JP2013040397A - 高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材を開示する。
【解決手段】０．０５乃至０．２５重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０１乃至０．０５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１５乃至０．０７重量％のりん（Ｐ）、及び残部の銅（Ｃｕ）を含み、鉄（Ｆｅ）とりん（Ｐ）の重量比（Ｆｅ／Ｐ）が０．７５乃至６．０になるようにビレットを鋳造する鋳造ステップと、前記ビレットを熱間押出して素管を得る熱間押出ステップと、前記熱間押出された素管を冷間管圧延して管材を得る冷間管圧延ステップと、前記冷間管圧延された管材を冷間引抜する冷間引抜ステップと、前記冷間引抜された管材をコイル状に巻くレベルワインディングステップと、前記コイル状に巻かれた管材に熱処理を行う熱処理ステップと、からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅、鉄、マンガン及びりんを含む高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材及びその製造方法に関するものである。

給湯器、空調機、冷凍機、冷蔵庫などの配管設備及び熱交換器に使われるパイプの素材として、熱伝導性に優れた銅または銅合金材が主に使われていれる。その中でも、一般的に熱伝導性、加工性、耐熱性及びハンダ付け性に優れたりん脱酸銅（例、Ｃ１２２０）が主に使われてきた。

一方、最近、給湯器、エアコン、冷蔵庫などの配管設備及び熱交換器で熱媒体ガスとして使われていたフロンガスは、オゾン層の破壊によってその使用が厳しく規制されており、その代わりに環境に優しい冷媒（ＣＯ_２ガスなど）の使用が薦められている。しかし、熱媒体として、このような環境に優しい冷媒を使う場合の凝縮圧力が、フロンガスを使用する場合よりも２倍以上高い。したがって、配管設備及び熱交換器で使われるパイプが、フロンガスに代わる環境に優しい冷媒の使用により増加した凝縮圧力に耐えるためには、前記パイプの厚さをより厚くしたり、または前記パイプの強度をより向上させなければならない。しかし、前記パイプの厚さを増加させると、耐圧伝熱容器全体の重量が増加するため、総製造コストが増加する。また、上述したパイプの厚さを増加させると、構造的に、また、振動の防止のために、前記パイプを固定する部材も強度を高めなければならないので、これに対する製造コストもさらに上昇することになる。また、前記パイプの厚さが厚くなると、パイプの製造時に引抜加工の加工量も多くなるため、これもまたコスト上昇の要因になる。

特許文献１では、高強度の銅合金管として銅、錫、コバルト、りん、亜鉛、ニッケルなどを含む銅合金管が開示されているが、前記銅合金管は延伸率が低いため、熱交換器用パイプとして使うには加工性面において問題点がある。

大韓民国公開特許第１０−２００９−００８７００５号公報

したがって、本発明の目的は、高強度及び高伝導性を有すると共に、加工性も良好な銅合金材とその製造方法を提供することである。

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材は、０．０５乃至０．２５重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０１乃至０．０５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１５乃至０．０７重量％のりん（Ｐ）、残部である銅（Ｃｕ）、及びその他の不可避な不純物からなり、前記鉄（Ｆｅ）とりん（Ｐ）の重量比（Ｆｅ／Ｐ）は、０．７５乃至６．０である。前記銅合金材は、２９５ＭＰａ以上の引張強度、３５％以上の延伸率、及び８１％ＩＡＣＳ以上の電気伝導度を有する。

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材の製造方法は、０．０５乃至０．２５重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０１乃至０．０５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１５乃至０．０７重量％のりん（Ｐ）、及び残部の銅（Ｃｕ）を含み、前記鉄（Ｆｅ）とりん（Ｐ）の重量比（Ｆｅ／Ｐ）が０．７５乃至６．０になるようにビレットを鋳造するステップ（鋳造ステップ）と、前記ビレットを熱間押出して素管を得るステップ（熱間押出ステップ）と、前記熱間押出された素管を冷間管圧延して管材を得るステップ（冷間管圧延ステップ）と、前記冷間管圧延された管材を冷間引抜するステップ（冷間引抜ステップ）と、前記冷間引抜された管材をコイル状に巻くステップ（レベルワインディングステップ）と、前記コイル状に巻かれた管材に熱処理を行うステップ（熱処理ステップ）と、からなる。

上述した本発明の製造方法で製造されるパイプ用銅合金材は、２９５ＭＰａ以上の引張強度、３５％以上の延伸率、及び８１％ＩＡＣＳ以上の電気伝導度を有する。

本発明のパイプ用銅合金材は、強度及び伝導性に優れ、加工性が改善される。また、本発明のパイプ用銅合金材は、低コストで高い強度を有するパイプ用銅合金材の製造が可能であるという利点がある。

本発明の銅合金材の製造方法を示した工程フローチャートである。 実施例及び比較例によって製造された各試料の拡管試験の結果である。 実施例及び比較例によって製造された各試料の腐食試験の結果である。 実施例及び比較例によって製造された各試料の組織写真である。

以下、本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。

（本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材）

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材は、０．０５乃至０．２５重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０１乃至０．０５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０.０１５乃至０．０７重量％のりん（Ｐ）、残部の銅（Ｃｕ）及びその他の不可避な不純物からなり、前記鉄（Ｆｅ）とりん（Ｐ）の重量比（Ｆｅ／Ｐ）は０．７５乃至６．０である。

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材において、鉄（Ｆｅ）は、Ｆｅ-Ｐ系などの微細な分散粒子の析出物を形成して、銅合金材の強度や導電性を向上させる役割を果たす。

前記銅合金材において鉄は、０．０５乃至０．２５重量％の範囲で含まれる。鉄が０．０５重量％未満で含有されると、微細な析出物分散粒子が不足して、十分な強度及び導電性を確保することができない。一方、鉄が０．２５重量％を越えると、析出される分散粒子が粗大化されて、最終的に生成される生成物の強度及び曲げ加工性がむしろ低下する。

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材において、マンガン（Ｍｎ）は、熱間加工性を向上させる役割を果たす。

前記銅合金材においてマンガンは、０．０１乃至０．０５重量％の範囲で含まれる。マンガンの含量が０．０１重量％未満であると、十分な熱間加工性が得られず、０．０５重量％を越えると、粗大な晶出物や酸化物が生成されて曲げ加工性を低下させるだけでなく、導電性の低下も著しくなる。

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材において、りん（Ｐ）は、脱酸作用のみならず、鉄と微細な析出物を形成して、銅合金の強度や導電性を向上させる役割を果たす。

前記銅合金材においてりんは、０．０１５乃至０．０７重量％の範囲で含まれる。りんが０．０１５重量％未満で含有されると、微細な析出物粒子が不足して、十分な強度及び導電性を確保することができない。また、りんの含量が０．０７重量％を超過すると、Ｆｅ-Ｐ析出粒子が粗大化されることによって、強度や曲げ加工性が低下し、熱間加工性も低下する。

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材において、銅（Ｃｕ）は残部量で含まれる。

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材には、その他の不可避な不純物が極微量で含まれ得る。その他の不可避な不純物は、本発明による高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材の特性に影響を及ぼさない。

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材において、ＦｅとＰの重量比は０．７５乃至６．０である。前記ＦｅとＰの重量比（Ｆｅ／Ｐ）が０．７５未満である場合には、過剰となったＰがＣｕマトリックス中に溶解して、最終の銅合金材の伝導性が低下する。一方、前記ＦｅとＰの重量比（Ｆｅ／Ｐ）が６．０を越える場合、過剰となった残Ｆｅが粗質の単体Ｆｅに生成されて、最終の銅合金材の強度が低下する。したがって、前記ＦｅとＰの重量比（Ｆｅ／Ｐ）は０．７５乃至６．０の範囲でなければならない。

一方、本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材は、２９５ＭＰａ以上の引張強度を有する。したがって、熱媒体としてフロンガスの代りに環境に優しい冷媒を使っても、本発明のパイプ用銅合金材から製造される耐圧伝熱容器などは、銅合金材の引張強度が２９５ＭＰａ以上であるので、環境に優しい冷媒の凝縮圧力に耐えられる。

また、本発明のパイプ用銅合金材は、８１％ＩＡＣＳ以上の電気伝導度を有する。したがって、本発明のパイプ用銅合金材は、既存の給湯器、空調機、冷凍機、冷蔵庫などの配管設備及び熱交換器に使われるパイプのような耐圧伝熱容器の素材として使われるりん脱酸銅の代用に適している。

前記銅合金材は３５％以上の延伸率を有する。したがって、本発明のパイプ用銅合金材は、優れた曲げ性、優れた加工性を有し、金属管を圧入して拡管したとき、塑性変形に対する能力の改善に適している。

既存の熱交換器用銅合金材において引張強度を高く改善させる場合、電気伝導度及び延伸率が低下し、電気伝導度または延伸率を改善させる場合、引張強度が低下するなど、引張強度と電気伝導度及び延伸率は同時に改善し難いという特徴があった。ところが、上述のように、熱交換器用銅合金材の構成及び構成成分の含量範囲を制御することによって、高強度かつ高伝導性で、加工性も優れた銅合金材を製造することができる。

（本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材の製造方法）

本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材の製造方法を開示する。

本発明の銅合金材は、０．０５乃至０．２５重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０１乃至０．０５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１５乃至０．０７重量％のりん（Ｐ）、残部の銅（Ｃｕ）を含み、鉄（Ｆｅ）とりん（Ｐ）の重量比（Ｆｅ／Ｐ）が０．７５乃至６．０になるようにビレットを鋳造するステップ（鋳造ステップ)（Ｓ１００）と、前記鋳造ステップから得られたビレットを熱間押出して素管を得るステップ（熱間押出ステップ）（Ｓ２００）と、前記熱間押出された素管を冷間管圧延して管材を得るステップ（冷間管圧延ステップ）（Ｓ３００）と、前記冷間管圧延された管材を冷間引抜するステップ（冷間引抜ステップ）（Ｓ４００）と、前記冷間引抜された管材をコイル状に巻くステップ（レベルワインディングステップ）（Ｓ５００）と、前記コイル状に巻かれた管材に熱処理を行うステップ（熱処理ステップ）（Ｓ６００）と、から製造される。

前記鋳造ステップ（Ｓ１００）で、ビレットは、０．０５乃至０．２５重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０１乃至０．０５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１５乃至０．０７重量％のりん（Ｐ）、残部の銅（Ｃｕ）を含み、鉄（Ｆｅ）とりん（Ｐ）の重量比（Ｆｅ／Ｐ）が０．７５乃至６．０になるように溶融して鋳造する。前記ビレット鋳造ステップで、その他の不可避な不純物が極微量で含まれ得る。その他の不可避な不純物は、本発明による高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材の特性に影響を及ぼさない。前記ビレットは、用途に応じて適切な大きさ及び形状に製造可能である。本発明では、約２０７ｍｍ乃至２８０ｍｍ程度の外径の円筒（パイプ）であって、電気炉にて半連続鋳造を適用して製造することができる。前記鋳造ステップで、鋳造の温度は約１１００乃至１３５０℃で、鋳造の速度は約１００ｍｍ／ｍｉｎ乃至１５０ｍｍ／ｍｉｎである。

その後、前ステップで得られたビレットは熱間押出される（Ｓ２００）。前記熱間押出ステップ（Ｓ２００）は、先のステップから得られる鋳造されたビレットを適切な大きさに切断して、約７７０℃乃至９００℃の範囲で実施される。前記温度範囲未満である場合、再結晶温度未満の領域として、特に、材料の表面が内面よりも温度が低い場合は、中央部の変位で形成されたせん断領域が境界面の内側に生じるのでパイピング（押出欠陥）が発生し、前記温度範囲を超過する場合、時々再結晶が起こり、微細な結晶粒構造が形成される領域を逸脱するので、過大成長などの非正常結晶粒が生じ、横断面組織において環（ｒｉｎｇ）形状に粗大な結晶が生じる。

例えば、本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材は、先のステップから得られる鋳造されたビレットを、約６４０ｍｍ乃至８００ｍｍの長さに切断して、約９０％程度の押出割合で減少させるために、約９００℃で１０分間熱処理を行って、１２０ｍｍ乃至１３０ｍｍの外径および１２ｍｍ乃至１５ｍｍの厚さで管材（パイプ）を製造する。

以後、冷間管圧延ステップ（Ｓ３００）が実施される。前記冷間管圧延ステップ（Ｓ３００）は、先のステップから得られる管材を、約３５ｍｍ乃至９０ｍｍの外径および２．８ｍｍ乃至３．１ｍｍの厚さで管圧延する。このとき、供給速度は９．５２ｍｍ／ｓｔｒｏｋｅ乃至１１．２ｍｍ／ｓｔｒｏｋｅ程度である。

その後、先のステップから得られる生成物は冷間引抜される（Ｓ４００）。前記冷間引抜ステップ（Ｓ４００）は、これに限定するものではなく、例えば、ホロー(Ｈａｌｌｏｗ)、プラグ、フローティングプラグ、マンドレル引抜方法が使われ得る。前記冷間引抜ステップは、先のステップから得られる管材を約４ｍｍ乃至２２．２ｍｍの外径および０．２５ｍｍ乃至０．４１ｍｍの厚さで管圧延する。

次に、レベルワインディングステップ（Ｓ５００）が実施される。前記レベルワインディングステップ（Ｓ５００）は、前記の冷間引抜された管材を、洗浄、較正、ＥＣＴ検査、欠陥部のマーク実施後にドラムに巻く過程であって、ラインスピード（Ｌｉｎｅ ｓｐｅｅｄ）は３５０ｍ／ｍｉｎ乃至５００ｍ／ｍｉｎが効果的である。前記ステップを通じて、多数回の引抜過程によって、不均一な曲率を一定の張力で維持することができる。

以後、熱処理ステップ（Ｓ６００）が実施される。前記熱処理ステップ（Ｓ６００）は、加工硬化による強度が向上した銅合金の引張強度、延伸率、電気伝導度などの特徴を制御するために、４５０℃乃至６５０℃の範囲で、３時間乃至６時間実施する。銅管（銅合金材からなるパイプ）の内面に加工油が残っていると、冷媒回路の故障を起こしたり、または冷媒を変質させるので、焼鈍過程で窒素と水素とが適切に混合された不活性ガスを投入して、残留オイルを外部に排出して除去する過程（ｐｕｒｇｉｎｇ）を経る。残留量は０．１ｍｇ／ｍ以下に管理する。

以下、実施例を通じて本発明を詳細に説明する。

（実施例１）
本発明の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材から製造される銅合金管（パイプ）を、下記の表１に開示された組成として製造した。０．０５重量％のＦｅ、０．０５重量％のＭｎ、０．０１５重量％のＰ、及び残部量の銅を、電気炉にて半連続鋳造してビレットを得た（Ｓ１００）。前記の得られたビレットを６４０Ｌの長さに切断したあと、８００℃で熱間押出して、１２０ｍｍの外径および１５ｍｍの厚さの管材を得た（Ｓ２００）。次に、前記管材を冷間圧延して５８ｍｍの外径および２．８ｍｍの厚さの管を得た（Ｓ３００）。その後、得られる冷間圧延された管を、フローティングプラグ引抜方法によって、９．５２ｍｍの外径および０．３ｍｍ乃至０．４５ｍｍの厚さを有するように冷間引抜した（Ｓ４００）。前記の引抜された管材をコイル方式でドラムに巻いた（Ｓ５００）。次に、得られた生成物を６００℃で、窒素９５％と水素５％の雰囲気下で４乃至６時間の間熱処理を行った（Ｓ６００）。

最終的に得られた銅合金管を、外径９．５２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、長さ３０ｍｍの大きさに切断して、試片を準備した（試料１）。

（実施例２乃至４）
ビレットの組成を、下記の表１に開示されたように変更した点を除き、実施例１と同様の方法で銅合金管を製造して、試片を準備した（それぞれ順に試料２乃至４）。

（比較例１乃至４）
ビレットの組成を、下記の表１に開示されたように変更した点を除き、実施例１と同様の方法で銅合金管を製造して、試片を準備した（それぞれ順に試料５乃至８）。

（比較例５及び６）
りん脱酸銅（Ｃ１２２０）を用いて、表１に記載された規格及び成分を有する銅合金管を製造して、試片を準備した（それぞれ順に試料９及び１０）。

Ｂａｌ．＝Ｂａｌａｎｃｅ、残部量

上述した実施例及び比較例から得られた試片を用いて、引張強度（ＴＳ）、延伸率（Ｅｌ）、電気伝導度（ＥＣ）、拡管試験（ｅｘｐａｎｄ ｔｅｓｔ）、耐圧試験（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｅｓｔ）、腐食試験（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔ）を実施して、各試験結果を表２に示した。

引張強度及び延伸率はＫＳ Ｂ ０８０２によって、熱及び電気伝導性に関連した電気伝導度はＫＳ Ｄ ０２４０によって、拡管試験はＫＳ Ｂ ＩＳＯ ８４９３によって、耐圧試験はＫＳ Ｂ ６７３０によって、腐食試験はＫＳ Ｄ ９５０２によって測定した。

引張強度の試験は、製造された銅合金管の強度を測定するために実施し、延伸率は加工性を示す指標として使われ、そして、電気伝導度は銅合金管の伝導性測定のために使われ、また熱交換器の伝導性を示す指標として使われる。拡管試験は、円形断面の金属管を圧入して拡管したとき、塑性変形に対する能力を決定するために使われ、耐圧試験は、銅合金管の十分に耐えられる圧力を測定するために行った試験であって、凝縮圧力が高い冷媒を熱媒体として使った場合に耐えられる圧力を測定したという点において重要である。

前記表２から分かるように、実施例によって製造された試料１乃至４は、比較例によって製造された試料５乃至１０と違って、引張強度、導電性及び延伸率などの全ての項目で均一に良好な結果を得た。比較例によって製造された試料５乃至１０は、前記の試験のうち特定試験では優れた結果を得たが、他の試験では基準に満たさない結果を示した。例えば、比較例３による試料７の場合、引張強度及び耐圧試験では良好な結果を得たが、延伸率が低く、拡管試験で破裂現状が観察された。

表２から分かるように、実施例によって製造された試料１乃至４はいずれも、耐圧試験において１２０％以上の優れた耐圧性を示した。

前記の結果から、本発明の銅合金材は、既存のパイプ用銅合金材において両立し難しい特性である引張強度と電気伝導度及び延伸率が、同時に一定水準以上の効果を奏することを確認することができる。また、本発明の銅合金材によって製造された銅合金管は、耐圧試験において優れた耐圧性を示すので、環境に優しい冷媒の使用にも適合した配管設備及び熱交換器用パイプに非常に適している。

さらに、本発明のパイプ用銅合金材は、その製造方法から確認し得るように、既存の２回以上の熱処理を必要とした製造工程と比較して、１回の熱処理のみで高い引張強度及び電気伝導度と、優れた加工性とを同時に確保することができる。

本発明のパイプ用銅合金材は、優れた強度、電気伝導性および向上した加工性を示す。さらに、有利には、高強度の銅合金材を低コストで製造できる。

本発明は、本発明の精神及び範囲を逸脱しない範囲で様々な修正及び変形が可能であるということは、当該技術の分野における通常の知識を有する当業者にとって明らかである。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内で提供される修正及び変形をカバーするものである。

Claims (4)

1. ０．０５乃至０．２５重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０１乃至０．０５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１５乃至０．０７重量％のりん（Ｐ）、残部である銅（Ｃｕ）、及びその他の不可避な不純物からなり、前記鉄（Ｆｅ）とりん（Ｐ）の重量比（Ｆｅ／Ｐ）は、０．７５乃至６．０であるパイプ用銅合金材。
2. ２９５ＭＰａ以上の引張強度、３５％以上の延伸率、及び８１％ＩＡＣＳ以上の電気伝導度を有する、請求項１に記載のパイプ用銅合金材。
3. ０．０５乃至０．２５重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０１乃至０．０５重量％のマンガン（Ｍｎ）、０．０１５乃至０．０７重量％のりん（Ｐ）、及び残部の銅（Ｃｕ）を含み、鉄（Ｆｅ）とりん（Ｐ）の重量比（Ｆｅ／Ｐ）が０．７５乃至６．０になるようにビレットを鋳造する鋳造ステップと、
   前記ビレットを熱間押出して素管を得る熱間押出ステップと、
   前記熱間押出された素管を冷間管圧延して管材を得る冷間管圧延ステップと、
   前記冷間管圧延された管材を冷間引抜する冷間引抜ステップと、
   前記冷間引抜された管材をコイル状に巻くレベルワインディングステップと、
   前記コイル状に巻かれた管材に熱処理を行う熱処理ステップと、からなるパイプ用銅合金材の製造方法。
4. 前記銅合金材は、２９５ＭＰａ以上の引張強度、３５％以上の延伸率、及び８１％ＩＡＣＳ以上の電気伝導度を有するものである、請求項３に記載の高強度及び高伝導性のパイプ用銅合金材の製造方法。