JP2007335118A - Cavity of large crystal grain from pure niobium ingot - Google Patents
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Description
本発明は結晶粒加速器及び同様の装置に使用するニオブキャビティ(空洞体)の製作に関し、さらに詳しくはニオブシート材料ではなく純粋なニオブインゴット(鋳塊)のスライス又は管から、かかるキャビティを製作する方法に関する。 The present invention relates to the fabrication of niobium cavities for use in grain accelerators and similar devices, and more particularly fabrication of such cavities from pure niobium ingot slices or tubes rather than niobium sheet material. Regarding the method.
従来技術において、よく知られた型の、結晶粒加速器及び同様の装置の操作に使用されるニオブキャビティは、インゴット製造材料の冷間加工及び焼きなましにより製造したニオブシートを深絞りすることにより製作されていた。かかる材料はニオブキャビティに使用するのに満足であることが証明されたが、このようにして製造された材料は、主として結晶粒度及び結晶粒度分布に関連するいくつかの欠点を示す。例えば、冷間圧延シート材料は比較的微細な粒状組織を示し、従って多数の結晶粒界はキャビティ操作においてその性能に影響を及ぼす。冷間圧延シートもまたシート材料の長さ方向を貫通する方向及び長さ方向に沿って結晶粒度にかなりの変動を示し、それもまたキャビティにおけるその性能に影響を及ぼす。他方、鋳造インゴットニオブは、材料本体全体にわたって大きい結晶粒度及び比較的均一な結晶粒度分布を示す。大きい結晶粒の存在は結晶粒界の数を減少させる結果となり、従って最終キャビティ構造体において性能を向上させる結果となる。従って、”鋳放し”又はインゴットのニオブの比較的大きくそして均一な結晶粒度特性が形成されたキャビティに保存されれば、性能は疑いなく改良されるであろう。 In the prior art, niobium cavities used in the operation of well-known types of grain accelerators and similar devices are made by deep drawing niobium sheets produced by cold working and annealing of ingot production materials. It was. Although such materials have proven satisfactory for use in niobium cavities, the materials thus produced exhibit several drawbacks primarily related to grain size and grain size distribution. For example, cold rolled sheet material exhibits a relatively fine grain structure, and thus a large number of grain boundaries affect its performance in cavity operation. Cold rolled sheets also show considerable variation in grain size along the direction through and along the length of the sheet material, which also affects its performance in the cavity. On the other hand, cast ingot niobium exhibits a large grain size and a relatively uniform grain size distribution throughout the material body. The presence of large grains results in a reduction in the number of grain boundaries and thus results in improved performance in the final cavity structure. Thus, if the relatively large and uniform grain size characteristics of “as-cast” or ingot niobium are stored in the formed cavities, performance will undoubtedly be improved.
従来のシート材料を基材としたキャビティの上記の結晶粒度に関連した欠点に加えて、ニオブキャビティの製作における冷間圧延シート材料の使用に関係した他の著しい欠点がある。それらには:1)ニオブを冷間圧延及び焼きなまししてシートを製造するのに関係したコストが比較的高いこと;2)冷間圧延シート材料が示す比較的小さい結晶粒度のために、加熱した場合、それらの強度は許容できないほど減少すること;及び3)冷間圧延シートは”記憶”又は”スプリングバック”特性を明示し、それは、正確な寸法特性を確保するために、深絞り後に形成されたキャビティの大規模且つ費用のかかる仕上げを必要とし得ること、がある。かかるスプリングバックは冷間圧延シートに帯が存在すること又は結晶粒度が均一性を欠くことによる。これらの欠点の全ては、大きく且つ比較的均一な結晶粒度分布を有する、”鋳放し”インゴットを基材とするニオブ出発材料の使用により肯定的な影響を及ぼされ得る。 In addition to the disadvantages associated with the above grain size of conventional sheet material based cavities, there are other significant disadvantages associated with the use of cold rolled sheet material in the manufacture of niobium cavities. They include: 1) the relatively high cost associated with cold rolling and annealing of niobium to produce sheets; 2) heated due to the relatively small grain size exhibited by cold rolled sheet material If their strength is unacceptably reduced; and 3) cold rolled sheets exhibit “memory” or “springback” characteristics, which are formed after deep drawing to ensure accurate dimensional characteristics May require a large and costly finish of the formed cavity. Such springback is due to the presence of bands in the cold rolled sheet or the lack of uniformity in grain size. All of these drawbacks can be positively affected by the use of “as-cast” ingot-based niobium starting materials that have a large and relatively uniform grain size distribution.
従って、本発明の目的は、大きい結晶粒及び均一な結晶粒分布を有するニオブキャビティを製作する方法を提供することである。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for fabricating niobium cavities having large grains and uniform grain distribution.
本発明の別の目的は、ニオブキャビティを、冷間圧延シートからのかかる構造体の製作と比較して、著しく低減した費用で製作する方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a method for producing niobium cavities at a significantly reduced cost compared to the production of such structures from cold rolled sheets.
本発明によると、ニオブキャビティが、大きい結晶粒のインゴットから製造した鋳放しインゴットのスライス又は管を深絞りすることにより製作される。この方法は、最小の結晶粒界を有するニオブキャビティを、冷間圧延シートからのかかる構造体の製造と比較して著しく低減した費用で製造する結果となる。 According to the present invention, niobium cavities are made by deep drawing an as-cast ingot slice or tube made from a large grain ingot. This method results in the production of niobium cavities with minimal grain boundaries at a significantly reduced cost compared to the production of such structures from cold rolled sheets.
上記のように、従来技術では、ニオブキャビティは冷間圧延ニオブシートの深絞りにより製作していた。かかる製作方法は、満足できるキャビティを製造するが、大部分は、かかる冷間圧延ニオブ材料が示す比較的小さい結晶粒度及び比較的広い結晶粒度分布のために、最適な操作特性を示すキャビティをもたらさなかった。 As described above, in the prior art, the niobium cavity has been manufactured by deep drawing of a cold-rolled niobium sheet. While such fabrication methods produce satisfactory cavities, most result in cavities that exhibit optimal operating characteristics due to the relatively small grain size and relatively wide grain size distribution exhibited by such cold rolled niobium materials. There wasn't.
かかるキャビティの性能を改良するために、方法が探究されて、比較的大きい結晶粒度(又は単一の結晶粒)を有し、同時に結晶粒界の数が減少し、そしてまた比較的均一な結晶粒度分布を有するキャビティを提供する製作技術が見出された。 In order to improve the performance of such cavities, methods have been explored to have relatively large grain sizes (or single grains), while simultaneously reducing the number of grain boundaries, and also relatively uniform crystals. Fabrication techniques have been found that provide cavities with a particle size distribution.
ここで、従来の方法で、しかしインゴットのシート厚のスライス又は管を含む出発材料を使用してキャビティを製作すると、望ましい結晶粒度及び結晶粒度分布特性を示すキャビティが製作されることが発見された。全く驚くべきことに、本願で記載したように製造したキャビティは、関連する従来技術で言及したように、熱安定性又はRRRのために優れた熱伝導度を示す。 It has now been discovered that fabrication of cavities in a conventional manner, but using starting materials that include ingot sheet thickness slices or tubes, produces cavities that exhibit desirable grain size and grain size distribution characteristics. . Quite surprisingly, cavities manufactured as described herein exhibit excellent thermal conductivity for thermal stability or RRR, as mentioned in the relevant prior art.
従って、本発明の方法によると、純粋なニオブをインゴット、一般的には直径が約17インチまで、そして長さが6フィートまで又は6フィートを超える丸いインゴット、に鋳造又は圧延し、そして該インゴットを以下に記載するように横断方向に切断して、約1/16インチから1/4インチの厚さ、又は従来技術でかかる構造を製作するために以前に使用した冷間圧延シートの厚さのスライス、又は管にする。該スライスは好ましくは厚さが約1/8インチである。このようにして得られたスライスを次に慣用の深絞り工程に使用して所望の複数のセルの半部分を製造し、そしてこのようにして製造した複数のセルの半部分を、従来の方法で機械加工及び溶接によりキャビティに組み立てる。従って、本発明のニオブキャビティは、本質的に”鋳放し”の粒状組織を有するニオブを含むが、但し”鋳放し”の粒状組織は、キャビティの半部分を形成するために使用する深絞り工程中に与えられる冷間加工により変更され得る。本願に記載の方法の開発における目的は、あらゆるキャビティ半部分に存在するニオブの結晶粒の数を最小にすることである。本願に記載の工程を使用して、一つだけのニオブの結晶粒又は結晶を含むキャビティ半部分の製造が可能である。但し、本願に記載したようにして製造したキャビティ半部分の殆どは2個以上の結晶粒から多分数百個もの結晶粒を含むであろうが、従来技術で記載したように、圧延シートから製作したキャビティ半部分に存在する約50ミクロンの大きさの、視覚的に無制限の数の結晶粒よりも確実に少ない数の結晶粒を含むであろう。 Thus, according to the method of the present invention, pure niobium is cast or rolled into an ingot, typically a round ingot up to about 17 inches in diameter and up to 6 feet in length or more, and the ingot Cut in the transverse direction as described below to a thickness of about 1/16 inch to 1/4 inch, or the cold rolled sheet thickness previously used to fabricate such a structure in the prior art. Slices or tubes. The slice is preferably about 1/8 inch thick. The slices thus obtained are then used in a conventional deep drawing process to produce the desired plurality of cell halves and the thus produced plurality of cell halves are converted to conventional methods. Assemble into cavity by machining and welding. Accordingly, the niobium cavities of the present invention include niobium having an essentially “as-cast” grain structure, provided that the “as-cast” grain structure is a deep drawing process used to form half of the cavity. It can be changed by the cold working provided therein. The goal in developing the method described herein is to minimize the number of niobium grains present in every cavity half. Using the process described herein, it is possible to produce a cavity half that contains only one niobium grain or crystal. However, most of the cavity halves produced as described in this application will contain two or more grains and possibly hundreds of grains, but as described in the prior art, they are made from rolled sheets. Will surely contain fewer grains than the visually unlimited number of grains of the size of about 50 microns present in the cavity half.
ニオブインゴットの鋳造は当業界でよく知られているので、この工程の更なる記述は本願に提示しない。本発明の目的に、従来の鋳造した純粋なニオブインゴットが使用される。鋳造後、該インゴットを横断方向にスライス又は切断して、従来技術でキャビティの製造に通常使用される冷間圧延シートの一般的なサイズ及び形状の薄くそして丸いニオブ片を得るか、又は管に鋳造する。本発明のニオブキャビティを製作する材料の”鋳放し”構造体は、キャビティ半部分を形成するための深絞り工程中に金属に付与される冷間加工に偶発的に生じ得る結晶粒組織は別として、金属の熱間又は冷間加工(例えば熱間又は冷間圧延)により付与される結晶粒組織を含まない。従って、最終のキャビティにおいて、結晶粒組織は本質的に、深絞りによりキャビティ半部分に変換されるインゴットスライスに切断する”鋳放し”インゴットに存在した結晶粒組織である。 Since niobium ingot casting is well known in the art, no further description of this process is presented here. For the purposes of the present invention, a conventional cast pure niobium ingot is used. After casting, the ingot is sliced or cut transversely to obtain thin and round niobium pieces of the general size and shape of cold rolled sheets commonly used in the prior art for the manufacture of cavities, or into tubes Cast. The “as-cast” structure of the material from which the niobium cavities of the present invention are made is distinct from the grain structure that can occur accidentally in the cold work imparted to the metal during the deep drawing process to form the cavity half. As described above, a crystal grain structure imparted by hot or cold working (for example, hot or cold rolling) of a metal is not included. Thus, in the final cavity, the grain structure is essentially the grain structure present in the “as-cast” ingot that is cut into ingot slices that are converted into cavity halves by deep drawing.
ニオブインゴットを横断方向にスライス又は切断してシートにするか又は管にするのは、例えばEDM(放電機械加工)、又は、例えば帯鋸を用いた慣用ののこ引きさえも含む多くの慣用の方法のいずれかで行い得る。しかしながら、どの切断方法を使用しても、スライス又は切断した表面が、引き続く絞り又はアイアニング操作のために満足な滑らかさを確実に示すように、注意をしなければならない。EDMスライス材料の場合、表面は比較的滑らかであるが、慣用ののこ引きの場合は、表面は比較的粗くそして、例えば化学エッチング、電気研磨又はいくつかの他の適当な方法のいずれかによる引き続く処理を必要とし得る。当業界で良く知られているように、化学エッチングは、表面をフッ化水素酸、硝酸及びリン酸の混合物で処理することにより行うことができる。 Many conventional methods including slicing or cutting niobium ingots into sheets or tubes into a sheet or tube, including, for example, EDM (Electric Discharge Machining), or even conventional sawing using, for example, a band saw It can be done with either. However, whatever cutting method is used, care must be taken to ensure that the sliced or cut surface exhibits satisfactory smoothness for subsequent drawing or ironing operations. In the case of EDM slice material, the surface is relatively smooth, but in the case of conventional sawing, the surface is relatively rough and, for example, by chemical etching, electropolishing or some other suitable method Subsequent processing may be required. As is well known in the art, chemical etching can be performed by treating the surface with a mixture of hydrofluoric acid, nitric acid and phosphoric acid.
一旦、インゴットのスライス又は切断及びすぐ前に記載した表面平滑化により製造した十分に滑らかな”シート”が得られると、慣用の良く知られた深絞り、機械加工及び溶接工程に従ってそれを加工して、前に記載した向上した性質を示す仕上がったキャビティを製造する。 Once a sufficiently smooth “sheet” produced by slicing or cutting an ingot and the surface smoothing just described is obtained, it is processed according to conventional well known deep drawing, machining and welding processes. To produce a finished cavity exhibiting the improved properties previously described.
このように、純粋なニオブのインゴットから大きい結晶粒のキャビティを製造する方法であって、純粋なニオブのインゴットを鋳造し、該インゴットを横断方向にスライスして冷間圧延ニオブシートのおおよその厚さのスライスにするか又は管にし、そして次に慣用の加工技術に従って深絞り、機械加工及び溶接して、本発明の向上したニオブキャビティを製造することを含む方法を記載した。 Thus, a method for producing a large grain cavity from a pure niobium ingot, in which the pure niobium ingot is cast, and the ingot is sliced in the transverse direction to obtain an approximate thickness of the cold-rolled niobium sheet. A method has been described which comprises making the improved niobium cavities of the present invention by slicing or slicing the tube and then deep drawing, machining and welding according to conventional processing techniques.
本発明に記載したように、本発明は、発明の意図する精神及び範囲から逸脱することなく多くの方法で変更し得、そしてかかる変更のいずれも又は全てが添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるように意図されることが当業者に明らかであろう。 As described in the present invention, the invention may be modified in many ways without departing from the intended spirit and scope of the invention, and any or all of such modifications are within the scope of the appended claims. It will be apparent to those skilled in the art that it is intended to be included in
Claims (10)
a)純粋な鋳造ニオブインゴットを形成し;
b)該鋳造ニオブインゴットをスライスして鋳造ニオブインゴットのスライス又は管を形成し;
c)鋳造ニオブインゴットのスライス又は管を深絞りしてセルの半部分とし;そして
d)複数の該セルの半部分を溶接してキャビティを形成する。 Niobium cavity manufacturing method including:
a) forming a pure cast niobium ingot;
b) slicing the cast niobium ingot to form a cast niobium ingot slice or tube;
c) Deep drawing a slice or tube of a cast niobium ingot into cell halves; and d) welding a plurality of cell halves to form a cavity.
a)純粋なニオブインゴットを鋳造して鋳造ニオブインゴットを形成し;
b)鋳造ニオブインゴットをスライスして鋳造ニオブインゴットのスライスを形成し;
c)鋳造ニオブインゴットのスライスを深絞りしてセルの半部分とし;そして
d)複数の該セルの半部分を溶接してキャビティを形成する。 Niobium cavities produced by a method comprising:
a) casting a pure niobium ingot to form a cast niobium ingot;
b) slicing the cast niobium ingot to form a slice of the cast niobium ingot;
c) Deep drawing a slice of cast niobium ingot into cell halves; and d) welding a plurality of cell halves to form a cavity.
The niobium cavity half of claim 8 comprising from about 1 to about several hundred grains having a diameter greater than about 50 microns.
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