JPS61190035A - 耐食性が改良された銅‐亜鉛合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 本発明はニッケル及びひ素を含有する改良された銅−亜
鉛合金であって優れた耐食性及び機械的特性を有するも
の及びそれから形成される熱交換器並びにその形成方法
に係る。

口、従来の技術 銅基合金は熱交換器用の管の形成に広く使用されている
。例えば、ひ素を含む黄銅、銅合金０２６１３、は自動
車用の熱交換器組立体される現在特に優れた合金と認め
られている。ひ素含有黄銅は約６０チの亜鉛、約０．０
５チのひ素、最高０．０５％の鉛、最高０．０５１の鉄
及び残部分の銅から成る公称組成を有する。最近の試験
に依れば、路面からの塩水噴霧に対する露出は、ひ黄銅
から形成された熱交換器組立体く、その比較的短期間の
使用後、甚だしい腐食を生じさせ得ることが示されてい
る。これらの試験は、ひ黄銅が１００時間の塩水噴霧後
に早くも激甚腐食を蒙っていることを表示する。

耐食性と機械的特性との良好なバランスを理由として広
く採用されているその他の合金として、キュプロニッケ
ル合金が挙げられる。特に、銅基体にそれぞれ１０％と
６０係のニッケルを含有する合金Ｃ！７０６００とｃ７
１５００のごとき合金は発電装置において管の形式で使
用されている。

米国特許第６０５３５１１号には、クラッドキュプロニ
ッケル合金材から形成された管形部材を有する熱交換器
が開示されている。このようなキュゾロニッケル合金は
、広く使用されているが、それぞれの固有の欠点を有す
る。特に、良好な耐食性を得るためには、該合金に通常
少なくとも、１０％のニッケルが必要である。このこと
は、該合金を極めて高価ならしめ、従って、他の非銅合
金系に対する経済的競争力を失わしめる。

所望の一連の耐食特性を得るため各種の合金添加物を使
用する各種の合金系が、銅−ニッケル合金系の高コスト
を克服するべく開発されている。

例えば、米国特許第６６２７９５３号、第６６４０７８
１号、第６７０３３６７号、第６７１３８１４号及び第
４１７１９１２号に開示されるそれらは、何れも、強度
特性とともに耐食特性を増すべく、銅−亜鉛合金基体に
様々な率でニッケルを添加している。米国特許 第６６２７５９３号及び第６６４０７８１号においては
、前記緒特性を得るために基体として銅−ニッケルー亜
鉛合金が使用され、一方、米国特許第６７０３３６７号
に示されるそれは、銅−亜鉛合金基体に対しチタンをア
ルミニウム及び／またはニッケルとともに添加物として
使用し、それぞれ、該合金系における前記緒特性の増強
を図っている。また、米国特許第６７１３８１４号にお
いては、銅−亜鉛ベースを使用して、それに鉛、ニッケ
ル、マンガン、アルミニウム等のごとき各種の合金元素
を添加して、良好な耐食性を有する一合金系を提供しよ
うとしている。米国特許第４１７１９７２号は、所望の
耐食性並びに強度特性を得るため、銅基体において合金
元素としてニッケル、亜鉛及び鉄を添加するとともＫ、
選択添加物としてコバルトとマンガンを利用しているｂ
多くの日本の異なる科学者が、特定の銅合金系に対する
添加物の効果を研究して、これら添加物の前記系の腐食
特性に及ぼす影響を発表している。

特に、ナガサキ等は、日本金属学会誌第６４巻第６号３
４６頁〜６４７頁掲載論文「真空内高温度におけるアル
ファ黄銅の脱亜鉛高に対する添加物の効果」において、
鉄、コバルト及びニッケルを含む各種の元素が、銅基合
金の脱亜鉛を防ぐために１係または２俤までの範囲内で
添加され得ることを示している。

ハ９発明が解決しようとする問題点 従って、本発明の一目的は、塩水噴霧腐食に対し改良さ
れた抵抗性を有する熱交換器組立体を提供することであ
る。

本発明のもう一つの目的は、改良された耐食性を有する
銅基合金から形成された前記のごとき熱交換器組立体を
提供することである。

本発明のもう一つの目的は、経済的競争力を有する銅基
合金から形成された前記のごとき熱交換器組立体を提供
することである。

これら及びさらにその他の目的と利点は、後述説明及び
同一参照番号が同一要素を示す諸図面から一層明らかＫ
なるであろう。

二１問題点を解決するための手段 本発明の熱交換器組立体は、改良された耐食性を有する
銅基合金系から流体通路または管を形成することにより
前記目的及び利点を実埃する。銅基合金系は合金元素と
してニッケル及びひ素を添加して銅−亜鉛合金を変更す
ることにより所望レベルの耐食性を付与される。銅基合
金系は、耐食性を得るのみならず、強度及び延性のごと
き機械的特性においても優れたものくなる。該合金系は
、好ましくは、合金組織内に単−相を維持するように処
理される。組織内の複合相は耐食性に生得的に有害な効
果を及ぼすからである。

本発明に依れば、塩含有流体による腐食作用に対し改良
された抵抗力を有する熱交換器が得られる。本発明の熱
交換器組立体は、好ましくは、好適な熱交換流体が流れ
通る複数の管であってニッケル及びひ素を含有する改良
された銅−亜鉛合金から形成されるものを有する。

ホ、実施例 第１図を参照すると、典型的な熱交換器組立体１０が図
示されている。熱交換器組立体１０は、複数の流体通路
即ち管１８により結合された、おのおのヘッダ１５を有
する１対のタンク１６を含む。一般的に、タンク１６の
１個は、熱交換器組立体１０の全体にわたって熱交換流
体を分配する流体分配装置として働き、流体人口１２を
設けられ、熱交換流体、例えばエチレングリコール溶液
、が前記流体人口１２を通じて熱交換器組立体１０に進
入し得る。タンク１６の他の１個は、一般的Ｋ、流体収
集装置として働き、流体出口１４を設けられ、熱交換流
体が前記流体出口１４を通じて熱交換器組立体１０から
離れ得る。前記管１８は任意の所望方式でヘッダ１５及
びタンク１６に接合され得る。典型的には、６管１８は
鉛−錫合金を用いて各ヘッダ１５にはんだ付けされる。

熱交換器組立体１０は、さらに、熱交換を行う　　・と
ともに管１８の位置決めをするため管１８に結合された
複数の冷却ひれ２０を含む。冷却ひれ２０は任意の所望
方式で管１８に接合され得るが、典型的には鉛−錫合金
、例えば９０　Ｐｂ　−１０８ｎはんだ、によって管に
はんだ付けされる。各冷却ひれ２０は、好ましくは、金
属または金属合金の連続する細長帯片即ちストリップか
ら成る。冷却ひれ２０を形成するストリップ材は任意の
所望形状を有し得るが、波形または蛇行形状を有するス
トリップ材が一般的に使用される。

塩含有流体による腐食作用に対する抵抗性を改善された
熱交換器組立体を得るためた、６管１８は、好ましくは
、ニッケル及びひ素を含有する改良銅−亜鉛合金系から
形成される。この改良銅−亜鉛合金系は、約２１％から
約３９％の亜鉛と、約１％から約５壬のニッケルと、約
０．０２１から約１優のひ素と、残部分の銅とを含有す
る。この合金系はさらにこの種類の合金系に典型的に含
まれる不純物をも含有するが、これら不純物は本合金系
の望ましい特性を損なうとと率を以て存在してはならな
い。本合金系においては、ニッケル含量は延性の観点か
ら重要である。管１８は、一般的Ｋ、事実上平坦な金属
ストリップから形成されるから、管形成作業を容易にす
るため良好な延性特性が望ましい。ニッケル含量が５係
より大きい場合は、要求延性を維持するために著しく高
くされた焼鈍温度が要求されることが判明している。

また、本合金系のひ素含量は、合金の分解を事実上防止
する一観点において重要であるが、ひ素単独またはニッ
ケル単独では、ひ素とニッケルとの組合わせＫより得ら
れる性能改善は実現され得ない点において一層重要であ
る。本発明の一好適実施例においては、銅−亜鉛合金は
、本質的に、約２５優から約６５チの亜鉛と、約２．５
壬から約３．５俤のニッケルと、約０．０３４から約０
．０６　％のひ素と、主として残部分を占める銅とから
成る。

なお、前記百分藁はすべて重量百分本である。

本合金系の加工処理は在来の慣行に従って行われる。合
金系は初期縮小厚さまで熱間並びに冷間加工を施された
後、焼鈍及び冷間加工のサイクルを繰返して最終希望厚
さに縮小される。前記合金が加工処理の全段階を通じて
その単−相を保持するように合金を処理することが望ま
しい。

前記合金は任意の所望の方法、例えばダビレ、Ｄ、　Ｏ
，または連続鋳造法、で鋳造され得る。合金は約１１０
０℃から約１３００℃の温度で注湯され得るが、約１２
００℃から約１２５０℃の範囲の温度で合金を注湯する
ことが好ましい。鋳造インゴットは、熱間加工のため、
約８００℃から約９００℃の範囲の温度で約２時間予熱
される。予熱されたインゴットは、次に、例えば熱間圧
延により約７．６０から約１２．７ｍの厚さく約０．３
０〜０．５０インチｒ−ジ）に熱間加工される。

次いで、合金は最終ストリップ材の特定厚さくゲージ）
要求に応じて中間焼鈍を施し、または施すことなく、所
望の厚さくデージ）に例えば冷間圧延により冷間加工さ
れる。一般的に、焼鈍はストリップまたはパッチ処理法
を用いて約２００℃から約５００℃の温度で約１０秒か
ら約２４時間の保留時間、好ましくは約６２５℃から約
４７５℃の温度で約１分から約１時間の保留時間、を以
て実施される。もし希望されるならば、材料は焼鈍後清
浄化される。任意の清浄化技術例えば材料を硫酸水溶液
中に浸没させる方法が利用される。前記合金が所望厚さ
に加工処理された後、金属ストリップは当業者には知ら
れている任意の在来の管成形法を用いて管１８に成形さ
れる。

前記熱交換器組立体１０は当業者に知られている任意の
在来の製作方法を用いて形成される。典型的には、熱交
換器は、まず、管１８を成形し、次に、在来の鉛−錫は
んだ、例えば９０Ｐｂ−１０８ｎはんだ、を使用して管
継目をはんだ付けするか、または、例えば誘導溶接のご
とき方法により前記管継目を爆接することによって創作
される。管１８が形成された後、冷却ひれ２０が６管に
結合される。冷却ひれ２０は管１８と同じ材料から形成
され得るが、一般忙は、異なる金属または金属合金から
形成される。

例えば、各冷却ひれ２０は銅基合金、例えば銅合金Ｃ１
１０００、から形成される。冷却ひれ２０は典型的には
９０　Ｐｂ　−１０Ｓｎはんだによって管１８にはんだ
付けされる。続いて、ヘッダ１５及びタンク１６が管−
冷却ひれ組立体に結合される。ヘッダ１５及びタンク１
６も管１８と同じ材料から形成され得るが、一般的には
、それらは異なる金属または金属合金から形成される。

典型的には、７　Ｑ　Ｏｕ　−３Ｑ　Ｚｎ黄銅のごとき
銅基合金がヘッダ及びタンクを形成するのに使用される
。タンクの裏作間、または裏作直後、流体人口１２また
は出口１４を形成する管が各タンク１６に結合される。

ヘッダ１５とタンク１６は、当業者に知られている任意
の好適なろう付けまたははんだ付は材料を使用して、管
−冷却ひれ組立体に結合される。典型的には、鉛−錫は
んだがヘッダータンク組立体と管との結合に使用される
。かくして、ヘッダ、タンク、管及び冷却ひれが組立て
られた後、もし希望されるならば、補強材（図示せず）
が端ＪｉＫ結合される。これら補強材は任意の好適な金
属または金属合金から形成される。組立てられるとき、
前記ヘッダ、タンク、管、冷却ひれ及び補強材は、放熱
器コアを包含する。もし希望されるならば、放熱器コア
は金１または金属合金タンク（図示せず）内に収容され
得る。このタンクの材料としては、やはり、７　Ｑ　Ｏ
ｕ　−３Ｑ　Ｚｎ黄銅が好適である。

本発明の熱交換器組立体は自動車放熱器として、または
その一部として、特に有用であるが、それらは腐食性塩
含有流体く対する耐食性が重要視されるその他の用途に
も使用され得る。

本発明の熱交換器組立体及びそれによって提供される利
点は、以下述べる説明例から一層容易に理解されるであ
ろう。

例 添加物として亜鉛、ひ素及びニッケルを含む一連の銅基
合金は約４５３０／Ｉ（１０ポンｒ）のダピレインゴッ
トとして鋳造された。比較のため、ひ素を含まない一連
の銅−亜鉛−ニッケル合金もダビレインビットとして鋳
造された。銅が最初に熔融され、合金添加順序はＮ１、
Ｚｎ、Ａｓであった。注湯温度は約１１７５℃であった
。鋳造後、前記インゴットは熱間圧延のため８２５℃で
２時間予熱された。前記インゴットは約４３−２ｊ＋ｍ
（１，フインチ）から約１２．７ｊ＋露（０，５０イン
チ）の厚さに熱間圧延された。熱間圧延厚板は、熱間圧
延ミクロ組織の均質化のため、８２５℃で１５分間再加
熱され、そして空冷された。前記厚板は清浄な非酸化面
を生じさせるためフライス削りされた後、約０．２５４
ｉｍ　（０，０１０インチ）の厚さに冷間圧延された。

この間、６５０℃で１時間の中間焼鈍と、それに続く３
０秒間の硫酸による清浄化とが７０チ冷間圧延インタバ
ルを以て行われた。鋳造合金、市販台ひ黄銅、銅合金Ｃ
！２６１３に加えて、ストリップ材料が約０．２５４ｉ
ｎ（０，０１０インチ）に加工処理された。鋳造合金及
び含ひ黄銅の公称組成は下記表１ＶＣ示される。

これら組成は重量百分率を以て表されている。

表　　１ Ａ　　　３、０９　　、０２　　０　　　　残部Ｂ　　
！、０７３．０２　０　　〃Ｃ！　 　３、００５．１１　０　　＃Ｄ　　３０．３６０．８
５０．０４３　　〃Ｅ　　　　３０．８９　　２．４７
　０．０３６　　　　〃？　　３０．７２４．６８０．
０４０　　〃Ｃｋ　　３０．０１　７．０３　０　　〃
Ｈ２９，９４６，９５０，０３０〃工　３０ ．０７１０．０２　０　　〃Ｊ　　　 　３０．０２　　９．８４　０．０４２　　　　／１０
２６１３３１、（５１００，０３８〃放熱器コアをシミ
ュレートするため、各合金の６個の切取り試片が、水溶
性臭化物スラックス中に浸され、次いで、６７０℃で９
０　ｐｂ　−１０Ｓｎはんだ浴中でディップはんだ付け
された。水洗後、前記切取り試片と、銅合金ｃｉ１ｏｏ
ｏから形成された波形ひれが、別の水溶性臭化物フラッ
クス中に浸された。各切取り試片に１個のひれが結合さ
れた。次いで、切取り試片上のひれがステンレス鋼板上
に配置されて、３３５℃で６分間あぶり焼きされた。あ
ぶり焼き後、切取り試片・ひれ組立体は再び水洗された
。次いで、切取り試片・ひれ組立体は、標単塩水噴霧試
験（ＡＳＴＭ　　Ｂ１１７）を２５６時間実施された。

塩水噴霧試験の完了後、各切取り試片・ひれ組立体は全
食孔数及び侵食深さについて検査された。

第２図には、銅−亜鉛−ひ素黄銅に対する約１チから約
５係の範囲のニッケル添加の侵食深さに及ぼす効果が図
示される。本図から認められるように、最良の結果は約
６壬（重量）のニッケル含量を有する合金によって得ら
れた。第６図及び第４図においては、特定ニッケル含量
に対し、ひ素の添加は、一般的Ｋ、塩水噴霧の攻撃によ
り生じる平均ビット深さ及び最大ピット深さをともに減
じることが示されている。ここでもまた、ひ素を添加さ
れた約６係（重量）のニッケル含量を有する合金が最良
の結果を生じた。第５図は、対数ピット深さに対するシ
ミュレートされた放熱器部分のひれ区域におけるＣ！ｕ
　−Ｚｎ　−Ｎｉ　−Ａｓ合金のビット発生百分率を示
す。本図は、ひ素を添加するとともに約２．５チから約
６．５係の範囲のニッケル添加を行うことＫより得られ
る利益を明らかに示している。

以上述べた説明例は、銅−亜鉛合金に対するひ素または
ニッケルの単独添加では、ニッケルとひ素との同時添加
により達成される性能改良は得られないことを十分に証
明している。さらにまた、前記説明例は、塩含有流体に
露出される環境において本発明のＯｕ　−Ｚｎ　−Ｎｉ
　−Ａｓ合金系を使用することによって得られる利益を
も示している。

管１８は、一般的に、楕円形または矩形の横断面形状を
有するが、それらは任意の所望横断面形状を与えられ得
る。

以上において、熱交換器用の管のための耐食性改良鋼−
亜鉛合金であって既述の目的、手段及び利点を十分に達
成するものが本発明に従って提供されることは明らかで
ある。本発明はその特定実施例に関連して説明されたが
、多くの代替形式、修正形式及び変更形式が前記説明に
鑑みて当業者によって着想され得ることは自明である。

従って、前掲特許請求の範囲の精神及び広範な領域内に
属する全てのそのような代替形式、修正形式及び変更形
式を包含することが意図される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って形成された熱交換器組立体の概
略図； 第２図は鋼−亜鉛−ひ素合金に対するニッケル添加が最
深侵食に及ぼす効果を示すグラフ；第６図は銅−亜鉛−
ニッケル合金に対するひ素添加が平均ビット深さに及ぼ
す効果を示すグラフ；第４図は銅−亜鉛−ニッケル合金
に対するひ素添加が最大ピット深さに及ぼす効果を示す
グラフ；及び 第５図はニッケル含量が対数ぎット深さに対するビット
発生率に及ぼす効果を示すグラフである。 図上、１０は「熱交換器組立体」；１２は「流体入り口
」；１４は「流体出口」：１５は「ヘッダ」：１６は「
タンク」：１８は「管」；２０は「冷却ひれＪを示す。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱交換器用の改良された耐食性を有する銅基合金
   において：該合金が、主として、約２．５％から約５％
   のニツケルと、約２１％から約３９％の亜鉛と、約０．
   ０２％から約１％のひ素と、主として銅である残部とか
   ら構成されることを特徴とする銅基合金。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の銅基合金において：
   該合金が、主として、約２．５％から約３．５％のニツ
   ケルと、約２５％から約６５％の亜鉛と、約０．０３％
   から約０．０６％のひ素と、主として銅である残部とか
   ら構成されることをさらに特徴とする銅基合金。
3. （３）複数の流体通路を有する熱交換器において：前記
   流体通路が、約１％から約５％のニツケルと、約２１％
   から約３９％の亜鉛と、約０．０２％から約１％のひ素
   と、主として銅である残部とから成る銅基合金から形成
   されることを特徴とする熱交換器。
4. （４）特許請求の範囲第６項記載の熱交換器において：
   前記銅基合金が、主として、約２．５％から約３．５％
   のニツケルと、約２５％から約６５％の亜鉛と、約０．
   ０３％から約０．０６％のひ素と、主として銅である残
   部とから成ることをさらに特徴とする熱交換器。
5. （５）特許請求の範囲第６項記載の熱交換器において：
   前記通路に結合される少なくとも１個の伝熱面と：前記
   通路に接合される少なくとも１個のタンク・ヘツダ組立
   体とを有することを特徴とする熱交換器。
6. （６）特許請求の範囲第６項記載の熱交換器において：
   ２個の互いに離されたタンク・ヘツダ組立体を有し、こ
   れら組立体の１個が流体入口を設けられ、他の１個が流
   体出口を設けられ；前記通路のおのおのが前記２個のタ
   ンク・ヘツダ組立体の間に位置されてそれら組立体に接
   合されることをさらに特徴とする熱交換器。
7. （７）特許請求の範囲第６項記載の熱交換器において：
   前記流体通路が複数の管から成り；前記管のおのおのが
   金属または金属合金ひれ組立体をその外面に固着される
   ことをさらに特徴とする熱交換器。
8. （８）特許請求の範囲第６項記載の熱交換器において：
   該熱交換器が自動車放熱器を有することをさらに特徴と
   する熱交換器。
9. （９）熱交換器を形成する方法において：約２１％から
   約３９％の亜鉛と、約１％から約５％のニツケルと、約
   ０．０２％から約１％のひ素と、主として銅である残部
   とから成る銅基合金からストリツプ材を形成することと
   ；該ストリツプ材を複数の管装置に作ることとを特徴と
   する熱交換器を形成する方法。
10. （１０）特許請求の範囲第９項記載の方法において：前
    記形成する過程が、主として、約２５％から約３５％の
    亜鉛と、約２．５％から約３．５％のニツケルと、約０
    ．０３％から約０．０６％のひ素と、主として銅である
    残部とから成る銅基合金から前記ストリツプ材を形成す
    ることを含むことをさらに特徴とする熱交換器を形成す
    る方法。
11. （１１）特許請求の範囲第９項記載の方法において：少
    なくとも１個のタンク・ヘツダ組立体を設けることと；
    錫含有材料を用いて前記少なくとも１個のタンク・ヘツ
    ダ組立体に前記管装置をはんだ付けすることとを含むこ
    とをさらに特徴とする熱交換器を形成する方法。
12. （１２）特許請求の範囲第９項記載の方法において：複
    数の伝熱面を設けることと：前記管装置の各々に前記伝
    熱面の１個をはんだ付けすることとを含むことをさらに
    特徴とする熱交換器を形成する方法。