WO1999066087A1 - Tube en alliage de cuivre sans joint pour echangeur thermique presentant une limite elastique et une resistance a la fatigue excellentes a 0,2 % - Google Patents

Tube en alliage de cuivre sans joint pour echangeur thermique presentant une limite elastique et une resistance a la fatigue excellentes a 0,2 % Download PDF

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heat exchanger
tube
fatigue strength
seamless copper
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Yuichiro Sudo
Tetsuo Yamaji
Yutaka Saito
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to a seamless copper alloy tube excellent in 0.2% heat resistance and fatigue strength mainly used as a heat transfer tube of a heat exchanger, and particularly to a heat exchanger using HFC-based chlorofluorocarbon as a heat medium.
  • the present invention relates to a seamless copper alloy tube having excellent heat resistance and fatigue strength that can be used for a heat transfer tube.
  • a seamless copper tube made of phosphorus deoxidized copper is used as a heat transfer tube of a heat exchanger.
  • a seamless copper alloy tube made of phosphor deoxidized copper is cut to a predetermined length in order to enhance the heat radiation and heat absorption effects. Then, this is bent into a U-shape by hairpin bending, and the U-shaped tube is passed through through holes of aluminum or aluminum alloy fins arranged in parallel, and expanded through a plug into the U-shaped tube or The tube is expanded by pressure, and aluminum or aluminum alloy fins are fixed to the heat transfer tube in parallel.
  • a flare process is performed to push the end of the U-shaped tube, and a refrea process is performed to expand the flared portion again. Then, another U-shaped tube is inserted into the expanded portion, and brass brazing is performed. And connect the U-shaped tubes together.
  • ⁇ 2: 3 to 3 comprises Oppm, remainder heat exchanger seamless copper alloy tube of the composition consisting of Cu (see JP-B 58- 39900 JP) and F e: 0.01-: L. 0%, one or more of Cr, Si, Mn, As, Ni, Co: 0.005-0.6%, P, Ca, Mg One or more kinds: 0.004 to 0.04%, the balance: a seamless copper alloy tube for a heat exchanger having a composition of Cu (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-156718).
  • These seamless copper alloy tubes are incorporated as heat transfer tubes of a heat exchanger, and the heat transfer tubes are filled with a heat medium, and the heat exchanger is operated by applying or releasing condensation pressure to the heat medium.
  • HCFC-based chlorofluorocarbon has been used as the heat medium, but since HCFC-based chlorofluorocarbon contributes to the destruction of the earth's ozone layer, HFC-based chlorofluorocarbon without ozone layer destruction has recently been used. Have been.
  • the condensing pressure when using HFC-based Freon as a heat medium must be higher than the condensing pressure when using conventional HCFC-based Freon as a heat medium for a heat exchanger.
  • the condensing pressure applying typical R- 22 Among the HCFC-type fluorocarbon in HCFC-type fluorocarbon in heat transfer tube when used as a heat medium of the heat exchanger is been made sufficient 2 OKg f Xcm 2
  • the condensation pressure when using R-410a, a typical HFC-based fluorocarbon, as the heat transfer medium requires 3 lKg f / cm 2 , and the condensation pressure applied to the heat transfer tubes of the heat exchanger is the same as the conventional one.
  • the present inventors have conducted research to obtain a seamless copper alloy tube for a heat exchanger made of copper alloy having a 0.2% resistance to fatigue and excellent fatigue strength.
  • the content of P is preferably 0.01% to 0.05%, and the content of oxygen contained as an unavoidable impurity is preferably regulated to 5 Oppm or less.
  • a seamless copper alloy tube for heat exchangers which is made of a copper alloy whose composition is controlled to 5 Oppm or less and has excellent 0.2% proof stress and fatigue strength.
  • the balance consisting of Cu and unavoidable impurities, and a copper alloy having a composition in which the oxygen content contained as the unavoidable impurities is regulated to 5 Oppm or less 0.2% proof stress and fatigue strength Seamless copper alloy tube for heat exchanger,
  • This cylindrical mass is heated to 850 ° C to 1050 ° C, extruded in water, Further, by performing cold working and annealing, a seamless copper alloy tube for a heat exchanger having a predetermined cross-sectional dimension is manufactured.
  • Co is a component that forms a solid solution or forms a phosphorus compound phase in the phosphorous deoxidized copper matrix and improves the 0.2% power and fatigue strength of the material.However, when the Co content exceeds 0.2%, the electrical conductivity increases. If the Co content is less than 0.01%, the desired effect cannot be obtained. Therefore, the Co content was determined to be in the range of 0.02 to 0.2%. A more preferable range of the Co content is 0.04 to 0.1%.
  • P has the effect of refining the crystal grains by coexisting with Co, thereby improving 0.2% resistance to fatigue and fatigue strength.However, when the content exceeds 0.05%, the conductivity is significantly reduced. On the other hand, if the content is less than 0.01%, the desired effect cannot be obtained. Therefore, the P content was set to 0.01% to 0.05%. A more preferred range of the P content is 0.015 to 0.04%.
  • Oxygen is contained as an unavoidable impurity. However, if it is contained in excess of 5 ppm, a coarse oxide is formed, which is not preferable because it lowers 0.2% of the power and fatigue strength. Therefore, the oxygen content contained in the seamless copper alloy tube for the heat exchanger is set to 5 Oppm or less (preferably 1 Oppm or less).
  • C is added as necessary to further improve 0.2% resistance to fatigue and fatigue strength.However, if the content of C exceeds 2 Oppm, it is not possible in a normal melting process. On the other hand, if the content is less than 1 ppm, the desired effect cannot be obtained. Therefore, the C content is: -20 ppm (preferably l-5 ppm).
  • Electrolytic copper is prepared as a raw material, and electrolytic copper is dissolved in a reducing atmosphere to produce a low-oxygen copper melt having an oxygen content of 50 ppm or less, and Co and Cu—15% P mother alloy are added to the obtained low-oxygen copper melt. Then, if necessary, a predetermined amount of Co-1% C mother alloy was added, and then it was inserted into a mold and had dimensions of 320 mm in diameter and 710 m in length. A columnar mass of the indicated composition was produced.
  • This cylindrical copper alloy ingot is heated at a temperature of 950 ° C. for 1 hour by billet heating, and then extruded in water to form a solution having a diameter of 10 Omm and a thickness of 10 mm simultaneously with the solution treatment.
  • a tube having dimensions was produced.
  • the solution-treated tube is further cold-worked to form a seamless copper alloy tube having an inner diameter of 6.5 mm and a wall thickness of 0.25 mm.
  • the obtained seamless copper alloy tube is Furthermore, it is charged into a light-volume annealing furnace, annealed at 550 ° C for 1 hour, and used for a heat-exchanger seamless copper alloy tube (hereinafter referred to as the present invention tube) 1 to 14 and a comparative heat exchanger.
  • Seamless copper alloy tubes hereinafter referred to as comparative tubes
  • seamless copper alloy tubes hereinafter referred to as conventional tubes
  • seamless copper alloy tubes hereinafter referred to as conventional tubes
  • conventional tubes seamless copper alloy tubes (hereinafter referred to as conventional tubes) 1-3 for conventional heat exchangers with the composition shown in Table 3 containing Fe as an essential component were prepared.
  • the comparative tubes 1 to 5 having a composition out of the range of the present invention have at least one of fatigue strength, 0.2% heat resistance, elongation, and electrical conductivity in a seamless copper alloy tube for a heat exchanger. Not as good! / ⁇ You can see that the characteristics are appearing.
  • the seamless copper alloy tube for a heat exchanger of the present invention is particularly effective as a heat exchanger tube for a heat exchanger because it has excellent fatigue strength and 0.2% proof stress. This can greatly contribute to the spread of heat exchangers used as heat media for exchangers.

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Description

明 細 書
0 . 2 %耐力および疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金管 技術分野
この発明は、 主として熱交換器の伝熱管として用いられる 0 . 2 %耐カおよび 疲労強度の優れた継目無銅合金管に関するものであり、 特に H F C系フロンを熱 媒体として使用した熱交換器の伝熱管に使用できる耐カおよび疲労強度の優れた 継目無銅合金管に関するものである。 背景技術
一般に、 熱交換器の伝熱管として燐脱酸銅からなる継目無銅管が用いられてい る。 この燐脱酸銅からなる継目無銅管を熱交換器の伝熱管として組み立てるには 、 放熱および吸熱効果を高めるために、 燐脱酸銅からなる継目無銅合金管を所定 の長さに切断し、 これをヘアピン曲げ加工して U字形状に成形し、 この U字形状 管を平行に並べたアルミニウムまたはアルミニウム合金フィンの貫通孔に通し、 U字形状管にプラグを通して拡管するか、 もしくは液圧により拡管してアルミ二 ゥムまたはアルミニウム合金フィンを平行に伝熱管に固定する。
さらに、 U字形状管の管端を押し広げるフレア加工、 およびフレア加工された 部分を再び押し広げるリフレア加工を施し、 この拡管部分に別の U字形状管を揷 入し、 燐銅ろうによりろう付けして U字形状管同士を接続する。
従来の燐脱酸銅からなる U字形状管の管端を拡管した後ろう付けのために管端 が加熱されると、 加熱された部分の結晶粒が粗大化し、 ろう付け部に隣接した熱 影響部の強度が著しく低下することがある。 かかるろう付け時の結晶粒の粗大化 を阻止するための熱交換器用継目無銅合金管として、 燐脱酸銅に F eを添加して 結晶粒が粗大化しにくくした熱交換器用継目無銅合金管が知られている。 この従 来の燐脱酸銅に F eを必須成分として含有する熱交換器用継目無銅合金管として 、 例えば、 Fe : 0. 005〜0. 8%、 P： 0. 01〜0. 026%、 Z r ： 0. 005〜0. 3%、 〇2 ： 3〜3 Oppmを含み、 残部： Cuからなる組成の 熱交換器用継目無銅合金管 （特公昭 58— 39900号公報参照） および F e ： 0. 01〜： L. 0%、 C r , S i， Mn, As, N i , Coのうち 1種または 2 種以上： 0. 005〜0. 6%、 P、 Ca， M gのうち 1種または 2種以上： 0 . 004〜0. 04%を含み、 残部： Cuからなる組成の熱交換器用継目無銅合 金管 （特開昭 52 - 156718公報参照） などが知られている。
これら継目無銅合金管は熱交換器の伝熱管として組み込まれ、 伝熱管には熱媒 体を充填し、 熱媒体に凝縮圧力をかけたり解放したりして熱交換器を作動させる 。 前記熱媒体として従来は HCFC系フロンが用いられていたが、 この HCFC 系フロンは、 地球のオゾン層の破壊に寄与するところから、 近年、 オゾン層破壊 のない HFC系フロンを使用するようになってきた。
しかし、 HFC系フロンを熱媒体として使用した場合の凝縮圧力は、 従来の H C F C系フロンを熱交換器の熱媒体として使用した場合の凝縮圧力よりも大きく する必要がある。 例えば、 HCFC系フロンの内でも代表的な R— 22を熱交換 器の熱媒体として使用した場合に伝熱管内の H C F C系フロンにかける凝縮圧力 は 2 OKg f Xcm2で十分であつたが、 HFC系フロンの内でも代表的な R— 410 aを熱媒体として使用した場合の凝縮圧力は 3 lKg f /cm2を必要と し、 熱交換器の伝熱管にかかる凝縮圧力は従来の 1· 5倍以上の凝縮圧力を必要 とする。 かかる高い凝縮圧力を周期的にかけられる環境下では、 従来の伝熱管で は 0. 2%耐カおよび疲労強度が不足し、 長年使用していると伝熱管に亀裂が発 生して故障したり、 0. 2%耐力の不足により伝熱管の寸法が大きく変化して熱 交換器の性能が低下するなどの課題があつた。 発明の開示
そこで、 本発明者等は、 従来よりも 0. 2 %耐カおよび疲労強度の優れた銅合 金からなる熱交換器用継目無銅合金管を得るべく研究を行った結果、
(a) 燐脱酸銅に Coを単独で 0. 02〜0. 2%添加すると 0. 2 %耐カおよ び疲労強度が飛躍的に向上し、 導電率も向上する、
(b) 燐脱酸銅に Co： 0. 02〜0. 2%とともに炭素を;！〜 2 Oppm添加す ると、 0. 2%耐カおよび疲労強度がさらに向上する、
(c) Pの含有量は 0. 01~0. 05%が好ましく、 さらに不可避不純物とし て含まれる酸素含有量は 5 Oppm以下に規定することが好ましい、
などの知見を得たのである。
この発明は、 かかる知見にもとづいてなされたものであって、
(1) 重量％で、 Co : 0. 02〜0. 2%、 P： 0. 01〜0. 05%を含有 し、 残りが C uおよ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 5 Oppm以下に規制した組成の銅合金からなる 0 · 2 %耐力および 疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金管、
(2) 重量％で、 Co : 0. 02〜0. 2%、 P： 0. 01〜0. 05%、 C：
1 ~ 20 ppm を含有し、 残りが Cuおよ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 5 Oppm以下に規制した組成の銅合金からなる 0. 2 %耐力および疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金管、
に特徴を有するものである。
この発明の熱交換器用継目無銅合金管を製造するには、 通常の電気銅を還元雰 囲気中で溶解して酸素： 5 Oppm以下の低酸素銅溶湯を作製し、 得られた低酸素 銅溶湯に C oおよび C υ一 Ρ母合金を添加し、 さらに必要に応じて所定量の Cを C ο— C母合金として添加したのち铸造して円柱状铸塊を製造する。
この円柱状铸塊を 850°C〜 1050°Cに加熱し、 水中押出し加工を施し、 さ らに冷間加工および焼鈍を施すことにより所定の断面寸法の熱交換器用継目無銅 合金管を作製する。
つぎに、 この発明の熱交換器用継目無銅合金管を構成する銅合金の成分組成を 上記の如く限定した理由について説明する。
(a) Co
Coは燐脱酸銅素地に固溶あるいは燐化合物相を形成し、 素材の 0. 2%耐カ および疲労強度を向上させる成分であるが、 Co含有量が 0. 2%を越えると導 電率が 70%未満となって熱伝導率が低下するので好ましくなく、 一方、 Co含 有量が 0. 01 %未満では所望の効果が得られない。 したがって、 Co含有量は 0. 02〜0. 2%の範囲となるようにそれぞれ定めた。 Co含有量の一層好ま しい範囲は 0. 04〜0. 1%である。
(b) P
Pは Coと共存することにより結晶粒を微細化し、 もって 0. 2%耐カおよび 疲労強度を向上させる作用があるが、 その含有量が 0. 05%を越えると著しく 導電率を低下させるので好ましくなく、 一方、 その含有量が 0. 01%未満では 所望の効果が得られない。 したがって Pの含有量は 0. 01〜0. 05%に定め た。 P含有量の一層好ましい範囲は 0. 015〜0. 04%である。
(c) 酸素
酸素は、 不可避不純物として含まれているが、 5 Oppm を越えて含有すると粗 大な酸化物が形成され、 0. 2%耐カおよび疲労強度を低下させるので好ましく ない。 従って、 熱交換器用継目無銅合金管に含まれる酸素含有量は 5 Oppm以下 (好ましくは 1 Oppm以下） に定めた。
(d) C
Cは、 0. 2%耐カおよび疲労強度を一層向上させるために必要に応じて添加 するが、 その含有量が 2 Oppmを越えて含有させることは通常の溶解铸造法では 困難であり、 一方、 lppm未満の含有は所望の効果が得られない。 従って、 C含 有量は：！〜 20ppm (好ましくは l〜5ppm ) に定めた。 発明を実施するための最良の形態
原料として電気銅を用意し、 電気銅を還元雰囲気中で溶解して酸素： 50ppm 以下の低酸素銅溶湯を作製し、 得られた低酸素銅溶湯に Coおよび Cu— 15% P母合金を添加し、 さらに必要に応じて所定量の Co— 1 %C母合金として添加 したのち铸型に铸込んで直径： 320 mm, 長さ： 7 10 mの寸法を有し、 表 1〜 表 3に示される成分組成の円柱状铸塊を製造した。
この円柱状銅合金铸塊をビレットヒ一夕により、 温度： 950°C、 1時間保持 の条件で加熱したのち、 水中押出し加工することにより溶体化処理と同時に直径 ： 10 Omm, 厚さ： 10mmの寸法を有する素管を作製した。
かかる溶体化処理した素管をさらに冷間加工することにより内径： 6. 5mm、 肉厚： 0. 25mmの寸法を有する継目無銅合金管に成形し、 得られた継目無銅合 金管を、 さらに光揮焼鈍炉に装入し、 550°Cに 1時間保持の焼鈍を施し、 本発 明熱交換器用継目無銅合金管 （以下、 本発明管という） 1〜 14および比較熱交 換器用継目無銅合金管 （以下、 比較管という） 1〜5を製造した。 さらに F eを 必須成分として含有する表 3に示される成分組成の従来熱交換器用継目無銅合金 管 （以下、 従来管という） 1〜3を用意した。
これら本発明管 1〜 14、 比較管 1〜 5および従来管 1〜 3の一端をそれぞれ 密封し、 他端から 60 kg f /cm2の内圧をかけたのち解放する周期的内圧を 本発明管 1〜 14、 比較管 1〜 5および従来管 1〜 3にそれぞれ 2 X 107回繰 り返し施し、 亀裂発生の有無を測定し、 その結果を表 1〜表 3に示に表すことに より疲労強度を評価した。
さらに本発明管 1〜 14、 比較管 1〜 5および従来管 1〜3と同じ組成の引張 試験をそれぞれ用意し、 これら弓 (張試験片を用い、 J I S Z 2241に準拠 した方法により引張試験を行って 0. 2%耐カおよび伸びを測定し、 その結果を 表 1〜表 3に示し、 さらに J I S C 3001に準拠した四端子法により測定 長： lmで導電率を測定してその結果を表 1〜表 3に示すことにより伝熱特性を 評価した。
成舰 (11%) (ただし、残部： C u及 i 避不純物） 周期的内圧負 0.2%耐カ 伸び 輸 種 別 荷による亀裂
9
Co P C(ppm) 0(ρρπ) Fe 発生の有無 (kgf/画） {%) IACS
1 0.05 0. 03 30 無し 18.3 43. 8 86.4
2 0.08 0. 03 30 無し 19.1 42.6 85.3
3 0. 10 0. 03 30 無し 19.2 42.3 85.6 本
発
4 0. 14 0. 02 30 無し 19.5 39.8 85.1 明
5 0. 19 0. 04 30 無し 19.8 39. 1 8 b.2
6 0. 11 0. 05 30 無し 19.1 40.3 85.8
7 0.02 0. 02 30 無し 18. 1 46. 1 89.2
成細 (11%) (ただし、残部： C u及 可避不純物） 纖内圧負 伸び 導電率 種 別 荷による鱧
Co P C(ppni) Fe 発生の有無 (%) ^IACS
8 0. 16 0. 04 5 30 一 無し 22. 4 40. 3 85. 3
9 0. 07 0..03 10 30 一 無し 22. 3 43. 1 85. 8
10 0. 09 0. 03 4 30 一 無し 21. 1 42. 1 86. 3 本
発
11 0. 14 0. 02 2 30 無し 21. 4 40. 3 85. 2 明
官
12 0. 20 0. 04 1 30 無し 20. 2 41. 1 86. 1
13 0. 12 0. 04 19 30 無し 22. 5 41. 3 85. 2
14 0. 03 0. 02 15 30 無し 20. 1 45.2 88. 5
¾2 mm (ΐι%) (ただし、残部： c u及び: 不純物） 周期的内圧負荷 伸び 導電率
種 別 による ¾裂発生 00
Co P 0(ppm) Fe の有無 (%) %IACS
1 0. 04 ― 30 - 1x10¾I-t¾ 9. 1 41. 6 80. 5
2 *0. 70 0. 03 - 30 一 無し 20. 3 34. 1 65. 6 比
較 3 0. 10 0. 03 - *80 一 1x106回で亀裂 14. 7 38. 2 86. 2 管
4 0. 14 *0. 005 - 30 一 2 1 回で*裂 12. 1 42. 6 72. 3
5 0. 09 *0. 06 30 無し 18. 2 36. 3 67. 2
1 0. 1 0. 03 30 *0. 1 2x10"回で 裂 13. 8 38. 4 74. 8 従
来 2 * 一 0. 03 30 *0. 1 4x10 で¾裂 9. 8 39. 0 78. 2 管
3 * 一 0. 03 30 1x10¾t'%S 6. 7 42. 3 82. 4
(*印は、 この発明の条件から外れたていることを示す。） o' g
■
表 1〜表 3に示される結果から、 本発明管 1〜1 4はいずれも周期的内圧を 2 X 1 0 7回繰り返し施しても亀裂が発生しないのに対し、 従来管 1〜3は I X 1 0 6回以下の周期的内圧でいずれも亀裂が発生しているところから、 本発明管 1 〜 1 4は従来管 1〜 3に比較して疲労強度が優れていることが分かる。 また伸び は従来管 1〜3に比較して格段の差は無いが、 0 . 2 %耐力については本発明管 1〜 1 4は従来管 1〜3に比較していずれも優れており、 さらに導電率も向上し ていることが分かる。
しかし、 組成がこの発明の範囲から外れた組成を有する比較管 1〜5は、 疲労 強度、 0 . 2 %耐カ、 伸び、 導電率の内の少なくとも 1つに熱交換器用継目無銅 合金管としては好ましくな！/ ^特性が現われていることがわかる。
上述のように、 この発明の熱交換器用継目無銅合金管は、 特に疲労強度および 0 . 2 %耐力に優れているので、 熱交換器の伝熱管として有効であり、 特に H F C系フロンを熱交換器の熱媒体として使用する熱交換器の普及に大いに貢献し得 るものである。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 重量％で、 Co : 0. 02〜0. 2%、 P ： 0. 01〜0. 05%を含有し、 残りが C uおよ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 5 Oppm以下に規制した組成の銅合金からなることを特徴とする 0. 2 %耐力および疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金管。
2. 重量％で、 Co : 0. 02-0. 2%、 P ： 0. 01〜0. 05%、 C： 1 〜 2 Oppmを含有し、 残りが Cuおよ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 5 Oppm以下に規制した組成の銅合金からなるこ とを特徴とする 0. 2 %耐力および疲労強度の優れた熱交換器用継目無銅合金管。
PCT/JP1999/003118 1998-06-16 1999-06-11 Tube en alliage de cuivre sans joint pour echangeur thermique presentant une limite elastique et une resistance a la fatigue excellentes a 0,2 % Ceased WO1999066087A1 (fr)

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EP99925301A EP1020538B1 (en) 1998-06-16 1999-06-11 Seamless copper alloy tube for heat exchanger being excellent in 0.2 % proof stress and fatigue strength
US09/485,621 US6280541B1 (en) 1998-06-16 1999-06-11 Seamless copper alloy tube for heat exchanger being excellent in 0.2% proof stress and fatigue strength
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