JP3046932B2 - 高温延性および耐焼鈍脆性に優れた耐食銅合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温延性および耐
焼鈍脆性に優れた耐食銅合金、詳しくは、製造工程途中
において焼鈍脆性に起因する割れの発生がなく、耐食性
にも優れた３０％キュプロニッケル合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】３０％程度のＮｉを含有するキュプロニ
ッケル合金（JIS H 3300 C7150、BS2871、CN107)やこれ
にＦｅ、Ｍｎを添加した高Ｆｅ高Ｍｎキュプロニッケル
合金（JIS H 3300 C7164、BS2871、CN108)は、優れた海
水耐食性をそなえているため、発電プラント、化学プラ
ントなど海水を冷却水とする多管式熱交換器あるいは多
段蒸発式海水淡水化装置の伝熱管として適用されてい
る。

【０００３】これらキュプロニッケル合金管の製造は、
一般に、連続鋳造により造塊し、鋳塊を熱間加工（熱間
圧延、熱間押出）し、その後、冷間加工（冷間圧延、冷
間抽伸）、熱処理を経て行われるが、製造工程中、とく
に鋳塊を熱間加工する際、延性の低下に起因して割れが
生じ易く、また熱間加工を行う前の鋳塊加熱の際にも、
鋳塊に残留している応力が緩和する過程で微細割れが生
じ易く、その後の熱間加工または冷間加工における加工
割れ発生の原因となる。これらの現象は焼鈍脆性といわ
れ、キュプロニッケル管製造の障害となっている。

【０００４】焼鈍脆性を防止するための対策として、鋳
塊結晶粒度の微細化、熱間加工の際の加工度の制限など
が行われるが、鋳塊結晶粒の微細化については、鋳造
時、注湯温度を低くすることや冷却速度を大きくするこ
となどにより、ある程度までは可能であるものの、鋳造
速度を大きく低下させることとなり、生産性の低下を招
くことになる。また引け巣などの鋳造欠陥が生じ易くな
るという問題がある。鋳造時、電磁撹拌を行うことによ
り結晶粒の微細化が可能となるが、高額な電磁撹拌装置
が必要となり生産コストの増大を招く。さらに鋳塊結晶
粒の微細化のみでは焼鈍脆性を完全に防止することがで
きない。熱間加工時の加工度の制限は、生産能率を低下
させる。

【０００５】合金組成を調整し、例えば、２４〜３８％
Ｎｉ、２．３〜３．８％のＣｒを含有し、２％未満のＭ
ｎ、０．０２％以下の炭素、０．８％以下のＺｒを含有
し、残部が実質的に銅であり、熱間加工性を改良した銅
ニッケル合金（特公昭51-44089号公報) 、２９〜３３％
Ｎｉ、０．０１〜１％Ｆｅ、０．０１〜１．５％Ｍｎ、
０．０５〜０．５％Ｚｒを含有し、残部が実質的に銅か
らなり、耐焼鈍脆性を改善したキュプロニッケル合金
（英国特許1,144,334 号) も提案されているが、耐焼鈍
脆性に加え、耐食性、生産コスト、生産性の向上などの
総合的観点から評価した場合、必ずしも十分なものでは
ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐焼鈍脆性
を改善した上記のキュプロニッケル合金を基本として、
総合的に優れた合金を得るために、合金組成の組合わ
せ、不純物量などについて種々の実験検討を行った結果
としてなされたものであり、その目的は、高温延性、耐
焼鈍脆性が優れ、鋳塊加熱時や熱間加工時に割れを生じ
ることがなく、耐孔食性、耐隙間腐食性、耐潰食性など
の耐食性に優れ、上記のキュプロニッケル合金に比較し
て材料コスト、生産コストが低減され、生産性向上も達
成できる高温延性および耐焼鈍脆性に優れた耐食銅合金
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明による高温延性および耐焼鈍脆性に優れた耐
食銅合金は、Ｎｉ：２９〜３３％、Ｆｅ：０．４〜２．
３％、Ｍｎ：０．２〜２．５％、Ｚｒ：０．００１％以
上０．０５％未満を含有し、不純物としてのＺｎを０．
５％以下とし、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなり、
ＭｎとＦｅとの量的関係がＦｅ％−１．５≦Ｍｎ≦Ｆｅ
％＋１．５を満たし、Ｃｕ、Ｎｉ、ＦｅおよびＭｎの合
計量が９９．５％以上であることを構成上の特徴とす
る。

【０００８】本発明における合金成分添加の意義および
限定理由について説明すると、Ｎｉは、合金の耐食性を
確保するために必要であり、好ましい含有範囲は２９〜
３３％である。Ｎｉ量が２９％未満では耐食性が十分で
なく、３３％を越えて含有すると、水素の固溶度が増大
して焼鈍脆化が生じ易くなる。

【０００９】Ｆｅは、Ｃｕ−Ｎｉ合金の耐潰食性を向上
させる。とくに０．４％以上添加した場合にその効果が
顕著である。好ましい含有量は０．４〜２．３％の範囲
であり、２．３％を越えると、耐孔食性、耐隙間腐食性
が低下する。Ｍｎも、合金にＦｅと同様の効果を与え
る。好ましい含有範囲は０．２〜２．５％の範囲であ
り、Ｍｎが２．５％を越えると、Ｆｅの場合と同様、耐
孔食性、耐隙間腐食性が低下する。

【００１０】Ｚｒは、合金中の他の成分との組合わせに
おいて、合金の高温延性を向上し、耐焼鈍脆性を改善す
るための重要な成分である。好ましい含有量は、０．０
０１％以上０．０５％未満の範囲であり、この範囲の含
有で、結晶粒が微細化されるとともに、焼鈍脆性の原因
となる粒界の偏析した硫黄（Ｓ）、過飽和水素を捕捉す
る機能を有する。また、結晶粒界に金属間化合物（Ｎ
ｉ、Ｃｕ）₅ Ｚｒを晶出させて粒界結合力を高めるよう
作用する。

【００１１】Ｚｒが０．００１％未満ではその効果が小
さく、０．０５％以上では、合金の再結晶温度が高くな
るとともに、合金の熱処理工程においてＺｒの析出によ
る析出硬化が生じるため、高温度で長時間の軟化処理が
必要となり、生産性の低下および生産コストの上昇をも
たらす。またＺｒ自体が高価なため、材料コストが増大
する。Ｚｒのさらに好ましい含有範囲は０．０１〜０．
０３％である。

【００１２】不純物としてのＺｎは、０．５％以下に限
定することが必要であり、０．５％を越えると耐隙間腐
食が劣化し易くなる。その他の不純物としては、硫黄
（Ｓ）は０．００１％以下、水素（Ｈ）は０．０００５
％以下、炭素は０．１６％以下に限定するのが、耐焼鈍
脆性の観点から望ましい。

【００１３】ＦｅとＭｎの量的関係については、Ｆｅ％
−１．５≦Ｍｎ≦Ｆｅ％＋１．５の関係式を満たすよう
にし、確実に耐食性が得られるようにする。この関係式
を外れる場合には、潰食や隙間腐食が生じ易くなる。ま
た、上記の含有成分および不純物量を考慮し、高温延
性、耐焼鈍脆性および耐食性を確実に確保するために
は、Ｃｕ、Ｎｉ、ＦｅおよびＭｎの合計量を９９．５％
以上とし、不純物を極力少なくする必要がある。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の銅合金は、管材または板
材として、熱交換器などの部材として使用されるが、そ
の製造は従来と同様、連続鋳造または半連続鋳造により
造塊し、熱間圧延または熱間押出を行い、冷間圧延また
は冷間抽伸、熱処理することにより行われる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 実施例１ 表１に示す組成のＣｕ−Ｎｉ合金を、真空溶解炉を使用
し、炉内を約1.3Pa まで減圧後、アルゴンガスに置換し
て溶解し、直径100mm 、長さ150mm の鋳塊を製造し、各
鋳塊について以下の試験、測定を行った。結果を表２に
示す。

【００１６】（１）結晶粒径の測定 （２）熱間鍛造試験：各鋳塊から直径25mm、高さ25mmの
試験片を切り出し、これらの試験片を800 〜1000℃に設
定した電気炉内に1 時間保持したのち、10秒以内に圧縮
率70％の鍛造加工を行い、試験片の割れ発生の有無から
高温延性の評価を行った。試験温度は、800 ℃、850
℃、900 ℃、950 ℃および1000℃とした。 （３）高温引張試験：各鋳塊からJIS Z 2201に準拠した
4 号試験片を切り出し、インストロン試験機を使用し、
各試験片を試験機に付帯した電気炉内で850 ℃に加熱し
て15分保持したのち、歪速度1.4 ×10^-2s ^-1で破断する
まで引張変形を行い、伸びおよび断面減少率から高温延
性および焼鈍脆性を評価した。 （４）軟化温度の測定：従来の合金と比べ、実生産にお
ける熱処理条件の変更の要否をみるために、各鋳塊につ
いて、実生産における標準的な加工（熱間加工度80％、
冷間加工度75％）を加えたのち、500 〜800 ℃に設定さ
れた電気炉内で10.5分間熱処理を施し、ビッカース硬度
を測定して、測定値が急激に低下する温度を軟化温度と
した。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】表２に示すように、本発明に従う試験材は
いずれも、鋳塊の結晶粒径が1mm 以下と微細であり、熱
間鍛造試験において割れを生じることななく、高温引張
試験における伸びおよび断面減少率が30％以上の優れた
高温延性をそなえ、軟化温度も600 〜640 ℃で従来の熱
処理条件を変更する必要がない。

【００２０】比較例１ 表３に示す組成のＣｕ−Ｎｉ合金を、実施例１と同じ方
法で鋳造し、得られた鋳塊について実施例１と同一の試
験、測定を行った。結果を表４に示す。なお、表３にお
いて、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】表４にみられるように、試験材No.6はＮｉ
の含有量が多いため、固溶水素濃度が高く、十分な高温
延性が得られない。試験材No.7はＺｒの含有量が少な過
ぎるため、結晶粒径が大きく、高温延性が劣り、高温引
張試験後の試験片の破断面を観察したところ脆性破断を
示した。試験材No.8はＺｒ量が多いため、軟化温度が高
くなり、この種の合金における一般的な熱処理（780 ℃
×10.5分) を施しても十分な軟化がみられず、熱処理温
度を高くして長時間の処理が必要となるため、生産性低
下および生産コストの上昇をもたらす。

【００２４】実施例２、比較例２ 表５に示す組成のＣｕ−Ｎｉ合金を、電気炉（チャージ
量：2ton) を用いて溶解し、連続鋳造により造塊し、得
られた各鋳塊を、熱間押出、冷間抽伸、軟化処理するこ
とにより、直径30mm、厚さ1mm の管材を製造した。これ
らの管材について、以下に示すジェット試験および隙間
腐食試験を行い、耐潰食性および耐隙間腐食性を評価し
た。結果を表６に示す。なお、表５において、本発明の
条件を外れたものには下線を付した。

【００２５】（１）ジェット試験：1 〜2vol％の空気泡
を混入した海水を、半割りした管材の内面に8m/sで7 日
間噴射して、潰食深さを測定し、同時に試験したJIS H
3300C7150合金管材およびC7164 合金管材の耐潰食性と
比較した。 （２）隙間腐食試験：半割りした長さ55mmの管材の内面
に、20mm×20mm×1mmのテフロンシートを敷き、これを
外径22mmの塩化ビニル管で押さえ、輪ゴムで止めたの
ち、20日間海水中に浸漬し、腐食深さを測定して、同時
に試験したJIS H3300 C7150合金管材およびC7164 合金
管材と比較した。

【００２６】

【表５】

【００２７】

【表６】 《表注》○：JIS H 3300 C7150、C7164 と同等以上
×：JIS H3300 C7150、C7164 より劣る。

【００２８】表６に示すように、本発明に従う試験材N
o.9〜No.11 はいずれも、熱交換器用部材として十分な
耐食性をそなえている。一方、試験材No.12 はＺｎ量が
多いため、耐隙間腐食が劣り、試験材No.13 はＮｉの含
有量が少ないため、耐潰食性がよくない。試験材No.14
はＦｅ量が高く、試験材No.17 はＭｎ量が高いため、い
ずれも耐隙間腐食性が劣り、試験材No.15 はＦｅ量が低
く、試験材No.16 はＭｎ量が低いため、耐潰食性がわる
い。試験材No.18 はＦｅとＭｎとの関係式を満たさない
ため耐隙間腐食性が劣る。

【００２９】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、Ｎｉ２
９〜３３％を含有するキュプロニッケル合金において、
耐食性に優れ、製造工程途中において、焼鈍脆化に起因
する割れの発生を防止することができ、材料コスト、製
造コストを低減し、生産性の向上を可能とする高温延性
および焼鈍脆性に優れた耐食銅合金が提供される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 9/00 - 9/10

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎｉ：２９〜３３％（重量％、以下同
   じ）、Ｆｅ：０．４〜２．３％、Ｍｎ：０．２〜２．５
   ％、Ｚｒ：０．００１％以上０．０５％未満を含有し、
   不純物としてのＺｎの含有量を０．５％以下とし、残部
   Ｃｕおよび不可避的不純からなり、ＭｎとＦｅとの量的
   関係がＦｅ％−１．５≦Ｍｎ％≦Ｆｅ％＋１．５を満た
   し、Ｃｕ、Ｎｉ、ＦｅおよびＭｎの合計量が９９．５％
   以上であることを特徴とする高温延性および耐焼鈍脆性
   に優れた耐食銅合金