KR20070085596A - 철계 브레이징 용가재 - Google Patents

Abstract

복수의 부품이 철계 브레이징 용가재를 이용하여 브레이징 된다. 부품은 대개 스테인레스강을 포함하고, 브레이징된 조립체는 효과적인 내부식성과 조립체를 통과하는 유체안으로의 낮은 니켈 침출률이 특징인 열교환기를 형성한다. 열교환기는 특히 인간과 동물에 의해 섭취되도록 의도된 항목에 있어서 사용하기에 적합하다.

Description

철계 브레이징 용가재{IRON-BASED BRAZING FILLER METALS}

본 발명은 금속부품의 브레이징, 보다 상세하게는 스테인레스강의 브레이징에 유용한 균질하고 연성이 있는 철계(iron-based) 브레이징 재료 및 제품을 형성하기 위한 스테인레스강 부품을 브레이징하기 위한 방법으로써 상기 브레이징된 스테인레스강 부품은 물에서 그러한 제품들로부터 침출하는 니켈의 경향을 감소시킨다.

브레이징은 종종 상이한 조성인 금속 부품을 서로 접합시키기 위한 방법이다. 전형적으로, 서로 접합되는 금속 부품의 용융점보다 더 낮은 용융점을 가지는 용가재(filler metal)는 조립체를 형성하기 위해 금속 부품 사이에 삽입된다. 이후 조립체는 용가재를 녹이기에 충분한 온도로 가열된다. 냉각되자마자, 강하고, 기밀한 접합부가 형성된다. 조립된 부품은 최종제품을 구성할 수도 있고, 추가적인 제조 작업에서 사용되기 위한 반구성품(sub-component)을 형성할 수도 있다.

특수 응용의 특징 브레이징 용가재의 선택은 몇 가지 요인에 의존하는데, 이 에는 접합되는 구성품들 및 조립체가 궁극적으로 작동하여야 하는 조건에 관한 요구들이 포함된다.

하나의 기본적인 고려사항은 온도이다. 브레이징 용가재는 고상선 및 액상 선 온도로 특징지을 수 있다. "고상선(solidus)"이라는 용어는 금속이나 합금이 완전히 고체가 되는 가장 높은 온도를 의미하고, "액상선(liquidis)"이라는 용어는 금속이나 합금이 완전히 액체가 되는 가장 낮은 온도를 말한다. 어떠한 브레이징 과정에 있어서도, 브레이징 용가재는 바람직한 사용조건을 만족시키기 위해 적절한 관련성을 브레이징 되는 조립체에 제공하기에 충분히 높은 고상선 온도를 가지고 있어야만 하고, 접합되는 부품의 온도 한계와 양립할 수 있기에 충분히 낮은 액상선 온도를 가져야만 한다.

또 다른 고려사항은 내부식성이다. 많은 브레이징된 조립품은, 특히 브레이징부 근방에서, 부식되기 쉬운 환경조건하에서 작동하여야만 한다. 주어진 시스템의 부식 경향은 시스템이 노출되어 있는 가스나 액체에 의해 그리고, 전형적인 작동 온도에 의해서 영향을 받는다.

접합기술로서 브레이징을 사용하여 빈번히 조립되는 장치 중의 한 종류는 열교환기이다. 이러한 기구들은 다양한 형태로 알려져 있다. 일반적으로 말하면, 열교환기는 열이 순환하는 하나의 순환 유체로부터 다른 순환 유체를 분리하는 계면 을 가로질러 전달되도록 한다. 기체 또는 액체 중의 하나인 유체가 분리된 채로 유지된다는 것은 대체로 필수적이다. 따라서, 적어도 부분적으로 계면을 한정하는 브레이징된 접합부가 작동 조건의 전범위하에서 그리고 연장된 가동 수명을 위하여 구조적인 무결함을 유지하는 것은 매우 중요하다.

열교환기가 유용함을 찾을 수 있는 용도 중 한 분야는 궁극적으로 인간의 섭취나 소비를 위하여 의도된 재료의 제작과정이다. 이러한 것에는 물, 음료수, 쥬스와 같은 액체 뿐만 아니라 식료품도 포함된다. 상기 응용을 위해 정해진 열교환기의 제조에 사용되는 금속 재료는 결정적으로 중요한 것이다. 그러한 금속재료는 열 전달에 관해서 탁월한 작동 특성을 제공할 필요가 있을 뿐만 아니라, 열교환기가 노출되어 있는 물질과도 양립할 수 있어야 한다. 특별하게 관심이 있는 것은 유해하거나 또는 유체에 바람직하지 않은 맛을 가하는 구조재(materials of construction)의 어떠한 원소 또는 분자 구성종의 바람직하지 않은 침출이나 용해가 없어야 한다는 요구이다. 만일 유해한 종이나 바람직하지 않은 맛이 있다면, 원인 물질의 침출이 최소화 되어야 하는 것은 필수적이다. 빈번히, 지방 정부 또는 감독 당국은 그 안을 통하여 지나가는 유체속으로 침출되는 것이 허용된 금속이온과 같은 물질의 최대량을 마련했다.

기준은 통상적으로 처리된 유체의 부피당 현존하는 최대 침출량으로 표현된다. 이상적으로, 열교환기에 포함된 재료(브레이징 용가재 포함)와 이와 관계된 제조 방법의 결과 예견할 수 있는 작동 조건하에서 적용할 수 있는 규제 기준을 만족 하거나 능가하는 장치를 얻는다.

"쉘-앤드-튜브(shell-and-tube)", "플레이트/플레이트(plate/plate)", 그리고 "플레이트/핀(plate/fin)" 타입의 열교환기를 가장 일반적으로 접하게 된다. 첫번째 형태에서, 전형적으로 "쉘"이라고 불리는 보다 큰 직경의 하우징은 하나 이상의 작은 직경의 튜브나 파이프를 둘러싼다. 이러한 배열에 따르면, 제1 유체(즉, 액체,기체)가 쉘과 튜브의 외곽 주위를 통과하고, 그와 동시에 제2 유체(액체, 기체)는 튜브의 내부를 통하여 통과한다. 어떠한 물리적인 접촉도 제1유체와 제2유체 사이에 허용되지 않는 동안에, 더 뜨거운 유체로부터 더 차가운 유체로 튜브의 벽을 통과하여 열전달이 발생한다. 플레이트/플레이트와 플레이트/핀 타입 열교환기에서, 다시 물리적인 부재, 즉 하나 이상의 플레이트는 상기 플레이트를 가로질러 열전달이 일어나는 동안 제1 유체를 제2 유체로부터 분리한다.

이러한 타입의 열교환기(다른 조립체들 에서와 마찬가지로)에 있어서, 금속은 대체로 고강도와 효과적인 열 전달 특성에 기인하여 가장 일반적으로 사용된다.

전형적으로, 그러한 유형의 열교환기를 구성하기 위해 사용되는 개별 부품은 브레이징에 의해 접합된다. 열교환기는 물리적인 무결함을 유지하고, 상호간 그리고 외계로부터의 유체와 고립을 유지하는 것이 필수적이다. 게다가, 내부 구성품을 보존하는 열교환기와 접합부는 하나 또는 둘 모두의 유체와 접촉함으로써 야기될지도 모르는 잠재적인 치명적인 손상 효과에 내성이 있어야 한다.

그러한 바람직하지 못한 효과를 최소화하기 위해, 열교환기를 위한 구조재,특히 식료품에 사용되는 것은 매우 조심스럽게 선택될 필요가 있다.

약 20% 이상의 니켈을 함유하고 있는 스테인레스강은 유체나 가스로의 침출비가 낮고 대개 효과적인 내부식성을 포함하는 바람직한 물성을 나타내기 때문에 매우 보편적으로 사용된다. 그러나, 브레이징 제조 공정은 높은 온도에서 수행되어서 스테인레스강의 침출에 대한 경향에 역효과를 나타낼 수도 있다. 이전에는 구리 원소가 유체, 특히 물로의 니켈의 낮은 침출 특성으로 인하여 브레이징 용가재로 사용되었다. 그러나, 브레이징 용가재로서 구리를 사용하여 브레이징된 부품을 가진 열교환기의 내부식성은 나쁘다. 전형적으로, 그러한 열교환기는 교체를 자주해야 하고, 교체 중단시간으로부터 야기되는 경제적 손실 뿐만 아니라 교체 장비와 노동에 대한 상당한 비용을 초래한다. 내부식성을 개선하기 위해, 주로 니켈과 크롬계 조성을 가진 브레이징 용가재가 이러한 조립체에서 사용되는 스테인레스강 부품을 접합시키는데 채용될 수 있음이 최근에 밝혀졌다. 불행하게도, 그러한 니켈이 베이스가 되는 브레이징 용가재가 사용되자, 바람직하지 않은 많은 양의 니켈이 종종 그러한 조립체를 통하여 흐르는 물 또는 다른 유체로 침출되는 것이 발견되었다.

그러한 니켈계 브레이징 용가재는 상당한 비율의 니켈을 포함하기 때문에, 니켈계 브레이징 용가재는 바람직하지 않은 니켈 침출수의 원천이 되는 것으로 여 겨졌다. 이러한 이유로, 니켈계 브레이징 용가재는 흔히 있듯이 열교환기를 통과하는 물질이 인간의 섭취 또는 소비를 위해 사용되는 때에 유체로의 니켈 침출이 걱정을 하는 응용분야에서는 회피되어야 한다. 놀라운 일은 아니지만, 일부 국가에서의 정부의 규제는 인간의 섭취 또는 소비용의 유체로 침출될 수도 있는 니켈의 양에 엄격한 규제를 가하고 있다. 이것이 본 발명이 방향이 맞추어지는 하나 또는 그 이상의 기술적 요구이다.

본 발명은 철계(iron-based) 용가재 조성을 가진 그 구성품을 브레이징함으로써 열교환기및 다른 제품을 제조하는 방법을 제공한다. 브레이징된 조립체들은 효과적인 통상적인 내부식성과 열교환기의 면중 한 면을 통과하는 유체로의 낮은 니켈 침출률을 유리하게 나타낸다. 결과적으로, 열교환기는 인간 또는 동물에 의한 섭취를 위하여 의도된 항목에 노출하기에 매우 적합하다.

첫번째 측면에서, 본 발명은 조립체, 특히 스테인레스강을 포함하는 부품을 포함하는 조립체를 제조하는 방법을 제공한다. 그러한 조립체는 철계 브레이징 용가재를 사용하여 접합된 부품을 포함한다. 제조되었을 때, 조립체는 일반적인 내부식성과 낮은 니켈 침출률을 특징으로 한다. 상기 방법은 다음과 같이 구성된다.

부품 사이에 하나 이상의 접합부를 정의하도록 적어도 두 개의 부품을 병치하는 단계; 상기 하나 이상의 접합부에 연성이 있고, 비정질의 브레이징 호일인 철계 브레이징 용가재 조성물을 제공하는 단계; 철계 브레이징 용가재가 용융되도록 병치된 부품과 브레이징 용가재를 가열하는 단계; 상기 철계 브레이징 용가재를 냉각하여 상기 브레이징된 접합부에 접촉하는 유체로의 니켈 침출량을 최소화하는 브레이징된 접합부를 제조하는 단계를 포함한다. 가열과 냉각 작업은 대개 보호 가스 분위기 또는 진공에서 수행된다.

두번째 측면에서, 철계 브레이징 용가재 합금이 사용된다. 전형적으로, 철계 브레이징 용가재는 본질적으로 Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식을 가지는 조성을 갖는데, 여기서 X는 몰리브덴 또는 텅스텐과 부수적인 불순물이고, 첨자 "a","b","c","d","e"는 모두 원자 퍼센트이며,"b"는 약 0에서 5 사이, "c"는 약 10에서 약 17 사이, "d"는 약 4에서 약 10 사이, "e"는 약 0에서 약 5 사이이고, 합계 "a"+"b"+"c"+"d"+"e"는 대략 100이 된다.

철계 브레이징 용가재는 다른 낮은 니켈 침출률을 요구하는 발명의 다른 조립품과 열교환기를 제작하는데 특히 적합하다. 일반적으로, 철계 브레이징 용가재는 균일하고, 연성이 있는 리본 또는 스트립의 형태로 준비된다.

본 발명의 합금은 상당한 양의 보론과 실리콘을 포함하는데, 이들은 경하고 깨지기 쉬운 붕소화물과 규화물의 형태로 결정질 고체 상태로 존재한다. 따라서, 본 발명의 합금은 특히 급속 응고 기술에 의한 유연한 박호일로 제작되기에 적합하다. 그러한 방법으로 제작된 호일은 적어도 50% 유리질 구조와 약 18-50㎛ (약 0.0007에서 0.002 inch)두께를 가진 준안정 상태의 물질이다. 용가재로써 얇고 유연하고 균일한 호일은 짝을 이루는 표면이 넓은 면적과 좁은 간극을 갖는 브레이징과 복잡한 형태를 갖는 브레이징 접합부에 유용하다. 본 발명의 합금은 합금의 가스 또는 물 아토마이제이션(atomization) 또는 그것으로 이루어진 호일의 기계적 분쇄에 의하여 분말 형태로 생산될 수도 있다. 예컨데 압연, 주조, 그리고 다른 분말 야금학적 기술과 같은 다른 방법들이 그러한 합금들을 준비하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 또다른 측면과 특징은 하기에서 설명하는 것들로부터 더욱 명백해질 것이다.

본 발명은 하기의 발명의 다양한 실시예의 상세한 설명과 첨부한 도면에 대한 참조가 이루어질 때, 좀더 완전히 이해될 수 있고 더 많은 잇점이 명백해질 수 있는데, 여기에서 여러 도면에 걸쳐 동일한 도면 부호는 유사한 원소를 나타낸다:

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 구성품들을 브레이징하는 용도로 개조된 브레이징 호일 예비품과 함께, 쉘-앤드-튜브 열교환기를 부분적으로 해 체된 상태로 나타낸 부분사시도;

도2는 본 발명의 일실시예와 따라 철계 브레이징 용가재를 이용하여 브레이징된 플레이트 및 핀 타입 열교환기의 단면도; 그리고

도3은 본 발명의 일실시예와 따라 철계 브레이징 용가재를 이용하여 브레이징된 플레이트-플레이트 타입 열교환기의 단면도이다.

본 발명은 브레이징된 금속 구성품을 포함한 조립체들을 제조하는 방법에 방향지워진 것으로서, 제조된 조립체들은 제조된 조립체를 통하여 흐르는 유체로의 낮은 니켈 침출률과 통상적인 내부식성을 갖는 유용한 특징이 있다. 발명은 또한 그러한 제조 공정에 적합한 철계 브레이징 용가재를 제공한다.

본 발명과 일치하여, 철계 브레이징 용가재 합금이 사용된다. 일반적으로, 철계 브레이징 용가재는 Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식을 가진 조성을 본질적으로 갖는데, 여기서 X는 몰리브덴 또는 텅스텐과 부수적인 불순물이고, 첨자 "a","b","c","d","e"는 모두 원자 퍼센트이며, "b"는 약 0에서 5 사이, "c"는 약 10에서 약 17 사이, "d"는 약 4에서 약 10 사이, "e"는 약 0에서 약 5 사이이고, 합계 "a"+"b"+"c"+"d"+"e"는 대략 100이 된다.

어떤 브레이징 과정에서도, 브레이징 용가재는 브레이징된 금속 부품의 서비스 요구를 만족시키기 위한 접합 강도를 제공하기에 충분히 높은 용융점을 가지고 있어야만 한다. 너무 높은 용융점은 베이스 금속을 약화하거나 민감화할 수 있다. 덧붙여서, 너무나 높은 용융점은 베이스 금속을 접합부 부근에서 침식시킬 수 있다. 용가재(filler material)는 또한 화학적으로 그리고 야금학적으로 브레이징 되는 재료와 양립할 수 있어야 한다.

본 발명의 방법과 조립체에 있어서 특히 유용한 철계 브레이징 용가재(filler metal)는 잘 공지된 기술에 따라 분말, 호일(foil), 리본 및 와이어에 국한 되지는 않지만 이들을 포함하는 여러 가지 형태로 생산될 수 있는 금속 합금이다. 합금을 분말 형태로 제조하는데 일반적으로 사용되는 방법에는 분쇄 뿐만 아니라 가스 또는 물 아토마이제이션(atomization)이 포함된다. 본 발명의 합금은 급속냉각에 의하여 제조하는데 가장 일반적으로 사용되는 방법에는 분쇄 뿐만 아니라연성이 있는 호일, 리본 또는 와이어로 형성된다. 급속 냉각에 의한 금속 합금의 생산은 비록 더 높은 속도가 공지되고 더 많이 사용되긴 하지만 전형적으로 적어도 약 10³℃/sec의 속도로 급속냉각함으로써 필수 성분의 용탕(melt)을 켄칭(quenching)하는 것을 수반한다. 오늘날 사용가능한 급속 응고 방법 중 가장 전 형적인 방법은 그 위에 용융 합금이 부딪쳐서 넓은 리본 형태로 주조되는 빠르게 회전하는 냉각 휠을 사용한다. 넓고 연성이 있는 리본으로서 본 발명의 브레이징 용가재의 제조에 적합한 한가지 방법이 미국 특허 4,221,257에 개시되어 있다.

이상적으로, 본 발명의 철계 브레이징 용가재는 쉽게 다룰 수 있는 연성이 있는 호일의 형태이다. 그러한 형태에서, 본 발명의 철계 브레이징 용가재는 복잡한 부분 조립체 조립에 사용되는 윤곽에 부합하는 다양한 형태로 준비된다. 복잡한 형태로의 성형은 상기 연성이 있는 호일을 벤딩(bending)이나 스탬핑(stamping)에 의해 이루어질 수 있다.

일반적으로, 본 발명의 브레이징 호일은 주로 조성상으로 균일하고, 즉, 브레이징 동안에 오염시키는 잔류물의 침전 또는 공극 형성의 가능성을 제공하는 유기 바인더와 같은 어떠한 바인더도 포함하지 않는다. 호일의 균일한 조성은 전체적으로 일정한 액상선과 고상선 온도, 나아가서는 균일한 용융을 촉진시키고 강하고, 균일하고, 공극이 없는 브레이징된 접합부를 형성시키는 것으로 귀결된다.

합금의 균일한 용융액에서 생산된 급속응고된 제품들은 대개 고체 상태에서 균일하다. 제품은 유리질 또는 결정질이 될 수 있는데, 합금 조성과 프로세스 파라미터에 의해서 결정된다. 더욱이, 적어도 50% 유리질인 제품은 대개 호일, 리본 또는 와이어의 형태의 합금이 파괴 없이 호일, 리본 또는 와이어 두께의 10배 만큼 작은 반경으로 굽혀질 수 있도록 하는 충분한 연성을 나타낸다. 전형적으로, 본 발명의 철계 브레이징 용가재는 적어도 약 10⁵℃/sec의 켄칭속도로 금속 합금의 용융액을 급속응고 시킴으로써 형성된 금속 합금이다. 그러한 켄칭 속도는 전형적으로 적어도 약 50%의 유리질과, 그 결과로, 합금이 복잡한 형태로 스탬프될 수 있을 정도로 충분하게 연성이 좋다. 더욱 전형적으로 본 발명의 합금은 적어도 약 80% 유리질이다. 가장 전형적으로, 합금은 실질적으로 완전히 유리질이고(예컨데, 적어도 90% 유리질), 그리고 상당히 향상된 정도의 연성을 나타낸다.

본 발명에 의해 제공된 합금은 여기에 기술된 방법에서 브레이징 용가재로 사용되기에 특히 적합하다. 가장 일반적으로, 합금은 호일 형태로 생산되고, 이 호일이 유리질이거나 미세결정질이거나 관계없이 유용하다. 대안적으로, 합금은 결정질 고용체 또는 유리질 금속 구조를 가진 호일의 형태로 준비될 수 있으며, 그리고 두가지 경우 모두에 있어서, 복잡한 형상의 스탬핑이 고려될 때 다이 수명을 보다 연장시키는 미세한 결정립을 내부에서 얻도록 열처리될 수 있다. 본 발명의 호일은 전형적으로 18~50㎛(약 0.0007에서 0.002 inch) 사이의 두께를 가진다. 많은 경우에 있어서, 호일 두께는 약 브레이징 될 부품 사이의 바람직한 간극에 대응된다.

본 발명의 브레이징 용가재는 금속 부품 특히, 스테인레스강 부품의 접합에 특히 유용하다. 스테인레스강은 궁극적으로 인간의 소비를 위해 의도된 쥬스와 같은 음식물 또는 물과 같은 다른 음료수를 포함한 유체의 가공에 사용된다. 그러한 스테인레스강의 예시된 등급은 전형적으로 약 0.03wt% 탄소, 2.00 wt% 망간, 1.0 wt% 실리콘, 10~14 wt% 니켈, 16~18 wt% 크롬, 2~3 wt% 몰리브덴, 0.1 wt% 질소 및 총합이 100wt%가 되도록 하는 철을 포함하는 것으로 서술되는 타입 316L 스테인레스강 뿐만 아니라 UNS 분류에 따른 S31603 강을 포함한다. 여기에서 교시하는 것으로부터 이익을 얻는 다른 재료들도 또한 본 발명에 따라서 니켈 침출 속도를 낮추고, 내부식성을 높일 수 있도록 사용될 수 있는 것이 예상된다. 제한되지 않는 예를 통하여 그러한 물질은 니켈을 포함하는 다른 내부식성 합금들 뿐만 아니라 다른 등급의 스테인레스 강을 포함한다.

본 발명의 가장 전형적인 브레이징 용가재에는 Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식과 같은 조성을 본질적으로 가지는 철계 브레이징 용가재 합금이 포함되는데, 여기서 X는 몰리브덴 또는 텅스텐과 부수적인 불순물이고, 첨자 "a","b","c","d","e"는 모두 원자 퍼센트이며,"b"는 약 0에서 5 사이, "c"는 약 10에서 약 17 사이, "d"는 약 4에서 약10 사이, "e"는 약 0에서 약 5 사이이고, 합계 "a"+"b"+"c"+"d"+"e"는 대략 100이 된다.

전형적인 브레이징 용가재는 상당히 연성이 있는 금속 스트립으로 용이하게 켄칭되고, 일반적으로 브레이징될 재료의 액상선 온도 아래인 낮은 액상선 온도를 나타낸다. 더욱이, 전형적인 브레이징 용가재를 이용하여 브레이징된 열교환기 및다른 유사한 조립체들은 평균 침출률보다 유리하게 낮은 니켈 침출률과 통상의 내부식성을 특징으로 한다.

발명의 또 다른 측면에서, 브레이징 방법은 브레이징된 부품을 포함하는 열교환기 및 다른 설비와 같은 기구(device)를 제조하는데 이용된다. 상기 기구는 인간의 섭취 또는 인간의 소비를 위한 재료를 처리하기 위해 선택되고 기구와 접촉하고 있는 유체로의 니켈 침출을 낮게 하는 것이 특징이다.

이 방법은 다음과 같은 작용을 포함하는데: 부품 사이에 하나 이상의 접합부를 정의하도록 적어도 두개의 부품을 병치하는 단계; 상기 하나 이상의 접합부에 철계 브레이징 용가재를 연성이 있고(ductile), 비정질인 브레이징 호일의 형태로 공급하는 단계; 상기 병치된 부품과 브레이징 용가재의 용융이 일어나도록 브레이징 용가재를 가열하는 단계; 그리고 상기 용융된 용가재를 냉각하여 상기 브레이징된 접합부와 접촉하는 유체로의 니켈 침출량을 최소화하는 적어도 하나의 브레이징된 접합부를 생산하는 단계의 작업들을 포함한다.

도 1을 참조하면, 종래의 쉘-앤드-튜브 형태의 열교환기 (80)의 일부가 부분해체된 상태가 도시되어 있다. 상기 열교환기 (80)은 쉘(82)과 각각이 플레이트(90)를 통하여 적당한 차수를 가진 통로를 통하여 확장된 단부(86)를 가지는 복 수의 튜브(84)를 포함한다. 작동에 있어서, 하나의 유체는 튜브를 통하여 흐르고, 반면에 다른 하나의 유체는 튜브(84)에 의해 점유되지 않은 쉘(82)의 내부 부분을 통하여 흐른다. 열은 쉘(82) 안에 위치한 튜브(84)의 접합된 외부 표면 영역에 의해 정의되는 계면을 가로질러 종래의 방법에 의해 교환된다. 플레이트(90)의 직경은 쉘(82)의 내경 내에 맞도록 선택된다. 플레이트(90)의 에지(92)는 조립하는 동안 쉘(82) 안으로 삽입을 원활하게 하기 위하여 약간의 테이퍼로 대개 형성된다. 플레이트(90)의 외경도 쉘(82)의 내경에 대하여 작은 간극을 가진다. 쉘(82)와 플레이트(90)의 사이의 간극은 보통 브레이징 호일 예비체(preform)(10)의 두께보다 적어도 약간 더 크다. 간극의 이유는 예비체(10)의 주평면(18)에 매달린 탭(14)은 브레이징 작용에 앞서서 플레이트(90)의 에지(92)에 접촉하여 놓여지기 때문이다. 유사하게 평면(18)을 통과하고 현존하는 구멍(16)은 또한 선택되고 튜브(86)의 단부의 위치와 치수에 부합되도록 배열된다.

하나의 관점에서, 열교환기(80)의 조립은 플레이트(90)의 제1면(94)에 붙여서 브레이징 호일 예비체(10)를 위치시키는 단계; 테이퍼된 에지(92)를 따라서 접촉하거나 적어도 연장하기 위한 탭(14)를 접는 단계; 그리고 구멍(16)이 위치된 단부(86)와 플레이트(90)에 적합하게 대응되도록 예비체(10)의 방위를 맞추는 단계의 작업들을 포함한다. 이후, 집합체(assemblage)가 쉘(82) 안으로 삽입되고; 그리고, 집합체는 조립체의 구성 물질에 필요한, 그리고 브레이징 호일 예비체(10)의 철계의 브레이징 용가재에 대한 특별한 요구에 부응하여 구성된다.

도 2는 플레이트(1)와 핀(2)을 포함하는 플레이트 및 핀 타입의 열교환기(15)를 나타낸다. 열교환기(15)의 조립체는 각각이 철계 브레이징 용가재를 포함하는 미리 선택된 크기의 브레이징 용가재의 미리 선택된 시트인 필요한 수의 예비체들을 준비하는 단계; 및 브레이징에 의해 접합될 인접한 핀과 플레이트 각각의 사이에 예비체를 배치하는 단계의 작업을 포함한다. 집합체는 조립품의 형성의 물질에 필요하고, 브레이징 예비체를 포함하는 철계 브레이징 용가재에 대한 특별한 요구에 부응해서 브레이징된다. 브레이징 작용을 마친후, 브레이징 용가재 조각(4)은 인접한 플레이트(1)와 핀(2) 사이의 모든 접촉 영역에서 실질적으로 존재한다.

도 3은 플레이트-플레이트 타입의 복수의 플레이트(1)을 포함하는 열교환기 (25)를 나타낸다. 열교환기(25)의 조립은 각각이 철계 용가재를 포함하는 미리 선택된 크기의 한 장의 브레이징 용가재를 포함하는 소정의 수의 예비체들을 제공하고; 브레이징으로 접합될 각각의 인접한 플레이트(1) 사이의 예비체를 배치하는 단계의 작업을 포함한다. 이러한 집합체는 이후 조립품의 형성의 물질에 필요하고, 브레이징 예비체를 포함하는 철계 브레이징 용가재에 대한 특별한 요구에 부응해서 브레이징된다. 브레이징 작용을 마친 후, 브레이징 용가재 조각(4)은 인접한 플레이트(1) 사이의 모든 접촉 영역에서 실질적으로 존재한다.

상기된 방법의 전형적인 실시예에서, 철계 브레이징 용가재는 Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식과 같은 조성을 본질적으로 포함하며, 여기서 X는 몰리브덴 또는 텅스텐과 부수적인 불순물이고, 첨자 "a","b","c","d","e"는 모두 원자 퍼센트이며,"b"는 약 0에서 5 사이, "c"는 약 10에서 약 17 사이, "d"는 약 4에서 약 10 사이, "e"는 약 0에서 약 5 사이이고, 합계 "a"+"b"+"c"+"d"+"e"는 대략 100이 된다.

전형적으로, 위에 언급된 과정에서, 브레이징이 되도록 병치된 부품을 가열하고 냉각하는 것은 아르곤, 헬륨, 질소와 같은 보호 가스의 존재하에서 폐쇄된 오븐 안에서 일어난다. 대안적으로 가열과 냉각은 진공하에서의 닫힌 오븐 안에서 도 이루어질 수도 있으며, 그리고 어떤 경우에서는 이러한 조건이 전형적이다. 상기 브레이징 조건은 보론, 실리콘 및 인과 같은 산소 활성 원소를 포함하는 용가재을 사용할 때 높은 접합 강도와 무결함을 달성하기 위해서 산업에서 사용된다.

제조된 조립체, 특히 여기에서 언급된 방법에 따라 제조된 열교환기는 니켈과 니켈-크롬계의 용가재를 사용하여 브레이징하는 것을 포함하는 공지의 방법에 따라서 제조된 조립체들과 비교될 때 열교환기를 통과하는 수계(water-based) 유체로의 니켈 침출률이 감소되는 것에 특징이 있다. 니켈 침출 특히 물과 같은 액체로의 침출에 있어서의 어떠한 감소도 본 발명의 범위 내에 해당되는 것으로 고려될 것이라는 것이 이해될 것인 한편, 적어도 50%대, 전형적으로는 적어도 70%대, 그리 고 가장 전형적으로는 적어도 85%대의 감소가 얻어진다. 그러한 백분율은 유사하게 제조되었지만, 하나는 철계 브레이징 용가재와 여기에서 언급된 선택적인, 후 브레이징 조건으로 조정된 작업을 사용하는 것을 포함하는 과정으로 제조된 것이고, 다른 하나는 니켈 또는 니켈/크롬계의 브레이징 용가재를 사용하여 종래의 방법으로 제조된, 두 개의 동일한 열교환기(또는 제조된 다른 조립품)의 동일한 시험 조건하에서 니켈 침출률의 비교에 근거한다. 예를 들면, 선택가능한 후-브레이징 조건은 미세조직과 접합부의 연관된 연성을 향상시키기 위해 미리 결정된 시간 동안 고상 선 아래의 온도로 가열하는 것에 의한 풀림(annealing)을 포함할 수도 있다.

금속 부품의 부식은 전기 작용의 결과인 것으로 널리 이해되고 있다. 부식은 분해의 여러가지 형태로 나타난다. 부식은 주어진 표면의 넓은 부분에 걸쳐서 발생하거나, 또는 브레이징된 곳이나 그 주위와 같은 영역에서 국부적으로 발생할 수도 있다. 유리하게도, 제조된 조립체와 본 발명의 열교환기는 효과적인 일반적인 내부식성을 나타낸다. 즉, 그러한 조립체는 일반화되거나 또는 국부화된 재료의 제거, 표면 산화, 녹슴, 피팅(pitting) 등을 포함하는 넓고 다양한 부식이 국부화되고 일반화된 징후에 대하여 내성이 있다. 주어진 환경하에서 작용하는 특별한 메커니즘은 조립체를 구성하는데 사용되는 재료, 조립체가 노출되는 재료, 시간, 온도 및 노출 기간에 의존한다. 구체적으로, 제조된 조립체, 특히 여기에서 서술된 방법에 따라서 구성된 열교환기는 구리계의 용가재를 사용하여 구성된 조립품과 비교할 때 수계 유체에서 월등한 내부식성이 있다는 것이 특징이다. 내부식성에서의 어떠한 개선도 본 발명의 범위에 해당되는 것으로 간주되는 것이 이해될 것이지만, 적어도 20% 대의 감소, 전형적으로는 적어도 약 40%의 , 그리고 가장 전형적으로 적어도 약 60% 감소가 얻어진다. 그러한 백분율은 유사하게 제조되었던 두 개의 열교환기(또는 제조된 다른 조립체)의 동일한 시험 조건하에서의 부식률의 비교에 근거한다. 그러나 여기에서 하나는 철계의 브레이징 용가재의 사용을 포함하는 과정에 있어서 제조된 것이다. 일반적인 여기에서 언급된 과정에 따라서 제조된 열교환기와 조립품의 내부식성은 실질적으로 더 긴 조립체의 예상 수명을 유리하게 초래한다. 증가한 서비스 수명은 작동 동안의 고장 위험을 감소시킬 뿐만 아니라, 이러한 열교환기 및 다른 조립체의 교체 또는 정비 횟수 및 부수적인 서비스 중단도 역시 감소시킨다.

중요한 응용 분야는, 여기에서 언급된 방법에 따라서 제조된 독창적인 열교환기와 다른 조립품에는, 음용수 또는 다른 음료의 냉각이 포함된다. 물론, 여기에서 언급된 방법은 음식과 음료 처리에 있어서 연관된 기술적 분야에서 모두 유용한 다른 기구나 제품의 제조에 사용될 수 있으며, 상기 기술분야 밖에서도 말할 나위 없이 사용가능하다.

본 발명이 열교환기의 제조 분야 뿐만 아니라 브레이징된 금속 부품을 포함하는 조립체로부터 침출될 수 있는 니켈의 양을 감소시키는 것 및 효과적인 전체적인 내부식성을 유지하는 것이 요망되는 어떠한 응용분야에서라도 효용을 가진다는 것이 이해될 것이다. 더욱 일반적으로, 본 발명은 더욱이 둘 이상의 금속 부품, 특히 둘 이상의 스테인레스강 부품을 접합하는 방법과 관계되고 ; 부품 사이에 적어도 하나 이상의 접합부를 정의 하도록 적어도 두 개의 부품을 병치하는 단계 ; 하나 또는 그 이상의 접합부에 부품의 용융점보다도 더 낮은 용융점을 갖고, 연성이 있고, 비정질의 브레이징 호일인 조성을 갖는 철계 브레이징 용가재를 공급하는 단계; 상기 브레이징 용가재가 용융되도록 상기 병치된 부품과 브레이징 용가재를 가열하는 단계; 그리고 상기 용융된 브레이징 용가재를 냉각하여 상기 브레이징된 접합부로의 니켈 침출량을 최소화하는 적어도 하나의 브레이징된 접합부를 제조하는 단계의 작업을 포함한다.

부품을 접합하는 방법의 전형적인 실시예에 있어서, 철계 브레이징 용가재는 Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식과 같은 조성을 본질적으로 갖고 있는데 여기서 X는 몰리브덴 또는 텅스텐과 부수적인 불순물이고, 첨자 "a","b","c","d","e"는 모두 원자 퍼센트이며,"b"는 약 0에서 5 사이, "c"는 약 10에서 약 17 사이, "d"는 약 4에서 약 10 사이, "e"는 약 0에서 약 5 사이이고, 합계 "a"+"b"+"c"+"d"+"e"는 대략 100이 된다.

하기의 실시예는 본 발명에 대해서 더 많은 완전한 이해를 제공하기 위해 제시되는 것이다. 본 발명의 원리와 실시를 보여주기 위하여 제시된 구체적인 기술, 조건, 재료, 비율 그리고 보고된 데이터는 예시이고, 이는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

철계 브레이징 용가재 스트립의 준비

미리 선택된 조성, 예컨데 위에서 언급한 것과 같은 Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식의 조성과 같은 용융액을 분사함으로써, 아르곤이 빠르게 회전하는 구리 냉각 휠(표면 속도가 3000~6000ft/min)로 향하는 과도한 압력에 의해 약 폭이 2.5~25 mm(약 0.10~1.00 inch)이고 약 두께가 18~50㎛(약 0.0007~0.002 inch)인 스트립이 형성된다. 표 1에 기재된 조성(원자 백분율)을 본질적으로 포함하는 실질적으로 유리질 합금의 준안정하고, 연성이 있고, 균질한 리본이 생산되는데, 여기서 철에 대한 "bal."은 나머지(100%에서 조성의 다른 성분에 대해 언급한 값을 뺀 것)를 나타낸다.

	Fe	Cr	Co	Ni	Mo	W	B	Si
합금 1	bal.	2.0					15	6
합금 2	bal.						11	9
합금 3	bal.						10	10
합금 4	bal.						15	10
합금 5	bal.						12	10

실시예 2

철계 브레이징 용가재 스트립의 특징

표 1에 기재된 조성을 갖는 선택된 리본의 액상선과 고상선의 온도는 시차 열분석(DTA)기술에 의해 결정되었다. 개별 시편은 동일한 속도로 불활성의 참조 재료와 함께 나란히 가열되고, 개별 시편과 불활성의 참조 재료 사이의 온도 차이가 온도 함수로서 측정되었다. 종래부터 온도 기록도로 알려진 결과 곡선은 동시 가열동안 시편과 참조 재료의 상대적인 온도 변화 대 온도를 플롯팅한 것인데, 그것으로부터 각각 고상선 및 액상선 온도를 나타내는 용융의 시작과 용융의 종료가 결정된다.

하기 표 2에 이렇게 결정된 값이 나와있다.

	Solidus	Liquidus
합금 1	1174℃(2145℉)	1182℃(2157℉)
합금 2	1138℃(2080℉)	1168℃(2134℉)
합금 3	1151℃(2104℉)	1162℃(2124℉)
합금 4	1042℃(1876℉)	1148℃(2098℉)
합금 5	1092℃(1998℉)	1156℃(2113℉)

표 2에 열거된 고상선과 액상선의 온도를 가진 본 발명의 합금은 스테인레스강을 브레이징 하기 위한 용가재로 사용되어질 수 있다. 그러한 합금은 스테인레스강계 금속 부품에 손상을 주지 않고, 동시에 산업 브레이징 과정에 편리한 온도에서 용융되어 흐른다. 표 2에서 보는 바와 같이, 바람직한 액상선과 고상선 온도로 브레이징 용가재의 액상선과 고상선 온도를 조정하기 위해 보론와 실리콘의 양이 변화될 수 있다.

비록 몇 개의 본 발명의 실시예가 도시되었고 서술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해서 그 범위가 청구범위에 정해진 것과 그들의 균등물에 의해 정의되는 발명의 원리와 본질을 떠나지 않고 이러한 실시예에 있어서 변화가 이루어질 수 있는 것으로 이해될 것이다.

Claims (18)

1. Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식을 가진 조성으로 본질적으로 구성되는 브레이징 용가재로서, X는 몰리브덴, 텅스텐 또는 몰리브덴과 텅스텐의 조합과 부수적인 불순물이고, 첨자 "a","b","c","d","e"는 모두 원자 퍼센트이고 "b"는 약 0에서 5 사이, "c"는 약 10에서 약 17 사이, "d"는 약 4에서 약 10 사이, "e"는 약 0에서 약 5 사이이고, 합계 "a"+"b"+"c"+"d"+"e"는 대략 100인 것을 특징으로 하는 브레이징 용가재
2. 제1항에 있어서, 상기 금속은 균일하고, 연성이 있는 리본; 분말; 호일; 와이어; 또는 예비체 중의 하나의 형태가 되는 것을 특징으로 하는 브레이징 용가재
3. 브레이징에 의해 대상물을 접합하기 위한 브레이징 용가재 재료로서,

   상기 브레이징 재료는 적어도 중량%로 63% 철과 0~5% 크롬, 10~17% 보론, 4~10% 실리콘, 그리고 0~5% X를 포함하는데, 여기서 X는 몰리브덴, 텅스텐, 또는 몰리브덴과 텅스텐의 조합, 그리고 부수적인 불순물이고, 바람직한 액상선과 고상선 온도로 브레이징 용가재 재료의 액상선과 고상선의 온도를 조정하기 위해 보론 과 실리콘의 양이 변하는 것을 특징으로 하는 브레이징 용가재 재료
4. 제3항에 있어서, 브레이징 용가재 재료가 균일하고, 연성이 있는 리본; 분말; 호일; 와이어; 또는 예비체 중의 하나의 형태가 되는 것을 특징으로 하는 브레이징 용가재 재료
5. 브레이징에 의해 대상물을 접합하기 위한 브레이징 용가재 호일로서,

   상기 브레이징 호일은 적어도 중량%로 63% 철과 0~5% 크롬, 10~17% 보론, 4~10% 실리콘, 그리고 0~5% X를 포함하는데, 여기서 X는 몰리브덴, 텅스텐, 또는 몰리브덴과 텅스텐의 조합, 그리고 부수적인 불순물이고, 호일은 적어도 50% 유리질 구조를 가진 준안정 상태의 재료인 것을 특징으로 하는 브레이징 용가재 호일
6. 제5항에 있어서, 상기 호일은 두께가 약 18~50㎛ 인 것을 특징으로 하는 브레이징 용가재 호일
7. 브레이징에 의해 대상물을 접합하기 위한 브레이징 용가재 조성물로서,

   상기 브레이징 용가재 조성은 적어도 중량%로 63%의 철과 0~5% 크롬과 10~17%의 보론, 4~10%의 실리콘, 0~5%의 X로 구성되고, X는 몰리브덴, 텅스텐 또는 몰리브덴과 텅스텐의 조합, 그리고 부수적인 불순물이고, 상기 조성물은 고상선 온도의 범위가 약 1042℃~약 1174℃이고, 액상선 온도 범위가 약 1148℃~1182℃인 것을 특징으로 하는 브레이징 용가재 조성물
8. 제7항에 있어서, 상기 금속은 균일하고, 연성이 있는 리본; 분말; 호일; 와이어; 또는 예비체 중의 하나의 형태가 되는 것을 특징으로 하는 브레이징 용가재 조성물
9. 특히 브레이징 스테인레스강 조립체에 유용하고, 효과적인 내부식성과, 스테인레스강 조립체의 각각의 면을 통하여 통과되는 유체로의 최소화된 니켈 침출률을 나타내는 철-보론-실리콘 합금으로서,

   상기 철-보론-실리콘 합금은 본질적으로 중량%로 약 10~17%의 보론, 4~10%의 실리콘, 그리고 나머지는 철, 0~5%의 크롬 및 0~5%의 몰리브덴 또는 텅스텐으로 구성된 것을 특징으로 하는 철-보론-실리콘 합금
10. 제1항의 브레이징 용가재로 대상물을 브레이징 함으로써 제조된 브레이징된 제품으로서, 상기 제품은 브레이징된 대상물에서의 재료가 스테인레스강인 것을 특징으로 하는 브레이징된 제품
11. 제1항의 브레이징 용가재로 대상물을 브레이징 함으로써 제조된 제품으로서, 상기 제품은 적어도 두 개의 열을 교환하는 매개체용으로 의도된 쉘-앤드-튜브 타입의 열교환기인 것을 특징으로 하는 브레이징된 제품
12. 제1항의 브레이징 용가재로 대상물을 브레이징 함으로써 제조된 브레이징된제품으로서, 상기 제품은 적어도 두 개의 열을 교환하는 매개체용으로 의도된 플레이트-플레이트 타입의 열교환기이며, 상기 열교환기는 열교환기 플레이트들이 그들 자신 사이에서 열을 교환하는 매개체로 의도된 플레이트 사이의 공간을 정의하는 브레이징 용가재를 통하여 복수의 얇은 벽으로 된 스테인레스강 재료의 열교환기 플레이트들을 함께 브레이징 함으로써 제조된 적어도 하나의 플레이트 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이징된 제품
13. 제1항의 브레이징 용가재로 대상물을 브레이징 함으로써 제조된 브레이징된 제품으로서, 상기 제품은 적어도 두개의 열을 교환하는 매개체용으로 의도된 플레이트 및 핀 타입의 열교환기인 것을 특징으로 하는 브레이징된 제품
14. 부품 사이에 하나 이상의 접합부를 정의하도록 적어도 두 개의 부품을 병치하는 단계;

    상기의 하나 이상의 접합부에 철-보론-실리콘 브레이징 용가재 합금을 공급하는 단계로서 보론과 실리콘의 양이 바람직한 액상선과 고상선의 온도로 브레이징 용가재 재료의 액상선과 고상선의 온도를 조정하기 위해 변화되는 단계;

    상기 브레이징 용가재를 용융시키는 미리 결정된 조건하에서 상기 병치된 부품과 상기 브레이징 용가재를 가열하는 단계;

    상기 브레이징 용가재를 냉각하여 브레이징된 접합부를 생산하는 단계;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이징된 부품을 갖는 열교환기와 장치를 제조하는 방법
15. 제14항에 있어서, 철-보론-실리콘 브레이징 용가재 합금은 Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식의 조성으로 본질적으로 구성되고, X는 몰리브덴 또는 텅스텐 그리고 부수적인 불순물이고, 첨자 "a","b","c","d","e"는 모두 원자 퍼센트이고, "b"는 약 0에서 5 사이, "c"는 약 10에서 약 17 사이, "d"는 약 4에서 약 10 사이, "e"는 약 0에서 약 5 사이이고, 합계 "a"+"b"+"c"+"d"+"e"는 대략 100인 것을 특징으로 하는 방법
16. 낮은 니켈 침출률을 제공하는 내부식성 열교환기로서, 제14항의 과정에 따라 철-보론-실리콘 브레이징 용가재 합금으로 브레이징된 적어도 하나의 접합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부식성 열교환기
17. 제16항에 있어서,

    상기 철-보론-실리콘 브레이징 용가재 합금은 Fe_aCr_bB_cSi_dX_e 화학식의 조성으로 본질적으로 구성되고, X는 몰리브덴 또는 텅스텐 그리고 부수적인 불순물이고, 첨자 "a","b","c","d","e"는 모두 원자 퍼센트이고 "b"는 약 0에서 5 사이, "c"는 약 10에서 약 17 사이, "d"는 약 4에서 약 10 사이, "e"는 약 0에서 약 5 사이이고, 합계 "a"+"b"+"c"+"d"+"e"는 대략 100인 것을 특징으로 하는 열교환기
18. 제17항에 있어서, 상기 열교환기는 브레이징된 조립체에 있어서 복수의 브레이징된 접합부 중의 하나를 형성하는 적어도 두 개의 부품을 포함하고,

    부품 사이에 하나 이상의 접합부를 정의하도록 상기의 적어도 두개의 부품을 병치하는 단계;

    상기의 하나 이상의 접합부에 연성이 있고, 비정질의 브레이징 호일 형태로철-보론-실리콘 브레이징 용가재 합금을 공급하는 단계;

    상기 브레이징 용가재 합금을 용융하기 위해 상기 병치된 부품과 상기 브레이징 용가재 합금을 가열하는 단계;

    용융된 브레이징 용가재 합금을 냉각하여 브레이징된 접합부를 갖는 브레이징된 조립체를 생산하는 단계;

    를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 열교환기

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