(57)【要約】高強度・高熱伝導銅合金管を０．１２〜０．３２ｍａｓｓ％のＣｏと、０．０４２〜０．０９５ｍａｓｓ％のＰと、０．００５〜０．３０ｍａｓｓ％のＳｎとを含有し、Ｃｏの含有量［Ｃｏ］ｍａｓｓ％とＰの含有量［Ｐ］ｍａｓｓ％との間に、３．０≦（［Ｃｏ］−０．００７）／（［Ｐ］−０．００８）≦６．２の関係を有し、かつ残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金組成にする。絞り加工による発熱によって温度が上昇しても、Ｃｏ及びＰの化合物が均一に析出することと、Ｓｎの固溶によって、再結晶温度が上がって再結晶核の生成が遅れ、高強度・高熱伝導銅合金管の耐熱性及び耐圧強度が向上する。
2009081664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１２〜０．３２mass％のＣｏと、０．０４２〜０．０９５mass％のＰと、０．００５〜０．３０mass％のＳｎとを含有し、Ｃｏの含有量［Ｃｏ］mass％とＰの含有量［Ｐ］mass％との間に、３．０≦（［Ｃｏ］−０．００７）／（［Ｐ］−０．００８）≦６．２の関係を有し、かつ残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金組成であり、絞り加工を施されたことを特徴とする高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項２】
０．１２〜０．３２mass％のＣｏと、０．０４２〜０．０９５mass％のＰと、０．００５〜０．３０mass％のＳｎとを含有し、かつ０．０１〜０．１５mass％のＮｉ、又は０．００５〜０．０７mass％のＦｅのいずれか１種以上を含有し、Ｃｏの含有量［Ｃｏ］mass％とＮｉの含有量［Ｎｉ］mass％とＦｅの含有量［Ｆｅ］mass％とＰの含有量［Ｐ］mass％との間に、３．０≦（［Ｃｏ］＋０．８５×［Ｎｉ］＋０．７５×［Ｆｅ］−０．００７）／（［Ｐ］−０．００８）≦６．２、及び０．０１５≦１．５×［Ｎｉ］＋３×［Ｆｅ］≦［Ｃｏ」の関係を有し、かつ、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金組成であり、絞り加工を施されたことを特徴とする高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項３】
０．００１〜０．５mass％のＺｎ、０．００１〜０．２mass％のＭｇ、０．００１〜０．１mass％のＺｒのいずれか１種以上をさらに含有したことを特徴とする請求項１に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項４】
０．００１〜０．５mass％のＺｎ、０．００１〜０．２mass％のＭｇ、０．００１〜０．１mass％のＺｒのいずれか１種以上をさらに含有したことを特徴とする請求項２に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項５】
前記絞り加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が５０％以下、又は熱影響部の再結晶化率が２０％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項６】
前記絞り加工が施された絞り加工部の７００℃で２０秒加熱後のビッカース硬度（ＨＶ）の値が、９０以上であり、又は加熱前のビッカース硬度の値の８０％以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項７】
前記絞り加工はスピニング加工であり、該スピニング加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項８】
前記絞り加工は冷間絞り加工であり、端部での他の銅管とのろう付け後において、該冷間絞り加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が５０％以下、又は熱影響部の再結晶化率が２０％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項９】
前記絞り加工が施されていない直管部の外径をＤ（ｍｍ）、肉厚をＴ（ｍｍ）、内圧を加えて破裂するときの圧力を破裂圧力ＰＢ（ＭＰａ）としたとき、（ＰＢ×Ｄ／Ｔ）の値が６００以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項１０】
前記絞り加工が施されていない直管部の外径をＤ（ｍｍ）、肉厚をＴ（ｍｍ）、内圧を加えて前記外径が０．５％変形するときの圧力を０．５％変形圧力Ｐ０．５％（ＭＰａ）としたとき、（Ｐ０．５％×Ｄ／Ｔ）の値が３００以上であり、又は前記外径が１％変形するときの圧力を１％変形圧力Ｐ１％（ＭＰａ）としたとき、（Ｐ１％×Ｄ／Ｔ）の値が３５０以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項１１】
前記絞り加工前、絞り加工後、又は他の銅管とのろう付け後における加工端部及び加工中央部の金属組織は、Ｃｏ、Ｐを有する２〜２０ｎｍの略円形、又は略楕円形の微細析出物が均一に分散しており、又は全ての析出物の９０％以上が３０ｎｍ以下の大きさの微細析出物であって均一に分散していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項１２】
前記絞り加工を施された加工中央部の金属組織は再結晶しており、結晶粒径が３〜３５μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項１３】
熱交換器の耐圧伝熱容器として使用されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法であって、
熱間押出、又は熱間管圧延を含み、前記熱間押出前の加熱温度、又は熱間管圧延前の加熱温度、又は圧延時の最高温度が７７０〜９７０℃であり、熱間押出、又は熱間管圧延後の管の温度から６００℃までの冷却速度が１０〜３０００℃／秒であり、その後の冷間管圧延、又は抽伸によって７０％以上の加工率で加工された後に絞り加工を施すことを特徴とする高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
【請求項１５】
前記絞り加工はスピニング加工であることを特徴とする請求項１４に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
【請求項１６】
前記絞り加工は、冷間絞り加工であり、冷間管圧延、及び抽伸における冷間加工と合わせた冷間加工率が７０％以上であることを特徴とする請求項１４に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
【請求項１７】
ろう付け加工、又は溶接加工を施すことを特徴とする請求項１４に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
【請求項１８】
前記絞り加工前、又は前記絞り加工後に３５０〜６００℃、１０〜３００分の熱処理を施すことを特徴とする請求項１４に記載の高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絞り加工を施された高強度・高熱伝導銅合金管及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、給湯器、空調機(エアコンディショナー、エアコンディショニング等)、冷凍機、冷蔵庫等の熱交換器に使用されるアキュムレータ、フィルタ、マフラ、ドライヤ、ディストリジョイント、ヘッダ等の配管部材（以下、これらを総称して耐圧伝熱容器と称する）には、熱伝導性に優れた銅が使用されている。一般には銅の中でも熱伝導性、耐熱性、及びろう付け性に優れた純銅系のりん脱酸銅（ＪＩＳ  Ｃ１２２０）からなる高強度・高熱伝導銅合金管（以下、高機能銅管と略記）が使用されている。これらの耐圧伝熱容器は、高機能銅管の両端又は一端が絞られた形状をした圧力容器である。外径がこれらの耐圧伝熱容器に接続されるりん脱酸銅等の配管に比べて１．５倍以上であって、内部を冷媒等が通過するため、高い内圧が加えられる。耐熱性とは、高温に加熱しても、再結晶しない、再結晶し難い、または，例え再結晶しても結晶粒の成長がほとんどなく、高い強度を保持、維持することを言う。耐熱性が良い銅合金は、具体的には、純銅の再結晶温度である約４００℃に加熱しても、及び純銅の結晶粒が粗大化し始め、更に強度が低下する６００℃から７００℃に加熱しても、ほとんど再結晶せずに強度低下が少ない。さらに純銅で結晶粒が著しく粗大化する約８００℃、又は８００℃以上に加熱しても、再結晶するがその結晶粒は細かく、高い強度を有する。【０００３】
この高機能銅管の製造工程は、次の通りである。[１]鋳造された円柱状の鋳塊（ビレット、外径２００ｍｍから３００ｍｍ程度）を７７０〜９７０℃に加熱後、熱間押出する（外径１００ｍｍ、厚み１０ｍｍ程度）。[２]押出直後は、８５０℃、又は押出後の押出管の温度から６００℃までの温度域を１０〜３０００℃／秒の平均冷却速度で、空冷又は水冷する。[３]その後、冷間において管圧延（コールドリデューサー等により加工）又は抽伸（ブルブロック、コンバインド、ダイス引き等により加工）によって外径１２〜７５ｍｍ、厚み０．３〜３ｍｍ程度の管を作る。管圧延や抽伸の加工途中で熱処理を施さないことが殆どであるが、４００〜７５０℃で０．１〜１０時間の条件で焼鈍することがある。また、熱間押出の代わりに外径５０〜２００ｍｍの円筒状の連続鋳造物から、塑性加工による発熱を利用して、約７７０℃以上の熱間状態にする管圧延による方式や、マンネスマン方式で素管を得て前述の如く冷間で求める寸法の管材を得る方法がある。最後に、管圧延又は抽伸によって得た管材の両端又は一端を、スピニング加工等によって絞って耐圧伝熱容器を製造する。【０００４】
図１は、この耐圧伝熱容器の側断面を示す。スピニング加工によって絞られた耐圧伝熱容器１の各部分の名称を、本明細書において次のように定義する。ここで、スピニング加工を施していない素管の外径をＤとする。
素管部２：スピニング加工を施さない部分。
絞り管部３：スピニング加工によって所定の径に絞られた部分。
加工中央部４：絞り管部と、絞り管部から素管部外周までの長さの半分以内の部分。
加工端部５：素管部の端面において、外周から内側に長さＤ/６以内の部分。尚、絞り管部３、加工中央部４、加工端部５の厚みは、スピニング加工により、最も厚い部分で素管の厚みの２〜３倍になる。最終の加工端部にかけて厚みは薄くなっていく。
熱影響部６：素管部において、加工熱によって５００℃以上に昇温する部分を想定し、加工端部から素管部側に長さＤ／６以内の部分。この部分でも５００℃以上に昇温しない部分は、熱影響部に含めない。
直管部７：素管部において、加工熱によって５００℃以上に昇温しない部分を想定し、加工端部から素管部側に長さＤ／２入ったところより素管部の軸方向中心側の部分。
絞り加工部８：加工端部５と熱影響部６を合わせた部分。
へら絞り加工やスエージング等によって絞られた耐圧伝熱容器の各部分の名称も上記と同様とする。ただし、絞り加工によって発熱しない場合には、熱影響部は加工端部から素管部側に長さＤ／６以内の部分とする。また、本明細書においてへら絞り加工やスエージングやロール成形等のように発熱量の少ない絞り加工を冷間絞り加工という。【０００５】
一般的な形状の耐圧伝熱容器を製造する場合のスピニング加工においては、加工熱によって加工部の材料温度が７００〜９５０℃の高温に達する。スピニング加工が行われて絞られる加工中央部４は、８００℃以上の高温になることにより再結晶し強度が低下するが、肉厚が厚くなり外径も小さくなるので内圧に耐えることができる。しかし、加工端部５や熱影響部６は、回復や再結晶によって強度が低下し、外径は大きいままで肉厚は厚くならないので耐圧強度は低い。特に、外径の大きい耐圧伝熱容器においては、耐圧強度は外径の逆数に比例して低下するので、肉厚を厚くしなければならない。耐圧伝熱容器に接続される配管系に使われるりん脱酸銅管は外径が１０ｍｍ程度であるので、例えば２５ｍｍや５０ｍｍの外径を持つ耐圧伝熱容器の肉厚は前記銅管の２．５倍、又は５倍の厚みが必要になる。また、耐圧伝熱容器に従来使用されているりん脱酸銅のＣ１２２０は、加工時に高温になると容易に再結晶し、瞬時でも７００℃以上になると結晶粒が粗大化するので、強度が低下する。【０００６】
さらに、耐圧伝熱容器は単独で使用されることがなく、他の部材と接合されて使用される。接合される他の部材は殆んどが銅管である。銅管との接合は、殆んどがろう付けによって行なわれる。ろう付け加工においては、まず、銅管は熱伝導性に優れるので、広範囲で予熱される。そして接合時、耐圧伝熱容器の加工中央部４は、一般的なろう材、例えば７％Ｐを含有するりん銅ろうの融点である約８００℃、又は８００℃以上に加熱されるので、加工端部５や場合によっては熱影響部６も約７００℃の高温にさらされる。このために、スピニング加工やろう付け時の熱影響に耐える材料が求められる。具体的には、耐圧伝熱容器と銅管等のろう付けは、一般に、人の手でろう付けされ、上記の高温に加熱される時間は、約１０秒で、長くとも約２０秒であり、加工端部５や熱影響部６がその間の高温（約７００℃）に耐えられる耐熱性に優れた材料が求められる。【０００７】
また、スピニング加工は、ダイス又はローラーを高速回転させて絞るので強度が必要であり、主としてその素材は、管圧延や抽伸により加工硬化する材料が用いられる。そして、スピニング加工の加工時間は数秒から十数秒、長くても約２０秒であり、短時間で大きな変形を材料に与える。従って、加工中の高温状態時には、材料が軟らかいことと良好な延性が必要となる。絞り銅管の加工方法として、熱間で成形するスピニング加工が代表的であるが、上述したように冷間で成形するへら絞りやスエージング等の冷間絞り加工の方法もある。冷間絞り加工は、スピニング加工と比べ、冷間での成形のため、時間が掛かるが、素管部２の厚みと、絞り管部３の厚みが概ね同じであり、使用材節減のコスト面からは有利である。但し、冷間で成形された絞り加工銅管は、生産性が低いことと、加工中央部４や加工端部５の肉厚が薄いため、耐圧性能に問題がある。また、厚みが薄いため、ろう付け時に絞り加工部８の温度がスピニング加工に比べ上昇する。このため、冷間で成形された絞り銅管は、スピニング加工で作られた絞り銅管より、他の銅配管とのろう付けによる接合時の温度上昇に耐えることが必要となる。【０００８】
また、近年、給湯器やエアコン等の熱交換器における熱媒体ガスとして、地球温暖化やオゾン層破壊を防止すべく、従来のＨＣＦＣ系フロンに代えて、ＣＯ２やＨＦＣ系フロン等が使用される傾向にある。このようなＨＦＣ系フロンや特にＣＯ２等の自然冷媒を熱媒体として使用した場合の凝縮圧力はＨＣＦＣ系フロンガスを使用した場合に比して大きくする必要がある。この凝縮圧力に耐えるために耐圧伝熱容器の肉厚をさらに厚くしなければならない。【０００９】
耐圧伝熱容器の肉厚が厚くなって重量増になると当然コスト増になる。また、構造上の理由及び振動防止のために、耐圧伝熱容器を固定する部材も強度を強くしなければならずコスト高となる。また、肉厚が厚くなることにより、耐圧伝熱容器を製造するときの絞り加工の加工量も多くなるのでコスト高となる。【００１０】
また、材料費が安価な鋼管を用いた耐圧伝熱容器も知られているが、熱伝導性が悪い。また、スピニング加工では材料の変形抵抗が低くなる高温にならないと絞れない。従って、形状によってはバーナで十分に予熱を行い、かつ、加工熱で加工時に９００℃や１０００℃以上にしなければならない。そのため、工具に多大な負荷がかかるので工具寿命が短い。この鋼管の場合は、プレス品をろう付けや溶接したものが多いが、信頼性に欠ける。また、安全係数を考慮すると耐圧伝熱容器の重量が相当重くなる。【００１１】
また、０．１〜１．０mass％のＳｎと、０．００５〜０．１mass％のＰと、０．００５mass％以下のＯと、０．０００２mass％以下のＨを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成を有し、平均結晶粒径が３０μｍ以下である銅合金管が知られている（例えば特許文献１参照）。【００１２】
しかしながら、特許文献１に示されるような銅合金管においては、高温で容易に再結晶するので、高温で加工されるスピニング加工後やろう付け後の耐圧伝熱容器の耐圧強度が十分ではない。
【特許文献１】特開２００３−２６８４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記問題を解消するものであり、絞り加工を行なっても殆ど強度が低下せず、高い耐圧性能を有する高強度・高熱伝導銅合金管及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は、高機能銅管において、０．１２〜０．３２mass％のＣｏと、０．０４２〜０．０９５mass％のＰと、０．００５〜０．３０mass％のＳｎとを含有し、Ｃｏの含有量［Ｃｏ］mass％とＰの含有量［Ｐ］mass％との間に、３．０≦（［Ｃｏ］−０．００７）／（［Ｐ］−０．００８）≦６．２の関係を有し、かつ残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金組成であり、絞り加工を施される。【００１５】
本発明によれば、絞り加工による発熱によって温度が上昇しても、Ｃｏ及びＰの化合物が均一に析出することによって、またＳｎの固溶によって、再結晶温度が上がり、再結晶核の生成が遅れるので、高機能銅管の耐熱性及び耐圧強度が向上する。【００１６】
また、高機能銅管において、０．１２〜０．３２mass％のＣｏと、０．０４２〜０．０９５mass％のＰと、０．００５〜０．３０mass％のＳｎとを含有し、かつ０．０１〜０．１５mass％のＮｉ、又は０．００５〜０．０７mass％のＦｅのいずれか１種以上を含有し、Ｃｏの含有量［Ｃｏ］mass％とＮｉの含有量［Ｎｉ］mass％とＦｅの含有量［Ｆｅ］mass％とＰの含有量［Ｐ］mass％との間に、３．０≦（［Ｃｏ］＋０．８５×［Ｎｉ］＋０．７５×［Ｆｅ］−０．００７）／（［Ｐ］−０．００８）≦６．２、及び０．０１５≦１．５×［Ｎｉ］＋３×［Ｆｅ］≦［Ｃｏ]の関係を有し、かつ、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金組成であり、絞り加工を施される。これにより、Ｎｉ及びＦｅによってＣｏ、Ｐ等の析出物が微細となり、高機能銅管の耐熱性及び耐圧強度が向上する。【００１７】
０．００１〜０．５mass％のＺｎ、０．００１〜０．２mass％のＭｇ、０．００１〜０．１mass％のＺｒのいずれか１種以上をさらに含有することが望ましい。これにより、銅材料のリサイクル過程で混入するＳをＺｎ、Ｍｇ、Ｚｒによって無害化し、中間温度脆性を防止し、合金をさらに強化するので、高機能銅管の延性と強度が向上する。【００１８】
前記絞り加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が５０％以下、又は熱影響部の再結晶化率が２０％以下であることが望ましい。これにより、再結晶率が低いので強度が高い。尚、熱影響部の再結晶化率が１０％以下であることがより好ましい。【００１９】
前記絞り加工が施された絞り加工部の７００℃で２０秒加熱後のビッカース硬度（ＨＶ）の値が、９０以上であり、又は加熱前のビッカース硬度の値の８０％以上であることが望ましい。これにより、他の配管とのろう付けによる接合後も強度が高い。７００℃で２０秒加熱後における熱影響部に相当する部分の金属組織の再結晶化率は、２０％以下が良く、１０％以下が好ましい。尚、７００℃で２０秒加熱という条件は、耐圧伝熱容器の熱影響部、又は熱影響部に相当する部分が、スピニング加工、又はろう付けとスピニング加工の熱影響を受けた場合に相当する厳しい条件である。【００２０】
前記絞り加工はスピニング加工であり、該スピニング加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が５０％以下であることが望ましい。これにより、再結晶率の平均が低いので強度が高い。再結晶率は、好ましくは４０％以下であり、最も好ましくは２５％以下である。また、径の大きな熱影響部の再結晶化率は、２０％以下であり、１０％以下が好ましい。スピニング加工の熱によって固溶していたＣｏ、Ｐ等が析出するので、スピニング加工の熱による再結晶化や回復が原因で起こる軟化が相殺される。それにより高い強度が維持され、また熱伝導性が向上する。【００２１】
前記絞り加工は冷間絞り加工であり、端部での他の銅管とのろう付け後において、該冷間絞り加工が施された絞り加工部の金属組織の再結晶率が５０％以下、又は熱影響部の再結晶化率が２０％以下であることが望ましい。これにより、再結晶率が低いので強度が高い。【００２２】
前記絞り加工が施されていない直管部の外径をＤ（ｍｍ）、肉厚をＴ（ｍｍ）、内圧を加えて破裂するときの圧力を破裂圧力ＰＢ（ＭＰａ）としたとき、（ＰＢ×Ｄ／Ｔ）の値が６００以上であることが望ましい。これにより、（ＰＢ×Ｄ／Ｔ）の値が高いので、耐圧伝熱容器の肉厚Ｔを薄くすることができ、耐圧伝熱容器を低コストで製造することができる。（ＰＢ×Ｄ／Ｔ）の値は、好ましくは７００以上、最適には８００以上がよい。【００２３】
前記絞り加工が施されていない直管部の外径をＤ（ｍｍ）、肉厚をＴ（ｍｍ）、内圧を加えて前記外径が０．５％変形するときの圧力を０．５％変形圧力Ｐ０．５％（ＭＰａ）としたとき、（Ｐ０．５％×Ｄ／Ｔ）の値が３００以上であり、又は前記外径が１％変形するときの圧力を１％変形圧力Ｐ１％（ＭＰａ）としたとき、（Ｐ１％×Ｄ／Ｔ）の値が３５０以上であることが望ましい。これにより、（Ｐ０．５％×Ｄ／Ｔ）又は（Ｐ１％×Ｄ／Ｔ）の値が高いので、耐圧伝熱容器の肉厚Ｔを薄くすることができ、耐圧伝熱容器を低コストで製造することができる。（Ｐ０．５％×Ｄ／Ｔ）の値は、好ましくは３５０以上、最適には４５０以上がよい。（Ｐ１％×Ｄ／Ｔ）の値は、好ましくは４００以上、最適には５００以上がよい。【００２４】
前記絞り加工前、絞り加工後、又は他の銅管とのろう付け後における加工端部及び加工中央部の金属組織は、Ｃｏ、Ｐを有する２〜２０ｎｍの略円形、又は略楕円形の微細析出物が均一に分散しており、又は全ての析出物の９０％以上が３０ｎｍ以下の大きさの微細析出物であって均一に分散していることが望ましい。これにより、微細析出物が均一に分散しているので、耐熱性に優れ、耐圧強度が高く、熱伝導性も良い。【００２５】
前記絞り加工を施された加工中央部の金属組織は再結晶しており、結晶粒径が３〜３５μｍであることが望ましい。これにより、再結晶粒径が小さいので強度、耐圧性が高い。【００２６】
前記高機能銅管は熱交換器の耐圧伝熱容器として使用されることが望ましい。これにより、耐圧伝熱容器の肉厚が薄いので低コストになる。また、耐圧伝熱容器の肉厚が薄くなるため、軽量になる。従って、耐圧伝熱容器を保持する部材も少なくなり低コストになる。【００２７】
また、高強度・高熱伝導銅合金管の製造方法であって、熱間押出、又は熱間管圧延を含み、前記熱間押出前の加熱温度、又は熱間管圧延前の加熱温度、又は圧延時の最高温度が７７０〜９７０℃であり、熱間押出、又は熱間管圧延後の管の温度から６００℃までの冷却速度が１０〜３０００℃／秒であり、その後の冷間管圧延、又は抽伸によって７０％以上の加工率で加工された後に絞り加工を施す。これにより、７０％以上の加工率の冷間圧延、又は冷間抽伸が施されているので、加工硬化により高強度になる。また、鋳塊の温度、熱間圧延材の温度、若しくは熱間押出開始温度が７７０〜９７０℃であって、溶体化感受性が鈍いので、熱間押出、又は熱間管圧延直後の管の温度から６００℃までの冷却速度が１０〜３０００℃／秒であれば、Ｃｏ、Ｐ、Ｎｉ、Ｆｅ等が良く固溶している。この様な状態であるので、温度が上昇しても再結晶する前にＣｏ等の原子の移動が始まり、ＣｏとＰ又は、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅとＰとが結合することによって微細な析出物が析出し、再結晶化を遅らせるので耐熱性が向上する。さらに温度が８００℃以上に上昇し、再結晶化した後も微細なＣｏ、Ｐ等との析出物によって結晶粒成長が抑制されるので再結晶粒が細かい。その結果、高い強度を有する。尚、本明細書においては、高温で固溶している原子が冷却中に冷却速度が遅くても析出し難いことを「溶体化感受性が鈍い」という。また、加工率は、（１−（加工後の管の断面積）／（加工前の管の断面積））×１００％をいう。【００２８】
前記絞り加工はスピニング加工であることが望ましい。これにより、スピニング加工の加工端部、及び加工端部に隣接する熱影響部では、加工前、Ｓｎは固溶状態にあり、Ｃｏ、Ｐ等は一部が析出しているが、多くは固溶しているので、スピニング加工によって数秒程度昇温してもこれらの大部分が軟化や再結晶せずに素材の強度が維持される。また、７００〜７５０℃付近に短時間でも昇温すると、Ｃｏ、Ｐ等の析出が進むので析出硬化が起こる。析出硬化によりマトリックスの回復現象、及び部分的な再結晶による軟化現象が相殺され、強度が維持される。また、Ｃｏ、Ｐ等が析出することにより熱伝導性が向上する。また、スピニング加工が施される部分、特に加工中央部は、加工熱によって８００℃以上に昇温して再結晶状態になる。これは、スピニング加工中に再結晶状態になっていることを示唆し、加工時の熱間変形抵抗が低く、スピニング加工が行い易い。また、スピニング加工が施された部分はＣｏ、Ｐ等の析出物によって再結晶粒の成長が抑制される。従ってその粒径は小さく、りん脱酸銅Ｃ１２２０を用いた場合よりも遥かに強度が高い。尚、スピニング加工において、例えば管を高回転させて絞る方法もあり、当然すべての方法を含むものとする。【００２９】
前記絞り加工は、冷間絞り加工であり、冷間管圧延、及び抽伸における冷間加工と合わせた冷間加工率が７０％以上であることが望ましい。これにより、冷間加工によって絞り加工するので、加工硬化によって強度が高く、耐圧性に優れる。また、他配管との接合でろう付けしても、当該絞り加工を施された銅管は、Ｓｎの固溶と、Ｃｏ、Ｐ等の固溶によって、再結晶温度が上昇する。ろう付け時、熱影響により約７００℃に昇温される部分は、マトリックスの軟化とＣｏ、Ｐ等による析出硬化が相殺され、高い強度を保持する。さらに、ろう付けされる部分は、再結晶しても、析出する析出物によって再結晶粒の成長が抑制されるので高い強度を保持する。【００３０】
前記高機能銅管は、ろう付け加工、又は溶接加工を施すことが望ましい。これにより、ろう付け加工や溶接加工によって昇温しても、Ｃｏ、Ｐ等の析出物によって再結晶化が遅れるので強度が高い。このとき一部の再結晶によって軟化が生じても、Ｃｏ、Ｐ等の析出硬化によって強度が維持される。また、析出物が析出することによって熱伝導性が向上する。【００３１】
前記絞り加工前、又は前記絞り加工後に３５０〜６００℃、１０〜３００分の熱処理を施すことが望ましい。スピニング加工時の熱影響によって析出硬化するが、積極的に（３５０〜６００℃、１０〜３００分の）前記熱処理を行なうことによりＣｏ、Ｐ等がより一層析出する。これにより強度と熱伝導性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る高機能銅管について説明する。本発明では、請求項１乃至請求項４に係る高機能銅管における合金組成の合金（以下、それぞれを第１発明合金、第２発明合金、第３発明合金、第４発明合金という）を提案する。本明細書における合金組成において、[Ｃｏ]のように括弧付の元素記号は当該元素の含有量値を示すものとする。また、第１乃至第４発明合金を総称して発明合金とよぶ。【００３３】
第１発明合金は、０．１２〜０．３２mass％（好ましくは０．１３〜０．２８mass％、より好ましくは０．１５〜０．２４mass％）のＣｏと、０．０４２〜０．０９５mass％（好ましくは０．０４６〜０．０７９mass％、より好ましくは０．０４９〜０．０７２mass％）のＰと、０．００５〜０．３０mass％（好ましくは０．０１〜０．２mass％、より好ましくは０．０３〜０．１６mass％、又は、特に高い熱伝導性が必要な場合は、０．０１〜０．０４５mass％）のＳｎとを含有し、Ｃｏの含有量［Ｃｏ］mass％とＰの含有量［Ｐ］mass％との間に、
Ｘ１＝（[Ｃｏ]−０．００７）／（[Ｐ]−０．００８）
として、Ｘ１が３．０〜６．２、好ましくは、３．２〜５．７、より好ましくは３．４〜５．１、最適には３．５〜４．６の関係を有し、かつ残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金組成である。【００３４】
第２発明合金は、Ｃｏ、Ｐ、Ｓｎの組成範囲が第１発明合金と同一であり、かつ０．０１〜０．１５mass％（好ましくは０．０２〜０．１２mass％、より好ましくは０．０２５〜０．０９mass％）のＮｉ、又は０．００５〜０．０７mass％（好ましくは０．００８〜０．０５mass％、より好ましくは０．０１５〜０．０３５mass％）のＦｅのいずれか１種以上を含有し、Ｃｏの含有量［Ｃｏ］mass％とＮｉの含有量［Ｎｉ］mass％とＦｅの含有量［Ｆｅ］mass％とＰの含有量［Ｐ］mass％との間に、
Ｘ２＝（[Ｃｏ]＋０．８５×[Ｎｉ]＋０．７５×[Ｆｅ]−０．００７）／（[Ｐ]−０．００８）
として、Ｘ２が３．０〜６．２、好ましくは、３．２〜５．７、より好ましくは３．４〜５．１、最適には３．５〜４．６の関係を有し、かつ、
Ｘ３＝１．５×［Ｎｉ］＋３×［Ｆｅ］
として、Ｘ３が０．０１５〜［Ｃｏ］、好ましくは、０．０３５〜（０．９×［Ｃｏ］）、より好ましくは０．０５〜（０．８×［Ｃｏ］）の関係を有し、かつ、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる合金組成である。【００３５】
第３発明合金は、第１発明合金の組成に、０．００１〜０．５mass％のＺｎ、０．００１〜０．２mass％のＭｇ、０．００１〜０．１mass％のＺｒのいずれか１種以上をさらに含有した合金組成である。【００３６】
第４発明合金は、第２発明合金の組成に、０．００１〜０．５mass％のＺｎ、０．００１〜０．２mass％のＭｇ、０．００１〜０．１mass％のＺｒのいずれか１種以上をさらに含有した合金組成である。【００３７】
次に、各添加元素の添加理由を説明する。Ｃｏは、単独の添加では高い強度及び耐熱性等は得られない。しかし、Ｐ、Ｓｎとの共添加で熱・電気伝導性を損なわずに、高い強度及び耐熱性が得られる。Ｃｏ単独では、強度が多少向上する程度であり顕著な効果はない。Ｃｏ量の上限（０．３２mass％）以上では前記の効果が飽和し、高温変形抵抗が高くなり、さらにスピニング加工での絞り加工性が低下し、また、熱・電気伝導性が低くなる。Ｃｏ量の下限（０．１２mass％）以下では、Ｐ、Ｓｎと共添加しても強度及び耐熱性を高める効果が得られない。【００３８】
ＰはＣｏ、Ｓｎとの共添加で熱・電気伝導性を損なわずに高い強度及び耐熱性が得られる。Ｐ単独では、湯流れ性や強度を向上させ、結晶粒を微細化させる。Ｐ量の上限（０．０９５mass％）以上では、前記効果が飽和し、熱・電気伝導性が損なわれ始める。また、鋳造時や熱間圧延時に割れが生じ易くなり、また、曲げ加工性が悪くなる。Ｐ量の下限（０．０４２mass％）以下では、強度及び耐熱性の効果が得られない。【００３９】
上述したＣｏ、Ｐの関係式を満足することを前提に、Ｃｏ：０．１２mass％以上、Ｐ：０．０４２mass％以上で耐熱性、耐圧強度が向上する効果を発揮し始める。添加量が増すに従ってこれらの効果は向上する。好ましくはＣｏ：０．１３mass％以上、Ｐ：０．０４６mass％以上、より好ましくはＣｏ：０．１５mass％以上、Ｐ：０．０４９mass％以上である。一方、Ｃｏ：０．３２mass％、Ｐ：０．０９５mass％を超えて添加すると前記効果が飽和するばかりでなく、熱間での変形抵抗が高くなる。さらに、押出やスピニングの加工に問題が生じ、延性も低下し始める。従って、Ｃｏ：０．２８mass％以下、Ｐ：０．０７９mass％以下が好ましく、より好ましくはＣｏ：０．２４mass％以下、Ｐ：０．０７２mass％以下である。【００４０】
ＣｏとＰを主体とする析出物だけではマトリックスの耐熱性は不十分である。しかし、Ｓｎの添加によりマトリックスの耐熱性が向上し、特にマトリックスの軟化温度や再結晶化温度を上昇させる。それと同時に、強度、伸び、曲げ加工性を向上させる。そして、スピニング加工等の熱間加工時に生じる再結晶粒を微細化し、Ｃｏ、Ｐ等の溶体化感受性を鈍くする。また、ＣｏとＰを主体とする析出物を微細に均一分散させる効果もある。Ｓｎ量の上限（０．３０mass％）以上では、熱・電気伝導性の低下、熱間変形抵抗が高くなり熱間での管押出や絞り等の加工が困難になる。好ましくは、０．２mass％以下であり、より好ましくは０．１６％以下、さらに好ましくは、０．０９５mass％以下である。特に、高い熱伝導性が要求される場合は０．０４５mass％以下が良い。Ｓｎ量の下限（０．００５mass％）以下では、マトリックスの耐熱特性が低下する。【００４１】
高い耐圧強度、耐熱性を得ると共に、さらに高い熱・電気伝導性を得るには、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＰの配合割合が非常に重要になる。Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＰが化合した析出物、例えばＣｏｘＰｙ、ＣｏｘＮｉｙＰｚ、ＣｏｘＦｅｙＰｚ等の平均粒径が２〜２０ｎｍの略円形、又は略楕円形の微細析出物が均一に分散しており、又は全ての析出物の９０％以上が３０ｎｍ以下の大きさの微細析出物であって均一に分散させることにより、８００℃に加熱してもそれらの析出物によって結晶粒成長が抑制され、結果として高強度を得ることができる。又は、それらの析出硬化により高強度を得ることができる。さらには、これらの元素が固溶状態にある場合にあっても、高温での加工中、又は他の配管とのろう付けによる接合中に、短時間で、それらの析出物が微細に分散して析出するので、再結晶化が遅れ、再結晶温度が上昇し、耐熱性が向上する。そして、絞り加工中等で、本発明の高機能銅管が８００℃、又はそれ以上の温度に加熱されると、マトリックスは再結晶するが、Ｃｏ、Ｐ等の析出物により、再結晶粒の成長が抑制されるので、再結晶粒は微細なままである。一方、６００℃から７００℃に昇温された場合、Ｃｏ、Ｐ等の微細な析出物による析出硬化と固溶硬化により、素管製造過程、さらに絞り銅管製造過程で冷間加工を施した本発明の高機能銅管の強度は高い。尚、上述した平均粒径は、２次元の平面である観察面において計測された長さである。また、本明細書でいう析出物には鋳造段階で生じた晶出物は当然に除かれている。【００４２】
Ｃｏ、Ｐ、Ｆｅ、Ｎｉの含有量は、次の関係を満足しなければならない。Ｃｏの含有量［Ｃｏ］mass％と、Ｎｉの含有量［Ｎｉ］mass％と、Ｆｅの含有量［Ｆｅ］mass％と、Ｐの含有量［Ｐ］mass％との間に、
Ｘ１＝（[Ｃｏ]−０．００７）／（[Ｐ]−０．００８）
として、Ｘ１が３．０〜６．２、好ましくは、３．２〜５．７、より好ましくは３．４〜５．１、最適には３．５〜４．６でなければならない。このＸ１が６．２を超えると熱伝導性が損なわれ、耐圧強度、耐熱性も損なわれる。一方、Ｘ１が３．０以下であると、特に延性が悪くなり、鋳造時や熱間で割れやすくなる。また熱間変形抵抗が高くなり、耐圧強度、耐熱性、熱伝導性も損なわれる。また、Ｎｉ、Ｆｅ添加の場合には、
Ｘ２＝（[Ｃｏ]＋０．８５×[Ｎｉ]＋０．７５×[Ｆｅ]−０．００７）／（[Ｐ]−０．００８）
として、Ｘ２が３．０〜６．２、好ましくは、３．２〜５．７、より好ましくは３．４〜５．１、最適には３．５〜４．６でなければならない。Ｘ２が６．２を超えると、耐熱性が不十分となり、再結晶温度が低下し、昇温時の結晶粒成長を抑制できなくなる。このために、絞り加工後の耐圧強度が得られず、また熱・電気伝導性も低下する。Ｘ２が３．０以下では、熱・電気伝導性の低下を招き、延性が損なわれる。耐圧強度も低くなる。【００４３】
また、Ｃｏ等の各元素の配合比率が化合物での構成比率と同一であっても全て化合するものではない。上述した式において（[Ｃｏ]−０．００７）は、Ｃｏが０．００７mass％分固溶状態で残存することを意味し、（[Ｐ]−０．００８）はＰが０．００８mass％分固溶状態でマトリックスに残留することを意味する。そして、析出物の結合に与るＣｏとＰは、概ね質量比で約４：１又は約３．５：１であると、析出物の化合状態は好ましいものになる。その析出物は、例えば、Ｃｏ2Ｐ、Ｃｏ2.aＰ、ＣｏxＰyで表わされる。ただし、これらの化合状態や固溶状態は、温度や加工率等の加工条件によって変動する。これらを鑑みて、数式Ｘ１の限定範囲が設定される。限定範囲を超えると、Ｃｏ、Ｐが化合物に与らず固溶状態になる、又は目的とするＣｏ2Ｐ、Ｃｏ2.aＰ等の化合状態とは異なった析出物になり、高い強度、良好な熱伝導性又は優れた耐熱性が得られなくなる。【００４４】
Ｆｅ、Ｎｉの元素の単独での添加は、耐熱性、強度等の諸特性向上に余り寄与せず、電気伝導性を低下させるが、Ｆｅ、Ｎｉは、ＣｏとＰとの共添加の基においてＣｏの機能を一部代替する。上述した数式（[Ｃｏ]＋０．８５×[Ｎｉ]＋０．７５×[Ｆｅ]−０．００７）において、[Ｎｉ]の係数０．８５と、[Ｆｅ]の係数０．７５は、ＣｏとＰとの結合を１とした場合に、Ｎｉ又はＦｅがＰと結合する割合を表したものである。そして、析出物の結合に与る（[Ｃｏ]＋０．８５×[Ｎｉ]＋０．７５×[Ｆｅ]）と[Ｐ]の比率は、概ね約４：１又は約３．５：１であると、析出物の化合状態は好ましいものになる。その析出物は、前記のＣｏ2Ｐ、Ｃｏ2.aＰ、ＣｏxＰyでＣｏの代わりにＮｉ、Ｆｅで一部置換されたＣｏｘＮｉｙＰｚ、ＣｏｘＦｅｙＰｚ等で表される。ただし、これらの化合状態や固溶状態は、温度や加工率等の加工条件によって変動する。これらを鑑みて、数式Ｘ１と同様にＸ２の限定範囲が設定される。限定範囲を超えると、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐが化合物に与らず固溶状態になる、又は目的とするＣｏ2Ｐ、Ｃｏ2.aＰの化合状態とは異なった析出物になり、高い強度、良好な熱伝導性又は優れた耐熱性が得られなくなる。【００４５】
一方、銅に他の元素を添加すると導電率が悪くなる。また、熱伝導性と電気伝導性は概ね同じ比率で変動する。例えば、一般に純銅にＣｏ、Ｆｅ、Ｐを０．０２mass％単独添加しただけで、熱・電気伝導性が約１０％低下する。一方、Ｎｉを０．０２mass％単独添加すると、熱・電気伝導性は約１．５％低下する。Ｃｏ等の各元素の含有量が適正比率から離れ、固溶状態になると熱・電気伝導性が明らかに低下する。【００４６】
Ｎｉは、上述したように固溶状態になってもＣｏやＰの固溶状態と比べて熱伝導性への影響が軽微である。また、ＮｉのＰとの結合力は、ＦｅやＣｏのＰとの結合力と比べて弱い。従って、上述した式（[Ｃｏ]＋０．８５×[Ｎｉ]＋０．７５×[Ｆｅ]−０．００７）／（[Ｐ]−０．００８）の値が３．０〜６．２の中心から大きいほうにずれても、Ｆｅ、Ｃｏが先にＰと結合し、Ｎｉが固溶するので、電気伝導性の低下を最小限に留める。しかし、Ｎｉを過剰（０．１５mass％以上や数式（１．５×[Ｎｉ]＋３×[Ｆｅ]≦[Ｃｏ]）を越える量）に添加すると、析出物の組成が徐々に変化し、耐圧強度、耐熱性が損なわれると同時に熱伝導性が低下する。【００４７】
Ｆｅは、ＣｏとＰとの共添加において、微量の添加で耐圧強度、耐熱性の向上をもたらす。ただし、Ｆｅを過剰（０．０７mass％以上や数式（１．５×[Ｎｉ]＋３×[Ｆｅ]≦[Ｃｏ]）を越える量）に添加すると、析出物の組成が徐々に変化し、耐圧強度、耐熱性が損なわれると同時に熱伝導性が低下する。絞り加工後の金属組織、又は、当該絞り加工を施された銅管を他の銅配管と接合した後の金属組織は、Ｃｏ、Ｐを有する２〜２０ｎｍ、すなわち平均粒径で２〜２０ｎｍの略円形又は略楕円形の微細析出物が均一に分散しており、又は全ての析出物の９０％以上が３０ｎｍ以下の大きさの微細析出物であって均一に分散しているので、本発明の高機能銅管は、高い耐圧強度を有する。【００４８】
Ｚｎ、Ｍｇ、Ｚｒは、Ｃｕのリサイクル過程で混入するＳを無害化し、中間温度脆性を低減させ、延性と耐熱性を向上させる。また、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｚｒは、合金を強化し、かつ、Ｃｏ、Ｐの均一析出を促進させる作用を持つ。また、Ｚｎは半田濡れ性、ろう付け性を改善する。但し、Ｚｎは前記の効果があるが、製品製造環境や使用環境で、例えば、２００℃以上の高温で真空下、又は不活性ガス下等で、製造され、又は使用される場合、Ｚｎが雰囲気に気化して装置等に蒸着し、問題となる場合がある。この様な場合、第１〜４発明合金において、Ｚｎは０．０５mass％未満に設定されるべきである。【００４９】
次に熱間押出で作られる高機能銅管の製造工程を説明する。尚、本発明は、他の素管製造方法、すなわち円筒状の連続鋳造物から、塑性加工による発熱を利用して熱間状態にする管圧延による方式や、マンネスマン方式で素管を得て前述の如く冷間で求める寸法の管材を得る方法にも適用される。上述した組成の鋳塊を７７０〜９７０℃に加熱後、熱間押出をする。鋳塊の加熱温度は、８００〜９７０℃がよく、８５０〜９６０℃がより好ましい。下限の温度は、鋳塊の組織を破壊し、熱間加工組織にすること、押出時の変形抵抗を低くすること、そしてＣｏ、Ｐを固溶状態にするために必要である。その効果を一層高めるために、下限の温度は、好ましくは、８００℃以上であり、より好ましくは８５０℃以上である。９７０℃を超えると、熱間押出時の動的再結晶又は加工直後の静的再結晶により、押出素管の結晶粒が粗大化する。また、Ｃｏ、Ｐの固溶状態は飽和に達し、加熱に使われるエネルギーも無駄である。【００５０】
さらに、スピンニング加工や他の配管等とのろう付けによる接合を考えた場合、本願の課題と一見矛盾するようであるが、加工前の銅管の熱伝導性は悪い方が良い。なぜなら、スピニング加工の場合、変形量の大きい加工中央部４において加工熱が熱拡散せずに高温を保つ方が変形抵抗が小さくなり、より大きな変形が容易に行なえる。耐圧性能に効いてくるのは、径の大きな加工端部５や熱影響部６の強度であるので、これらの部位への熱拡散が少ない方が良い。さらに、接合時のろう付けにおいて熱伝導性が良いと、絞り加工部８全体が加熱されるので、加工端部５や熱影響部６の温度が上がってしまう。耐圧伝熱容器の形状によっては、熱伝導性と正の相関がある導電率において、加工前の銅管の導電率は６０％ＩＡＣＳ以下がよい。【００５１】
押出し後の６００℃までの冷却速度は１０〜３０００℃／秒とする。Ｃｏ等が固溶したまま、つまりほとんどＣｏ等が析出しない方が熱間押出後の抽伸等の冷間加工がし易いので、冷却速度は速いほうが好ましい。しかし、本発明合金の場合は強制空冷での冷却速度である例えば３０℃／秒でも、Ｃｏ等は冷却過程で余り析出しない。よって、好ましい冷却速度は、３０℃／秒から３０００℃／秒である。【００５２】
熱間押出後に冷間の圧延、又は抽伸を繰り返して素管にする。この冷間加工の加工率は７０％以上とする。加工率を７０％以上にすることで、加工硬化によって約４５０Ｎ／ｍｍ２以上の引張強度を得ることができる。この強度は、従来使用しているりん脱酸銅Ｃ１２２０よりも約３０％高い。そして、抽伸等によって得られた素管にスピニング加工等を行って耐圧伝熱容器を製造する。スピニング加工は、素管の外径や肉厚等によって異なるが、数秒から１０数秒程度で行なわれる。形状の精度を良くするために、スピニング加工の後、管の先端は１０秒程度、ダイス又はローラーに押し付けられる。こうして得られた耐圧伝熱容器はこのまま使用してもよいが、スピニング加工後に３５０〜６００℃、１０〜３００分の熱処理を行ってもよい。尚、この熱処理は、時間と温度の関係において、時間をｔ（分）、温度をＴ（℃）とすると、
６．４≦Ｔ／８０＋logｔ≦８．４
を満足することが望ましく、最適には、
６．５≦Ｔ／８０＋logｔ≦８．０
を満足することが望ましい。
この熱処理は、マトリックスに固溶しているＣｏ、Ｐ等を析出させて、強度、延性、特に熱伝導性を向上させることを目的としている。温度や時間が不十分であると析出しないので効果がなく、また、温度や時間が過剰であると、合金が再結晶して強度が低下する。尚、この熱処理は、スピニング加工の後に行うのが望ましいが、スピニング加工前に行っても効果がある。【００５３】
また、耐圧伝熱容器の製造方法としては、上述したような熱間押出、管圧延、抽伸を行わずに、圧延板を筒状に曲げ、溶接して管にした溶接管を用いて、スピニング加工を行ってもよい。この圧延板は、圧延上がりの硬質材でも、熱処理を行った軟質材でもよいがスピニング加工を行なえる強度が必要である。押出し管を用いたのと同様に、耐圧性が高い耐圧伝熱容器を得ることができる。また、スピニング加工前、又はスピニング加工後に３５０〜６００℃、１０〜３００分の熱処理を行なうことにより、耐圧性と熱伝導性が向上する。【００５４】
（実施例）
上述した第１発明合金、第２発明合金、第３発明合金、第４発明合金及び比較用の組成の銅を用いて高機能銅管を作成し、高機能銅管に絞り加工を施して耐圧伝熱容器を作成した。表１は、耐圧伝熱容器を作成した合金の組成を示す。
【表１】
2009081664.tif 000003
合金は、第１発明合金の合金Ｎｏ．１〜３と、第２発明合金の合金Ｎｏ．４〜６と、第３発明合金の合金Ｎｏ．７、１４、１６と、第４発明合金のＮｏ．８〜１３、１５と、比較用として発明合金に近似した組成の合金Ｎｏ．２１〜２９と従来のりん脱酸銅であるＣ１２２０の合金Ｎｏ．３１、３２である。複数の工程パターンによって、任意の合金から耐圧伝熱容器を作成した。【００５５】
図２は、耐圧伝熱容器の作成工程を示す。工程パターンＡは、最初にφ２２０ｍｍの鋳塊を８５０℃に加熱し、外径６５ｍｍ、肉厚６ｍｍの管を水中に押し出した。このときの熱間押出直後の管温度から６００℃までの冷却速度は約１００℃／秒であった。続いて、押出後に抽伸を繰り返して素管を作成した。素管の寸法は外径５０ｍｍ、肉厚１ｍｍ及び外径３０ｍｍ、肉厚１ｍｍを基本とした。このとき、幾つかの合金については、外径５０ｍｍでは肉厚１．５ｍｍ、０．７ｍｍ、０．５ｍｍの素管を、外径３０ｍｍでは、肉厚１．２５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．４ｍｍの素管を作成した。抽伸の後は素管を長さ２５０ｍｍ、又は２００ｍｍに切断し、両端をスピニング加工により絞った。スピニング条件は、外径が５０ｍｍの素管の場合は、１２００ｒｐｍ、平均送り量１５ｍｍ／秒とし、外径が３０ｍｍの素管は、１４００ｒｐｍ、平均送り量３５ｍｍ／秒とした。【００５６】
工程パターンＢは、工程パターンＡの押出し後の冷却を強制空冷で行ない、このときの６００℃までの冷却速度は約３０℃／秒であった。工程パターンＣは、工程パターンＡでのスピニング加工前に３９５℃で２４０分の熱処理を行った。工程パターンＤは、工程パターンＡでのスピニング加工後に４６０℃で５０分の熱処理を行った。そして、工程パターンＡを基本とし、任意の合金から工程パターンＢ乃至Ｄによって耐圧伝熱容器を作成した。工程パターンＣ及び工程パターンＤの熱処理条件は、段落[００３１]や段落[００５２]で述べたＣｏ、Ｐ等を析出させる３５０〜６００℃、１０〜３００分の熱処理条件である。【００５７】
上述した方法により作成した耐圧伝熱容器の評価として、耐圧強度、ビッカース硬度、導電率を測定した。また、金属組織を観察して再結晶率、結晶粒径、及び析出物の径と３０ｎｍ以下の大きさの析出物の割合を測定した。また、スピニング加工中の成形性と変形抵抗をスピニング加工の加工性から評価した。尚、耐圧伝熱容器は、製造条件毎に２つ準備した。１つは、前記と同様の絞り管部３の一端をりん銅ろう（７mass％Ｐ−Ｃｕ）によって耐圧試験の黄銅製の冶具に接続し、他端を銅ろうで密閉し、耐圧強度を測定した。残りの１つは、ろう付けせずに、耐圧伝熱容器のままで、金属組織、ビッカース硬度、導電率等の諸特性を調査した。さらに、加工端部５、及び熱影響部６の部分を切り出し、７００℃に加熱されたソルトバスの中に２０秒間浸漬後、取り出し、空冷した。そして、ビッカース硬さと再結晶率を測定した。この７００℃、２０秒加熱後のビッカース硬さと再結晶率、及び上記の耐圧強度から耐熱性を評価した。【００５８】
耐圧強度の測定については、耐圧伝熱容器の一端をりん銅ろう（７mass％Ｐ−Ｃｕ）によって耐圧試験の黄銅製の冶具に接続し、他端をりん銅ろうで、密閉して水圧をかけて耐圧圧力を測定した。このろう付け時には、まず、耐圧伝熱容器の一端全体をバーナーで予熱し、耐圧伝熱容器の接続部（加工中央部）はバーナーで数秒間（7、８秒間）、約８００℃に加熱した。そして、耐圧試験においては、水道水を用いて徐々に内圧を上げていき、概ね１ＭＰａごとに外径を測定しながら水圧テストし、破裂まで至らしめた。外径を測定するときには、水圧を常圧に戻して弾性変形による膨張の影響が無いようにした。この耐圧強度の測定では、耐圧伝熱容器を試験機の冶具にろう付けしている。従って耐圧伝熱容器が実際に他の銅配管等とろう付けされて使用される状態での評価になっている。【００５９】
内圧が加わる圧力容器では、使用することができる許容圧力Ｐと外径Ｄ、肉厚Ｔ、材料の許容引張応力σとの関係は、ＪＩＳ  Ｂ  ８２４０（冷凍用圧力容器の構造）において、
Ｐ＝２σ／（Ｄ／Ｔ−０．８）
とされている。尚、ＤがＴに対して大きい時は、近似的に
Ｐ＝２σＴ／Ｄとすることができる。耐圧伝熱容器においても、一般に耐圧圧力ＰはＰ＝ａ×Ｔ／Ｄとされており、その比例係数ａは材料によって定まり、比例係数ａが大きいほど、耐圧圧力は大きくなる。ここで、ａ＝Ｐ×Ｄ／Ｔとなるので、耐圧伝熱容器が破裂する圧力を破裂圧力ＰＢとして、本明細書では、耐圧伝熱容器が破裂する材料強度として破裂圧力指数ＰＩＢを次のように定める。
ＰＩＢ＝ＰＢ×Ｄ／Ｔ
このＰＩＢによって、耐圧伝熱容器の破裂に対する材料の強度を評価する。【００６０】
また、耐圧伝熱容器は、内圧によって破裂にまで至らずとも、小さな内圧によって生じる繰り返しの変形による疲労破壊や新生面が出ることによる腐食等を発生させる。従って、機能上、及び安全上問題である。よって、耐圧伝熱容器が内圧によって少量変形するときの圧力を評価した。本明細書では、この圧力によって耐圧伝熱容器の外径が０．５％大きくなるときの内圧をＰ０．５％とし、耐圧伝熱容器が変形を開始する材料強度として０．５％変形圧力指数ＰＩ０．５％を次のように定める。
ＰＩ０．５％＝Ｐ０．５％×Ｄ／Ｔ
このＰＩ０．５％と同様に、耐圧伝熱容器の外径が１％大きくなるときの内圧をＰ１％として、１％変形圧力指数ＰＩ１％を次のように定める。
ＰＩ１％＝Ｐ１％×Ｄ／Ｔ
このＰＩ０．５％及びＰＩ１％によって、耐圧伝熱容器の初期変形に対する材料の強度を評価する。【００６１】
ビッカース硬度の測定では、加工中央部４、加工端部５、熱影響部６、直管部７の強度を測定した。また、加工端部５及び熱影響部６を切り出した小片は、上述したように７００℃に加熱されたソルトバスの中に２０秒間浸漬され、加熱後の硬さと再結晶率を測定した。【００６２】
再結晶率の測定は、次のように行なった。１００倍の金属顕微鏡の組織写真から未再結晶粒と再結晶粒を区別し、再結晶した部分の占める割合を再結晶率とした。すなわち、管の抽伸方向に金属組織の流れがある状態を未再結晶部とし、双晶を含む明瞭な再結晶粒を再結晶部をとした。未再結晶部か再結晶部かの判別が不明瞭なものについては、一部の試料で、２００倍のＥＢＳＰ（Electron Backscatter Diffraction Pattern、電子線後方散乱回折図形）による結晶粒マップから方位差１５度以上の粒界に囲まれた領域で、抽伸方向の長さが抽伸方向に垂直な方向の長さよりも３倍以上の領域を未再結晶領域とし、その領域の面積率を画像解析（画像処理ソフト「ＷｉｎＲＯＯＦ」で２値化する）により測定した。その値を未再結晶率とし、再結晶率＝（１−未再結晶率）とした。ＥＢＳＰは、日本電子（株）のＦＥ−ＳＥＭ（Fielld Emission Scanning Electron Microscope：電解放出型走査電子顕微鏡、型番JSM-7000F  FE-SEM）に、（株）ＴＳＬソリューションズのＯＩＭ（Orientation Imaging Microscopy、結晶方位解析装置、型番TSL-OIM 5.1）を搭載した装置によって作成した。【００６３】
結晶粒径の測定は、金属顕微鏡写真より、ＪＩＳ  Ｈ  ０５０１における伸銅品結晶粒度試験方法の比較法に準じて測定した。【００６４】
析出物の粒径については、まず、１５０，０００倍のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）の透過電子像を上述した「ＷｉｎＲＯＯＦ」によって２直化して析出物を抽出した。そして各析出物の面積の平均値を算出し、面積の平均値から計算した粒子径を平均粒子径とした。また、それぞれの析出物の粒径から、３０ｎｍ以下の析出物の個数の割合を測定した。ただし、１５０，０００倍のＴＥＭの透過電子像では、得られた像を更に拡大しても１ｎｍ位までしか観察できないので、１ｎｍよりも大きな析出物中での割合となる。尚、寸法の測定精度上、２ｎｍ未満の析出粒子については、問題があると思われたが、２ｎｍ未満の析出粒子の占める割合が、すべての試料で、２０％に満たなかったので、このまま測定を続けた。尚、析出物の測定は、加工中央部４で行い、一部、加工端部５の再結晶部でも行った。また、金属組織が未再結晶状態であると、転位密度が高いので、ＴＥＭで析出物の測定が困難である。従って、未再結晶部にある析出物は、ＴＥＭによる測定箇所から除外している。【００６５】
熱伝導度の評価は、代用特性として電気伝導度により評価した。電気伝導度と熱伝導度とはおおよそ１次の正の相関関係にあり、一般に電気伝導度が熱伝導度の代わりに使用されている。導電率測定装置は、日本フェルスター株式会社製（SIGMATEST D2.068）を用いた。尚、本明細書においては、「電気伝導度」と「導電率」の言葉を同一の意味に使用している。【００６６】
上述した試験の結果について、最初に組成の違いによる差について発明合金とＣ１２２０とを比較して説明する。表２、３は、工程パターンＡによって外径５０ｍｍ、肉厚１ｍｍの素管を各合金について作成し、その素管の両端をスピニング加工によって外径１４．３ｍｍ、肉厚１．１ｍｍに絞った耐圧伝熱容器の試験結果を示す。尚、これらの表においては、ＰＩＢ、ＰＩ０．５％、ＰＩ１％をそれぞれＰＩ（Ｂ）、ＰＩ（０．５％）、ＰＩ（１％）と表す。また、試験を行なった同一試料を、後述する試験結果の各表において、異なる試験Ｎｏ．として記載している場合がある（例えば、表２、３の試験Ｎｏ．１の試料と表１２、１３の試験Ｎｏ．８１の試料は同じ）。
【表２】
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【表３】
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図３は、表２、３に記載の試験Ｎｏ．１の第１発明合金と試験Ｎｏ．１４のＣ１２２０の各部の金属組織を示す。図４は、表２、３に記載の試験Ｎｏ．１の第１発明合金における加工端部と試験Ｎｏ．７の第４発明合金における加工中央部での析出物を示す。なお、加工端部の析出物は小さかったので、得られた像をさらに拡大している。【００６７】
破裂圧力指数ＰＩＢは、従来のＣ１２２０では、５００以下なのに対して、第１、第２、第３、及び第４発明合金ともに８００以上の高い結果になっている。この破裂圧力指数ＰＩＢは、６００以上がよく、好ましくは７００以上であり、最適には８００以上がよい。さらに初期変形する圧力を示す０．５％変形圧力指数ＰＩ０．５％においては、Ｃ１２２０が１５０位なのに対して、各発明合金は７５０以上と５倍以上の高い結果となっている。このＰＩ０．５％は３００以上がよく、好ましくは３５０以上であり、最適には４５０以上がよい。１％変形圧力指数ＰＩ１％においても、各発明合金はＣ１２２０の４倍以上の高い結果となっている。このＰＩ１％は３５０以上がよく、好ましくは４００以上であり、最適には５００以上がよい。このように、各発明合金はＣ１２２０に比べて、耐圧強度が高く、特に変形の初期段階での強度において大きな差がある。【００６８】
再結晶率は、Ｃ１２２０については、直管部で０％であり、熱影響部６、加工端部５、加工中央部４では１００％である。一方、各発明合金については、直管部７、熱影響部６は、０％であり、加工端部５で５〜４０％である。そして、加工中央部４で１００％となっており、熱影響部６と加工端部５において大きな差がある。絞り加工部８の再結晶率（熱影響部６と加工端部５の再結晶率の平均）は、Ｃ１２２０では１００％なのに対して、各発明合金では２０％以下となっている。この絞り加工部８の再結晶率は、５０％以下がよく、好ましくは４０％以下であり、最も好ましくは２５％以下である。耐圧強度は、熱影響部６と加工端部５の強度に大きく影響されるので、この再結晶率の差は、上述した耐圧強度の結果とよく一致する。また、加工中央部４の再結晶粒径についてもＣ１２２０では１２０μｍに対し各発明合金では２０μｍ以下となっており、加工中央部４の強度は各発明合金の方がＣ１２２０よりも高い。【００６９】
析出物については、表２、３の試験Ｎｏ．１、３、５、７、１４の加工中央部４と加工端部５を観察した。加工中央部４では、各発明合金で略円形、又は略楕円形の微細な析出物が均一に析出しており、平均径が１２〜１６ｎｍであった。また、全析出物の内で径が３０ｎｍ以下の析出物の個数の割合が９５％程度であった。一方、Ｃ１２２０では析出物が検出されなかった。これらの微細析出物によって、スピニング加工中８００℃、又は８００℃以上に温度が上がっても、結晶粒の成長が抑制され、高い強度を有していると思われる。加工端部５での観察は試験Ｎｏ．１、７で行なった。略円形、又は略楕円形の微細な析出物が均一に析出しており析出物の平均径は試験Ｎｏ．１が３．５ｎｍで試験Ｎｏ．７が３．４ｎｍであり、それぞれ加工中央部４より更に微細であった。スピニング加工中、約７００℃、又は７００℃以上に温度が上がっても、これらの微細析出物によって、発明合金は強化され、部分的に生じる再結晶核の生成等によるマトリックスの軟化を相殺し、高い強度を維持していると思われる。また、それぞれの試料のろう付け後の析出物を観察したが、加熱前の上記と同様の形態であった。【００７０】
このように、Ｃｏ、Ｐ等の析出物は、各部位で平均粒径が３〜１６ｎｍで微細であるが、高温状態で２つの大きな役割を果たしている。１つは、加工中央部４では、スピニング加工中約８００℃、又は８００℃以上に温度が上がり完全に再結晶するが、析出物によって再結晶粒の成長が抑制されて、微細な再結晶組織になる。もう１つは、強度の必要な加工端部５は、約７００℃、又は約７５０℃に温度が上がるが、より微細な析出物の形成により、再結晶化を妨げる。そして、部分的に再結晶化した部分の析出物は細かいので、析出硬化により高い強度を保持する。尚、５００℃、又はそれ以上に温度が上がる熱影響部６の析出物は、加工組織のため観察できない。しかし、導電率が上がっていることから、加工端部５と同等又はそれ以下の大きさのＣｏ、Ｐ等の析出物が形成されていると思われる。このように、熱影響部６は、昇温によってマトリックスは少し軟化するが、析出物の形成によって、硬度の低下はほとんどない。【００７１】
ビッカース硬度については、Ｃ１２２０と各発明合金とで差があり、特に耐圧強度に影響する熱影響部６と加工端部５において大きな差がある。Ｃ１２２０では、熱影響部６、加工端部５共に５０程度であるのに対し、各発明合金では熱影響部６で１３０〜１５０、加工端部５で１００〜１１０位となっている。このビッカース硬度の結果は再結晶率ともよく一致している。７００℃、２０秒加熱後のビッカース硬度は、元の試料の熱影響部６、加工端部５より約２〜１０ポイント低下しているだけで、すべてビッカース硬度９０以上である。これにより、耐圧伝熱容器は他の銅管等と様々な条件でろう付けしても、高い強度を持つと思われる。また、加熱後の熱影響部６の再結晶率は、いずれも１０％以下であり、高い耐熱性を保持している。【００７２】
導電率は、Ｃ１２２０が各部分において８０％ＩＡＣＳ位に対して、各発明合金では各部分において５０〜８０％ＩＡＣＳ位であってＣ１２２０とほぼ同等の導電率となっている。【００７３】
７００℃、２０秒加熱後のビッカース硬度は、Ｃ１２２０の場合、初期の値そのもの自体が低く、また加熱前よりも１０程低下しているが、発明合金は加熱前と同等であり、再結晶も進んでいない。この結果と上述した耐圧強度の結果から、発明合金は耐熱性に優れている。【００７４】
表４、５は、素管寸法が外径５０ｍｍ、肉厚１．５ｍｍの素管を外径１７ｍｍ、肉厚２ｍｍにスピニング加工した場合のデータを示し、表６、７は、素管寸法が外径３０ｍｍ、肉厚１ｍｍの素管を外径１２．３ｍｍ、肉厚１．３ｍｍにスピニング加工した場合のデータを示す。
【表４】
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【表５】
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【表６】
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【表７】
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表４、５及び表６、７の素管寸法においても、表２、３の寸法の場合と同様に各発明合金はＣ１２２０と比べて強度が高く、導電率が同等の結果となった。【００７５】
次に、合金組成が発明合金の組成範囲を外れた場合の特性を説明する。表２、３の試験Ｎｏ．１２、表４、５の試験ＮＯ．２５、２６、表６、７の試験Ｎｏ．３６の合金はＰの量が発明合金の範囲よりも少ない場合である。これらの合金はいずれも発明合金と比べて、耐圧強度が低く、熱影響部６や加工端部５の再結晶率が高く、ビッカース硬度が低い結果となっている。これは、Ｐの量が少ないので、Ｃｏ、Ｐ等の析出量が少ないためと考えられる。【００７６】
表６、７の試験Ｎｏ．３７の合金はＰとＣｏの量が各発明合金の範囲よりも少ない場合である。発明合金と比べて、耐圧強度が低く、熱影響部６や加工端部５の再結晶率が高く、ビッカース硬度が低い結果となっている。これは、ＰとＣｏの量が少ないので、Ｃｏ、Ｐ等の析出量が少ないためと考えられる。【００７７】
表２、３の試験Ｎｏ．１３の合金は、（［Ｃｏ］−０．００７）／（［Ｐ］−０．００８）の値が発明合金の範囲よりも大きい場合である。発明合金と比べて、耐圧強度が低く、熱影響部６や加工端部５の再結晶率が高く、ビッカース硬度が低い結果となっている。【００７８】
表６、７の試験Ｎｏ．３８の合金は（１．５×［Ｎｉ］＋３×［Ｆｅ］）の値が［Ｃｏ］の値よりも大きい場合である。発明合金と比べて、耐圧強度が低く、熱影響部６や加工端部５の再結晶率が高く、ビッカース硬度が低い結果となっている。【００７９】
表６、７の試験Ｎｏ．３９の合金は、Ｐの量が発明合金の範囲よりも多い場合であるが抽伸時に割れが発生し、素管を得ることができなかった。【００８０】
次にスピニング加工時の成形性、変形抵抗について説明する。上述した表２〜７の各試験でのスピニング加工において、素管の外径が５０ｍｍの場合は１２００ｒｐｍ、平均送り速度１５ｍｍ／秒で絞り加工をしている。また、素管の外径が３０ｍｍの場合は１４００ｒｐｍ、平均送り速度３５ｍｍ／秒で絞り加工をしている。表８、９の試験では、素管の肉厚を表２〜７と異ならせている。表８、表９は外径５０ｍｍ、肉厚０．５〜１ｍｍの素管と、外径３０ｍｍ、肉厚０．４〜１．２５ｍｍの素管とを、回転数と送り速度の試験条件を表２〜７での外径が同一の試験と同じにして、スピニング加工を行なった結果を示している。
【表８】
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【表９】
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表２〜９のいずれの発明合金も成形不良無しに加工することができた。このように成形不良が発生しておらず、また加工中央部４が再結晶しているので、本発明合金はこれらの加工条件におけるスピニング加工中の変形抵抗は小さい。【００８１】
また、表１０、１１に、さらに加工条件を変化した実施例を示す。
【表１０】
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【表１１】
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種々の発明合金で、平均送り速度２０ｍｍ／秒、１２００ｒｐｍ、及び平均送り速度４０ｍｍ／秒、１８００ｒｐｍにて、外径が３０ｍｍで肉厚が０．６ｍｍ及び１．２５ｍｍの素管に絞った。また、平均送り速度２０ｍｍ／秒で９００ｒｐｍ及び１６００ｒｐｍにて、外径が５０ｍｍで肉厚１ｍｍの素管に絞った。いずれの試験においても成形不良が発生しておらず、また加工中央部４が再結晶している。従って、スピニング加工中の変形抵抗は小さく、耐圧強度等の特性も問題なかった。スピニング加工では、Ｃ１２２０は素管の肉厚が１ｍｍよりも薄いと成形不良が発生するので、発明合金の方が加工性が良好である。【００８２】
次に、製造工程の影響について説明する。表１２、１３は、第１、第２、第４発明合金を用いて製造パターンＡ〜Ｄによって外径５０ｍｍ、肉厚１ｍｍ、又は外径３０ｍｍ、肉厚１ｍｍの素管を作成し、スピニング加工によって外径１４．３ｍｍ、肉厚１．１ｍｍ、又は、外径１２．３ｍｍ、肉厚１．３ｍｍに絞った場合のデータを示す。
【表１２】
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【表１３】
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工程パターンＢによって押出後の冷却をエアーで強制空冷にして作成した試験Ｎｏ．８２、８６、９０は、押出後の冷却が水冷である製造パターンＡで作成した試験Ｎｏ．８１、８５、８９と、各特性において同等か若しくは少し低い値を示している。冷却速度は速い方がＣｏ、Ｐ等がより多く固溶するので、工程パターンＢよりも工程パターンＡの方が、耐圧強度等が高い。しかし、本発明合金の溶体化感受性が鈍いために、押出後の冷却が強制空冷であっても水冷と同様にＣｏ、Ｐ等の大部分が固溶しているので、工程パターンＡと工程パターンＢでの差が小さく、工程パターンＢも良好な結果を示している。【００８３】
工程パターンＣによってスピニング加工前に３９５℃で２４０分の熱処理を行なって作成した試験Ｎｏ．８３、８７、９１は、耐圧強度、再結晶率、結晶粒径、析出物の析出状況、ビッカース硬度が、製造パターンＡで作成したものと同等である。また、導電率は製造パターンＡのものよりも高く、表２〜７におけるＣ１２２０と同等の値となっている。このスピニング加工後の金属組織には、Ｃｏ、Ｐを有する２〜２０ｎｍの略円形、又は略楕円形の微細析出物、又は全ての析出物の９０％以上が３０ｎｍ以下の大きさの微細析出物が均一に分散する。また、工程パターンＤでスピニング加工後に４６０℃で５０分の熱処理を行なって作成した試験Ｎｏ．８４、８８、９２も、製造パターンＣのものと同様の結果を示している。工程パターンＣ、Ｄのようにスピニング加工の前後に熱処理を行なうと、Ｐ等の析出が促進されるために、導電率が高くなると思われる。【００８４】
次に、押出前の鋳塊の加熱温度の影響について説明する。表１４、１５は第１〜第４発明合金を用いて、製造パターンＡ及びＤでの鋳塊加熱温度を変えた場合のデータを示す。
【表１４】
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【表１５】
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製造パターンＡ及びＤの鋳塊加熱温度は８５０℃であるが、製造パターンＡ１及びＤ１は９１０℃とし、製造パターンＡ２は８３０℃とした。加熱温度は高い方が、ビッカース硬度が高く、その結果、耐圧強度が高い。これは、加熱温度が高い方が、Ｃｏ、Ｐ等がより多く固溶し、再結晶化がやや遅れ、得られる析出粒子が微細になり、結晶粒径が小さくなったためと考えられる。また、加熱温度が高い方が、直管部７の導電率が少し低い。これはＣｏ、Ｐが多く固溶しているものと思われる。【００８５】
上述した評価結果に基づいて、本実施形態に係る高機能銅管の特性について説明する。本高機能銅管は、熱間押出後の温度から６００℃の温度範囲において、１０〜３０００℃／秒で冷却される。その後、冷間抽伸等で７０％以上の加工率が加えられて、加工硬化により高強度になる。高強度になるので、薄肉になっていても、この後に行なわれる高速回転のスピニング加工を行なうことができる。冷間加工後の素管の状態では、Ｃｏ、Ｐ等がよく固溶する。一部で１０ｎｍ程度のＣｏ、Ｐや時にはＮｉ、Ｆｅを含む微細な析出物を有している。Ｃｏ、Ｐ等がよく固溶している、すなわち絞り加工前の銅管の熱伝導性が低いので、スピニング加工時やろう付け時に熱が拡散しない。従って加工が行い易く、加工端部５や熱影響部６の温度上昇が少ない。また、ろう付け時においても、予熱が少なくすみ、加工端部５や熱影響部６の温度上昇が抑えられる。このように、絞り加工前の銅管の熱伝導性が低いので加工しやすく、かつ絞り加工後の加工部の熱伝導性は、加工熱等により向上しているので、耐圧伝熱容器としては好適である。【００８６】
そして、スピニング加工が行なわれると、加工中央部４は加工熱により８００〜９５０℃に温度が上がる。７５０℃付近で再結晶化し始めるので、加工中、急激に変形抵抗が低くなり、りん脱酸銅と同等の加工性が得られる。一方、加工中央部４に比べ加工量が少なく肉厚が薄い加工端部５は、再結晶率が低いのでスピニング加工中も変形抵抗が高い。そのため、スピニング加工中大きなトルクが生じてもねじれや座屈が生じない。同様に、熱影響部６は、５００℃又はそれ以上で概ね７００℃に上昇するが、ほとんど再結晶しないので材料の強度が高い。さらに熱影響部６を７００℃で２０秒間加熱しても、再結晶率が低いことから、７００℃に加熱したときの強度は高い。従ってスピニング加工中、変形に与らない部分、又は変形の少ない部分の強度は高いので、薄肉であってもスピニング加工不良がでない。加工中央部４の再結晶粒は、前述したＣｏ、Ｐ等の微細な析出物によって結晶粒成長が抑制され、微細な粒径となる。また、加工中央部４はスピニング加工によって絞られて外径が小さくなり、厚肉化する。さらに微細な再結晶粒になっており強度が高いので、内圧を加えてもこの部分で破裂することはない。従って耐圧伝熱容器の耐圧強度には大きく影響しない。【００８７】
加工端部５や熱影響部６は、スピニング加工によっては外径が小さくならず、少ししか厚肉化しない。しかし、抽伸後の素管の状態では、上述した加工中央部４と同様に溶体化感受性が鈍いので、ほとんどのＣｏ、Ｐ等が良く固溶している。そして、スピニング加工による昇温が５００〜７５０℃程度であるので、昇温過程において、再結晶の前にＣｏ等の原子の移動が始まる。さらに、Ｃｏ、Ｐ、Ｎｉ、Ｆｅ等の微細な析出物が析出し、再結晶化を遅らせる。本発明合金は、７００℃、又は７５０℃で、十数秒、又は数秒であれば、ほとんど再結晶せず、顕著な軟化は起こらない。このように、加工端部５や熱影響部６は、再結晶が阻害される。また、再結晶の前に起こる回復現象等による軟化がＣｏ、Ｐ等の析出により概ね相殺されるので、素管の強度が保持され、高強度となる。また、Ｃｏ、Ｐ等の析出により熱伝導性が向上する。【００８８】
また、スピニング加工後の３５０〜６００℃、１０〜３００分の熱処理によって、Ｃｏ、Ｐ等が析出し、強度が向上する。それと共に従来の純銅系のＣ１２２０と同等の熱伝導性となる。加工中央部４で高温まで昇温した部分は、スピニング加工後の空冷によってＣｏ、Ｐ等が多く固溶しているが、この熱処理によってＣｏ、Ｐ等が析出するので熱伝導性と強度が向上するためである。高温状態（８００℃以上）の一歩手前まで昇温した加工端部５や熱影響部６は、素管時には元々多くのＣｏ、Ｐ等が固溶している状態にあった。従って、この熱処理による析出硬化によって強度が向上すると共に熱伝導性が向上する。加工熱を受けていない直管部７は、元々著しく加工硬化しており、この熱処理によってマトリックスが軟化する。しかし、その軟化度合いが析出による硬化度合いを上回る、又は同程度なので僅かに軟化、又は同程度の強度を有し、直管部７の熱伝導性は向上する。また、加工歪が熱処理によって回復するので、延性が向上する。【００８９】
この熱処理は、スピニング加工の前に行っても、スピニング加工後に行うのと同様の効果を得ることができる。また、この熱処理を行わない場合でもスピニング加工後に耐圧伝熱容器を他の部材とろう付けや溶接を行うことにより、その熱によって加工端部５や熱影響部６では、熱処理を行なったのと同様の効果が得られる。但し、スピニング加工やろう付け時の熱拡散を考慮すれば、後で熱処理する方が良い。【００９０】
このように、本実施形態に係る高機能銅管は、抽伸の後の素管の状態では加工硬化により強度が高く、約７５０℃以下の温度ではほとんど再結晶しないので、薄肉化しても高速回転のスピニング加工を行うことができる。さらに、加工端部５を除くスピニング加工部分は、再結晶しているのでスピニング加工時には良好な加工性を示す。また、スピニング加工後では、加工中央部４は再結晶粒径が小さいので強度が高い。また、加工端部５や熱影響部６は再結晶率が低いので強度が高い。また加工熱の影響によりＣｏ、Ｐ等が析出するので、スピニング加工熱による軟化現象が最小限に抑制される。また、スピニング加工前、又はスピニング加工後の熱処理によって、Ｃｏ、Ｐ等が析出するので、管材は強化されると同時に熱伝導性が向上する。このように、高強度、即ち高い耐圧性能を示すので、従来のＣ１２２０を使用した場合と比べて、耐圧伝熱容器の肉厚を１／２から１／３にすることができ、耐圧伝熱容器が低コストになる。また、耐圧伝熱容器の肉厚が薄くなって軽量になるので、耐圧伝熱容器を保持する部材も少なくなり低コストになる。従って、熱交換器部のコンパクト化が図れる。【００９１】
次に、本実施形態に係る高機能銅管の変形例の工程パターンＥについて説明する。本変形例では、工程パターンＡでの抽伸加工の間の外径５０ｍｍ、肉厚３ｍｍの段階で、５３０℃で５時間の再結晶焼鈍を行った。そして、冷間抽伸により、外径３０ｍｍ、肉厚１．２５ｍｍの素管にし、スピニング加工により外径１２．３ｍｍ、肉厚１．３ｍｍに絞った。表１６、１７に本変形例と、比較としての工程パターンＡの試験結果を示す。
【表１６】
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【表１７】
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再結晶焼鈍後で冷間抽伸前の金属組織を観察すると、Ｃｏ、Ｐを有する２〜２０ｎｍの略円形、又は略楕円形の微細析出物、又は全ての析出物の９０％以上が３０ｎｍ以下の大きさの微細析出物が均一に分散していた。耐圧強度、再結晶率、ビッカース硬度とも工程パターンＡのものと同等若しくは少し劣る程度で、脱酸銅よりも遥かに優れるものであった。また、導電率は表３に示すＣ１２２０と同等の高い値を示した。これは、再結晶焼鈍によるＰ等の析出によるためと考えられる。このように、抽伸工程の間に熱処理工程を入れても良好な結果となるので、パワーの弱い抽伸設備でも製造することができる。【００９２】
本実施形態における高機能銅管において、絞り加工部の金属組織の再結晶率が５０％以下、又は熱影響部の再結晶化率が２０％以下である高機能銅管が得られた（表２、３の試験Ｎ０．１〜１１、表４、５の試験Ｎ０．２１〜２４、表６、７の試験Ｎ０．３１〜３５、表８、９の試験Ｎ０．４１〜５５、等参照）。【００９３】
また、絞り加工部の７００℃で２０秒加熱後のビッカース硬度（ＨＶ）の値が、９０以上であり、又は加熱前のビッカース硬度の値の８０％以上である高機能銅管が得られた（表２、３の試験Ｎ０．１〜３、５〜７、表６、７の試験Ｎ０．３１、表８、９の試験Ｎ０．４１〜４３、４６、４９〜５１、等参照）。【００９４】
また、破裂圧力指数ＰＩＢの値が６００以上である高機能銅管が得られた（表２、３の試験Ｎ０．１〜１１、表４、５の試験Ｎ０．２１〜２４、表６、７の試験Ｎ０．３１〜３５、表８、９の試験Ｎ０．４１〜５５、等参照）。【００９５】
また、０．５％変形圧力指数ＰＩ０．５％の値が３００以上であり、又は１％変形圧力指数ＰＩ１％の値が３５０以上である高機能銅管が得られた（表２、３の試験Ｎ０．１〜１１、表４、５の試験Ｎ０．２１〜２４、表６、７の試験Ｎ０．３１〜３５、表８、９の試験Ｎ０．４１〜５５、等参照）。【００９６】
また、絞り加工前の金属組織において、Ｃｏ、Ｐを有する２〜２０ｎｍの略円形、又は略楕円形の微細析出物が均一に分散しており、又は全ての析出物の９０％以上が３０ｎｍ以下の大きさの微細析出物であって均一に分散している高機能銅管が得られた（表１６、１７の試験Ｎ０．１０１、１０２参照）。【００９７】
また、絞り加工後、又は他の銅管とのろう付け後における加工端部及び加工中央部の金属組織において、Ｃｏ、Ｐを有する２〜２０ｎｍの略円形、又は略楕円形の微細析出物が均一に分散しており、又は全ての析出物の９０％以上が３０ｎｍ以下の大きさの微細析出物であって均一に分散している高機能銅管が得られた（表２、３の試験Ｎ０．１、３、７、１０、表８、９の試験Ｎ０．４３、４４、４６、４９、表１２、１３の試験Ｎ０．８１〜８４、８８〜９２、表１４、１５の試験Ｎ０．２０１〜２１３、等参照）。【００９８】
また、加工中央部の金属組織は再結晶しており、結晶粒径が３〜３５μｍである高機能銅管が得られた（表２、３の試験Ｎ０．１〜１１、表４、５の試験Ｎ０．２１〜２４、表６、７の試験Ｎ０．３１〜３５、表８、９の試験Ｎ０．４１〜５５、等参照）。【００９９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る高機能銅管について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と異なり、スピニング加工に代えてスエージング加工、へら絞り、ロール成形等の冷間絞り加工によって耐圧伝熱容器を作成する。【０１００】
（実施例）
第１の実施形態の実施例と同一の高機能銅管を作成し、冷間絞り加工によって耐圧伝熱容器を作成した。作成した耐圧伝熱容器は、製造条件毎に３つ準備した。３つのうち２つは、絞り管部３の一端をりん銅ろう（７mass％Ｐ−Ｃｕ）によって耐圧試験の黄銅製の冶具に接続し、他端をりん銅ろうで、密閉した。これら２つのうちの１つは金属組織、ビッカース硬さ、導電率等の諸特性を調査した。他の１つは耐圧強度を調べた。残りの１つは、ろう付けせずに、耐圧伝熱容器のままで、加工端部５、及び熱影響部６に相当する部分を切り出し、７００℃に加熱されたソルトバスの中に２０秒間浸漬後、取り出し、空冷した。そして、ビッカース硬さと再結晶率を測定した。この７００℃２０秒加熱後のビッカース硬さと再結晶率、及び上記の耐圧強度から耐熱性を評価した。表１８、１９は、これらの方法によって作成した耐圧伝熱容器の結果を示す。
【表１８】
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【表１９】
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それぞれの製造条件を次に示す。
（１）試験Ｎｏ．１１１〜１１４は工程パターンＡによる素管をへら絞り加工している。試験Ｎｏ．１１１、１１２はそれぞれ、合金Ｎｏ．１、１０の発明合金を用い、試験Ｎｏ．１１３は合金Ｎｏ．２３の比較用合金を用い、試験Ｎｏ．１１４はＣ１２２０を用いている。試験Ｎｏ．１１５は合金Ｎｏ．４の発明合金を用いて、上述した工程パターンＥによる素管をへら絞り加工している。試験Ｎｏ．１１６は上記試験Ｎｏ．１１２の後に４６０℃、５０分の熱処理をしている。試験Ｎｏ．１１７は合金Ｎｏ．１０の発明合金を用い、工程パターンＡでの鋳塊加熱温度を９１０℃とした素管をへら絞り加工している。
（２）試験Ｎｏ．１２１、１２２は工程パターンＡによる素管をスエージング加工している。試験Ｎｏ．１２１は、合金Ｎｏ．８の発明合金を用い、試験Ｎｏ．１２２はＣ１２２０を用いている。試験Ｎｏ．１２３は合金Ｎｏ．４の発明合金を用いて、上述した工程パターンＥによる素管をスピニング加工している。試験Ｎｏ．１２４は合金Ｎｏ．８の発明合金を用い、工程パターンＡでの鋳塊加熱温度を９１０℃とした素管をスピニング加工している。
（３）試験Ｎｏ．１３１は合金Ｎｏ．３の発明合金を用い、工程パターンＡによる素管をロール成形加工している。【０１０１】
これら加工方法によって作られた絞り銅管（耐圧伝熱容器）の形状は、スピニング加工で作られたものと同様であるが、スピニング加工と異なり、絞り管部の肉厚は、加工前の管とほとんど差はない。すなわち厚みが厚くならないので、スピニング加工で作られた耐圧伝熱容器より、配管用銅管との接合つまり、ろう付けによる熱影響が大きくなる。Ｃ１２２０を用い、へら絞り加工やスエージングで絞られた銅管（耐圧伝熱容器）の耐圧強度は、スピニング加工で作られたものと比べ、同程度か寧ろ低い。絞り部と素管の厚みに差がないので、他配管等とのろう付けによる接合部に近い絞り加工部８の温度が特に上がり、結晶粒が粗大化する。耐圧強度は、外径と厚みに影響されるので、スピニング加工で加工端部や熱影響部に相当する部分は、ろう付けの熱影響のために温度が上がる。その結果、再結晶し、そして結晶粒が粗大化したため、耐圧性がよくない結果となったと思われる。【０１０２】
一方、当該発明合金の場合、接合部に近い絞り管部３では、ろう付けで約８００℃の高温になることにより再結晶するが結晶粒が細かく、径が小さいので耐圧試験時は、接合部付近では破壊しない。加工端部５は、約７５０℃にまで温度は上がり、軟化はするが、高い強度を保持し、材料径が小さいので破壊しない。熱影響部６は、約７００℃まで上がり、マトリックスは多少軟化するが、ほとんど再結晶しない。耐圧伝熱容器が内圧によって破裂する場合は、多くはこの熱影響部６で破裂する。耐圧強度は、外径に影響されるので、加工端部５、熱影響部６の強度は、スピニング加工の加工端部５、熱影響部６と同等の強度を有しているため、耐圧強度はＣ１２２０より遥かに高かったと思われる。【０１０３】
ろう付け後の当該発明合金は、スピニング加工で作った同じ組成の耐圧伝熱容器と同様に、各部のビッカース硬度は高く、加工端部５に相当する部分の未再結晶率は低い。７００℃、２０秒加熱後のビッカース硬度は、発明合金はいずれも、１３０以上であるのに対し、Ｃ１２２０は、約４０であった。尚、合金Ｎｏ．１３の比較用合金も、７００℃に加熱すると、すべて再結晶し、ビッカース硬度も低かった。このように、へら成形等で作った耐圧伝熱容器において、発明合金は優れた耐熱性を持つ。７００℃で加熱後の熱影響部の金属組織は、いずれも０％の再結晶率であり、すなわち、未再結晶状態であったので、高い耐熱性、高い耐圧性を保持している。【０１０４】
本発明合金は、高い強度を有しながら、延性に富んだ材料であるため、比較的容易にこれらのスエージング加工、へら絞り等の冷間絞り加工によって絞り銅管に成形することができる。これらの加工方法では、殆ど発熱しないので、耐圧伝熱容器は全体に亘って、第１の実施形態の耐圧伝熱容器の直管部７と同様の特性となる。そして、ろう付けしても熱影響部６に相当する部分は、ほとんど再結晶せず、加工端部５に相当する部分も再結晶率が１０〜３０％で、高い強度を保持する。従って、いずれの耐圧伝熱容器もスピニング加工で作った絞り銅管と同等の高い耐圧強度を示している。また、スピニング加工でも絞り加工の度合いが小さくて発熱が少ない場合、これらの冷間加工と同様の結果になる。このように、本発明合金は、冷間加工によっても耐圧伝熱容器を作成することができ、良好な特性を示す。【０１０５】
本実施形態における高機能銅管において、絞り加工部の金属組織の再結晶率が５０％以下、又は熱影響部の再結晶化率が２０％以下である高機能銅管が得られた（表１８、１９の試験Ｎ０．１１１、１１２、１１６、１１７、１２１、１２４参照）。【０１０６】
また、第２の実施形態の変形例として冷間加工によって端部を加工した２つの素管をろう付けして作成した耐圧伝熱容器の試験結果を表２０に示す。
【表２０】
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図５は、この耐圧伝熱容器の側断面を示す。工程パターンＡによって作成した外径２５ｍｍ、肉厚２ｍｍと外径５０ｍｍ、肉厚１．５ｍｍの素管に５５０℃で４時間の完全再結晶焼鈍を行った。焼鈍後に外径２５ｍｍの素管を外径１２．９ｍｍ、肉厚１．６ｍｍに抽伸し、長さ２５ｍｍに切断し、一端をプレス加工によって拡管して外径２２．５ｍｍとした。また、外径５０ｍｍの素管は、焼鈍後に外径３０ｍｍ、肉厚１．２５ｍｍに抽伸し、長さ１５０ｍｍに切断した後、両端をプレス加工によって外径２２．５ｍｍに絞った。そして、外径２２．５ｍｍの２つの管の端同士を、ろう付けによって接合して、耐圧伝熱容器を作成した。作成した耐圧伝熱容器は、高い耐圧強度を示している。このように、本発明合金は、冷間加工後にろう付けを行なっても耐圧強度が高い。【０１０７】
尚、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、管を細くするのに抽伸に代えて管圧延で行ってもよい。また、スエージング加工に代えて、大きな発熱を伴わないスピニング加工、冷間でのしごきや、ロールやプレスによる成形を行なってもよい。また、ろう付けに代えて溶接を行なってもよい。また、耐圧伝熱容器の形状は、管の一端、又は両端を絞った形状に限らない。例えば絞り部が２段になっているような形状でもよい。【０１０８】
本出願は、日本国特許出願２００７−３３１０８０に基づいて優先権主張を行なう。その出願の内容の全体が参照によって、この出願に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】耐圧伝熱容器の側断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る耐圧伝熱容器の作成工程図。
【図３】（ａ）は同耐圧伝熱容器の加工中央部の金属組織写真、（ｂ）は加工端部の金属組織写真、（ｃ）は熱影響部の金属組織写真、（ｄ）は直管部の金属組織写真、（ｅ）は従来の耐圧伝熱容器の加工中央部の金属組織写真、（ｆ）は加工端部の金属組織写真、（ｇ）は熱影響部の金属組織写真、（ｈ）は直管部の金属組織写真。
【図４】（ａ）は同耐圧伝熱容器の加工中央部の金属組織写真、（ｂ）は加工端部の金属組織写真。
【図５】本発明の第２の実施形態の変形例に係る耐圧伝熱容器の側断面図。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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