KR20190109225A - 확산 접합 지그용 스테인리스강재 - Google Patents

Abstract

피접합재의 확산 접합성을 유지한 채로 피접합재의 변형이 억제되고, 확산 접합 처리 후의 이형성(피접합재와 이형 부재와의 박리성)이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재를 제공한다.
본 발명은 Si를 1.5질량% 이상 함유하는 스테인리스강재로서, 상기 스테인리스강재의 1000℃에서의 고온 강도(Fr)와 확산 접합에 의해 접합되는 피접합재(1)의 1000℃에서의 고온 강도(Fp)와의 비(Fr/Fp)가 0.9 이상인, 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재이다. 상기 스테인리스강재는 C: 0.1질량% 이하, Si: 1.5∼5.0질량%, Mn: 2.5질량% 이하, P: 0.06질량% 이하, S: 0.02질량% 이하, Ni: 8.0∼15.0질량%, Cr: 13.0∼23.0질량%, N: 0.2질량% 이하를 포함하는 것이 바람직하다.

Description

확산 접합 지그용 스테인리스강재

본 발명은 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재에 관한 것이다. 또, 본 발명은 확산 접합에 의한 제조 방법에 적합한 이형 부재에 관한 것이다.

열교환기에는 여러 가지 타입이 존재한다. 그 중에서 플레이트식 열교환기(평판형 열교환기)는 열교환 성능이 높고, 설치나 보수 점검이 용이하기 때문에, 전기 급탕기, 산업용 기기, 자동차 공조 장치 등에 널리 사용되고 있다. 플레이트식 열교환기는 복수의 금속 박판(플레이트)을 중첩시킨 구조를 갖추고 있고, 적층한 플레이트 사이에 고온 매체의 통로와 저온 매체의 통로를 교대로 인접하도록 형성하여, 개개의 플레이트를 통해서 고온 매체와 저온 매체의 사이에 열교환 작용을 하도록 구성되어 있다.

복수의 플레이트를 적층시켜서 조립하는 방법으로는, 예를 들면, 특허문헌 1에는 가스킷과 나사에 의한 체결, 용접, 납땜 등의 접합 방법이 기재되어 있다. 중소형 열교환기에 대해서는, 내압성을 고려해서 납땜으로 접합되는 경우가 많다. 그러나 물결 모양의 플레이트를 적층해서 납땜으로 접합하면, 접합 시에 생기는 용손(溶損), 땜납부 균열, 용융한 땜납에 의한 유로 매몰 등, 납재 특유의 접합 문제가 생기는 경우가 있다.

여기서, 납땜법으로 바꾸어 확산 접합법의 적용이 검토되고 있다. 확산 접합은 진공 또는 불활성 분위기 중의 고온 압력하에서 접합 계면에 생기는 모재 원자의 상호 확산을 이용하여 접합하는 방법이다. 확산 접합된 접합부는 모재 수준의 강도 및 내식성을 얻을 수 있다.

확산 접합을 실시할 때는, 적층한 피접합 부재를 가압 수단으로 가압하고, 가압된 상태를 소정 시간 유지한다. 피접합 부재와 가압 수단의 사이에는 인접판이나 스페이서 등의 이형 부재를 사이에 두고 확산 접합하는 경우가 있다. 이 이형 부재로서는, 확산 접합시의 온도에 대해서 내열성이 있고 파손되지 않을 것이 요구되므로, 탄소재가 사용된다. 예를 들면, 특허문헌 2에는 탄력성을 가지는 탄소 시트를 이용한 확산 접합 수단이 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2010-85094호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2014-128815호

그런데 열교환기의 내구성 향상의 관점에서, 금속판으로서 내식성이 뛰어난 스테인리스강판이 이용되고 있다. 스테인리스강판으로 이루어지는 플레이트재를 적층시켜서 확산 접합시킬 때, 플레이트재에 인접하는 이형 부재로서 탄소재를 이용하면, 스테인리스강과 탄소의 반응이 생기기 때문에, 확산 접합 처리를 완료한 후에 플레이트재로부터 이형 부재를 떼어내기 어렵게 되어, 양 부재의 이형성이 저하한다. 또, 스테인리스강 중에 탄소가 침투하는 침탄에 기인해서, 플레이트재의 내식성이 저하하거나 플레이트재의 표면 거칠기가 커져서 표면 성상이 저하되는 문제가 있었다.

또한, 확산 접합에서는 핫 프레스 장치 등을 이용해서 피접합재에 가압 및 가열할 필요가 있기 때문에, 피접합재의 플레이트는 고압 및 고온하에 유지된다. 또, 열교환기의 본체 내에 유로를 형성하는 플레이트재는 유로 측에 비접합면 부분을 가지기 때문에, 다른 플레이트재에 비해서 주위로부터 구속되는 정도가 작다(도 3의 (A)를 참조). 그 때문에, 예를 들면 도 3의 (B)에 나타내듯이, 확산 접합 처리의 가열에 의해서, 상기 비접합면 부분에서 플레이트재를 유로측으로 팽창시키는 열변형이 일어나는 경우가 있고, 그 열팽창의 정도에 따라서는, 확산 접합 처리의 완료 후에 냉각해도 변형 부분이 복원되지 않는다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것이다. 피접합재의 확산 접합성을 유지한 채로 피접합재의 변형이 억제되어, 확산 접합 처리 후의 이형성(피접합재와 이형 부재와의 박리성)이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 피접합재(플레이트재)에 직접 접촉하는 이형 부재의 재질이나 특성에 착안했다. 이형 부재의 구성 재료로서 피접합재와 반응하지 않는 재질이고, 확산 접합 후의 변형 억제에 적합한 재질을 선택함으로써, 상기 목적을 달성할 수 있다는 점을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 구체적으로는, 본 발명은 이하의 것을 제공한다.

(1) 본 발명은 Si를 1.5질량% 이상 함유하는 스테인리스강재로서, 상기 스테인리스강재의 1000℃에서의 고온 강도(Fr)와 확산 접합에 의해 접합되는 피접합재의 1000℃에서의 고온 강도(Fp)와의 비(Fr/Fp)가 0.9 이상인, 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재이다.

(2) 본 발명은, 상기 스테인리스강재는 C: 0.1질량% 이하, Si: 1.5∼5.0질량%, Mn: 2.5질량% 이하, P: 0.06질량% 이하, S: 0.02질량% 이하, Ni: 8.0∼15.0질량%, Cr: 13.0∼23.0질량%, N: 0.2질량% 이하를 포함하는, 상기 (1)에 기재한 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재이다.

(3) 본 발명은, 상기 스테인리스강재는 Mo: 3.0질량% 이하, Cu: 4.0질량% 이하, Nb: 0.8질량% 이하, Ti: 0.5질량% 이하, V: 1.0질량% 이하, 및 B: 0.02질량% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 상기 (2)에 기재한 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재이다.

(4) 본 발명은, 상기 스테인리스강재는 Al: 0.2질량% 이하, REM: 0.2질량% 이하, Y: 0.2질량% 이하, Ca: 0.1질량% 이하, 및 Mg: 0.1질량% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 상기 (2) 또는 (3)에 기재한 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재이다.

(5) 본 발명은, 상기 (1)∼(4)의 어느 하나에 기재한 스테인리스강재로 구성된 이형 부재이다.

본 발명은, 상기 구성을 갖춘 피접합재와 이형 부재의 조합을 사용함으로써, 피접합재의 확산 접합성을 유지한 채로 피접합재의 변형이 억제되어, 확산 접합 처리를 한 후의 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재를 제공할 수 있다.

도 1은 핫 프레스 장치내에서의 피접합재의 실시형태를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 실시예에서의 확산 접합 처리의 가열 및 냉각 패턴을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예에서의 변형량의 측정 방법을 설명하기 위한 모식도이다. (A)는 확산 접합 전의 시험 조립체를 세팅한 상태를 나타내는 도면이고, (B)는 확산 접합 후의 플레이트재가 변형된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예에서의 이형성에 관한 측정 방법을 설명하기 위한 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 본 발명은 이들 기재에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 실시형태는, 스테인리스강으로 이루어지는 복수의 피접합재를 적층하여 가열 및 가압하고, 상기 피접합재를 확산 접합시키는 열교환기의 제조 방법에서 사용되는 확산 접합용 지그에 관한 것이다. 상기 제조 방법은 상기 피접합재의 양면에 이형 부재를 배치함과 함께, 상기 이형 부재를 통해서 상기 피접합재를 사이에 끼우듯이 누름 지그를 배치한 후, 상기 누름 지그를 통해서 가압 장치로 가압함으로써, 피접합재인 플레이트재를 확산 접합시켜서 열교환기를 제조하는 것이다. 본 실시형태에서는 확산 접합용 지그의 이형 부재를 플레이트재와 누름 지그 사이에 배치하고 있다.

(피접합재)

도 1에 확산 접합의 처리에 제공되는 피접합재에 관한 개요를 나타낸다. 확산 접합을 실시하는 장치로서는, 소정의 분위기 내에서 가압 및 가열할 수 있는 핫 프레스 장치 등이 이용된다. 확산 접합되는 피접합재(플레이트재)는 복수 매의 플레이트재를 중첩해서 적층된 적층체로서 준비되고, 가압 가열 장치 내에 장전된다. 그리고 상기 적층체의 양면에 접하도록 이형 부재가 배치된다. 도 1은 4매의 플레이트재(1)를 중첩시킨 플레이트 적층체(2)를 이용한 예이다. 가압 가열 장치 내에서는 플레이트 적층체(2)의 바깥쪽에 배치한 2매의 이형 부재(3) 각각과 접하도록 누름 지그(4)가 배치된다. 상기 누름 지그(4)는 가압 장치의 가압축(5)에 연결되어 있다. 가압 기구(도시하지 않음)를 작동하면, 가압축(5)을 통해서 누름 지그(4)가 플레이트 적층체(2)를 사이에 끼우듯이 가압하고, 플레이트재(1)에 대해서 소정의 압력이 가해져서 가압 상태가 소정 시간 유지된다. 진공 또는 불활성 분위기를 유지하는 가압 가열 장치 내에서는 피접합재의 상기 플레이트 적층체(2)에 소정의 조건으로 가압 및 가열되어, 플레이트재(1)는 확산 접합된다. 또한, 플레이트재는 4매로 한정되지 않는다. 복수 개의 플레이트 적층체를 이용해서 각 플레이트 적층체 사이에 이형 부재를 삽입한 조립체를 접합해도 좋다. 또, 도 1에 나타낸 플레이트재(1)는 안쪽의 2매에 유로(도시하지 않음)를 형성하고 있기 때문에, 바깥쪽의 2매보다 두께가 커지고 있다. 유로의 편성에 대해서도 도 1에 나타낸 구조에 한정되지 않는다.

가압 장치는 서보, 스프링, 추 등의 가압 기구를 구비한 것이면 좋다. 확산 접합 후에 피접합재와 이형 부재를 쉽게 떼어낼 수 있도록, 확산 접합하기 전에 이형 부재의 표면에 이형제를 도포해도 좋다.

복수의 플레이트재가 적층되어 이루어지는 열교환기는, 플레이트재에 의해서 형성된 가느다란 유로를 유체가 통과하고, 각 플레이트재를 통해서 고온측 유체와 저온측 유체의 사이에 열교환이 이루어진다. 그렇기 때문에, 플레이트재에는 고온역에서의 기계적 강도(고온 강도)와 내식성이 양호할 것이 요구된다. 그 관점에서, 본 실시형태는 내열성과 내구성이 뛰어난 스테인리스강을 플레이트재에 사용하고 있다. 또한, 열교환 성능을 높이고 박판 형상으로 하는 것이 바람직하다.

(이형 부재)

본 실시형태는, Si를 1.5질량% 이상 함유하는 강재로 구성된 이형 부재를 사용하는 것이 바람직하다. 이형 부재는 확산 접합시의 피접합재와 인접해서 고온 고압하에 놓여져 있기 때문에, 고온에서의 파손이나 부식이 적다는 점, 피접합재와 반응하지 않는 점 등이 요구된다. 본 실시형태와 관련된 이형 부재는 피접합재와의 반응을 억제하는 관점에서, Si 함유량이 많은 강재를 이용해서 구성하는 것이 바람직하다.

(Si 함유량)

본 실시형태와 관련된 이형 부재는 Si를 1.5질량% 이상 함유하는 강재를 포함하는 것이다. Si는 산화되기 쉬운 원소로서, 이형 부재의 표면에 강고한 산화막을 형성한다. 이 Si 산화막을 통해서 이형 부재의 모재와 피접합재가 접촉하기 때문에, 이형 부재와 피접합재의 계면에서의 반응이 저해된다. 이 Si 산화막의 형성에 의해서, 양쪽 모두의 부재 사이에서의 접착이나 계면반응이 억제되기 때문에, 확산 접합 처리가 종료된 후에 피접합재로부터 이형 부재를 작은 응착력으로 쉽게 제거할 수 있다. 또, 이형 부재의 함유 성분이 피접합재의 내부에 침투하는 것도 상기 Si 산화막에 의해 저해되기 때문에, 피접합재의 스테인리스강이 가지는 양호한 내열성이나 내식성이 유지되는 동시에, 평활한 표면 성상이 유지된다. 이러한 관점에서, 이형 부재는 Si를 1.5질량% 이상 함유하는 강재를 포함하는 것이 바람직하다.

또, 이형 부재의 표면에 Si 산화막이 형성되어도, 외적 부하나 열적 팽창 수축 등에 의한 이형 부재의 형상 변화가 과대하면 상기 산화막의 부분적 파괴가 생길 가능성이 있다. 그 때는, 피접합재와 이형 부재는 상기 산화막을 통하지 않고 밀착하는 곳이 발생하기 때문에, 양 부재의 이형성이 저하할 우려가 있다. 그 관점에서도 안정되고 강고한 산화막을 형성할 수 있도록, 일정 이상의 Si 양을 함유하는 강재를 이형 부재에 적용하는 것이 바람직하다.

고온 환경에서의 기계적 강도나 내식성을 고려하면, 본 실시형태와 관련된 이형 부재의 구성 재료는, 내열성, 내구성, 성형성 등이 뛰어난 오스테나이트계 스테인리스강재가 바람직하고, 구체적으로는 다음 조성을 가지는 강재를 사용할 수 있다.

(1) C: 0.1질량% 이하, Si: 1.5∼5.0질량%, Mn: 2.5질량% 이하, P: 0.06질량% 이하, S: 0.02질량% 이하, Ni: 8.0∼15.0질량%, Cr: 13.0∼23.0질량%, N: 0.2질량% 이하를 포함하는 스테인리스강재.

(2) 상기 (1)의 조성에, Mo: 3.0질량% 이하, Cu: 4.0질량% 이하, Nb: 0.8질량% 이하, Ti: 0.5질량% 이하, V: 1.0질량% 이하, 및 B: 0.02질량% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 스테인리스강재.

(3) 상기 (1) 또는 (2)의 조성에, Al: 0.2질량% 이하, REM: 0.2질량% 이하, Y: 0.2질량% 이하, Ca: 0.1질량% 이하 및 Mg: 0.1질량% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 스테인리스강재.

상기 스테인리스강재의 함유 성분에 대해서 설명한다.

C는 고용강화에 의해 강철의 강도, 단단함을 향상시킨다. 한편, C의 함유량이 많아지면, 강철의 가공성, 인성(靭性)을 저하시키기 때문에, C 함유량은 0.1질량% 이하가 바람직하다.

Si는 상술한 바와 같이, 이형 부재 표면에서 강고한 산화막을 형성시키기 위해서 배합되고, 1.5질량% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 형성된 Si 산화막에 의해서, 이형 부재와 피접합재의 계면에서의 반응이 저해되기 때문에, 확산 접합 후에 피접합재로부터 이형 부재를 작은 응착력으로 쉽게 제거할 수 있다. 또, Si 산화막에 의해서 이형 부재의 함유 성분이 피접합재의 내부에 침투하는 것이 저해되므로, 피접합재가 가지는 양호한 내열성이나 내식성이 유지되는 동시에, 평활한 표면 성상이 유지된다. Si 함유량이 1.5질량% 미만이면, 산화막 형성에 의한 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 또, 5.0질량%를 초과해서 첨가해도, 상기 효과가 거의 포화되는 한편, 경화에 의해서 적당한 가공성을 얻을 수 없게 되기 때문에, 5.0질량% 이하로 함유하면 좋다.

Mn은 고온 산화 특성을 향상시키는 원소이다. 과다하게 함유되면, 가공 경화되어 가공성을 저하시키기 때문에, Mn 함유량은 2.5질량% 이하가 바람직하다.

Cr은 부동태 피막을 형성하여 내식성을 부여하는 원소로서, 내식성 향상을 가져온다. 13.0 질량% 미만에서는 그 효과가 충분하지 않다. 23.0질량%를 넘으면 가공성이 저하한다. 그렇기 때문에, Cr 함유량은 13.0∼23.0질량%가 바람직하다.

Ni은 오스테나이트상을 안정화시켜서 내식성을 유지하는데 필수 원소로서, 가공성에도 효과적이다. 8.0질량% 미만에서는 이들 효과가 충분하지 않고, 또 15.0질량%를 넘으면, 그 효과가 포화되어 비용이 높아지는 점에서, Ni 함유량은 8.0∼15.0질량%가 바람직하다.

P 및 S는 불가피한 불순물로 혼입한다. 그 함유량은 낮을수록 바람직하고, 가공성이나 재료 특성에 악영향을 주지 않는 범위에서, P 함유량이 0.06질량% 이하, S 함유량이 0.02질량% 이하가 각각 바람직하다.

N은 오스테나이트 안정 원소로서 유효하고, 또한 Cr, Ni과 함께 스테인리스강의 고온 강도, 내식성을 향상시킨다. 한편, 과도하게 첨가하면, 제조성을 저하시키는 점에서, N 함유량은 0.2질량% 이하가 바람직하다.

Mo, Cu는 고온 강도, 내식성 향상에 기여하는 원소이다. Mo 함유량, Cu 함유량은 모두 0.02질량% 이상이 바람직하다. 한편, Mo를 과다하게 함유시키면, 페라이트상을 형성해서 가공성을 저하시킬 가능성이 있으므로, Mo 함유량은 3.0질량% 이하가 바람직하다. Cu를 과다하게 함유시키면, 열간 가공성을 저하시키는 요인이 되므로, Cu 함유량은 4.0질량% 이하가 바람직하다.

Nb, Ti, V는 고온 강도의 향상에 유효하다. Nb 함유량은 0.01질량% 이상이 바람직하고, Ti 함유량은 0.01질량% 이상이 바람직하며, V 함유량은 0.01질량% 이상이 바람직하다. 한편, 각 원소를 과다하게 함유시키면 가공성을 저하시키므로, Nb 함유량은 0.8질량% 이하가 바람직하고, Ti 함유량은 0.5질량% 이하가 바람직하며, V 함유량은 1.0질량% 이하가 바람직하다.

B는 열간 가공성을 개선하는 원소이다. B 함유량은 0.0002질량% 이상이 바람직하다. 한편, 과다하게 첨가하면, 붕소화물가 석출되어 가공성을 저하시키므로, B 함유량은 0.02질량% 이하가 바람직하다.

Mo, Cu, Nb, Ti, V 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 첨가해도 좋다.

Al, REM(희토류 원소), Y, Ca, Mg는 내(耐)고온산화성 향상에 유효하고, 이들 원소로부터 선택되는 1종 이상을 첨가해도 좋다. Al 함유량은 0.001질량% 이상이 바람직하고, REM 함유량은 0.001질량% 이상이 바람직하며, Y 함유량은 0.0002질량% 이상이 바람직하고, Ca 함유량은 0.0002질량% 이상이 바람직하며, Mg 함유량은 0.0002질량% 이상이 바람직하다. 그러나 각 원소를 과다 함유시키면 가공성을 저하시키므로, Al 함유량은 0.2질량% 이하가 바람직하고, REM 함유량은 0.2질량% 이하가 바람직하며, Y 함유량은 0.2질량% 이하가 바람직하고, Ca 함유량은 0.1질량% 이하가 바람직하며, Mg 함유량은 0.1질량% 이하가 바람직하다.

이형 부재의 형상은 피접합재의 형상에 따라서 적당히 선택된다. 플레이트식 열교환기 플레이트재는 일반적으로 판 모양이기 때문에, 거기에 인접해서 배치되는 이형 부재는 이형판으로 사용된다. 판 두께는 2∼10mm가 바람직하고, 3∼8mm가 보다 바람직하다.

(고온 강도비)

또, 본 실시형태는 이형 부재의 1000℃에서의 고온 강도(Fr)와 피접합재의 1000℃에서의 고온 강도(Fp)와의 비(Fr/Fp)가 0.9 이상인, 피접합재와 이형 부재의 조합을 이용해서 확산 접합하는 것이 바람직하다.

이형 부재는, 확산 접합 시에 피접합재와 누름 지그의 사이에 끼워져서 고압 고온하에 노출되어 있기 때문에, 이형 부재의 고온 강도가 낮으면 변형을 일으키는 경우가 있다. 이형 부재가 변형되면, 그것이 인접하는 피접합재에 대한 가압의 균일성이 손상되어 접합부의 불량을 초래할 가능성이 있다. 여기서, 본 실시형태는 확산 접합시의 표준적인 처리 온도로 이용되는 1000℃에서의 고온 강도를 바탕으로 이형 부재의 고온 특성을 검토했다.

구체적으로는, 이형 부재의 1000℃에서의 고온 강도(Fr)와 피접합재의 1000℃에서의 고온 강도(Fp)와의 비(Fr/Fp)에 근거해서 평가했다. 이형 부재는 1000℃에서의 고온 강도비(Fr/Fp)가 0.9 이상인 강재를 이용하면 바람직하다. 이형 부재의 고온 강도가 피접합재의 고온 강도에 비해서 0.9 미만이면, 이형 부재는 누름 지그에 의한 가압에 대해서 과도한 변형이 일어날 가능성이 있다. 이형 부재의 변형으로 인하여 피접합재에 대한 가압 상태가 불균일하게 되어, 피접합재의 변형을 초래할 우려가 있다. 그 때문에, 변형을 억제하는 관점에서, 상기 고온 강도비가 0.9 이상인 이형 부재와 피접합재의 편성을 이용하는 것이 바람직하고, 1.0 이상이 보다 바람직하다.

(열팽창 계수비)

피접합재와 이형 부재는 30℃℃에서의 이형 부재의 열팽창 계수(Tr)와 피접합재의 열팽창 계수(Tp)와의 비(Tr/Tp)가 0.90∼1.60인 조합을 이용하는 것이 바람직하다. 피접합재와 이형 부재는 모두 가열 시에 열팽창하면 탄성변형이 생긴다. 쌍방 부재에 열팽창 차이가 존재하면, 쌍방이 서로의 변형을 서로 구속하여 변형이 축적되고, 변형량의 정도에 따라서는 소성 변형에 이를 가능성이 있다.

특히, 열교환기에서 열 매체 유로(중공부)를 형성하는 피접합재는, 일면측에서 이형 부재와 접촉해도 반대면측에서는 비접합면이 될 수 있는 부분을 가지고 있다. 피접합재의 접합면이 서로 중첩되는 개소에서는 주위로부터 구속된 상태에 있는데 반해서, 상기와 같은 중공부는 주위로부터 구속되어 있지 않기 때문에, 열팽창에 의한 탄성변형이 생긴다(도 3의 (B)를 참조). 이 탄성변형의 정도가 과대하면 소성 변형에 이르러 형상 복원이 곤란해질 가능성이 있다.

고온 강도비가 작은 이형 부재를 사용하는 경우는, 이형 부재의 변형 저항성이 플레이트재에 비해 낮기 때문에, 피접합재 및 이형 부재에서의 쌍방의 열팽창 계수가 같은 정도인 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 이 열적 특성에 관해서 이형 부재의 열팽창 계수(Tr)와 피접합재의 열팽창 계수(Tp)와의 비(Tr/Tp)에 근거하여 평가할 수 있다. 고온 강도비가 작은 이형 부재를 사용하는 경우는, 상기 열팽창 계수비(Tp/Tr)는 1.0을 중심으로 ±5% 범위, 즉 0.95∼1.05이면 좋다.

(평균 냉각 속도)

확산 접합에서의 가열 후 평균 냉각 속도는 1.2℃/min 미만인 것이 바람직하다. 피접합재와 이형 부재는 확산 접합 시에는 열팽창하는 한편, 확산 접합 후의 냉각 과정에서 열수축 되어 원래 형상으로 복원된다. 피접합재와 이형 부재의 사이에 열팽창 차이가 존재하면, 냉각시의 수축 변화를 쌍방 부재가 서로 구속하기 때문에 변형이 축적된다. 이 수축 변화가 과도하게 커지면, 소성 변형을 초래할 가능성이 있다. 여기서, 본 실시형태는 확산 접합이 종료한 후의 평균 냉각 속도에 착안했다. 1.2℃/min 미만의 평균 냉각 속도로 처리하면, 냉각 후에 잔존하는 변형량을 억제할 수가 있다. 그 이상의 냉각 속도이면 열수축 변화가 커지고, 냉각 후에 잔존하는 변형량이 커져서 바람직하지 않다. 상기 평균 냉각 속도는 확산 접합시의 유지 온도부터 400℃ 정도까지의 온도 범위에서 제어하면 좋다.

(누름 지그)

누름 지그는 가압 장치의 가압 기구에 연결되어, 피접합재에 대해서 가압력을 전달하는 부재이다. 확산 접합시의 온도에서 내열성이 있고 파손되지 않을 것이 요구되므로, 누름 지그에는 탄소재를 이용하는 것이 바람직하다.

(이형제)

본 발명은 이형 부재의 양면에 이형제를 도포하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 육방정 질화 붕소 분말(h-BN) 등의 보론나이트(질화 붕소)계 스프레이를 사용할 수 있다. 이형제의 도포 두께는 이형제 분말의 평균 입도(예를 들면, 약 3㎛ 정도)의 3배 이상(약 10㎛ 정도)이면 좋다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니고, 적당히 변경해서 실시할 수 있다.

(시험재의 제작)

표 1에 나타내는 성분 조성을 가지는 강재 No.1∼강재 No.9를 30kg의 진공 용해로 용제하고, 얻어진 강괴(鋼塊)를 두께 30mm의 판에 단조했다. 그 다음, 1200℃의 열간 압연을 실시하여 두께 6mm의 열연판으로 한 후, 1100℃에서 60초의 균열 소둔을 실시하여 열연 소둔판을 얻었다. 상기 열연 소둔판을 두께 3.0mm까지 냉간압연을 실시한 후, 1100℃에서 균열 30초의 최종 소둔을 실시하고, 최종 마무리 판 두께를 3mm로 하여 표면 마무리 처리를 2B 마무리 또는 2D 마무리로 실시해서 냉연 소둔판을 얻었다. 또, 플레이트에 사용한 강재 No.5 및 강재 No.6에 대해서는, 추가로 냉간압연, 소둔을 실시하여 최종 마무리 판 두께를 0.4mm 및 1.0mm로 하고, 표면 마무리 처리를 2B 또는 2D 마무리로 실시하여 냉연 소둔재를 얻었다. 상기 냉연 소둔판에서 210mm×160mm의 치수로 판을 잘라 시험재를 제작했다. 이들 시험재를 피접합재 또는 이형 부재와 관련된 시험에 제공했다. 표 1에 나타내는 성분 조성은 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물이다.

강재 No.1∼강재 No.5는 오스테나이트계 스테인리스강이다. 강재 No.6∼강재 No.9는 페라이트계 스테인리스강이다.

[표 1]

(고온 강도의 측정)

얻어진 시험재를 이용해서, JIS G 0567에 준거하여 1000℃의 온도에서 변형 속도: 0.3%/min의 고온 인장 시험을 실시하여 0.2% 내력을 측정했다. 본 명세서에서는, 이 측정치를 1000℃에서의 고온 강도로 했다. 그 측정 결과를 표 1에 나타낸다(단위: MPa). 그리고 측정된 수치를 바탕으로 이형 부재의 고온 강도(Fr)와 피접합재의 고온 강도(Fp)와의 비(Fr/Fp)를 산출했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

(열팽창 계수의 측정)

얻어진 시험재를 이용해서, JIS Z 2285에 준거하여, 시차 팽창 분석장치(주식회사 리가쿠제, 적외선 가열식 열팽창 측정 장치(TMA), 표준 시료: 석영)로 승온속도 1℃/초로 30℃까지 가열했다. 이 때의 시험편의 팽창량을 측정하여 30℃에서의 열팽창 계수(α30-1000℃로서 산출했다. 그 측정 결과를 표 1에 나타낸다(단위: ×10^-6/℃).

(접합 시험)

피접합재(플레이트재)의 시험재 4매와 이형 부재(이형판)의 시험재 1매를 조합한 시험 조립체를 제작했다. 표 2에 나타내듯이, 본 시험에서는 플레이트재로서 강재 No.5로 이루어지는 4매의 시험재를 사용했다. 유로가 되는 개구를 가지는 2매의 플레이트재(두께 1.0mm/매) 시험재를 사용하고, 이형 부재에는 강재 No.1∼No.5로 이루어지는 두께 3.0mm의 시험재를 중첩하여, 이 2매의 플레이트재를 사이에 두도록 상기 개구를 가지지 않는 전열판으로서의 2매의 플레이트재(두께 0.4mm/매)를 배치했다. 누름 지그에는 탄소제 지그를 이용했다. 이형제로서 육방정 질화 붕소 분말(주식회사 YK 이노아스제 붕소 스프레이)을 이형 부재의 양면에 도포했다. 핫 프레스 장치에 의해, 상기 시험 조립체에 대해서 이하의 가압 조건 및 가열 조건으로 확산 접합 처리를 실시했다.

·분위기: 초기 진공도를 1×10^-2Pa 이하

·접합 온도: 1080℃

·승온 시간: 상온에서 접합 온도까지 약 2시간

·균열(접합) 시간: 3시간

·평균 냉각 속도: 1080℃부터 400℃까지 3.2℃/min(A 패턴), 또는 1.1℃/min(B 패턴)

·가압력: 면압 2MPa

도 2에 상기 확산 접합 처리에 적용된 가열 및 냉각 패턴을 나타낸다. 도 2의 A 패턴, B 패턴은 평균 냉각 속도를 변경한 상기 2패턴을 나타낸다. 상온까지 냉각한 후, 시험 조립체를 핫 프레스 장치에서 꺼내고, 변형 억제 및 이형성에 관해서 이하의 평가 시험을 실시했다.

(변형 억제에 관한 평가)

변형 억제에 관해서는 확산 접합된 플레이트재의 변형량에 근거해서 평가했다. 상기 변형량을 측정하는 방법을 설명한다. 도 3은 시험 조립체의 단면을 나타낸 모식도이다. 도 3의 (A)는 확산 접합 전의 상태로써, 4매의 플레이트재(11a∼11d)와 2매의 이형판(13)을 조합한 시험 조립체(14)를 탄소제가 누름 지그(15)로 사이에 끼운 상태에서 가압되는 형태를 나타낸다. 도 3의 (B)는 확산 접합 후의 시험 조립체(14) 상태를 나타낸다. 확산 접합 후의 시험 조립체(14)에서의 공동부(16, 空洞部) 측을 마주한 플레이트재(11a, 11d)는 공동부측 이외를 이형판(3), 다른 플레이트재(11b, 11c)로 구속되어 있기 때문에, 가열시에 팽창하면 공동부 측으로 굴곡하듯이 변형한다. 냉각시의 수축 변화에 의해서도 형상이 복원되지 않으면, 굴곡 형상으로 잔존한다. 이형판(3)에 인접한 플레이트재(11a, 11d)의 면을 기준으로 해서 변형한 가장 높은 개소의 높이(17)를 측정하여, 그 중 최대 수치를 구했다. 본 명세서에서는 이 수치를 플레이트재의 변형량이라고 한다. 이 변형량에 근거하여, 확산 접합 후의 변형 상태를 평가했다. 상기 높이(17)는 콤즈제 고속 3차원 형상 시스템을 이용해서 측정했다. 변형 억제의 관점에서, 변형량이 30㎛ 미만일 때를 양호(◎), 30㎛∼50㎛일 때를 적정(○), 50㎛ 초과일 때를 부적당(×)이라고 평가했다.

(이형성에 관한 평가)

시험 조립체를 이용하여 접합 후의 이형성에 관해서 평가하기 위해서, 플레이트재와 이형판의 박리 시험을 실시했다. 그 개요를 도 4에 나타낸다. 인장 장치(도시하지 않음)와 와이어(26)의 끝에 흡반(25)이 장착된 지그를 2개 준비했다. 확산 접합 후의 시험 조립체(24)에서의 2개의 이형판(23) 표면에 상기 지그의 흡반(25)을 장착했다. 일방의 지그의 와이어(26)에 소정의 중량의 추(27)를 연결한 후, 인장 장치에 의해서 타방의 지그의 와이어(26)를 끌어올렸다. 시험 조립체(24)의 양면을 추(27)의 중량으로 끌어당김으로써, 플레이트재(21)와 이형판(23)이 박리하는지 여부를 목시로 관찰하여, 박리 유무에 대해서 확인했다. 추(27)의 중량을 변화시켜서 같은 순서로 시험을 반복했다. 평가 기준에 관해서는, 확산 접합 후의 플레이트재와 이형판을 작은 힘으로 제거할 수 있는 것이 바람직한 점에서, 5kg 이하의 추 중량으로 플레이트재와 이형판이 박리된 경우는 이형성이 양호(○)이고, 20kg 이하의 추 중량으로 플레이트재와 이형판이 박리된 경우는 이형성이 약간 부족(△)이며, 20kg 초과의 추 중량으로 플레이트재와 이형판이 박리되지 않는 경우는 이형성이 불량(×)이라고 판정했다.

(시험 결과)

본 시험에서는 강재 No.5의 오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어지는 플레이트재, 및 강재 No.6의 페라이트계 스테인리스강으로 이루어지는 플레이트재에 대해서, 각각 강재 No.1∼No.9의 각 스테인리스강으로 이루어지는 이형판을 조합한 18종의 시험 조립체를 이용하여, 고온 강도, 열팽창 계수, 변형 억제, 이형성에 관한 시험을 실시했다. 그 시험 결과를 표 2에 나타낸다. 변형 억제와 이형성에 대해서는, 2종의 가열 냉각 패턴에 대해서, 각각 3개의 시험 조립체를 이용하여 시험을 실시했다. 변형 억제에 대해서는 3개의 변형량의 평균치로 평가했다. 이형성에 대해서는 3개의 결과의 평균으로 평가했다.

[표 2]

본 발명예 1∼6은, 이형판이 각각 강재 No.1∼No.3으로 구성된 시험 조립체로 확산 접합된 예이다. 확산 접합 후의 변형량은 모두 양호(◎또는 적정(○으로 50㎛ 이하의 범위에 있고, 변형이 억제된 확산 접합품을 얻을 수 있었다. 본 발명에 상당하는 피접합재와 이형판의 조합을 이용하면, 확산 접합 처리시의 가열과 냉각에 의한 열적 팽창 수축이 적당하게 진행하기 때문에 변형이 억제된 것으로 추측된다.

또, 본 발명예 1∼6의 이형성에 관해서는, 플레이트재와 이형판이 작은 인장력으로 벗겨졌다. 본 발명에 상당하는 피접합재와 이형판의 조합을 이용하면, 확산 접합 후의 피접합재로부터 쉽게 이형판을 탈부착할 수 있었다. 이형판의 표면에 형성된 Si 산화막에 의해서, 피접합재와 이형판의 계면 반응이 저해되어 양 부재의 접착이 억제되어 이형성이 향상된 것으로 추측된다.

또, 확산 접합 후의 평균 냉각 속도 3.2℃/min(A 패턴), 1.1℃/min(B 패턴)로 실시한 결과를 본 발명예 1∼6으로 보면, 평균 냉각 속도가 작은 B 패턴으로 냉각된 시험 조립체는, A 패턴에 의한 시험 조립체에 비해서 변형 억제가 향상되고 있었다. 냉각 속도가 작으면 열 수축 변화의 정도가 완화되기 때문에, 변형 축적이 적어져서 변형이 억제된 것으로 추측된다.

이에 대해서, 비교예 1∼12는 강재 No.4∼No.9로 구성되는 이형판을 사용한 것이다. 비교예 1∼12는 이형판의 강재의 Si 함유량이 1.5질량% 미만으로, 본 발명의 범위 외이다. 이형성은 모두 약간 부족(△) 또는 부적합(×)이고, 확산 접합 후의 탈부착이 곤란했다.

또, 비교예 3∼6, 10, 12는 고온 강도비가 0.9 미만이기 때문에, 확산 접합 후의 변형이 크고, 확산 접합 후의 변형 억제에 관해서 부적합(×)이었다.

상기 시험 결과에 의하면, 본 발명의 특정된 조성을 가지는 스테인리스강재는 피접합재의 확산 접합성을 유지한 채로 피접합재의 변형이 억제되고, 확산 접합 처리 후의 이형성도 뛰어난 확산 접합 지그를 제공할 수 있는 점, 특히, 이형 부재에 적합한 점을 확인할 수 있었다.

1　플레이트재(피접합재)
2　플레이트 적층체
3　이형 부재
4　누름 지그
5　가압축
11a, 11b, 11c, 11d　플레이트재
13　이형판
14　시험 조립체
15　누름 지그
16　공동부
17　높이(변형량)
21　플레이트재
23　이형판
24　시험 조립체
25　흡반
26　와이어
27　추

Claims (5)

1. Si를 1.5질량% 이상 함유하는 스테인리스강재로서, 상기 스테인리스강재의 1000℃에서의 고온 강도(Fr)와 확산 접합에 의해 접합되는 피접합재의 1000℃에서의 고온 강도(Fp)와의 비(Fr/Fp)가 0.9 이상인, 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스테인리스강재는, C: 0.1질량% 이하, Si: 1.5∼5.0질량%, Mn: 2.5질량% 이하, P: 0.06질량% 이하, S: 0.02질량% 이하, Ni: 8.0∼15.0질량%, Cr: 13.0∼23.0질량%, N: 0.2질량% 이하를 포함하는, 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스테인리스강재는, Mo: 3.0질량% 이하, Cu: 4.0질량% 이하, Nb: 0.8질량% 이하, Ti: 0.5질량% 이하, V: 1.0질량% 이하, 및 B: 0.02질량% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 스테인리스강재는, Al: 0.2질량% 이하, REM: 0.2질량% 이하, Y: 0.2질량% 이하, Ca: 0.1질량% 이하, 및 Mg: 0.1질량% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 변형 억제 및 이형성이 뛰어난 확산 접합 지그용 스테인리스강재.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재한 스테인리스강재로 구성된 이형 부재.

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