JP2010236063A - 熱交換器用銅合金管 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ加工を施しても、しわ、破断、断面変形等の形状不良が発生しにくく、曲げ加工性に優れる熱交換器用銅合金管を提供する。
【解決手段】本発明の熱交換器用銅合金管は、Ｓｎ：０．１乃至２．０質量％、Ｐ：０．００５乃至０．１質量％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する。引張強さσ_Bと０．５％耐力σ_０．５との比（σ_０．５／σ_B）は０．２乃至０．６である。引張破断応力の８０％の荷重で引張試験したときの管軸方向の伸びΔＥｌと外径の縮み率ΔＤより求めた比（ｒ値＝ΔＤ／（ΔＤ＋ΔＥｌ））は０．２８以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、曲げ加工性が優れた熱交換器用銅合金管に関する。

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）をアルミニウム又はアルミニウム合金板からなるフィン（以下、アルミニウムフィンという）の貫通孔に通し、前記銅管を銅管内に治具を挿入して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、この拡管開放端部にＵ字形に曲げ加工（ヘアピン曲げ加工）したベンド銅管を挿入し、りん銅ろう等のろう材によりベンド銅管をＵ字形銅管の拡管開放端部にろう付けすることにより、複数個のＵ字形銅管がベンド銅管により接続されて、熱交換器が製作される。

このため、熱交換器に使用される銅管としては、曲げ加工性、熱伝導率及びろう付け性が優れていることが要求される。従来、このような熱交換器用銅合金管としては、熱伝導率が高く、ろう付け性が優れたりん脱酸銅が広く使用されている。

しかしながら、りん脱酸銅は、引張強さが低いため、冷媒の運転圧力の増大に対応するためには、管の肉厚を厚くする必要があり、伝熱管としてりん脱酸銅を使用すると、熱交換器の質量が増大し、価格が上昇するという難点がある。

そこで、本願出願人は、耐圧破壊強度及び加工性が優れた熱交換器用銅合金管を提供することを目的として、Ｓｎ：０．１乃至２．０質量％、Ｐ：０．００５乃至０．１質量％、Ｓ：０．００５質量％以下、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、引張強さが２５５Ｎ／ｍｍ^２以上であり、管軸直交断面において、管の肉厚方向と垂直な方向に測定した平均結晶粒径が３０μｍ以下であり、引張強さをσａ、破壊圧力をＰＦａ、対応するリン脱酸銅管の引張強さをσｄ、破壊圧力をＰＦｄとしたとき、（ＰＦａ）／（σａ）＞（ＰＦｄ）／（σｄ）である熱交換器用銅合金管を提案した（特許文献１）。

しかしながら、リン脱酸銅は、曲げ加工性が低く、ベンド銅管のヘアピン曲げ加工時に、管の表面にしわが発生したり、管の断面形状が扁平に変形したりするという問題点がある。

一方、本願出願人は、このリン脱酸銅管のヘアピン曲げ加工時のしわの発生を、加工方法及び曲げ形状を規定することにより改善したヘアピン曲げ銅管及びヘアピン曲げ加工方法を提案した（特許文献２）。この技術は、ヘアピン曲げ加工が終了される側である曲げ部分の平均曲げ半径が、ヘアピン曲げ加工が開始される側である他方の曲げ部分の平均曲げ半径よりも大きくなるようにしたものである。

特開２００８−１７４７８５号公報 特開２００４−３２２１４１号公報

しかし、特許文献２に記載の技術では、ヘアピン曲げ加工が終了される側である曲げ部分の平均曲げ半径が、ヘアピン曲げ加工が開始される側である他方の曲げ部分の平均曲げ半径よりも大きくなるように銅合金管を曲げ加工するために、曲げ加工装置が複雑になり、装置コストが上昇すると共に、ベンド管の形状が限定されてしまうという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、曲げ形状の特定及び装置コストの上昇をもたらすことなく、素材の改良により、曲げ加工時に、Ｕ字形曲げ部分に、しわ、破断、断面変形等の形状不良が発生しにくく、曲げ加工性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。

本発明に係る熱交換器用銅合金管は、Ｓｎ：０．１乃至２．０質量％、Ｐ：０．００５乃至０．１質量％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する熱交換器用銅合金管であって、前記熱交換器用銅合金管の引張強さσ_Bと０．５％耐力σ_0.5との比（σ_0.5／σ_B）が０．２乃至０．６であり、引張破断応力の８０％の荷重で引張試験したときの管軸方向の伸びΔＥｌと外径の縮み率ΔＤより求めた比（ｒ値＝ΔＤ／（ΔＤ＋ΔＥｌ））が０．２８以上であることを特徴とする。

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、この熱交換器用銅合金管は、例えば、内面溝付管である。

本発明の熱交換器用銅合金管は、Ｓｎを適量含有すると共に、引張強さσ_Bと０．５％耐力σ_0.5との比（σ_0.5／σ_B）及びｒ値を適切に定めたので、曲げ加工時に、しわ、破断、断面変形等の形状不良が発生しにくく、曲げ加工性が優れている。

ｒ値の算出方法を示す図である。 Ｋ材及び比較例材を曲げ加工したときの扁平率を示すグラフ図である。

以下、本発明について詳細に説明する。本発明者等が種々実験研究した結果、Ｓｎ含有量、Ｐ含有量、引張強さσ_Bと０．５％耐力σ_0.5との比（σ_0.5／σ_B）、及び、引張破断応力の８０％の荷重で引張試験したときの管軸方向の伸びΔＥｌと外径の縮み率ΔＤより求めた比（ｒ値＝ΔＤ／（ΔＤ＋ΔＥｌ））を適切に規定することにより、本発明の課題を解決できる熱交換器用銅合金管を得ることができることを見出した。

以下、本発明の熱交換器用伝熱管の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。

「Ｓｎ：０．１乃至２．０質量％」
Ｓｎは、りん脱酸銅管に添加すると、銅合金管の引張り強さ及び伸びを向上させると共に、曲げ加工性を向上させる。Ｓｎ含有量が２．０質量％を超えると、鋳塊における凝固偏析が激しくなり、押出時の均質化処理が不十分になり易く、銅合金管の金属組織、機械的性質、曲げ加工性、ろう付け後の組織及び機械的性質が不均一となる。また、押出圧力が高くなり、Ｓｎ含有量が２質量％以下の銅合金と同一の押出圧力で押出成形するためには、押出温度を上げることが必要になり、それにより押出材の表面酸化が増加し、生産性の低下及び銅合金管の表面欠陥が増加する。一方、Ｓｎが０．１質量％未満であると、曲げ加工性が不十分になると共に、焼鈍後及びろう付け加熱後に、十分な引張強さ及び細かい結晶粒径を得ることができなくなる。従って、Ｓｎの含有量は、０．１乃至２．０質量％である。

「Ｐ：０．００５乃至０．１質量％」
銅合金管のＰ含有量が０．１質量％を超えると、熱間押出時に割れが生じやすくなり、応力腐食割れ感受性が高くなると共に、熱伝導率の低下が大きくなる。Ｐ含有量が０．００５質量％未満であると、脱酸不足により酸素量が増加してＳｎの酸化物が発生し、鋳塊の健全性が低下し、銅合金管として曲げ加工性が低下する。従って、Ｐの含有量は、０．００５乃至０．１質量％である。

「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、冷間圧延、抽伸及び転造等に用いる工具の磨耗を低減させることができ、抽伸プラグ及び溝付プラグ等の寿命を延命させる効果があり、生産コストの低減に寄与する。このため、本発明の銅合金管は、必要に応じて、Ｚｎを添加する。Ｚｎの含有量が１．０質量％を超えると、応力腐食割れ感受性が高くなる。また、Ｚｎの含有量が０．０１質量％未満であると、上述の効果が十分得られなくなる。従って、Ｚｎの含有量を０．００１乃至１．０質量％とすることが好ましい。

次に、本発明の熱交換器用銅合金管の特性等の限定理由について説明する。

「熱交換器用銅合金管の引張強さσ_Bと０．５％耐力σ_0.5との比（σ_0.5／σ_B）が０．２乃至０．６」
引張強さσ_Bと０．５％耐力σ_0.5との比（σ_0.5／σ_B）が０．２未満であると扁平率が大きくなりやすく曲げ加工性が悪化する。ここで扁平率は、銅合金管の曲げ頂部の扁平率であり、（長径−短径）／基準外径で定義される。一方、（σ_0.5／σ_B）が０．６を超えると曲げ加工時にしわが発生しやすい。従って、（σ_0.5／σ_B）は０．２乃至０．６である。

「引張破断応力の８０％の荷重で引張試験したときの管軸方向の伸びΔＥｌと外径の縮み率ΔＤより求めた比（ｒ値＝ΔＤ／（ΔＤ＋ΔＥｌ））が０．２８以上」
銅合金管の曲げ加工時のしわ及び扁平には、銅合金管の長手方向の伸び及び周方向の縮みが関係しており、銅合金管の曲げ加工性は、引張破断応力の８０％の荷重で引張試験したときの管軸方向の伸びΔＥｌと外径の縮み率ΔＤより求めた比（ｒ値＝ΔＤ／（ΔＤ＋ΔＥｌ）と相関があることを本発明者は見出した。即ち、銅合金管の曲げ加工においてΔＤ及びΔＥｌはかなり大きな変形量であるので、銅合金管の曲げ加工性をｒ値で評価するには銅合金管に大きな引張変形を与えたときのΔＤ及びΔＥｌを使用すればよい。この場合に、大きな引張変形とは、引張破断応力の８０％の荷重の引張変形である。引張破断応力の８０％の荷重で引張試験した場合は、一様の伸びにより銅合金管が変形することで曲げ試験結果とｒ値との間にばらつきが出にくいからである。一方、例えば引張破断応力の９０％以上の荷重の場合は銅合金管にくびれが発生し、引張破断応力の７０％未満の荷重の場合は変形量が小さいので、曲げ試験結果とｒ値との間にばらつきが出やすくなる。引張破断応力の８０％の荷重で引張試験したときのｒ値が０．２８以上であると、曲げ加工時の扁平が抑制され、且つしわが発生しにくい。なお、ｒ値は０．２８以上０．４以下であることが好ましい。

なお、このｒ値は、以下のようにして求める。図１に示すように、管外径がＤ_０、評点間の距離がδ_０の銅合金管を引張試験に供する。この銅合金管を引張破断応力の８０％の荷重で引張試験し、評点間の距離がδ_１に伸び、管外径がＤ_１に縮小したとする。このとき、管外径の変化量ΔＤはΔＤ＝（Ｄ_０−Ｄ_１）／Ｄ_０の式で算出される。また、伸び変化量ΔＥｌはΔＥｌ＝（δ_１−δ_０）／δ_０の式で算出される。そして、ｒ値は、前述の如く、このΔＤ及びΔＥｌを使用して、ｒ＝ΔＤ／（ΔＤ＋ΔＥｌ）の式で算出される。

図２はＫ材及びりん脱酸銅比較例材を曲げ加工して扁平率を求めた結果を、横軸に曲げピッチをとり、縦軸に扁平率をとって示す。Ｋ材は本発明の組成及び比（σ_0.5／σ_B）の範囲を満たすものであり、調質はＯ材又は中間焼鈍材である。これらの銅管の曲げピッチは、銅管を１８０°曲げ加工したときの平行な直管部の中心間の距離である。また、扁平率は、曲げ頂部の扁平率を、扁平率＝（長径−短径）／基準外径の式で算出した。但し、基準外径とは、曲げ加工前の銅管の外径であり、長径は、扁平化した部分の長寸の外径であり、短径は短寸の外径である。この図２及び後述の実施例からわかるように、ｒ値が高いＫ材は、扁平率が低い。そして、ｒ値が０．２８以上である場合は、広範囲の曲げピッチにおいて、扁平率が低い。そこで、本発明においては、扁平率を低くするために、ｒ値を０．２８以上とする。

「銅合金管が内面溝付管」
本発明の銅合金管は、りん脱酸銅管に比べて引張り強さと伸びを大きく、且つ結晶粒径を小さくすることができるので転造加工による内面溝付管の製造に好適である。特に、引張り強さが大きいことから、転造加工時に引抜き方向に伸びにくいので溝付プラグの溝部への合金管の肉の充填が円滑であり、良好なフィン形状を有する内面溝付管を高速で加工することが可能になる。

次に、本発明の銅合金管の製造方法の一例について、平滑管又は内面溝付管の場合を例として以下に説明する。

先ず、原料の電気銅を木炭被覆の状態で溶解し、銅が溶解した後、Ｓｎ及びＺｎを所定量添加し、更に、脱酸を兼ねてＣｕ−１５質量％Ｐ中間合金としてＰを添加する。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。得られたビレットを加熱炉で加熱し、均質化処理を行なう。なお、熱間押出前に、ビレットを７５０乃至９５０℃に１分乃至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、ビレットにピアシングによる穿孔加工を行い、７５０乃至９５０℃で熱間押出を行う。更に熱間押出後の素管を水冷等の方法により、表面温度が３００℃になるまでの冷却速度が１０℃／秒以上、望ましくは１５℃／秒以上、更に望ましくは２０℃／秒以上となるように冷却することが好ましい。

次に、押出素管に圧延加工を行ない、外径と肉厚を低減させる。このときの加工率を断面減少率で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。

また、圧延素管に抽伸加工を行なって所定の寸法の素管を製造する。通常、抽伸加工は複数台の抽伸機を用いるか、又は同一の抽伸機においてダイス及び／又はプラグのサイズを変更して複数回抽伸加工するが、各抽伸工程による加工率（断面減少率）は３５％以下にすることにより、素管における表面欠陥及び内部割れを低減できる。

その後、需要家において管に曲げ加工を行う場合及び抽伸管を使用して内面溝付管を製造する場合等には、抽伸管に焼鈍処理を行う。本発明の銅合金管を連続的に焼鈍するには、銅管コイル等の焼鈍に通常使用されるローラーハース炉、又は高周波誘導コイルに通電しながら銅管を前記コイルに通す高周波誘導コイルによる加熱を利用することができる。ローラーハース炉によって本発明の銅合金管を製造するには、抽伸管の実体温度が４００乃至６００℃となり、その温度で抽伸管が１分乃至１２０分間程度加熱されるように焼鈍することが望ましい。また、室温から所定温度までの平均昇温速度が５℃／分以上、望ましくは１０℃／分以上となるように加熱することが望ましい。

抽伸管の実体温度が４００℃より低いと完全な再結晶組織にならず(繊維状の加工組織が残存)、需要家における曲げ加工及び内面溝付管の加工が困難になる。また、６００℃を超える温度では、結晶粒が粗大化し、管の曲げ加工性が却って低下し、また内面溝付加工においては管の引張り強さが低下してしまうため、管長手方向の伸びが大きく、管内面のフィンを正しい形状に形成することが難しくなる。このため、抽伸管の実体温度が４００乃至６００℃の範囲で焼鈍することが望ましい。また、この温度範囲における加熱時間が１分より短いと、完全な再結晶組織にならないため、前述の問題が発生する。また、１２０分を超えて焼鈍を行っても、結晶粒径に変化がなく、焼鈍の効果は飽和してしまうため、前記温度範囲における加熱時間は１分乃至１２０分が適当である。また、結晶粒を粗大化させないためには、室温から所定温度までの平均昇温速度が速いほうが望ましい。昇温速度が５℃／分より遅いと、同じ温度に加熱しても結晶粒が粗大化しやすく、耐圧破壊強度及び曲げ加工性の点から望ましくないと共に、生産性を阻害することになる。従って、室温から所定温度までの平均昇温速度は５℃／分以上が望ましい。

なお、上記のローラーハース炉による連続焼鈍に変えて、高周波誘導加熱炉を使用し、高速昇温、高速冷却、及び短時間加熱の焼鈍を行ってもよい。以上が平滑管の製造方法である。また、このように焼鈍した平滑管に、必要に応じて各種加工率の抽伸加工を行い、引張り強さを向上させた加工管としてもよい。

内面溝付管の場合は、焼鈍した平滑管に溝付転造加工を行う。このようにして、内面溝付管を製造した後、通常更に焼鈍を行う。また、このように焼鈍した内面溝付管に、必要に応じて軽加工率の抽伸加工を行い、引張り強さを向上させてもよい。

以下、本発明の効果を実証するための試験結果について説明する。先ず、平滑管についての実施例１〜７、比較例１〜６の製造方法について説明する。
（ａ）電気銅を原料として、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。
（ｂ）鋳造温度１２００℃で、直径３２０×長さ６５００ｍｍの鋳塊を半連続鋳造した。
（ｃ）得られた鋳塊から、長さ４５０ｍｍのビレットを切り出した。
（ｄ）ビレットをビレットヒーターで６５０℃に１時間加熱した後、インダクションヒーターで８５０℃に加熱し、８５０℃に到達した後２分経過後、熱間押出機でビレット中心に直径８０ｍｍのピアシング加工し、その後、熱間押出により、外径９６ｍｍ、肉厚９．５ｍｍの押出素管を作製した（断面減少率：９６．６％）。押出素管の３００℃までの平均冷却速度は４０℃／秒であった。
（ｅ）押出素管を圧延して、外径３５ｍｍ、肉厚２．３ｍｍの圧延素管を作製した。
（ｆ）圧延素管を、１回の抽伸工程における断面減少率が３５％以下になるように、引き抜き抽伸加工を繰り返し、外径９．５２ｍｍ、肉厚０．８０ｍｍの銅合金管を得た。
（ｇ）焼鈍炉にて、還元性ガス雰囲気中で、前記抽伸管を４５０乃至６５０℃に加熱し（平均昇温速度１２℃／分）、この温度に３０分保持し、冷却帯を通過させて室温まで徐冷し、所望の機械的性質（引張強さσ_B、０．５％耐力σ_0.5）を有する供試材とした。この供試材は、平滑管の銅管である。

次に、内面溝付管についての実施例８及び比較例７の製造方法について説明する。
押出素管を圧延して圧延素管を作製する工程までは、上述の平滑管についての（ａ）乃至（ｅ）の工程と同様である。
（ｈ）次に、圧延素管を抽伸加工して、溝付転造用の素管を製作した。
（ｉ）溝付転造用の素管をインダクションヒーターにより中間焼鈍した。
（ｊ）中間焼鈍した溝付転造用素管に溝付転造加工を行い、外径７ｍｍ、底肉厚０．２３ｍｍの内面溝付管を製作した。この内面溝はフィン高さ０．１６ｍｍ、リード角３５°、フィン山数５５である。
（ｋ）内面溝付管を焼鈍炉にて、還元性ガス雰囲気中で、前記抽伸管を４５０乃至５００℃に加熱し（平均昇温速度１２℃／分）、この温度に３０分保持し、冷却帯を通過させて室温まで徐冷し、所望の機械的性質（引張強さσ_B、０．５％耐力σ_0.5）を有する供試材とした。

下記表１は、実施例１〜８及び比較例１〜７の成分組成、焼鈍条件、測定された機械的性質、ｒ値及び曲げ加工性評価結果を示す。引張試験においては、引張破断応力の８０％の荷重で停止し、材料を取り出して管軸方向の伸びΔＥｌ（評点間距離５０ｍｍ）及び管周方向の縮み率ΔＤを測定した。曲げ加工性の評価については、曲げ半径Ｒ＝１９ｍｍでマンドレルを使用せずに１８０°曲げ加工を行い、しわ有無の確認と、曲げ頂部の長径と短径を測定して扁平率（（長径−短径）／基準外径（＝９．５２ｍｍ））を算出した。扁平率は１０．０％以下が合格と判断した。成分、機械的性質、ｒ値、曲げ加工によるしわ発生有無と、扁平率を、表１に示す。なお、焼鈍タイミングで１パス前と記載しているものは、抽伸加工により、外径が１０ｍｍ、厚さが０．７８ｍｍの銅管に仕上げた後、焼鈍し、更に抽伸して外径が９．５２ｍｍ、厚さが０．８ｍｍの銅管としたものである。実施例８及び比較例７において、焼鈍タイミングの最終※は、溝付転造前にも転造加工のための焼鈍工程があることを示す。

比較例１はＳｎの含有量が２．３０質量％であり、且つｒ値が０．２４８であるので、曲げ加工において扁平率が大きくなると共にしわが発生した。比較例２は（σ_0.5／σ_B）が０．９０であり、且つｒ値が０．２５４であるので、座屈が発生した。比較例３はｒ値が０．２８３であるが、（σ_0.5／σ_B）が０．１９であるので、曲げ加工において扁平率が大きかった。比較例４及び７はＳｎが含有されておらず、且つｒ値が０．２７４であるので、曲げ加工において扁平率が大きかった。比較例５はｒ値が０．２７５であるので、曲げ加工において扁平率が大きかった。比較例６はＰの含有量が０．１１０質量％であるので熱間押出で割れが発生した。一方、本発明の実施例１〜８に示されるように、ｒ値が０．２８以上である場合は扁平率が低かった。なお、本発明の実施例１〜７は平滑管であり、実施例８は内面溝付管である。このように、本発明の実施例１〜８は、曲げ加工性評価において、しわ及び座屈の発生がなく、扁平率が小さいので、曲げ加工性が優れていた。

Claims (3)

1. Ｓｎ：０．１乃至２．０質量％、Ｐ：０．００５乃至０．１質量％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する熱交換器用銅合金管であって、
   引張強さσ_Bと０．５％耐力σ_0.5との比（σ_0.5／σ_B）が０．２乃至０．６であり、引張破断応力の８０％の荷重で引張試験したときの管軸方向の伸びΔＥｌと外径の縮み率ΔＤより求めた比（ｒ値＝ΔＤ／（ΔＤ＋ΔＥｌ））が０．２８以上であることを特徴とする熱交換器用銅合金管。
2. 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。
3. 前記銅合金管が内面溝付管であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器用銅合金管。

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