KR20140072161A - 스테인레스 강 부품, 특히 가스용 열교환기의 노 납땜을 위한 솔더 재료 - Google Patents

Abstract

스테인레스 강 부품용의, 특히 가스용 열교환기(1)의 노 납땜을 위한 솔더 재료(8)로서, 붕소를 함유하는 상기 솔더 재료(8)는 납땜될 스테인레스 강 내에 함유된 질소와 반응할 수 있고, 니오븀 질화물을 형성할 수 있으며, 그에 따라 질소가 솔더 재료(8)의 붕소와 반응하는 것을 방지할 수 있는 비율의 니오븀을 함유한다.

Description

스테인레스 강 부품, 특히 가스용 열교환기의 노 납땜을 위한 솔더 재료{SOLDER MATERIAL FOR STAINLESS STEEL COMPONENTS, PARTICULARLY FOR THE FURNACE SOLDERING OF HEAT EXCHANGERS FOR GASES}

본 발명은 스테인레스 강으로 형성된 부품용 솔더 재료에 관한 것이다.

본 발명의 솔더 재료는 엔진으로부터의 배기 가스의 재순환(EGRC)을 위한 교환기의 노 납땜에 특히 적용된다.

가스의 냉각을 위한 일부 열교환기, 예를 들어 내연 기관의 입구로 배기 가스의 재순환을 위한 시스템에서 이용된 것들에서, 열을 교환시키는 두 개의 매체가 격벽에 의해 분리되어 있다.

열교환기는 적절한 상이한 구성을 가질 수 있다: 예를 들어, 직렬의 평행한 관이 가스의 통로를 위해 내부에 위치되는 케이싱으로, 냉각제는 관 주위의 케이싱 내에서 순환하며; 다른 실시예에서, 교환기는 열교환 표면을 구성하는 직렬의 평행판을 포함하여, 배기가스 및 냉각제는 교번층(alternating layer)으로, 두 개의 판들 사이에서 순환한다.

관 번들 열교환기의 경우, 관과 케이싱 사이의 접합부는 상이한 형태일 수 있다. 일반적으로, 관은 케이싱의 각각의 단부에 결합되는 두 개의 지지판들 사이에 이들 단부에 의해 고정되며, 두 개의 지지판은 개별 관의 설치를 위해 복수의 개구를 구비하고 있다. 상기 지지판은 재순환 파이프에 연결하기 위한 수단에 차례로 고정된다.

이러한 연결 수단은, 교환기가 조립되는 재순환 파이프의 설계에 따라서, V자형 끼워맞춤, 그렇지 않으면 외주 연결 림 또는 플랜지로 이루어질 수 있다. 일부 경우에, 지지판은 연결 수단을 갖는 단일 부분으로 통합되어, 단일 연결 플랜지를 형성한다. 또한, 연결 수단은 케이싱의 하나의 단부 또는 단부 모두에 위치되는 가스 저장 영역으로 이루어질 수 있다.

현재, EGR 열교환기는 금속으로 형성되며, 일반적으로, 대부분의 경우 AISI 304인 오스테나이트계 스테인리스 강으로 제조된다.

열교환기의 모든 부품, 관 번들 및 적층판 모두는 금속으로 형성되며, 그 결과, 열교환기는 기계적 수단에 의해 조립되고, 다음에 이러한 용도를 위해 필요한 누수방지의 레벨을 보장하기 위해서 노 납땜된다.

EGR 열교환기에 있어서, 노 납땜을 위한 매우 일반적인 솔더 재료는 새로운 규격 ISO 17672:2010에 따른, 합금 Ni620, 및 붕소를 함유하는, (AWS에 의해) BNi2로서 공지된다. 이 합금은 경제적이며, 스테인레스 강으로 형성된 열교환기의 노 납땜, 특히 진공하에서 노 납땜을 위해 매우 광범위하게 이용된다.

열교환기의 부품은 제조 비용이 낮은 국가에서 제조되는 경향이 증가하고 있다. 그러나, 문제는, 때로는 부품이 항상 만족스러운 방식으로 노 납땜되는 것이 아니라는 사실 때문에 발생한다.

감지된 문제는 솔더 재료 Ni620이 납땜되는 부품의 표면에 침윤되지 않고 확산되지 않아, 이러한 점으로부터 노 납땜이 만족스럽지 않고 누수의 위험을 초래한다는 것이다.

솔더 재료 Ni620의 조성은: 6% 내지 8%의 크롬, 4% 내지 5%의 실리콘, 2.75% 내지 3.5%의 붕소, 2.5% 내지 3.5%의 철 및 잔부 니켈을 함유한다.

분석 시험을 실행하기 위해서, 이 솔더 재료의 약간의 액적(drop)이 납땜될 부품의 일부에 배치되고, 이후, 표준 열교환기로서 이의 납땜을 위해 노 내에 배치된다.

솔더 재료의 액적이 납땜될 부품의 표면 상에 확산될 때, 노 납땜이 만족스럽게 실행되며, 반대의 경우, 납땜은 누수 문제가 뒤따르는 결함이 있다.

가스 관과 지지판 사이의 결합부의 경우, 노 납땜은 대부분의 관에 있어서 충분히 양호하지만, 일부 관에 있어서, 실제로 단 하나의 관이 부분적으로 또는 완전히 납땜되지 않는 경우, 최종 결과는 누수이다.

이 문제를 분석하기 위해서, 다양한 실험이 상이한 형태의 부품, 및 상기 상이한 형태의 부품, 예를 들어, 파형 가스 관(corrugated gas tube), 냉각제 파이프, 및 주철로 제조된 플랜지를 제조하기 위한 상이한 기술을 이용하여 수행된다.

일부 경우에서, 이 문제는 그 제조 중에 부품을 어닐링하는 공정과 연관되어 있다는 것이 감지되고 있다. 이러한 경우에, 이러한 부품의 제조자는 암모니아 분해 공정으로부터 비롯되는 질소 및 수소의 혼합물의 분위기를 갖는 연속 노를 이용한다.

분해 공정이 잘 제어되지 않는 경우, 최소량의 암모니아는 질소를 증착시킴으로써 납땜될 부품의 표면 상에 질화 효과를 초래할 수 있으며, 이는 후속적인 노 납땜을 방해한다.

다른 경우에서, 어닐링 공정의 부재시, 예를 들어, 주철로 제조된 플랜지의 경우, 문제의 원인은 시재료의 품질임이 의심되고 있다. 그러나, 재료의 증명서는 정확하며, 설정된 한계 이하의 특정 비율의 질소를 보장하고 있다.

국제 표준에 따르면, 오스테나이트계 스테인리스 강 1.4301 합금 (AISI 304)은 0.11% 이하의 질소를 함유할 수 있지만, 강을 정련하는 공정으로 인해 이를 완전히 방지할 수는 없다.

결과적으로, 질소는 솔더 재료 Ni620 내에 존재하는 붕소와 반응하여 붕소 질화물의 형성의 문제를 초래하며, 이는 노 납땜에 부정적 효과를 갖는다. 또한, 질소는 분석하기 어려우며, 대체로 재료의 증명서에 표시되어 있지 않으며, 용량, 분광 등에서인지, 분석 기술에 따라 상이한 결과가 얻어진다. SEM 현미경으로 실행된 시험에서, 충분히 확산되지 않은 솔더 재료의 액적에 가까운 표면 질소의 존재가 분석된 부품 내에서 발견되었다. 때때로, SEM 현미경을 사용하면 일부 경우에서는 붕소와 반응하는, 10% 부근에서의 국소적 질소를 감지할 수 있다.

강 내의 니오븀의 존재는 질소가 강 내에 존재할 때, 노 납땜에 유리한 것으로 알려져 있다.

탄소 및 질소가 존재할 때, NbC를 형성하기 위해 니오븀은 우선 탄소와 반응하고 나서, NbN을 형성하기 위해서 니오븀이 질소와 반응한다.

결과적으로, 필요한 니오븀의 양은 다음의 관계를 따라야만 한다.

이 관계는 안정화 원소로서 티타늄 및 탄탈을 추가로 함유하고 있는 미국 특허 제 4 461 811 호에 기재되어 있다.

< 0.03%의 탄소의, 낮은 탄소 함유량 및 대략 0.05%의 질소를 함유하는 오스테나이트계 스테인레스 강의 경우에, 적어도 0.56%의 니오븀 량을 갖는 것이 필요하다.

또한, 솔더 재료 Ni620은 불순물로서 0.06% 이하의 탄소를 가질 수 있다. 또한, < 0.08%의 탄소 및 최대 0.11%의 질소를 갖는 AISI 304 형의 강의 경우에, 적어도 1.81%의 니오븀 양을 갖는 것이 필요하다.

본 특허 출원인과 동일한 출원인의 스페인 특허 출원 번호 제 2 351 281 호는, 붕소를 함유하는 합금으로 제조된 솔더 재료를 이용하는 노 납땜에 의해 열교환기의 코어에 결합되는, 페라이트계 스테인레스 강으로 형성된 플랜지를 포함하는, 스테인레스 강으로 제조되는 가스용 열교환기를 기재하고 있다. 플랜지의 페라이트계 스테인레스 강은 실제 페라이트계 스테인레스 강에 존재하는 질소와 반응하여, 니오븀 질화물을 형성할 수 있는 비율의 니오븀을 함유하며, 그 결과, 질소가 솔더 재료의 붕소와 반응하는 것이 방지된다.

본 발명의, 스테인레스 강으로 형성된 부품, 특히 가스용 열교환기의 노 납땜을 위한 솔더 재료의 목적은 납땜될 부품의 스테인레스 강으로 형성된 재료의 교체를 필요로 하지 않고, 적합한 침윤성(wettability)을 나타내는 솔더 재료를 제공함으로써 당 업계에 공지된 솔더 재료에 의해 나타나는 단점을 극복하는 것이다.

본 발명의 과제인, 스테인레스 강으로 형성된 부품, 특히 가스용 열교환기의 노 납땜을 위한 솔더 재료는 붕소를 함유하는 합금으로 제조되는 형태이며, 납땜될 부품의 실제 스테인레스 강에 존재하는 질소와 반응할 수 있고, 니오븀 질화물을 형성할 수 있으며, 그에 따라 질소가 솔더 재료의 붕소와 반응하는 것을 방지할 수 있는 비율의 니오븀을 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 신규 재료 이용의 이점은 하기에 기재된다.

- 표준 노 납땜 공정 및 적합한 노는 어떠한 형태의 변형 없이 이용될 수 있다.

- 납땜될 부품을 규정하는데, 공지된 교환기의 제조를 위한 조정(adjustments)이나 공차(tolerance)의 면에서도 어떠한 특별한 고려 사항이 필요하지 않다.

- 솔더 결합부의 품질은 새로운 솔더 재료의 보다 나은 침윤성으로 인해 개선된다.

본 발명의 실시예에 의하면, 솔더 재료의 화학 조성은 6 중량% 내지 8 중량%의 크롬, 4 중량% 내지 5 중량%의 실리콘, 2.75 중량% 내지 3.5 중량%의 붕소, 2.5 중량% 내지 3.5 중량%의 철, 및 0.5 중량% 내지 4 중량%의 니오븀을 함유한다.

이러한 조성에서, 페이스트(paste)를 준비하기 위한 접착제의 비율은 고려되지 않는다.

바람직하게, 첨가된 니오븀의 중량%는 2%이다.

선택적으로, 솔더 재료는 내식성을 개선하기 위해서 20 중량% 이하의 크롬을 함유할 수 있다.

전술된 설명을 용이하게 할 목적으로, 본 발명의, 스테인레스 강으로 형성된 부품, 특히 가스용 열교환기의 노 납땜을 위한 솔더 재료의 이용의 실제 경우의 도식 및 비제한적인 예로서 도면 번호가 표시된 도면이 첨부되어 있다. 이들 도면에서:

도 1은 노-납땜되고 그리고 조립된 종래의 열교환기의 종단면도,
도 2는 연결 플랜지를 갖는 노-납땜되는 금속 코어 부분 사시도.

도 1 및 도 2는 케이싱(3) 내측에 위치되고 냉각제를 갖추어 열교환을 이용하여 가스의 순환을 위해 의도된 관(2)의 번들로 이루어진 코어, 재순환 파이프에 연결하기 위한 플랜지(4), 및 냉각제용 파이프를 연결하는 입구(5) 및 출구(6)를 포함하는, 스테인레스 강으로 제조된 EGR 열교환기(1)를 도시하고 있다. 이러한 경우에, 상기 열교환기는 또한, 가스의 복귀(return)를 위한 가스 탱크(7)를 포함한다.

열교환기(1)의 상기 부품(2 내지 7)은 붕소를 함유하는 합금으로 제조된 솔더 재료(8)를 이용하여 노 납땜에 의해 서로 조립되고 납땜된다.

이용되는 솔더 재료(8)는 바람직하게는, Ni620이며, 또한 BNi2로서 공지되며, 이는 차량 제조업자의 대부분의 사양에 적합하며, 또한, 경제적이고 이용하기에 매우 간단하다는 사실 때문에, EGR 열교환기의 노 납땜에 의한 조립을 위해 광범위하게 이용된다.

국제 규격에 따르면, 이러한 오스테나이트계 스테인리스 강 1.4301 합금 (AISI 304)과 같은 재료는 0.11% 이하의 질소를 함유할 수 있지만, 강을 제련하는 공정으로 인해 이를 완전히 방지하는 것은 불가능하다. 노 납땜 공정 중에 당업계에 직면한 문제는 질소가 솔더 재료 Ni620 내에 존재하는 붕소와 반응하여, 조립될 부분의 노 납땜을 어렵게 하는 것이다. 또한, 질소는 분석하기 어려우며, 대체로 재료의 증명서에 표시되어 있지 않으며, 용량, 분광 등에서인지 분석 기술에 따라 상이한 결과가 얻어진다. SEM 현미경을 이용하면, 일부 경우에, 붕소와 반응하는, 10% 부근에서의 국소적 질소를 감지할 수 있다.

이 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 솔더 재료(8)는 실제 스테인레스 강 내에 존재하는 질소와 반응할 수 있고, 니오븀 질화물을 형성할 수 있으며, 그에 따라 질소가 솔더 재료(8)의 붕소와 반응하는 것을 방지할 수 있는 비율의 니오븀을 함유한다.

강 내의 니오븀의 존재는 질소가 강 내에 존재할 때 노 납땜에 있어서 유리한 것으로 공지되어 있다. 그러나, 스테인레스 강, 예를 들어, 오스테나이트계 강 1.4550 (AISI 347)과 같은, 니오븀을 함유하는 스테인레스 강을 갖는 오스테나이트계 강 1.4301로 제조되는 교환기(1)의 모든 부품(2 내지 7)을 교체해야만 하는 것보다 솔더 재료(8)에 니오븀을 추가하는 것이 보다 경제적이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 노 솔더 재료는 2%의 니오븀을 추가한 표준 합금 Ni620을 포함한다. 결과적으로, 노 납땜은 표준 합금 Ni620에 비해 개선된다.

본 발명의 솔더 재료의 화학 조성은:

- 6 중량% 내지 8 중량%의 크롬,

- 4 중량% 내지 5 중량%의 실리콘,

- 2.75 중량% 내지 3.5 중량%의 붕소,

- 2.5 중량% 내지 3.5 중량%의 철,

- 0.5 중량% 내지 4 중량%의 니오븀을 함유한다.

이러한 조성에서, 페이스트를 준비하기 위한 접착제의 비율은 고려되지 않는다.

선택적으로, 솔더 재료는 내식성을 개선하기 위해서 20% 이하의 크롬을 함유할 수 있다.

예를 들어, 본 발명에 따른 2%의 니오븀을 갖는 솔더 재료 Ni620을 이용하여 납땜될 교환기의 다양한 부품으로 실행되는 일부 침윤성 시험이 후술된다.

제 1 실시예에 따르면, 시험은 가스 관(2)을 이용하여 실행된다. 제 1 단계에서, 표준 솔더 재료 Ni620의 소량의 액적이 관(2)의 표면 상에 배치된다. 상기 액적은 대략 2 mm의 직경의 크기를 갖는다. 그 다음, 관(2)이 배치되고 제조상 노 납땜을 위한 표준 사이클을 이용하여 노 내에서 납땜된다.

솔더 재료가 충분히 침윤될 때, 표면에 걸쳐서 광범위하게 확산된다. 그러나, 부품의 기자재가 질소로 오염되는 경우, 솔더 재료는 구형으로서 제 위치에 유지될 만큼 만족스럽게 침윤되지 않아, 그 결과로 납땜 공정이 일어나지 않는다.

그 이후, 본 발명에 따라서 첨가된 니오븀을 갖는 솔더 재료의 추가의 액적이 위치된다. 새로운 노 납땜 사이클 후에, 니오븀은 가스 관(2)의 표면에 걸쳐서 만족스럽게 확산되는 재료의 용융 액적을 포함하는 것이 관찰될 수 있다. 다른 한편으로는, 초기 니오븀이 없는(free-niobium) 솔더 재료는 교체되지 않는다.

제 2 실시예에 따르면, 불만족 노 납땜이 질소 문제로 인해 대두되고 있다는 사실 때문에, 케이싱(3)과 서로 조립된 연결 플랜지(4)를 이용하여 시험이 실행된다.

이러한 경우에, 플랜지(4)는 표준 솔더 재료 Ni620으로 납땜되어 결과적으로, 중단(interruption)을 보이는 납땜 비드를 갖춘 영역이 나타난다.

한편, 이어서, 본 발명에 따른 첨가된 니오븀을 갖는 솔더 재료 Ni620을 이용한 후에, 도 2에 도시된 바와 같이, 적합한 납땜 비드(8)로 납땜이 만족스러운 것이 발견되었다.

다른 문제점은 부족한 침윤성을 보이는 부품에서, 예를 들어, 케이싱(3)을 갖는 냉각제용 연결 파이프(5, 6)의 접속부 상에서 감지되며, 이러한 문제점은 2%의 니오븀이 첨가된 솔더 재료 Ni620을 이용하여 만족스럽게 교정된다.

결과적으로, 본 발명의 솔더 재료의 조성은 2개의 가능한 효과를 갖추어, 품질 문제를 감소시킬 수 있다. 첫 번째, 현재의 생산 산출량의 수익성이 개선되며, 두 번째, 열교환기의 비용이 절감되어 기업의 경쟁력이 강화된다.

Claims (4)

1. 스테인레스 강으로 형성된 부품용의, 특히 가스용 열교환기(1)의 노 납땜을 위한 솔더 재료(8)로서, 붕소를 함유하는 합금으로 제조되는, 솔더 재료(8)에 있어서,
   상기 솔더 재료(8)가, 납땜될 상기 부품의 실제 스테인레스 강 내에 존재하는 질소와 반응할 수 있고, 니오븀 질화물을 형성할 수 있으며, 그에 따라 상기 질소가 상기 솔더 재료(8)의 붕소와 반응하는 것을 방지할 수 있는 비율의 니오븀을 함유하는 것을 특징으로 하는
   솔더 재료.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 솔더 재료의 화학 조성은 6 중량% 내지 8 중량%의 크롬, 4 중량% 내지 5 중량%의 실리콘, 2.75 중량% 내지 3.5 중량%의 붕소, 2.5 중량% 내지 3.5 중량%의 철, 및 0.5 중량% 내지 4 중량%의 니오븀을 함유하는 것을 특징으로 하는
   솔더 재료.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   첨가된 니오븀의 중량%는 2%인 것을 특징으로 하는
   솔더 재료.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   내식성을 개선하기 위해서 20 중량% 이하의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는
   솔더 재료.
   
   

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