JP4897194B2 - ろう付け材及びそれで得られる製品 - Google Patents

Description

本発明はろう付けによって物品を接合するための鉄を母材とするろう付け材に関する。本発明はまた、本発明による鉄を母材とするろう付け材によって鉄を母材とする物品をろう付けして製造されるろう付け製品を含む。

鋼または鉄を母材とする異なった物品は、通常Ｎｉ−，Ａｇ−またはＣｕ−ろう付け材でろう付けされる。

ろう付けは、お互いに接合または固定される物品の母材の液相線よりも低温において、固定または接合するプロセスである。

ろう付け材は、ろう付けプロセスの間で完全にまたは部分的に溶融する接合または固定のための材料を含む。

ＵＳ４１３５６５６はＮｉを母材とした合金に関し、これは質量％で１９−２３％のＭｎ、５−８％のＳｉ，４−６％のＣｕ、０．６−１．８％のＢと他より少ない元素を別として残りＮｉを含む。ＵＳ４３１４６６１は他の種類のＮｉを母材とした合金が記載され、これは原子％で０−４％のＦｅ、０−２１％のＣｒ，０−１９％のＢ、０−１２％のＳｉ、０−２２％のＰと残りのＮｉを含む。

Ｃｕでろう付けするときは、一般に純粋または殆ど純粋なＣｕを用いる。純Ｃｕろう付け材はくっきりと明確な融点を持つが、一方、ニッケルを母材とするろう付け材は合金であることによってしばしば溶融間隔を持つ。

板状熱交換器においてステンレルスチール板を接合する時には、Ｃｕろう付け材がしばしば用いられる。しかしながら、銅は全ての用途には適していない。銅のろう付け材の食品用途での使用は許されていないが、地域暖房用や水道設備用の板状熱交換器に用いられる。

ニッケルのろう付け材で接合した熱交換器は多くの用途に用いられ、また限られた数の食品用途に許されている。

もし、ニッケル合金を含むろう付け材が鉄、または非ニッケルを母材とする物品の接合に用いられると、ろう付け接合部の組成が、接合された物品の組成とは大きな相違がある。これは化学的特性または機械的特性に好ましくない相違となり得る。

本発明は、製品を製造するために用いる母材の組成と主として同じ組成を有し液相線温度を低下させる添加成分を含むろう付け材を用いて、ろう付けすることによって物品を接合する可能性を提供する。

したがって、本発明は、本発明によるろう付け材を用いて食品用途の要求に適合できる板状熱交換器としての装置を製造する可能性を提供する。本発明は、主として、ろう付け材が、質量％として、１６．７〜１７．１％のＣｒ、１．５〜３．７％のＭｎ、１１．７〜１２．１％のＮｉ、１．９〜２．２％のＭｏ、１．０〜５．６％のＳｉ、６．０〜１０．６％のＰ及び０〜０．５％のＢ、不可避の混在物であるＣ、Ｏ及びＳを含み、残部が鉄である合金からなり、Ｓｉ、ＰおよびＢの添加により、ろう付け材が完全に溶融される温度である液相線温度が低下されることを特徴とする。融点低下成分は、ろう付け前においては、ろう付け材に次式：
インデックス＝Ｐ％＋１．１×Ｓｉ％＋３×Ｂ％
による量で存在し、ここで該インデックスの値は１１．２〜１２．４にすべきである。そして上記合金は、ガス微粉化もしくは水微粉化によって得られるものである。また前記液相線温度は１２３０℃以下である。

ろう付け材における鉄の含有率は、好ましくは少なくとも５０％である。本発明のろう付け材は、常にＦｅとＣｒを含まなければならない。

融点の好ましい低下を達成するために、Ｓｉ、Ｐ及びＢの効果的な実用的な量は、上記の範囲にしなければならない。例えばＳｉは、炭化ケイ素または窒化ケイ素の状態や、酸素と結合されて、または他の方法で焼結されるため、Ｓｉの分析値はかなり高くなるかもしれない。同様な理由によってＢまたはＰの分析値も高くなるかもしれない。

鉄を母材とするろう付け材は合金成分としてＴｉ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｂ，Ｔａ、Ｖその他を含んでも良い。組成の変化は少量で不可避の量のＣ、Ｏ及びＳの混在物の影響であろう。

鉄を母材とするろう付け材は上記組成のインゴットのガスまたは水による微粒化またはこのようなインゴットの粉砕で好ましくは製造される。他の製造方法は溶融スピニングである。

本発明はまた鉄を母材とする物品と共にろう付けして作られた製品を含み、該製品が該物品をＳｉ、Ｐ及びＢのような液相線を低下させる成分を含む合金の鉄を母材とするろう付け材でろう付けしたものであることを特徴とするものである。鉄を母材とするろう付け材は主請求項に記載の組成が好ましい。

ろう付け製品中の鉄を母材とする物品と鉄を母材とするろう付け材の両方が好ましくは９〜３０％のＣｒを含む。

ろう付け製品は好ましくはろう付けされた板状熱交換器であり、それは少なくとも二つの熱交換流体のためのもので、それは鉄を母材とする薄い壁を有する熱交換板の幾つかを、鉄を母材とするろう付け材によってろう付けして製造された少なくとも一つの板状パッケージを含む。熱交換板は相対で熱交換流体のための内部スペースの輪郭を定める。鉄を母材とする板材と比べて、内部または周囲において局部的に高いＳｉ、Ｐ、Ｂ量を有するろう付け接合部は、鉄を母材とするろう付け材の組成に近い冶金組成を持つ。

鉄を母材とするろう付けには、前記したように伝統的にCu−またはNi-ろう付け材が用いられていた。驚くべきことに、今や、接合したい物品の材料と同じ組成の母材から開始できることが見つけられた。このような材料をシリコン及び／またはホウ素及び／またはリンと合金化することによってうまく機能するろう付け材が得られる。鉄とSi、B及びPの二相ダイアグラムの検討によって、Fe-Si合金が約１９％のSiで1212℃の最低融点を持つことを見出すであろう。Ｆｅ−Ｂ合金については、約４％のＢで１１７４℃の融点の最低がある。Ｆｅ−Ｐ系では約１０％のＰで１０４８℃の融点の最低がある。

多くの場合、純鉄材料は用いられないで、鉄を別として、比較的大量のＣｒまたはＮｉを含む合金が用いられる。また多くの合金にＭｏとＭｎが含まれる。このような合金に異なった量のホウ素及び／またはリン及び／またはシリコンを添加する効果を、相ダイアグラムを用いて理論的に確立する試みは、次元数が合金の成分の数と同じとなるので、ほとんど不可能である。

ろう付けの接合を得るためには、ろう付け材の液相線温度が１２３０℃以下、好ましくは１２００℃以下であるべきである。

驚くべきことに、比較的少量のシリコン、ホウ素またリンを組み合わせてまたは単独で添加すると、液相線温度が低下し、好ましいろう付け材が得られることが見出された。

下の表に、本発明によるろう付け材の、組成の異なる例が示されている。

各試料は１１９０℃でろう付けされた。試料のろう付け試験の目視による検査の結果では全ての試料は溶融し、ろう付け接合物が得られ、またすべての接合物で機械強度が得られた。

本発明のろう付け材は好ましくは粉または箔状で製造される。粉は、インゴットを製造しこれを破砕した後に、粉砕して調製されても良い。材料の壊れやすい性質はこの製造方法で利用される。インゴットキャスティングの欠点は、融解間隔がはっきりしないか広いという不均一性物質となる偏析の危険がありことである。より小さなインゴット及び／または急冷は偏析の危険を減らす。インゴットキャスティングにおいては、真空キャスティングまたはガスシールキャスティングによって、空気との接触を最小にすることが重要である。機械的処理によって、ろう付け材のエネルギー含有量が増加しそれに伴ってその反応性も増加する。

均一組成の粉末を製造する他の方法は水またはガスによる微粒化である。粉末の性質は製造方法によって変化する。破砕され粉砕された粒子は角があり先がとがっている。水で微粉化されたものは団塊状（ｎｏｄｕｌａｒ）であり、ガスで微粉化されたものはほとんど球状である。この粒子形状の相違はろう付けに使用する際にろう付け材に多少の性質の変化を与える。異なった微粉化法の選択、破砕／粉砕の程度及びふるい分けとの組み合わせによって粒子サイズ分布が調整できるであろう。水微粉化においては、ガス微粉化よりも酸素ポテンシャルが高くなるので、一般に酸素含有率が高くなるであろう。高い酸素含有率は、材料の酸化物の形成をもたらし、ろう付け接合の機械的性質に悪い影響を与えるであろう。ろう付け材中の有効なＳｉ、Ｐ及びＢの割合は低くなるであろう。これはこのために融解範囲が移動することを意味する。

金属溶融物からの溶融スピニングによる箔の製造は、冷えた表面で金属溶融物が直接冷却され、例えば箔が形成されるような方法で行われる。通常の連続箔製造においては、冷却表面は銅または銅合金で作られた冷却ロールよりなる。非晶性の箔を得ることができるが、この場合、通常はホウ素が加えられる。

本発明によるろう付け材は異なった方法で望ましいろう付け場所に適用できる。記載されたいかなる方法によって得られた粉末ろう付け材も、適当な方法で適用するためにバインダー中に懸濁させても良い。

Claims (8)

1. ろう付けによって物品を接合するための鉄を母材とするろう付け材であって、
   該ろう付け材が、質量％で、１６．７〜１７．１％のＣｒ、１．５〜３．７％のＭｎ、１１．７〜１２．１％のＮｉ、１．９〜２．２％のＭｏ、１．０〜５．６％のＳｉ、６．０〜１０．６％のＰ及び０〜０．５％のＢ、不可避の混在物であるＣ、Ｏ及びＳを含み、残部が鉄である合金からなり、該Ｓｉ、Ｐ、Ｂの添加により、ろう付け材が完全に溶融される温度である液相線温度が低下されること、及び融点低下成分は、ろう付け材に次式：
   インデックス＝Ｐ％＋１．１×Ｓｉ％＋３×Ｂ％
   による量で存在し、該インデックスの値が１１．２〜１２．４であり、
   該合金がガス微粉化もしくは水微粉化によって得られること、および
   前記液相線温度が１２３０℃以下であること
   を特徴とするろう付け材。
2. 粉の形状であることを特徴とする請求項１に記載の鉄を母材とするろう付け材。
3. 鉄を母材とする物品をろう付けすることによって製造されるろう付け製品であって、請求項１または２に記載の鉄を母材とするろう付け材によって接合されることを特徴とするろう付け製品。
4. 鉄を母材とする物品と鉄を母材とするろう付け材が１６．７〜１７．１％のＣｒを含むことを特徴とする請求項３記載のろう付け製品。
5. 該製品は少なくとも二つの熱交換流体のための板状熱交換器であって、鉄を母材とする熱交換板の幾つかを、鉄を母材とするろう付け材によってろう付けして製造された少なくとも一つの板状パッケージを含むことを特徴とする請求項３または４記載のろう付け製品。
6. 得られたろう付け接合部が、鉄を母材とする物品と比べて、内部または周囲において局部的に高いＳｉ、Ｐ及びＢ量を有し、鉄を母材とする物品の組成に近い冶金組成を持つ請求項３乃至５のいずれかに記載のろう付け製品。
7. 請求項１または２に記載のろう付け材を用いるろう付け製品の製造方法。
8. 質量％で、１６．７〜１７．１％のＣｒ、１．５〜３．７％のＭｎ、１１．７〜１２．１％のＮｉ、１．９〜２．２％のＭｏ、１．０〜５．６％のＳｉ、６．０〜１０．６％のＰ及び０〜０．５％のＢ、不可避の混在物であるＣ、Ｏ及びＳを含み、残部が鉄である合金からなり、該Ｓｉ、Ｐ、Ｂの添加により、ろう付け材が完全に溶融される温度である液相線温度が低下され、かつ融点低下成分は、ろう付け材に次式：
   インデックス＝Ｐ％＋１．１×Ｓｉ％＋３×Ｂ％
   による量で存在し、該インデックスの値が１１．２〜１２．４である組成を有する溶融物のガス微粉化または水微粉化によって得られた鉄を母材とするろう付け材であって、
   前記液相線温度が１２３０℃以下であるろう付け材。