JP5145331B2 - 高強度・高熱伝導銅合金管及びその製造方法 - Google Patents
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Description
素管部2:スピニング加工を施さない部分。
絞り管部3:スピニング加工によって所定の径に絞られた部分。
加工中央部4:絞り管部と、絞り管部から素管部外周までの長さの半分以内の部分。
加工端部5:素管部の端面において、外周から内側に長さD/6以内の部分。尚、絞り管部3、加工中央部4、加工端部5の厚みは、スピニング加工により、最も厚い部分で素管の厚みの2〜3倍になる。最終の加工端部にかけて厚みは薄くなっていく。
熱影響部6:素管部において、加工熱によって500℃以上に昇温する部分を想定し、加工端部から素管部側に長さD/6以内の部分。この部分でも500℃以上に昇温しない部分は、熱影響部に含めない。
直管部7:素管部において、加工熱によって500℃以上に昇温しない部分を想定し、加工端部から素管部側に長さD/2入ったところより素管部の軸方向中心側の部分。
絞り加工部8:加工端部5と熱影響部6を合わせた部分。
へら絞り加工やスエージング等によって絞られた耐圧伝熱容器の各部分の名称も上記と同様とする。ただし、絞り加工によって発熱しない場合には、熱影響部は加工端部から素管部側に長さD/6以内の部分とする。また、本明細書においてへら絞り加工やスエージングやロール成形等のように発熱量の少ない絞り加工を冷間絞り加工という。
本発明の第1の実施形態に係る高機能銅管について説明する。本発明では、請求項1乃至請求項4に係る高機能銅管における合金組成の合金(以下、それぞれを第1発明合金、第2発明合金、第3発明合金、第4発明合金という)を提案する。本明細書における合金組成において、[Co]のように括弧付の元素記号は当該元素の含有量値を示すものとする。また、第1乃至第4発明合金を総称して発明合金とよぶ。
X1=([Co]−0.007)/([P]−0.008)
として、X1が3.0〜6.2、好ましくは、3.2〜5.7、より好ましくは3.4〜5.1、最適には3.5〜4.6の関係を有し、かつ残部がCu及び不可避不純物からなる合金組成である。
X2=([Co]+0.85×[Ni]+0.75×[Fe]−0.007)/([P]−0.008)
として、X2が3.0〜6.2、好ましくは、3.2〜5.7、より好ましくは3.4〜5.1、最適には3.5〜4.6の関係を有し、かつ、
X3=1.5×[Ni]+3×[Fe]
として、X3が0.015〜[Co]、好ましくは、0.035〜(0.9×[Co])、より好ましくは0.05〜(0.8×[Co])の関係を有し、かつ、残部がCu及び不可避不純物からなる合金組成である。
X1=([Co]−0.007)/([P]−0.008)
として、X1が3.0〜6.2、好ましくは、3.2〜5.7、より好ましくは3.4〜5.1、最適には3.5〜4.6でなければならない。このX1が6.2を超えると熱伝導性が損なわれ、耐圧強度、耐熱性も損なわれる。一方、X1が3.0以下であると、特に延性が悪くなり、鋳造時や熱間で割れやすくなる。また熱間変形抵抗が高くなり、耐圧強度、耐熱性、熱伝導性も損なわれる。また、Ni、Fe添加の場合には、
X2=([Co]+0.85×[Ni]+0.75×[Fe]−0.007)/([P]−0.008)
として、X2が3.0〜6.2、好ましくは、3.2〜5.7、より好ましくは3.4〜5.1、最適には3.5〜4.6でなければならない。X2が6.2を超えると、耐熱性が不十分となり、再結晶温度が低下し、昇温時の結晶粒成長を抑制できなくなる。このために、絞り加工後の耐圧強度が得られず、また熱・電気伝導性も低下する。X2が3.0以下では、熱・電気伝導性の低下を招き、延性が損なわれる。耐圧強度も低くなる。
6.4≦T/80+logt≦8.4
を満足することが望ましく、最適には、
6.5≦T/80+logt≦8.0
を満足することが望ましい。
この熱処理は、マトリックスに固溶しているCo、P等を析出させて、強度、延性、特に熱伝導性を向上させることを目的としている。温度や時間が不十分であると析出しないので効果がなく、また、温度や時間が過剰であると、合金が再結晶して強度が低下する。尚、この熱処理は、スピニング加工の後に行うのが望ましいが、スピニング加工前に行っても効果がある。
上述した第1発明合金、第2発明合金、第3発明合金、第4発明合金及び比較用の組成の銅を用いて高機能銅管を作成し、高機能銅管に絞り加工を施して耐圧伝熱容器を作成した。表1は、耐圧伝熱容器を作成した合金の組成を示す。
P=2σ/(D/T−0.8)
とされている。尚、DがTに対して大きい時は、近似的に
P=2σT/Dとすることができる。耐圧伝熱容器においても、一般に耐圧圧力PはP=a×T/Dとされており、その比例係数aは材料によって定まり、比例係数aが大きいほど、耐圧圧力は大きくなる。ここで、a=P×D/Tとなるので、耐圧伝熱容器が破裂する圧力を破裂圧力PBとして、本明細書では、耐圧伝熱容器が破裂する材料強度として破裂圧力指数PIBを次のように定める。
PIB=PB×D/T
このPIBによって、耐圧伝熱容器の破裂に対する材料の強度を評価する。
PI0.5%=P0.5%×D/T
このPI0.5%と同様に、耐圧伝熱容器の外径が1%大きくなるときの内圧をP1%として、1%変形圧力指数PI1%を次のように定める。
PI1%=P1%×D/T
このPI0.5%及びPI1%によって、耐圧伝熱容器の初期変形に対する材料の強度を評価する。
本発明の第2の実施形態に係る高機能銅管について説明する。本実施形態では、第1の実施形態と異なり、スピニング加工に代えてスエージング加工、へら絞り、ロール成形等の冷間絞り加工によって耐圧伝熱容器を作成する。
第1の実施形態の実施例と同一の高機能銅管を作成し、冷間絞り加工によって耐圧伝熱容器を作成した。作成した耐圧伝熱容器は、製造条件毎に3つ準備した。3つのうち2つは、絞り管部3の一端をりん銅ろう(7mass%P−Cu)によって耐圧試験の黄銅製の冶具に接続し、他端をりん銅ろうで、密閉した。これら2つのうちの1つは金属組織、ビッカース硬さ、導電率等の諸特性を調査した。他の1つは耐圧強度を調べた。残りの1つは、ろう付けせずに、耐圧伝熱容器のままで、加工端部5、及び熱影響部6に相当する部分を切り出し、700℃に加熱されたソルトバスの中に20秒間浸漬後、取り出し、空冷した。そして、ビッカース硬さと再結晶率を測定した。この700℃20秒加熱後のビッカース硬さと再結晶率、及び上記の耐圧強度から耐熱性を評価した。表18、19は、これらの方法によって作成した耐圧伝熱容器の結果を示す。
(1)試験No.111〜114は工程パターンAによる素管をへら絞り加工している。試験No.111、112はそれぞれ、合金No.1、10の発明合金を用い、試験No.113は合金No.23の比較用合金を用い、試験No.114はC1220を用いている。試験No.115は合金No.4の発明合金を用いて、上述した工程パターンEによる素管をへら絞り加工している。試験No.116は上記試験No.112の後に460℃、50分の熱処理をしている。試験No.117は合金No.10の発明合金を用い、工程パターンAでの鋳塊加熱温度を910℃とした素管をへら絞り加工している。
(2)試験No.121、122は工程パターンAによる素管をスエージング加工している。試験No.121は、合金No.8の発明合金を用い、試験No.122はC1220を用いている。試験No.123は合金No.4の発明合金を用いて、上述した工程パターンEによる素管をスピニング加工している。試験No.124は合金No.8の発明合金を用い、工程パターンAでの鋳塊加熱温度を910℃とした素管をスピニング加工している。
(3)試験No.131は合金No.3の発明合金を用い、工程パターンAによる素管をロール成形加工している。
Claims (17)
- 0.12〜0.32mass%のCoと、0.042〜0.095mass%のPと、0.005〜0.30mass%のSnとを含有し、Coの含有量[Co]mass%とPの含有量[P]mass%との間に、3.0≦([Co]−0.007)/([P]−0.008)≦6.2の関係を有し、かつ残部がCu及び不可避不純物からなる合金組成であり、絞り加工を施され、該絞り加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が50%以下、又は熱影響部の再結晶化率が20%以下であることを特徴とする高強度・高熱伝導銅合金管。
- 0.12〜0.32mass%のCoと、0.042〜0.095mass%のPと、0.005〜0.30mass%のSnとを含有し、かつ0.01〜0.15mass%のNi、又は0.005〜0.07mass%のFeのいずれか1種以上を含有し、Coの含有量[Co]mass%とNiの含有量[Ni]mass%とFeの含有量[Fe]mass%とPの含有量[P]mass%との間に、3.0≦([Co]+0.85×[Ni]+0.75×[Fe]−0.007)/([P]−0.008)≦6.2、及び0.015≦1.5×[Ni]+3×[Fe]≦[Co]の関係を有し、かつ、残部がCu及び不可避不純物からなる合金組成であり、絞り加工を施され、該絞り加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が50%以下、又は熱影響部の再結晶化率が20%以下であることを特徴とする高強度・高熱伝導銅合金管。
- 0.001〜0.5mass%のZn、0.001〜0.2mass%のMg、0.001〜0.1mass%のZrのいずれか1種以上をさらに含有したことを特徴とする請求項1に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 0.001〜0.5mass%のZn、0.001〜0.2mass%のMg、0.001〜0.1mass%のZrのいずれか1種以上をさらに含有したことを特徴とする請求項2に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 前記絞り加工が施された絞り加工部の700℃で20秒加熱後のビッカース硬度(HV)の値が、90以上であり、又は加熱前のビッカース硬度の値の80%以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 前記絞り加工はスピニング加工であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 前記絞り加工は冷間絞り加工であり、端部での他の銅管とのろう付け後において、該冷間絞り加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が50%以下、又は熱影響部の再結晶化率が20%以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 前記絞り加工が施されていない直管部の外径をD(mm)、肉厚をT(mm)、内圧を加えて破裂するときの圧力を破裂圧力PB(MPa)としたとき、(PB×D/T)の値が600以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 前記絞り加工が施されていない直管部の外径をD(mm)、肉厚をT(mm)、内圧を加えて前記外径が0.5%変形するときの圧力を0.5%変形圧力P0.5%(MPa)としたとき、(P0.5%×D/T)の値が300以上であり、又は前記外径が1%変形するときの圧力を1%変形圧力P1%(MPa)としたとき、(P1%×D/T)の値が350以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 前記絞り加工後、又は他の銅管とのろう付け後における加工端部及び加工中央部の金属組織は、Co、Pを有する2〜20nmの略円形、又は略楕円形の微細析出物が均一に分散しており、又は全ての析出物の個数の90%以上が30nm以下の大きさの微細析出物であって均一に分散していることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 前記絞り加工を施された加工中央部の金属組織は再結晶しており、結晶粒径が3〜35μmであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 熱交換器の耐圧伝熱容器として使用されることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
- 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法であって、
熱間押出、又は熱間管圧延を含み、前記熱間押出前の加熱温度、又は熱間管圧延前の加熱温度、又は圧延時の最高温度が770〜970℃であり、熱間押出、又は熱間管圧延後の管の温度から600℃までの冷却速度が10〜3000℃/秒であり、その後の冷間管圧延、又は抽伸によって70%以上の加工率で加工された後に絞り加工を施すことを特徴とする高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。 - 前記絞り加工はスピニング加工であることを特徴とする請求項13に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
- 前記絞り加工は、冷間絞り加工であり、冷間管圧延、及び抽伸における冷間加工と合わせた冷間加工率が70%以上であることを特徴とする請求項13に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
- ろう付け加工、又は溶接加工を施すことを特徴とする請求項13に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
- 前記絞り加工前、又は前記絞り加工後に350〜600℃、10〜300分の熱処理を施すことを特徴とする請求項13に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
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