KR100499185B1

KR100499185B1 - 0.2% 내력 및 피로강도가 우수한 열교환기용의 이음매가없는 구리합금관

Info

Publication number: KR100499185B1
Application number: KR10-2000-7001530A
Authority: KR
Inventors: 스도유이찌로; 야마지데쓰오; 사이또유따까
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2005-07-01
Also published as: MY120179A; EP1020538A1; DE69903706D1; JP3303778B2; EP1020538B1; EP1020538A4; DE69903706T2; WO1999066087A1; CN1090681C; US6280541B1; HK1031404A1; CN1272888A; JP2000001728A; KR20010022925A; TW548335B

Abstract

본 발명의 이음매가 없는 구리 합금관은 열교환기의 전열관으로서 주로 사용되며, 특히 열매체로 HFC 계 염화프론을 사용한 열교환기의 전열관으로서 사용될 수 있다. 상기 이음매가 없는 열교환기용 구리 합금관은 중량% 로, Co : 0.02 ∼ 0.2%, P:0.01 ∼ 0.05%, C: 1 ∼ 20 ppm 을 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 상기 불가피적 불순물로서 함유되는 산소함유량을 50 ppm 이하로 규제한 조성의 구리합금으로부터 제조된다.

Description

0.2% 내력 및 피로강도가 우수한 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관 {SEAMLESS COPPER ALLOY TUBE FOR HEAT EXCHANGER BEING EXCELLENT IN 0.2% PROOF STRESS AND FATIGUE STRENGTH}

본 발명은, 주로 열교환기의 전열관으로 사용되는 0.2% 내력 및 피로강도가 우수한 이음매가 없는 구리합금관에 관한 것으로, 특히 HFC 계 프론을 열매체로 사용한 열교환기의 전열관에 사용할 수 있는 내력 및 피로강도가 우수한 이음매가 없는 구리합금관에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기의 전열관으로서 인탈산구리로 이루어지는 이음매없는 구리관이 사용되고 있다. 이 인탈산구리로 이루어지는 이음매없는 구리관을 열교환기의 전열관으로 조립하기 위해서는, 방열 및 흡열효과를 높이기 위해, 인탈산구리로 이루어지는 이음매없는 구리합금관을 소정의 길이로 절단하고, 이것을 헤어핀 밴딩가공하여 U 자형상으로 성형하여, 이 U 자 형상관을 평행으로 나열한 알루미늄 또는 알루미늄합금핀의 관통구멍에 통하여, U 자형상관에 플러그를 통하여 확관하거나, 또는 액압에 의해 확관하여 알루미늄 또는 알루미늄합금핀을 평행으로 전열관에 고정한다.

또한, U 자 형상관의 관끝을 확대하는 플레어가공 (flare forming) 및 플레어가공된 부분을 다시 확대하는 리플레어가공을 하여, 이 확관부분에 다른 U 자형상관을 삽입하여, 인구리납으로 납땜하여 U 자형상관 끼리를 접속한다.

종래의 인탈산구리로 이루어지는 U자형상관의 관끝을 확관한 후 납땜때문에 관끝이 가열되면, 가열된 부분의 결정입자가 조대화되어, 납땜부에 인접한 열영향부의 강도가 현저하게 저하되는 일이 있다. 이와 같은 납땜시의 결정입자의 조대화를 저지하기 위한 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관으로서, 인탈산구리에 Fe 을 첨가하여 결정입자가 조대화되기 어렵게 한 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관이 알려져 있다. 이와 같은 종래의 인탈산구리에 Fe 를 필수성분으로 함유하는 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관으로서, 예를 들면, Fe:0.005∼0.8%, P:0.01∼0.026%, Zr:0.005∼0.3%, O₂:3∼30 ppm 을 함유하고, 잔부 :Cu 로 이루어지는 조성의 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관 (특공소 58-39900호 공보 참조) 및 Fe:0.01 ∼ 1.0%, Cr, Si, Mn, As, Ni, Co 중 1 종 또는 2 종 이상 : 0.005 ∼ 0.6%, P, Ca, Mg 중 1 종 또는 2 종 이상 : 0.004 ∼ 0.04% 를 함유하고, 잔부 : Cu 로 이루어지는 조성의 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관 (특개소 52-156718호 공보 참조) 등이 알려져 있다.

이들 이음매 없는 구리합금관은 열교환기의 전열관으로서 형성되고, 전열관에는 열매체를 충전하여, 열매체에 응축압력을 걸거나 해방시키거나 하여 열교환기를 작동시킨다. 상기 열매체로서 종래에는 HCFC 계 프론이 사용되었는데, 이 HCFC 계 프론은, 지구의 오존층의 파괴에 기여하기 때문에, 근년에는, 오존층의 파괴가 없는 HFC 계 프론을 사용하게 되었다.

그러나, HFC계 프론을 열매체로 사용한 경우의 응축압력은, 종래의 HCFC계 프론을 열교환기의 열매체로서 사용한 경우의 응축압력보다도 크게 할 필요가 있다. 예를 들면, HCFC계 프론 중에서도 대표적인 R-22 를 열교환기의 열매체로서 사용한 경우에 전열관내의 HCFC계 프론에 거는 응축압력은 20 kgf/㎠ 으로 충분하였는데, HFC 계 프론 중에서도 대표적인 R-410a 를 열매체로 사용한 경우의 응축압력은 31 kgf/㎠ 을 필요로 하여, 열교환기의 전열관에 걸리는 응축압력은 종래의 1.5 배 이상의 응축압력을 필요로 한다. 이와 같은 높은 응축압력을 주기적으로 걸게되는 환경하에서는, 종래의 전열관에서는 0.2% 내력 및 피로강도가 부족하여, 오랫동안 사용하고 있으면 전열관에 균열이 발생하여 고장나거나, 0.2% 내력의 부족에 의해 전열관의 치수가 크게 변화하여 열교환기의 성능이 저하되는 등의 과제가 있었다.

따라서, 본 발명자들은, 종래보다도 0.2% 내력 및 피로강도가 우수한 구리합금으로 이루어지는 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관을 얻기 위해 연구를 행한 결과,

(a) 인탈산구리에 Co 를 단독으로 0.02 ∼ 0.2% 첨가하면 0.2% 내력 및 피로강도가 비약적으로 향상되어 도전율도 향상된다,

(b) 인탈산구리에 Co:0.02 ∼ 0.2% 와 함께 탄소를 1 ∼ 20 ppm 첨가하면, 0.2% 내력 및 피로강도가 더욱 향상된다,

(c) P 의 함유량은 0.01 ∼ 0.05% 가 바람직하고, 추가로 불가피 불순물로 함유되는 산소함유량은 50 ppm 이하로 규정하는 것이 바람직하다,

등의 지견을 얻었다.

본 발명은 이와 같은 지견에 근거하여 이루어진 것으로,

(1) 중량% 로, Co:0.02 ∼ 0.2%, P : 0.01 ∼ 0.05% 를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지며, 상기 불가피불순물로 함유되는 산소함유량을 50 ppm 이하로 규제한 조성의 구리합금으로 이루어지는 0.2% 내력 및 피로강도가 우수한 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관,

(2) 중량% 로, Co : 0.02 ∼ 0.2%, P:0.01 ∼ 0.05%, C: 1 ∼ 20 ppm 을 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물로 함유되는 산소함유량을 50 ppm 이하로 규제한 조성의 구리합금으로 이루어지는 0.2% 내력 및 피로강도가 우수한 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관,

에 특징을 갖는다.

본 발명의 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관을 제조하기 위해서는, 통상의 전기구리를 환원분위기중에서 용해하여 산소 : 50 ppm 이하의 저산소구리용탕을 제작하여, 얻어진 저산소구리용탕에 Co 및 Cu-P 모재합금을 첨가하고, 추가로 필요에 따라 소정량의 C 를 Co-C 모재합금으로 첨가한 후 주조하여 원주형상 주괴를 제조한다.

본 원주형상 주괴를 850℃ ∼ 1050℃ 로 가열하여, 수중 압출가공을 행하고, 다시 냉간가공 및 소둔을 행함으로써 소정의 단면치수의 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관을 제작한다.

다음에, 본 발명의 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관을 구성하는 구리합금의 성분조성을 상기와 같이 한정한 이유에 대하여 설명한다.

(a) Co

Co 는 인탈산구리의 소지에 고용 또는 인화합물상을 형성하고, 소재의 0.2% 내력 및 피로강도를 향상시키는 성분이지만, Co 함유량이 0.2% 를 초과하면 도전율이 70% 미만으로 되어 열전도율이 저하되므로 바람직하지 않고, 또한, Co 함유량이 0.01% 미만에서는 목적의 효과를 얻을 수 없다. 따라서, Co 함유량은 0.02 ∼ 0.2% 의 범위가 되도록 각각 정하였다. Co 함유량의 더욱 바람직한 범위는 0.04 ∼ 0.1% 이다.

(b) P

P 는 Co 와 공존함으로써 결정입자를 미세화하고, 그로써 0.2% 내력 및 피로강도를 향상시키는 작용이 있지만, 그 함유량이 0.05% 를 초과하면 현저하게 도전율을 저하시키므로 바람직하지 않고, 또한, 그 함유량이 0.01% 미만에서는 목적의 효과를 얻을 수 없다. 따라서 P 의 함유량은 0.01 ∼ 0.05% 로 정하였다. P 함유량의 더욱 바람직한 범위는 0.015 ∼ 0.04% 이다.

(c) 산소

산소는 불가피 불순물로서 함유되어 있으나, 50 ppm 을 초과하여 함유하면 조대한 산화물이 형성되어, 0.2% 내력 및 피로강도를 저하시키므로 바람직하지 않다. 따라서, 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관에 함유되는 산소함유량은 50 ppm 이하 (바람직하게는 10 ppm 이하) 로 정하였다.

(d) C

C 는 0.2% 내력 및 피로강도를 더욱 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가하지만, 그 함유량이 20 ppm 을 초과하여 함유시키는 것은 통상의 용해주조법으로는 곤란하고, 한편, 1 ppm 미만의 함유는 목적의 효과를 얻을 수 없다. 따라서, C 함유량은 1 ∼ 20 ppm (바람직하게는 1 ∼ 5 ppm) 으로 정하였다.

원료로서 전기구리를 준비하고, 전기구리를 환원분위기속에서 용해하여 산소 : 50 ppm 이하의 저산소구리용탕을 제작하여, 얻어진 저산소구리용탕에 Co 및 Cu-15% P 모재합금을 첨가하고, 추가로 필요에 따라 소정량의 Co-1% C 모재합금으로서 첨가한 후 주형에 넣어 직경 : 320 ㎜, 길이 : 710 m 의 치수를 갖고, 표 1 ∼ 표 3 에 나타나는 성분조성의 원주형상 주괴를 제조하였다.

이 원주형상 구리합금 주괴를 빌릿 히터에 의해. 온도 : 950℃, 1 시간 유지하는 조건에서 가열한 후, 수중 압출가공함으로써 용체화처리와 동시에 직경 : 100 ㎜, 두께 : 10 ㎜ 의 치수를 갖는 미가공 관을 제작하였다.

이와 같은 용체화처리한 미가공 관을 다시 냉간가공함으로써 내경 : 6.5 ㎜, 두께 : 0.25 ㎜ 의 치수를 갖는 이음매 없는 구리합금관으로 성형하여, 얻어진 이음매없는 구리합금관을, 다시 광휘소둔로에 장입하여, 550℃ 에 1 시간 유지한 소둔을 하여, 본 발명의 열교환기용 이음매없는 구리함금관 (이하, 본발명관이라 함) 1 ∼ 14 및 비교 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관 (이하, 비교관이라 함) 1 ∼ 5 를 제조하였다. 또한 Fe 를 필수성분으로 함유하는 표 3 에 나타나는 성분조성의 종래의 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관 (이하, 종래관이라 함) 1 ∼ 3 을 준비하였다.

이들 본발명관 (1 ∼ 14), 비교관 (1 ∼ 5) 및 종래관 (1 ∼ 3) 의 일단을 각각 밀봉하고, 타단으로부터 60 kgf/㎠ 의 내압을 건 후 해방하는 주기적 내압을 본발명관 (1 ∼ 14), 비교관 (1 ∼ 5) 및 종래관 (1 ∼ 3) 에 각각 2 ×10⁷ 회 반복 실시하고, 균열발생의 유무를 측정하여, 그 결과를 표 1 ∼ 표 3 에 나타내 피로강도를 평가하였다.

또한 본발명관 (1 ∼ 14), 비교관 (1 ∼ 5) 및 종래관 (1 ∼ 3) 과 동일한 조성의 인장시험을 각각 준비하고, 이들 인장시험편을 사용하여, JIS Z 2241 에 준거한 방법으로 인장시험을 행하여 0.2% 내력 및 연신율을 측정하여, 그 결과를 표 1 ∼ 표 3 에 나타내고, 또한 JIS C 3001 에 준거한 사단자법으로 측정길이 : 1m 로 도전율을 측정하여 그 결과를 표 1 ∼ 표 3 에 나타냄으로써 전열특성을 평가하였다.

종별		성분조성(중량%)(단, 잔부 : Cu 및 불가피적 불순물)					주기적 내압 부하에 의한 균열 발생 유무	0.2%내력(㎏f/㎟)	연신율(%)	도전율%IACS
종별		Co	P	C(ppm)	O(ppm)	Fe	주기적 내압 부하에 의한 균열 발생 유무	0.2%내력(㎏f/㎟)	연신율(%)	도전율%IACS
본발명관	1	0.05	0.03	-	30	-	무	18.3	43.8	86.4
	2	0.08	0.03	-	30	-	무	19.1	42.6	85.3
	3	0.10	0.03	-	30	-	무	19.2	42.3	85.6
	4	0.14	0.02	-	30	-	무	19.5	39.8	85.1
	5	0.19	0.04	-	30	-	무	19.8	39.1	86.2
	6	0.11	0.05	-	30	-	무	19.1	40.3	85.8
	7	0.02	0.02	-	30	-	무	18.1	46.1	89.2

종별		성분조성(중량%)(단, 잔부 : Cu 및 불가피적 불순물)					주기적 내압 부하에 의한 균열 발생 유무	0.2%내력(㎏f/㎟)	연신율(%)	도전율%IACS
종별		Co	P	C(ppm)	O(ppm)	Fe	주기적 내압 부하에 의한 균열 발생 유무	0.2%내력(㎏f/㎟)	연신율(%)	도전율%IACS
본발명관	8	0.16	0.04	5	30	-	무	22.4	40.3	85.3
	9	0.07	0.03	10	30	-	무	22.3	43.1	85.8
	10	0.09	0.03	4	30	-	무	21.1	42.1	86.3
	11	0.14	0.02	2	30	-	무	21.4	40.3	85.2
	12	0.20	0.04	1	30	-	무	20.2	41.1	86.1
	13	0.12	0.04	19	30	-	무	22.5	41.3	85.2
	14	0.03	0.02	15	30	-	무	20.1	45.2	88.5

종별		성분조성(중량%)(잔부 : Cu 및 불가피적 불순물)					주기적 내압부하에 의한균열발생유무	0.2%내력(㎏f/㎟)	연신율(%)	도전율%IACS
종별		Co	P	C(ppm)	O(ppm)	Fe	주기적 내압부하에 의한균열발생유무	0.2%내력(㎏f/㎟)	연신율(%)	도전율%IACS
비교관	1	*0.007	0.04	-	30	-	1×10⁵회균열	9.1	41.6	80.5
	2	*0.70	0.03	-	30	-	무	20.3	34.1	65.6
	3	0.10	0.03	-	*80	-	1×10⁶회균열	14.7	38.2	86.2
	4	0.14	*0.005	-	30	-	2×10⁵회균열	12.1	42.6	72.3
	5	0.09	*0.06	-	30	-	무	18.2	36.3	67.2
종래관	1	0.1	0.03	-	30	*0.1	2×10⁶회균열	13.8	38.4	74.8
	2	*-	0.03	-	30	*0.1	4×10⁵회균열	9.8	39.0	78.2
	3	*-	0.03	-	30	-	1×10⁵회균열	6.7	42.3	82.4

표 1 ∼ 표 3 에 나타나는 결과로 부터, 본발명관 (1 ∼ 14) 은 모두 주기적내압을 2 ×10⁷ 회 반복 실시하여도 균열이 발생하지 않는 것에 대하여, 종래관 (1 ∼ 3) 은 1 × 10⁶ 회 주기적 내압으로 모두 균열이 발생하고 있는 것으로부터, 본발명관 (1 ∼ 14) 은 종래관 (1 ∼ 3) 에 비교하여 피로강도가 우수한 것을 알 수 있다. 또 연신율은 종래관 (1 ∼ 3) 에 비교하여 큰 차이는 없으나, 0.2% 내력에 대해서는 본발명관 (1 ∼ 14) 은 종래관 (1 ∼ 3) 에 비교하여 모두 우수하고, 도전율도 더욱 향상되어 있는 것을 알 수 있다.

그러나, 조성이 본 발명의 범위에서 벗어난 조성을 갖는 비교관 (1 ∼ 5) 은, 피로강도, 0.2% 내력, 연신율, 도전율 중의 적어도 하나에 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관으로서는 바람직하지 않은 특성이 나타나 있는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관은, 특히 피로강도 및 0.2% 내력이 우수하므로, 열교환기의 전열관으로서 유효하고, 특히 HFC 계 프론을 열교환기의 열매체로 사용하는 열교환기의 보급에 크게 공헌할 수 있다.

Claims

중량% 로, Co:0.02 ∼ 0.2%, P : 0.01 ∼ 0.05% 를 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 상기 불가피적 불순물로서 함유되는 산소함유량을 50 ppm 이하로 규제한 조성의 구리합금으로 이루어지고, HFC계 프론을 열매체로서 사용한 열교환기의 전열관에 사용하는 것을 특징으로 하는 0.2% 내력 및 피로강도가 우수한 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관.
중량% 로, Co : 0.02 ∼ 0.2%, P:0.01 ∼ 0.05%, C: 1 ∼ 20 ppm 을 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 상기 불가피적 불순물로서 함유되는 산소함유량을 50 ppm 이하로 규제한 조성의 구리합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 0.2% 내력 및 피로강도가 우수한 열교환기용의 이음매가 없는 구리합금관.