KR20220012910A - 금속 부품들을 접합하기 위한 방법 - Google Patents

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알파 라발 코포레이트 에이비
알파 라발 코포레이트 에이비
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Abstract

제1 금속 부품(11)을 제2 금속 부품(12)과 접합하기 위한 방법이며, 금속 부품(11, 12)은 1100 ℃를 초과하는 고상선 온도를 갖는다. 그러한 방법은: 용융 억제 조성물(14)을 제1 금속 부품(11)의 표면(15) 상에 도포하는 단계로서, 용융 억제 조성물(14)은 제1 금속 부품(11)의 용융 온도를 낮추기 위해서 적어도 총 25 중량%의 붕소 및 규소를 포함하는 용융 억제 성분을 포함하는, 단계; 제2 금속 부품(12)을 상기 표면(15) 상의 접촉 지점(16)에 위치되는 용융 억제 조성물(14)과 접촉시키는 단계(202); 제1 및 제2 금속 부품(11, 12)을 1100℃ 초과의 온도까지 가열하는 단계; 및 접합부(25)가 접촉 지점(16)에서 획득되도록, 제1 금속 구성요소(11)의 용융된 금속 층(210)을 응고시키는 단계를 포함한다. 본 개시 내용에 따라, 붕소는 적어도 부분적으로 이하의 화합물: 붕산, 붕사, 이붕화티타늄 및 질화붕소 중 임의의 화합물로부터 선택된 붕소 화합물로부터 기원한다. 용융 억제 조성물 및 관련 제품이 또한 설명된다.

Description

금속 부품들을 접합하기 위한 방법
본 발명은 용융 억제 조성물을 이용하여 제1 금속 부품과 제2 금속 부품을 접합하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 용융 억제 조성물 및 접합된 금속 부품들을 포함하는 제품에 관한 것이다.
오늘날, 금속 원소로 제조된 금속 부품들(금속 물체들 또는 금속 작업편들)을 접합하기 위한 상이한 접합 방법들이 있고, 그러한 금속 원소는 다양한 원소 금속 및 다양한 금속 합금을 포함한다. 해당 금속 부품은, 구성하는 금속 원소 또는 합금으로 인해서, 적어도 1100 ℃의 용융 온도를 가지며, 이는 금속 부품이 예를 들어 순수 구리, 순수 알루미늄 또는 다양한 알루미늄-계 합금으로 만들어질 수 없다는 것을 의미한다. 일부 금속의 예에서, 금속 부품은 일반적으로 철-, 니켈-, 및 코발트-계 합금으로 제조될 수 있다.
그러한 금속 부품들을 접합하기 위한 하나의 일반적인 방법은 용접이며, 그러한 용접은, 부가적인 재료를 이용하면서 또는 이용하지 않으면서, 금속 부품 내의 금속을 용융시키는, 즉 용융 및 후속-응고에 의해서 주조 제품을 형성하는 방법이다.
다른 접합 방법은 금속-접합 프로세스인 브레이징이고, 여기에서 필러 금속(filler metal)이 먼저 접합하고자 하는 2개의 금속 부품 중 적어도 하나 상에 도포되고, 이어서 그 융점 초과로 가열되고, 모세관 작용에 의해서 금속 부품들 사이에서 분배된다. 필러 금속은, 일반적으로 적합한 대기에 의한 보호 하에서, 그 용융 온도 초과에 도달된다. 이어서, 필러 금속은 금속 부품 위에서 접촉 지점을 향해서 유동하고, 그 곳에서 접합부를 형성한다.
일반적으로, 브레이징 시에, 필러 금속은 접합하고자 하는 금속 부품들 사이의 갭 또는 간격과 접촉되어 도포된다. 가열 프로세스 중에, 필러 금속이 용융되고 접합하고자 하는 갭을 충진한다. 브레이징 프로세스에서, 3개의 주요 스테이지가 있고, 제1 스테이지는 물리적 스테이지로 지칭된다. 물리적 스테이지는 필러 금속의 습윤 및 유동을 포함한다. 제2 스테이지는 일반적으로 주어진 접합 온도에서 이루어진다. 이러한 스테이지 중에, 고체-액체 상호 작용이 존재하고, 이는 상당한 질량 전달을 수반한다. 이러한 스테이지에서, 액체 필러 금속에 바로 인접하는 금속 부품들의 작은 부피가 용해되거나 필러 금속과 반응한다. 동시에, 액체 상으로부터의 적은 양의 원소가 고체 금속 부품 내로 침투한다. 접합 지역에서의 이러한 성분들의 재분배는 필러 금속 조성의 변화를 초래하고, 종종, 필러 금속의 응고 개시의 변화를 초래한다. 제2 스테이지와 중첩되는 마지막 스테이지는, 접합부의 응고 및 냉각 중의 최종 접합부 미세조직의 형성 및 진행을 특징으로 한다. 액체 필러 금속과 인접하는 금속 부품의 부피는 매우 적고, 즉 접합부의 가장 많은 부분이 필러 금속에 의해서 형성된다. 일반적으로, 브레이징할 때, 접합부 내의 금속의 적어도 95%가 필러 금속으로부터 유래된다.
2개의 금속 부품(모 재료(parent material))을 접합하기 위한 다른 방법은 일시적 액체 상 확산 결합(TLP 결합)이며, 여기에서, 결합 온도에서 중간층으로부터의 융점 억제(MPD) 원소가 금속 부품의 격자 및 입계 내로 이동할 때, 확산이 발생된다. 이어서, 고체 상태 확산 프로세스가 결합 계면에서 조성의 변화를 초래하고, 상이한 중간층은 모 재료보다 낮은 온도에서 용융된다. 따라서, 얇은 액체 층이 계면을 따라서 확전(spread)되어, 금속 부품들의 융점보다 낮은 온도에서 접합부를 형성한다. 결합 온도의 감소는 용융체의 응고를 초래하고, 후속하여, 결합 온도에서 소정 기간 동안 유지하는 것에 의해서, 이러한 상은 금속 부품 내로 멀리 확산될 수 있다.
용접, 브레이징, 및 TLP-결합과 같은 접합 방법은 금속 부품들을 성공적으로 접합시킨다. 그러나, 용접은, 접근하기 어려울 때 매우 고비용적일 수 있거나 많은 수의 접합부를 생성하지 못할 수 있기 때문에, 한계가 있다. 브레이징은 또한, 예를 들어 가장 적합한 필러 금속을 적절하게 도포하기 어렵거나 심지어 결정하기 어렵다는 점에서, 한계가 있다. TLP-결합은 상이한 재료를 접합할 때 유리하나 그 한계를 갖는다. 예를 들어, 적합한 중간층을 찾는 것이 종종 어렵고, 방법은, 큰 갭을 충진하여야 하는 경우에 또는 비교적 큰 접합부를 형성하고자 할 때, 접합부를 생성하는데 있어서 실제로 적합하지 않다.
따라서, 특정 접합 방법을 선택할 때 많은 인자가 관련된다. 또한 중요한 인자는 비용, 생산성, 안전성, 프로세스 속력 및 금속 부품들을 접합하는 조인트의 특성뿐만 아니라 접합 후의 금속 부품들 자체의 특성이다. 전술한 방법들이 그들의 장점을 가지지만, 특히 비용, 생산성, 안전성 및 프로세스 속력과 같은 인자를 고려하는 경우, 현재의 방법에 대한 보완으로서 사용할 접합 방법이 여전히 필요하다.
특히, 가장 일반적으로 사용되는 융점 억제(MPD) 시스템에서, 예를 들어 WO2013/144211 A1에 의해서 개시된 바와 같은 Si-B 시스템에서, 일반적으로 사용되는 붕소 공급원은 순수 B라는 것에 주목하여야 한다. 순수 붕소(B)는 기술적으로 양호한 결과를 제공할 수 있으나, 작업 안전성 관점, 입수 가능성 및 그 고비용으로 인해서 최적은 아니다. 그에 따라, 전술한 기술 및 종래 기술의 개선에 더하여, 융점 억제(MPD) 시스템을 위한 작업 안전성, 공급(sourcing) 및 스테인리스 강 양립성 관점으로부터 개선된 붕소 공급원을 찾을 필요가 있다.
그에 따라, 종래 기술에 비추어 볼 때, 전술한 기술 및 종래 기술을 개선할 필요가 여전히 있다. 일반적으로 사용되는 붕소 공급원은 순수 B이다. 순수 붕소(B)는 기술적으로 양호한 결과를 제공할 수 있으나, 작업 안전성 관점에서 최적은 아니고, 고가이다.
그에 따라, 본 발명의 목적은 개선된 MPD 시스템 또는 용융 억제 조성물을 제공하는 것이다. 특히, 목적은, 금속 부품들 사이에서 강력한 접합부를 여전히 생성하면서, 단순하고 신뢰 가능한 방식으로 금속 부품들(금속 작업편들, 즉 금속으로 제조된 작업편들 또는 물체들)을 접합하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
또한, 목적은, 양호한 접합 결과를 제공하면서, 화합물이 작업-안전 관점에서 덜 유해하고 경제적인, 용융 억제 조성물을 위한 붕소 공급원을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 제1 금속 부품을 제2 금속 부품과 접합하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은, 1100 ℃를 초과하는 고상선 온도를 가지는 금속 부품을 위해서 사용된다. 그러한 방법은:
용융 억제 조성물을 적어도 제1 금속 부품의 표면 상에 도포하는 단계로서, 용융 억제 성분은 제1 금속 부품의 용융 온도를 낮추기 위해서 적어도 총 25 중량%의 붕소 및 규소, 그리고 선택적으로, 표면 상에 용융 억제 조성물을 도포하는 것을 돕기 위한 결합제 성분을 포함하는, 단계;
제2 금속 부품을 상기 표면 상의 접촉 지점에 위치되는 용융 억제 조성물과 접촉시키는 단계;
상기 제1 및 제2 금속 부품을 1100℃ 초과의 온도까지 가열하는 단계로서, 그에 의해서 상기 제1 금속 부품의 표면이 용융되어, 제1 금속 부품의 표면 층 및 용융 억제 성분이 함께, 접촉 지점에서 제2 금속 부품과 접촉되는 용융된 금속 층을 형성하는, 단계; 및
접합부가 접촉 지점에서 획득되도록, 용융된 금속 층을 응고시키는 단계를 포함한다. 본 개시 내용에 따라, 붕소는 적어도 부분적으로 이하의 화합물 중 임의의 화합물로부터 기원하거나, 붕소 공급원은 이하의 화합물 중 임의의 화합물을 포함한다: 붕산(H3BO3), 붕사(Na2B4O7), 이붕화티타늄(TiB2) 및 질화붕소(BN) 및/또는 이들의 조합. 이러한 화합물은, 강력한 접합부를 제공하면서도, 작업 안전성 관점에서 예를 들어 원소 붕소보다 안전하다. 또한, 이러한 화합물은 접합하고자 하는 금속 부품에 대해서 기껏해야 적은 부정적인 영향만을 제공하고, 이들은 안정적이고 사용하는데 있어서 안전하다.
붕소는, 붕소의 총 중량을 기초로 15 내지 100 중량%, 또는 50 내지 100 중량%의 양으로, 붕산, 붕사, 이붕화티타늄, 질화붕소 및/또는 이들의 조합 중 임의의 것으로부터 기원한다. 따라서, 붕소는 또한 다른 붕소 공급원 또는 화합물로부터 기원하거나 포함할 수 있다. 다른 붕소 공급원 또는 화합물의 예는 원소 붕소(B), 탄화붕소(B4C), (예를 들어, 육붕화규소(SiB6) 형태의) 붕화규소, 붕화니켈(Ni2B) 및/또는 붕화철(Fe2B)일 수 있다. 그러나, 원소 붕소는 작업 안전성의 관점에서 최적이 아니고 고가이기 때문에, 붕소는 또한, 붕소의 총 중량을 기초로, 10 중량% 이하의 원소 붕소로부터 기원하거나 포함할 수 있고, 이는 원소 붕소가 붕소 공급원으로서 붕소의 90 중량% 이상까지 배제된다는 것을 의미한다. 변형예에 따라, 붕소는 전체적으로 원소 붕소로부터 기원하지 않거나 포함하지 않으며, 즉 붕소 공급원으로서의 원소 붕소는 배제된다. 또한, 예를 들어 스테인리스 강의 금속 부품들 사이에서 가능한 한 강력한 접합부를 제공하기 위해서, 탄소의 양을 줄이는 것이 유리하다. 이러한 것은 탄소가 스테인리스 강 내의 크롬과 함께 탄화크롬을 형성하기 때문이고, 이는 금속 부품의 부식 특성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 탄화붕소의 양은, 붕소의 총 중량을 기초로, 85 중량%를 초과하지 않아야 하고, 이는, 탄화붕소가 붕소 공급원으로서 붕소의 15 중량% 이상까지 배제된다는 것을 의미한다. (예를 들어, 육붕화규소(SiB6) 형태의) 붕화규소, 붕화니켈(Ni2B) 및/또는 붕화철(Fe2B)로부터 선택된 붕소 공급원은, 붕소의 총 중량을 기초로, 85 중량%까지의 양으로 존재할 수 있다.
그러나, 바람직하게 붕산(H3BO3), 붕사(Na2B4O7), 이붕화티타늄(TiB2), 질화붕소(BN) 및/또는 이들의 조합으로부터 선택된 본 붕소 공급원의 양은 적어도 15 중량%, 바람직하게 50 중량%, 또는 60 중량%, 또는 70 중량% 또는 80 중량% 또는 90 중량% 또는 100 중량%이고, 즉 붕소 공급원은, 붕소의 총 중량을 기초로, 본 붕소 공급원들 중 임의의 붕소 공급원 또는 그 조합으로 구성된다. 본 붕소 공급원의 양이 많을수록, 양호한 접합 결과를 달성하면서도, 예를 들어 원소 붕소만을 이용하는 것에 비해서, 더 안전한 작업 환경을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이붕화티타늄은 매우 양호한 고온 특성을 가지며, 이는 금속 부품들을 접합하는 방법에서 유리하다. 질화붕소는 6각형 형태(h-BN)와 같은 상이한 형태들로 제공될 수 있고, 이는 안정적인 질화붕소의 결정 형태이다. 질화붕소는 작업 환경의 관점에서 안정적이고 안전하다. 붕산 및 붕사는 또한 작업 환경에서 사용하는데 있어서 더 안전하고, 예를 들어 원소 붕소보다 덜 비싸다.
금속 부품 내의 금속은 예를 들어 철-니켈 및 코발트-계 금속 합금의 형태를 가질 수 있는데, 이는 그러한 금속이 일반적으로 1100℃ 초과의 고상선 온도를 가지기 때문이다. 금속 부품은, 1100℃ 초과의 고상선 온도를 가지지 않는 순수 구리, 구리-계 합금, 순수 알루미늄 또는 알루미늄-계 합금이 아닐 수 있다. 금속 부품 내의 금속 또는 심지어 금속 부품 자체가 "모 금속" 또는 "모 재료"로서 지칭될 수 있다. 이러한 맥락에서, "철-계" 합금은, 철이 합금 내의 모든 원소 중 가장 큰 백분율(중량%)을 가지는 합금이다. 상응 상황이 또한 니켈-, 코발트-, 크롬-, 및 알루미늄-계 합금에도 적용된다.
표시된 바와 같이, 용융 억제 조성물은, 용융 억제 성분인, 적어도 하나의 성분을 포함한다. 선택적으로, 용융 억제 조성물은 결합제 성분을 포함한다. 적어도 제1 금속 부품의 용융 온도를 감소시키는데 기여하는 용융 억제 조성물의 모든 물질 또는 부분은 용융 억제 성분의 일부인 것으로 간주된다. 적어도 제1 금속 부품의 용융 온도 감소와 관련되지 않고 그 대신 용융 억제 조성물을 "결합시키는(bind)", 그에 따라 예를 들어 페이스트, 페인트 또는 슬러리를 형성하는, 용융 억제 조성물의 부분은 결합제 성분의 일부로서 간주된다. 물론, 용융 억제 성분은 다른 성분, 예를 들어 적은 양의 필러 금속을 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 필러 금속은 용융 억제 성분의 75 중량% 초과로 존재하지 않을 수 있는데, 이는 용융 억제 성분의 적어도 25 중량%가 붕소 및 규소를 포함하기 때문이다. 필러 금속이 용융 억제 조성물에 포함되는 경우에, 이는 항상 용융 억제 조성물의 일부이다.
이러한 맥락에서, "붕소 및 규소"는, (중량%)로 계산된 또는 대안적으로 중량%로 표현된, 용융 억제 성분 내의 붕소 및 규소의 합을 의미한다. 여기에서, 중량%는 질량 분율(mass fraction)에 100을 곱하는 것에 의해서 결정되는 중량 백분율을 의미한다. 알려진 바와 같이, 성분 내의 물질의 질량 분율은 해당 물질의 질량 농도(성분 내의 해당 물질의 밀도) 대 성분의 밀도의 비율이다. 따라서, 예를 들어, 적어도 25 중량%의 붕소 및 규소는, 붕소 및 규소의 총 중량이, 100 g의 용융 억제 성분의 샘플 내에서, 적어도 25 g이라는 것을 의미한다. 분명하게, 결합제 성분이 용융 억제 조성물 내에 포함되는 경우에, 용융 억제 조성물 내의 붕소 및 규소의 중량%는 25 중량% 미만일 수 있다. 그러나, 적어도 25 중량% 붕소 및 규소는 항상 용융 억제 성분 내에 존재하고, 용융 억제 성분은, 표시된 바와 같이, 포함될 수 있는 임의의 필러 금속을 또한 포함하고, 즉 필러 금속은 항상 용융 억제 조성물의 일부로서 간주된다.
"붕소"는 용융 억제 성분 내의 모든 붕소를 포함하고, 그러한 붕소는 적어도 부분적으로 이하의 화합물: 붕산(H3BO3), 붕사(Na2B4O7), 이붕화티타늄(TiB2) 및 질화붕소(BN) 및/또는 이들의 조합 중 임의의 화합물로부터 선택된 붕소 화합물로부터 기원하고, 부가적으로 원소 붕소(B), 탄화붕소(B4C), (예를 들어, 육붕화규소(SiB6) 형태의) 붕화규소, 붕화니켈(Ni2B) 및/또는 붕화철(예를 들어, Fe2B)을 포함할 수 있다. 붕산(H3BO3), 붕사(Na2B4O7), 이붕화티타늄(TiB2), 질화붕소(BN) 및/또는 이들의 조합으로부터 선택된 공급원으로부터 기원하는 붕소의 양은 전술한 바와 같이 바람직하게 적어도 15 중량%, 더 바람직하게 적어도 50 중량%, 또는 60 중량%, 또는 70 중량% 또는 80 중량% 또는 90 중량% 또는 100 중량%이고, 즉 붕소 공급원은, 붕소의 총 중량을 기초로, 본 붕소 공급원들 중 임의의 붕소 공급원 또는 그 조합으로 구성될 수 있다. 그에 상응하게, "규소"는 용융 억제 성분 내의 모든 규소를 포함하고, 이는 규소 화합물 내의 규소뿐만 아니라 원소 규소도 포함한다. 따라서, 붕소 및 규소 모두는, 용융 억제 성분 내에서, 다양한 붕소 및 규소 화합물 내의 붕소 및 규소에 의해서 표현될 수 있다.
분명하게, 용융 억제 조성물은 통상적인 브레이징 물질과 매우 상이한데, 이는 통상적인 브레이징 물질이, 붕소 및 규소와 같은 용융 억제 물질에 비해서 훨씬 더 많은 충진 금속(filling metal)을 가지기 때문이다. 일반적으로, 브레이징 물질은 18 중량% 미만의 붕소 및 규소를 포함한다.
방법은, 필러 금속이 감소될 수 있거나 심지어 배제될 수 있다는 점에서 그리고 상이한 재료들로 제조된 금속 부품에 도포될 수 있다는 점에서, 유리하다. 이는 또한 넓은 범위의 적용예에서, 예를 들어 용접 또는 통상적인 브레이징에 의해서 달리 접합되는 열 전달 판들 또는 임의의 적합한 금속 물체들을 접합하기 위해서 예를 들어 이용될 수 있다.
물론, 용융 억제 조성물은 또한 제2 금속 부품 상으로 부가적으로 도포될 수 있다.
규소는 원소 규소, 및 이하의 화합물: 탄화규소, 붕화규소, 및 규소철 중 적어도 임의의 화합물로부터 선택된 규소 화합물 중 임의의 것의 규소로부터 기원할 수 있다.
용융 억제 성분은 적어도 40 중량%의 붕소 및 규소를 포함할 수 있거나, 심지어 적어도 85 중량%의 붕소 및 규소를 포함할 수 있다. 이는, 임의의 필러 금속이 존재하는 경우에, 이는, 각각 15 중량% 미만으로, 60 중량% 미만의 양으로 존재한다는 것을 의미한다. 용융 억제 성분은 심지어 적어도 95 중량%의 붕소 및 규소를 포함할 수 있다.
붕소는, 용융 억제 화합물의 붕소 및 규소 함량의 적어도 10 중량%를 구성할 수 있다. 이는, 용융 억제 성분이 적어도 25 중량%의 붕소 및 규소를 포함할 때, 용융 억제 성분이 적어도 2.5 중량%의 붕소를 포함한다는 것을 의미한다. 규소는, 용융 억제 화합물의 붕소 및 규소 함량의 적어도 55 중량%를 구성할 수 있다.
용융 억제 성분은 50 중량% 미만의 금속 원소, 또는 10 중량% 미만의 금속 원소를 포함할 수 있다. 그러한 금속 원소는 전술한 "금속 필러"에 상응한다. 그러한 적은 양의 금속 원소 또는 금속 필러는, 용융 억제 조성물을 예를 들어 알려진 브레이징 조성물로부터 완전히 구별하는데, 이는 브레이징 조성물이 적어도 60 중량%의 금속 원소를 포함하기 때문이다. 여기에서, "금속 원소"는 예를 들어, 주기율표에서 3족 내지 12족을 포함하는, 주기율표의 d-블록 내의 원소인, 모든 전이 금속을 포함한다. 이는, 예를 들어, 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)이 "금속 원소"라는 것을 의미한다. "금속 원소"가 아닌 원소는 희가스, 할로겐 및 이하의 원소이다: 붕소(B), 탄소(C), 규소(Si), 질소(N), 인(P), 비소(As), 산소(O), 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루르(Tu). 예를 들어, 금속이 붕화니켈 화합물로부터 유래된 경우에, 이러한 화합물의 니켈-부분은, 일 실시형태에서 50 중량% 미만이어야 하고 다른 실시형태에서 10 중량% 미만이어야 하는 금속 원소 내에 포함된 금속 원소라는 것에 주목하여야 한다.
제1 금속 부품은 0.1 내지 1.0 mm, 또는 0.3 내지 0.6 mm의 두께를 가질 수 있고, 이어서 용융 억제 조성물의 도포는 제1 금속 부품의 표면 상에서 mm2 당 평균 0.02 내지　0.12, 또는 0.02 내지 0.08 mg의 붕소 및 규소를 도포하는 것을 포함할 수 있다. 제1 금속 부품 및 선택적으로 제2 금속 부품의 표면에 mm2 당 평균 0.02 내지 0.12 mg의 붕소 및 규소를 도포하는 것은, 용융 억제 조성물이 결합제 성분을 포함하는 경우에 예를 들어 분무, 페인팅, 또는 프린팅에 의해서, 그리고 결합제 성분이 사용되지 않는 경우에 PVD 또는 CVD에 의해서 코팅하는 것에 의한, 임의의 직접 도포 방법을 포함한다. 프린팅 방법은 임의의 적합한, 예를 들어 스크린 프린팅일 수 있다. 페인팅에 의해서 또는 PVD 또는 CVD에 의해서 규소를 하나의 층으로 그리고 붕소를 하나의 층으로 도포할 수 있다. 또한, 층들로 도포되는 경우에도, 붕소 및 규소 모두는 용융 억제 조성물에 포함되는 것으로 간주되는데, 이는 이들이, 도포 전에 혼합된 것과 같이, 가열 중에 상호 작용할 것이기 때문이다. 도포는 또한 간접적인 도포 방법에 의해서, 예를 들어 제2 금속 부품으로부터 제1 금속 부품으로 또는 그 반대로 전달하는 것에 의해서 이루어질 수 있다. 그에 따라, 간접적인 도포는 예를 들어 붕소 및 규소를 제2 금속 부품으로부터 제1 금속 부품으로 전달하는 것에 의해서 수행될 수 있다. 따라서, 본원에서 언급된 붕소 및 규소는, 제1 금속 부품의 표면 층의 용융에 여전히 기여하기만 한다면, 반드시 제1 금속 부품 상에 직접적으로 도포될 필요가 없다.
제1 금속 부품은 0.1 내지 1.0, 또는 0.6 내지 1.0, 또는 0.3 내지 0.6 mm의 두께를 가질 수 있고, 이어서 용융 억제 조성물의 도포는 제1 금속 부품의 표면 상에서 mm2 당 평균 0.02 내지　1.0 mg의 붕소 및 규소를 도포하는 것을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 도포는 또한 임의의 직접적인 또는 제2 금속 부품을 통한 간접적인 "도포"를 포함한다.
제1 금속 부품은 대안적으로 1.0 mm 초과의 두께를 가질 수 있고, 이어서 용융 억제 조성물의 도포는 제1 금속 부품의 표면 상에서 mm2 당 평균 0.02 내지　5.0 mg의 붕소 및 규소를 도포하는 것을 포함할 수 있다.
제2 금속 부품은 제1 금속 부품과 동일한 범위의 두께를 가질 수 있거나, 제1 금속 부품보다 두껍거나 얇을 수 있다.
금속 부품의 표면은, 상기 표면 상의 접촉 지점에 의해서 규정되는 면적보다 큰 면적을 가질 수 있고, 그에 따라 용융된 금속 층 내의 금속은, 접합부가 형성될 때, 접촉 지점까지 유동한다. 그러한 유동은 일반적으로 모세관 작용에 의해서 유발된다.
표면의 면적은 접촉 지점에 의해서 규정되는 면적의 적어도 10배 더 클 수 있다. 표면의 면적은 접촉 지점에 의해서 규정된 면적보다 예를 들어 적어도 20배 또는 30배 더 클 수 있다(또는 접촉 지점이 비교적 더 작을 수 있다). 표면의 면적은, 용융 금속이 유동하여 접합부를 형성하는 곳으로부터의 표면의 면적을 지칭한다.
표면의 면적은 접합부의 횡단면 면적보다 적어도 3배 더 클 수 있다. 표면의 면적은 접촉 지점에 의해서 규정된 면적보다 더 클 수 있고(또는 접합부의 횡단면 면적이 비교적 더 작을 수 있고), 예를 들어 이는 적어도 6배 또는 10배 더 크다. 접합부의 횡단면 면적은, 접합부가 그 가장 작은 범위(횡단면 면적)을 가지는 위치에서, 접합부가, 접촉 지점이 위치되는 표면에 평행한 평면을 가로지르는 횡단면 면적으로 규정될 수 있다.
접합부는, 가열 전에 제1 금속 부품 및 제2 금속 부품 중 임의의 것의 일부이었던, 적어도 50 중량% 또는 적어도 85 중량% 또는 심지어 100 중량% 금속(금속 원소)을 포함할 수 있다. 이는, 금속 부품의 금속이 접촉 지점까지 유동하게 하고 접합부를 형성하게 하는 것에 의해서 달성된다. 이러한 방식으로 형성된 접합부는 브레이징에 의해서 형성된 접합부와 매우 상이한데, 이는 그러한 접합부가 일반적으로, 브레이징 전에, 접합부를 형성하기 위해서 이용되었던 브레이징 물질의 필러 금속의 일부이었던 적어도 90 중량% 금속을 포함하기 때문이다.
제1 금속 부품 및 제2 금속 부품 중 임의의 금속 부품이, 다른 금속 부품을 향해서 연장되는 복수의 돌출부를 포함할 수 있고, 그에 따라, 제2 금속 부품을 상기 표면과 접촉시킬 때, 복수의 접촉 지점이 상기 표면 상에 형성된다. 이는 일반적으로, 금속 부품들이, 열 교환기를 형성하기 위해서 적층되고 접합되는 주름형 판들의 형상을 가지는 경우이다.
제1 금속 부품은 이하 중 임의의 것을 포함할 수 있다:
i) 50 중량% 초과의 Fe, 13 중량% 미만의 Cr, 1 중량% 미만의 Mo, 1 중량% 미만의 Ni 및 3 중량% 미만의 Mn;
ii) 90 중량% 초과의 Fe;
iii) 65 중량% 초과의 Fe 및 13 중량% 초과의 Cr;
iv) 50 중량% 초과의 Fe, 15.5 중량% 초과의 Cr 및 6 중량% 초과의 Ni;
v) 50 중량% 초과의 Fe, 15.5 중량% 초과의 Cr, 1 내지 10 중량%의 Mo 및 8 중량% 초과의 Ni;
vi) 97 중량% 초과의 Ni;
vii) 10 중량% 초과의 Cr 및 60 중량% 초과의 Ni;
viii) 15 중량% 초과의 Cr, 10 중량% 초과의 Mo 및 50 중량% 초과의 Ni;
ix) 70 중량% 초과의 Co; 및
x) 10 중량% 초과의 Fe, 0.1 내지 30 중량%의 Mo, 0.1 내지 30 중량%의 Ni 및 50 중량% 초과의 Co.
전술한 내용은, 제1 금속 부품, 그리고 또한 제2 금속 부품이 많은 수의 상이한 합금들로 제조될 수 있다는 것을 의미한다. 명백하게, 전술한 예는, 산업계에서 일반적인 바와 같이, 다른 금속 또는 원소와 균형을 이룰 수 있다.
다른 양태에 따라, 접합부에 의해서 제2 금속 부품과 접합되는 제1 금속 부품을 포함하는 제품이 제공된다. 금속 부품들은 1100℃ 초과의 고상선 온도를 가지고, 접합부는, 접합부를 둘러싸는 그리고 제1 금속 부품 및 제2 금속 부품 중 임의의 금속 부품의 일부였던 면적으로부터 유래된 적어도 50 중량%의 금속 원소를 포함한다.
다른 양태에 따라, 전술한 방법 또는 그 임의의 실시형태에 따라 제2 금속 부품에 접합된 제1 금속 부품을 포함하는 제품이 제공된다.
다른 양태에 따라, 전술한 방법 또는 그 임의의 실시형태에 따라 제1 금속 부품과 제2 금속 부품을 접합하기 위한, 즉 그러한 접합을 위해서 특별히 개발되고 구성된, 용융 억제 조성물이 제공되고, 용융 억제 조성물은 i) 용융 온도를 낮추기 위해서 적어도 25 중량%의 붕소 및 규소를 포함하는 용융 억제 성분, 및
ii), 선택적으로, 용융 억제 조성물을 제1 금속 부품 상에 도포하는 것을 돕기 위한 결합제 성분으로서, 붕소는 이하의 화합물: 붕산, 붕사, 이붕화티타늄 및 질화붕소 중 임의의 화합물로부터 선택된 붕소 화합물로부터 기원하는, 결합제 성분을 포함한다.
방법, 제품 및 용융 억제 조성물의 다른 목적, 특징, 양태 및 장점이 이하의 구체적인 설명뿐만 아니라 도면으로부터 명확해질 것이다.
이제, 예로서, 첨부된 개략도를 참조하여 본 개시 내용의 실시형태를 설명할 것이다.
도 1은, 용융 억제 조성물이 부품들 중간에 도포된, 제1 및 제2 금속 부품들의 횡단면도이다.
도 2는 가열 중의 도 1의 금속 부품을 도시한다.
도 3은, 접합부가 형성될 때, 도 1의 금속 부품을 도시한다.
도 4는, 용융 억제 조성물이 구성요소들의 중간에 도포된 그리고 제2 금속 부품이 제1 금속 부품에 접경(abut)될 때의, 제1 및 제2 금속 부품들의 횡단면도이다.
도 5는 가열 중의 도 4의 금속 부품을 도시한다.
도 6은, 접합부가 형성될 때, 도 4의 금속 부품을 도시한다.
도 7은, 접합부가 형성될 때의 그리고 부품들이 접합부의 형성 중에 서로를 향해서 프레스된, 금속 부품들을 도시한다.
도 8은, 양 금속 부품들로부터의 재료가 용융되고 접합부를 형성한, 도 7에 상응하는 도면이다.
도 9는 도 1에 상응하고, 금속 부품들 사이의 접촉 지점의 분포를 도시한다.
도 10은 금속 부품들 사이의 접촉 지점의 면적을 도시한다.
도 11은 도 3에 상응하고, 금속 부품들 사이의 접합부의 분포를 도시한다.
도 12는 접합부의 횡단면 면적을 도시한다.
도 13은 예에서 사용된 금속 부품들을 도시한다.
도 14는 제1 및 제2 금속 부품을 접합하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 1은, 전술한 용융 억제 조성물(14)이 제1 금속 부품(11)의 표면(15) 상에 배열된, 제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12)을 도시한다. 제2 금속 부품(12)은, 접촉 지점(16)에서, 표면(15) 상의 용융 억제 조성물(14)과 접촉된다. U-형상을 가지는 도시된 제2 금속 부품(12)에서, 돌출부(28)가 접촉 지점(16)에서 용융 억제 조성물(14)과 접촉된다. 제2 금속 부품(12)은 추가적인 돌출부를 포함할 수 있고, 그에 따라 상응하는 추가적인 접촉 지점이 있을 수 있다. 제1 금속 부품(11)은, 철(Fe), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn)과 같은 원소를 포함하는 합금으로 제조된 금속 원소로 제조될 수 있고, 예를 들어 철-계 합금일 수 있다. 제1 금속 부품(11)을 구성할 수 있는 적합한 금속 원소의 예는 예를 들어 합금 Nickel 200/201, Nicrofer 5923hMo, Hastelloy ® C-2000 합금, hastelloy B3, 합금 C22, Iconel 625, 합금 C 276, Nicrofer 3033, Nicrofer 3127HMo, AL6XN, 254SMO, Monel 400, 연강, 스테인리스 강 타입 316, 스테인리스 강 타입 304이나, 합금은 이러한 합금으로 제한되지 않는다. 제2 금속 부품(12)은 또한, 제1 금속 부품(11)을 구성하는 것과 동일한 금속 원소일 수 있는, 금속 원소로 제조된다. 도 1에서, 제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12)은 아직 접합되지 않았다.
제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12)이 어떻게 접합되는지를 설명하기 위해서, 4개의 평면(P1 내지 P4)을 이용한다. 제1 평면(P1)은 용융 억제 조성물(14)의 표면을 규정한다. 제2 평면(P2)은, 제1 금속 부품(11)의 "상부" 표면(15)인, 제1 금속 부품(11)의 표면(15)을 규정한다. 이는, 용융 억제 조성물(14)이, 제1 평면(P1)과 제2 평면(P2)(표면(15)) 사이의 거리에 상응하는 두께를 갖는다는 것을 의미한다. 도시된 도면에서 용융 억제 조성물(14)의 두께가 크게 과장되었다는 것에 주목하여야 한다. 표면(15) 상의 용융 억제 조성물(14)의 실제 두께, 즉 양뿐만 아니라 용융 억제 조성물(14)의 조성을 이하에서 구체적으로 설명한다.
제3 평면(P3)은 제1 금속 부품(11)의 표면 층(21)을 규정하고, 그러한 표면 층(21)은 표면(15)으로부터 그리고 제1 금속 부품(11) 내에 위치된 제3 평면(P3)까지 연장된다. 따라서, 표면 층(21)의 두께는 제2 평면(P2)(표면(15))과 제3 평면(P3) 사이의 거리에 상응한다. 제4 평면(P4)은 제1 금속 부품(11)의 하부 표면을 규정한다. 제1 금속 부품(11)의 두께는 제2 평면(P2)과 제4 평면(P4) 사이의 거리에 상응한다. 제1 금속 부품(11)은 또한 하부 층(22)을 가지며, 그러한 하부 층(22)은 표면 층(21)을 포함하지 않는 제1 금속 부품(11)의 일부이고 제3 평면(P3)으로부터 제4 평면(P4)까지 연장된다. 제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12)의 도시된 형상은 단지 예시적인 형상이고, 다른 형상이 마찬가지로 고려될 수 있다. 예를 들어, 금속 부품(11, 12)이 곡선형 형상을 가질 수 있고, 그에 따라 평면(P1 내지 P4)은 편평한 2-차원적인 표면의 형태를 가지지 않을 수 있고, 그 대신 곡선형 표면의 형태를 가질 수 있다.
도 2는, 초과시에 용융 억제 조성물(14)이 표면 층(21)을 용융시키고 용융된 금속 층(210)을 형성하게 하는 온도까지 가열되었을 때의, 그러나 제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12) 내의 재료의 용융 온도 미만인 온도에서의, 금속 구성요소(11, 12)를 도시한다. 간략히, 금속 부품(11, 12)을 가열할 때, 용융 억제 조성물(14) 내의 붕소 및 규소가 제1 금속 부품(11) 내로 확산되고, 제1 금속 부품(11) 내의 재료의 (그리고 제2 금속 부품(12)의) 용융 온도보다 낮은 온도에서 제1 금속 부품이 용융되게 한다. 용융 억제 조성물(14)은, 표면 층(21)이 용융되게 하고 용융된 금속 층(210)을 형성하게 하는 양으로, 표면(15) 상에 도포된다. 따라서, 붕소 및 규소가 표면 층(21) 내로만 확산되도록, 용융 억제 조성물(14)의 양이 선택된다(너무 많은 붕소 및 규소는 제1 금속 부품(11) 전체를 용융시킬 수 있다). 용융 억제 조성물(14)의 적합한 양을 이하의 예에서 설명한다. 이어서, 용융된 금속 층(210) 내의 금속은, 일반적으로 모세관 작용에 의해서, 접촉 지점(16)을 향해서(그리고 접촉 지점(116)과 같은 다른 유사한 접촉 지점으로) 유동한다.
도 3은, 모든 용융 억제 조성물(14)이 제1 금속 부품(11) 내로 확산되었을 때의 그리고 용융된 금속 층(210) 내의 금속이, 접합부(25)가 이제 형성되는, 접촉 지점(16)을 향해서 유동되었을 때의 금속 구성요소(11, 12)를 도시한다. 이제, 접합부는, 이전에 제1 금속 부품(11)의 일부였던 금속을 포함한다. 확인될 수 있는 바와 같이, 용융 억제 조성물(14)은 제1 금속 부품(11)의 표면(15) 상에 더 이상 존재하지 않는데, 이는 그러한 용융 억제 조성물이 제1 금속 부품(11) 내로 그리고, 전형적으로, 제2 금속 부품(12) 내로 소정 범위까지 확산되었기 때문이다. 접합부(25)가 제1 금속 부품(11)으로부터의 금속으로 형성되기 때문에, 제1 금속 부품(11)은 이제 가열전 보다 더 얇다. 확인될 수 있는 바와 같이, 제1 금속 부품(11)은 이제, 제2 평면(P2)에 위치되지 않는 상부 표면(15')을 갖는다. 그 대신, 상부 표면은 이제 제4 평면(P4)에 더 근접한다. 일반적으로, 용융된 금속 층(210) 내의 모든 금속이 접촉 지점(16)을 향해서 유동하여 접합부(25)를 형성하는 것은 아니고, 일부는 제1 금속 부품(11)의 상부 표면으로서 잔류하고 접합부(25)의 응고와 동시에 그곳에서 응고된다. 그러한 응고는 온도가 감소될 때 그러나 또한 온도의 감소 전에 발생되는데, 예를 들어, 이는 용융 억제 조성물 내의 붕소 및 규소가 점진적으로 제1 금속 부품(11)의 재료 내로 확산되고 그와 혼합되기 때문이다. 제1 금속 부품(11) 내의 금속의 용융 및 후속 응고 후의 물리적 프로세스는, 브레이징 중에 발생되는 용융 및 응고 프로세스와 유사하다. 그러나, 통상적인 브레이징과 비교할 때, 용융 억제 조성물(14)이 필러 금속을 포함하지 않거나 매우 적은 양으로 포함하고; 접합부(25)를 생성하기 위해서 필러 금속을 이용하는 대신, 제1 금속 부품(11)으로부터의 그리고 선택적으로, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 제2 금속 부품(12)으로부터 금속을 이용하여 접합부(25)를 생성한다는 점에서 큰 차이가 있다. 또한, 붕산, 붕사, 이붕화티타늄 및 질화붕소로부터 선택될 수 있는 본 붕소 공급원은 작업-안전성 관점에서 예를 들어 원소 붕소보다 덜 유해하다. 또한, 본 개시 내용의 붕소 공급원은, 탄소(C)를 포함하는 붕소 공급원만큼 많이 금속 부품의 부식 특성에 부정적인 영향을 미치지 않으며, 그에 의해서 양호한 부식 특성을 가지는 강력한 접합부가 제공될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 도 1 내지 도 3에 상응하고, 차이는, 제2 금속 부품(12)이 기본적으로 제1 금속 부품(11)과 접촉되거나 접경되는 범위까지(용융 억제 조성물(14)의 일부 적은 양이 여전히 금속 부품들(11, 12) 사이에 일반적으로 존재한다), 제2 금속 부품(12)이 용융 억제 조성물(14) 내로 프레스된다는 것이다.
도 7은 도 3 및 도 6에 상응하고, 차이는, 접합부(25)의 형성 중에 제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12)이 서로를 향해서 프레스되었다는 것이다. 결과적으로, 제2 금속 부품(12)은, 접합부(25)의 위치에서, 제1 금속 부품(11)의 용융된 금속 층(210) 내로 "침강되었다(sunk)."
도 8은 도 7에 상응하고, 여기에서 제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12) 모두로부터의 재료가 용융되었고 접합부(25)를 형성하였다. 실제로, 이는, 특히 제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12)이 동일한 재료로 제조되는 경우에, 접합부(25)의 형성 중에 전형적으로 발생되는 것인데, 이는 제2 금속 부품(12)이 용융 억제 조성물과 또한 접촉되기 때문이다.
가열 전에, 제2 금속 부품(12)은 점선(L2)에 의해서 형성된 외부 윤곽을 갖는다. 가열 중에, 제2 금속 부품(12)의 표면 층은 용융 표면 층(26)을 형성하고, 여기에서 이러한 층의 금속은 접촉 지점(16)으로 유동하여 그 곳에서 접합부(25)의 일부를 형성한다. 제2 금속 부품(12)의 용융 표면 층은 라인(L2)과 라인(L1) 사이의 층에 의해서 표시되고, 여기에서 라인(L1)은, 제2 금속 부품(12)의 금속이 용융되지 않은 경계를 형성한다.
각각 용융된 그리고 용융되지 않은 제1 금속 부품(11)의 금속과 용융된 제2 금속 부품(12) 사이의 실제의 명확한 경계가 없다는 것에 주목하여야 한다. 그 대신, "용융된" 곳으로부터 "용융되지 않은" 곳으로의 점진적인 전이가 있다.
도 9는 도 1의 접합부 형성 상황에 상응하고, 제1 금속 부품(11)과 제2 금속 부품(12) 사이의 접촉 지점(16)의 분포를 도시한다. 도 10은 동일한 금속 부품(11, 12)을, 그러나 위로부터 그리고 제1 평면(P1) 내에서 도시한다. 도 9는 도 10의 선 A-A를 따라서 본 횡단면도이다.
확인될 수 있는 바와 같이, 접촉 지점(16)은 제1 금속 부품(11) 상에서 용융 억제 조성물(14)에 걸쳐 분포된다. 접촉 지점(16)의 분포는, 표면(15) 상의 용융 억제 조성물(14)의 면적(A1)보다 상당히 더 작은 면적(A2)을 갖는다. 면적(A1)은 면적(A2)을 포함한다. 면적(A1)은, 접촉 지점(16)의 각각의 측부에 위치된 2개의 라인들(L3, L4) 사이에서 연장된다. 용융 억제 조성물(14)이 도포되는 표면(15)의 면적(A1)은, 접촉 지점(16)에 의해서 형성된 면적(A2)보다 적어도 10배 더 클 수 있다. 면적(A1)은, 용융 억제 조성물(14)이 위에 도포되는 표면(15)의 면적으로서 정의될 수 있고, 그러한 면적(A1)으로부터 금속이 유래되어 접합부(25)를 형성한다. 면적(A2)은, 선택적으로 접촉 지점(16)에서의 제1 금속 부품(11)과 제2 금속 부품(12) 사이의 접촉 면적(존재하는 경우)을 포함하는, 접촉 지점(16)의 면적으로, 즉 용융 억제 조성물(14)과 제2 금속 부품(12) 사이의 접촉 면적으로 정의될 수 있다. 면적(A1)은 면적(A2)보다 적어도 10배 더 클 수 있다.
도 11은 도 3에 상응하고, 접합부(25)의 횡단면 면적(A3)을 도시한다. 용융 억제 조성물(14)이 도포되는 표면(15)의 면적(A1)은, 다른 변형예에 따라, 접합부(25)의 횡단면 면적(A3)보다 적어도 3배 더 클 수 있다. 도 12는 동일한 금속 부품(11, 12)을, 그러나 위로부터 그리고 제2 평면(P2) 내에서 도시한다. 도 11은 도 12의 선 A-A를 따라서 본 횡단면도이다.
확인될 수 있는 바와 같이, 접합부(25)는, 표면(15) 상의 용융 억제 조성물(14)의 면적(A1)보다 상당히 더 작은 횡단면 면적(A3)을 갖는다. 이전에서와 같이, 면적(A1)은, 용융 억제 조성물(14)이 위에 도포되는 표면(15)의 면적으로서 정의될 수 있고, 그러한 면적(A1)으로부터 금속이 유래되어 접합부(25)를 형성한다. 접합부(25)의 횡단면 면적(A3)은, 제1 금속 부품(11)과 제2 금속 부품(12) 사이에서 접합부(25)가 가지는 가장 작은 면적으로 정의될 수 있다. 횡단면 면적(A3)은 곡선형 표면의 형상을 가질 수 있다. 명확하게, 면적(A1) 및 면적(A2)은, 제1 금속 부품(11) 및 제2 금속 부품(12)의 각각의 형상에 따라, 곡선형 표면의 형상을 가질 수 있다.
도 13은 판(110) 형태의 제1 금속 부품, 및 동일한 외부 치수(20*40 mm)를 가지는, 그러나 U의 형상으로 프레스된 판인 제2 금속 부품(120)을 도시한다. 금속 부품들을 이용하여, 2개의 금속 부품들이 어떻게 접합될 수 있는지를 예시한다. 판(110)은 두께가 0.4 mm이고 20*40 mm의 치수를 가지는 직사각형 판이고, 스테인리스 강 타입 316L(SAE 강 등급)으로 제조된다.
도 14를 참조하면, 제1 및 제2 금속 부품을 접합하기 위한 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 금속 부품은 전술한 바와 같은 임의의 재료로 제조될 수 있다.
제1 단계(201)에서, 용융 억제 조성물이 금속 부품 중 적어도 하나(여기에서 제1 금속 부품)의 표면 상에 도포된다. 도포 자체는 통상적인 기술에 의해서, 예를 들어 용융 억제 조성물이 결합제 성분을 포함하는 경우에 분무 또는 페인팅에 의해서, 그리고 결합제 성분이 사용되지 않는 경우에 PVD 또는 CVD에 의해서 이루어진다.
다음 단계(202)에서, 제2 금속 부품이 표면 상의 접촉 지점에서 용융 억제 조성물과 접촉된다. 이는 수작업으로, 또는 통상적인 자동화된 제조 시스템의 이용에 의해서 자동적으로 이루어질 수 있다.
다음 단계(203)에서, 금속 부품들은 1100℃ 초과의 온도까지 가열된다. 정확한 온도는 전술한 예에서 확인될 수 있다. 가열 중에, 적어도 제1 금속 부품의 표면이 용융되고, 용융 억제 성분과 함께, 제1 금속 부품과 제2 금속 부품 사이의 접촉 지점에서 제2 금속 부품과 접촉되는 용융된 금속 층을 형성한다. 이러한 것이 발생될 때, 용융된 금속 층의 금속이 접촉 지점을 향해서 유동한다.
마지막 단계(204)에서, 용융된 금속 층이 응고되어, 접합부가 접촉 지점에서 얻어지고, 즉 접촉 지점까지 유동된 금속이 응고된다. 응고는 일반적으로 통상의 상온까지 온도를 감소시키는 것을 포함한다. 그러나, 응고는 또한, 온도가 감소되기 전에, 접합 지역 내의 성분(붕소 및 규소)의 재분배의 물리적 프로세스 중에 발생된다.
용융 억제 조성물의 붕소 공급원을 위한 적합한 재료를 설명하기 위해서, 이제 많은 수의 실험 및 실시예를 제공한다.
실시예
이하의 실시예에서, 본 발명의 설명을 위해서 더 상세한 내용을 제공한다.
이러한 실시예에서의 테스트는, 규소가 모 금속의 테스트 샘플의 표면 상에 (즉, 금속 부품 상에) 도포되었을 때, 규소(Si)가 "브레이즈 합금"을 생성할 수 있는지를 조사하기 위해서 실시되었다. 또한, 브레이즈 합금의 융점을 낮추기 위해서 상이한 양의 붕소(B)를 첨가하였다. 붕소는 또한 브레이즈 합금의 습윤 거동을 변경하기 위해서 사용된다. 테스트된 블렌드들(blends)의 특성들을 또한 조사하였다. 실시예에서, wt%는 중량%이다. 여기에서, "브레이즈 합금"은, 규소 및 붕소가 모 금속(금속 부품)의 일부 또는 층을 용융시킬 때 형성되는 합금으로 지칭된다. 따라서, "브레이즈 합금"은 모 금속으로부터의 금속 원소 및 블렌드를 포함한다.
달리 설명되지 않는 경우에, 모든 테스트에서 모 금속의 테스트 샘플은, 규소 및 붕소의 블렌드의 샘플을 테스트 샘플에 부가하기 전에, 디시 워싱(dish washing)에 의해서 그리고 아세톤으로 세정되었다.
붕소 공급원의 테스트.
4개의 상업적으로 입수할 수 있는 새로운 붕소 공급원, TiB2, Na2B4O7, H3BO3 및 BN(육각형 형태의 (h-BN))을 테스트하였다. SiB6이 기준으로 사용되었다.
붕소 공급원은 약 2:10의 B:Si의 비율로 Si와 블렌딩되었다.
각각의 붕소 공급원 내의 모든 성분의 분자량을 이용하는 것에 의해서, 공급원의 양을 계산하였고, 그에 따라 비율을 획득하였다. 표에 기재된 인자는 붕소 공급원의 분자량과 공급원 내의 붕소의 중량 사이의 할당량(quota)이며, 이는 블렌드에 필요한 붕소 공급원의 양을 계산할 때 사용되었다. 계산을 표 1에 기재하였다.
Figure pct00001
분말들의 블렌딩
사용된 모든 붕소 공급원들은 분말이었다. 사용된 Si 공급원 또한 분말이었다. 각각의 블렌드에 대한 분말들을 중량 측정한 후에, 분말들을 확실하게 블렌딩하였다. 이어서, 결합제를 중량으로 첨가하였고, 블렌드를 다시 확실하게 블렌딩하였다. 성분의 중량을 표 2에 기재하였다.
Figure pct00002
도포 방법 및 샘플 준비
균일한 도포를 획득하기 위해서, 작은 핸드 스크린 프린팅 장비를 이용하였다. 블렌드들을, 두께가 0.4이고 치수가 20*40 mm인, 타입 316L로 제조된 판 샘플 상에 스크린 프린팅하였다. 스크린-프린팅된 면적은 19*10 mm이었다. 스크린 프린팅 전에 그리고 후에, 모든 샘플의 중량을 측정하였다. 브레이즈 사이클 1 (A)을 위한 도포된 중량이 표 3에 기재되어 있고, 브레이즈 사이클 2 (B)를 위한 도포된 중량이 표 4에 기재되어 있다. 접합을 위해서, 제2 부품을 사용하였다. 제2 부품은 동일한 외부 치수(20*40 mm)를 가지는, 그러나 U 형상으로 프레스된 판이었다. 샘플을, 스크린-프린팅된 면적이 프레스된 스테인리스 강 판에 대면되도록, 배치하였고, 그에 따라 2-차원적인 접합부가 스크린-프린팅된 면적과 프레스된 판 사이에 생성되었다. 샘플을 고정구 내에 배치하여, 브레이징될 때 부품들 사이의 접촉을 보장하였다.
Figure pct00003
Figure pct00004
브레이징
브레이징을 진공로(vacuum furnace) 내에서 수행하였다. 브레이징 온도는 1225 ± 5 ℃였고, 브레이징 온도에서 약 1시간 동안 유지하였다. 2개의 브레이징 사이클, 사이클 1 (A) 및 사이클 2 (B)를 실시하였다.
결과
샘플을 시각적 검사로 분석하였고, 결과를 표 5 및 표 6에 기재하였다.
Figure pct00005
Figure pct00006
결론
테스트는, 붕소 공급원으로서 BN, TiB2 및 SiB6을 이용할 때 브레이즈 접합부가 얻어 졌다는 것 그에 따라 B 공급원으로 사용될 수 있다는 것을 보여 주었다. 테스트는 또한, H3BO3 및 Na2B4O7가 대안적인 붕소 공급원으로서 사용될 수 있는 가능성이 있다는 것, 그러나 테스트된 다른 B 공급원만큼 효과가 크지 않다는 것을 보여 주었다. 이는 도포되는 블렌드의 양을 반전시킴으로써 해결될 수 있을 것이다.
전술한 설명으로부터, 본 발명의 여러 실시형태가 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 그러한 것으로 제한되지 않고, 이하의 청구항에서 규정된 청구대상의 범위 내에서 다른 방식으로 또한 구현될 수 있을 것이다. 다양한 용융 억제 조성물들이 또한 금속 부품을 위한 다양한 금속들과 조합될 수 있다.

Claims (15)

  1. 금속 부품(11, 12)이 1100 ℃를 초과하는 고상선 온도를 가지는, 제1 금속 부품(11)을 제2 금속 부품(12)과 접합하기 위한 방법으로서:
    - 용융 억제 조성물(14)을 적어도 제1 금속 부품(11)의 표면(15) 상에 도포하는 단계(201)로서, 용융 억제 조성물(14)은
    · 제1 금속 부품(11)의 용융 온도를 낮추기 위해서 적어도 총 25 중량%의 붕소 및 규소를 포함하는 용융 억제 성분, 및
    · 선택적으로, 표면(15) 상에 용융 억제 조성물(14)을 도포하는 단계(201)를 돕기 위한 결합제 성분을 포함하는, 단계(201),
    - 제2 금속 부품(12)을 상기 표면(15) 상의 접촉 지점(16)에 위치되는 용융 억제 조성물(14)과 접촉시키는 단계(202),
    - 제1 및 제2 금속 부품(11, 12)을 1100℃ 초과의 온도까지 가열하는 단계(203)로서, 그에 의해서 제1 금속 부품(11)의 상기 표면(15)이 용융되어, 제1 금속 부품(11)의 표면 층(21) 및 용융 억제 성분이 함께, 접촉 지점(16)에서 제2 금속 부품(12)과 접촉되는 용융된 금속 층(210)을 형성하는, 단계(203), 및
    - 접합부(25)가 접촉 지점(16)에서 획득되도록, 용융된 금속 층(210)을 응고시키는 단계(204)를 포함하는 방법에 있어서,
    붕소는 적어도 부분적으로, 이하의 화합물: 붕산, 붕사, 이붕화티타늄, 질화붕소 및/또는 이들의 조합 중 임의의 화합물로부터 선택된 붕소 화합물로부터 기원하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    붕소는, 붕소의 총 중량을 기초로, 15 내지 100 중량%, 또는 50 내지 100 중량%의 양으로, 붕산, 붕사, 이붕화티타늄, 질화붕소 및/또는 이들의 조합 중 임의의 것으로부터 기원하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    규소는 원소 규소, 및 이하의 화합물: 탄화규소, 붕화규소, 및 규소철 중 적어도 임의의 화합물로부터 선택된 규소 화합물 중 임의의 것의 규소로부터 기원하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융 억제 성분은 적어도 40 중량%의 붕소 및 규소를 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융 억제 성분은 적어도 85 중량%의 붕소 및 규소를 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    붕소가, 용융 억제 화합물의 붕소 및 규소 함량의 적어도 10 중량%를 구성하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    규소가, 용융 억제 화합물의 붕소 및 규소 함량의 적어도 55 중량%를 구성하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융 억제 성분은 50 중량% 미만의 금속 원소를 포함하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융 억제 성분은 10 중량% 미만의 금속 원소를 포함하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 금속 부품은 0.1 내지 1.0, 또는 0.6 내지 1.0, 또는 0.3 내지 0.6 mm의 두께를 가지고, 용융 억제 조성물(14)을 도포하는 단계(201)는 제1 금속 부품(11)의 표면(15) 상에서 mm2 당 평균 0.02 내지　0.12 mg의 붕소 및 규소를 도포하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    표면(15)은, 상기 표면(15) 상의 접촉 지점(16)에 의해서 규정되는 면적(A2)보다 큰 면적(A1)을 가지고, 그에 따라 용융된 금속 층(21') 내의 금속은, 접합부(25)가 형성(204)될 때, 접촉 지점(16)까지 유동하는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 금속 부품은 50 중량% 초과의 Fe, 13 중량% 미만의 Cr, 1 중량% 미만의 Mo, 1 중량% 미만의 Ni 및 3 중량% 미만의 Mn을 포함하는, 방법.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 금속 부품은 10 중량% 초과의 Cr 및 60 중량% 초과의 Ni를 포함하는, 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제2 금속 부품(12)과 접합되는 제1 금속 부품(11)을 포함하는 제품.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제1 금속 부품(11)과 제2 금속 부품(12)을 접합하기 위한 용융 억제 조성물이며, i) 용융 온도를 낮추기 위해서 적어도 25 중량%의 붕소 및 규소를 포함하는 용융 억제 성분, 및 ii), 선택적으로, 용융 억제 조성물(14)을 제1 금속 부품(11) 상에 도포하는 단계(201)를 돕기 위한 결합제 성분으로서, 붕소는 이하의 화합물: 붕산, 붕사, 이붕화티타늄 및 질화붕소 중 임의의 화합물로부터 선택된 붕소 화합물로부터 기원하는, 결합제 성분을 포함하는, 용융 억제 조성물.
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