JP2011012299A - 内面溝付管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｚｒを含有する銅合金管を転造加工して内面溝付管を製造する方法であって、良好な転造加工性を得るための内面溝付管の製造方法を提供する。
【解決手段】０．０１〜０．１５質量％のＺｒを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を得る鋳造工程と、熱間押出工程と、転造加工工程と、を有し、該転造加工工程の前に、下記（１）、（２）及び（３）：（１）５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒以上であること（２）最高到達温度が７５０〜９５０℃であるｃ，ｄこと（３）７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒以上であることの条件の全てを満たす中間焼鈍処理を行うこと、を特徴とする内面溝付管の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｚｒを含有する銅合金管を転造加工して内面溝を形成する内面溝付管の製造方法に関する。

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、冷凍機等に用いられる熱交換器の伝熱管や、ヒートパイプのコンテナに用いられる管体には、継目無管が多く採用されている。そして、強度、加工性及び伝熱性等の諸特性並びに加工コストにおいてバランスの取れたりん脱酸銅（ＪＩＳ Ｃ１２２０Ｔ）が多く使用されてきた。

さらに、その形態としては、熱交換器用伝熱管として熱交換性能が良好であることで、内面溝付管が多く使用されてきた。

近年、これらの熱交換器等において、重量の低減又はコストダウンの要求による継目無管の薄肉化や、二酸化炭素冷媒を代表とする高圧冷媒への転換等が進んでおり、りん脱酸銅より耐圧強度の高い銅合金への切り替えが検討されている。そして、このような銅合金の候補の一つとして、Ｚｒを含有する析出強化型銅合金が提案されている。例えば、国際公開第２００８／０４１７７７号（特許文献１）及び特開２００８−２５５３８１号公報（特許文献２）には、いずれも、Ｚｒを含有する銅合金が開示されている。

国際公開第２００８／０４１７７７号（請求の範囲） 特開２００８−２５５３８号公報（特許請求の範囲）

しかしながら、Ｚｒを含有する銅合金は、析出硬化による強度向上が可能であるという点においては、有用であるものの、Ｚｒを含有する銅合金には、強度向上の裏返しとして、加工性が悪くなる傾向にある。特に、内面溝付管の加工の際には、強度の高さが、管内面に溝形成を施す転造加工性の障害となり、熱交換性能の向上に効果的な溝形状や、ウィックとして効果的な溝形状を、転造加工では形成できないという問題が生じることがある。

そのため、単にＺｒを添加して強度を向上させただけでは、優れた内面溝付管を得ることはできない。

例えば、特許文献２の実施例（段落番号００５３〜００５５）では、５５０〜６５０℃で中間焼鈍し、これを溝付転造加工しているが、このような中間焼鈍温度は、Ｚｒの析出温度範囲であるため、転造加工前の銅合金は、強度が高くなっており、つまり、加工性が低くなった状態である。特に、Ｚｒ含有量が０．０４％である実施例においては、転造加工性が限界に近いと考えられ、転造加工を効率良く行うことは困難であると考えられる。すなわち、転造加工ができなかったり、例えできたとしても、歩留りが悪くなったり、生産性が低下してしまったりという問題がある。更にＺｒ含有量が多くなると、転造加工ができない場合も多くなる。

従って、本発明の目的は、Ｚｒを含有する銅合金管を転造加工して内面溝付管を製造する方法であって、良好な転造加工性を得るための内面溝付管の製造方法を提供することにある。

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、（１）転造加工工程を行う直前の熱処理として、特定条件の中間焼鈍処理工程を行うことにより、転造加工工程での転造加工性が良好になること、（２）そのため、Ｚｒを含有する銅合金管であっても、管内面に、熱交換性能が高い溝形状又は効果的なウィック機能を有する溝形状を形成させることができること等を見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明（１）は、０．０１〜０．１５質量％のＺｒを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を得る鋳造工程と、熱間押出工程と、転造加工工程と、を有し、
該転造加工工程の前に、下記（１）、（２）及び（３）：
（１）５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒以上であること
（２）最高到達温度が７５０〜９５０℃であること
（３）７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒以上であること
の条件の全てを満たす中間焼鈍処理を行うこと、
を特徴とする内面溝付管の製造方法を提供するものである。

また、本発明（２）は、０．０１〜０．１５質量％のＺｒを含有し、更に、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰから選択される１種又は２種以上の元素を、合計で０．００４〜１．０質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を得る鋳造工程と、熱間押出工程と、転造加工工程と、を有し、
該転造加工工程の前に、下記（１）、（２）及び（３）：
（１）５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒以上であること
（２）最高到達温度が７５０〜９５０℃であること
（３）７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒以上であること
の条件の全てを満たす中間焼鈍処理を行うこと、
を特徴とする内面溝付管の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、Ｚｒを含有する銅合金管を転造加工して内面溝付管を製造する方法であって、良好な転造加工性を得るための内面溝付管の製造方法を提供することができる。

中間焼鈍処理（Ａ）での該管材料の温度の推移を示す模式的なグラフである。

本発明の内面溝付管の製造方法は、０．０１〜０．１５質量％のＺｒを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を得る鋳造工程と、熱間押出工程と、転造加工工程と、を有し、
該転造加工工程の前に、下記（１）、（２）及び（３）：
（１）５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒以上であること
（２）最高到達温度が７５０〜９５０℃であること
（３）７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒以上であること
の条件の全てを満たす中間焼鈍処理を行う内面溝付管の製造方法である。なお、以下、上記（１）、（２）及び（３）の条件を全て満たす中間焼鈍処理を、「中間焼鈍処理（Ａ）」とも記載する。

本発明の内面溝付管の製造方法は、該鋳造工程と、該熱間押出工程と、該中間焼鈍処理（Ａ）と、該転造工程と、を必須の工程及び処理として有するが、本発明の内面溝付管の製造方法では、これらの工程及び処理間に、適宜、種々の加工工程又は熱処理を行うことができる。

本発明の内面溝付管の製造方法の形態例としては、以下の工程及び処理を順に行う形態例が挙げられる。
（Ｉ）鋳造工程→熱間押出工程→冷間圧延工程→冷間抽伸工程→中間焼鈍処理（Ａ）→転造加工工程→時効処理
（ＩＩ）鋳造工程→熱間押出工程→冷間抽伸工程→中間焼鈍処理（Ａ）→転造加工工程→時効処理
上記形態例（Ｉ）及び（ＩＩ）中の矢印は、工程順を示すものであるが、矢印の左側の工程（処理）の直後に矢印の右側の工程（処理）を行うということを意味するのではなく、矢印の左側の工程（処理）より後に矢印の右側の工程（処理）を行うということを意味する。そのため、矢印の左側の工程（処理）と矢印の右側の工程（処理）との間では、必要に応じて、適宜、種々の熱処理が行われる。ただし、該中間焼鈍処理（Ａ）及び該転造加工工程については、該中間焼鈍処理（Ａ）を行った後、該転造加工工程を行うまでは、他の熱処理を行わない。

上記形態例（Ｉ）及び（ＩＩ）では、該冷間抽伸工程を行う回数は、１回でもよく、あるいは、２回以上であってもよい。

本発明の内面溝付管の製造方法に係る該鋳造工程は、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鋳塊（ビレット）を得る工程である。

該鋳造工程を行い得られる該鋳塊は、Ｚｒを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる鋳塊であるか、又はＺｒを含有し、更に、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰから選択される１種又は２種以上の元素を含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる鋳塊である。つまり、該鋳塊は、Ｚｒと、必要に応じて含有されるＣｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰから選択される１種又は２種以上の元素と、残部Ｃｕ及び不可避不純物とからなる。

該鋳塊中のＺｒ含有量は、０．０１〜０．１５質量％、好ましくは０．０３〜０．０９質量％である。該鋳塊中のＺｒの含有量が、上記範囲内であることにより、内面溝付管の強度が高く且つ転造加工性が良好になる。一方、該鋳塊中のＺｒの含有量が、上記範囲未満だと、析出による強度寄与がほとんど得られず、また、上記範囲を超えると、転造加工前の中間焼鈍処理での条件選択を行っても、転造加工性に障害をきたし、良好な転造加工が行えない。

該鋳塊が、Ｚｒに加えて、更に、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰから選択される１種又は２種以上の元素を含有する場合、該鋳塊中のＣｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰから選択される１種又は２種以上の元素の含有量は、合計で０．００４〜１．０質量％である。該鋳塊中のこれらの元素の含有量が、合計で０．００４〜１．０質量％であることにより、例えば、Ｓｎを含有する場合、Ｚｒの析出強化に、固溶強化を加えることで、加工性、強度、熱伝導度に優れるとともに、これらの良好なバランスを持った銅合金とすることが可能になる。

該鋳造工程では、例えば、該鋳造工程を行い得られる該鋳塊中の各成分の含有量が、内面溝付管を構成する銅合金中の所定の含有量となるように、銅の地金及び本発明の内面溝付管の含有元素の地金又は該含有元素と銅の合金を配合して、成分調整を行い、次いで、高周波溶解炉等を用いて、外径２００〜３８０ｍｍの鋳塊（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。

本発明の内面溝付管の製造方法に係る該熱間押出工程は、該鋳造工程で得られた該鋳塊を、８００〜９７０℃に加熱した後、８００〜９７０℃で熱間押出加工し、熱間押出素管を得る工程である。

該熱間押出工程での熱間押出加工は、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、熱間押出素管を得る。

該熱間押出工程により得られた該熱間押出素管を、冷却した後、上記（Ｉ）の形態例では、冷間圧延工程（チューブレデュサーによる）及び冷間抽伸工程を行い、また、上記（ＩＩ）の形態例では、冷間抽伸工程を行い、管の外径及び肉厚を減じていく。

本発明の内面溝付管の製造方法では、該転造加工工程の前に、下記（１）、（２）及び（３）：
（１）５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒以上であること
（２）最高到達温度が７５０〜９５０℃であること
（３）７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒以上であること
の条件を全て満たす中間焼鈍処理（Ａ）を行う。

すなわち、該中間焼鈍処理（Ａ）では、処理される管材料を７５０〜９５０℃まで加熱し、次いで、該管材料を７５０〜９５０℃の温度範囲に一定時間保持し、次いで、該管材料の温度を７５０℃未満にするが、このとき、該管材料の温度が、５００℃に達してから７３０℃になるまでは、該管材料を１０℃／秒以上の昇温速度で加熱し、次いで、更に加熱し、該管材料の温度が７５０℃に達した後は、該管材料の最高到達温度が９５０℃を超えないように、該管材料を７５０〜９５０℃の温度範囲に所定の時間保持し、次いで、冷却し、そのとき、該管材料の温度が、７３０℃に達してから５００℃になるまでは、該管材料を１０℃／秒以上の冷却速度で冷却する。なお、該管材料の５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒以上であるとは、５００℃から７３０℃までの全範囲にわたって、昇温速度が１０℃／秒以上であることを指す。また、該管材料の７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒以上であるとは、７３０℃から５００℃までの全範囲にわたって、冷却速度が１０℃／秒以上であることを指す。

該最高到達温度が、７５０℃未満だと、Ｚｒ化合物の析出が生じるために、延性が低くなり、転造加工に支障をきたし、また、９５０℃を超えると、管材料の溶解が懸念される。また、該管材料の５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒未満であると、Ｚｒの析出が生じ、延性が低くなり、転造加工に支障をきたす。また、該管材料の７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒未満であると、Ｚｒの析出が生じ、延性が低くなり、転造加工に支障をきたす。

また、該管材料の７５０〜９５０℃の保持時間は、短時間、例えば、２秒程度あればよい。また、該管材料の７５０〜９５０℃の保持時間が長過ぎると、製造効率が低くなり、また、結晶粒の粗大化が起り易くなる。そのため、該管材料の７５０〜９５０℃の保持時間は、最高到達温度及び製造効率等を考慮して、適宜選択されるが、最高到達温度が７５０〜８５０℃の場合、好ましくは１０分以下、特に好ましくは０．０１〜１分であり、また、最高到達温度が８５０℃を超え９５０℃以下の場合、好ましくは１分以下、特に好ましくは０．０１〜０．５分である。なお、該管材料の７５０〜９５０℃の保持時間とは、該管材料の温度が７５０〜９５０℃になっている時間を指す。

該中間焼鈍処理（Ａ）での管材料の温度について、図１に示すグラフを用いて説明する。図１は、該中間焼鈍処理（Ａ）での該管材料の温度の推移を示す模式的なグラフである。

該中間焼鈍処理（Ａ）では、図１に示すように、該管材料を加熱することにより、該管材料の温度は、５００℃未満の温度から昇温し、７５０℃に達し、７５０℃に達した後は、７５０〜９５０℃の温度範囲に一定時間保たれ、その後冷却し、５００℃未満になる。このとき、昇温の際に、該管材料の温度が５００℃に達するａ点から７３０℃に達するｂ点までの間の昇温速度が、１０℃／秒以上であり（条件１）、該管材料の最高到達温度Ｘが、７５０〜９５０℃であり、９５０℃超えず（条件２）、且つ、冷却の際に、管材料の温度が７３０℃に達するｅ点から５００℃に達するｆ点までの間の冷却速度が、１０℃／秒以上である（条件３）。なお、該管材料の温度が７５０℃に達した後、該管材料の温度が７５０〜９５０℃の温度範囲に保持されているｃ点からｄ点までの時間が、７５０〜９５０℃の保持時間である。

一方、該管材料の５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒未満の場合は、該中間焼鈍処理（Ａ）には該当しない。また、該管材料の最高到達温度が７５０℃未満の場合も、該中間焼鈍処理（Ａ）には該当しない。また、該管材料の最高到達温度が９５０℃を超える場合も、該中間焼鈍処理（Ａ）には該当しない。また、該管材料の７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒未満の場合も、該中間焼鈍処理（Ａ）には該当しない。

本発明の内面溝付管の製造方法では、該転造加工工程の前の熱処理として、該中間焼鈍処理（Ａ）を行うことが必須であるが、該中間焼鈍処理（Ａ）より前段で、あるいは、該転造加工工程より後段で、該中間焼鈍処理（Ａ）に該当しないような熱処理を、必要に応じて、適宜行うこともできる。

本発明の内面溝付管の製造方法に係る該転造加工工程は、管材料の内面に、内面溝を形成させる転造加工を行う工程である。また、通常、該中間焼鈍処理（Ａ）を行った後、縮径加工を行ってから、該転造加工工程を行う。

また、本発明の内面溝付管の製造方法では、該鋳造工程から最終製品である内面溝付管を製造するまでの工程の間に、適宜、溶体化処理、時効処理等の熱処理を行う。

該溶体化処理及び該時効処理は、Ｚｒ化合物の微細な析出物による析出硬化を施す処理として行われる。

該溶体化処理は、銅管を９２０℃以上に加熱し、冷却速度１０℃／秒以上で急冷することにより行われる。また、該熱間押出工程又は均質化処理の際の加熱に、該溶体化処理のための加熱を兼ねさせてもよく、この場合、９２０℃以上の加工温度で熱間押出工程を行った後の加熱された銅合金、又は該均質化処理を行った後の加熱された銅合金を、冷却速度１０℃／秒以上で急冷する。

該時効処理は、該転造加工工程の後に行われ、該転造加工工程を行った後の銅管を、４００〜７００℃で加熱し、冷却することにより行われる。

本発明の内面溝付管の製造方法により製造される内面溝付管は、熱交換器用の伝熱管や、グルーブウィックタイプのヒートパイプのコンテナとして、好適に用いられる。

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。

（実施例１〜６及び比較例１〜６）
（鋳造工程）
表１に示す化学成分を含有する外径２５４ｍｍの鋳塊を鋳造した。なお、表１中、残部はＣｕ及び不可避不純物である。
（熱間押出工程）
上記のようにして得た鋳塊を、押出温度９４０℃で、外径８０ｍｍ×肉厚８ｍｍの管を押出し、押出後ただちに水中へ投入して冷却を行った。溶体化処理を兼ねて行った。
（冷間圧延工程）
上記のようにして熱間押出加工された銅管を、冷間圧延により、外径４５ｍｍ×肉厚５ｍｍまで加工した。
（冷間抽伸加工工程）
上記のようにして冷間圧延された銅管を、冷間抽伸により、外径１２．７ｍｍ×肉厚０．４ｍｍまで加工した。
（中間焼鈍処理）
上記のようにして冷間抽伸された銅管を、表１に示す条件で中間焼鈍処理した。炉には、大型塩浴炉を用い、コイル形状のまま浸漬した。
（転造加工工程）
上記のようにして中間焼鈍処理された銅管を転造加工した。転造加工後の外径は９．５２ｍｍであり、内面溝形状は表２に示す通りであった。
（時効処理）
上記の転造加工後の内面溝が形成された銅管を、バッチ炉内で、非酸化性雰囲気中、６００℃３０分間加熱した。

１）残部はＣｕ及び不可避不純物
２）５００℃から７３０℃までの最小昇温速度
３）７３０℃から５００℃までの最小冷却速度

（評価方法）
（転造加工性）
転造加工によって正常なフィン形状が得られた場合を「○」と、正常なフィン形状が得られなかった場合を「×」とした。その結果を表３に示す。
なお、正常なフィン形状が得られないとは、転造加工時に、転造プラグの溝にメタルが十分に充満しなかった部分があった場合、又は転造加工が不可能であった場合である。
（機械的性質）
時効処理後の内面溝付管について、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じ、引張強さ及び伸びを測定した。その結果を表３に示す。
（導電率）
時効処理後の内面溝付管について、四端子法にて導電率を測定した。その結果を表３に示す。

実施例１〜６は、本発明の内面溝付管の製造方法により製造された内面溝付管であり、転造加工性及び機械的性質のいずれも良好であった。
一方、比較例１、３、４及び６は、以下の理由で、転造加工性が良好ではなかった。
比較例１：中間焼鈍処理での最高到達温度が低過ぎたため。
比較例３：５００℃から７３０℃までの昇温速度が低過ぎたため。
比較例４：７３０℃から５００℃までの冷却速度が低過ぎたため。
比較例６：Ｚｒ含有量が多過ぎたため。
また、比較例２は、最高到達温度が高過ぎたために、材料の一部に溶融が見られ、転造加工に供することができなかった。
また、比較例５は、Ｚｒ含有量が少な過ぎたために、析出強化の効果が得られず、強度が低くなった。

本発明によれば、高強度且つ高性能の内面溝付銅合金管を、工業的に有利に製造することができる。

Claims (2)

1. ０．０１〜０．１５質量％のＺｒを含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を得る鋳造工程と、熱間押出工程と、転造加工工程と、を有し、
   該転造加工工程の前に、下記（１）、（２）及び（３）：
   （１）５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒以上であること
   （２）最高到達温度が７５０〜９５０℃であること
   （３）７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒以上であること
   の条件の全てを満たす中間焼鈍処理を行うこと、
   を特徴とする内面溝付管の製造方法。
2. ０．０１〜０．１５質量％のＺｒを含有し、更に、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＰから選択される１種又は２種以上の元素を、合計で０．００４〜１．０質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を得る鋳造工程と、熱間押出工程と、転造加工工程と、を有し、
   該転造加工工程の前に、下記（１）、（２）及び（３）：
   （１）５００℃から７３０℃までの昇温速度が１０℃／秒以上であること
   （２）最高到達温度が７５０〜９５０℃であること
   （３）７３０℃から５００℃までの冷却速度が１０℃／秒以上であること
   の条件の全てを満たす中間焼鈍処理を行うこと、
   を特徴とする内面溝付管の製造方法。

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