JP2008200773A

JP2008200773A - 超電導体用テープ基材の製造方法及びテープ基材

Info

Publication number: JP2008200773A
Application number: JP2007036841A
Authority: JP
Inventors: Maki Horimoto; 真樹堀本; Tomiyoshi Murokawa; 富美室川; Takayuki Kumasaka; 登行熊坂; Toru Yamazaki; 亨山崎
Original assignee: Nihon Micro Coating Co Ltd
Current assignee: Nihon Micro Coating Co Ltd
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】超電導体の高い臨界電流を得るためには、下地となるテープ状金属基材の表面を数ナノメートル以下で仕上げ、かつ、結晶配向性が良くなるように形成する。
【解決手段】超電導体用テープ状基材Ｔを製造する方法は、圧延処理によりテープ状基材を製造する工程と、所定の速度で連続走行させながら、テープ状基材を電解研磨処理する工程と、テープ状基材の被研磨面を研磨テープ１２を使用してテープバニッシュする工程と、から成り、被研磨面の表面平均粗さRaが２ナノメートル以下となることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、テープ状基材の研磨方法及び研磨仕上げされたテープ状基材の製造方法に関し、特に、超電導体膜を堆積する前に、金属から成るテープ状基材の被研磨面をナノメートルオーダーに研磨仕上げするための方法及び超電導体用テープ基材の製造方法に関する。

超電導材料の中でも、酸化物超電導体は、液体窒素温度を超える臨界温度を示す優れた超電導体であることが知られている。典型的な酸化物超電導体テープ状線材として、Ni系合金から成るハステロイ合金テープの表面に、IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)法やPLD(Pulsed Leaser Deposition)法などにより、中間層として、結晶配向制御したMgO、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)やCeO₂の多結晶配向膜を形成し、この多結晶配向膜上にYBCO（例えば、YBa₂Cu₃O_7-y）系酸化物超電導膜を形成して得たテープ状線材が知られている（例えば、特開平９−１２０７１９参照）。
特開平９−１２０７１９号超電導特性である、高い臨界電流(Ic)及び臨界電流密度(Jc)を得るために、テープ状基材の表面をより平滑にする必要がある。それによって、テープ基材表面に結晶性の優れた超電導膜を形成することができる（例えば、特開平２−２０７４１５、特開平６−１４５９７７、特開２００３−０３６７４２参照）。特開平２−２０７４１５号特開平６−１４５９７７号特開２００３−０３６７４２号

上記文献は、いずれも基材表面を平坦かつ平滑にしておくことが、優れた超電導特性を得るために重要であることを教示している。

テープ状線材は、通常、金属素材をロール圧延と熱処理を繰り返しながら、０.０５mm〜０.２mmの厚さのテープ状の線に引伸ばすことにより形成される。このようにして製造された線材の表面には、圧延による機械的線状痕や結晶欠陥による転移が形成される。これらの線状痕または欠陥により、その上に直接形成される中間層や超電導層の結晶配向性が損なわれる。

そのため、従来のテープ状超電導線材の製造においては、高い臨界電流を得るために、テープ状基材の表面に対して、さらに機械研磨や電解研磨を施し平滑かつ平坦な基材面を形成してから、その上に超電導膜を形成していた（例えば、特開平６−３１６０４号、特開２００２−１５０８５５参照）。
特開平６−３１６０４号特開２００２−１５０８５５号

従来の電解研磨は、機械研磨に比べ、基材の仕上がり表面の結晶性が良いため、中間層の結晶配向性は良くなると考えがちだが、実際には、圧延の際に形成される結晶欠陥や結晶滑り面の歪部分が過度に研磨されるため、突起や孔が残り、結晶配向性は損なわれる。

また、従来の電解研磨は、物理的な圧力を加えない研磨であるため、圧延加工で生じた表面うねりを十分に矯正できないという問題がある。

超電導体の高い臨界電流を得るためには、下地となるテープ状金属基材の表面を十分平坦に加工し、その上の中間層及び超電導層が結晶配向しやすいようにする必要がある。したがって、テープ状基材の表面の平均表面粗さRaは、ナノメートルのオーダー、好ましくは、数ナノメートル以下で仕上げ、かつ、結晶配向性が良くなるように形成することが要求される。

上記目的を達成するために、本発明に係る超電導体用テープ状基材を製造する方法は、
圧延処理によりテープ状基材を製造する工程と、
所定の速度で連続走行させながら、テープ状基材を電解研磨処理する工程と、
テープ状基材の被研磨面を研磨テープを使用してテープバニッシュする工程と、
から成り、
被研磨面の表面平均粗さRaが２ナノメートル以下となることを特徴とする。

ひとつの実施例において、テープバニッシュする工程は、バニッシュテープ及びテープ状基材を、コンタクトロールと押圧パッドで挟み、バニッシュテープをテープ状基材の走行方向と反対方向に移動させながら研磨処理を行うことを特徴とする。

ひとつの実施例において、バニッシュテープは、プラスチックフィルム表面にバインダー樹脂と共に塗布された固定砥粒層から成ることを特徴とする。

具体的には、固定砥粒は、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、シリカ、酸化鉄、酸化クロム、立方晶窒化硼素及び炭化珪素から選択されるひとつまたはそれ以上の材料から成り、その平均粒径が０.０２μｍから３μｍの範囲にあることを特徴とする。

好適には、本発明に係る方法は、テープバニッシュ工程の後に、ワイプ処理工程を含むことができる。

ここで、ワイプ処理工程は、発泡体、織布、不織布、植毛布、及び起毛布から成る集合から選択されるテープを使用して実行される。

本発明によれば、テープ状基材の表面粗さRaを２nm以下のオーダーで平坦化することができ、最大表面粗さRmaxも３０nm以下に低減することができる。この表面上に中間層及び超電導層を順次形成することにより、優れた超電導特性を有する超電導線材が得られる。

以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。ここで説明される実施例は本発明を制限するものではない。

本発明に係る、超電導体用テープ状基材を製造する方法は、通常のロール圧延処理によりテープ状基材を製造する工程と、該テープ状基材を連続走行させながら電解研磨処理する工程と、研磨テープを使用してテープバニッシュする工程から成る。

まず、ロール圧延処理によりテープ状基材を製造する工程について説明する。

テープ状基材Tとして、これに限定されないが、耐熱性及び耐食性に優れた純Ni、Ni-Cr、Ni-WなどのNi基合金、純Cu、Cu-NiなどのCu基合金基板またはFe-Si、ステンレスなどのFe基合金基板が使用可能である。具体的には、耐食性及び耐熱性に優れたハステロイ（商標）、インコネル（商標）、Ni-５％W等のNi合金などが挙げられる。テープ状基材Tは、周知のロール圧延技術により、厚さ０.０５mm〜０.５mm、幅２mm〜１００mm、長さ数百メートルに加工されたものである。

通常のロール圧延処理は、テープ状基材の圧延及び熱処理を繰返して行われ、所定の厚さに仕上げられる。テープ状基材の幅は、圧延ロール幅によって任意のものが得られ、所望の幅にスリットして使用される。一般に、仕上げ圧延処理において、超硬ロールを使用した冷間圧延が実行される。

圧延処理されたテープ状基材Tは、圧延方向に線状のスクラッチまたは結晶欠陥が形成されている。通常の圧延処理されたテープ状基材Tは、表面粗さRaが２０〜５０nm、最大表面粗さRmaxが２００〜５００nmの範囲に仕上げられている。

次に、電解研磨処理工程について説明する。図２は、テープ状基材を電解研磨するための電解研磨装置の概要を示したものである。

電解研磨装置20は、テープ状基材走行機構と、電解研磨液を貯蔵する研磨槽21、該研磨槽21の内部に互いに平行に配置された複数の電極(22a、22b、22c)、該電極間に配置された絶縁壁(29a,29b)、該電極に接続された外部電源24を含む。

研磨槽21は電解研磨液を外部ポンプ（図示せず）により流入するための流入ポート25及び電解研磨液を外部ポンプに還流させるための流出ポート26を有する。それぞれのポートは外部ポンプと配管を通じて結合されている。電解研磨液は外部ポンプにより、研磨槽21内を循環する。また、研磨槽21は密閉型になっているが、側壁にはテープ状基材Tが通過するための小さい開口部27a及び27bが設けられている。開口部は略密閉されるように調節されているが、電解研磨液が漏れ出してもよいようにそれぞれの開口部付近に受け部28a、28bを設けることが好ましい。

電解研磨液は、全体として、従来使用されているものでよい。例えば、これに限定されないが、硝酸塩の水溶液（硝酸ナトリウムまたは硝酸カリウム）、リン酸ン、硫酸、塩酸またはこれらの混合液が使用される。付加的に、グリセリン、ゼラチン、ニカワ、グリコール化合物、ポリエチレングリコール、または非イオン界面活性剤等を添加してもよい。添加剤は、その配合比率により、電解研磨液の粘度を変化させると同時に、電解研磨の際に、被研磨面に発生する液体被膜の厚さを変化させる。

テープ状基材走行機構は、テープ状基材Tを垂直方向に挟み一定のテンションを維持するように構成された一対の搬送ロール(23a、23b)から成る。搬送ロール23a及び23bは、研磨槽21を挟んで離隔して設けられ、テープ状基材Tが研磨槽内を電極22a、22b、22cに対向して連続走行できるように配置されている。テープ状基材Tの出口側の搬送ロール23bが直流電源24と接続され、それが回転することにより、テープ状基材Tが連続走行する。搬送ロール23bの回転速度及びテンションは任意に設定可能である。

直流電源24は、直列可変抵抗器（図示せず）を備え、電圧調整が可能である。また、極性切り替え装置を具備するのが好ましい。

上記、電解研磨装置20は、一例に過ぎず、他のさまざまなタイプのものが使用できる。例えば、研磨槽及び電極の数を、研磨効率、スピードなどの条件に応じて任意に設定することができる。

続いて、図２に記載の電解研磨装置20を使った研磨方法について説明する。電解研磨方法は、所定の温度範囲に設定された研磨槽20内を、数分から数十分かけて通過し、テープ状基材Tの表面を連続的に電解研磨するものである。テープ状基材Tがニッケル合金やステンレスから成る場合、被研磨面と電極との間に電解研磨液を流しながら、電流密度を５０〜２００A/cm²、液温を約４０〜８０℃、研磨時間を０.１〜１０分間に設定して電解研磨が実行される。電解研磨が終了したテープ状基材Tはその後、十分に水洗浄され、乾燥される。

最後に、テープバニッシュ工程について説明する。上記電解研磨により、テープ状基材Tの表面は、平均表面粗さRaが１０nm以下に仕上げられる。しかし、上記したように、テープ状基材Tの表面には、圧延によって生じた結晶欠陥に起因する突起が多く存在する。本発明は、この突起を除去するために、電解研磨処理後、研磨テープを使ったバニッシュを実行する点に特徴を有する。

図１は、テープバニッシュ工程で使用される装置の模式図である。テープバニッシュ装置10は、コンタクトロール11、コンタクトロール11を周回するように配置されたバニッシュテープ12、押圧パッド13、テープ状基材走行機構から成る。

テープ状基材走行機構は、送り出しロール14及び巻取り側テンションロール15から成り、巻取りロール15が回転することにより、テープ状基材Tが所定のテンション及びスピードでコンタクトロール11と押圧パッド13との間を通過することができるように構成されている。

バニッシュテープ12は、これに限定されないが、プラスチックフィルム上に砥粒を樹脂バインダーで固定した研磨層を形成したものである。プラスチックフィルムの厚さは、５μｍ〜１００μｍの範囲である。砥粒は、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、シリカ、酸化鉄、酸化クロム、立方晶窒化硼素及び炭化珪素から選択されるひとつまたはそれ以上の材料から成り、その平均粒径は、０.０２μｍから３μｍである。平均粒径が０.０２μｍ以下であると、突起の除去が十分に行われず、一方、平均粒径が３μｍ以上であると、スクラッチや加工歪が増加して、電解研磨面よりも表面粗さが増大してしまうので好ましくない。樹脂バインダーとして、これに限定されないが、ポリエステル系またはポリウレタン系の樹脂バインダーを使用することができる。

研磨中、バニッシュテープ12はコンタクトロール11により、テープ状基材Tの被研磨面に押付けられる。樹脂製の押圧パッド13は、バニッシュテープ12の押付圧力を調節する働きをする。このようにして、テープ状基材Tは、コンタクトロール11及び押圧パッド13により所定の圧力でバニッシュテープに押付けられ、研磨が実行される。研磨中、バニッシュテープ12は、コンタクトロール11を周回して、テープ状基材Tの移動方向18と反対方向19に移動する。テープ状基材Tの移動速度に対するバニッシュテープ12の相対速度は適宜調節可能である。バニッシュテープ12とコンタクトロール11との接触は、一本の線接触であっても、二本の面接触であってもよい。付加的に、コンタクトロール11を、テープ状基材Tの移動方向と垂直方向（すなわち、テープ基材の幅方向）に、オシレーション動作させることも可能である。この場合、オシレーションの周期は任意に設定可能である。

付加的に、上記バニッシュ工程の後工程として、走行するテープ状基材Tの表面に、発泡体、織布、不織布、植毛布または起毛布から成るテープ（図示せず）を押付けて、テープ状基材の表面をワイピング処理する工程を加えることもできる。こうすることにより、固定砥粒によるバニッシュ時に付着した異物を除去することができる。他に、固定砥粒によるバニッシュ後に、テープ状基材Tの被研磨面または両面に水または空気を吹き付けることにより、異物を除去してもよい。

続いて、バニッシュ条件について説明する。本発明は、これに限定されるものではない。

テープ状基材Tの走行速度は、１０cm/min〜１００cm/minの範囲が好ましい。走行速度が１０cm/min未満であると、スクラッチが増加し、一方１００cm/minを超えると表面が粗くなるため好ましくない。押圧パッド13は、硬度が２０duroから６０duroの範囲のゴム製パッドが好ましい。バニッシュテープ12を押付けるコンタクトロール11の圧力は、３０ｇ/cm²から２００ｇ/cm²の範囲が好ましい。圧力が３０ｇ/cm²未満であると、テープ状基材Tの表面の突起や付着物の除去が不十分となり、一方２００ｇ/cm²を超えるとテープ状基材の表面粗さが電解研磨後の表面粗さより粗くなり好ましくない。

以下、本発明に係るテープ状基材の研磨評価試験を行ったので説明する。

テープ状基材として、ハステロイC２７６を使用した。これは、圧延技術により、厚さ０.１ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ数十メートルに加工したものである。

表1は、研磨処理前のテープ状基材の表面粗さRa、RMS（平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根）及び最大表面粗さRmaxを測定した評価結果を示したものである。測定は、１ｍ間隔で抽出した１０個のサンプルについて、Ra、RMS及びRmaxを評価することにより行った。研磨前のテープ基材表面のAFM画像（Digital Instruments Dimension 3100：測定視野１０μｍ×１０μｍ、Z軸スケール０〜１００nm、３点測定の平均値）の一例が図３に示されている。

（１）比較例（電解研磨のみによる従来の加工方法）
次に、図２に示す電解研磨装置20を使って、上記テープ状基材に電解研磨処理を施して、表面粗さを評価した。電解研磨液として、３０％の硝酸ナトリウム水溶液を使用した。電源の電流密度は１００A/cm²、電圧はDC２５Vに設定した。また、電極間隔は６ｍｍに設定した。電解研磨処理による表面粗さの評価結果を表２に示す。図４はそのAFM画像である。

表2の結果から、電解研磨のみの従来の方法では、Raは約１nmであるが、Rmaxが５０nmとRaに比べ非常に大きいことがわかる。これは、図４の画像が示すように、突起が存在していることを表している。

（２）実施例１
次に、電解研磨後に、固定砥粒バニッシュテープによる研磨を行い、表面粗さを評価した。研磨には、図１に示す装置を使用した。研磨テープには、高純度アルミナ；平均砥粒０.５μｍ（製品名：AWA10000-FNY-D、MIPOX社）を使用した。バニッシュ条件は以下の通りである。

テープ基材の送り速度１００cm/min
バニッシュテープの送り速度３cm/min
コンタクトローラ硬度４０duro
オシレーション（幅）８Hz
コンタクトローラ押付圧力１００ｇ/cm²
テープバニッシュ後の研磨面の表面粗さの評価結果を以下の表３に示す。図５はそのAFM画像である。

表3の結果から、電解研磨後にテープバニッシュを行うことにより、Raを２nm以下に改善することができた。また、Rmaxも１０nm以下を達成することができ、図５のAFM画像からもわかるように突起が完全に消滅している。

（３）実施例２
次に、実施例１の処理の後に、砥粒を含まない織布テープによるワイピング処理を施した場合の表面粗さ評価試験を行った。表4にその結果を示す。

表４からわかるように、ワイピング処理によって表面のパーティクルや不要な物質を除去することができ、その結果さらに平坦な表面が得られた。

図１は、本発明に従う研磨方法に使用されるテープバニッシュ装置の概略図である。図２は、電解研磨装置の概略図である。図３は、通常圧延後のテープ状基材のAFM画像を示す。図４は、電解研磨後のテープ状基材のAFM画像を示す。図５は、本発明によるテープバニッシュ後のテープ状基材のAFM画像を示す。

Claims

超電導体用テープ状基材を製造する方法であって、
圧延処理によりテープ状基材を製造する工程と、
所定の速度で連続走行させながら、前記テープ状基材を電解研磨処理する工程と、
前記テープ状基材の被研磨面を研磨テープを使用してテープバニッシュする工程と、
から成り、
前記被研磨面の表面平均粗さRaが最終的に２ナノメートル以下となることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、前記テープバニッシュする工程は、バニッシュテープ及びテープ状基材を、コンタクトロールと押圧パッドで挟み、バニッシュテープをテープ状基材の走行方向と反対方向に移動させながら研磨処理を行う工程から成ることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、前記バニッシュテープは、プラスチックフィルム表面にバインダー樹脂と共に塗布された固定砥粒層から成ることを特徴とする方法。
請求項３に記載の方法であって、前記固定砥粒は、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、シリカ、酸化鉄、酸化クロム、立方晶窒化硼素及び炭化珪素から選択されるひとつまたはそれ以上の材料から成り、その平均粒径が０.０２μｍから３μｍの範囲にあることを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法であって、さらに、テープバニッシュ工程の後に、ワイプ処理工程を含む方法。
請求項５に記載の方法であって、前記ワイプ処理工程は、発泡体、織布、不織布、植毛布、及び起毛布から成る集合から選択されるテープを使用することを特徴とする方法。
請求項１から６のいずれかの方法で製造された超電導体用テープ基材。