JP3794971B2 - 熱交換器用銅合金管 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアコン及び大型空調機等の熱交換器に使用する銅合金管に関し、特に、ろう付け加熱前及びろう付け加熱後の０．２％耐力及び疲労強度が優れた熱交換器用銅合金管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、エアコンの熱交換器は、ヘアピン状に曲げ加工したＵ字形銅管（以下、銅管という場合は銅合金管も含む）をアルミニウムフィンの貫通孔に通し、前記銅管を治具により拡管することにより銅管とアルミニウムフィンとを密着させ、更に、銅管の開放端を拡管し、この拡管部にＵ字形に曲げ加工した銅管を挿入し、りん銅ろうにより銅管を拡管部にろう付けする。
【０００３】
このため、熱交換器に使用される銅管には、曲げ加工性及びろう付け性が良好であることが要求される。従って、これらの特性が良好であり、更に熱伝導率が良く、適切な強度を有するりん脱酸銅が広く使用されている。
【０００４】
上述のような熱交換器の組立に使用されるりん銅ろう（ＢＣｕＰ−２：Ｃｕ−６．８〜７．５質量％Ｐ）の融点は８０５℃(液相線温度)であり、ろう付け部は８００℃以上の温度に数秒乃至数十秒間加熱されるため、ろう付け部及びその近傍のりん脱酸銅管はその他の部分に比べて結晶粒が粗大化し、軟化により強度が低下した状態となってしまう。
【０００５】
ところで、エアコンなどの熱交換器に使用する熱媒体(冷媒)には、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）系フロンが広く使用されてきた。しかしながら、フロンによるオゾン層破壊の懸念よりＨＣＦＣ系フロンの代替冷媒としてＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系フロンが使用されるようになってきた。ＨＦＣ系フロンを冷媒に使用した熱交換器において、ＨＣＦＣ系フロンを使用した場合と同じ伝熱性能を維持するには、運転時の凝縮圧力をＨＣＦＣ系フロンの１．５倍以上に大きくする必要がある。
【０００６】
また、エアコンの価格を下げるために、伝熱管である銅管に対しては質量低減の要求が強まり、銅管の薄肉化が進んでいる。このため、従来から使用されているりん脱酸銅管については、疲れ強さが低いことが問題となっている。また、このような熱交換器の機内配管には更に大きな圧力が作用するため、機内配管に使用される銅管には、強度及び疲れ強さに対する要求が更に厳しいものとなっている。
【０００７】
このような要求に応えるべく、０．２％耐力と疲れ強さが優れた銅合金管として、例えば、Ｃｏ：０．０２乃至０．２質量％、Ｐ：０．０１乃至０．０５質量％、Ｃ：１乃至２０ｐｐｍを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなり、不純物の酸素が５０ｐｐｍ以下である熱交換器用電縫溶接銅合金管(特開２０００−１９９０２３)が提案されている。また、Ｆｅ：０．００５乃至０．８質量％、Ｐ：０．０１乃至０．０２６質量％、Ｚｒ：０．００５乃至０．３質量％及びＯ：３乃至３０ｐｐｍを含有し、残部はＣu及び不可避的不純物からなる組成を有する熱交換器用継目無銅合金管(特公昭５８−３９９００号)も提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来の銅合金管は、Ｃｏのりん化物又はＺｒ等が夫々析出することにより、強度と疲れ強さを向上させている。このような析出型銅合金に、所定の強度と疲れ強さを持たせるためには、銅合金管の製造工程において、焼入れ、加熱温度及び加熱速度等の加工熱処理条件を狭い範囲で制御することが必要になり、前述の製造条件のばらつきは製造される銅合金管の特性の不安定さに繋がるため、加熱温度及び加熱速度のばらつきが発生しないように、生産設備の改造及び新設等に新たな投資が必要になる。
【０００９】
また、前記析出型銅合金においては、６００℃程度までの加熱では優れた耐熱性を有するが、ろう付けの高温加熱条件では析出物が固溶してしまい結晶粒が急成長するため、耐力及び疲労強さの低下は固溶型の銅合金よりむしろ大きくなる場合がある。このため、組立てた熱交換器においては、目標とする耐力及び疲れ強さを保持できなくなってしまう。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、ろう付け性、ろう付け加熱後の耐力及び疲れ強さが優れた熱交換器用銅合金管を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱交換器用銅合金管は、Ｓｎ：０．１乃至１．０質量％、Ｐ：０．００５乃至０．１質量％、Ｏ：０．００５質量％以下及びＨ：０．０００２質量％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
この熱交換器用銅合金管において、更に、Ｚｎ：０．０１乃至１．０質量％を含有することが好ましい。また、８５０℃で３０秒間加熱した後の平均結晶粒径が１００μｍ以下、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上、疲れ試験において繰り返し応力を９２ＭＰａとしたとき、繰り返し数ｎ＝１０7回で破断しない疲労強度を有することが好ましい。
【００１３】
なお、平均結晶粒径は、銅合金管の軸方向に平行の断面について、ＪＩＳＨ０５０１に定められた切断法により、肉厚方向の平均結晶粒径を測定し、これを管軸方向に任意の１０箇所で測定してそれらの平均を平均結晶粒径とした。０．２％耐力は、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して求めた。疲れ強さは、ＪＩＳＺ２２７３に準拠した疲れ試験方法を使用して求めた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明者等がろう付け性、ろう付け加熱後の耐力及び疲れ強さが優れた熱交換器用銅合金管を開発すべく種々実験研究した結果、銅合金管のＳｎ含有量、Ｐ含有量、酸素含有量、水素含有量、平均結晶粒径を適切に規定することにより、ろう付け性、ろう付け加熱後の耐力及び疲れ強さが優れた銅合金管を得ることができることを見出した。
【００１５】
以下、本発明の銅合金管の組成の数値限定理由について説明する。
【００１６】
Ｓｎ（錫）：０ . １乃至１ . ０質量％
Ｓｎが１.０質量％より多く含まれると、鋳塊における凝固偏析が激しくなる。製造工程において、熱間押出時の加熱温度及び加熱時間が十分でないと鋳塊の偏析が製品においても十分に解消されず、製品管の組織不均一による機械的性質の低下及び耐食性の低下を招きやすい。このような現象を防止するためには、熱間押出前の加熱温度又は／及び加熱時間を増加させる必要があり、生産コストの増大を招く。また、Ｓｎが１.０質量％より多く含まれると、ろうの濡れ広がり性も低下するので、Ｓｎの含有量は１.０質量％以下とする。一方、Ｓｎが０.１％未満であると、ろう付け加熱後の０.２％耐力及び疲労強度が不十分となる。このため、Ｓｎは０.１質量％以上含有させる。
【００１７】
Ｐ（リン）：０ . ００５乃至０ . １質量％
脱酸を主目的として添加するＰは、０.１質量％より多く含まれると、熱間押出時に割れが発生しやすくなると共に、応力腐食割れ感受性が大きくなり、熱交換器としての信頼性を低下させる。一方、Ｐが０.００５質量％未満の場合は、脱酸不足によりＳｎの酸化物が大量に発生し、鋳塊の健全性を低下させ、熱間押出が難しくなる。従って、Ｐの含有量は０.００５乃至０.１質量％とする。
【００１８】
酸素（Ｏ）：０．００５質量％以下
酸素が０.００５質量％より多く含まれると、形成されたＳｎ及びＣｕの酸化物が鋳塊に巻込まれ、鋳塊の健全性を低下させる。また、製造時の焼鈍工程において水素脆化を発生させやすくし、ろうの濡れ広がり性、０.２％耐力及び疲労強度も低下させる。従って、酸素の含有量は０．００５質量％以下とする。
【００１９】
水素（Ｈ）：０ . ０００２質量％以下
水素が０.０００２質量％より多く含まれると、熱間押出時の割れ、焼鈍時の膨れが発生しやすくなり、製品歩留りが低下する。従って、水素の含有量は０.０００２質量％以下とする。
【００２０】
Ｚｎ：０ . ０１％乃至１ . ０質量％
Ｚｎを添加することにより、銅合金管の熱伝導率を大きく低下させることなく、強度、耐熱性及び疲れ強さを向上させることができる。また、Ｚｎの添加により、抽伸加工時及び転造加工時等の工具磨耗を低減させることができ、溝付きプラグの寿命を延命させる効果がある。Ｚｎの含有量が０.０１質量％以下では、上述の効果が十分でない。一方、Ｚｎが１.０質量％より多く含まれると、応力腐食割れ感受性が高くなり、応力腐食割れの可能性が懸念される。従って、Ｚｎを添加する場合は、Ｚｎの含有量は０．０１乃至１．０質量％とする。
【００２１】
その他、Ｃｕ、Ｓｎ及びＰの含有量の合計、又は、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｐ及びＺｎの含有量の合計が、９９.９５質量％以上であることが望ましい。特に、これらの合計が９９.９８質量％以上であることが更に望ましい。
【００２２】
また、本発明の銅合金管に含まれるＰと金属間化合物を形成して、母相中に析出するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＡｇ等の元素の合計含有量は、これらの合計値が０.０３質量％以下であることが望ましく、更に、０.０２質量％以下であることがより望ましい。
【００２３】
なお、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓ、Ｌｉ、Ｓｅ、Ａｓ、Ｃａ及びＩｎは、合計で０.０１質量％以下までなら、含有させても本発明の銅合金管の耐熱性、疲れ強さなどの特性を劣化させることはない。
【００２４】
次に、本発明の銅合金管の平均結晶粒径及び諸特性の限定理由について説明する。
【００２５】
平均結晶粒径
平均結晶粒径は、銅合金管の軸方向に平行の断面について、ＪＩＳＨ０５０１に定められた切断法により、肉厚方向の平均結晶粒径を測定し、これを管軸方向に任意の１０箇所で測定してそれらの平均を平均結晶粒径とした。
【００２６】
この平均結晶粒径が３０μｍを超えると、エアコン等の熱交換器の組立工程で銅合金管をヘアピン曲げ加工する際に、曲げ部に割れが発生しやすくなる。従って、平均結晶粒径は３０μｍ以下とすることが必要である。なお、この平均結晶粒径は２０μｍ以下であることがより望ましい。また、測定される１０箇所の結晶粒径は夫々平均値の±２０％以内であることが望ましい。
【００２７】
８５０℃に３０秒間加熱した後の平均結晶粒径
この８５０℃に３０秒間加熱したときの平均結晶粒径の測定法は、前述のとおりである。８５０℃に３０秒間加熱することは、ろう付け時の加熱条件を想定しており、この加熱により平均結晶粒径が１００μｍを超えると、熱交換器のろう付け部及びその近傍において疲れ強さが低下し、エアコン等の運転時に高い圧力が必要なＨＦＣ系フロンを冷媒に使用すると、使用中に銅合金管の破壊が発生しやすくなる。従って、８５０℃に３０秒間加熱した後の平均結晶粒径は１００μｍ以下とすることが望ましい。なお、この平均結晶粒径は８０μｍ以下であることが更に望ましい。
【００２８】
８５０℃に３０秒間加熱した後の０ . ２％耐力
銅合金管を８５０℃に３０秒間加熱した後、ＪＩＳＺ２２４１に準拠した方法により引張り試験を行ない、オフセット法により０.２％耐力を算出する。８５０℃に３０秒間加熱した後の０.２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２未満であると、運転圧力が高いＨＦＣ系フロン系の冷媒を使用したときに、銅合金管に疲労破壊が起こりやすい。従って、８５０℃に３０秒間加熱した後の０.２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上であることが望ましい。
【００２９】
８５０℃に３０秒間加熱した後の疲れ強さ
銅合金管を８５０℃に３０秒間加熱した後、ＪＩＳＺ２２７３に定められた疲れ試験方法により疲れ強さを測定する。この試験材の銅合金管を８５０℃に３０秒間加熱した後、銅合金管の両管端を固定して９２ＭＰａの両振り応力を付与する。この場合に、繰り返し数１０７回未満で破断した場合は、運転時に高い圧力が必要なＨＦＣ系フロンを冷媒に使用する熱交換器では、その信頼性が低下する。従って、８５０℃に３０秒間加熱した後の疲れ強さとして、繰返し応力９２ＭＰａで疲労試験を行ったとき、繰り返し数が１０７回以上であることが望ましい。
【００３０】
以下、本発明の銅合金管の製造方法の一例について説明する。なお、この製造方法は、平滑管又は内面溝付管等の銅合金管を製造するものである。
【００３１】
まず、原料の電気銅を木炭被覆の元で溶解し、銅が溶解した後、Ｓｎ及びＺｎを所定量添加し、更に、脱酸を目的として１５質量％のＰを含有する銅合金を添加する。このように、成分調整が終了した後、半連続鋳造により所定の寸法のビレットを作製する。
【００３２】
得られたビレットを加熱炉で加熱し、熱間押し出しを行なう。熱間押出前に、ビレットを７５０乃至９５０℃に０.１乃至２時間程度保持して均質化による偏析改善を行うことが望ましい。その後、ビレットの温度を７５０℃乃至８５０℃とし、熱間押出を行う。水中押出し又は押出し後の水冷により、表面温度が１００℃になるまでの冷却速度が１.５℃/秒以上となるように冷却することが望ましい。この急冷により、焼鈍時の混粒組織の発生を抑制でき、平均結晶粒径が３０μm以下で、且つ結晶粒の大きさにバラツキが少ない粗管を作製することができる。
【００３３】
この押出し後、圧延加工を行なう。このときの加工率を９２％以下とすることにより、圧延時の製品不良を低減できる。
【００３４】
そして、圧延後、抽伸加工を行なって所定の寸法の素管を製造する。このときの加工率は３５％以下にすることにより、抽伸時の製品不良を低減できる。
【００３５】
その後、所定寸法の素管に、更に抽伸加工を行って平滑管を製作する。又は、所定寸法の素管を焼鈍し、溝付転造加工を行って内面溝付管を製作する。
【００３６】
得られた平滑管又は内面溝付管に焼鈍処理を施すことにより、熱交換器用銅合金管が得られる。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例の平滑管又は内面溝付管について、その特性を、本発明範囲から外れる比較例と比較した結果について説明する。
【００３８】
第１の実施例（平滑管）
供試材を、以下の工程により作成した。
▲１▼電気銅を原料とし、溶湯中に所定のＳｎを添加し、更に必要に応じてＺｎを添加した後、Ｃｕ−Ｐ母合金を添加することにより、所定組成の溶湯を作製した。
▲２▼鋳造温度１２００℃で、直径３００×長さ３０００ｍｍの鋳塊を半連続鋳造した。
▲３▼鋳塊より長さ４７５ｍｍのビレットを切り出した。
▲４▼ビレットを加熱して９００℃に到達した後、１．５時間保持し、均質化処理した。
▲５▼冷却したビレットをインダクションヒーターで加熱し、８３０℃に到達した後、３分間保持し、その後熱間押出しにより、外径９４ｍｍ、肉厚１０ｍｍの押出し粗管を作製した。
▲６▼押出し粗管を圧延し、外径３８ｍｍ、肉厚２.１ｍｍの圧延粗管を作製した。
▲７▼圧延粗管を抽伸し、加工率３５％以下で外径９.５２mm、肉厚０.３ｍｍまで抽伸した。
▲８▼焼鈍炉にて抽伸素管を焼鈍し、供試材とした。
▲９▼この供試材について、ろう付け加熱を想定し、供試材を８５０℃の塩浴炉に３０秒間保持した。
【００３９】
試験項目は以下のとおりである。
▲１▼成分：供試材より所定量の試料を採取し、組成を分析した。
▲２▼平均結晶粒径：前述の方法により測定した。
▲３▼曲げ試験：供試材より長さ１０００ｍｍの管を１０本採取し、ピッチ２５ｍｍでヘアピン曲げ加工を行い、曲げ部の割れの有無を確認した。
▲４▼０.２％耐力：前述の方法により測定した。
▲５▼疲労試験：前述の方法により試験した。繰り返し数１０７回で割れが発生しない限界の曲げ応力と、９２ＭＰａの応力付加時の割れの有無を確認した。
▲６▼ろう付け試験： 長さ３００ｍｍの供試材の管を軸方向に半割にし、内面側に直径１.６ｍｍ、長さ１０ｍｍのりん銅ろう（ＢＣｕＰ−２）を載せ、窒素気流中で８５０℃に１０分間保持して、ろうの拡がり長さを測定した。なお、加熱前に測定した酸化膜の厚さは全て５００ｎｍ以下であった。
【００４０】
以上の試験結果を下記表１及び表２に示す。Ｎｏ．３乃至５及び１１は本発明の実施例であり、Ｎｏ．１，２、６乃至１０、１２乃至１４は比較例である。また、表１は、ろう付けを想定した加熱を行う前の特性であり、表２は、ろう付けを想定した８５０℃で３０秒の加熱を行った後の特性である。表中の下線が引いてある項目は、本発明の範囲外の数値であることを示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
【表２】
【００４３】
実施例No.３乃至５及び１１は、いずれも優れた曲げ加工性及びろうの広がり性を有し、且つ８５０℃も３０秒間加熱した後も結晶粒の粗大化が少なく、耐力の低下が小さいため、疲れ強さが優れている。
【００４４】
比較例No.１は、従来のりん脱酸銅管であるが、８５０℃に３０秒間の加熱により、疲れ強さが大きく低下した。
【００４５】
比較例No.２は、スズの含有量が０.１％より少ないため、８５０℃で３０秒の加熱により疲れ強さが大きく低下した。
【００４６】
比較例No.６は、スズの含有量が１.０％より多いため、ろうの広がり性が低下した。
【００４７】
比較例No.７は、リンの含有量が０.００５％より少ないため、ろうの広がり性が低下した。
【００４８】
比較例No.８は、リンの含有量が０.１％より多いため、熱間押出時に微細な割れが発生し、供試材の製作を中止した(組成は押出素管で調査した)。
【００４９】
比較例No.９は、酸素の含有量が０.００５％より多いため、ろうの広がり性が低下した。
【００５０】
比較例No.１０は、水素の含有量が０.０００２％より多いため、熱間押出時に微細な割れが発生し、供試材の製作を中止した(組成は押出素管で調査した)。
【００５１】
比較例No.１２は、亜鉛の含有量が１.０％より多いため、ろうの広がり性が少し低下し、別に行った耐応力腐食割れ試験の結果、応力腐食割れに至る時間が実施例No.１と比較して５０％に低下した。
【００５２】
比較例No.１３及び１４は、共に平均結晶粒径が３０μｍより大きく，且つ混粒組織となったため曲げ試験で割れが発生した。これらについては疲労試験を行わなかった。
【００５３】
第２の実施例（内面溝付管）
表１の比較例No.１、実施例No.３、４及び１１の組成を有する圧延素管を使用し、以下に示す方法で内面溝付管を製造した。なお、▲１▼乃至▲６▼の工程は平滑管の場合と同様である。
▲７▼圧延粗管を抽伸し、溝付転造用の素管を製作した。
▲８▼溝付転造用素管をインダクションヒーターにより中間焼鈍した。
▲９▼焼鈍した溝付転造用素管に溝付転造加工を行い、外径が９．５２mm、底肉厚が０.２６ｍｍの内面溝付管を製作した。この内面溝は、内部フィン高さが０.２ｍｍ、リード角が１８°、内部フィン数:５５である。製作した内面溝付管を焼鈍、供試材とした。
試験項目は、平滑管の場合と同様である、但し、ろう付け試験は行わなかった。
【００５４】
試験結果を下記表３及び表４に示す。なお、表３及び表４において、比較例No．１５は、表１、２の比較例No.１の組成であり、表３、４の実施例No.１６、１７、１８は夫々表１、２の実施例No.３、４、１１の組成である。また、表３は、ろう付けを想定した加熱を行う前の特性であり、表４は、ろう付けを想定した８５０℃で３０秒間の加熱を行った後の特性である。表中の下線が引いてある数値は、本発明の範囲外の数値であることを示す。
【００５５】
【表３】
【００５６】
【表４】
【００５７】
実施例No.１６乃至１８は本発明の銅合金管であり、いずれも優れた曲げ加工性及びろうの広がり性を有し、且つ８５０℃で３０秒加熱後も結晶粒の粗大化が少なく、耐力の低下が小さいため、疲れ強さが優れたものである。
【００５８】
これに対し、比較例No.１５は、従来のりん脱酸銅管であるため、８５０℃で３０秒の加熱により疲れ強さが大きく低下している。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、銅合金管のＳｎの含有量を０．１乃至１．０質量％、Ｐの含有量を０．００５乃至０．１質量％、酸素の含有量を０．００５質量％以下及び水素の含有量を０．０００２％以下とし、平均結晶粒径を３０μｍ以下とすることにより、ろう付け性、ろう付け加熱前及びろう付け加熱後の耐力及び疲労強度が優れた銅合金管が得られる。更に、Ｚｎの含有量を０．０１乃至１．０％にすることによって、これらの特性を更に向上させることができる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアコン及び大型空調機等の熱交換器に使用する銅合金管に関し、特に、ろう付け加熱前及びろう付け加熱後の０．２％耐力及び疲労強度が優れた熱交換器用銅合金管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、エアコンの熱交換器は、ヘアピン状に曲げ加工したＵ字形銅管（以下、銅管という場合は銅合金管も含む）をアルミニウムフィンの貫通孔に通し、前記銅管を治具により拡管することにより銅管とアルミニウムフィンとを密着させ、更に、銅管の開放端を拡管し、この拡管部にＵ字形に曲げ加工した銅管を挿入し、りん銅ろうにより銅管を拡管部にろう付けする。
【０００３】
このため、熱交換器に使用される銅管には、曲げ加工性及びろう付け性が良好であることが要求される。従って、これらの特性が良好であり、更に熱伝導率が良く、適切な強度を有するりん脱酸銅が広く使用されている。
【０００４】
上述のような熱交換器の組立に使用されるりん銅ろう（ＢＣｕＰ−２：Ｃｕ−６．８〜７．５質量％Ｐ）の融点は８０５℃(液相線温度)であり、ろう付け部は８００℃以上の温度に数秒乃至数十秒間加熱されるため、ろう付け部及びその近傍のりん脱酸銅管はその他の部分に比べて結晶粒が粗大化し、軟化により強度が低下した状態となってしまう。
【０００５】
ところで、エアコンなどの熱交換器に使用する熱媒体(冷媒)には、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）系フロンが広く使用されてきた。しかしながら、フロンによるオゾン層破壊の懸念よりＨＣＦＣ系フロンの代替冷媒としてＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系フロンが使用されるようになってきた。ＨＦＣ系フロンを冷媒に使用した熱交換器において、ＨＣＦＣ系フロンを使用した場合と同じ伝熱性能を維持するには、運転時の凝縮圧力をＨＣＦＣ系フロンの１．５倍以上に大きくする必要がある。
【０００６】
また、エアコンの価格を下げるために、伝熱管である銅管に対しては質量低減の要求が強まり、銅管の薄肉化が進んでいる。このため、従来から使用されているりん脱酸銅管については、疲れ強さが低いことが問題となっている。また、このような熱交換器の機内配管には更に大きな圧力が作用するため、機内配管に使用される銅管には、強度及び疲れ強さに対する要求が更に厳しいものとなっている。
【０００７】
このような要求に応えるべく、０．２％耐力と疲れ強さが優れた銅合金管として、例えば、Ｃｏ：０．０２乃至０．２質量％、Ｐ：０．０１乃至０．０５質量％、Ｃ：１乃至２０ｐｐｍを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなり、不純物の酸素が５０ｐｐｍ以下である熱交換器用電縫溶接銅合金管(特開２０００−１９９０２３)が提案されている。また、Ｆｅ：０．００５乃至０．８質量％、Ｐ：０．０１乃至０．０２６質量％、Ｚｒ：０．００５乃至０．３質量％及びＯ：３乃至３０ｐｐｍを含有し、残部はＣu及び不可避的不純物からなる組成を有する熱交換器用継目無銅合金管(特公昭５８−３９９００号)も提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来の銅合金管は、Ｃｏのりん化物又はＺｒ等が夫々析出することにより、強度と疲れ強さを向上させている。このような析出型銅合金に、所定の強度と疲れ強さを持たせるためには、銅合金管の製造工程において、焼入れ、加熱温度及び加熱速度等の加工熱処理条件を狭い範囲で制御することが必要になり、前述の製造条件のばらつきは製造される銅合金管の特性の不安定さに繋がるため、加熱温度及び加熱速度のばらつきが発生しないように、生産設備の改造及び新設等に新たな投資が必要になる。
【０００９】
また、前記析出型銅合金においては、６００℃程度までの加熱では優れた耐熱性を有するが、ろう付けの高温加熱条件では析出物が固溶してしまい結晶粒が急成長するため、耐力及び疲労強さの低下は固溶型の銅合金よりむしろ大きくなる場合がある。このため、組立てた熱交換器においては、目標とする耐力及び疲れ強さを保持できなくなってしまう。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、ろう付け性、ろう付け加熱後の耐力及び疲れ強さが優れた熱交換器用銅合金管を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱交換器用銅合金管は、Ｓｎ：０．１乃至１．０質量％、Ｐ：０．００５乃至０．１質量％、Ｏ：０．００５質量％以下及びＨ：０．０００２質量％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
この熱交換器用銅合金管において、更に、Ｚｎ：０．０１乃至１．０質量％を含有することが好ましい。また、８５０℃で３０秒間加熱した後の平均結晶粒径が１００μｍ以下、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上、疲れ試験において繰り返し応力を９２ＭＰａとしたとき、繰り返し数ｎ＝１０7回で破断しない疲労強度を有することが好ましい。
【００１３】
なお、平均結晶粒径は、銅合金管の軸方向に平行の断面について、ＪＩＳＨ０５０１に定められた切断法により、肉厚方向の平均結晶粒径を測定し、これを管軸方向に任意の１０箇所で測定してそれらの平均を平均結晶粒径とした。０．２％耐力は、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して求めた。疲れ強さは、ＪＩＳＺ２２７３に準拠した疲れ試験方法を使用して求めた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。本発明者等がろう付け性、ろう付け加熱後の耐力及び疲れ強さが優れた熱交換器用銅合金管を開発すべく種々実験研究した結果、銅合金管のＳｎ含有量、Ｐ含有量、酸素含有量、水素含有量、平均結晶粒径を適切に規定することにより、ろう付け性、ろう付け加熱後の耐力及び疲れ強さが優れた銅合金管を得ることができることを見出した。
【００１５】
以下、本発明の銅合金管の組成の数値限定理由について説明する。
【００１６】
Ｓｎ（錫）：０ . １乃至１ . ０質量％
Ｓｎが１.０質量％より多く含まれると、鋳塊における凝固偏析が激しくなる。製造工程において、熱間押出時の加熱温度及び加熱時間が十分でないと鋳塊の偏析が製品においても十分に解消されず、製品管の組織不均一による機械的性質の低下及び耐食性の低下を招きやすい。このような現象を防止するためには、熱間押出前の加熱温度又は／及び加熱時間を増加させる必要があり、生産コストの増大を招く。また、Ｓｎが１.０質量％より多く含まれると、ろうの濡れ広がり性も低下するので、Ｓｎの含有量は１.０質量％以下とする。一方、Ｓｎが０.１％未満であると、ろう付け加熱後の０.２％耐力及び疲労強度が不十分となる。このため、Ｓｎは０.１質量％以上含有させる。
【００１７】
Ｐ（リン）：０ . ００５乃至０ . １質量％
脱酸を主目的として添加するＰは、０.１質量％より多く含まれると、熱間押出時に割れが発生しやすくなると共に、応力腐食割れ感受性が大きくなり、熱交換器としての信頼性を低下させる。一方、Ｐが０.００５質量％未満の場合は、脱酸不足によりＳｎの酸化物が大量に発生し、鋳塊の健全性を低下させ、熱間押出が難しくなる。従って、Ｐの含有量は０.００５乃至０.１質量％とする。
【００１８】
酸素（Ｏ）：０．００５質量％以下
酸素が０.００５質量％より多く含まれると、形成されたＳｎ及びＣｕの酸化物が鋳塊に巻込まれ、鋳塊の健全性を低下させる。また、製造時の焼鈍工程において水素脆化を発生させやすくし、ろうの濡れ広がり性、０.２％耐力及び疲労強度も低下させる。従って、酸素の含有量は０．００５質量％以下とする。
【００１９】
水素（Ｈ）：０ . ０００２質量％以下
水素が０.０００２質量％より多く含まれると、熱間押出時の割れ、焼鈍時の膨れが発生しやすくなり、製品歩留りが低下する。従って、水素の含有量は０.０００２質量％以下とする。
【００２０】
Ｚｎ：０ . ０１％乃至１ . ０質量％
Ｚｎを添加することにより、銅合金管の熱伝導率を大きく低下させることなく、強度、耐熱性及び疲れ強さを向上させることができる。また、Ｚｎの添加により、抽伸加工時及び転造加工時等の工具磨耗を低減させることができ、溝付きプラグの寿命を延命させる効果がある。Ｚｎの含有量が０.０１質量％以下では、上述の効果が十分でない。一方、Ｚｎが１.０質量％より多く含まれると、応力腐食割れ感受性が高くなり、応力腐食割れの可能性が懸念される。従って、Ｚｎを添加する場合は、Ｚｎの含有量は０．０１乃至１．０質量％とする。
【００２１】
その他、Ｃｕ、Ｓｎ及びＰの含有量の合計、又は、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｐ及びＺｎの含有量の合計が、９９.９５質量％以上であることが望ましい。特に、これらの合計が９９.９８質量％以上であることが更に望ましい。
【００２２】
また、本発明の銅合金管に含まれるＰと金属間化合物を形成して、母相中に析出するＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＡｇ等の元素の合計含有量は、これらの合計値が０.０３質量％以下であることが望ましく、更に、０.０２質量％以下であることがより望ましい。
【００２３】
なお、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｓ、Ｌｉ、Ｓｅ、Ａｓ、Ｃａ及びＩｎは、合計で０.０１質量％以下までなら、含有させても本発明の銅合金管の耐熱性、疲れ強さなどの特性を劣化させることはない。
【００２４】
次に、本発明の銅合金管の平均結晶粒径及び諸特性の限定理由について説明する。
【００２５】
平均結晶粒径
平均結晶粒径は、銅合金管の軸方向に平行の断面について、ＪＩＳＨ０５０１に定められた切断法により、肉厚方向の平均結晶粒径を測定し、これを管軸方向に任意の１０箇所で測定してそれらの平均を平均結晶粒径とした。
【００２６】
この平均結晶粒径が３０μｍを超えると、エアコン等の熱交換器の組立工程で銅合金管をヘアピン曲げ加工する際に、曲げ部に割れが発生しやすくなる。従って、平均結晶粒径は３０μｍ以下とすることが必要である。なお、この平均結晶粒径は２０μｍ以下であることがより望ましい。また、測定される１０箇所の結晶粒径は夫々平均値の±２０％以内であることが望ましい。
【００２７】
８５０℃に３０秒間加熱した後の平均結晶粒径
この８５０℃に３０秒間加熱したときの平均結晶粒径の測定法は、前述のとおりである。８５０℃に３０秒間加熱することは、ろう付け時の加熱条件を想定しており、この加熱により平均結晶粒径が１００μｍを超えると、熱交換器のろう付け部及びその近傍において疲れ強さが低下し、エアコン等の運転時に高い圧力が必要なＨＦＣ系フロンを冷媒に使用すると、使用中に銅合金管の破壊が発生しやすくなる。従って、８５０℃に３０秒間加熱した後の平均結晶粒径は１００μｍ以下とすることが望ましい。なお、この平均結晶粒径は８０μｍ以下であることが更に望ましい。
【００２８】
８５０℃に３０秒間加熱した後の０ . ２％耐力
銅合金管を８５０℃に３０秒間加熱した後、ＪＩＳＺ２２４１に準拠した方法により引張り試験を行ない、オフセット法により０.２％耐力を算出する。８５０℃に３０秒間加熱した後の０.２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２未満であると、運転圧力が高いＨＦＣ系フロン系の冷媒を使用したときに、銅合金管に疲労破壊が起こりやすい。従って、８５０℃に３０秒間加熱した後の０.２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上であることが望ましい。
【００２９】
８５０℃に３０秒間加熱した後の疲れ強さ
銅合金管を８５０℃に３０秒間加熱した後、ＪＩＳＺ２２７３に定められた疲れ試験方法により疲れ強さを測定する。この試験材の銅合金管を８５０℃に３０秒間加熱した後、銅合金管の両管端を固定して９２ＭＰａの両振り応力を付与する。この場合に、繰り返し数１０７回未満で破断した場合は、運転時に高い圧力が必要なＨＦＣ系フロンを冷媒に使用する熱交換器では、その信頼性が低下する。従って、８５０℃に３０秒間加熱した後の疲れ強さとして、繰返し応力９２ＭＰａで疲労試験を行ったとき、繰り返し数が１０７回以上であることが望ましい。
【００３０】
以下、本発明の銅合金管の製造方法の一例について説明する。なお、この製造方法は、平滑管又は内面溝付管等の銅合金管を製造するものである。
【００３１】
まず、原料の電気銅を木炭被覆の元で溶解し、銅が溶解した後、Ｓｎ及びＺｎを所定量添加し、更に、脱酸を目的として１５質量％のＰを含有する銅合金を添加する。このように、成分調整が終了した後、半連続鋳造により所定の寸法のビレットを作製する。
【００３２】
得られたビレットを加熱炉で加熱し、熱間押し出しを行なう。熱間押出前に、ビレットを７５０乃至９５０℃に０.１乃至２時間程度保持して均質化による偏析改善を行うことが望ましい。その後、ビレットの温度を７５０℃乃至８５０℃とし、熱間押出を行う。水中押出し又は押出し後の水冷により、表面温度が１００℃になるまでの冷却速度が１.５℃/秒以上となるように冷却することが望ましい。この急冷により、焼鈍時の混粒組織の発生を抑制でき、平均結晶粒径が３０μm以下で、且つ結晶粒の大きさにバラツキが少ない粗管を作製することができる。
【００３３】
この押出し後、圧延加工を行なう。このときの加工率を９２％以下とすることにより、圧延時の製品不良を低減できる。
【００３４】
そして、圧延後、抽伸加工を行なって所定の寸法の素管を製造する。このときの加工率は３５％以下にすることにより、抽伸時の製品不良を低減できる。
【００３５】
その後、所定寸法の素管に、更に抽伸加工を行って平滑管を製作する。又は、所定寸法の素管を焼鈍し、溝付転造加工を行って内面溝付管を製作する。
【００３６】
得られた平滑管又は内面溝付管に焼鈍処理を施すことにより、熱交換器用銅合金管が得られる。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例の平滑管又は内面溝付管について、その特性を、本発明範囲から外れる比較例と比較した結果について説明する。
【００３８】
第１の実施例（平滑管）
供試材を、以下の工程により作成した。
▲１▼電気銅を原料とし、溶湯中に所定のＳｎを添加し、更に必要に応じてＺｎを添加した後、Ｃｕ−Ｐ母合金を添加することにより、所定組成の溶湯を作製した。
▲２▼鋳造温度１２００℃で、直径３００×長さ３０００ｍｍの鋳塊を半連続鋳造した。
▲３▼鋳塊より長さ４７５ｍｍのビレットを切り出した。
▲４▼ビレットを加熱して９００℃に到達した後、１．５時間保持し、均質化処理した。
▲５▼冷却したビレットをインダクションヒーターで加熱し、８３０℃に到達した後、３分間保持し、その後熱間押出しにより、外径９４ｍｍ、肉厚１０ｍｍの押出し粗管を作製した。
▲６▼押出し粗管を圧延し、外径３８ｍｍ、肉厚２.１ｍｍの圧延粗管を作製した。
▲７▼圧延粗管を抽伸し、加工率３５％以下で外径９.５２mm、肉厚０.３ｍｍまで抽伸した。
▲８▼焼鈍炉にて抽伸素管を焼鈍し、供試材とした。
▲９▼この供試材について、ろう付け加熱を想定し、供試材を８５０℃の塩浴炉に３０秒間保持した。
【００３９】
試験項目は以下のとおりである。
▲１▼成分：供試材より所定量の試料を採取し、組成を分析した。
▲２▼平均結晶粒径：前述の方法により測定した。
▲３▼曲げ試験：供試材より長さ１０００ｍｍの管を１０本採取し、ピッチ２５ｍｍでヘアピン曲げ加工を行い、曲げ部の割れの有無を確認した。
▲４▼０.２％耐力：前述の方法により測定した。
▲５▼疲労試験：前述の方法により試験した。繰り返し数１０７回で割れが発生しない限界の曲げ応力と、９２ＭＰａの応力付加時の割れの有無を確認した。
▲６▼ろう付け試験： 長さ３００ｍｍの供試材の管を軸方向に半割にし、内面側に直径１.６ｍｍ、長さ１０ｍｍのりん銅ろう（ＢＣｕＰ−２）を載せ、窒素気流中で８５０℃に１０分間保持して、ろうの拡がり長さを測定した。なお、加熱前に測定した酸化膜の厚さは全て５００ｎｍ以下であった。
【００４０】
以上の試験結果を下記表１及び表２に示す。Ｎｏ．３乃至５及び１１は本発明の実施例であり、Ｎｏ．１，２、６乃至１０、１２乃至１４は比較例である。また、表１は、ろう付けを想定した加熱を行う前の特性であり、表２は、ろう付けを想定した８５０℃で３０秒の加熱を行った後の特性である。表中の下線が引いてある項目は、本発明の範囲外の数値であることを示す。
【００４１】
【表１】
【表２】
実施例No.３乃至５及び１１は、いずれも優れた曲げ加工性及びろうの広がり性を有し、且つ８５０℃も３０秒間加熱した後も結晶粒の粗大化が少なく、耐力の低下が小さいため、疲れ強さが優れている。
【００４４】
比較例No.１は、従来のりん脱酸銅管であるが、８５０℃に３０秒間の加熱により、疲れ強さが大きく低下した。
【００４５】
比較例No.２は、スズの含有量が０.１％より少ないため、８５０℃で３０秒の加熱により疲れ強さが大きく低下した。
【００４６】
比較例No.６は、スズの含有量が１.０％より多いため、ろうの広がり性が低下した。
【００４７】
比較例No.７は、リンの含有量が０.００５％より少ないため、ろうの広がり性が低下した。
【００４８】
比較例No.８は、リンの含有量が０.１％より多いため、熱間押出時に微細な割れが発生し、供試材の製作を中止した(組成は押出素管で調査した)。
【００４９】
比較例No.９は、酸素の含有量が０.００５％より多いため、ろうの広がり性が低下した。
【００５０】
比較例No.１０は、水素の含有量が０.０００２％より多いため、熱間押出時に微細な割れが発生し、供試材の製作を中止した(組成は押出素管で調査した)。
【００５１】
比較例No.１２は、亜鉛の含有量が１.０％より多いため、ろうの広がり性が少し低下し、別に行った耐応力腐食割れ試験の結果、応力腐食割れに至る時間が実施例No.１と比較して５０％に低下した。
【００５２】
比較例No.１３及び１４は、共に平均結晶粒径が３０μｍより大きく，且つ混粒組織となったため曲げ試験で割れが発生した。これらについては疲労試験を行わなかった。
【００５３】
第２の実施例（内面溝付管）
表１の比較例No.１、実施例No.３、４及び１１の組成を有する圧延素管を使用し、以下に示す方法で内面溝付管を製造した。なお、▲１▼乃至▲６▼の工程は平滑管の場合と同様である。
▲７▼圧延粗管を抽伸し、溝付転造用の素管を製作した。
▲８▼溝付転造用素管をインダクションヒーターにより中間焼鈍した。
▲９▼焼鈍した溝付転造用素管に溝付転造加工を行い、外径が９．５２mm、底肉厚が０.２６ｍｍの内面溝付管を製作した。この内面溝は、内部フィン高さが０.２ｍｍ、リード角が１８°、内部フィン数:５５である。製作した内面溝付管を焼鈍、供試材とした。
試験項目は、平滑管の場合と同様である、但し、ろう付け試験は行わなかった。
【００５４】
試験結果を下記表３及び表４に示す。なお、表３及び表４において、比較例No．１５は、表１、２の比較例No.１の組成であり、表３、４の実施例No.１６、１７、１８は夫々表１、２の実施例No.３、４、１１の組成である。また、表３は、ろう付けを想定した加熱を行う前の特性であり、表４は、ろう付けを想定した８５０℃で３０秒間の加熱を行った後の特性である。表中の下線が引いてある数値は、本発明の範囲外の数値であることを示す。
【００５５】
【表３】
【表４】
実施例No.１６乃至１８は本発明の銅合金管であり、いずれも優れた曲げ加工性及びろうの広がり性を有し、且つ８５０℃で３０秒加熱後も結晶粒の粗大化が少なく、耐力の低下が小さいため、疲れ強さが優れたものである。
【００５８】
これに対し、比較例No.１５は、従来のりん脱酸銅管であるため、８５０℃で３０秒の加熱により疲れ強さが大きく低下している。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、銅合金管のＳｎの含有量を０．１乃至１．０質量％、Ｐの含有量を０．００５乃至０．１質量％、酸素の含有量を０．００５質量％以下及び水素の含有量を０．０００２％以下とし、平均結晶粒径を３０μｍ以下とすることにより、ろう付け性、ろう付け加熱前及びろう付け加熱後の耐力及び疲労強度が優れた銅合金管が得られる。更に、Ｚｎの含有量を０．０１乃至１．０％にすることによって、これらの特性を更に向上させることができる。
Claims (3)
- Ｓｎ：０．１乃至１．０質量％、Ｐ：０．００５乃至０．１質量％、Ｏ：０．００５質量％以下及びＨ：０．０００２質量％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする熱交換器用銅合金管。
- 更に、Ｚｎ：０．０１乃至１．０質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用銅合金管。
- ８５０℃で３０秒間加熱した後の平均結晶粒径が１００μｍ以下、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ２以上、疲れ試験において繰り返し応力を９２ＭＰａとしたとき、繰り返し数ｎ＝１０7回で破断しない疲労強度を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の熱交換器用銅合金管。
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