재료를 포함하는 제2층; 및 경납 및 환원 금속 산화물로 이루어진 다중상 합금을 포함하는, 제1층과 제2층 사이의 용가재 (filler) 층을 포함하는 연마제품을 제공한다. 본 발명의 또다른 실시태양은 다수의 연마 입자; 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 금속; 및 경납 및 산화 알루미늄을 포함하는, 금속과 연마 입자 사이의 용가재 층을 포함하는 연마 제품을 포함한다. 또한, 본 발명은 경납 금속 호일; 및 경납의 한 표면의 적어도 일부를 커버하는, 8 ㎛ 이상의 두께의 알루미늄 코팅을 포함하는 다층 브레이징 어셈블리를 제공한다.

본원에 사용된 바와 같이, 다음 용어는 다음 정의를 갖는다:

"플럭스"는 모재 금속의 표면으로부터 산화물을 제거하고 모재 금속의 젖음을 촉진시키는 재료를 의미한다.

"자연 산화물"이란 임의의 추가의 산화물 코팅 없이 금속으로부터 형성된 금속 산화물을 의미한다.

"환원 금속"이란 또다른 금속의 산화물의 생성 자유 에너지 보다 작은 생성 자유 에너지를 갖는 산화물을 형성하는 금속을 의미하며, 그것은 도입되어 환원을 일으킨다.

본 발명은 브레이징 접합체의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 연마 제품에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시태양에 따른 어셈블리의 확대 단면도이다.

도 2는 본 발명의 방법에 따라 압력 및 열 처리를 받은, 도 1에서와 같은 어셈블리의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시태양에 따른 브레이징 접합체의 단면도이다.

도 4는 엘링함 (Ellingham) 도표이다.

도 5는 시판되는 플럭스를 이용하여 형성된 표준 브레이징 접합체의 광화상이다.

도 6은 플럭스로서 알루미늄을 사용한, 본 발명의 실시태양에 따른 브레이징 접합체의 광화상이다.

제조 방법

본 발명의 브레이징 접합체의 제조 방법의 실시태양은 도 1 및 2에 예시되어 있다. 본 발명의 브레이징 접합체의 특정 실시태양은 먼저 어셈블리 (10)를 형성함으로써 제조된다. 어셈블리 (10)는 환원 금속 (16)의 표면 (16a) 상에 환원 금속 (16)과 접촉되는 제1 재료 (18)를 포함한다. 경납 (14)은 환원 금속 (16)의 대향 표면 (16b)과 접촉되는 위치에 제1 표면 (14a)을 갖는다. 그후에, 경납의 제2 표면 (14b)은 제2 재료 (12)와 접촉되어 위치된다.

특정 실시태양에서, 제1 재료 (18)는 금속이다. 제1 재료 (18)는 임의의 오염물 (예를 들면, 유지) 및 임의의 밀 스케일 (고온 공정에서 생성된 두꺼운 산화물 층)을 당업계에 공지된 임의의 기계적 또는 화학적 수단에 의해 제거하기 위해 표면 예비처리될 수 있다. 일부 실시태양에서, 제1 재료 (18)는 660 ℃ 이상, 예를 들면 약 850 ℃ 내지 약 1600 ℃의 용융 또는 고상선 온도를 갖는다. 일부 실시태양에서, 용융 또는 고상선 온도는 1000 ℃ 이상이다. 본 발명은 임의 두께의 재료에 대해 효과가 있다. 제1 재료 (18)의 두께는 0.3 ㎝ 초과, 예를 들면 약 0.3 ㎝ 내지 약 1.0 ㎝일 수 있다.

일부 실시태양에서, 제1 재료 (18)는 예를 들면 산화물을 형성할 수 있다.예를 들면, 스테인레스 강철은 티타늄, 지르코늄, 알루미늄, 크롬, 니켈, 철, 코발트 및 이들을 함유하는 합금 (예를 들면, Inco Alloys International (Huntington, NY 소재)로부터 상품명 INCONEL로 판매되는 합금)과 같은 기타 금속과 같이, 그의 표면 상에 산화물을 쉽게 형성한다. 스테인레스 강철에서, 산화물은 대기 중의 산소와 반응하는 스테인레스 강철의 표면에서 크롬에 의해 대부분 형성됨으로써 산화 크롬 풍부 층이 형성된다. 산화 크롬 풍부 층은 그 표면을 경납으로 젖게 하는 것을 어렵게 하므로 그 표면을 브레이징에 의해 또다른 재료에 결합시키는 능력을 억제한다.

제2 재료 (12)는 층 (도시됨)일 수 있거나 벌크 물체 또는 다수의 벌크 물체 (도시하지 않음, 예를 들면 연마 입자)일 수 있다. 특정 실시태양에서, 제2 재료 (12)는 비-금속이다. 다른 실시태양에서는, 두 재료 (12 및 18) 모두 금속이다. 그러한 실시태양에서, 재료 (12 및 18)는 동일하거나 상이한 금속일 수 있다. 금속 재료는, 예를 들면 스테인레스 강철, 니켈, 철, 크롬, 코발트, 구리 및 이들을 함유하는 합금을 포함한다. 비-금속 재료는, 예를 들면 세라믹, 입방정 질화 붕소, 질화 알루미늄 또는 다이아몬드를 포함한다. 제2 재료 (12)는 금속 및 비-금속 재료의 혼합물일 수도 있다. 제2 재료 (12)의 두께는 약 250 ㎛일 수 있다. 그러나, 재료의 다른 두께가 본 발명에 적합할 수도 있다. 재료 (12 및 18)는 동일한 두께일 수 있거나 각각 다른 두께를 가질 수 있다. 또한, 재료 (12 및 18)는 형태가 서로 보완되도록 복합 형태 (도시하지 않음)를 가질 수 있거나 또는 재료 (12 및 18)는 서로 보완되지 않는 형태를 가질 수 있다 (즉, 재료는 그들 사이에간격을 갖도록 놓여진다). 제2 재료 (12)는 소결되고, 추가의 구조물 (도시되지 않음)에 브레이징되거나 또는 달리 결합될 수 있는 대향 표면 (12a)를 갖는다.

특정 실시태양에서는, 제2 재료 (12)가 산화물을 형성할 수도 있다. 그러한 경우에, 경납의 대향 면 (14b)은 제2 환원 금속 (도시하지 않음)과 접촉되어 위치될 수 있으며, 제2 재료 (12)는 제2 환원 금속과 접촉되어 위치될 것이다. 제2 환원 금속은 그것이 제2 재료 (12)를 환원시키기만 하면 원래 환원 금속 (16)과 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 일부 실시태양에서, 제2 재료 (12)는 660 ℃ 이상, 예를 들면 약 850 ℃ 내지 약 1600 ℃의 용융 또는 고상선 온도를 갖는다. 일부 실시태양에서, 용융 또는 고상선 온도는 1000 ℃ 이상이다.

전체 어셈블리 (10)는 임의로 도 2에 나타낸 수직 화살표 "a"에 의해 도시된 압력 하에 놓여질 수 있다. 압력은 수압 또는 공압식 실린더, 분동 또는 클램프, 예를 들면 C-클램프, 스프링 클램프에 의해, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 기계적 또는 비-접착제 결합 수단에 의해 가해질 수 있다. 압력은 경납 (14) 및 환원 금속 (16)의 일부가 어셈블리의 측면에서 밀려 나가서 최종 제품에서 제거되도록 할 수 있다.

그후에, 어셈블리 주위에는 진공이 형성되는 반면, 어셈블리는 압력하에 놓여진다. 공기 압력은 약 0.6 Pa 이상으로 낮추어져 진공이 형성된다. 일부 실시태양에서, 진공은 0.1 Pa 이상, 예를 들면 0.05 Pa이다.

진공하에 있으면서 압력 하에 놓여진 어셈블리 (10)는 그후에 도 2에 나타낸 수직 화살표 "b"에 의해 도시된 바와 같이 가열된다. 일부 실시태양에서, 온도는약 80 내지 약 120 ℃로 상승되어 흡수된 물이 어셈블리로부터 제거된다. 브레이징 온도는 선택된 경납의 액상선에 좌우된다. 일반적으로, 브레이징 온도는 경납의 액상선 온도의 약 10 내지 약 80 ℃ 이상이다. 일부 경우에, 어셈블리 (10)는 임의의 잔류 유기 물질을 어셈블리로부터 연소시키기 위해 약 1 내지 약 10분 동안 약 250 내지 약 400 ℃로 가열된다. 그후에, 온도는 경납 및 환원 금속을 용융시키기 위하여 약 1 내지 약 15분 동안 약 700 내지 약 900 ℃로 상승된다.

그후에, 어셈블리는 냉각된다. 냉각은 당업계에 공지된 임의의 수단에 의해 일어날 수 있다. 예를 들면, 냉각은 냉각 가스를 진공 챔버내로 도입함으로써 이루어질 수 있거나, 또는 어셈블리는 가열이 중지된 후에 진공 상태로 남아있어 점차적으로 실온으로 회복된다. 어셈블리는 급냉될 수도 있다. 어셈블리를 냉각될 때 까지 실온 및 대기압에서 냉각되도록 함으로써 추가로 냉각이 이루어질 수 있다.

경납

임의의 적합한 경납은 본 발명의 브레이징 접합체에 사용될 수 있다. 경납은 전형적으로 450 ℃ 이상이지만, 접합될 재료의 융점 보다 높지 않고 전형적으로 그 융점 미만의 융점을 갖는 금속 또는 합금이다. 경납은 일반적으로 접합될 재료에 대한 그의 관계를 기준으로 선택된다. 경납은 정해진 용도의 강도 및 부식 요건에 충족되도록 선택된다. 추가로, 특정 경납이 특정 금속에 결합하는 능력은 잘 알려져 있으므로 경납은 접합될 재료 (12 및 18)를 기준으로 선택되어야 한다. 예를 들면, 경납은 문헌 (Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol.22, pp 489-490 (4th ed., 1997))에 기록되어 있다. 추가로, 은 또는 인듐을 함유하는 것과 같은 특정 합금의 비용은 정해진 용도에 대한 인자가 될 수 있다. 경납은 접합될 재료의 표면을 젖게 할 수 있어야 한다. 경납의 예는 제한되는 것은 아니지만 니켈, 니켈 합금, 은, 은 합금, 금, 금 합금, 구리, 구리 합금, 철, 철 합금, 코발트, 코발트 합금, 주석, 주석 합금, 붕소, 규소, 크롬, 크롬 합금, 인듐 및 그의 혼합물을 포함한다.

일부 실시태양에서, 경납, 예를 들면 구리, 은, 주석, 인듐 또는 그의 혼합물을 함유하는 경납은 700 ℃ 부근의 온도에서 용융된다. 특정 실시태양에서, 경납은 고체 호일 또는 다공성 호일의 형태일 수 있다. 그러한 경우에, 경납 호일은 일반적으로 약 25 내지 약 760 ㎛ 두께이다.

환원 금속

본 발명의 브레이징 접합체는 추가로 환원 금속을 포함한다. 그러한 환원 금속은 금속 표면 상에 놓여질 때 금속의 표면 상에 산화물로서 존재하는 산소와 반응하는 기능을 한다. 금속 표면 상에 산화물로 존재하는 산소와 환원 금속과의 산화물 형성이 우선되므로 표면 상에 산화물로 존재하는 산소와 환원 금속 사이의 산화 반응에 의해 환원이 일어난다. 산화 반응은 환원 금속의 일부가 산화물로 전환되게 하며 표면 상의 산화물을 환원시키는 효과를 가지므로 표면을 젖음 및 접합에 적합하게 만든다.

환원 금속은 금속 표면 상의 산소와 반응함으로써 결합될 금속에 무-산화물 표면을 형성한다. 금속 표면 상의 산소의 적어도 일부는 환원 금속을 산화시키는것을 우선할 것이므로 실질적으로 자연 산화물이 없는 금속 표면으로 된다.

일정 시스템을 위한 적당한 환원 금속의 선택은 엘링함 도표를 사용함으로써 도움이 된다. 엘링함 도표는 일정 온도에서 일정 금속과 평형으로 존재하는 산소의 부분압 ("P_O2")을 예측하는데 이용된다. 엘링함 도표는 본원에서 도 4로서 나타내어져 있다. 엘링함 도표의 예는 또한 문헌 (David R. Gaskell,Introduction to the Thermodynamics of Materials, 3rd edition, McGraw-Hill Book, Co., page 370)의 도 10.13에 나타내어져 있다.

엘링함 도표를 나타내는 도 4를 참고로 하면, x-축은 온도 (℃)를 나타내며 y-축은 산화물의 생성 자유 에너지 (ΔG_산화(Joules/mole))를 나타낸다. 당해 특정 금속 산화 반응에 대한 엘링함 도표를 이용하기 위해, 당해 온도에 해당하는 수직 선과 금속 산화에 대한 엘링함 선의 교차점의 위치를 정한다. 다음에, 이 교차점을 도표의 상부 좌측 코너에 "O"로 표시된 지점까지 연결하는 선을 그린다. 그후에, 그 선을 도표의 바닥 또는 우측에 있는 P_O2스케일에 교차될 때 까지 연장한다. 이러한 P_O2스케일의 교차점은 당해 온도에서 당해 금속과 평형인 P_O2(atm)과 동일하다.

상기한 절차를 이용하여, 특정 금속에 적합한 환원 금속은 결합의 일부가 되는 금속의 브레이징 온도에서의 평형 P_O2보다 작은 브레이징 온도에서의 평형 P_O2를 제공한다. 예를 들면, 약 800 ℃의 브레이징 온도에서, 알루미늄은 약 10^-42기압의P_O2를 갖는 반면, 크롬은 약 10^-30기압의 P_O2를 갖는다. 그러므로, 알루미늄은 크롬에 대한 적합한 환원 금속이다.

금속이 일정 금속에 대한 적합한 환원 금속인지를 예측하기 위한 또다른 방법은 환원 금속에 대한 브레이징 조건에서의 산화의 깁스 (Gibbs) 자유 에너지 (ΔG_산화)가 접합되는 금속의 ΔG_산화보다 작은 지를 결정하는 것이다. 일정 온도에서의 금속 산화 반응에 대한 ΔG_산화또한 엘링함 도표로부터 결정될 수 있다. 먼저, 당해 온도에 해당하는 수직 선 및 당해 금속 산화 반응에 대한 엘링함 선의 교차점의 위치를 정한다. 다음에, 교차점에서 y-축까지 x-축에 평행인 수평선을 그린다. 수평선이 y-축과 만나는 지점은 일정 온도에서의 금속 산화 반응의 ΔG_산화와 동일하다. 잠재적인 환원 금속의 ΔG_산화가 접합될 금속에 대한 ΔG_산화보다 작다면, 환원 금속은 그 금속에 대해 사용될 수 있다.

특정 실시태양에서, 환원 금속은 알루미늄이다. 예를 들면, 스테인레스 강철을 다른 재료에 접합하거나 스테인레스 강철을 스테인레스 강철에 접합하는 실시태양은 환원 금속으로서 알루미늄을 사용할 수 있다. 알루미늄은 스테인레스 강철의 표면 상의 크롬 산화물에 대한 환원 금속이므로, 크롬 산화물을 금속성 크롬으로 전환하여 브레이징 금속이 스테인레스 강철을 젖게 하고 그것에 결합되도록 한다. 알루미늄은 전형적으로 스테인레스 강철과 경납 용가재 사이에 위치된 박막 호일 형태이다. 알루미늄 호일은 경납 용가재 금속 조성의 변화를 최소화하기 위해 경납 보다 훨씬 더 얇지만 크롬 산화물과 반응하기에 충분한 알루미늄이 존재하도록 충분히 두꺼워야 한다.

또한, 알루미늄은 종종 내식성을 증가시키기 위해 금속 합금에 첨가된다. 소량의 알루미늄은 부식을 감소시키기 위해 금속의 표면 상에 부동화 층을 형성할 수 있다. 또한, 산화 알루미늄은 다른 산화물에서와 같이 표면적으로 부적합하지 않다. 내식성은 브레이징 접합체의 강도를 유지하는데 도움이 된다. 크롬 보다 산소에 대한 더 큰 친화력을 갖는 다른 요소가 사용될 수도 있다. 이들은 티탄, 규소 및 마그네슘을 포함할 것이다.

크롬 산화물을 환원시키기 위한 알루미늄 이외의 재료의 선택은 경납 및 환원 금속의 융점에 좌우될 것이다. 스테인레스 강철의 표면 상의 산화물을 활발하게 환원시키기 위하여, 환원 금속이 경납 용가재의 융점 보다 약간 아래의 온도에서 용융된다면 그것이 최상이다. 환원 금속이 경납 보다 훨씬 더 낮은 온도에서 용융된다면, 경납 용가재가 용융되기 전의 기간이 너무 길어서 환원 금속이 대기와 반응하여 접합을 약화시킬 바람직하지 않은 물질을 형성할 수 있다.

환원 금속 (16)은 일반적으로 브레이징 절차 전에는 경납 (14)과 별개의 층이다. 환원 금속층 (16)은 예를 들면 별개의 호일층의 형태일 수 있다. 이들 실시태양에서, 호일층은 일반적으로 약 0.3 내지 약 200 ㎛ 두께이다. 호일층은 고체층일 수 있거나, 또는 구멍을 포함할 수 있다 (예를 들면, 메쉬 또는 다공성 호일). 일부 실시태양에서, 호일층은 약 5 내지 약 120 ㎛ 두께, 예를 들면 약 5 내지 약 20 ㎛ 두께일 수 있다. 환원 금속층 (16)은 대안으로 제1 재료 (18) 상에산포될 수 있는 분말 형태일 수 있다. 이 실시태양에서, 환원 금속층은 제1 재료 상에 산포되어 전형적으로 약 5 내지 약 20 ㎛ 두께의 층을 형성한다. 환원 금속층 (16)은 또한 예를 들면, 스퍼터링, 전기도금, 무전해 도금, 침지 코팅 또는 증착에 의해 침착된 경납 (14) 상의 필름 코팅 형태일 수도 있다. 이 실시태양에서, 경납 상의 침착된 코팅 두께는 약 0.5 내지 약 5 ㎛일 수 있다.

경납과 환원 금속 사이에 금속간 화합물이 형성된다면 열을 방출하는 추가의 이점이 존재할 수 있다. 예를 들면, 구리 경납과 알루미늄 환원 금속을 갖는 시스템에서, AlCu의 형성은 몰 당 약 40 kJ을 방출하여 경납의 용융을 돕는다. 어떠한 이론에 기초하는 것은 아니지만, 이러한 열동력학적 구동력은 또한 환원 금속과 경납이 잘 혼합되도록 하여 강한 균일한 접합을 형성하는 것으로 생각된다. 이러한 식으로, 접합의 한 면 상의 금속과 경납 사이에 끼워진 비교적 순수한 환원 금속의 박층 만을 갖는 구조는 피해진다.

브레이징 접합체

도 3에 예시된 바와 같은, 본 발명의 브레이징 접합체는 용가재 (22)와 함께 접합된, 2개 이상의 재료 (12 및 18)를 포함한다. 이러한 브레이징 접합체는 약 0.6 내지 약 1 ㎝, 예를 들면 약 0.635 ㎝의 두께를 가질 수 있다. 특정 실시태양에서, 용가재 층 (22)은 경납 및 환원 금속 산화물의 다중상 합금이다. 일부 경우에, 환원 금속은 용가재 층에 존재하기도 한다. 일부 실시태양에서, 환원 금속 산화물은 용가재 층의 전체 두께에 걸쳐 존재한다. 다른 실시태양에서, 환원 금속 산화물은 용가재 층 전체에 걸쳐 분리된 섬 모양으로 존재한다. 환원 금속 산화물은 또한 결합될 제1 재료의 표면을 따라 분리된 섬으로서 존재할 수도 있다. 용가재 층은 약 100 ㎛ 두께일 수 있다. 그러나, 당업계의 숙련인은 용가재 층의 다른 두께가 마찬가지로 적절할 수 있음을 이해할 것이며, 본 발명은 본원에 기재된 임의의 두께로 제한되지 않는다.

브레이징 접합체는 예를 들면 450 ℃ 미만의 모든 온도에서 안정할 수 있다. 예를 들면, 용가재가 솔더를 포함하였다면, 브레이징 접합체는 450 ℃ 미만으로 정의되는 솔더의 용융 온도에서 파손될 것이다.

연마 제품

본 발명의 브레이징 접합체는 연마 제품을 형성하는데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 브레이징 접합체는 소결된 연마 제품 내에 존재한다. 예를 들면, 융합된 연마체는 제1 재료 (18)로서 작용하는 또다른 지지 재료에 브레이징되는 경우 제2 재료 (12)로서 작용할 수 있다.

본 발명의 융합된 연마체의 한 실시태양에서, 연마 입자는 금속 모재에 전체에 걸쳐 무작위로 분포된다. 그러한 융합된 연마체를 제조하기 위하여, 처음에 금속 분말, 다수의 금속 코팅된 연마 입자, 및 필요한 임의의 선택적 성분 (예를 들면, 유기 결합제, 경질 입자 (예를 들면, 텅스텐 카바이드 입자))를 배합하여 가융성 조성물을 제조한다. 금속 모재 재료는, 예를 들면 청동, 코발트, 텅스텐, 구리, 철, 니켈, 주석, 크롬 또는 이들을 함유하는 혼합물 또는 합금을 포함하는 금속 분말을 포함한다. 유기 결합제는 예를 들면, 폴리비닐 부티랄과 같은 중합체를 포함하며, 가융성 조성물 내에 포함되어 금속 분말을 물리적으로 취급될 수 있는,미가공체로서 알려진 성형 물질로 응고하게 된다. 일반적으로, 유기 결합제는 융합 공정 중에 연소되어야 한다는 사실 때문에 원하는 특성을 제공하는데 필요한 최소량으로 가융성 조성물에 포함된다. 임의로, 텅스텐 카바이드와 같은 경질 입자는 가융성 조성물에 첨가되어 결과의 융합된 연마체의 내마모성을 증가시킬 수 있다. 전형적으로, 경질 입자는 가융성 조성물의 약 10 내지 50 중량%의 양으로 첨가되지만, 이 범위 밖의 양이 일부 조성물에 유리할 수도 있다. 유기 용매는 유기 결합제를 용매화하는데 필요한 양으로 가융성 조성물에 첨가될 수 있다. 전형적인 유기 용매는, 예를 들어 메틸 에틸 케톤을 포함하며, 결합제를 용매화하는데 최소로 필요한 양으로 가융성 조성물에 첨가된다.

일단 가융성 조성물이 제조되면, 그것은 프레스를 사용하여 금형에서 냉간 압축되어 미가공 압분체를 형성한다. 그후에, 미가공 압분체는 융합된다. 융합은 예를 들면 소결에 의해 이루어질 수 있다. 소결 온도는 전형적으로 약 700 내지 1100 ℃이며, 전형적인 소결 시간은 약 5 내지 30분이다. 소결 공정 중에 압력이 가해질 수도 있다. 전형적인 소결 압력 범위는, 예를 들면 약 100-500 ㎏/㎠이다. 융합 후에, 결과의 융합된 연마체는 원하는 크기 및 형태로 절단될 수 있다.

본 발명의 융합된 연마체의 또다른 실시태양에서, 연마 입자는 금속 모재에 전체에 걸쳐 일정하게 분포된다. 예를 들면, 연마 입자는 금속 모재 내에 하나 이상의 실질적인 평면층으로 집중될 수 있다. 그러한 소결된 연마체는, 예를 들면 본원에 참고로 삽입된 미국 특허 제5,380,390호 (Tselesin)에 보고된 기술에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 융합된 연마체는 절단 및 연마 지석에 이용될 수 있다. 그러한 지석은 실질적으로 원통형이며, 본 발명을 이용하여 융합된 연마체에 브레이징될 수 있는 제1 지지판과 제2 지지판 사이에 끼워진 융합된 연마체를 포함한다. 지석은 그의 중앙에, 회전 축에 지석이 장착되도록 구멍을 포함한다.

또다른 실시태양에서, 금속 심 (shim)에 결합된 단일 연마제층을 포함하는 융합된 연마체는 원판 또는 고리에 부착되어 정면 절삭 공구의 표면을 형성한다. 원판 또는 고리는 원판 또는 고리의 평면에서 회전되고 가공품은 원판의 본래 평면 측으로 마모된다. 융합체는 내식성 합금을 가진 한면 상에 결합된 연마제를 가진 니켈 심을 포함할 수 있다. 그러한 융합된 연마체는 본원에 참고로 삽입된 미국 특허 제6,123,612호 (Goers)에 보고된 기술에 의해 형성될 수 있다. 한면이 니켈로 이루어진 융합된 연마체는 본 발명에 의해 스테인레스 강철 지지판에 브레이징될 수 있다. 브레이징 접합 어셈블리는 원판 형태로 절단되어 연마 공구를 형성한다. 별법으로, 브레이징 접합 어셈블리는 고리에 다시 부착되는 세그먼트로 절단되어 연마 공구를 형성한다. 브레이징 접합 세그먼트는, 예를 들면 스크류 또는 접착제에 의해 고리에 부착될 수 있다.

다음 비제한적 예는 본 발명을 더 예시한다. 실시예에서의 모든 부, 백분율, 비 등은 달리 명시하지 않으면 중량 기준으로 한 것이다.

용어 및 약어

약어	정의
BR505	50 중량% 은, 20 중량% 구리, 28 중량% 아연 및 2.0 중량% 니켈 경납.Lucas-Milhaupt, Inc. (Cudahy, WI)로부터 시판됨.
BR604	60 중량% 은, 30 중량% 구리 및 10 중량% 주석 경납.Lucas-Milhaupt, Inc. (Cudahy, WI)로부터 시판됨.
BR616	61.5 중량% 은, 24 중량% 구리 및 14.5 중량% 주석 경납.Lucas-Milhaupt, Inc. (Cudahy, WI)로부터 시판됨.

재료

표본은 5 ㎜ 두께의 430 스테인레스 강철판과 0.25 ㎜ 두께의 니켈 심을 접합시켜 제조하였다. 표면 분쇄된 스테인레스 강철판은 프리시젼 프로세스 코포레이션 (Precision Process Corp., Elk Grove, IL)로부터 구입하였다. 니켈 심은 크리테리온 메탈스 인크. (Criterion Metals Inc., St. Charles, IL)로부터 구입하고 "압연" 상태로 사용하였다. 각 금속의 표본을 50 ㎜ 폭 및 150 ㎜ 길이로 절단하였다. 브레이징 전에, 그 표본들을 초음파 조를 이용하여 탈이온수 중의, 알코녹스 인크. (Alconox Inc., New York, NY)로부터 판매되는 알코녹스 파우더드 프리시젼 클리너 (Alconox Powdered Precision Cleaner) 중의 용액으로 세정하였다. 그후에, 그 표본들을 탈이온수로 헹구고 공기 건조시켰다.

브레이징 절차

성분들을 다음 순서로 적중시켜 브레이징 어셈블리를 제조하였다: a) 스테인레스 강철판; b) 환원 금속(들); c) BR604 경납 호일; d) 니켈 심. 4개의 적중된 브레이징 어셈블리를 0.005 inch (0.0127 ㎝)의 흑연지 시트 (UCAR Carbon Co., Clarksburg, WV로부터 판매됨)로 분리하고 그의 코너 부근에서 접합되는 2개의 0.5 x 4 x 6 inch (1.27 x 10.16 x 15.24 ㎝) 강철판 사이를 4개의 0.25 inch (0.635㎝) 스테인레스 강철 나사 환봉으로 클램핑시켰다. 나사 환봉 위의 너트를 환봉이 움직이기 시작하는 시간에 약 50 ft-lb. (68 N-m)로 균일하게 조였다.

4가지 표본의 클램핑된 어셈블리를 진공 로의 가공 용적의 중앙에 놓았다. 진공 로는 30 ㎝ 직경 x 약 25 ㎝ 높이의 가공 용적을 가졌다. 그것을 흑연포 전극으로 전기 가열하였다. 진공 로를 흑연 펠트 절연체로 채웠다. 흑연은 가열될 때 일산화 탄소를 형성함으로써 미량의 유리 산소를 제거하였다. 가열 전에 로에 대한 진공은 약 2 x 10^-5Torr (0.0026 Pa)였다. 진공은 오일 확산 펌프 및 기계적 초기배기 펌프로 형성하였다. 그러나, 브레이징 온도에서 작동될 때, 압력은 로 안의 재료의 가스 발생으로 인해 약 0.001 Torr (0.133 Pa)로 상승될 것이다. 잔류 가스는 스테인레스 강철에서 철에 대해서는 환원성이지만 크롬과 같은 반응성 금속에 대해서는 산화성이다.

브레이징 어셈블리의 온도는 두개의 한가운데 표본 중의 하나의 구멍에 놓여진 열전대에 의해 모니터되었다. 온도를 초기에 300 ℃로 올리고 5분 동안 유지하여 임의의 미량의 유기 재료가 연소되도록 하였다. 그후에, 온도를 약 50분 내에 약 760 ℃로 올리고 그후에 분말을 만들어냈다. 표본의 중심 온도를 약 770 ℃로 계속하여 상승시켰다. 그 예들을 진공에서 밤새, 예를 들면 14시간 동안 냉각되도록 하였다.

각각 4가지 표본의 두 세트를 진공 로에서 2개의 별개의 브레이징 주기로 브레이징하였다. 실시예 1 내지 4를 제1 브레이징 주기에서 브레이징하고 실시예 5 내지 8은 제2 브레이징 주기에서 브레이징하였다. 스테인레스 강철의 표면에서 크롬의 산화물을 환원시키는데 사용된 환원 금속은 다양하였다. 각 실시예에 사용된 환원 금속은 표 1에 나타내었다. 증기 코팅된 표본을 고 진공 하에 벨 자아 (bell jar)에서 용융 금속을 기화하여 제조하였다. 증착 코팅의 두께는 경납 호일에 인접한 유리 단편을 이용하여 결정하였다. 유리를 분쇄하고 분쇄된 표면을 광학 현미경으로 1000x 배율로 검사하여 금속 침착물 두께를 결정하였다.

박리 시험 절차

2 inch 길이의 세그먼트를 세그먼트 말단으로부터 톱으로 잘라내었다. 그들의 폭은 약 3/8 inch (0.95 ㎝)였다. 니켈 심의 말단을 예리한 조각칼로 스테인레스 강철에서 떼어내었다. 클램프를 니켈에 부착시키고 휴대용 포스 게이지를 이용하여 스테인레스 강철에서 니켈의 나머지 부분을 박리시키는데 필요한 힘을 측정하였다. 니켈을 스테인레스 강철로부터 90°로 박리시켰다. 세그먼트의 폭을 칼리퍼로 측정하고 lb 단위의 박리력을 inch 단위의 세그먼트 폭으로 나누어 90°박리 강도를 계산하였다. 그후에, 결과 값을 미터 당 킬로뉴튼 (kN/m)으로 전환하였다. 가해진 최대 힘을 기록하도록 포스 게이지를 설정하였다. 짧은 길이의 니켈 호일을 박리하고 이러한 식으로 각 세그먼트에 대해 수개의 측정치를 얻었다.

비교예 A

6 inch x 6 inch의 340 스테인레스 강철판의 표면을 박층의 비-금속성 불소계 플럭스, 핸디플럭스 (HANDYFLUX) (Lucas Milhaupt, Inc. (Cudahy, WI) 제품)로 코팅하고, 한층의 0.13 ㎜ BR 505 경납 호일 (Lucas Milhaupt, Inc. (Cudahy, WI) 제품) 및 니켈 심을 추가하여 적중된 예형을 제조하였다. 니켈 심은 반대 면 상에소결된 다이아몬드 연마제를 가졌다. 예형을 브레이징에 적합한 소결 프레스에 놓았다. 소결 프레스는 표본에 많은 전류를 흐르게 하여 약 15 MPa의 압력 하에 2개의 압반 사이에 있는 표본을 가열하였다. 금속 부품과 압반 사이의 흑연지는 효과적인 가열을 위해 전기 회로에 대한 저항성을 추가하였다. 표본을 소결 프레스에서 약 115 MPa의 압력 하에 800 ℃로 가열하고 냉각하였다. 38 ㎜ 길이 x 7 ㎜ 폭의 표본을 브레이징 접합판에서 잘라 내었다.

실시예 1-8

실시예 1-8을 상기한 브레이징 절차에 기재된 바와 같이 제조하였다. 각 실시예에 사용된 환원 금속을 표 1에 나타내었다.

실시예 1-8에 대한 환원 금속

실시예번호	환원 금속
1	경납 호일 상에 증기 코팅된 0.3 미크론의 알루미늄 (99.9% 순수 Al 펠릿, AldrichChemical Co. (Milwaukee, WI 소재), catalog number 26652-3으로부터 구입함)
2	8 미크론의 알루미늄 호일 (Alufoil Products Co. Inc. (Hauppauge, NY 소재) 제품)
3	16 미크론의 알루미늄 호일 (Reynolds Metals Company (Richmond, VA 소재) 제품)
4	111 미크론의 알루미늄 호일 (일회용 알루미늄 팬 원료)
5	호일 상에 증기 코팅된 1.3 미크론의 알루미늄 및 마그네슘.금속 원료의 초기 조성은 약 30% 알루미늄 호일 및 70% 마그네슘 리본이었다.
6	알루미늄 분말 0.10 g (Fisher Scientific Co. (Fair Lawn, NJ 소재) 제품).산포된 양은 5 미크론 알루미늄 호일과 동량이었다.
7	8 미크론 알루미늄 호일, 실시예 2의 반복이지만 제2 브레이징 주기에서 브레이징됨.
8	0.14 g 마그네슘 분말 (Reade Manufacturing Company (Lakehurst NJ 소재) 제품).산포된 양은 8 미크론 알루미늄 호일의 몰 당량이었다.

비교예 A 및 실시예 1-8에 대한 박리 강도를 상기한 박리 시험 절차에 따라서 측정하였다. 평균 값을 표 2에 기록하였다.

실시예 1-8 및 비교예 A에 대한 박리 강도 데이타

표본	시험 횟수	평균 박리 강도 (kN/m)	표준 편차 (kN/m)
비교예 A	N/A	7.4	N/A
실시예 1	12	5.2	±1.9
실시예 2	15	18.9	±1.1
실시예 3	17	16.3	±0.8
실시예 4	17	14.2	±1.1
실시예 5	10	7.4	±0.9
실시예 6	15	12.8	±1.8
실시예 7	13	16.6	±1.7
실시예 8	16	9.5	±1.0

상기 데이타는 적정량의 환원 금속 플럭스가 현재 이용되는 불소계 플럭스 보다 더 강한 스테인레스 강철 결합을 형성함을 입증한다. 실시예 2 및 7에 설명된 얇은 알루미늄 호일은 실시예에 대한 최적의 플럭스인 것으로 나타났다. 또한, 플럭스로서의 호일은 분말 또는 증기 코팅 보다 약간 더 강한 결합을 나타내었다.

비교예 B-C 및 실시예 9

비교예 B 및 C를 상기한 브레이징 절차에 기재된 바와 같이 제조하였다. 그러나, 스테인레스 강철판을 먼저 코-오퍼레이티브 플레이팅 (Co-operative Plating (St. Paul, MN 소재) 제품)에 의해 20 미크론의 니켈로 전기 도금하였다. 전기도금된 스테인레스 강철을 전과 같이 진공 로에서 브레이징하기 전에 경납 재료 및 니켈 심으로 적중하였다. 비교예 B 및 C를 각각 127 ㎛ 두께의 BR 604 및 127 ㎛ 두께의 BR 616 (Lucas Milhaupt, Inc. (Cudahy, WI 소재) 제품)으로 브레이징하였다.

실시예 9를, 스테인레스 강철과 경납 호일 사이에 16 ㎛ 알루미늄 호일(Reynolds Metals Company (Richmond, VA 소재) 제품)의 환원 금속을 넣어 상기한 브레이징 절차에 기재된 바와 같이 제조하였다.

상기한 박리 강도 절차에 따라서 90° 박리 강도를 측정하였다. 결과를 표 3에 기록하였다.

실시예	경납 조성	박리 강도 (kN/m)
비교예 B	BR 604	13.3
비교예 C	BR 616	14.0
9	BR 604, 알루미늄이 존재함	14.7

따라서, 알루미늄 플럭스 존재하의 비-니켈 코팅된 스테인레스 강철이 강한 브레이징 결합을, 심지어는 비교예 B와 실시예 9의 직접적인 비교에 의해 입증되는 바와 같이 니켈 전기도금된 스테인레스 강철을 이용하는 공지된 방법 보다 더 강한 브레이징 결합을 나타내었다.

내식성 시험

실시예 3을 알루미늄 층의 존재하에 진공 로에서 브레이징하여 부식에 대해 시험하였다. 또한, 비교예 A에서와 같이 제조된 표본을 부식에 대해 시험하였다. 두 단편을 페트리 디쉬에 놓고, 소창 (cheesecloth)으로 덮어 탈이온수로 적셨다. 수산화 암모늄 한 방울을 첨가하여 약간의 수 전도성을 제공하였다. 표본을 약 20 ℃에서 약 2일 동안 서서히 건조되도록 하였다.

결과의 브레이징 접합체를 도 5 및 6에 광화상으로 나타내었다. 도 5에서 플럭스로 제조된 표본의 경납 계면을 따라서 부식 점 (50)이 형성된 반면, 도 6에서 알루미늄 존재하에 진공 브레이징된 본 발명의 표본의 경납 계면을 따라서는 부식 점 이 형성되지 않았다.

상기 설명은 예시적일 뿐 제한적인 것은 아님을 이해하여야 한다. 당업자의 숙련인은 본 발명의 영역 및 취지에서 벗어나지 않고 상기 설명으로부터 본 발명의 각종 변형 및 변화를 명확히 알 수 있을 것이다. 본 발명이 본원에 기재된 예시된 실시태양에 부당하게 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

Claims

(a) 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가지며 제1 산화물을 형성할 수 있는 제1 재료;

제1 재료 상의 제1 산화물의 적어도 일부를 환원시킬 수 있는, 제1 재료에 인접한 제1 환원 금속;

환원 금속에 인접한 경납 (braze); 및

660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 재료를 포함하는, 경납에 인접한 제2 재료

를 포함하는 다층 어셈블리를 형성하고;

(b) 상기 어셈블리 주위에 진공을 형성하고;

(c) 상기 어셈블리를 가열하여 환원 금속 및 경납을 용융시키고;

(d) 상기 어셈블리를 냉각시켜 브레이징 접합체 (brazing body)를 형성하는

것을 포함하는, 브레이징 접합체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 제1 재료가 금속인 방법.
제1항에 있어서, 제2 재료가 제2 산화물을 형성할 수 있고, 어셈블리가 제2 재료에 인접한 제2 환원 금속을 더 포함하고, 환원 금속이 제2 재료 상의 제2 산화물의 적어도 일부를 환원시킬 수 있는 것인 방법.
제2항에 있어서, 제1 재료가 스테인레스 강철, 티타늄, 니켈, 철, 코발트, 크롬, 지르코늄 및 이들을 함유하는 합금으로부터 선택된 금속인 방법.
제1항에 있어서, 제2 재료가 융합된 연마체인 방법.
제1항에 있어서, 환원 금속이 알루미늄인 방법.
제1항에 있어서, 경납이 구리, 은, 주석, 인듐 및 이들을 함유하는 합금으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 단계 (b)에서 진공이 0.6 파스칼 이상인 방법.
제1항에 있어서, 단계 (c)에서 온도가 약 450 ℃ 내지 약 800 ℃인 방법.
제1항에 있어서, 단계 (c)에서 온도가 약 1분 내지 약 15분 동안 유지되는 방법.
제1항에 있어서, 어셈블리가

제2 재료에 인접한 제2 환원 금속; 및

660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 재료를 포함하는 제3 재료를 더 포함하는 것인 방법.
(a) 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 제1 재료를 포함하는 제1층;

(b) 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 제2 재료를 포함하는 제2층; 및

(c) 경납 및 산화 알루미늄을 포함하는 다중상 합금을 포함하는, 제1층과 제2층 사이의 용가재 (filler) 층

을 포함하는 브레이징 접합체.
제11항에 있어서, 제1층 또는 제2층 내에 연마 입자를 더 포함하는 브레이징 접합체.
(a) 융합된 연마체를 포함하는 제1층;

(b) 660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 재료를 포함하는 제2층; 및

(c) 경납 및 환원 금속 산화물을 포함하는 다중상 합금을 포함하는, 제1층과 제2층 사이의 용가재 층

을 포함하는 연마 제품.
다수의 연마 입자;

660 ℃ 보다 높은 용융 온도를 가진 금속; 및

경납 및 산화 알루미늄을 포함하는, 금속과 연마 입자 사이의 용가재 층

을 포함하는 연마 제품.
제14항에 있어서, 금속이 스테인레스 강철인 연마 제품.
(a) 경납 금속 호일층; 및

(b) 경납의 한 표면의 적어도 일부를 커버하는, 약 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 두께의 알루미늄 층

을 포함하는 다층 브레이징 어셈블리.
제17항에 있어서, 알루미늄 층이 약 8 ㎛ 두께인 다층 브레이징 어셈블리.