JP3347001B2 - 耐熱性銅基合金 - 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、瞬間湯沸器，給湯
器等の熱交換器に使用される伝熱管等のように熱伝導
性，導電性に加えて耐熱性が必要とされる製品ないし部
品であって、特に、製作時や使用時において鑞付け等に
より相当以上の高温に加熱される製品ないし部品の構成
材料として好適に使用される耐熱性銅基合金に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、銅基合金は熱伝導性や導電性を
必要とする製品ないし部品の構成材料として使用されて
いるが、特に、瞬間湯沸器，給湯器等の熱交換器に使用
される伝熱管等のように耐熱性を必要とする製品ないし
部品の構成材としては、耐熱性に優れた燐脱酸銅（ＪＩ
Ｓ Ｃ１２２０）が最も一般的に使用されている。

【０００３】ところで、例えば瞬間湯沸器，給湯器等の
熱交換器に使用される伝熱管は、一般に、銅製のフィン
や胴板等を取着したものであり、その製作時において
は、フィン等を取着するために相当以上の高温に加熱さ
れる。

【０００４】すなわち、伝熱管にはフィンや胴板等が硬
蝋付けや溶接等により取着されるが、その際に、伝熱管
の一部（フィン等が取着される部分）や全体が蝋付け熱
や溶接熱等により一時的に高温に加熱されることにな
る。例えば、伝熱管とフィンや胴板等との蝋付けは、一
般に、伝熱管を、その被鑞付け箇所にフィン等を固定す
ると共にそこに適宜の鑞付け材をセットした状態で、非
酸化性雰囲気に保持された加熱炉（連続熱処理炉）内を
通過させることによって、行なわれる。かかる炉内鑞付
け法にあっては、蝋付け材として、一般に、強度やコス
トの面を考慮して燐銅蝋（ＪＩＳ Ｚ３２６４ ＢＣｕ
Ｐ−２）が使用されるが、この燐銅蝋の融点が固相線温
度７１０℃，液相線温度７９５℃であることから、鑞付
け時には伝熱管全体を炉内において８００℃程度に加熱
することになる。また、フィン等を含む伝熱管の形状や
構造によっては炉内鑞付け法を採用できないことがある
が、この場合には、加熱炉を使用せず、蝋付け材及びフ
ィン等を含めて伝熱管の必要箇所（被鑞付け箇所）を人
為的に加熱することによって、鑞付けを行なう。かかる
場合にも、鑞付け材の材質やその加熱温度等の鑞付け条
件は炉内鑞付け法におけると同様であり、伝熱管が局部
的に約８００℃に加熱されることになる。溶接による場
合も、かかる人為的鑞付け法による場合と同様に、伝熱
管の被溶接箇所が鑞付け温度（約８００℃）と同程度又
はそれ以上に高温加熱されることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、燐脱酸銅製の
伝熱管にあっては、上記したフィン等の鑞付け，溶接に
より局部的又は全体的に約８００℃以上の高温に加熱さ
れた場合、燐脱酸銅の結晶粒が粗大化することになるた
め、燐脱酸銅におけるマトリックス強度が低いこととも
相俟って、加熱後（鑞付け後又は溶接後）の機械的強度
（例えば、引張強さ，耐力，伸び，疲労強さ，硬さ等）
が著しく低下することになる。特に、耐力及び疲労強度
については、その低下が甚だしい。なお、このような燐
脱酸銅製の伝熱管等における結晶粒の粗大化による機械
的強度の低下は、伝熱管等の素材製作条件によって多少
異なるが、一般には６００〜７００℃以上に加熱された
場合に顕著に認められる。

【０００６】したがって、燐脱酸銅製の伝熱管を使用し
た瞬間湯沸器，給湯器等の熱交換器にあっては、伝熱管
の機械的強度が製作段階で低下しているため、当然に耐
久性に問題があった。例えば、瞬間湯沸器，給湯器等に
あっては、その使用により伝熱管が頻繁に熱膨張と熱収
縮とを繰り返すため、それによる繰り返し荷重により伝
熱管が局部的に疲労破壊する等の虞れがあり、製品寿命
が短いといった問題があった。

【０００７】このような問題は、硬鑞付けや溶接を必要
とする伝熱管に限らず、製作時又は使用時において高温
加熱ないし高温熱処理されることのある、あらゆる燐脱
酸銅製の製品，部品において指摘されるところであり、
燐脱酸銅の結晶粒が粗大化するような温度（一般に、６
００〜７００℃以上）に加熱されたときにも機械的強度
並びに熱伝導性ないし導電性が著しく低下しない耐熱性
銅基合金の開発が強く要請されている。

【０００８】本発明は、かかる要請に応えるべくなされ
たもので、製作時や使用時において燐脱酸銅の結晶粒が
粗大化するような高温度に加熱（ないし熱処理）される
ことがある製品，部品の構成材料として好適に使用する
ことができ、かかる加熱後においても機械的強度並びに
熱伝導性ないし導電性が低下しない耐熱性銅基合金を提
供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記の目的
を達成すべく、次のような金属組成をなす耐熱性銅基合
金を提案する。

【００１０】

【００１１】すなわち、本発明の銅基合金は、コバルト
０．０５〜０．７質量％と、錫０．１０〜１．０質量％
と、燐０．０２〜０．２０質量％と、亜鉛０．０１〜
２．０質量％と、ニッケル０．０５〜０．７質量％と、
マグネシウム０．００５〜０．１０質量％と、を含有
し、且つ残部が銅及び不可避不純物からなる金属組成を
なすものである。

【００１２】コバルトは伝熱管等の製作時又は使用時に
おける高温加熱条件下（例えば、硬鑞付け時における約
８００℃の加熱条件下）での結晶粒の粗大化を抑制する
ための必須元素である。すなわち、コバルトの添加によ
り、高温（６００〜７００℃以上）に加熱されたときに
おける結晶粒の成長を良好に抑制して、金属組成を微細
に保持させることができ、且つ高温加熱後の合金の耐疲
労性が向上される。而して、このようなコバルト添加に
よる効果は、その添加量が０．１０質量％未満であると
きは、充分に発揮されないが、本発明における如く、ニ
ッケル及びマグネシウム（以下、これらを総称していう
ときは「共添ニッケル等」という）を添加させる場合に
は、後述するように、共添ニッケル等の作用と相俟っ
て、コバルト添加量が０．１０質量％未満であっても、
０．０５質量％以上であれば、上記効果が充分に発揮さ
れる。一方、コバルト添加による効果には限度があり、
必要以上の添加は無意味であり、添加量に見合う効果を
得ることができないし、却って、導電性，熱伝導性とい
った銅基合金本来の特性を損なう虞れがある。すなわ
ち、コバルトを共添ニッケル等を添加させる場合には
０．７質量％を超えて添加しても、それに見合うだけの
効果が得られないばかりか、却って銅基合金本来の特性
である導電性，熱伝導性が低下することなる。勿論、コ
バルトは非常に高価なものであるから、これを必要以上
に添加することは、経済的にも問題がある。このような
理由から、コバルトの添加量を、共添ニッケル等が添加
させる場合には０．０５〜０．７質量％とした。

【００１３】燐は、コバルトと同様に、高温加熱による
結晶粒の成長抑制機能を発揮するものであるが、その機
能は、コバルトとの共添によって飛躍的に向上される。
したがって、コバルトに加えて燐を添加しておくことに
より、高温加熱による結晶粒の成長を極めて効果的に抑
制して、加熱後も微細な結晶状態を確実に維持する。而
して、かかる燐の添加による効果は、その添加量が０．
０２０質量％未満では有効に発揮されず、さほど期待で
きない。しかし、０．２０質量％を超えて添加しても、
その添加量に見合う効果は得られないばかりか、却って
導電性，熱伝導性が低下することになり、しかも熱間加
工性も低下することになる。したがって、燐の添加量は
０．０２〜０．２０質量％とした。

【００１４】錫は、マトリックスへの固溶強化により、
上記したコバルト及び燐による結晶粒の成長抑制作用及
び微細化作用を向上させると共にコバルト，燐の析出速
度を増大させ得て、高温加熱後における機械的強度を向
上させるものである。しかし、かかる錫の添加による効
果は、その添加量が０．１０質量％未満では充分に発揮
されず、また１．０質量％を超えると、機械的強度は添
加量に応じてある程度向上するものの、導電性，熱伝導
性が低下することになる。かかる理由から、錫の添加量
は０．１０〜１．０質量％とした。

【００１５】亜鉛は、マトリックスの強化により機械的
強度の向上を図るために添加する。すなわち、結晶粒が
如何に微細であっても、マトリックス自体の強度が低い
場合には、当然に合金全体としての機械的強度は低いも
のとなるため、亜鉛はかかるマトリックスの強化を図る
ために添加する。この点は、錫も同様であるが、亜鉛の
添加は、更に、鑞付け性を向上させる効果を奏する。す
なわち、亜鉛を添加することにより、燐銅蝋（ＪＩＳ
Ｚ３２６４）等の鑞付け材との濡れ性を向上させること
ができるのある。而して、かかる亜鉛添加の効果は、そ
の添加量が０．０１質量％未満では充分に発揮されず、
逆に２．０質量％を超えると、導電性，熱伝導性が低下
すると共に、応力割れや腐食割れに対する感受性が高く
なる。かかる理由から、亜鉛の添加量は０．０１〜２．
０質量％とした。

【００１６】ニッケル及びマグネシウムは、コバルト添
加による上記効果を維持しつつ高価なコバルトの添加量
を可及的に減じるために添加されるものである。すなわ
ち、ニッケルは、マトリックスへのコバルト固溶限度を
減少せしめて、コバルト機能を少ない添加量で有効に発
揮させる役割を果たし、経済的な効果を発揮させる。さ
らには、コバルト，ニッケル，燐との共添による相乗効
果によって、導電性，熱伝導性をより高めると共に、コ
バルト，燐との共添による相乗効果によって、耐熱性の
更なる向上を図るものである。また、マグネシウムも、
ニッケルと同様に、マトリックスへのコバルト固溶限度
を減少せしめて、上記したコバルト機能を少ない添加量
で有効に発揮させる役割を果たし、コバルトの固溶量を
減少させることにより熱，電気の伝導性を高めるもので
あり、熱間加工性を高める効果もある。而して、添加量
が、ニッケル０．０５質量％未満，マグネシウム０．０
０５質量％未満では、上記した添加効果が充分に発揮さ
れず、逆にニッケル０．７質量％，マグネシウム０．１
０質量％を超える添加によっては、添加量に見合う添加
効果が認められないし、却って導電性，熱伝導性が低下
する等の弊害を生じる。このような理由から、共添ニッ
ケル等の添加量を、ニッケル０．０５〜０．７質量％及
びマグネシウム０．００５〜０．１０質量％とした。

【００１７】而して、このような金属組成をなす本発明
の銅基合金が、硬鑞付けや熱処理等により６００〜７０
０℃以上の高温度に加熱された後においても、機械的強
度が低下せず、良好な熱伝導性，導電性，鑞付け性等を
有するものであり、熱交換器の伝熱管等の構成材料とし
て好適に使用できるものであることは、以下に述べる実
施例から容易且つ明瞭に理解されるであろう。

【００１８】

【実施例】すなわち、表１に示す合金組成をなす本発明
に係る銅基合金（以下「実施例合金」という）Ｎｏ．８
を、高周波溶解炉を使用して、木炭の被覆下において大
気溶解し、厚み３５ｍｍ，幅９０ｍｍ，長さ２５０ｍｍ
の鋳塊を得た。そして、各鋳塊を８５０℃に加熱して、
熱間圧延により厚み５ｍｍの板状素材を得た。しかる
後、各板状素材を、その表面を酸洗処理した上で、厚さ
０．６３ｍｍとなるように冷間圧延し、更に焼鈍した上
で冷間仕上圧延を行なうことにより厚み０．６ｍｍの板
材を得た。

【００１９】

【表１】

【００２０】また、比較例として、表２に示す合金組成
をなす銅基合金（以下「比較例合金」という）Ｎｏ．２
１〜Ｎｏ．２６を、各々、上記実施例と同一条件下で溶
解して、同一形状の鋳塊を得た。そして、各鋳塊から上
記実施例と同一条件下で同一工程により、同一形状の板
材（厚さ０．６ｍｍ）を得た。但し、比較例合金Ｎｏ．
２６については、鋳塊を熱間圧延した段階で割れが生じ
たため、板材を得ることができなかった。なお、比較例
合金Ｎｏ．２１は、冒頭で述べた如く熱交換器の伝熱管
等の構成材料として一般に使用されている燐脱酸銅（Ｊ
ＩＳ Ｃ１２２０）である。

【００２１】

【表２】

【００２２】かくして得られた各板材を、炉内鑞付け法
を実施する場合と同一の条件で連続熱処理炉内を通過さ
せることにより、８００℃（１０分）に加熱処理した。
このときの各板材の温度変化は、図１に示す通りであ
る。

【００２３】そして、このように加熱処理された各板材
について、各々、結晶粒度及び導電率を測定すると共
に、各板材から得た試験片を使用して常法による引張試
験及び疲労試験（シェンク型繰り返し曲げ疲労試験）を
行なった。すなわち、引張試験においては、引張強さ
（Ｎ／ｍｍ² ）及び伸び（％）を測定し、疲労試験にお
いては、１０⁵ の繰り返し数に対する疲れ強さ（Ｎ／ｍ
ｍ² ）及び疲れ強さが１００Ｎ／ｍｍ² に達したときの
繰り返し数（疲労寿命）を測定した。

【００２４】その結果は、表３に示す通りであった。な
お、比較例合金Ｎｏ．２６に係るものについては、前述
したように板材を得ることができなかったため、これら
の測定，試験は行なっていない。

【００２５】

【表３】

【００２６】また、比較例合金Ｎｏ．２１からなる板材
については、連続熱処理炉に入れる前（８００℃に加熱
する前）の段階においても、上記した結晶粒度及び導電
率の測定並びに引張試験及び疲労試験を行なった。その
結果は、結晶粒度：０．０２０ｍｍ，導電率：８７％Ｉ
ＡＣＳ，引張強さ：２５９Ｎ／ｍｍ² ，伸び：４０％，
疲れ強さ：１４０Ｎ／ｍｍ² ，繰り返し数（疲労寿
命）：５×１０⁵ であった。

【００２７】ところで、熱，電気の伝導性に富む銅基合
金やアルミニウム等にあって、熱伝導率と導電率とは極
めて高い相関関係を示すものである。すなわち、両者は
略一定の比例関係にあり、例えば、熱伝導率が高い銅基
合金にあっては導電率も高く、逆に導電率が高い銅基合
金にあっては熱伝導率も高い。したがって、銅基合金や
アルミニウム等については、その導電率を測定すること
によって、熱伝導率ないし熱伝導性の良否を相当程度正
確に把握することができることから、ここでは、導電率
の測定値をもって実施例合金及び比較例合金相互におけ
る熱伝導率（熱伝導性）の相対的評価を行なうこととし
た。

【００２８】而して、これらの結果から、燐脱酸銅であ
る比較例合金Ｎｏ．２１では、冒頭で述べた如く、鑞付
け温度である８００℃に加熱されることによって、結晶
粒が粗大化して、機械的強度が大幅に低下することが理
解される。すなわち、結晶粒度は加熱前においては０．
０２０ｍｍであるが、加熱後は０．３ｍｍであり、結晶
粒が大幅に粗大化している。そして、加熱前後において
導電率及びこれから把握される熱伝導率は変化しないも
のの、機械的強度については、加熱前において２５９Ｎ
／ｍｍ² （引張強さ），４０％（伸び），１４０Ｎ／ｍ
ｍ² （疲れ強さ），５×１０⁵ （繰り返し数）であった
が、加熱後においては２０７Ｎ／ｍｍ²（引張強さ），
２６％（伸び），８４Ｎ／ｍｍ² （疲れ強さ），０．７
×１０⁵（繰り返し数）となり、８００℃に加熱したこ
とによって大幅に低下している。

【００２９】これに対して、実施例合金Ｎｏ．８につい
ては、８００℃に加熱された後においても、結晶粒度は
加熱前の比較例合金Ｎｏ．２１（燐脱酸銅）よりも小さ
くなっており、結晶粒が殆ど粗大化しないことが理解さ
れる。このことから、機械的強度が加熱後も殆ど低下し
ないことが当然に理解され、加熱後の機械的強度が、加
熱後の比較例合金Ｎｏ．２１に比しては勿論、加熱前の
比較例合金２１に比しても、大幅に高くなっていること
が表３から明瞭に理解される。すなわち、表３から明ら
かなように、実施例合金Ｎｏ．８は、加熱後の引張強
さ，伸び，疲れ強さ，繰り返し数（疲労寿命）の何れも
が加熱前の比較例合金Ｎｏ．２１を大幅に上回ってい
る。したがって、本発明に係る耐熱性銅基合金を構成材
料として使用すれば、従来において最も一般的な耐熱性
銅基合金である燐脱酸銅（比較例合金Ｎｏ．２１）を構
成材料とする製品，部品の耐久性，耐用寿命等を大幅に
向上させることができ、更には、高温加熱後の機械的強
度等の面で燐脱酸銅等を使用し得なかった製品，部品の
実用化を可能として、銅基合金の用途を大幅に拡大する
ことができる。

【００３０】また、実施例合金Ｎｏ．８の導電率及びこ
れから把握される熱伝導率は、表３に示す如く、比較例
合金Ｎｏ．２１より低くなっているものの、一般に燐脱
酸銅製の製品，部品（例えば、熱交換器の伝熱管等）に
必要とされる導電率，熱伝導率と同程度又はそれ以上の
値を示しており、特に問題はない。例えば、熱交換器の
伝熱管等の構成材料としては、従来からも、燐脱酸銅の
他、アルミニウムが使用されているが、かかるアルミニ
ウムの導電率は約６０％ＩＡＣＳであり、実施例合金Ｎ
ｏ．８の導電率は、このアルミニウムの導電率と同等以
上である。したがって、少なくとも、アルミニウムを構
成材料として使用される製品，部品（熱交換器の伝熱管
等）にあっては、アルミニウムに代えて本発明に係る銅
基合金を使用する上で、熱伝導性ないし導電性が問題と
なることは全くない。

【００３１】一方、比較例合金Ｎｏ．２２〜Ｎｏ．２４
は、８００℃に加熱後の導電率（熱伝導率）、疲れ強さ
及び疲労寿命（繰り返し数）が、実施例合金Ｎｏ．８よ
りも明らかに低くなっている。また、比較例合金Ｎｏ．
２５は、実施例合金Ｎｏ．８に比して、疲れ強さ及び疲
労寿命（繰り返し数）は同等であるが、８００℃に加熱
後の導電率（熱伝導率）が明らかに低くなっている。こ
れらのことから、本発明において各元素の添加量及び添
加元素の選択を前述した如く決定しておく意義が明瞭に
確認された。なお、比較例合金Ｎｏ．２６については、
前述した如く熱間加工性に問題があり、伝熱管等の構成
材料たり得ないことは明らかである。

【００３２】ところで、実施例合金Ｎｏ．８について
は、蝋付け材として燐銅蝋（ＪＩＳＺ３２６４）を使用
して硬鑞付けしたが、その鑞付け性には何らの問題も生
じず、本発明に係る銅基合金が鑞付け性にも優れたもの
であることが確認された。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明からも容易に理解されるよう
に、本発明の耐熱性銅基合金は、最も一般的な耐熱性銅
基合金である燐脱酸銅の結晶粒が粗大化されるような高
温度（６００〜７００℃以上）に加熱された場合にも、
加熱によって結晶粒が粗大化されることがなく、加熱後
も機械的強度や銅合金本来の特性（熱伝導性，導電性
等）が低下することがない。特に、機械的強度について
は燐脱酸銅に比して大幅に向上しており、加熱後の機械
的強度は加熱前の燐脱酸銅よりも優れている。

【００３４】したがって、本発明の耐熱性銅基合金によ
れば、製作時又は使用時において６００〜７００℃以上
の高温に晒される（特に、硬鑞付けや溶接により８００
℃以上に加熱される）熱交換器の伝熱管等の各種製品，
部品についての耐久性ないし耐用寿命を、一般的な燐脱
酸銅製のものに比して、大幅に向上させることができ
る。

【００３５】しかも、本発明の耐熱性銅基合金を構成材
料として使用することによって、燐脱酸銅を使用する場
合に比して、その用途の大幅な拡大が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例合金又は比較例合金からなる各板材を、
炉内鑞付け法を実施する場合と同一の条件で連続熱処理
炉内を通過させた場合における、当該板材の温度変化と
経過時間との関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−147829（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−108332（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−272148（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−90946（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−13040（ＪＰ，Ａ) (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】 コバルト０．０５〜０．７質量％と、 錫０．１０〜１．０質量％と、 燐０．０２〜０．２０質量％と、 亜鉛０．０１〜２．０質量％と、 ニッケル０．０５〜０．７質量％と、 マグネシウム０．００５〜０．１０質量％と、 を含有し、且つ残部が銅及び不可避不純物からなる金属
   組成をなすことを特徴とする耐熱性銅基合金。