JPH0765131B2

JPH0765131B2 - 硬ろう付け性が優れた熱交換器用耐熱銅合金

Info

Publication number: JPH0765131B2
Application number: JP3054121A
Authority: JP
Inventors: 元久宮藤; 浩史荒井; 理一津野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1991-02-25
Publication date: 1995-07-12
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: JPH04272148A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はろう付け性及びろうの濡
れ拡がり性が優れ、また、ろう付け等の熱によって結晶
粒が粗大化することがなく、高い耐熱性を有する硬ろう
付け性が優れた熱交換器用耐熱銅合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】風呂釜又は湯沸かし器等の熱交換器の缶
体及びパイプには、従来、りん脱酸銅が一般的に使用さ
れている。これらの缶体及びパイプは溶接又はろう付け
により組み立てられるので、それに使用する材料として
は、溶接性及びろう付け性が良好であることが必要とさ
れ、更に、熱交換器の構成部材であるため、熱伝導性が
よいことも必要である。

【０００３】脱酸銅の場合、ろう付け部及び溶接部にお
いて熱応力が繰り返し負荷されると、この部分から疲労
破壊を起こすことが知られている。

【０００４】例えば、図１（ａ），（ｂ）に夫々正面図
及び側面図を示す熱交換器の場合は、上下に配置されて
いる１対の缶体１ａ，１ｂ間にパイプ３を設置し、更に
このパイプ３にフィン２をろう付けした構造を有する。
このような構造の熱交換器においては、ろう付け部又は
その近傍（図中Ａ乃至Ｃで示す）に割れが入ることがあ
る。これは加熱の不均一により生じた温度差によってパ
イプに熱膨張の差が生じることにより応力が発生し、こ
の熱応力の繰り返しにより、缶体１ａ，１ｂ及びパイプ
３が疲労破壊を起こすことに起因するものである。

【０００５】また、図１（ａ），（ｂ）に示す熱交換器
において、特にろう付け部（Ａ乃至Ｃ）が割れやすい原
因として、この部分が受ける応力が高いことと、更にろ
う付け時の熱により結晶粒が粗大化して疲労に対する抵
抗力が低下することがある。

【０００６】従来の熱交換器に使用されている脱酸銅に
は、この結晶粒の粗大化が起こりやすいという欠点があ
る。このため、従来の熱交換器においては、熱応力によ
る疲労破壊を防止するために、パイプ部にベロースを入
れたりして熱交換器の構造上の面から熱応力を発生し難
くする手段が講じられてきた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱交換
器のパイプ部にベロースを設けると、熱交換器の構造が
複雑になると共に、製造コストが高くなるという欠点が
ある。従って、脱酸銅と同程度の優れた耐食性を有する
と共に、ろう付け及び溶接等の熱応力による疲労破壊に
対して耐性が高い熱交換器用銅合金が望まれている。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、ろう付け時及び溶接時等の熱による結晶粒
の粗大化が抑制され、熱応力の繰り返しに起因する疲労
破壊に対する耐性が高く、且つ、耐食性が優れている硬
ろう付け性が優れた熱交換器用耐熱銅合金を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る硬ろう付け
性が優れた熱交換器用耐熱銅合金は、Ｆｅ； 1.3乃至2.
1 重量％、Ｐ； 0.001乃至0.1 重量％、Ｃｏ； 0.2乃至
1.0 重量％及びＺｎ；0.01乃至1.0 重量％を含有し、且
つ、前記Ｆｅの含有量及び前記Ｃｏの含有量の合計が
2.5重量％以下であり、残部がＣｕ及び不可避的不純物
からなることを特徴とする。

【００１０】

【作用】以下、本発明に係る熱交換器用耐熱銅合金の成
分添加理由及び組成限定理由について説明する。

【００１１】ＦｅＦｅは銅合金の強度向上に寄与する元素である。Ｆｅ含
有量が 1.3重量％未満の場合は、硬ろう付け後の強度が
不十分である。また、Ｆｅの含有量が2.1重量％を超え
ると、ＦｅのＣｕ中への固溶量が少なくなり、巨大化し
たＦｅの結晶粒が晶出し内部欠陥が発生しやすくなっ
て、健全な製品の製造が困難になる。従って、Ｆｅ含有
量は 1.3乃至2.1 重量％、より好ましくは 1.6乃至2.0
重量％とする。

【００１２】ＣｏＣｏは結晶粒の粗大化の抑制に必須の元素である。ま
た、 800乃至900 ℃の温度でのろう付け工程において
も、結晶粒の成長を抑制して組織を微細に保持し、耐熱
疲労性を向上させる作用を有する。Ｃｏ含有量が 0.2重
量％未満の場合は、このような効果を十分に得ることが
できない。また、Ｃｏ含有量が1.0 重量％を超える場合
は、含有量の増加に見合うＣｏの添加効果の向上が得ら
れず、無駄である。従って、Ｃｏ含有量は 0.2乃至1.0
重量％、より好ましくは 0.3乃至0.7重量％とする。

【００１３】なお、上述したＦｅ及びＣｏの合計の含有
量が 2.5重量％を超えると、Ｆｅの巨大晶出物に起因す
る内部欠陥が発生しやすくなる。従って、Ｆｅ及びＣｏ
の合計の含有量は 2.5重量％以下であることが必要であ
る。

【００１４】ＰＰは銅合金溶湯中における脱酸効果を有している。Ｐ含
有量が0.001 重量％未満の場合は、溶湯中における脱酸
効果を得ることができない。また、Ｐ含有量が0.1 重量
％を超えると、熱間加工性の劣化及び導電率の低下を招
来する。従って、Ｐ含有量は 0.001乃至0.1 重量％とす
る。

【００１５】ＺｎＺｎはＳｎめっき又ははんだめっき等のめっき層のめっ
き密着性を向上させると共に、はんだ濡れ性を向上させ
る効果がある。Ｚｎ含有量が 0.1重量％未満の場合は、
このような効果が不十分である。また、Ｚｎ含有量が
1.0重量％を超えると、ろう付け性及び導電性が低下す
る。このため、Ｚｎ含有量は 0.1乃至1.0重量％とす
る。

【００１６】なお、銅合金中には不可避的不純物とし
て、Ｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＳｎ等の元
素がスクラップ材等から混入することが考えられる。こ
れらの元素の総含有量が 0.2重量％以下の場合は、本発
明合金の物性に悪影響を及ぼす虞れはないので、この程
度の含有は許容される。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例に係る熱交換器用耐熱
銅合金を製造し、その特性を試験した結果について、本
願特許請求の範囲から外れる比較例と比較して説明す
る。

【００１８】先ず、クリプトル炉を使用して、下記表
１，２に示す組成の合金（実施例１乃至９並びに比較例
１乃至４及び比較例６乃至９）を木炭被覆下において大
気中で溶解した。次に、鋳鉄製のブックモールドを使用
してこれらの溶湯を鋳造し、厚さが50mm、幅が80mm、長
さが 200mmの鋳塊を得た。そして、これらの鋳塊の表裏
両面を 5mmづつ面削した。その後、これらの鋳塊を 940
℃の温度で15mmの厚さになるまで熱間圧延した後、これ
らの圧延材を水中に投入して急冷した。

【００１９】次いで、これらの圧延材の酸化スケールを
除去した後、冷間圧延加工を施して、厚さが 0.8mmの板
材を得た。これらの板材を試験材とした。

【００２０】この場合に、Ｆｅの含有量が 2.1重量％を
超えると共にＦｅ及びＣｏの合計の含有量が 2.5重量％
を超える比較例６は、Ｆｅの晶出物が巨大化し、内部欠
陥が多発した。このため、以後の試料作成を中止した。
また、Ｆｅ及びＣｏの合計の含有量が 2.5重量％を超え
る比較例７も、Ｆｅの巨大晶出物による内部欠陥が多発
したため、以後の試料作成を中止した。更に、Ｐ含有量
が少ない比較例８は、鋳塊中に多数のピンホール欠陥が
発生したため、以後の試料作成を中止した。更にまた、
Ｐ含有量が多い比較例９は、熱間圧延時に割れが発生し
たため、以後の試料作成を中止した。

【００２１】なお、熱交換器用部材は、曲げ加工及びフ
ランジ成形加工（深絞り加工）等の加工を施す必要上、
従来、一般的にりん脱酸銅（C 1020合金）の軟質材（Ｏ
材又は 1／2 Ｈ材）が使用されている。そこで、厚さが
0.8mmの工場量産品のりん脱酸銅の冷間圧延材を軟質処
理すべく、温度が 575℃で２時間加熱した後 500℃で４
時間加熱することにより焼鈍を実施し、その後酸洗及び
研磨処理を施した試験材（C 1020合金 1／2 Ｈ材）を
比較例５として用意した。この比較例５の組成も表２に
併せて示した。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】下記表３，４に実施例１乃至９及び比較例
１乃至５の各試験材の材料特性を示す。但し、これらの
特性は、実施例及び比較例の各試験材からJIS 5 号試験
片を切り出し、これらの試験片を圧延方向に平行引張試
験することにより測定した。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】

【００２７】次に、実際のろう付け条件を想定して、実
施例１乃至９及び比較例１乃至５の各試験材に対し 830
℃の温度で10分間熱処理を行い、熱処理後の特性を調べ
た。但し、各特性は以下に示す試験方法により測定し
た。

【００２８】（１）引張試験においては、各試験材から
圧延方向に平行に切り出したJIS 5号試験片を使用し
て、引張強さ、耐力及び伸びを測定した。

【００２９】（２）各試験材の硬さは、ビッカース硬度
計を使用して、荷重 2kgの条件で測定した。

【００３０】（３）疲労試験においては、薄板疲労試験
機を使用し、各試験材から切り出した幅が10mmの試験片
に対して、周期が60Ｈｚ、応力振幅が 2.5mm、平均応力
が15kgf/mm² の条件で両振り繰り返し応力を負荷した。
そして、この繰り返し応力により試験片が破断するまで
の回数を測定した。

【００３１】（４）ろう付け性（濡れ拡がり性）試験は
図２に示す装置を使用した。この試験装置においては、
筒状の炉４が水平に設置されており、その両端部は栓部
材７，８により気密的に閉塞されるようになっている。
一方、栓部材７には炉４内で試験台１１を炉４の長手方
向に移動させるための支持棒１２が挿通されており、こ
の支持棒１２を介して炉外から試験台１１を操作できる
ようになっている。また、炉４における栓部材７側の端
部上壁にはＮ₂ ガスの導入部９が設けられており、他方
の栓部材８にはＮ₂ ガスの排出部１０が設けられてい
る。

【００３２】そして、炉４の中央部には炉４に向けて水
を噴射することにより炉内の試験部材を冷却するための
水冷帯６が設けられている。また、この水冷帯６よりも
栓部材８側の炉４には、ヒータ５が配設されている。

【００３３】試験台１１には試験部材１３が載置され
る。図３（ａ），（ｂ）は夫々この試験部材１３を示す
正面図及び側面図である。実施例１乃至９及び比較例１
乃至５の各銅合金により、側面視でＵ字形をなす試験片
２０が成形され、この試験片２０上に、円柱状をなすろ
う材２１が載置される。このろう材２１は直径が 2.5m
m、長さが 3cmであり、組成はＢＣｕＰ−２（Ｃｕに 7
乃至7.5 重量％のＰを含有したもの）である。また、試
験片２０の長さは 300mmである。

【００３４】このように構成された試験装置の炉内に試
験部材１３を装入した後、窒素ガスを炉内に導入した。
そして、先ず、試験部材１３をヒータ５の配線位置に移
動して 830℃に10分間加熱する熱処理を施してろう材２
１を溶融させた。次いで、試験部材１３を水冷帯６に移
動させて冷却し、ろう材２１を凝固させた。これによ
り、ろうの濡れ拡がり性を調べた。

【００３５】（５）結晶粒径は、光学顕微鏡により測定
した。

【００３６】（６）はんだの密着性は以下のように調べ
た。先ず、実施例１乃至９及び比較例１乃至５の各試験
材から厚さが 0.8mm、幅が25mm、長さが50mmの試験片を
切り出しこれらの試験片を浴温度が 230℃のはんだ浴に
５秒間浸漬した。なお、このはんだ浴の組成は、Ｓｎが
60重量％、Ｐｂが40重量％である。また、フラックス
は、弱活性フラックス（アルファー#611；アルファーメ
タル社製）を使用した。次いで、温度が 175℃の大気中
で 100時間加熱した後、 2mmの曲げ半径で 180°の角度
で往復曲げを実施して、はんだの剥離の有無を調べた。

【００３７】（７）導電率は、実施例１乃至９及び比較
例１乃至５から切り出した幅が10mm、長さが 300mmの試
験片を使用して、これらの試験片の電気抵抗をダブルブ
リッジにより測定し、平均断面積法により算出した。

【００３８】これらの結果を下記表５乃至８に示す。但
し、ろう材の濡れ拡がり性は、ろう材の濡れ拡がり長さ
が初期長さの 3倍以上の場合を○、1.5 乃至3 （但し、
1.5及び3 を含まず）の場合を△、1.5 倍以下の場合を
×で示した。

【００３９】

【表５】

【００４０】

【表６】

【００４１】

【表７】

【００４２】

【表８】

【００４３】この表５乃至８から明らかなように、本発
明に係る実施例合金１乃至９は、いずれもろう付け温度
（ 830℃で10分間）に加熱しても、優れた特性を示し
た。即ち、従来の熱交換器用合金である比較例５に比し
て、引張強さが 1.5倍以上、耐力が 8倍以上、硬さが 2
倍以上優れており、結晶粒径が30μｍと微細であると共
に、疲労特性も著しく優れている。しかも、ろう材の濡
れ拡がり性、はんだの密着性も比較例５と同等以上であ
り、熱交換器用材料として高い信頼性を得ることができ
る。

【００４４】一方、Ｆｅ含有量が少ない比較例１は、強
度及び疲労特性が実施例１乃至９に比して劣っている。
Ｃｏ含有量が少ない比較例２は、結晶粒が粗大化してお
り、疲労特性が劣る。Ｚｎ含有量が多い比較例３は、導
電率及びろう材の濡れ拡がり性が劣る。Ｚｎ含有量が少
ない比較例４は、はんだの密着性が劣る。りん脱酸銅で
ある比較例５は、上述の如く、耐力、疲労特性及びはん
だの密着性等の特性が実施例１乃至９に比して著しく劣
っている。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る熱交換
器用耐熱銅合金は、所定量のＦｅ、Ｐ、Ｃｏ及びＺｎを
含有しているから、従来の熱交換器用銅合金であるりん
脱酸銅と同等以上のろう材の濡れ拡がり性を有し、しか
もろう付け後の強度、疲労特性及び結晶粒度等の特性が
いずれもりん脱酸銅に比して著しく優れている。従っ
て、本発明は熱交換器の信頼性向上に極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は一般的な熱交換器の構造を示
す夫々正面図及び側面図である。

【図２】ろう材の濡れ拡がり試験に使用したろう付け炉
を示す正面図である。

【図３】（ａ），（ｂ）は夫々試験部材を示す正面図及
び側面図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ；缶体２；フィン３；パイプ４；炉５；ヒータ６；水冷帯１３；試験部材２０；試験片２１；ろう材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｆｅ； 1.3乃至2.1 重量％、Ｐ； 0.001
乃至0.1 重量％、Ｃｏ； 0.2乃至1.0 重量％及びＺｎ；
0.01乃至1.0 重量％を含有し、且つ、前記Ｆｅの含有量
及び前記Ｃｏの含有量の合計が 2.5重量％以下であり、
残部がＣｕ及び不可避的不純物からなることを特徴とす
る硬ろう付け性が優れた熱交換器用耐熱銅合金。