JPS593531B2 - 耐食性銅合金およびそれを用いた熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐食性銅合金およびそれを用いた熱交換器に関
し、自動車エンジン冷却水用熱交換器、各種工業用熱交
換器等、腐食環境の厳しい条件で使用される熱交換器に
採用し得るものである。

自動車エンジン冷却水用熱交換器（一般にラジェータと
呼ばれている）は従来、銅６５重量係（以下単に％と略
す）および亜鉛３５％から成る；黄銅材料により構成さ
れている。

上記熱交換器は自動車の走行時には排気ガス中の有害成
分、海辺地域では塩分の影響を直接に受け、しかも内部
を循環する熱交換媒体と常時接しており、非常に厳しい
腐食条件の下で使用されるものである。

一方、熱交換器は多数のチューブ内に上記熱交換媒体を
循環せしめ、この循環の間にチューブを介して放熱フィ
ンに熱を伝えるだめ、チューブの薄肉化により熱伝導性
を向上することが望ましい。

まだ、薄肉化によシ軽量化を図ることも望ましい。

しかし、黄銅製の熱交換器は上記の腐食条件の下で脱亜
鉛腐食と一般に称される腐食を生じるため、上記のチュ
ーブの薄肉化には限界があり、従って熱伝導性の向上な
らびに材料費の節減は多くを望めないのが実情である。

そこで、本発明は上記の点に鑑み、発明者の鋭意努力の
結果、亜鉛２５係乃至３８％、リン０．００５乃至０．
０４０％、および残部銅より成り、結晶粒度を２乃至１
０μにしたことにより、耐食性を格段に向上できる耐食
性銅合金およびそれを用いた熱交換器を提供することを
目的とするものである。

本発明の耐食性銅合金において、亜鉛（以下Ｚｎと略す
）−銅（以下Ｃｕと略す）、リン（以下Ｐと略す）、お
よび結晶粒度の数値限定の根拠を第１図乃至第４図を援
用しながら説明する。

第１図乃至第４図はいずれも合金素材の腐食度合を、Ｊ
ＩＳＺ２３７１による塩水噴霧試験法を３０日間連続し
て行なった後に求めた結果である。

なお、本試験に用いた合金素材は長さ１００ｍ７Ｍ。

幅２０１ｎｒＩＬ１および厚さ０．５ｍｍの長方形状を
有している。

また、試験時の塩水は温度３５℃のＮａＣｌ３φ水溶液
である。

また、各図中、「最大腐食深さ」とあるのは、合金素材
表面の腐食部位のうちで最も深い腐食を示すものである
。

では、まずＺｎの量の関係について第１図により説明す
る。

なお、第１図の合金素材はＰを含有せず、その結晶粒度
は１０μに設定しである。

この第１図において、合金中のＺｎＯ量が増加するに従
って素材の腐食深さが次第に深くなることがわかる。

そして、Ｚｎの量が３８係を越えると合金中にβ相を多
量に析出し、耐食性ならびに素材の冷間加工性が悪化す
ることがわかった。

一方、ＺｎＯ量が少なくなれば素材の腐食は減少する反
面、Ｃｕの量の増加によりコスト高になるとともに、Ｚ
ｎ−Ｃｕの黄銅特有の優れた緒特性が得られなくなる。

従って、少なくともＺｎの下限の量は２５係である。

故に、ｚｎの量は２５係乃至３８係に限定される。

第２図はＰの量と素材の耐食深さとの関係を示した特性
図である。

この第２図において、合金素材のＺｎ量は３５係で一定
であり、Ｃｕの量はＰの量により変動する。

まだ、結晶粒度は１０μである。

第２図において、Ｐの量が０．００５％付近を境に素材
の耐腐食効果が著るしく異なり、０．０１％以上になる
とあまり差がない。

即ち、Ｐの量を多くすると、腐食に対する抵抗性は増大
するが、０．０４０％を越えると合金を構成する結晶粒
界に粒界腐食を起こす傾向になることが本発明者により
確認された。

従って、Ｐの量は０．００５％乃至０．０４０％に限定
され、好ましくは０．０１％乃至０．０４％で、腐食に
対する抵抗性はＺｎの品位の変動や結晶粒度が若干変化
しても同様の傾向を示す。

第３図は素材の結晶粒度と腐食性との関係を示した特性
図である。

なお、同図において、素材の組成はＰを含有せずＺｎ３
５係−Ｃｕ６５係である。

この第３図において、素材の結晶粒度が小さくなるに従
って最大腐食深さが減少することがわかる。

この点は本発明の主眼をなす脱亜鉛腐食の形態に関する
ものであり、さらに詳細に述べる。

元来、黄銅の脱亜鉛の形態から見て、栓状脱亜鉛及び層
状脱亜鉛の２種類が古くから知られている。

夫々の断面の顕微鏡写真を第９図および第１０図に示す
。

第９図から明らかなように、栓状脱亜鉛は局部的に腐食
が進行するものであって、自動車エンジン冷却水用熱交
換器のチューブの場合には最も好ましくない腐食形態で
、また実際に水洩れ事故を起したチューブは例外なく栓
状脱亜鉛腐食がその原因であった。

従って、脱亜鉛の形態を層状（１０図）にすることが、
チューブの水洩れ事故に対する一つの改善策であること
は明瞭であるが、黄銅素材の改良によって栓状から層状
への脱亜鉛腐食の形態を変化させることについての具体
策は従来全く示されていなかった。

しかるに、本発明者による腐食部所面の顕微鏡調査によ
り、結晶粒度を小にすると脱亜鉛の形態を栓状より層状
に漸次変化させ、脱亜鉛深さを減少できることが明らか
になった。

従って結晶粒度は小さい方が良いが、２μ未満では最終
熱処理により再結晶が完了せず、加工組織が残存するた
め、却って耐食性が低下するので、下限は２μが適当で
ある。

しかし、結晶粒を微細化するのみでは実用材として性能
が不充分なので、第２図に示した脱亜鉛防止に有効なＰ
の添加を行った。

第４図は合金素材中のＰの量と素材の結晶粒度との関係
を示す特性図である。

なお、同図において、素材のＺｎの量は３５係で一定で
あり、ＣｕＯ量はＰの量により変動する。

第４図によれば、素材の結晶粒度が同じ場合にはＰの添
加の効果はＰｏ、０１％ではジ飽和しているか、素材の
結晶粒度を小にするとさらに耐腐食性のよいことを示し
、Ｐを添加した場合にＰの添加効果と結晶粒微細化によ
る脱亜鉛腐食の形態の変化の相乗効果により耐腐食性が
後述の第８図に示すごとく格段に向上した。

なお、結晶粒度の上限は１０μ程度以下が好ましく、性
能および工業的な適用を考慮すれば３μ乃至６μが好適
である。

第５図は合金素材の結晶粒度とビッカース硬さとの関係
を示す特性図である。

なお、素材の組成はＺｎ３５係−Ｃｕ６５係である。

この第５図から明らかなごとく、結晶粒度が小さい程、
素材の硬度が向上することになる。

本発明において、結晶粒度は合金材料の焼鈍条件（温度
×時間）によって調整できる。

本発明における熱交換器の主要構造は第６図のごとき構
造を有している。

本発明では、タンク３．６．入口バイブ４．出ロバイブ
７は一般の黄銅製で構成しであるが、熱硬化型樹脂で一
体化したものでもよい。

本発明の耐食性銅合金は特にチューブ１に適用されるが
、上記タンク、パイプに適用しても差支えない。

ただ、タンク、パイプは熱交換器の放熱性には関係ない
ので肉厚を厚くして腐食に対抗すればよく、このことか
らも一般の黄銅で構成した方がコスト面で有利となる。

また、銅製のフィン２は図示の波形形状に限らず、板状
でもよく、板状のフィン２を用いる場合には、このフィ
ン２とチューブ１とを、チューブ１の外径を拡管法で拡
大して機械的に組付けてもよい。

この方法はチューブ１とコアプレート５゜９との組付け
にも適用できる。

なお、図中８はドレンパイプ、１０は注水口、１１は注
水キャップ、１２は取付ブラケットであり、各構成要素
１乃至１２（１１は除く）は周知の半田付けにより相互
に接合される。

以下本発明を具体的実施例により詳細に説明する。

Ｃｕを高温度に熱して溶解し、その湯面を酸化防止のた
め木炭粉末で被覆した後、合金元素、即ちＺｎ、Ｐを添
加し、これを金型に鋳造して表１に示す各組成をもつ厚
さ２５朋２幅１５０７Ｗ７Ｗｔ長さ２００ｍ７Ｉｌの鋳
塊を得た。

これら各鋳塊を面側した後、圧延と中間焼鈍を繰返し行
なってＱ、５ｍｍ厚の厚延板を製作し、表１に示す温度
一時間で焼鈍して結晶粒度の調整を行なった。

これらを長さ１００ｍｍ１幅２０７ｎｒ／Ｌ１に切断し
て試験用合金素材とし、この素材をＪＩＳＺ２３７１に
従って３５℃で５係のＮａＣ１水溶液による塩水噴霧試
験にかけ、３０日後の腐食深さを測定した。

また、半田付性は５ｎ２０％−Ｐｂ８０％からなる半田
を溶解して３００℃に保持した浴中に表面を清浄にした
厚さ０．５ｍｍ、幅５ｍｍ１長さ５０ｍｍの合金素材を
降下させ、浴中に２ｍｒＩＬ浸漬した所で１０秒間保持
したときに生じる最大ぬれ力（素材を半田浴中に引き込
む力）を検出した。

また、結晶粒度はＪ Ｉ ＳＨＯ５０１に従って、標準
写真と比較することにより求めた。

表１から明らかなように、扁２〜６，８〜１０゜１３〜
１７．２０〜２２の本発明合金は、いずれも４１８およ
び１９の従来の黄銅と同等の半田付は性を有し、かつ合
金素材の腐食深さは格段に小さく、従って極めて優れた
耐食性を有していることがわかる。

一方、結晶粒度が１０μを越えるものは／１６．７の比
較合金のように本発明合金と同一の組成範囲内でも腐食
深さは深く（５０μ）、耐食性に劣ることがわかる。

また、Ｐの含有量が少ない場合、／１６１１，１２の比
較合金のように耐食性の改善が劣る。

更に、ｚｎの含有量が多い４２３の比較合金は耐食性の
低下が著しい。

なお、本発明合金である扁１５の素材の断面を示す顕微
鏡写真（１００倍）を第７図として添付する。

次に、表１に示した組成の各合金で第６図のチューブ１
を作り、このチューブ１を用いた第６図の構造の熱交換
器の耐食性を前記と同じ塩水噴霧試験によって、従来の
黄銅を用いた場合と比較してみた。

この試験要領は次のようである。即ち、第６図の熱交換
器のコア一部（チューブ１とフィン２とで構成）を長さ
１５０ｍｍ（チューブ１の軸方向）、幅７０ｍｍ、厚さ
３２龍に切り出しくチューブ５本が２列なのでチューブ
１の長さは１本に換算して１５００ｒｎｉ）、これを８
日間連続で上記塩水噴霧試験にかけ、試験後のチューブ
１の穴あき数（貫通、未貫通も含む）を調べた。

結果は表１に併記した。

この表１から明らかなごとく、本発明合金のものは穴あ
き数がかなり少ないことがわかる。

これに対し本発明外、従来のものは穴あき数が多く耐食
性に劣っている。

なお、表１の扁１のもの（本発明の範囲外）は穴あき数
が本発明と同等に少ないが、Ｃｕの量が多くなるのでコ
スト的に不利である。

次に、上記の穴あき数が塩水噴霧試験の日数によってど
のように推移するかを調べた。

チューブの合金組成は表２に示すこと＜ｆ、４９、試験
要領は上記と全く同じである。

結果を第８図に示す。

なお、第８図は各々４個のデータがプロットしである。

以上詳述したごとく、本発明においてはＺｎ２５係乃至
３８チ、Ｐｏ、００５係乃至０．０４０係残部Ｃｕより
構成し、かつ結晶粒度を２μ乃至１０μの範囲に設定し
たから、結晶粒の微細化による脱亜鉛腐食形態を栓状か
ら層状に変化させる効果と、Ｐの添加による脱亜鉛防止
効果との相乗効果により、合金素材の耐腐食性を格段に
向上できる。

また、本発明においては結晶粒の微細化によって、合金
素材の硬度を向上でき、引張強度に対して優れた耐久性
を示す。

更に、本発明では、上記合金素材を熱交換器のチューブ
材料に使用しだから、その合金素材の上述の耐食性の利
点を生かしてチューブの薄肉化を実現できるだめ、薄肉
化による熱伝導性の向上した熱交換器を提供できるとと
もに、薄肉化による材料節減によって低コストで軽量な
熱交換器を提供できる。

まだ、上述のごとく結晶粒の微細化によって引張強度に
対し耐久性があるため、上記のように熱交換器のパイプ
を薄肉化しても強度低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図はいずれも本発明合金の説明に供する
特性図、第６図は本発明熱交換器の一実施例を示す正面
図、第７図は本発明合金の一実施例の断面を示す顕微鏡
写真、第８図は本発明ならびに従来の熱交換器のチュー
ブの穴あき数の推移を示す特性図、第９図および第１０
図は合金素材の脱亜鉛腐食の形態を示すもので、第９図
は栓状脱亜鉛腐食を示す顕微鏡写真、第１０図は層状脱
亜鉛腐食を示す顕微鏡写真である。 １・・・チューブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 亜鉛２５重量％乃至３８重量％、リン０．００５重
   量係乃至０．０４０重量係、および残部銅から成り、結
   晶粒度が２μ乃至１０μであることを特徴とする耐食性
   銅合金。 ２ 熱交換媒体が流通する多数のチューブを具備し、こ
   の多数のチューブを、亜鉛２５重量％乃至３８重量％、
   リン０．００５０５重量％０．０４０重量へおよび残部
   銅よシ成って結晶粒度が２μ乃至１０μの耐食性銅合金
   で構成して成ることを特徴とする熱交換器。 ３ 自動車エンジン冷却水用熱交換器として用いられる
   ことを特徴とする特許請求の範囲２記載の熱交換器。