銅鎳合金管材冷作彎管工法比較分析：以C70600與C71500為例 (Analysis of Cold Bending Methods for Copper-Nickel Alloy Tubes: A Comparison of C70600 and C71500)

摘要

本報告針對兩種主流的銅鎳合金管材，即 C70600 (90/10) 和 C71500 (70/30)，進行冷作彎管工法的比較分析。分析範圍涵蓋材料的本質特性、彎曲過程中的物理與機械變化、加工後的品質控制，以及最終的成本效益與應用場景權衡。

研究顯示，C70600 管材因其出色的延展性與相對較低的屈服強度，在冷作彎管時表現出極佳的成形性，所需加工力較小，且加工成本具備明顯優勢。這使其成為大多數海洋及工業應用中，最具經濟效益且廣泛使用的選擇。

相較之下，C71500 管材憑藉其更高比例的鎳含量，提供了卓越的耐腐蝕性和更高的強度，特別適用於高流速、高壓或極端腐蝕的嚴苛環境。然而，其優越的機械性能也帶來了加工上的挑戰。較高的屈服強度和硬度意味著冷彎曲需要更強力的設備和更精密的模具。此外，加工過程中產生的顯著殘餘應力使得應力消除退火成為保障其長期服役可靠性的必要步驟，進而增加了整體製造成本和工法複雜性。

綜上所述，報告的最終結論是：C70600 適用於大多數對成本敏感且性能要求在常規範圍內的工程應用；而 C71500 則專為關鍵任務系統設計，儘管其初始成本和加工難度較高，但其無可比擬的耐久性和可靠性，能在最嚴苛的服役條件下提供最佳的長期效益。選擇何種材料，應根據具體的應用需求進行綜合評估，而非僅憑單一維度的考量。

 

1.    引言：冷作彎管技術與銅鎳管材綜述

銅鎳合金因其獨特的材料性能，已成為海洋、近海石油與天然氣、海水淡化、以及多種工業應用中不可或缺的管路材料 ¹。這類合金具備出色的耐海水腐蝕能力、抗應力腐蝕開裂性，以及優異的抗生物附著特性，使其在與高鹽度或高流速水體接觸的環境中表現卓越 ¹。

在管路系統的製造過程中，彎管是一項至關重要的成形技術。冷作彎管（Cold Bending）作為一種在室溫下對管材施加彎矩，使其發生塑性變形以形成特定曲率的工法，相較於熱彎曲具有多項優勢 ⁴。其優點包括：避免了高溫下材料可能發生的氧化與晶粒粗大化、提高了尺寸精度與表面品質，同時減少了對額外熱源的需求。

本報告旨在針對兩種在國際上最為常見的銅鎳管材等級——C70600（90%銅、10%鎳）和 C71500（70%銅、30%鎳）——在冷作彎管工法中的材料行為、加工特性、後續處理與成本效益進行深入的技術比較。報告將從材料的本質機械性能出發，闡釋這些特性如何決定其冷作彎曲的難易程度，進而分析加工過程中產生的物理變化、品質控制要點，並最終提供基於全面分析的應用選擇建議。

 

2.    銅鎳管材之材料特性與機械性能

冷作彎管的核心是利用材料的塑性變形能力。因此，理解兩種銅鎳合金的機械性能，特別是屈服強度、拉伸強度和延展性，是評估其冷作彎曲適用性的基礎。

 

2.1 C70600 (90/10) 特性詳析

C70600，亦稱 CuNi10Fe1Mn，其化學成分大致為 90% 銅、10% 鎳，並添加了少量的鐵（1.0-2.0%）和錳（0.5-1.5%）。鐵的添加對於增強其在海水中的耐侵蝕和沖蝕能力至關重要。

從機械性能來看，C70600 展現出良好的延展性與適中的強度，使其成為一種易於冷加工的材料 ³。其退火態的典型機械性能數據如下：

• 2% 屈服強度（Proof Strength）：約為 100-130 MPa ⁷。
• 拉伸強度（Tensile Strength）：約為 300-380 MPa ¹。
• 延展率（Elongation）：約為 30% ⁷。

 

2.2 C71500 (70/30) 特性詳析

C71500，對應歐洲標準的 CuNi30Mn1Fe，含有約 70% 銅和 30% 鎳，鐵含量通常控制在 0.5-1.0%，錳則低於 1.0%。更高的鎳含量使其在耐腐蝕性方面表現更為優越，尤其是在高流速、高溫或含酸性物質的環境中 ¹。

由於鎳含量的增加，C71500 在所有關鍵強度指標上均優於 C70600，同時其硬度也更高 ¹。其退火態的典型機械性能數據如下：

• 2% 屈服強度：約為 120-130 MPa ¹。
• 拉伸強度：約為 350-390 MPa ¹。
• 延展率：約為 35% ¹。

 

2.3 關鍵機械性能比較與冷作彎管適用性

下表直觀地呈現了兩種合金在關鍵機械性能上的差異，這些數據為後續的加工性分析奠定了量化基礎。

表格一：C70600與C71500合金機械性能對比                                                   (資料來源：¹)

性能指標	C70600 (90/10)	C71500 (70/30)
0.2% 屈服強度 (MPa)	100-130	120-130
拉伸強度 (MPa)	300-380	350-390
延展率 (%)	30-34	35-45
硬度 (Hv)	90	100

從表中可以看出，C71500 在所有強度指標上均優於 C70600，其更高的硬度也驗證了這一點。這種強度上的差異直接影響了冷作彎管的加工難度。高強度材料的屈服點更高，這意味著在進行塑性變形時，需要施加更大的成形力才能達到彎曲所需的應變 ¹⁰。

值得注意的是，在某些商業資料中曾出現聲稱 C70600 比 C71500「更硬」的說法 ¹¹，這與來自權威機構（如 Nickel Institute）發布的數據相矛盾 ⁷。這種差異很可能源於對比了不同回火狀態（temper）的材料。材料的最終機械性能不僅取決於其化學成分，還受到熱處理和冷加工歷史的影響。因此，在進行專業評估時，必須參考來自可靠來源、並明確標示材料狀態的數據，以避免因資訊不準確而導致的決策失誤。

 

3.    冷作彎管工法原理及其對管材的影響

 

冷作彎管作為一種塑性成形工法，其本質是通過外部施加的彎矩，使管材局部區域的應力超過其屈服強度，從而產生永久性變形。這個過程會對管材的微觀結構和宏觀幾何形狀產生一系列深遠的影響。

 

3.1 塑性變形機制與加工硬化

當材料發生塑性變形時，其內部晶格結構中的位錯（dislocations）會增殖和移動。這些位錯在運動過程中會相互纏結，或者被晶界、析出相阻礙，導致位錯密度顯著增加 ¹²。這種現象在宏觀上表現為材料強度的提升與硬度的增加，這被稱為「加工硬化」（Work Hardening）或「應變硬化」（Strain Hardening）¹³。

對於銅鎳合金而言，冷作彎管的加工硬化效應是顯著的。彎曲後，管材彎曲段的強度會有所提升，但同時其延展性會有所下降 ¹²。這是一種性能上的權衡：強度增加是以犧牲部分延展性為代價。對於 C71500 這種初始強度就較高的合金，其加工硬化效應更為突出，最終彎曲段的強度也將更高，但這也意味著其延展性損失會更為明顯，並可能產生更高的殘餘應力。

 

3.2 彎曲引起的幾何與結構變化

冷作彎管過程中，管材的橫截面會產生不均勻的應變。

• 壁厚變化： 彎曲內弧受壓縮應力，其壁厚會略微增加；而外弧受拉伸應力，其壁厚會減薄 ⁴。儘管這種變化通常在可控範圍內，但過度的壁厚減薄會降低管道的承壓能力，並可能影響其在服役中的結構完整性。
• 截面變形： 彎曲也會使管材的圓形截面變為橢圓形，即產生「橢圓度」（Ovality）。橢圓度過大不僅影響管道的美觀，更可能對流體輸送造成不利影響，例如阻礙清管器（pigs）的順利通過 ⁴。國際標準通常要求冷彎管的橢圓度不超過0% ⁴。此外，內弧受壓還可能產生波浪度，波浪度過高會降低管材的疲勞性能和局部力學性能 ⁴。

3.3 彎曲半徑與材料特性的關聯

管材彎曲半徑與管材厚度之比（通常表示為 R/T 比值，其中 R 為彎曲半徑，T 為管壁厚度）是決定冷作彎管難度的關鍵參數 ¹⁰。材料的延展性、屈服強度和硬度直接決定了安全彎曲所需的最小半徑。

• 延展性較高的材料（如 C70600）能夠承受較小的彎曲半徑而不發生開裂 ¹⁰。
• 強度和硬度較高的材料（如 C71500）則需要選擇更大的彎曲半徑才能安全成形，以避免外弧因拉伸過度而開裂 ¹⁰。

這也說明了，在空間緊湊的管道佈置中，延展性更好的 C70600 提供了更大的設計自由度。冷作彎管不僅改變了管材的幾何形狀，還改變了其內部微觀結構和力學性能。這種改變，如外弧壁厚減薄和加工硬化引起的殘餘應力，會直接影響管道在實際服役中的性能。因此，冷作彎管的品質控制，必須從材料的本質特性出發，並考慮其對最終產品性能的連鎖影響。

 

4.    C70600 與 C71500 冷作彎管之深度比較分析

 

4.1 彎曲成形性與難度評估

C70600 (90/10)：

C70600 具有良好的冷加工能力 5。其相對較低的屈服強度（約 100-130 MPa）意味著，在冷彎曲時僅需較小的成形力便可使其進入塑性變形階段 1。同時，其約 30% 的高延展率使其能夠承受相當大的應變而不發生斷裂 7。這使得 C70600 在加工時不易產生裂紋，且對彎管設備的功率要求較低，模具磨損也相對較小。因此，從加工性角度來看，C70600 是一種非常「友善」的材料，能夠大幅簡化製造流程。

 

C71500 (70/30)：

C71500 的冷加工難度顯著高於 C70600。其更高的屈服強度（約 120-130 MPa）和硬度（100 Hv）要求彎管設備必須提供更大的彎曲力矩來克服材料的變形抗力 1。這不僅增加了對設備能力的投資，也對彎管模具的材料和硬度提出了更高要求，以抵抗更大的磨損。雖然 C71500 的延展率（約 35%）略高於 C70600，但由於其強度極高，在彎曲外弧時的拉伸應力會更快達到其材料極限，因此必須嚴格控制彎曲參數，特別是維持較大的彎曲半徑，以防止外弧發生應力開裂。

 

4.2 加工硬化效應與性能權衡

冷作彎曲會使兩種合金的彎曲段發生加工硬化，導致強度增加和延展性下降。然而，這種效應對兩者的影響程度與後果有所不同。

• C70600： 彎曲後，其強度和硬度會得到適度提升，這對大多數應用而言是可接受甚至有利的，因為其原始延展性足以應對加工後的損失。
• C71500： 由於初始強度更高，加工硬化效應在其身上表現得更為明顯 ¹³。這會使彎曲段的最終強度達到非常高的水準，使其更適合承受高壓環境。然而，這也意味著彎曲段的延展性會下降得更多，並可能產生更高的殘餘應力。對於旨在應用於極端條件的 C71500 而言，這種高殘餘應力是一個不可忽視的風險。

 

5.    冷作彎管後的後處理與品質保證

 

冷作彎管在帶來幾何形狀變化的同時，也在管材內部引入了殘餘應力。如果不加以處理，這些殘餘應力可能會成為潛在的結構弱點，特別是在腐蝕性環境中。

 

應力消除退火的重要性與工法參數

冷作彎曲產生的殘餘應力，尤其是管材外弧的拉伸應力，會顯著增加管道在富含氯離子的環境中發生應力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）的風險 ¹⁶。儘管銅鎳合金本身具有良好的抗 SCC 能力，但在高應力與高氯化物濃度的惡劣條件下，此風險仍然存在。

為了消除殘餘應力，通常需要進行「應力消除退火」（Stress Relief Annealing）。這是一種將材料加熱至其再結晶溫度以下並保持一段時間的熱處理方法，旨在讓材料內部的原子重新排列，從而釋放累積的應力，同時不顯著改變其機械性能 ¹⁷。

• C70600 的應力消除退火溫度通常在 593-816°C (1100-1500°F) 之間 ⁵。
• C71500 的應力消除退火溫度通常設定在 280-500°C 之間 ¹。

應力消除退火對於 C71500 尤其重要。這是因為 C71500 的應用場景通常對耐久性和可靠性有極高要求，而這些環境恰恰是 SCC 最易發生的條件（例如高溫、高壓和高腐蝕性）。因此，儘管 C71500 成本更高，其加工流程中通常會額外增加應力消除退火這一步驟，以確保其在關鍵應用中的長期可靠性 ⁹。這一必要步驟不僅增加了生產流程的複雜性，也直接導致了更高的製造成本和更長的交貨週期。

 

6.    成本效益與應用場所建議

 

6.1 材料成本與加工成本綜合分析

在進行材料選擇時，單純的原材料價格比較並不足夠，必須將加工難度、後續處理成本等「隱藏成本」納入總體擁有成本 (Total Cost of Ownership, TCO) 的考量 ²。

• 材料成本： C71500 因其高鎳含量，原材料價格顯著高於 C70600 ¹⁶。市場數據顯示，C70600 管材的價格大約在每公斤 $7-15 美元，而 C71500 的價格則可能高達每公斤 $24-35 美元，甚至更高 ²⁰。
• 加工成本： 由於 C71500 的高強度，其冷彎曲需要更強力的設備和更耐磨的模具，這增加了初始設備投資和模具維護成本。此外，額外的應力消除退火流程也增加了能耗、人工和時間成本，進一步拉大了其與 C70600 的總體製造成本差距。

下表綜合了兩種合金的成本與性能權衡：

表格二：C70600與C71500綜合成本與應用權衡

權衡要素	C70600 (90/10)	C71500 (70/30)
原材料成本	較低	顯著較高
冷彎曲加工難度	較低，成形性佳	較高，需更強設備
後處理成本	較低，通常不強制	較高，應力消除退火為必要步驟
適用流速範圍	一般	高
適用壓力範圍	一般	高
耐蝕性能	優異	卓越
總體擁有成本 (TCO)	具備明顯優勢	較高，但長期維護成本低

 

6.2 基於冷作彎管性能的應用選擇

C70600 (90/10) 的最佳應用場景：

鑑於其優異的加工性與成本效益，C70600 是大多數非極端應用的首選 19。這些應用包括：

• 通用船舶管路系統： 例如冷凝器、熱交換器和海水冷卻系統。
• 海水淡化廠： 對於常規流速與壓力下的管路，C70600 提供了最佳的成本與性能平衡。
• 海洋石油平台： 適用於不處於高流速或極高壓力的管道系統。

C71500 (70/30) 的最佳應用場景：

C71500 應當用於那些性能和可靠性優先於成本的關鍵任務系統 9。這些應用通常對材料的強度和耐腐蝕性有著最高要求：

• 高壓熱交換器與高流速船用管道： 其卓越的強度和耐沖蝕能力使其在這些嚴苛條件下表現出色。
• 軍用裝備： 適用於對可靠性有著最嚴格要求的海軍艦艇管道系統。
• 腐蝕性流體輸送： 專門用於處理高溫、高壓或酸性流體，其抗應力腐蝕開裂能力提供了無可比擬的長期可靠性 ¹。

 

7.    結論與綜合建議

 

本報告透過對銅鎳合金 C70600 和 C71500 在冷作彎管工法中的材料行為、加工挑戰、後續處理與成本效益的深入分析，揭示了兩種材料在工程應用中的核心差異。C70600 憑藉其良好的延展性和成本優勢，成為絕大多數常規應用的理想選擇；而 C71500 則以其卓越的性能專為最嚴苛的環境而生，儘管其加工難度和總體成本更高。

對於工程設計師和材料選擇者而言，應基於具體的服役條件（如流速、壓力、溫度、腐蝕性）仔細權衡 C70600 的成本效益與 C71500 的極致性能。選擇並不單純基於材料成本，而應著眼於總體擁有成本和管道在整個生命週期中的可靠性。

對於製造商而言，應充分意識到 C71500 的加工挑戰。確保擁有足夠的設備能力來應對其更高的強度，並將應力消除退火作為生產流程的標準步驟，以保證最終產品的品質和長期可靠性。忽略這一關鍵後處理環節，可能會在未來導致管道在服役中因殘餘應力而失效，從而引發嚴重的安全和經濟後果。

(照片分享: 海軍艦艇維修所需銅鎳管彎管代工_4″_3.05t 45°&90°冷作彎管成型)

 

參考文獻

1. Copper Nickel Alloys – CuNi 90/10 & 70/30 | PM International, https://pmfirst.com/materials/copper-nickel-cuni/
2. A Guide to Copper-Nickel Tubes: Properties, Applications, and Benefits, https://admiraltyindustries.com/blog/guide-to-copper-nickel-tubes/
3. C71500 Copper Nickel – (70/30) Alloys | Farmers Copper, LTD., https://www.farmerscopper.com/copper-nickel-715-c715-c71500.html
4. 油气管道冷弯管的技术发展现状, https://yqcy.paperonce.org/OA/pdfdow.aspx?Sid=20150603
5. ASTM B111 / ASME SB111 CuNi 90/10铜镍C70600无缝合金热交换器管 – Alibaba, https://chinese.alibaba.com/product-detail/ASTM-B111-ASME-SB111-CuNi-90-1601207301761.html
6. C70600 Copper Alloys Material Property Data Sheet – Product availability and request a quote, https://www.suppliersonline.com/propertypages/c70600.asp
7. Mechanical properties of copper-nickel alloys – Nickel Institute, https://nickelinstitute.org/en/nickel-applications/copper-nickel-alloys/mechanical-properties-of-copper-nickel-alloys