JPWO2008041777A1 - 継目無管 - Google Patents
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Abstract
Description
該継目無管は、規定の成分に溶解・調整され、鋳造されたビレットを、熱間にてマンドレル押出し、次いで、圧延・抽伸等の冷間加工により、肉厚を薄くして、規定の寸法に仕上げることにより、製造される。
更に、該継目無管においては、熱交換性能を向上させるために、上記のようにして得られた継目無管の内面に、冷間での転造加工によって、らせん状の溝を形成させることが行われる。該冷間での転造加工の加工性を確保することは、合金設計上、非常に重要である。
従来、該継目無管には、強度、加工性及び熱伝導性等の諸物性、並びにコストにバランスの取れた、りん脱酸銅管(JIS C1220T)が使用されていた。
近年、これらの熱交換器では、重量の低減又はコストダウンの要求により、継目無管の薄肉化が必要となってきた。
一方、冷媒変更に伴う冷媒圧力の増加や、地球温暖化ガスである冷媒ガスの排出抑制の観点から、配管材料には、高い信頼性が求められるようになってきた。
つまり、肉厚が薄くても信頼性が高い配管材料が、要求されている。そして、このような要求を満たすためには、銅合金には、加工性に優れ且つ強度が高いことが求められる。また、該銅合金は、伝熱管や冷却管の原材料となるため、該銅合金には、熱伝導性が高いことも求められる。
しかし、りん脱酸銅では、重量の低減又はコストダウンを目的として薄肉化すると、耐圧強度が低くなり過ぎるため、信頼性が低くなり、薄肉化と高信頼性の要求を両立させることは著しく困難であった。
ところで、冷媒配管用伝熱管には、ロウ付けによる強度低下が小さいことも要求される。すなわち、熱交換器の種類によっては、組み立てられる際に、配管自体が、800℃以上の高温に曝されるため、ロウ付けの前後において、強度変化が小さいことが要求される。
しかし、りん脱酸銅は、高温に曝されると、粒成長が起こり、それを起因とする強度及び延性の低下が起こる。この現象は、信頼性を低くする原因となるため、好ましくない。
そこで、薄肉化ができ且つ信頼性を高くするため、あるいは、ロウ付けによる強度低下の問題を解決するための対策合金として、析出強化型合金及び固溶強化型合金が提案されている。
具体的には、析出強化型合金としては、例えば、特許文献1には、重量%でCo:0.02〜0.2%、P:0.01〜0.05%を含有し、残りがCu及び不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれる酸素含有量を50ppm以下に記載した組成の銅合金が、また、特許文献2には、ロウ付け熱交換器に用いられ、再結晶温度が高く、優れた伝導率を有する銅合金において、該合金は、0.1重量%以上且つ0.3重量以下のクロムを含むことを特徴とする銅合金が開示されている。また、固溶強化型合金としては、特許文献3には、Sn:0.1乃至1.0質量%、P:0.005乃至0.1質量%、O:0.005質量%以下及びH:0.0002質量%以下を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径が30μm以下である銅合金が開示されている。
すなわち、冷媒配管用伝熱管においては、固溶強化は、ロウ付けによる強度低下を少なくする効果はあるが、延性を低下させるため、加工性が悪くなるという問題があった。また、固溶強化をすると、熱伝導性が低くなり、熱伝導性能を確保するために、薄肉化すると、強度が低くなり過ぎてしまうという問題もあった。一方、析出強化も、ロウ付けによる強度低下を少なくする効果はあるが、ロウ付け温度によっては、析出元素の再固溶が起こるため、十分な強度を確保できないという問題があり、このような再固溶のために、粒成長が更に促進されるという問題もあった。
従って、本発明は、加工性に優れ、強度が高く且つ熱伝導性が高い継目無管用銅合金を提供することにある。また、本発明は、加工性に優れ、強度が高く、熱伝導性が高く且つロウ付けによる強度低下が少ない継目無管用銅合金を提供することにある。
なお、特許文献4には、Fe、Cr、Mn、Ni、Ag、Zn、Sn、Al、Si、Pb、Mg、Te、Zr、B及びTiから選ばれる1種又は2種以上の元素を合わせて0.01〜0.5重量%含み、残部Cu及び不可避不純物からなる銅合金が開示されている。しかし、特許文献4に記載されている銅合金は、溶接管用の銅合金である。
すなわち、本発明(1)は、Al、Sn及びZnのうちの1種以上の元素及びZr元素を含有し、残部Cu及び不可避不純物からなる銅合金であり、
該銅合金中のAl、Sn、Zn及びZrの含有量が、下記式(1)、(2)及び(3):
0.05≦A+B+C (1)
0.01≦D≦0.5 (2)
0.25≦A+B+C+D≦0.8 (3)
(式中、AはAl元素の含有量(質量%)を示し、BはSn元素の含有量(質量%)を示し、CはZn元素の含有量(質量%)を示し、DはZr元素の含有量(質量%)を示す。)
のいずれも満たすこと、
を特徴とする継目無管用銅合金を提供するものである。
また、本発明(2)は、更に、Fe、Ni、Cr及びCoのうちの1種以上の元素を含有し、
これらの元素の含有量が、合計で0.1質量%以下であること、
を特徴とする前記本発明(1)記載の継目無管用銅合金を提供するものである。
また、本発明(3)は、Pの含有量が、0.004〜0.04質量%であることを特徴とする前記本発明(1)又は(2)いずれか記載の継目無管用銅合金を提供するものである。
本発明によれば、加工性に優れ、強度が高く且つ熱伝導性が高い継目無管用銅合金を提供することができるので、肉厚が薄くても信頼性が高い継目無管を製造することができる。また、本発明によれば、加工性に優れ、強度が高く、熱伝導性が高く且つロウ付けによる強度低下が少ない継目無管用銅合金を提供することができるので、肉厚が薄くても信頼性が高く、且つロウ付けによる強度低下が少ない継目無管を製造することができる。
該銅合金中のAl、Sn、Zn及びZrの含有量が、下記式(1)、(2)及び(3):
0.05≦A+B+C (1)
0.01≦D≦0.5 (2)
0.25≦A+B+C+D≦0.8 (3)
(式中、AはAl元素の含有量(質量%)を示し、BはSn元素の含有量(質量%)を示し、CはZn元素の含有量(質量%)を示し、DはZr元素の含有量(質量%)を示す。)
のいずれも満たす、
継目無管用銅合金である。
本発明の継目無管用銅合金は、Al、Sn及びZnのうちの1種以上の元素を含有するが、これらの元素は、固溶強化により銅合金の強度を向上させる効果がある。また、これらの元素の場合、比較的低温で合金化できるので、製造上有利である。
本発明の継目無管用銅合金は、Zrを含有するが、Zrは、析出強化により銅合金の強度を向上させる効果がある。また、Zrは、ロウ付け温度が過剰に高くならない前提では、Zr析出物が残存し、結晶粒の粗大化を抑制することにより、強度低下を小さくする効果がある。
つまり、本発明の継目無用銅合金は、Al、Sn及びZnのうちの少なくとも1種、あるいは、2種以上と、Zrとを、必須の元素として含有する。
本発明の継目無管用銅合金中のAl、Sn、Zn及びZrの含有量は、下記式(1)、(2)及び(3):
0.05≦A+B+C (1)
0.01≦D≦0.5 (2)
0.25≦A+B+C+D≦0.8 (3)
(式中、AはAl元素の含有量(質量%)を示し、BはSn元素の含有量(質量%)を示し、CはZn元素の含有量(質量%)を示し、DはZr元素の含有量(質量%)を示す。)
のいずれも満たす。なお、前記式(1)及び(3)において、本発明の継目無銅合金が、Al、Sn及びZnのうちのいずれか1種又は2種の元素を含まない場合、本発明の継目無銅合金に含まれない元素の含有量、すなわち、A、B又はCの値は0(ゼロ)である。
「A+B+C」、すなわち、Al、Sn及びZn元素の合計含有量は、0.05質量%以上である。「A+B+C」が、0.05質量%未満だと、銅合金の強度が低くなる。
「D」、すなわち、Zr元素の含有量は、0.01〜0.5質量%である。「D」が、0.01質量%未満だと、銅合金の強度が低くなり、また、結晶粒の粗大化を抑制する効果が小さく、ロウ付けによる強度低下が大きくなる。また、「D」が、0.5質量%を超えると、過剰な析出硬化が起こり、加工性を低下させる原因となる。
「A+B+C+D」、すなわち、Al、Sn、Zn及びZr元素の合計含有量は、0.8質量%以下である。「A+B+C+D」が、0.8質量%を超えると、銅合金の加工性が悪くなるため、りん脱酸銅よりも加工性が悪くなり、例えば、内面溝の形成が困難となるか又はできなくなり、また、銅合金の熱伝導性が低くなる。また、「A+B+C+D」は、0.25質量%以上である。「A+B+C+D」が、0.25質量%未満だと、十分な強度が得られない。
そして、本発明の継目無管用銅合金では、Al、Sn、Zn及びZrの含有量が、前記式(1)、(2)及び(3)の全てを満たす必要がある。
本発明の継目無管用銅合金は、Fe、Ni、Cr及びCoのうちの1種以上の元素を、好ましくは合計で0.1質量%以下、特に好ましくは合計で0.05質量%以下の割合で含有することによって、加工性が阻害されることはなく、溶解鋳造時に、これらの元素の成分コントロールを行う必要がなくなるとともに、原材料中への不純物としての混入等についての管理においても有利になる。これに加えて、本発明の継目無管用銅合金は、Fe、Ni、Cr及びCoのうちの1種以上の元素を、0.1質量%以下の割合で含有することにより、銅合金の強度を向上させる効果と、結晶粒粗大化を抑制する効果が高まる。ただし、Fe、Ni、Cr及びCo元素の合計含有量が、多すぎると、加工性が悪くなり易いので、Fe、Ni、Cr及びCo元素の合計含有量は、0.1質量%以下であることが好ましい。
本発明の継目無管用銅合金中のPの含有量は、0.004〜0.040質量%であることが好ましく、0.015〜0.030質量%であることが特に好ましい。本発明の継目無管用銅合金が、P元素を0.004質量%以上含有することにより、材料中の脱酸が十分であることが示される。そして、本発明の継目無管用銅合金中のPの含有量が、多すぎると、銅合金の熱伝導性が低くなるので、本発明の継目無管用銅合金中のPの含有量は、0.040質量%以下が好ましい。
本発明の継目無管用銅合金は、常法に従って、溶解、鋳造し、所定の元素が所定の含有量で配合されているビレットを得る鋳造工程を行い、次いで、造塊されたビレットを均質化する均質化処理→熱間押出加工→圧延加工又は引抜加工等の冷間加工の順に行い、次いで、時効処理を施すことにより製造される。熱交換器用の伝熱管においては、引抜加工後に、冷間で転造加工を行い、管内面にらせん状の溝を形成させることもある。また、必要に応じて、上記工程内に、中間焼鈍、溶体化処理又は焼入れ処理を加えることもできる。
該鋳造工程では、例えば、銅の地金及び本発明の継目無管用銅合金の含有元素の地金又は該含有元素と銅の合金を、本発明の継目無管用銅合金中の含有量が、所定の含有量となるように配合して、成分調整を行い、次いで、高周波溶解炉等を用いて、ビレットを鋳造する。
Zrは活性な金属なので、溶解時の酸化ロスが多くなるため、成分調整においては、Zrの溶解時の酸化ロスを考慮した配合が必要である。
また、該鋳造工程では、Pを配合することにより、溶湯の流動性が高くなるので、鋳造性が高くなり、ガス孔等の鋳造欠陥の発生が抑制され、また、脱酸効果が得られるので、上記Zrの溶解時の酸化ロスを少なくすることができる。そして、Pの配合量が多くなりすぎると、銅合金中のP元素の含有量が多くなりすぎるため、熱伝導性が低くなる。そのため、該鋳造工程では、銅合金中のP含有量が、0.004〜0.040質量%となるようにPを配合することが好ましく、0.015〜0.030質量%となるようにPを配合することが特に好ましい。
該鋳造工程で得られたビレットを、所定の温度で均質化処理した後、熱間押出加工を行う。また、該熱間押出加工前に、ビレットを加熱するが、この熱間押出加工前の加熱に、均質化処理を兼ねさせることもできる。該熱間押出加工は、マンドレル押出によって行われる。すなわち、加熱前に、冷間で予め穿孔したビレット、あるいは、押出前に熱間で穿孔したビレットに、マンドレルを挿入した状態で、熱間押出を行なって、継目無押出素管を得る。
該熱間押出加工により得られた該継目無押出素管を、冷却した後、圧延加工や引き抜き加工等の冷間加工を行い、管の外径及び肉厚を減じていく。
該時効処理は、焼入れ処理、必要に応じて行われる引き抜き加工や転造加工等の冷間加工後に、成形体を、400〜700℃で加熱し、冷却することにより行なわれる。
本発明の継目無管用銅合金は、特定の含有元素の組み合わせ、すなわち、Al、Sn及びZn元素の1種以上と、Zr元素との組み合わせを選択し、且つそれらの含有量を特定の範囲にすることにより、固溶強化と析出強化をバランスさせ、加工性及び熱伝導性を損なうことなく、強度を高めることができ、更には、ロウ付けによる強度低下を少なくすることができる。
次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。
Cu、Al、Sn及びZnの地金、並びにCu−Zr母合金、Cu−P母合金、Cu−Fe母合金、Cu−Ni母合金、Cu−Cr母合金及びCu−Co母合金を用いて、表1に示す成分に配合し、高周波溶解炉を用いてφ100mmの鋳塊を製造後、φ90mmに皮剥きし、熱間押出を行い、φ20mm×t1.5mm管とした。次いで、900℃の炉内で加熱し、直ちに水槽へ投入して冷却した。次いで、φ10mm×t0.5mmに引抜加工後、500〜750℃で0.5〜2時間の熱処理を行い、銅合金1〜6及び20〜35を得た。
(機械的性質評価)
JIS Z 2241に準じ、銅合金の0.2%耐力、引張強さ及び伸びを測定した。その結果を表2に示す。なお、銅合金の性能評価の指標とするために、りん脱酸銅C1220についても測定した。
(加工性評価)
円錐状のプラグによる拡張試験により、銅合金の加工性試験を行った。3Rまで拡張後も、割れが生じなかった場合を合格とし、割れが生じた場合を不合格とした。その結果を表2に示す。なお、銅合金の性能評価の指標とするために、りん脱酸銅C1220についても測定した。
(比較例)
(銅合金の製造)
表1に示す成分に配合する以外は、実施例と同様の方法で行い、合金7〜14及び40〜51を得た。
(機械的性質評価及び加工性評価)
合金7〜14及び40〜51を用いる以外は、実施例と同様の方法で行なった。その結果を表2に示す。
合金42及び43は、Al+Sn+Znの合計含有量が低いため、合金13、47及び48は、Zr含有量が低いため、合金46及び51は、Al+Sn+Zn+Zrの合計含有量が低いため、合金7、9、10、44及び45は、Al+Sn+Znの合計含有量とAl+Sn+Zn+Zrの合計含有量の両方がともに低いため、合金化して製造コストが増加したにもかかわらず、耐力及び引張強度が、C1220を上回ることはなく、優位性を示さなかった。
また、合金8、11、12、41、49及び50は、Al+Sn+Zn+Zrの合計含有量が高いため、合金40は、Zr含有量が高いため、合金14は、Zr含有量とAl+Sn+Zn+Zrの合計含有量の両方がともに高いため、延性が低くなり、加工性評価においても不合格となった。
合金24−2は、耐力、引張強度、延性及び加工性評価がいずれも良好であり、Fe+Niの含有によって、合金24−1と比較して、耐力及び引張強度が更に高くなった。
合金24−3は、耐力、引張強度、延性及び加工性評価はいずれも良好であったが、Fe+Ni+Cr+Coの合計含有量が高いため、合金24−1と比較して、延性が若干低く、加工性も若干低かった。
合金27−2は、耐力、引張強度、延性及び加工性評価はいずれも良好であったが、P含有量が高いため、合金27−1と比較して、熱伝導性が若干低かった。
合金27−3は、耐力、引張強度、延性及び加工性評価はいずれも良好であったが、P含有量が低いため、合金27−1と比較して、脱酸が十分ではなく、熱交換器組み立て工程中の、炉中ろう付けをする際に、雰囲気(水素ガス)の影響によって、水素脆化を生じるものが見られた。
技術分野
本発明は、空調機用熱交換器、冷凍機等の伝熱管又は冷媒配管に使用される継目無管に関する。
背景技術
従来より、ルームエアコン、パッケージエアコン等の空調機用熱交換器、冷凍機等の伝熱管又は冷媒配管には、継目無管が多く採用されている。
該継目無管は、規定の成分に溶解・調整され、鋳造されたビレットを、熱間にてマンドレル押出し、次いで、圧延・抽伸等の冷間加工により、肉厚を薄くして、規定の寸法に仕上げることにより、製造される。
更に、該継目無管においては、熱交換性能を向上させるために、上記のようにして得られた継目無管の内面に、冷間での転造加工によって、らせん状の溝を形成させることが行われる。該冷間での転造加工の加工性を確保することは、合金設計上、非常に重要である。
従来、該継目無管には、強度、加工性及び熱伝導性等の諸物性、並びにコストにバランスの取れた、りん脱酸銅管(JIS C1220T)が使用されていた。
近年、これらの熱交換器では、重量の低減又はコストダウンの要求により、継目無管の薄肉化が必要となってきた。
一方、冷媒変更に伴う冷媒圧力の増加や、地球温暖化ガスである冷媒ガスの排出抑制の観点から、配管材料には、高い信頼性が求められるようになってきた。
に記載されている銅合金は、溶接管用の銅合金である。
(特許文献4)特開平6−58688号公報(請求項1)
発明の開示
本発明者らは、上記従来技術における課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、銅合金に、特定の元素を特定の含有量で含有させることにより、(1)加工性に優れ且つ強度が高い銅合金が得られること、(2)ロウ付けによる強度低下が少ない銅合金が得られること等を見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明(1)は、銅合金を加工して得られる継目無管であり、該銅合金は、Al、Sn及びZnのうちの1種以上の元素及びZr元素を含有し、残部Cu及び不可避不純物からなる銅合金であり、該銅合金中のAl、Sn、Zn及びZrの含有量が、下記式(1)、(2)及び(3):
0.05≦A+B+C (1)
0.01≦D≦0.5 (2)
0.25≦A+B+C+D≦0.8 (3)
(式中、AはAl元素の含有量(質量%)を示し、BはSn元素の含有量(質量%)を示し、CはZn元素の含有量(質量%)を示し、DはZr元素の含有量(質量%)を示す。)
のいずれも満たすこと、を特徴とする継目無管を提供するものである。
また、本発明(2)は、前記銅合金が、更に、Fe、Ni、Cr及びCoのうちの1種以上の元素を含有し、これらの元素の含有量が、合計で0.1質量%以下であること、を特徴とする前記本発明(1)記載の継目無管を提供するもの
である。
また、本発明(3)は、前記銅合金のPの含有量が、0.004〜0.04質量%であることを特徴とする前記本発明(1)又は(2)いずれか記載の継目無管を提供するものである。
本発明によれば、加工性に優れ、強度が高く且つ熱伝導性が高い継目無管用銅合金を提供することができるので、肉厚が薄くても信頼性が高い継目無管を製造することができる。また、本発明によれば、加工性に優れ、強度が高く、熱伝導性が高く且つロウ付けによる強度低下が少ない継目無管用銅合金を提供することができるので、肉厚が薄くても信頼性が高く、且つロウ付けによる強度低下が少ない継目無管を製造することができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明の継目無管用銅合金は、Al、Sn及びZnのうちの1種以上の元素及Zr元素を含有し、残部Cu及び不可避不純物からなる銅合金であり、
該銅合金中のAl、Sn、Zn及びZrの含有量が、下記式(1)、(2)及び(3):
0.05≦A+B+C (1)
0.01≦D≦0.5 (2)
0.25≦A+B+C+D≦0.8 (3)
(式中、AはAl元素の含有量(質量%)を示し、BはSn元素の含有量(質量%)を示し、CはZn元素の含有量(質量%)を示し、DはZr元素の含有量(質量%)を示す。)
のいずれも満たす、
継目無管用銅合金である。
Claims (3)
- Al、Sn及びZnのうちの1種以上の元素及びZr元素を含有し、残部Cu及び不可避不純物からなる銅合金であり、
該銅合金中のAl、Sn、Zn及びZrの含有量が、下記式(1)、(2)及び(3):
0.05≦A+B+C (1)
0.01≦D≦0.5 (2)
0.25≦A+B+C+D≦0.8 (3)
(式中、AはAl元素の含有量(質量%)を示し、BはSn元素の含有量(質量%)を示し、CはZn元素の含有量(質量%)を示し、DはZr元素の含有量(質量%)を示す。)
のいずれも満たすこと、
を特徴とする継目無管用銅合金。 - 更に、Fe、Ni、Cr及びCoのうちの1種以上の元素を含有し、
これらの元素の含有量が、合計で0.1質量%以下であること、
を特徴とする請求項1記載の継目無管用銅合金。 - Pの含有量が、0.004〜0.04質量%であることを特徴とする請求項1又は2いずれか1項記載の継目無管用銅合金。
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