耐圧性に優れた高強度銅管
C18620「HRSC」の開発
田 中 真 次大石恵一郎
須 崎 孝 一1)
2)
3)

温度は局部的に800°C以上に達する．

.

開 発 の 背 景

我々は高温に加熱されても機械的強度の低下を最小限にとどめること

地球環境保全の観点から空調機器に用いられる冷媒はオゾを目的とし，表に示す 5 種の元

ン層破壊係数の大きい CFC 類フロンから HFC 類フロンへ素を少量添加した「 HRSC 」を開と変化している．将来的には脱フロン化され，自然界に元々発 し た ． HRSC は 2007 年 7 月 ，存在する自然冷媒が使用されていくことが予想される．近CDA に C18620 と し て 登 録 さ れ ている．なお，比較材として 0.026 年，二酸化炭素を冷媒とした給湯システム「エコキュート」が実用化され，急速に普及している．しかし，これら自然冷図1媒は凝縮圧力が大きくなることが問題である．
銅は優れた加工性，ろう付け性，熱伝導性からエアコン，冷凍機などの熱交換器に用いられ，C1220(りん脱酸銅)管が使用されている．銅配管はろう付けによる接続が行われ，高温に加熱されるため機械的強度が著しく低下する．したがっ

エアコン配管部
材．の P を含有する C1220 を用いた．

.

開発合金の諸特性



直管材の耐圧性

一般配管用銅管(以下直管材と称す)の耐圧性を評価するたて高い凝縮圧力の冷媒に適用するために管厚を厚くする必要

め 外 径 9.52 mm ， 管 厚 0.8 mm の 調 質 O 材 ( 結 晶 粒 度がある．特に，エアコンには一般配管よりも太径で絞り加工

HRSC8 mm，C122015 mm)と，その O 材を800°Cで約 5を施した銅配管部材が用いられており，外径の大きな部材で分間保持される炉中ろう付け炉を通過させた管材(以下炉中は一層管厚を厚くしなければいけない．しかし，製品の小型材と称す)を用意した．耐圧試験は 300 mm に切断した直管化，銅価の高騰により使用銅材料の節減の要求が強く，優れ材の両端に接続金具をねじ接続し，水道水を加圧媒体とし，た耐圧性のある銅管が求められている．
表1

.

開 発 の 概 念

エアコン配管部材の外観を図に示す．銅管は還元雰囲気

HRSC

開発合金の化学成分/mass．

Cu

SnCo

ZnNi

P

残部

0.05

0.20

0.05

0.050.055

で炉中ろう付け，または大気雰囲気での手ろう付けにより接合され，りん銅ろう BCuP2 の液相線温度である約 800 °Cで数分間，または800°Cあるいはそれ以上の温度で数秒から数十秒加熱される．また絞り加工銅管は，主に短時間で加工可
能なスピニング加工で製造され，摩擦熱により加工中銅管の三菱伸銅株式会社
三宝製作所開発部
1)サブリーダー 2)フェロー・部長 3)研究員
Development of High Strength Copper C18620 ``HRSC'' withExcellent Pressure Tightness; Shinji Tanaka, Keiichiro Oishi,Koichi Suzaki (Mitsubishi Shindoh Co., Ltd.)2008年11月11日受理

ま て り あ 第48巻 第 3 号(2009)Materia Japan

図2

加圧圧力と管径変化．

加圧圧力 1 MPa 毎に降圧し，外径を破壊するまで測定し

HRSC の微細な結晶組織が破壊圧力はもちろん，変形開始た．図に各サンプルの耐圧試験結果を示す．

圧力を高め，表面割れを生じさせさない結果をもたらしていC1220 の O 材は低圧から塑性変形が始まり，加圧圧力の上昇と共に変形量は増加する． HRSC の場合，変形の開始圧力が高く，圧力上昇にともなう管径の増大率は低い．炉中ると考える．


絞り加工管の耐圧性材は O 材よりも低圧で変形し始め，破壊圧力も低くなる．

図に絞り加工管表に 0.2 mm 外径が増した時および破壊時の圧力(以下その外観写真および断れぞれ P0.2mm および PB と称す)を示す．

面形状を示す．絞りHRSC の O 材の破壊圧力( PB )は C1220 の 1.5 倍以上であ加工管の素材は調質る．また，塑性変形初期の圧力(P0.2mm )を比較すると，そのH 材 ， 外 径 を 55差は2.3倍以上に拡がる．

mm と し ， 管 厚 を

HRSC 炉中材の PB は C1220 の 1.6倍であり， P0.2mm は 2.8倍 以 上 に な る ． ま た HRSC の 炉 中 材 の PB ， P0.2mm は ，

図5HRSC 絞り加工管(1.25 mm)．

C1220 は 1.55 mm，
HRSC は1.25, 0.96,

C1220 の O 材と比較してもそれぞれ 1.3 倍以上， 2.0 倍以上0.67, 0.48 mm とした．HRSC は熱間での加工性も良好であで，800°Cに加熱されても耐圧性の低下は少ない．

り，高い強度を有しているためスピニング加工中に座屈など

図に炉中材の耐圧試験後の破壊部分および外径が 0.5することなく， 0.48 mm の薄肉材でも絞り加工することがmm 変形した直管部の表面状況を示す． C1220 はサンプル可能であった．絞り加工管の両端部はスピニング加工により全域に凹凸模様が見られ，変形部には微細な表面割れが生じ直管部分より厚肉になっている．なお，スピニング加工は高ている．一方， HRSC は滑らかな表面のままである．表面

速回転するダイスに管材を押し当て，その摩擦により発熱さ割れにより新生面が現れると，使用中の応力腐食割れ感受性せて，塑性変形させる方法であり，部分的に管材の温度はが高くなり，また疲労強度も低下することが予想される．

800°
Cを越える．

図に炉中材の断面ミクロ組織を示す．800°
Cで 5 分間加図に耐圧試験後熱しても HRSC は結晶粒度が 10 mm と微細組織を維持するの絞り加工管の外観のに対し，C1220 の結晶粒度は 150 mm に粗大化する．このを示す．耐圧試験は

表2

手ろう付けにより絞耐圧試験結果．

り加工管の一端を封加圧圧力/MPa

サンプル

じ，他端に黄銅製継P0.2mm

PB

40.152.3

C1220

17.034.3

HRSC

34.3

46.6

12.029.1

品

種調質

HRSC
O材

C1220

炉中材手を接続した．破壊
図6

耐圧試験後の絞り加工管．
(1) HRSC(0.48 mm)，(2) C1220(1.55 mm)

部は両サンプルとも絞り加工部近傍の直管部分で起こっている ． HRSC は 破 壊

近傍に膨らみが認められるのみで，直管部および絞り加工部ともに大きな変形は認められない．しかし， C1220 は破壊部を中心として大きく膨れており，直管部だけでなく絞り加工部にも変形が認められる．破壊部が絞り加工部近傍に認められるのはスピニング加工および手ろう付けの熱影響により，直管部分まで材料温度が上昇し，強度低下したためと推測する．なお，絞り加工部は，直径が小さく，厚肉になることによって直管部より耐圧性が高くなり，変形し難くなっている．

図3

耐圧試験後の破壊部および表面状態．
(1), (2) HRSC炉中材，(3), (4) C1220炉中材(2), (4) 外径 0.5 mm 変化部

図に絞り加工管の耐圧試験結果を示す． HRSC は破壊前までほとんど変形することなく，破壊圧力に達しているのに対し， C1220 は低圧側で変形が始まり，圧力の上昇とともに外径変化量が大きくなる．
図に管厚と PB および P0.2mm の関係を示す．HRSC の耐圧性はほぼ管厚に比例している．管厚 1.55 mm の C1220 と同等の破壊圧力および 0.2 mm 外径変化時の圧力を得るための HRSC の管厚は，図 8 からそれぞれ 0.77 mm ， 0.19 mmとなる．管厚から求めた HRSC の耐圧性(PB )は C1220 の 2

図4




炉中ろう付け装入後の金属組織．
(1) HRSC，(2) C1220倍であり，初期変形時の場合 8 倍と非常に大きな差が生じている．直管材と比較すると外径の大きい絞り加工管の方が新技術・新製品

図7

絞り加工管の耐圧性．

図10

図8管厚と耐圧の関係．

図11

HRSC 絞り加工管の TEM 像．
(1) A 部絞り加工先端，(2) B 部絞り加工部
中央

HRSC の耐圧性の向上率は大きく， HRSC の優位性がよりの受ける度合いで差がある．A 部は短時間ではあるが800°C明確になる．
を超える高温状態となるため再結晶化する．一方析出物は，絞り加工管の金属組織温度上昇中に生成し，成長するが，多くは消滅することなく
図に絞り加工管の断面ミ

図9

金属組織観察部位．

絞り加工管の断面ミクロ組織および硬さ．

残留するため，再結晶粒の成長を抑制する．また炉中材におクロ組織観察部位の模式図おいても，析出物の分布は A 部と同様であることを確認してよび図に耐圧試験前の各部いる．他方 B 部では，Sn の固溶と Co，P の微細析出物によ位の断面ミクロ組織を示し，り再結晶化を遅らせ，さらに析出粒子が微細であるので，幾硬さ測定結果も合わせて示分硬化に寄与していると考える． C 部は， C1220 が再結晶す．絞り加工時の強加工部化する程度の熱影響しか受けないため再結晶化せず，素管と(A)は材料とダイスが接触している時間が長く，また手ろう同等の高い強度を維持する．

付けで直接加熱される部分であり，最も温度が上昇する部位

以上のように HRSC 管は，スピニング加工やろう付けのである．その部分から直管部分へと移るにつれ加工時および熱影響を受け，高温に加熱されても再結晶化し難く，また再ろう付け時の熱影響は小さくなる． HRSC の場合， A 部は結晶後も再結晶粒の成長が抑制されるため，優れた耐圧性を再結晶組織であり，結晶粒度は炉中材と同様に微細で 12備える．

mm である．B 部は，スピニング加工による金属組織の流れが明瞭に認められ，ほとんど再結晶していない．C 部は，素.

まとめHRSC の破壊圧力は C1220 と比較し，絞り加工管で管時の加工組織のままである．一方， C1220 は，いずれの部位も再結晶組織で，A 部では炉中材と同様，結晶粒が 150mm に粗大化しており，B 部で 75 mm，C 部で 20 mm である．

硬さについて HRSC の場合，ビッカース硬さは，素管で144であったのが，A 部は，再結晶化により約 1/2 にまで低下している．B 部では，依然として高い値を示し，C 部においては素管とほぼ同じ値である．C1220 は素管で110であったが，再結晶化によりいずれの部位も 1 / 2 から 1 / 3 に低下

2 倍，ろう付け炉に装入した直管で 1.5 倍であり，それぞれ管厚を 1/2，2/3 にすることが可能である．初期変形圧力に関しては，破壊圧力以上にその割合が拡がる．


HRSC は 800 °C に加熱しても Co と P の析出物によって結晶粒の成長が抑制されるので直管材で高い耐圧性を示す．


HRSC はスピニング加工，ろう付けの熱影響を受けしている．なお，HRSC はいずれの部位においても，C1220ても再結晶化し難く，高い強度を維持するため，絞り加工銅に比べ 2 倍以上の硬さ指数を示す．

管において高い耐圧性能を示す．

透過電子顕微鏡で， HRSC 絞り加工管の A および B 部の析出物の分布を調べた結果を図に示す．なお，B 部はわず.

特許

かに再結晶している部分を観察した．両部位ともに Co2P を主とする析出物が均一に分布していることが観察されるが，析出物の粒径は A 部で約 15 nm，B 部は約 4 nm で，熱影響

ま て り あ 第48巻 第 3 号(2009)Materia Japan

国内では特許第3878640号として成立し，国外にも出願している．

