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技術 ニッケル−鉄−リン鑞合金

出願人 メトグラス、インコーポレイテッド
発明者 コフラン、ウィリアムシーセン、エリック
出願日 2019年11月5日 (1年1ヶ月経過) 出願番号 2019-200861
公開日 2020年3月19日 (9ヶ月経過) 公開番号 2020-040125
状態 未査定
技術分野 はんだ付・ろう付材料
主要キーワード 金相学 鑞付け温度 滞留温度 連続リボン 鑞付け接合 自動車マフラー 金属デバイス 試料合
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年3月19日)のものです。
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図面 (6)

課題

半非晶質で延性のある鑞箔の提供。

解決手段

この鑞箔の組成は、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、約30原子%≦a≦約70原子%、約0原子%≦b≦約20原子%、約9原子%≦c≦約16原子%、約0原子%≦d≦約4原子%、e≦約2原子%、f≦約5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<約16原子%である。

概要

背景

主要な融点降下剤としてリンを含有する鉄含有量の大きい従来技術で開示されているアトマイズ粉末は、粉末を固定するために結合剤を必要とする。この結合剤は、鑞付け中に「燃失」しなければならないが、燃失により、加熱炉内に炭化水素蓄積物が形成される。この結合剤および粉末の混合物は、通常は鑞付け中に脱ガスするので、鑞付け物に気泡が生じる可能性が高くなる。

従来技術における鉄含有鑞箔は、ホウ素およびリンなどの半金属高濃度で有しており、鑞付け接合部に脆い金属間化合物が生成される。この金属間化合物は、通常はホウ化クロムまたはリン化クロムである。鑞付け接合部が脆いため、接合部には亀裂が入り鑞付け製品が分解してしまうことがよく起こる。

従来技術に記載されるニッケル鉄系合金の鑞付けは、保護雰囲気が必要とされることに加えて、鑞付け作業中に高温とすることが必要であるため、真空炉に限定される。真空鑞付け工程は、ベルト型連続加熱炉と比較して、非常に時間がかかり高価である。しかしながら、粉末および他の鑞箔の鑞付け温度は、通常は1100℃に制限されるベルト型炉にとっては高温すぎる。

概要

半非晶質で延性のある鑞箔の提供。この鑞箔の組成は、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、約30原子%≦a≦約70原子%、約0原子%≦b≦約20原子%、約9原子%≦c≦約16原子%、約0原子%≦d≦約4原子%、e≦約2原子%、f≦約5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<約16原子%である。

目的

好ましい具体例の利点は、厚さを薄く鋳込み、鑞付け中のエロージョン広がりを低減することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

鑞箔用の非晶質または半非晶質の合金であって、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、30原子%≦a≦70原子%、0原子%≦b≦20原子%、9原子%≦c≦16原子%、0原子%≦d≦4原子%、e≦2原子%、f≦5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<16原子%である合金。

請求項2

9原子%≦c≦11原子%およびf≦1原子%である、請求項1に記載された合金。

請求項3

半金属であるB、PおよびSiの濃度が、(1)融点を降下させ、(2)脆い金属間化合物を低減し、(3)鑞付け温度を約1100℃未満に維持するために最適化されている、請求項1に記載された合金。

請求項4

鑞付けされた金属デバイスであって、第1の金属部材、鑞箔、および第2の金属部材を含み、前記鑞箔が、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、30原子%≦a≦70原子%、0原子%≦b≦20原子%、9原子%≦c≦16原子%、0原子%≦d≦4原子%、e≦2原子%、f≦5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<16原子%である、鑞付けされた金属デバイス。

請求項5

鑞付けされた金属デバイスを製造する方法であって、請求項1に記載された鑞箔を、第1の金属部材と第2の金属部材との間に配置すること、および前記鑞箔並びに前記第1の金属部材および前記第2の金属部材をベルト型加熱炉で加熱することを含む、鑞付けされた金属デバイスを製造する方法。

請求項6

前記加熱炉の温度が約1100℃未満である、請求項5に記載された鑞付けされた金属デバイスを製造する方法。

請求項7

耐食性業界基準を満たす、請求項4に記載された鑞付けされた金属デバイス。

請求項8

前記業界が自動車産業である、請求項7に記載された鑞付けされた金属デバイス。

請求項9

鑞付けされた金属部材であって、第1の金属シート、鑞箔、および第2の金属シートを含み、前記鑞箔が、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、30原子%≦a≦70原子%、0原子%≦b≦20原子%、9原子%≦c≦16原子%、0原子%≦d≦4原子%、e≦2原子%、f≦5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<16原子%である、鑞付けされた金属部材。

請求項10

熱交換器であって、第1の金属シート、鑞箔、および第2の金属シートを含み、前記鑞箔が、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、30原子%≦a≦70原子%、0原子%≦b≦20原子%、9原子%≦c≦16原子%、0原子%≦d≦4原子%、e≦2原子%、f≦5原子%であり、残りがNiおよび他の不純物であり、c+d+e<16原子%である熱交換器。

請求項11

鑞箔用の非晶質または半非晶質の合金であって、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、30原子%≦a≦38原子%、10原子%≦b≦20原子%、7原子%≦c≦20原子%、2原子%≦d≦4原子%、e≦2原子%、f≦5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<16原子%である合金。

請求項12

9原子%≦c≦11原子%およびf≦1原子%である、請求項11に記載された合金。

請求項13

半金属であるB、PおよびSiの濃度が、(1)融点を降下させ、(2)脆い金属間化合物を低減し、(3)鑞付け温度を約1100℃未満に維持するために最適化されている、請求項11に記載された合金。

請求項14

鑞付けされた金属デバイスであって、第1の金属部品、鑞箔、および第2の金属部品を含み、前記鑞箔が、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、30原子%≦a≦38原子%、10原子%≦b≦20原子%、7原子%≦c≦20原子%、2原子%≦d≦4原子%、e≦2原子%、f≦5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<16原子%である、鑞付けされたデバイス

請求項15

鑞付け金属デバイスを製造する方法であって、請求項11に記載の鑞箔を、第1の金属部品と第2の金属部品との間に配置すること、および前記鑞箔および前記第1の金属部品および前記第2の金属部品をベルト型加熱炉で加熱することを含む方法。

請求項16

前記加熱炉温度が約1100℃未満である、請求項15に記載された方法。

請求項17

耐食性の業界基準を満たす、請求項14に記載された鑞付け金属デバイス。

請求項18

前記業界が自動車産業である、請求項17に記載された鑞付け金属デバイス。

請求項19

鑞付けされた金属部品であって、第1の金属シート、鑞箔、および第2の金属シートを含み、前記鑞箔が、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、30原子%≦a≦38原子%、10原子%≦b≦20原子%、7原子%≦c≦20原子%、2原子%≦d≦4原子%、e≦2原子%、f≦5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<16原子%である、鑞付けされた金属部品。

請求項20

熱交換器であって、第1の金属シート、鑞箔、および第2の金属シートを含み、前記鑞箔が、実質的にNibalFeaCrbPcSidBeMofからなり、30原子%≦a≦38原子%、10原子%≦b≦20原子%、7原子%≦c≦20原子%、2原子%≦d≦4原子%、e≦2原子%、f≦5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<16原子%である熱交換器。

技術分野

0001

本発明は、クロムおよびモリブデン等の遷移金属および半金属を含有するニッケル鉄系合金を有する鑞材に関するものである。この合金は、ニッケル、クロム、鉄、モリブデン、ホウ素、リンおよびケイ素のうちの1つまたは複数を含有し、従来技術よりも低温での鑞付け金属に特に有用である。この合金は、通常はニッケル系合金よりも安価であり、飲料水の用途でのニッケルの溶出を低減することができる。

背景技術

0002

主要な融点降下剤としてリンを含有する鉄含有量の大きい従来技術で開示されているアトマイズ粉末は、粉末を固定するために結合剤を必要とする。この結合剤は、鑞付け中に「燃失」しなければならないが、燃失により、加熱炉内に炭化水素蓄積物が形成される。この結合剤および粉末の混合物は、通常は鑞付け中に脱ガスするので、鑞付け物に気泡が生じる可能性が高くなる。

0003

従来技術における鉄含有鑞箔は、ホウ素およびリンなどの半金属を高濃度で有しており、鑞付け接合部に脆い金属間化合物が生成される。この金属間化合物は、通常はホウ化クロムまたはリン化クロムである。鑞付け接合部が脆いため、接合部には亀裂が入り鑞付け製品が分解してしまうことがよく起こる。

0004

従来技術に記載されるニッケル−鉄系合金の鑞付けは、保護雰囲気が必要とされることに加えて、鑞付け作業中に高温とすることが必要であるため、真空炉に限定される。真空鑞付け工程は、ベルト型連続加熱炉と比較して、非常に時間がかかり高価である。しかしながら、粉末および他の鑞箔の鑞付け温度は、通常は1100℃に制限されるベルト型炉にとっては高温すぎる。

0005

本発明の一具体例は、均質延性のある鑞箔に関するものである。この鑞箔は、Ni、Fe、Cr、PおよびSiを含み、BおよびMoのうちの1つまたは複数を更に含むことができる。好ましい一具体例によれば、この鑞箔の組成は、NibalFeaCrbPcSidBeMofで表すことができ、約30原子%≦a≦約38原子%、約10原子%≦b≦約20原子%、約7原子%≦c≦約20原子%、約2原子%≦d≦4原子%、e≦約2原子%、f≦約5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<約16原子%である。

0006

他の好ましい一具体例によれば、鑞箔の組成は、NibalFeaCrbPcSidBeMofで表すことができ、約30原子%≦a≦約70原子%、約0原子%≦b≦約20原子%、約9原子%≦c≦約16原子%、約0原子%≦d≦4原子%、e≦約2原子%、f≦約5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<約16原子%である。

0007

この鑞箔は、抵抗溶接または摩擦溶接により鑞付けすべき材料に配置でき、結合剤を必要とせず、鑞付けプロセスは、いかなる追加処理を行わずに完了させることができる。

0008

半金属であるB、PおよびSiの含有量は、(1)融点を降下させること、(2)半金属濃度をできるだけ低くして脆い金属間化合物を低減すること、(3)推奨鑞付け温度を約1100℃未満に維持することを同時に達成するように最適化されることが好ましい。

0009

鑞付け後に延性のあるNi−Fe−Cr−Pマトリックスを鑞付け接合部に形成するために、延性のある鑞箔の鉄含有量を増加させることができる。

0010

本発明の合金の好ましい鑞付け温度は、ベルト型/連続加熱炉で処理できるように、1100℃未満であるが、任意の好適な鑞付け温度を使用できる。このような加熱炉での鑞付けにより、加工コストを低減し、鑞付け製品に過度熱応力が発生することを防止できる。

0011

本発明は、実施形態に関する以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、よりよく理解され、さらなる利点が明白になるであろう。

図面の簡単な説明

0012

示差熱分析(DTA)のスキャン横軸は温度、縦軸は熱である。TsおよびTlは、それぞれ固相線温度および液相線温度を表す。DTAスキャンを行った合金リボンは、表1の合金1である。
X線回折(XRD)スキャン。横軸はX線角度、縦軸は表1の合金1のX線強度である。スキャンは、約44.8度の2θ(シータ)に幅広な非晶質回折パターン上に小さな結晶性ピークを示し、合金1が半非晶質であり、完全に非晶質のマトリックスに数%未満の結晶相を含むことを示している。
2枚のステンレス鋼シートに挟まれている本発明の実施形態の鑞箔。
図3のステンレス鋼シート間の鑞付け部の局所構造光学顕微鏡像。代表的な部分の化学組成を、ボックスに示している。
(a)準備した試料、(b)腐食試験後の試料、および(c)腐食試験後に洗浄した試料の表面の光学顕微鏡像。

0013

本発明は、米国特許第4,142,571号に記載された方法によるメルトスピニング法により生産された延性のある鑞箔からなる。この文献の内容は、参照によりその全体を本明細書に援用する。メルトスピニング法は、準安定性ガラス構造を形成するために、溶融金属回転ホイール上で毎秒106℃の速さで急冷すものである。これにより、非晶質構造または半非晶質構造を有し、非常に薄く(好ましい厚さの範囲は約25〜50μm)連続した完全に均質なリボン状に鋳込むことができる本発明が得られた。

0014

鑞箔を非常に薄く連続リボン形状に鋳込むことができるため、薄いステンレス鋼シートどうしを接合する熱交換器および他のプレートフィン型製品の生産が可能になる。薄いステンレス鋼シートを熱交換器の用途に使用する利点は、エンドユーザにとっては、チャネル密集度が高くなることにより、より多くの媒体が分離され、接触表面積が増加するということである。これにより、熱交換器の総合熱効率を増加させる。しかしながら、薄いステンレス鋼シートを鑞付けする場合、鑞付け中にエロージョンが生じる場合があり、ステンレス鋼シートの総厚さが低減する可能性があるため注意しなければならない。好ましい具体例の利点は、厚さを薄く鋳込み、鑞付け中のエロージョンの広がりを低減することである。また、シートが薄いため、その使用品の重量の低減が可能になり、例えば自動車型熱交換器に使用すると、コストが削減され、経済性が十分に向上する。

0015

本発明は、Ni、Fe、Cr、PおよびSiからなり、BおよびMoのうちの1つまたは複数を更に含むことができる非晶質または半非晶質の延性のある鑞箔である。好ましい具体例によれば、鑞箔の組成は、NibalFeaCrbPcSidBeMofで表すことができ、約30原子%≦a≦約38原子%、約10原子%≦b≦約20原子%、約7原子%≦c≦約20原子%、約2原子%≦d≦4原子%、e≦約2原子%、f≦約5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<約16原子%である。

0016

この好ましい具体例では、鉄の濃度は約30原子%〜約38原子%である。この濃度を有することにより、Ni−Cr−P合金に比べて合金のコストが低減され、総ニッケル含有量が低減されて、飲料水用途でのニッケル侵出が低減される。

0017

この好ましい具体例では、クロムの濃度は約10原子%〜約20原子%である。この濃度により耐食性が向上する。

0018

別の好ましい具体例では、鑞箔の組成は、NibalFeaCrbPcSidBeMofとして表すことができ、約30原子%≦a≦約70原子%、約0原子%≦b≦約20原子%、約9原子%≦c≦約16原子%、約0原子%≦d≦4原子%、e≦約2原子%、f≦約5原子%であり、残部がNiおよび他の不純物であり、c+d+e<約16原子%である。

0019

この第2の好ましい具体例では、鉄の濃度は約30原子%〜約70原子%である。この濃度を有することにより、Ni−Cr−P合金に比べて合金のコストが低減され、総ニッケル含有量が低減されて、飲料水用途でのニッケル侵出が低減される。

0020

この好ましい具体例では、クロムの濃度は約0原子%〜約20原子%である。クロム濃度が増加すると共に耐食性が向上する。

0021

半金属の濃度は、非晶質または半非晶質の箔を生産でき、ベルト型/連続加熱炉での加工が可能になるように最適化されることが好ましい。非晶質または半非晶質の箔の3つの例が、下記の表Iに示される化学組成を有する。

0022

合金1および合金2では、ホウ素の濃度は2原子%であり、Ni−Cr−B−Si合金と同じ生産ラインで鑞箔を加工することが可能である。もちろん、合金1および合金2で選択された濃度以外の他の好適なホウ素濃度を使用できる。例えば、合金3では、ホウ素の濃度は1原子%に低減されている。

0023

試料合金では、主要な融点降下剤であるリンは、約9原子%〜約16原子%の濃度である。これにより、合金の融点が1原子%当たり31℃低下する。

0024

この試料合金では、ケイ素原子濃度範囲は約0原子%〜約4原子%である。ケイ素を添加すると、鑞箔の製造において、この材料を非晶質状態で製造することが容易になり、融点降下剤としても作用する。

0025

この試料合金では、半金属の総含有量(ケイ素、リン、ホウ素)は約16原子%未満である。この含有量%は、従来技術よりも低く、脆い金属間化合物が鑞付け作業中に形成される可能性を最小限に抑えるように作用する。

0026

この試料合金では、モリブデンは、0原子%〜約5原子%の範囲である。モリブデンは、耐食性の向上、および316ステンレス鋼との溶解度を向上させるために添加される。もちろん、モリブデンは他の好適な濃度で使用することができる。

0027

0028

これらの合金は、米国特許第4,142,571号明細書の記載に従って鋳造し、実施例1に記載のように鑞箔として使用した。2枚のステンレス鋼シートの間の鑞付け部は、図4に示された金属相を有し、ホウ化クロムがリン含有物富化相に蓄積されることを示す。

0029

実施例1の鑞付け部の腐食試験を、実施例IIに記載のように実施した。結果を図5に示す。試験は、自動車産業で使用される工業規格の基準に合格したことを示す。

0030

Ni38Fe30Cr16B2P10Si3(数字は原子%)の組成を有する非晶質合金リボンのDTAを、通常の示差熱分析装置で実施して、合金の固相線温度(Ts)および液相線温度(Tl)を決定した。合金の固相線温度(Ts)および液相線温度(Tl)は、Ts=960℃およびTl=1030℃であることが測定され、最適な鑞付け温度の決定に使用された。DTAスキャンを図1に示す。XRDにより、このリボンが鋳造状態では半非晶質であることが明らかである(図2)。Ni38Fe30Cr16B2P10Si3の組成を有する鑞箔を、図3に示されている2.5cm×10.0cm×0.09cmおよび1.9cm×8.9cm×0.09cmの寸法を有する2枚の300系ステンレス鋼シートの間に配置し、20〜45分間の保持時間で260℃、20〜45分間の保持時間で960℃の第1および第2の滞留温度に加熱した後、15〜20分間の保持時間で1060℃の鑞付け温度にて鑞付けした。通常の金相学的手法を使用して、2枚のステンレス鋼シート間の鑞付け部の金属相を特定した。図4に一例を示すが、ホウ化クロムがリン含有物富化相に蓄積していることを示している。

0031

実施例1の鑞付け物を、石鹸および水および溶媒で洗浄し、最後にアセトン脱脂した。洗浄した鑞付け物を、分析天秤で0.0001gの桁まで計量し、0.01mmの分解能を有するノギスを使用して、各鑞付け物の長さ、幅、および厚さの測定を実施した。表IIの濃度の腐食試験用溶液を調製した。

0032

実施例1の3つの鑞付け体を、自動車マフラーの内部腐食試験法のJASO(日本自動車技術会規格)M611−92E規格である以下の方法Bに従って腐食試験した。3つの鑞付け体を、対照試料として暴露せなかった。方法Bはサイクル試験であり、1サイクルは、80℃の炉内で5回24時間浸漬し、浸漬後室温に冷却し、試薬を変更することで構成される。こうした浸漬を5回繰り返した後、6回目の浸漬は、250℃の炉で24時間行って終了させた。全部で4回のサイクルを終了させた。これは、80℃での480時間の接触および250℃での96時間の接触と等しい。必要なサイクルが終了したら、鑞付け体を取り出して写真撮影した。JASO M611セクション7.2.2に従って、60%硝酸溶液を80℃にて2時間使用し、純水ですすぎ、乾燥させることにより、付着物を除去した。その後、試料を同じ分析天秤で計量し、長さ、幅、および厚さの測定を繰り返した。JASO M611−92Eの要件に従って結果を記録した。各試料の1つを切断し、研磨し、75倍および150倍の倍率光学顕微鏡で観察した。結果の幾つかは、図5(a)、(b)および(c)に示す。図5(a)は鑞付け試料の前面を示し、図5(a)は溶液試薬と接触させた後の試料本表面を示し、図5(c)は表面を洗浄した後の試料表面を示す。

実施例

0033

上述の開示は、本発明を例示するために示されているに過ぎず、限定するためのものではない。本発明の原理および要旨を含む本開示の具体例を変更することは、当業者には可能であり、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にあるあらゆるものを含むと解釈されるべきである。

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