JP2010510068A - ろう付け材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、本質的に、１５ｗｔ％から３０ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）と、０．１ｗｔ％から５．０ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）と、９ｗｔ％から２０ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）と、０ｗｔ％から４．０ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）と、０ｗｔ％から１．０ｗｔ％の窒素（Ｎ）と、１．０ｗｔ％から７．０ｗｔ％のシリコーン（Ｓｉ）と、０ｗｔ％から０．２ｗｔ％のホウ素（Ｂ）と、１．０ｗｔ％から７．０ｗｔ％のリン（Ｐ）と、任意選択で、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、およびタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１種または複数種の元素のそれぞれの０．０ｗｔ％から２．５ｗｔ％とを含有する合金を含む、ろう付け材料であって、該合金のうちの残りは、Ｆｅおよび不可避の少量の混入元素であり、ＳｉおよびＰは、融点を低めるために有効な量で存在する、ろう付け材料に関する。本発明は、さらに、ろう付け方法、および該ろう付け材料でろう付けされた製品に関する。

Description

本発明は、ろう付け材料、ろう付け方法、およびろう付け材料でろう付けされた製品（ｐｒｏｄｕｃｔ）に関する。

発明
異なるスチール材料または鉄系合金材料の物体（ｏｂｊｅｃｔｓ）は、通常、ニッケル系または銅系ろう付け材料でろう付けまたははんだ付けすることにより組み立てられる。以降、ろう付けという用語が使用されるが、この用語はまたはんだ付けも含むことが理解されるべきである。ろう付けは、金属部品を接合するプロセスであるが、ろう付けはまた、物体を封止する、または物体を被覆するためにも使用され得る。ろう付け温度は、基材（ｂａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）の固有（ｏｒｉｇｉｎａｌ）固相線温度未満である。材料のろう付けの間、ろう付け材料は、加熱処理中に完全に、または部分的に溶融される。

鉄系材料の従来のろう付けは、ニッケル系または銅系ろう付け材料により行われ、これらのろう付け材料は、例えば電極電位の差に起因して腐食をもたらし得る。腐食問題は、ろう付けされた物体が化学的に侵食性の（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ）環境に曝されると促進される。また、ニッケル系または銅系ろう付け材料の使用は、法域（ｊｕｒｉｓｄｉｃｔｉｏｎｓ）によって数多くの食品用途において制限され得る。

１つの問題は、被覆またはろう付け材料の溶融温度範囲である。ろう付け材料または被覆材料を選択する際、考慮点は、合金および基材の固相線または液相線温度に基づく。近年、従来のステンレススチールの物体をろう付けするための鉄系ろう付け材料が開発された。これらの鉄系ろう付け材料は、非常に良好に機能しているが、ろう付けのための温度範囲が広い場合、得られる製品内に欠陥が生じる危険性がある。純粋な元素は明確な融点を有するが、合金は、決められたそれぞれの合金内に多くの異なる元素を含有するため、しばしば広い溶融間隔（ｍｅｌｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｖａｌ）を有する。

したがって、本発明によれば、ろう付け接合点に、ごく僅かな部分の脆性相（ｂｒｉｔｔｌｅ ｐｈａｓｅｓ）しか含有させないことを達成しようとしている。脆性相の量が、疲労強度に悪影響を及ぼすことが知られている。脆性相の量は、中でも、接合部のクリアランス、プレートの厚さ、ろう付け材料の量、ろう付け材料の付け方、およびろう付けの間の時間−温度関係に依存する。

ろう付け材料を開発する際、重要な特性が多数ある。それらの１つは、ろう付け温度である。高いろう付け温度は、高い機械的強度、または、ろう付け接合部のために重要な他の特性と関連することが非常に多いが、いくつかの不利益もある。高温は、例えば粒子成長、材料中の相の形成、フィラー（ｆｉｌｌｅｒ）から基材への元素の拡散による、ろう付けフィラーから基材への大きな影響、および基材の特性の他の変化等により、基材の特性を低下させる可能性がある。高温はまた、基材の侵食（ｅｒｏｓｉｏｎ）の危険性を増加し得る。より多くのエネルギー入力およびより高価な炉が必要とされるため、高温にはコストも関連する。また、高温は炉をより磨耗させ、これはコストを増加させる。Ｆｅ系ろう付け材料を開発する際の通常の手法は、融点降下物質としてＳｉおよび／またはＢを使用することである。ホウ素は、融点に対する極めて大きな影響力を有するが、ホウ化クロムを容易に形成する等、多くの不利益を有する。したがって、ホウ素を使い過ぎないことが非常に重要である。ホウ化クロムの形成は、基材中のクロムの量を低下させ、これは次いで、例えば、基材の耐腐食性（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）および他の特性を低下させる。したがって、合金の元素の１つがクロムである場合、ホウ素を使用しないかまたは極微量使用することが、一般に最良の選択である。融点を低下させるためにケイ素も使用されるが、ケイ素自体、例えばＢと比較して、融点降下物質としてそれほど大きな影響力を有さない。したがって、融点を低下させる際にケイ素が単独で使用される場合、極めて多量が使用されなければならない。ケイ素はまた、ケイ化物を形成し得るため、多量は問題を引き起こす可能性がある。融点降下物質として使用可能な１つの元素は、リンである。リンは、融点に対し大きな影響力を有するため、ろう付け温度のみが重要となる場合には良い選択となり得る。しかし、多量のＰを含むろう付け接合部は、通常非常に脆弱であり、したがって極めて強度が低い。また、リンは、脆弱でろう付けフィラーおよび基材の強度を低下させる、リン化鉄等のリン化物を形成し得る。驚くべきことに、ＳｉおよびＰを含む新たな種類の混合物と合金化した際、ＳｉおよびＰ添加物からの悪影響がないか、または非常に少ない、低溶融間隔を有する新たな種類の鉄系ろう付けフィラーが発見された。その合金はまた、別の驚くべき有益な特性である、狭い溶融間隔を有していたが、これはろう付けの際非常に有効である。その理由は、ろう付けフィラー中のすべての元素がほぼ同時に溶融すべきであることが望ましいためである。別の有益な特性は、本発明のフィラーが、表面を非常に良好に濡らし、卓越した流動能力を有することである。

したがって、本発明は、本質的に、１５重量パーセントから３０重量パーセント（以降ｗｔ％）のクロム（Ｃｒ）と、０ｗｔ％から５．０ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）と、９ｗｔ％から３０ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）と、０ｗｔ％から４．０ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）と、０ｗｔ％から１．０ｗｔ％の窒素（Ｎ）と、１．０ｗｔ％から７．０ｗｔ％のシリコーン（Ｓｉ）と、０ｗｔ％から０．２ｗｔ％のホウ素（Ｂ）と、１．０ｗｔ％から７．０ｗｔ％のリン（Ｐ）と、任意選択で（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、およびタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１種または複数種の元素のそれぞれの０．０ｗｔ％から２．５ｗｔ％とを含有する合金を含む、鉄系ろう付け材料であって、該合金のうちの残りは、Ｆｅおよび不可避の少量の混入（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｎｇ）元素であり、ＳｉおよびＰは、融点を低めるために有効な量で存在する、鉄系ろう付け材料に関する。

本発明の１つの代替の態様によれば、炭素（Ｃ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、およびタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される元素のいずれか１種が、約０ｗｔ％から１．５ｗｔ％の範囲内の量であってもよい。

本発明の１つの代替の態様によれば、混入元素は、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、および硫黄（Ｓ）のうちのいずれか１種である。別の代替の態様によれば、合金中にマンガンが存在してもよく、またその量は、０．１ｗｔ％から５．０ｗｔ％マンガンの範囲内である。別の代替の態様によれば、合金中にマンガンが存在してもよく、またその量は、０．１から４．５の範囲内である。さらなる代替の態様によれば、合金は、約１８ｗｔ％から約２６ｗｔ％の範囲内のクロム、または約９．０ｗｔ％から約２０ｗｔ％の範囲内のニッケル、または約０．５ｗｔ％から約３．５ｗｔ％の範囲内のモリブデン、またはこれらの組合せを含有してもよい。さらなる代替の態様によれば、合金は、約９．０ｗｔ％から約１８．０ｗｔ％の範囲内のニッケルを含有してもよい。さらなる代替の態様によれば、合金は、約２．０ｗｔ％から約６．０ｗｔ％の範囲内のシリコーン、または約０ｗｔ％から約０．１ｗｔ％の範囲内のホウ素、または約２．０ｗｔ％から約６．０ｗｔ％の範囲内のリン、またはこれらの組合せを含有してもよい。

さらなる代替の態様によれば、合金は、約２．５ｗｔ％から約６．０ｗｔ％の範囲内のシリコーン、および約３．５ｗｔ％から約６．０ｗｔ％の範囲内のリンを含有してもよい。

さらなる代替の態様によれば、ろう付け材料は、本質的に、１６ｗｔ％から１８ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）と、１．５ｗｔ％から２．０ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）と、１１ｗｔ％から１７ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）と、１．５ｗｔ％から２．５ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）と、０ｗｔ％から１．０ｗｔ％の窒素（Ｎ）と、３．０ｗｔ％から５．０ｗｔ％のシリコーン（Ｓｉ）と、０ｗｔ％から０．２ｗｔ％のホウ素（Ｂ）と、４．０ｗｔ％から５．５ｗｔ％のリン（Ｐ）と、任意選択で、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、およびタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１種または複数種の元素のそれぞれの０．０ｗｔ％から２．５ｗｔ％とを含有する合金を含んでもよく、該合金のうちの残りは、Ｆｅおよび不可避の少量の混入元素であり、ＳｉおよびＰは、融点を低めるために有効な量で存在する。

合金は、ガス噴霧（ａｔｏｍｉｓｉｎｇ）または水噴霧または溶融紡糸（ｍｅｌｔ−ｓｐｉｎｎｉｎｇ）により製造され得る。

上述のように、ろう付け温度は、好ましくは、ろう付けされる部品の材料の固有固相線温度未満である。ろう付けサイクル（ｂｒａｚｉｎｇ ｃｙｃｌｅ）は、ろう付け材料の溶融と固化の両方を含む。極めて特定の材料に対しては、溶融温度および固化温度は同じとなり得るが、通常の状況では、材料は溶融温度範囲内で溶融し、別の固化温度範囲内で固化する。固相状態と液相状態との間の温度範囲は、本明細書において、固相状態と液相状態との間の温度差として定義され、℃の数として測定される。したがって、本発明のろう付け材料は、固相状態と液相状態との間の温度範囲を有し、これは、本発明の１つの代替の態様によれば、２００℃の温度範囲内であってもよい。別の代替の態様によれば、合金は、１５０℃の温度範囲内に固相線温度および液相線温度を有してもよい。別の代替の態様によれば、合金は、１００℃の温度範囲内に固相線温度および液相線温度を有してもよい。本発明の別の代替の態様によれば、合金は、７５℃の範囲内に固相線温度および液相線温度を有してもよい。本発明の別の代替の態様によれば、合金は、５０℃の範囲内に固相線温度および液相線温度を有してもよい。

本発明のさらなる代替の態様によれば、鉄系ろう付け材料は、ペーストとして製造されてもよい。本発明の鉄系ろう付けペーストは、鉄系ろう付け材料と、水性結合剤系（ａｑｕｅｏｕｓ ｂｉｎｄｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）または有機結合剤系（ｏｒｇａｎｉｃ ｂｉｎｄｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）とを含んでもよい。結合剤系は、親水性または疎水性、すなわち水系（ｗａｔｅｒ−ｂａｓｅｄ）または油系（ｏｉｌ−ｂａｓｅｄ）であってよい溶剤を含むことができる。油系結合剤は、中でもポリ（メタ）アクリレート等のポリマーであっても、セルロース誘導体、デンプン、ワックス等のバイオポリマーであってもよい。別の代替の態様によれば、本発明の鉄系ろう付けペーストは、鉄系ろう付け材料と、水、油またはこれらの組合せ等の溶剤をベースとした水性結合剤系もしくは有機結合剤系とを含んでもよい。ペーストに含まれる合金は、粉末、顆粒（ｇｒａｎｕｌｅｓ）等の形状であってもよい。

本発明はまた、本発明のろう付け材料をステンレススチールの部品に付けるステップ（ｉ）と、任意選択で該部品を組み立てるステップ（ｉｉ）と、ステップ（ｉ）またはステップ（ｉｉ）からの部品を、非酸化雰囲気中、還元雰囲気中、真空中、またはこれらの組合せにおいて、少なくとも２５０℃までの温度に少なくとも１０分間加熱し、次いで、１０８０℃未満の温度まで少なくとも１０分間該部品を加熱し、次いで、約１２００℃未満の温度まで少なくとも５分間該部品を加熱し、次いで、該部品を冷却するステップ（ｉｉｉ）と、任意選択で、ステップ（ｉ）、ステップ（ｉｉ）、およびステップ（ｉｉｉ）のうちの１つまたは複数を繰り返すステップ（ｉｖ）とを含む、ステンレススチールの物品（ａｒｔｉｃｌｅｓ）をろう付けする方法に関する。ろう付けされる異なる製品は、異なるろう付けの手順を必要とし、ある製品は単にステップ（ｉ）、ステップ（ｉｉ）、およびステップ（ｉｉｉ）を施すことによりろう付けされ得るが、他の製品はより複雑であり、ステップ（ｉｖ）に示されるように、ステップ（ｉ）、ステップ（ｉｉ）、およびステップ（ｉｉｉ）のうちの１つまたは複数が繰り返される必要がある。

本発明の代替の態様によれば、前記方法は、ステップ（ｉｉｉ）において、部品が、非酸化雰囲気中、還元雰囲気中、真空中、またはこれらの組合せにおいて、少なくとも２５０℃の温度まで少なくとも１０分間加熱され、次いで、１０８０℃未満の温度まで少なくとも３０分間該部品を加熱し、次いで、約１１００℃を超える温度まで７２０分未満の間該部品を加熱し、次いで該部品を冷却するステップを含んでもよい。

本発明の１つの代替の態様によれば、約１１００℃を超える温度までの部品の加熱は、部品を冷却する前３６０分未満の間であってもよい。本発明の別の代替の態様によれば、約１１００℃を超える温度までの部品の加熱は、部品を冷却する前１８０分未満の間であってもよい。

本発明の１つの代替の態様によれば、前記方法はまた、ステップ（ｉｉｉ）において、部品が、約１０４０℃から約１１９０℃の範囲内の温度で、３０分未満の間ろう付けされることを含んでもよい。

本発明の別の代替の態様によれば、前記方法はまた、ステップ（ｉｉｉ）において、部品が、約１０４０℃から約１１９０℃の範囲内の温度で、２０分未満の間ろう付けされることを含んでもよい。

本発明のさらに別の代替の態様によれば、前記方法はまた、ステップ（ｉｉｉ）において、部品が、約１０４０℃から約１１９０℃の範囲内の温度で、少なくとも１分間ろう付けされることを含んでもよい。

本発明のさらに別の代替の態様によれば、前記方法はまた、ステップ（ｉｉｉ）において、部品が、約１１００℃から約１１８０℃の範囲内の温度で、少なくとも１分間ろう付けされることを含んでもよい。

本発明のさらなる代替の態様によれば、前記方法はまた、ステップ（ｉｉｉ）において、部品が、少なくとも５分間、１１００℃を超える温度まで加熱される前に、１０５０℃未満の温度まで、予熱されることを含んでもよい。次いで部品は、９５０℃を超える温度で少なくとも２０分の累積時間加熱処理され、これはろう付けサイクル中に行われてもよいが、例えば第２の加熱源で、ろう付け後に行われてもよい。

他の代替の態様によれば、ろう付け材料は、例えば塗料吹付器、ローラー塗装、はけ塗り、高速ガス炎溶射法（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙｇｅｎ ｆｕｅｌ、ＨＶＯＦ）等の溶射等により、接合させる表面上に粉末としてスプレーされてもよく、または、表面、接合部等が溶融物により被覆されてもよい。

鉄系ろう付けフィラー材料は、毛管力遮断部（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｆｏｒｃｅ ｂｒｅａｋｅｒ）の補助により、平面または広い表面に付けられ得る。毛管力遮断部は、溝（ｇｒｏｏｖｅｓ）、跡（ｔｒａｃｅｓ）、パス（ｐａｔｈｓ）、通路（ｐａｓｓａｇｅｓ）、Ｖ字もしくはＵ字形状の軌跡（ｔｒａｃｋｓ）、または経路（ｐａｔｈｗａｙｓ）等の形状、あるいは網目（ｎｅｔｓ）等の形状であってもよい。鉄系ろう付けフィラー材料は、毛管力遮断部の中、すなわち、溝、跡、パス、通路、Ｖ字もしくはＵ字形状の軌跡、経路、網目等の中に付けられてもよく、または、ろう付けフィラー材料は、毛管力遮断部の近くに付けられてもよい。加熱の間、付けられた鉄系ろう付けフィラー材料は、毛管力が遮断され（ｂｒｏｋｅｎ）得る領域に流動して、互いに隣接する表面同士をろう付けする。したがって、ろう付けされた領域は、それ以外の場合には均一にろう付けすることが困難な平面との間のろう付けされた、封止された、または密着した頸部（ｃｅｒｖｉｃｅｓ）、接合部等を提供する。毛管力遮断部はまた、大きな頸部を有する表面、普通ではない形状を有する部品等のろう付けを可能にする。

毛管力遮断部の近くの２つの部品間にろう付け材料が付けられると、流動する粘凋性のろう付け材料は、毛管力遮断部の周縁部で流動する動きを止め、硬化する（ｓｅｔ）。反応器チャネル（ｒｅａｃｔｏｒ ｃｈａｎｎｅｌ）が毛管力遮断部として機能してもよい。反応器チャネルを有するプレートに、ろう付け材料が付けられ、バリアプレート（ｂａｒｒｉｅｒ ｐｌａｔｅ）等が反応器チャネルプレートと接触した状態で設置される。流動するろう付け材料は、反応器チャネルの境界で停止して硬化し、反応器チャネルを硬化したろう付け材料で満たすことなく反応器プレートをバリアプレートに封止する。

ろう付け材料が２つの境界表面の間をどの程度の距離まで流動するかは、ろう付け材料の硬化時間、表面間の距離、およびろう付け材料の量に一部依存する。ろう付け材料は、ろう付けされるそれぞれの表面に「張り付く（ｓｔｉｃｋｓ）」ため、表面間の中間のスペースがより小さくなる。中間スペースがより小さくなると同時にろう付け材料が硬化すると、ろう付け材料が間を流動することもより困難となる。ろう付け材料の所望量が、説明された手法のいずれかまたは他の手法で互いにろう付けされる接触点に供給される。ろう付け材料は、接触接合点よりも幾分広い領域を覆うことができる。接触接合点は、少なくとも０．５ｍｍの直径を有することができる。ろう付けプロセスは金属プロセスであり、ろう付けのためのそれぞれの表面は金属材料の形態を呈するため、ろう付けプロセス中の鉄系ろう付け材料は、互いにろう付けされる境界表面で拡散する。２つの接合された表面の間の接合部または継ぎ目は、本発明の１つの態様によるろう付けプロセスの間に多かれ少なかれ「消失」する。ろう付けされた継ぎ目は金属部品の表面とともに一体化し、合金の材料組成の変化はごく僅かである。

ろう付けの間、ろう付け材料は、毛管力によって、ろう付けにより接合される領域に移動する（ｍｉｇｒａｔｅ）。本発明によるろう付け材料は、良好なぬれ能力および良好な流動能力を有し、これにより、ろう付け領域の周りの残留した合金が少量となる。１つの代替の態様によれば、ろう付け後の残留した合金は、付けられた表面上に０．１ｍｍ未満の厚さを有する。

本発明はまた、本発明の方法により得られるステンレススチールの物品に関する。本発明はさらに、少なくとも１つのステンレススチールの基材と、ろう付けされた本発明のろう付け材料とを含む、ステンレススチールのろう付けされた物品に関する。

１つの代替の態様によれば、物品または部品は、反応器、分離器、カラム（ｃｏｌｕｍｎ）、熱交換器、あるいは、化学工場もしくは食品工場用の、または自動車産業用の機器から選択され得る。別の代替の態様によれば、物体（ｏｂｊｅｃｔ）は、熱交換器、プレート反応器、またはこれらの組合せであってもよい。本発明の別の代替の態様によれば、ろう付けされた物品は、分離器内で使用されるペアリングディスク（ｐａｒｉｎｇ ｄｉｓｃ）であってもよい。１つの代替の態様によれば、物品は、ろう付けされた熱交換器プレート、ろう付けされた反応器プレート、またはこれらの組合せであってもよい。

部品が熱交換器プレートである場合、プレートは、エンドプレート（ｅｎｄｐｌａｔｅｓ）、アダプタプレート（ａｄａｐｔｏｒ ｐｌａｔｅｓ）、シーリングプレート（ｓｅａｌｉｎｇ ｐｌａｔｅｓ）、フレームプレート（ｆｒａｍｅ ｐｌａｔｅｓ）等であってもよく、熱交換システムを構成することができる。熱交換器プレートのそれぞれは、少なくとも１つのポート陥凹部（ｐｏｒｔ ｒｅｃｅｓｓ）を含み、該ポート陥凹部は、プレートが互いの上に設置された際に共にポートチャネル（ｐｏｒｔ ｃｈａｎｎｅｌ）の部分を形成する。プレートは、熱交換器内のプレートスタックまたはプレートパックとして積み重ねられる。プレートパッケージは、プレートの間に、多数の媒体を収容する多数のチャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）を含む。隣接したチャネル内の媒体は、従来の様式で熱伝達プレートを介した温度伝達に使用される。プレートは、縁を備えてもよく、該縁は、一部が下方に向かい、プレートスタックにおける隣接した熱伝達プレートの縁部の上方まで延在してもよい。プレートの縁は、プレート間にチャネルが形成され得るように隣接した熱伝達プレートに対して封止する。このチャネルは、媒体の流動を許容するか、または流動が生じず、したがってチャネルが空となるように閉じる。プレートパッケージおよびポート領域を強化するために、アダプタプレートまたはエンドプレートをパッケージに取り付けることができる。エンドプレートまたはアダプタプレートの表面は、表面間の接触面が最大化され得るように平面であってもよい。上述されたように、プレート上のそれぞれのポート陥凹部が一致し、これによりチャネルを形成する。したがって、このポートチャネルの内側に、２つのプレート間の接合部がある。この接合部での漏れを防止するため、ろう付け材料は、プレート間のポート領域の周りに付けられ得る。ろう付け材料は、毛管力遮断部内またはその近くに設置されてもよく、それはプレート間のポート領域の周りに全体的または部分的に延在してもよい。プレートパッケージにおいて、ろう付け材料は、プレートの異なる事前設計されたまたは所定の部分の上に付けられてもよい。ろう付けプロセスの間、ろう付け材料は粘凋性となり、毛管力の作用により付けられた部分からプレート間に流出する。所定の場所にろう付け材料を付ける利点により、ろう付け材料の容積および量を制御し、表面のどの部分をろう付けし、どの部分をろう付けしないかを制御することが可能となる。熱交換器をろう付けする際、少なくとも３つの熱交換器プレートが必要であるが、いくつかのプレートを互いにろう付けするのが普通である。本発明の１つの代替の態様によれば、同じオーブン内で同時にいくつかのプレートのプレートパックが互いにろう付けされる。

本発明のろう付け方法は、そのすべての部品で組み立てられた物品を同時にろう付けすることを含んでもよく、または、例えば、各ろう付けサイクルにおいて同じ種類のろう付け材料を使用して、まず部品が組み立てられて互いにろう付けされ、次いでさらなる部品とともに組み立てられて互いにろう付けされる等、物品は段階的にろう付けされてもよい。

独立請求項および従属請求項において、さらなる発展型が特定される。

以下の例を用いて、本発明をより詳細に説明する。例の目的は、本発明のろう付け材料を試験することであり、本発明の範囲を制限することを意図しない。

例１
本発明のろう付け材料の固相線および液相線温度をチェックするために、試験試料１から４を作製した。試験試料の組成を表１にまとめる。

試料の液相線および固相線温度を、示差熱分析（ＤＴＡ）を用いて試験した。分析時に使用した雰囲気はアルゴンであった。１０℃／分の加熱および冷却速度で試験を行った。液相線温度は、それを超えると物質が完全に液体である温度である。固相線温度は、それを下回ると物質が完全に固体である温度である。固相線および液相線温度の値は、溶融プロセスが開始および終了する点の推定により確定された。

推定は、ＤＴＡ曲線として測定され記録された融解曲線の近似により行った（図１参照）。溶融プロセスは、ＤＴＡ曲線において、加熱曲線の勾配の変化により観察することができる。プロセスが完了すると、勾配は再び一定となる。溶融プロセスの開始および終了を確定するために、電圧降下ピーク（２）上の接線（１）を引くことにより近似を行った。基線上の接線（３）を引き、接線（１）および（３）が互いに交差する点が、溶融範囲の近似端点値となる。

各試料の固相線温度および液相線温度を上述のように計算し、表２にまとめる。

試験は、固相線温度と液相線温度との間の差が驚くほど狭いことを示している。

例２
本発明のろう付け材料のろう付け部分を有する接合部の引張強度をチェックするために、試験試料５から８を作製した。ろう付けされていないろう付け材料の試験試料の組成を表３にまとめる。

小さいプレス（ｐｒｅｓｓｅｄ）プレートのろう付け試験品を作製することにより、ろう付け材料を試験した。次いでろう付けされた試料の引張試験を行った。結果を表４にまとめる。

表４から見ることができるように、少量、すなわち１．２ｗｔ％未満のＳｉ、および多量のリンを有するろう付け材料でろう付けされた試料に対する引張試験結果（試料番号５および６を参照）は、より多量のＳｉを有するろう付け材料でろう付けされたもの（試料７および８を参照）よりもずっと強度が低かった。例１および例２は共に、驚くべきことに、Ｐの量を減らしＳｉの量を増やすと、引張強度の増加および溶融温度の低下がもたらされることを示しており、また小さい溶融温度間隔が見られた。

例３
ろう付けされた試作品に対し性能をチェックすることを目的として、本例において、ろう付けフィラー材料の試験試料を比較した。試験試作品を、ろう付けフィラーの異なる試験試料でろう付けした。これらの試験において使用される試作品は、ろう付けされたプレート熱交換器であった。試作品はすべて、同一のプレート、接続部（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ）、強化材（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ）等、同一の部品で製造された。すべては、試作品を可能な限り同一とするために行った。試作品の間の唯一の差は、ろう付けフィラーおよびろう付けサイクルであった。異なるろう付けフィラーは異なるろう付けサイクルを有するため、ろう付けサイクルの差は必然である。３種の異なるろう付けフィラーを使用し、フィラーＡは純銅（Ｃｕ）ろう付けフィラーであり、（本発明による）フィラーＢおよびＣは、以下の表５に記載する。不可避の量の混入元素は表に記載されていない。

次いで、ろう付けされた熱交換器試作品を、その破裂圧力、圧力疲労、および温度疲労により評価した。破裂圧力試験は、破壊まで圧力を増加させることにより行い、圧力疲労試験は、破壊まで一連の（ｓｅｔ）圧力変動で圧力を交互させることにより行い、温度疲労試験は、破壊まで一連の（ｓｅｔ）温度変動および温度の加熱／冷却速度で温度を交互させることにより行った。試験の結果を表６にまとめる。

破裂圧力試験の結果は、フィラーＣが最も低い機械的特性を有することを示している。試験は、フィラーＣの温度疲労性能が最も高く、また圧力疲労性能も最も高いことを示した。３種類のフィラーのうちフィラーＣが最も低い破裂圧力を有していたことから、その新たなフィラーにおいて温度および圧力疲労性能の両方が最高となり得ることは予想されなかったため、この結果は非常に驚くべきことであった。

極めて良好な疲労結果の理由の１つは、ろう付けフィラーの特性の組合せである。例えば、本発明の新たなろう付けフィラーは、優れた濡れ性および流動性を有し、これらの特性は、ろう付けされた接合部において均一に負荷を分散させ、疲労亀裂発生の危険性を低減する、滑らかな（ｓｍｏｏｔｈ）ろう付け接合部をもたらす。フィラーの良好な濡れ性および流動性はまた、負荷面積を増加させることにより全体的な応力を低下させる広いろう付け接合部をもたらす。

フィラーの良好な流動性および濡れ性はまた、金属組織解析により確認された。微細構造等を精査するために、ろう付け後に試作品のいくつかを断面化し、研磨し（ｇｒｉｎｄ）、警備した（ｐｏｌｉｃｅｄ）。すると、流動性および濡れ性が非常に良好であることが観察され、ろう付け接合部周囲の表面上に残るろう付けフィラーの残留物が極微量であることがわかった。毛管力により、ほぼすべてのフィラーがろう付け接合部に流動した。この精査により、ろう付けフィラーの残留物はほとんど基材表面上に残らず、ほぼすべてがろう付け接合部に見られることが確認された。当然ながら、ろう付けフィラーと基材との間の濡れ角に従い、ろう付け接合部はその形状を適応させるため、ろう付け接合部の近くの基材表面上にはろう付けフィラーが存在し、したがってこのフィラーもろう付け接合部として画定される（ｄｅｆｉｎｅｄ）。

表面上のろう付けフィラーの残留物を測定した。ろう付けフィラーの残留物の測定は、ろう付け前にろう付けフィラーの０．２ｍｍを超える厚さの層が付けられた領域に対して行った。ろう付けフィラーを用いたろう付け後に断面を精査した。試験結果は、残留物の厚さが０．０１ｍｍ、０．０３ｍｍ、０．０１ｍｍ未満、０．０２ｍｍ、０．０１ｍｍ未満、０．０２ｍｍ、０．０１ｍｍ未満であったことを示した。これらの測定値は、残留物の厚さが、他の試験された鉄系ろう付けフィラーに基づく予測（この鉄系ろう付けフィラーは、約０．１５ｍｍの残留物厚さを有する可能性があった）よりもずっと薄いことを示した。これらの測定値とは異なる他の領域は、ろう付けの間フィラーが毛管接触を全く有さなかった箇所であるか、または毛管がすでにろう付けフィラーで満たされていたことによるものである。

固相線および液相線温度の推定のための融解曲線を示すグラフである。

Claims (16)

1. 本質的に、
   （ｉ）１５ｗｔ％から３０ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）と；
   （ｉｉ）０ｗｔ％から５．０ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）と；
   （ｉｉｉ）９ｗｔ％から３０ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）と；
   （ｉｖ）０ｗｔ％から４．０ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）と；
   （ｖ）０ｗｔ％から１．０ｗｔ％の窒素（Ｎ）と；
   （ｖｉ）１．０ｗｔ％から７．０ｗｔ％のシリコーン（Ｓｉ）と；
   （ｖｉｉ）０ｗｔ％から０．２ｗｔ％のホウ素（Ｂ）と；
   （ｖｉｉｉ）１．０ｗｔ％から７．０ｗｔ％のリン（Ｐ）と；
   任意選択で、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、およびタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１種または複数種の元素のそれぞれの０．０ｗｔ％から２．５ｗｔ％とを含有する合金を含む、鉄系ろう付け材料であって；該合金のうちの残りは、Ｆｅおよび不可避の少量の混入元素であり；ＳｉおよびＰは、融点を低めるために有効な量で存在し、そして該合金は、２００℃の範囲内に固相線温度および液相線温度を有する、鉄系ろう付け材料。
2. 前記混入元素が、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、および硫黄（Ｓ）のうちのいずれか１種である、請求項１に記載のろう付け材料。
3. クロムが、約１８ｗｔ％から約２６ｗｔ％の範囲内であるか、またはニッケルが、約９．０ｗｔ％から約２０ｗｔ％の範囲内であるか、またはモリブデンが、約０．５ｗｔ％から約３．５ｗｔ％の範囲内であるか、またはマンガンが、約０．１ｗｔ％から約５．０ｗｔ％の範囲内であるか、またはこれらの組合せである、請求項１または２に記載のろう付け材料。
4. シリコーンが、約２．０ｗｔ％から約６．０ｗｔ％の範囲内であるか、またはホウ素が、約０ｗｔ％から約０．１ｗｔ％の範囲内であるか、またはリンが、約２．０ｗｔ％から約６．０ｗｔ％の範囲内であるか、またはこれらの組合せである、請求項１、２、または３に記載のろう付け材料。
5. シリコーンが、約２．５ｗｔ％から約６．０ｗｔ％の範囲内であり、リンが、約３．５ｗｔ％から約６．０ｗｔ％の範囲内である、前記請求項のいずれか一項に記載のろう付け材料。
6. 本質的に、
   （ｉｘ）１６ｗｔ％から１８ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）と；
   （ｘ）１．５ｗｔ％から２．０ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）と；
   （ｘｉ）１１ｗｔ％から１７ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）と；
   （ｘｉｉ）１．５ｗｔ％から２．５ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）と；
   （ｘｉｉｉ）０ｗｔ％から１．０ｗｔ％の窒素（Ｎ）と；
   （ｘｉｖ）３．０ｗｔ％から５．０ｗｔ％のシリコーン（Ｓｉ）と；
   （ｘｖ）０ｗｔ％から０．２ｗｔ％のホウ素（Ｂ）と；
   （ｘｖｉ）４．０ｗｔ％から５．５ｗｔ％のリン（Ｐ）と；
   任意選択で、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、およびタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１種または複数種の元素のそれぞれの０．０ｗｔ％から２．５ｗｔ％とを含有する合金を含む、鉄系ろう付け材料であって；該合金のうちの残りは、Ｆｅおよび不可避の少量の混入元素であり；ＳｉおよびＰは、融点を低めるために有効な量で存在する、鉄系ろう付け材料。
7. 前記合金が、２００℃の範囲内に固相線温度および液相線温度を有する、請求項６に記載のろう付け材料。
8. 前記合金が、ガス噴霧または水噴霧または溶融紡糸により生成される、前記請求項のいずれか一項に記載のろう付け材料。
9. 前記合金が、１５０℃の範囲内に固相線温度および液相線温度を有する、前記請求項のいずれか一項に記載のろう付け材料。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のろう付け材料をステンレススチールの部品に付けるステップ（ｉ）と；任意選択で該部品を組み立てるステップ（ｉｉ）と；ステップ（ｉ）またはステップ（ｉｉ）からの部品を、非酸化雰囲気中、還元雰囲気中、真空中、またはこれらの組合せにおいて、少なくとも２５０℃の温度まで少なくとも１０分間加熱し、次いで、１０８０℃未満の温度まで少なくとも１０分間該部品を加熱し、次いで、約１２００℃未満の温度まで少なくとも５分間該部品を加熱するステップ（ｉｉｉ）と；任意選択で、ステップ（ｉ）、ステップ（ｉｉ）、およびステップ（ｉｉｉ）のうちの１つまたは複数を繰り返すステップ（ｉｖ）とを含む、ステンレススチールの物品をろう付けする方法。
11. ステップ（ｉｉｉ）において、部品が、非酸化雰囲気中、還元雰囲気中、真空中、またはこれらの組合せにおいて、少なくとも２５０℃の温度まで少なくとも１０分間加熱され、次いで、１０８０℃未満の温度まで少なくとも３０分間該部品を加熱し、次いで、約１１００℃を超える温度まで７２０分未満の間該部品を加熱し、次いで該部品を冷却する、請求項１０に記載のろう付けする方法。
12. ろう付け後の残留した合金が、ステップ１において付けられた合金の５０％未満である、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 請求項１０、１１、または１２に記載の方法により得られる、ろう付けされた物品。
14. ろう付け後の合金が、１つまたは複数のろう付け接合部に位置し、ろう付けフィラーの０．１ｍｍ未満が、表面上の残留物として残される、請求項１３に記載のろう付けされた物品。
15. プレート熱交換器である、請求項１３または１４に記載のろう付けされた物品。
16. 請求項１から９のいずれか一項に記載の鉄系ろう付け材料と、水系もしくは油系またはこれらの組合せの、水性結合剤系もしくは有機結合剤系とを含むペーストであって、油系結合剤は、ポリ（メタ）アクリレート等のポリマー、セルロース誘導体、デンプン、ワックス等のバイオポリマー、またはこれらの組合せであってもよい、ペースト。

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