JPH06330211A

JPH06330211A - 耐熱銅合金

Info

Publication number: JPH06330211A
Application number: JP12632893A
Authority: JP
Inventors: Motohisa Miyato; 元久宮藤; Hiroshi Arai; 浩史荒井; Junichi Osako; 淳一大迫
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-05-27
Filing date: 1993-05-27
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】導電率が高く、ろう付け特性にも優れ、熱応
力の繰り返しに起因する疲労破壊に対する耐久性も高く
熱交換器等の材料として好適の耐熱銅合金を提供する。【構成】本発明に係る耐熱銅合金は、０．１乃至４．
０重量％のＮｉと、０．０５乃至０．４重量％のＴｉ
と、０．０５乃至１．０重量％のＣｏと、０．０１乃至
１．０重量％のＺｎとを含有し、残部がＣｕ及び不可避
的不純物からなる。

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耐熱
銅合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、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、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は、良
好な溶接性及びろう付け性が必要とされ、更に熱交換器
の構成部品であるため、熱伝導性が良好であると共に、
加熱及び冷却を繰り返しても、熱応力の負荷によりろう
付け部及び溶接部で疲労破壊を起こさないことが必要で
ある。りん脱酸銅の場合、熱応力の繰り返し負荷には比
較的弱く、ろう付け部及び溶接部で疲労破壊が発生しや
すいことが知られている。

【０００３】図１（ａ），（ｂ）は、夫々一般的な熱交
換器の模式的正面図及び側面図である。上下方向に離隔
して配置された一対の缶体１ａ及び１ｂの間に、両者の
間を連絡する複数のパイプ３が設けられており、これら
のパイプ３には放熱用のフィン２がろう付けされてい
る。このような熱交換器においては、昇温及び降温の繰
り返しにより、ろう付け部Ａ，Ｂ，Ｃ及びその近傍に割
れが発生することがある。これは、ろう付け時の熱によ
り、ろう付け部Ａ，Ｂ，Ｃ及びその近傍の結晶粒が粗大
化して疲労に対する抵抗力が低下していると共に、これ
らの部分が構造上大きな応力を受ける場所であり、使用
時における加熱の不均一により生じた温度差により各パ
イプの熱膨張差による熱応力が繰り返し負荷されて、疲
労破壊が発生するためである。従来、熱交換器の材料と
して利用されているりん脱酸銅は材料の特性上、結晶粒
の粗大化が生じやすく、上述のような割れが発生しやす
いという欠点がある。そこで、結晶粒が粗大化しにく
く、耐熱性が優れた熱交換器用銅合金として、例えばＣ
ｕ−１．９Ｆｅ−０．４Ｃｏ−０．０３Ｐ−０．０５Ｚ
ｎ合金（特開平０４−２７２１４８号）及びＣｕ−０．
９Ｎｉ−０．３Ｔｉ−０．２Ｓｎ合金（特開昭６２−０
０６７３３号）が提案されている。これらの熱交換器用
銅合金は、りん脱酸銅に比して引張強さ及び耐力が優れ
ており、結晶粒径も微細であると共に、疲労特性も優れ
ている。しかも、ろう材の濡れ拡がり性、はんだの密着
性もりん脱酸銅と同等以上であるので、熱交換器の信頼
性向上に対して極めて有用である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近時、
熱交換器にはより正確な温度制御を行うために、急速加
熱及び急速冷却により熱交換媒体を速やかに目的の温度
に到達させることが要求されている。従って、熱交換器
用材料には熱伝導率が高いこと、換言すれば導電率が高
いことが要求されるようになった。特開平０４−２７２
１４８号及び特開昭６２−００６７３３号に開示された
銅合金は、上述の如く、結晶粒が微細であり、強度及び
はんだの密着性等の特性は優れているものの、りん脱酸
銅に比して導電率が低いという欠点がある。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、ろう付けを想定した熱処理後の導電率が優
れていると共に、機械的特性、ろう材の濡れ拡がり性及
びはんだの密着性が優れ、ろう付け及び溶接等の熱によ
る結晶粒の粗大化を抑制できて、熱応力の繰り返しに起
因する疲労破壊に対する耐久性が高い耐熱銅合金を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願の第１発明に係る耐
熱銅合金は、０．１乃至４．０重量％のＮｉと、０．０
５乃至０．４重量％のＴｉと、０．０５乃至１．０重量
％のＣｏと、０．０１乃至１．０重量％のＺｎとを含有
し、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。

【０００７】本願の第２発明に係る耐熱銅合金は、０．
４乃至０．８重量％のＮｉと、０．１乃至０．３重量％
のＴｉと、０．１乃至０．３重量％のＣｏと、０．０１
乃至１．０重量％のＺｎとを含有し、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。

【０００８】

【作用】以下、本発明に係る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。

【０００９】ＮｉＮｉは、後述するＴｉと共に添加することにより、銅合
金の引張強さ、耐力及び硬さを向上させることができる
元素である。しかし、Ｎｉ含有量が０．１重量％未満で
は、Ｔｉを０．０５乃至０．４重量％添加しても引張強
さ、耐力及び硬さの向上効果を十分に得ることができな
い。また、Ｎｉ含有量が４．０重量％を超えると、含有
量に見合う引張強さ、耐力及び硬さの向上効果を得るこ
とができず無駄であるだけでなく、加工性が悪くなると
共に導電率も低下する。従って、Ｎｉの含有量は０．１
乃至４．０重量％とする。なお、Ｎｉ含有量を０．４乃
至０．８重量％とすることにより、引張強さ、耐力、硬
さ及び導電率をいずれも極めて良好な状態とすることが
できる。

【００１０】ＴｉＴｉは、Ｎｉ及び後述するＣｏと共に添加することによ
り銅合金の引張強さ、耐力及び硬さを向上させることが
できる元素である。しかし、ＴｉとＮｉとの間の親和力
は、ＴｉとＣｏとの間の親和力よりも強いため、Ｔｉ含
有量が０．０５重量％未満の場合は、Ｔｉと化合せずに
残ったＣｏがＣｕマトリックス中に過剰に固溶して、導
電率の低下を招来する。また、Ｔｉ含有量が０．４重量
％を超えると、Ｔｉは酸化され易いので多量のＴｉ酸化
物が溶湯中に巻き込まれ、耐熱銅合金の鋳塊の健全性を
著しく低下させる。従って、Ｔｉの含有量は０．０５乃
至０．４重量％とする。なお、Ｔｉ含有量を０．１乃至
０．３重量％とすることにより、引張強さ、耐力、硬
さ、導電率及び鋳塊の健全性をいずれも極めて良好な状
態とすることができる。

【００１１】ＣｏＣｏは、Ｔｉと共に添加することにより銅合金の引張強
さ、耐力及び硬さを向上させることができる元素であ
る。また、Ｃｏは、結晶粒の粗大化を抑制するのに必要
な元素でもある。即ち、Ｃｏには、約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維持し、耐熱疲労性を向上させる
作用がある。しかし、Ｃｏの含有量が０．０５重量％未
満では、このような効果を得ることができず、１．０重
量％を超えて含有されるとＣｕマトリックス中に過剰に
固溶したＣｏにより銅合金の導電率が低下する。従っ
て、Ｃｏの含有量は０．０５乃至１．０重量％とする。
なお、Ｃｏ含有量を０．１乃至０．３重量％とすること
により、引張強さ、耐力、硬さ、耐熱性及び導電率をい
ずれも極めて良好な状態とすることができる。

【００１２】ＺｎＺｎは、ろう付け後にＳｎめっき又ははんだめっき等の
補修理が施される場合、めっき層の密着性を向上させる
と共に、はんだの濡れ性を向上させる効果がある。Ｚｎ
含有量が０．０１重量％未満の場合は、これらの効果を
十分に得ることはできない。一方、Ｚｎ含有量が１．０
重量％を超える場合は、ろう付け性及び導電率が低下す
る。従って，Ｚｎの含有量は０．０１乃至１．０重量％
とする。

【００１３】なお、耐熱銅合金中には不可避的不純物と
して、Ｂ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｍｇ及びＳｎ等の元素がスクラ
ップ材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、本発明の耐熱銅
合金の物性に大きな影響を及ぼす虞はないので、この程
度の不可避的不純物の含有は許容される。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例に係る耐熱銅合金を製
造し、その特性を試験した結果について、本願の特許請
求の範囲から外れる比較例と比較して説明する。

【００１５】先ず、クリプトル炉を使用して、下記表１
に組成を示す実施例１乃至９の合金原料及び下記表２に
組成を示す比較例１乃至１１の合金原料をフラックス被
覆下において大気中で溶解した。次に、黒鉛製ブックモ
ールドを使用して、これらの溶湯を鋳造し、厚さが５０
ｍｍ、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ずつ面削し
た。その後、これらの鋳塊を８８０℃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。次いで、これらの圧延材の酸化
スケールを除去した後、冷間加工を施して厚さが０．５
ｍｍの板材に加工し、これらの板材を試験材とした。な
お、Ｔｉの含有量が１．０重量％を超える比較例６は、
鋳造時に酸化物の巻き込みによる内部欠陥が多発したた
め、以後の工程は行わなかった。

【００１６】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（C1020 合金）の軟質材（Ｏ材又は
１／２Ｈ材）が使用されている。そこで、りん脱酸銅を
軟質処理し、これを比較例９として用意した。また、特
開平０４−２７２１４８号及び特開昭６２−００６７３
３号に開示された合金として、夫々Ｃｕ−１．９Ｆｅ−
０．４Ｃｏ−０．０３Ｐ−０．０５Ｚｎ合金（比較例１
０）及びＣｕ−０．９Ｎｉ−０．３Ｔｉ−０．２Ｓｎ合
金（比較例１１）を用意した。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】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１１の各試験材に対して
８３０℃の温度で７０分間の熱処理を行い、熱処理後の
各特性を調べた。但し、各特性は以下に示す試験方法に
より測定した。

【００２０】引張り試験各試験材から圧延方向に平行に切り出したＪＩＳ５号の
規格の試験片を使用して、引張強さ、耐力及び伸びを測
定した。

【００２１】硬さ試験ビッカース硬度計を使用して、荷重２ｋｇの条件で測定
した。

【００２２】疲労試験薄板疲労試験機を使用し、実施例及び比較例の各試験材
から切り出した幅が１０ｍｍの夫々の試験片に対して、
周期が６０Ｈｚ、応力振幅が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。

【００２３】ろう付け性（濡れ拡がり性）試験図２に、ろう付け性の測定に用いた装置を示す。この装
置においては、管状炉５に気密管４が水平に設置され、
気密管４の両端は栓部材７，８により閉塞され、気密管
４内を気密に保つようになっている。一方、栓部材７に
は、気密管４内で試験台１１を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、気密管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。そして、
気密管４の中央部には、気密管４の外周に水を噴射する
ことにより気密管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。実施例及び比較例から切り出した
試験部材１３は試験台１１上に載置される。

【００２４】図３（ａ），（ｂ）は夫々試験部材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１１により、側面視でＵ字形をなし、長さが３
００ｍｍの試験片２０が形成される。この試験片２０上
に、円柱状をなすろう材２１が載置されて、試験部材１
３を構成する。ろう材２１は直径が２．５ｍｍ、長さが
３０ｍｍ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。

【００２５】試験部材１３が載置された試験台１１を気
密管４に挿入し、気密管４の端部に栓部材７を嵌入した
後、Ｎ₂ ガスを気密管４内に導入した。次に、試験部材
１３を管状炉５のヒータ位置に移動して、８３０℃の温
度で１０分間加熱する熱処理を施してろう材２１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。そして、ろう材２１
の初期長さと、凝固後の長さ（濡れ拡がり長さ）との比
からろう付け性を評価した。

【００２６】結晶粒径結晶粒径は、光学（金属）顕微鏡でスケールを用いて測
定した。

【００２７】はんだの密着性先ず、実施例１乃至９及び比較例１乃至１１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、はんだ浴に用い
たはんだの組成は、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、はんだ剥離の有無を調べた。

【００２８】導電率実施例１乃至９及び比較例１乃至１１の各試験材から切
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。

【００２９】これらの各特性の測定結果を下記表３乃至
６に示す。但し、ろう材の濡れ拡がり性の欄は、濡れ拡
がり長さが初期長さの３倍以上の場合を○、濡れ拡がり
長さが初期長さの１．５倍を超え且つ３倍未満の場合を
△、濡れ拡がり長さが初期長さの１．５倍以下の場合を
×で示した。

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】

【表５】

【００３３】

【表６】

【００３４】これらの表３乃至６から明らかなように、
本発明に係る実施例１乃至９は、いずれも８３０℃の温
度で１０分間加熱しても優れた材料特性を示した。即
ち、これらの材料特性は従来の熱交換器用に使用されて
いるりん脱酸銅（比較例９）に比して、引張強さが１．
４倍以上、耐力が８倍以上、硬さが２倍以上と優れた特
性を示し、更に結晶粒径が２０乃至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、これ
らの実施例１乃至９はろう付け性にも優れており、濡れ
拡がり性及びはんだの密着性は比較例９と同等又はそれ
以上である。また、特開平０４−２７２１４８号及び特
開昭６２−００６７３３号に夫々開示された合金である
比較例１０及び１１に比して、引張強さ、耐力、硬さ、
結晶粒径、疲労特性、ろう材の濡れ拡がり性及びはんだ
の密着性が同等か又はそれ以上と優れている。特に、本
願の請求項２に規定する組成の実施例３乃至６は、いず
れも導電率が比較例１０に比して１６乃至１８％ＩＡＣ
Ｓ高く、また、比較例１１に比して７乃至９％ＩＡＣＳ
高い。従って、これらの合金は、熱交換器用材料として
高い信頼性を得ることができる。

【００３５】一方、Ｎｉ含有量が０．０７重量％と少な
い比較例１は引張強さ、耐力、硬さ、疲労特性及び導電
率が実施例１乃至９に比して劣っており、逆にＮｉ含有
量が４．５重量％と多い比較例５も導電率が劣ってい
る。また、Ｔｉ含有量が０．０１重量％と少ない比較例
２は導電率が実施例１乃至９に比して劣っている。更に
また、Ｃｏ含有量が０．０１重量％と少ない比較例３は
実施例１乃至９に比して結晶粒が粗大化して疲労特性が
劣っており、逆にＣｏ含有量が２．１重量％と多い比較
例７は導電率が劣っている。更にまた、Ｚｎ含有量が
０．００６重量％と少ない比較例４ははんだの密着性が
実施例１乃至９に比して劣っており、逆にＺｎ含有量が
２．０重量％と多い比較例８はろう材の濡れ拡がり性及
び導電率が劣っている。更にまた、従来のりん脱酸銅で
ある比較例９は、耐力、疲労特性及びはんだ密着性等の
特性が実施例１乃至９に比して著しく劣っている。特開
平０４−２７２１４８号及び特開昭６２−００６７３３
号に開示された合金である比較例１０及び１１は前述の
如く、実施例１乃至９に比して導電率が劣っている。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る耐熱銅
合金は、所定量のＮｉ，Ｔｉ，Ｃｏ及びＺｎを含有して
いるため、従来の熱交換器用銅合金であるりん脱酸銅と
同等かそれ以上のろう材の濡れ拡がり性を有すると共
に、ろう付け後の引張強さ、耐力、硬さ、結晶粒度及び
疲労特性等が著しく優れており、且つ、導電率が優れて
いて、熱伝導性が良好である。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、夫々一般的な熱交換器を示
す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
を示す模式的断面図である。

【図３】（ａ），（ｂ）は、夫々濡れ拡がり試験に用い
た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；気密管５；管状炉６；水冷帯７，８；栓部材９；ガス導入部１０；ガス排出部１１；試験台１２；支持棒１３；試験部材２０；試験片２１；ろう材Ａ，Ｂ，Ｃ；ろう付け部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】０．１乃至４．０重量％のＮｉと、０．
０５乃至０．４重量％のＴｉと、０．０５乃至１．０重
量％のＣｏと、０．０１乃至１．０重量％のＺｎとを含
有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなることを特
徴とする耐熱銅合金。
【請求項２】０．４乃至０．８重量％のＮｉと、０．
１乃至０．３重量％のＴｉと、０．１乃至０．３重量％
のＣｏと、０．０１乃至１．０重量％のＺｎとを含有
し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなることを特徴
とする耐熱銅合金。