(57)【要約】【課題】オーステナイト系ステンレス鋼と同等の屋外環境における耐食性を有した素材で、溶接やろう付け、スピニング加工によって加熱されて焼きなまされた状態であっても、りん脱酸銅より高い０．２％耐力を備えている冷媒タンクを安価で提供する。【解決手段】スピニング加工により鋼管の端部を縮径加工し、その端部に他の部品を溶接あるいはろう付けで接合して形作られるガスヒートポンプ用冷媒タンクの素材として、ＣｕとＮｂを各々０．２質量％以上添加したフェライト系ステンレス鋼管を用いる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピニング加工により鋼管の端部を縮径加工し、その端部に他の部品を溶接あるいはろう付けで接合して形作られるガスヒートポンプ用の冷媒タンクであって、ＣｕとＮｂを各々０．２質量％以上添加したフェライト系ステンレス鋼管を素材として形作られていることを特徴とするガスヒートポンプ用ステンレス鋼製冷媒タンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスヒートポンプに用いられる、縮径加工となるスピニング加工が施されて形作られる冷媒ガス流通用のステンレス鋼製の冷媒タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスヒートポンプは空調機などの熱交換機器として用いられており、例えば空調機のように、室外機に組み込まれて屋外に設置される場合が多い。また、ガスヒートポンプは、ＣＯ２やＨＦＣ系フロンなどの冷媒ガスの圧縮と膨張によって熱交換機能を生み出しているが、冷媒ガスの流通路としてはりん脱酸銅製の冷媒タンクが使用されていて、コンプレッサーにより冷媒ガスを供給している。
一般にりん脱酸銅製の冷媒タンクは、素管の両端をスピニング加工によって縮径し、その縮径部分にりん脱酸銅製の配管をりん銅ろう材によるろう付けで接合してガスヒートポンプに組み込まれている。
【０００３】
このような状況下で使用される冷媒タンクに必要な特性としては、室外機として屋外に設置されるために室外環境での耐食性と、コンプレッサーから供給させる冷媒ガスの圧力に対する耐圧性が挙げられる。特に耐圧性は、配管の破壊に繋がるために重要であり、コンプレッサーの異常動作による圧力上昇も考慮して、一般的に常用圧力より高い圧力での耐圧性能が要求されている。
【０００４】
しかし、りん脱酸銅を素材とした冷媒タンクは、配管との接合をろう付けで行っているため、これの加熱によって冷媒タンクの強度が低下する場合がでてくる。ろう付けで使用されるりん銅ろう材の融点は約７９０℃であることから、前記の冷媒タンクは約８００℃に加熱されることになる。この状態まで加熱されると、りん脱酸銅製の冷媒タンクは結晶粒が粗大化して機械的性質（引張強さ，降伏応力，硬さ等）が低下してしまう。
【０００５】
例えば、硬さに関しては、一般に銅は２００℃以上に加熱した場合は常温時の硬さと比べて約１／２までに低下してしまうため、加熱箇所からの熱伝導によって接合部のみならず広い範囲での硬さ低下を招いてしまう。このような降伏応力が低下した状態で冷媒タンク内に冷媒ガスを供給すると、冷媒ガスの圧力は２０ＭＰａ以上になる場合があるため、加熱によって降伏応力が低下した部分では変形して冷媒ガスの流れが滞ったり、冷媒タンク自体に影響を与える恐れがでてくる。
【０００６】
また、冷媒タンクに施されるスピニング加工により加工発熱が発生する場合もある。スピニング加工は、図１に示すように素管２に加工ローラ１を押し込んで、素管２と加工ローラ１を相対的に回転させる加工方法であり、大径部分から小径部分に渡る部分は材料が伸ばされる状態となるために加工発熱が起こり、通常は４００℃以上となる。この場合はろう付けによる加熱の作用と重なってより一層の降伏応力の低下が発生してしまう。特にスピニング加工を施す冷媒タンクに対しては、他の加工と比べると加工発熱が大きくなるので厚肉化となる傾向がある。
したがって冷媒タンクの板厚は、それらの影響を考慮して必要以上に厚くしなければならず、りん脱酸銅製の冷媒タンクは、厚肉化により質量が増加して施工性の悪化を招いたり、銅の使用量増加によるコスト上昇が問題となっている。
【０００７】
冷媒タンクの耐圧性を向上させるためには、加熱されて空冷された場合、つまり焼きなまし状態でも高い降伏応力を有する材料を用いることで改善できる。
例えば、特許文献１においてはＣｏやＰ、Ｓｎ、Ｚｎを一定の割合で添加して降伏応力を向上させた銅合金が提案されている。しかし、このような銅合金では、耐圧性は改善されるものの、各種の金属を添加する必要があるため素材のコスト上昇を招いてしまう問題をもっている。
【０００８】
また、焼きなまし状態でのりん脱酸銅より高い降伏応力を持つ材料としては、鉄系材料が挙げられるが、冷媒タンクは屋外に設置される室外機に組み込まれるため、屋外環境における耐食性を有しておく必要がある。
一般に高耐食性を有する鉄系材料としては、ＺｎやＺｎ系合金、あるいはＡｌを表面に被覆しためっき鋼板やオーステナイト系ステンレス鋼板が挙げられるが、めっき鋼板はスピニング加工を施した際に損傷を受けてめっき厚が薄くなったり、消失してしまう。このため、実質的にはオーステナイト系ステンレス鋼板を用いることによってのみ耐圧性と屋外環境での耐食性を満足することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３８７８６４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
冷媒タンクとしては、ろう付けやスピニング加工によって加熱されて焼きなまされた状態であってもりん脱酸銅より高い０．２％耐力を有し、屋外環境における高耐食性も備えたオーステナイト系ステンレス鋼が適している。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は、Ｎｉが添加されているため材料コストが高くなりがちであり、変動しやすいＮｉ価格によって材料自体の価格も大きく変動して使用しにくい面を持ち合わせている。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、オーステナイト系ステンレス鋼と同等の屋外環境における耐食性を有した素材で、ろう付けやスピニング加工によって加熱されて焼きなまされた状態であってもりん脱酸銅より高い０．２％耐力を備えている冷媒タンクを安価で提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のガスヒートポンプ用ステンレス鋼製冷媒タンクは、その目的を達成するため、ススピニング加工により鋼管の端部を縮径加工し、その端部に他の部品を溶接あるいはろう付けで接合して形作られるガスヒートポンプ用の冷媒タンクであって、ＣｕとＮｂを各々０．２質量％以上添加したフェライト系ステンレス鋼管を素材として形作られていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のスピニング加工により鋼管の端部を縮径加工し、その端部に他の部品を溶接あるいはろう付けで接合して形作られるガスヒートポンプ用の冷媒タンクにおいては、所望形状への塑性加工が施された後の焼きなまし状態でりん脱酸銅よりも高い０．２％耐力を有するフェライト系ステンレス鋼を用いることから、溶接やろう付け、スピニング加工による加熱で焼きなまされても耐圧性能が保持されており、２０ＭＰａ以上の冷媒ガスが供給されても変形することがない。
【００１４】
また、素材であるフェライト系ステンレス鋼にＣｕとＮｂを各々０．２質量％以上添加していることから、屋外環境においてもりん脱酸銅やオーステナイト系ステンレス鋼と同等の耐食性を有することができる。
つまり、耐圧性能や耐食性に優れた安価なガスヒートポンプ用の冷媒タンクを供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】スピニング加工の概要を説明する図
【図２】塩水噴霧試験での一般的なオーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、及び本発明で用いたフェライト系ステンレス鋼の耐食性の違いを説明する図
【図３】実施例でのスピニング加工を施して形作った冷媒タンクの形状を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者等は、円筒管の両管端にスピニング加工を施して形作る冷媒タンクの軽量化と低コスト化を図るために種々検討を重ねた。
現状のりん脱酸銅製の冷媒タンクは、スピニング加工や他の配管とのろう付けによって加熱されて焼きなまされるため０．２％耐力が低下し、それによって冷媒ガスの圧力に抗する耐圧性能が低下することが問題である。そのため、焼きなまされてもりん脱酸銅より０．２％耐力が高い鉄系材料のうち、比較的安価で、価格が安定しているフェライト系ステンレス鋼で検討した。
【００１７】
しかし、屋外環境下においては、一般的にオーステナイト系ステンレス鋼は使用されているものの、フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼よりも耐食性は劣っている。そのため、本発明者らはＣｕとＮｂを添加して耐食性を向上させたフェライト系ステンレス鋼に着目した。
【００１８】
フェライト系ステンレス鋼の０．２％耐力は、焼きなまし状態でも３７０Ｎ／ｍｍ２程度であり、りん脱酸銅の約６０Ｎ／ｍｍ２よりかなり高いため耐圧性能としては十分な能力を有している。
また、フェライト系ステンレス鋼の耐食性は、図２に示すように、代表的なＳＵＳ４３０とＳＵＳ３０４での塩水噴霧試験（ＪＩＳ  Ｚ  ２３７１）における比較において、ＳＵＳ４３０は耐食性がＳＵＳ３０４より劣るものの、ＣｕとＮｂを各々０．２質量％以上添加したフェライト系ステンレス鋼はＳＵＳ３０４と同等の耐食性を有することが判明した。
なお、図２のレイティングナンバとは、ＪＩＳ  Ｚ  ２３７１附属書１に記載のレイティングナンバ法に基づいて評価した塩水噴霧試験結果の判定である。
この予備試験で用いたＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４及びＣｕとＮｂを各々０．２質量％以上添加したフェライト系ステンレス鋼（本発明資材）の成分組成は表１に示す通りである。
【００１９】
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【００２０】
さらに、屋外環境での耐食性評価として表２に示す塩水噴霧試験（ＪＩＳ  Ｚ  ２３７１）と亜硫酸ガス腐食試験を基にした複合試験を２サイクル実施した場合において、表３に示すようにＣｕとＮｂを各々０．２質量％以上添加したフェライト系ステンレス鋼はＳＵＳ３０４と同等の耐食性し、屋外環境における耐食性の課題を解決した。
【００２１】
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【００２２】
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【００２３】
これらの耐食性向上に対するＣｕの作用はアノード電流を低下させて不働態皮膜を安定化させる効果であり、Ｎｂの作用はＮｂＣを形成することによって粒界へのＣｒ炭化物の析出を抑制してＣｒ欠乏を抑える効果である。ＣｕとＮｂの各々の添加量の上限は、何れも０．８質量％とすることが望ましい。Ｃｕの場合は添加量が多くなりすぎると逆に耐食性が低下してしまうためであり、Ｎｂの場合は添加量が多すぎると溶接時の耐高温割れ性が低下してしまうためである。
以上に示した効果により、ＣｕとＮｂを各々０．２質量％以上添加したフェライト系ステンレス鋼の使用で、りん脱酸銅を素材とした場合よりも軽量化を実現でき、耐圧性や耐食性の品質も確保した冷媒タンクを実現することができる。
【００２４】
なお、基本となるフェライト系ステンレス鋼としては、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．３％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ｃｒ：１０〜２０％、Ｎ：０.０５％以下、Ｎｂ：０．２〜０．８％、Ｃｕ：０．２〜０．８％を含有するものが好ましく、必要に応じてさらに、Ｎｉ：０．２〜０．８％、Ｍｏ：０．２〜０．８％、Ｔｉ：０．０５〜０．２％の１種以上を含有するものが好ましい。
さらに、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、ＲＥＭ（希土類元素）等の元素を含むものであっても良い。
【００２５】
Ｃ、Ｎは、耐食性の面からはＳＵＳ４３０やＳＵＳ４３４に含まれる程度でよいが、強度の成形加工や溶接加工が施される場合において、加工性、耐食性ならびに耐粒界腐食性、あるいは靭性の面からＣ、Ｎは低ければ低いほど好ましい。一方、Ｃ、Ｎを低めることは精錬時間の延長を来たし製造コストの上昇を招く。これは、Ｃ、Ｎを固定する作用を有するＮｂを適量添加することである程度の含有は許容される。このため、Ｃは０．０８質量％以下、Ｎは０．０５質量％以下とするが、加工性や溶接部、ろう付け部の耐食性あるいは靭性が要求される場合には、Ｃは０．０３質量％以下、Ｎは０．０２質量％以下にするのが好ましい。
【００２６】
Ｓｉは、脱酸作用を有しており、後述するように同様の作用を有するＭｎを耐食性の面から減少させるので多い方が望ましい。しかし、多すぎると鋼を硬化させ加工性を損ない、また溶接時の高温割れや溶接部靭性に対しても有害であるので上限を１．０質量％とする。
【００２７】
Ｍｎは、硫化物形成能が強く、鋼中のＳと結合し水溶液中で不安定で発錆の起点となりやすいＭｎＳを形成し、耐食性を劣化させるので低いほうが望ましい。Ｍｎが低くなるに従って孔食電位は貴となり、耐食性が改善される。有意な耐食性を得るためにはＭｎを０．３質量％以下にする必要がある。
【００２８】
Ｓは、上述のようにＭｎと結合し耐食性に有害であり、低い方が望ましい。有意な耐食性を得るためには、Ｓは０．００３質量％以下にする必要がある。特に過酷な条件下で使用される場合には０．００２質量％以下にするのが好ましい。
【００２９】
Ｃｒは、不動態皮膜の主要構成元素であり、不動態効果を得るには少なくとも１０質量％のＣｒを必要とする。Ｃｒの増加は鋼の脆化を招き加工時の割れや肌荒れを生じやすくなり、かつ軟質性が損なわれる。またCrの増加により製造が困難となり製造コストの上昇を招く。これらの理由から２０質量％を上限とする。
【００３０】
Ｎｂは、鋼中のＣ、Ｎを固定する元素として知られており、通常加工性および溶接部の諸特性を改善するのに添加されているが、これらの効果の他にＮｂＣ形成による粒界へのＣｒ炭化物の析出抑制により耐食性改善効果を有する。Ｎｂの下限は、粒界腐食を防止するためＣ、Ｎの固定に必要な量から０．２質量％とする。一方Ｎｂはその含有量が高くなり過ぎると、溶接やろう付け時の耐高温割れ性が低下し、靭性を損なうので０．８質量％を上限とする。
【００３１】
Ｃｕは、アノード電流を低下させることによる不働態皮膜の安定化により耐食性改善効果を有する。安定した耐食性改善効果を得るために下限は０．２質量％とする。過剰の添加は、加工性を低下させると共に耐食性も低下させるため０．８質量％を上限とする。
【００３２】
Ｎｉは、耐食性に対しては腐食の進行を抑制する効果がある。またＮｉはフェライト系ステンレス鋼材の靭性改善にも有効である。このため、本発明では必要に応じてＮｉを含有させることができる。上記の作用を十分に発揮させるためには０．２質量％のＮｉ含有量を確保することがより効果的である。ただし、過剰のＮｉ含有は鋼材の加工性を低下させる要因になるので、Ｎｉを添加する場合は０．８質量％以下の含有量範囲で行う。
【００３３】
Ｍｏは、一般的にはＣｒの存在下でステンレス鋼の耐食性を高める作用がよく知られている。このため、本発明では必要に応じてＭｏを添加することができる。種々検討の結果、Ｍｏによるステンレス鋼の耐食性を高める作用を十分に発揮させるためには０．２質量％のＭｏ含有量を確保することがより効果的である。しかし過剰のＭｏ添加は加工性低下やコスト増を招くので、Ｍｏを添加する場合は０．８質量％未満の範囲で行う。
【００３４】
ＴｉはＣ、Ｎを固定し、粒界腐食を抑制するのに有効な元素である。また、固溶Ｔｉは耐食性向上に寄与するとともに、化学的に安定な硫化物を生成し耐孔食性を改善する。このため、本発明では必要に応じてＴｉを添加することができる。上記作用を十分に発揮させるには０.０５質量％のＴｉ含有量を確保することがより効果的である。ただし、多量のＴｉ含有は鋼材の表面品質低下や溶接性低下を招く。Ｔｉを添加する場合は０．２質量％以下の範囲で行う。
【００３５】
その他、ステンレス鋼にはＭｇ、Ｃａ、Ｂ、ＲＥＭ（希土類元素）等の元素が混入する場合がある。これらはスクラップ等の副原料などから不可避的に混入したものであるが、耐食性が損なわれない許容量として、これらの元素の合計含有量は０.０１質量％とすることが好ましい。
【００３６】
上記のように、Ｃｕ，Ｎｂ含有量等が調整されたフェライト系ステンレス鋼を、通常と同じ態様で溶製し、通常の鋳造、熱延、焼鈍、冷延、仕上げ焼鈍を行って所定厚の冷延焼鈍板を得た後、通常の造管方法で所望のパイプ寸法にし、所定の長さに裁断すれば本発明の冷媒タンクに使用可能な溶接管が得られる。この溶接管の両管端にスピニング加工を施して所定形状に整えることにより冷媒タンクが形作られる。
【実施例】
【００３７】
供試材として、板厚が１．５ｍｍと２．０ｍｍのＣｕを０．４４質量％、Ｎｂを０．３９質量％添加した上記表１中の本発明資材なる成分組成を有するフェライト系ステンレス鋼板を素材とした直径Φ８０ｍｍのＴＩＧ溶接管の両管端に、図３に示す寸法でスピニング加工した。
この加工品に対して水圧２０ＭＰａを加工品の内側に与えて耐圧性能を評価した。加工品の両管端は、同じ材質の栓をＴＩＧ溶接で封止した。このため、加工品には、１，５００℃以上の加熱が行われたことになる。
【００３８】
また、比較として板厚２ｍｍと３ｍｍのりん脱酸銅を用いた同じ形状・寸法のスピニング加工品も耐圧評価を実施した。りん脱酸銅の加工品に対する封止は、同じ素材の栓をりん銅ろうでろう付けした。
耐圧評価の結果、表４に示すように、Ｃｕを０．４４質量％、Ｎｂを０．３９質量％添加したフェライト系ステンレス鋼の場合は板厚２ｍｍで、りん脱酸銅の場合は板厚３ｍｍで変形は発生せず、これにより約４０％の軽量化が可能となった。
【００３９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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