JP2659647B2 - 超電導コイル導体コンジット用チタン材 - Google Patents
超電導コイル導体コンジット用チタン材Info
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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Description
ー貯蔵装置などで使用される大電流の超電導導体用材料
に関するものである。
どからなる複合電導線を数百本程度より合わせて、これ
をステンレススチール管(コンジット管)内に配置した
構造からなる強制冷却型超電導導体などが使用されてい
る。
3 SnやNb3 Sn合金を使用した場合、上記超電導導
体の臨界電流密度がNb3 SnやNb3 Sn合金からな
る複合超電導線のそれよりも20〜40%程度も低下す
るという欠点がある。これは、Nb3 Snとステンレス
スチールとの相互の熱収縮率の相違によってNb3 Sn
に圧縮歪がかかるためと考えられている。
縮率がNb3 Snとほぼ同じで、4Kでの引張強度も高
いIncoloy908などのNi基合金の適用が考え
られているが、これらの合金は強磁性であり耐食性にも
問題があるためコンジット材への適用までには至ってい
ない。
熱収縮率がNb3 Snに近く、非磁性、高耐食材であ
り、一般に極低温での強度・靭性バランスが優れている
ため、超電導コイル導体コンジット用材料として非常に
優れていると考えられる。本発明は、以上の事情に鑑み
てなされたものであり、Nb3 SnやNb3 Sn合金を
使用した超電導導体の臨界電流密度の低下を解消し、し
かもコンジット管材として必要な4Kにおける優れた機
械的性質及び破壊靭性を併せ持つ超電導導体を提供する
ものである。
s%として、O:0.07〜0.13%、Fe:0.1
0%以下、C+N:0.10%以下、H:0.005%
以下、残部Tiと不可避的不純物からなり、液体He温
度(4K)での母材及び溶接部の特性が、比例限度σ e
≧400MPa 、降伏強度σ Y ≧550MPa 、引張強度/
降伏強度比σ U /σ Y ≧1.3、伸びEl≧10%、破
壊靭性K IC ≧100MPa ・m -1/2 、シャルピー衝撃値u
E≧30Jであり、かつ母材と溶接部との特性の差が小
さいことを特徴とする超電導コイル導体コンジット用チ
タン材である。なお、本発明において、Fe,C+N,
Hの含有量を規定する「以下」とは、0%を含むもので
はない。
コンジット材に要求される特性としては以下のものがあ
る。Nb3 Snと同じ熱収縮率、非磁性、耐食
性、4Kでの高強度、高靭性、信頼性、溶接性(欠
陥の無い溶接部、母材と同じ機械的性質の溶接部)、
曲げ加工性(常温での低強度)
問題点及び解決すべき課題を把握した後、上記に示すコ
ンジット材に要求される特性をすべて満足する材料につ
き種々検討を重ねた。その結果、注目したのがチタン材
である。すなわち、上記,,については、従来材
(ステンレススチール、Ni基合金)と比べるとチタン
材は同等またはそれ以上に優れている。従って,,
について超電導導体として具体的にいかなる値が要求
されるかを考慮した上で、それに適合するチタン材の成
分を検討した。
接性を考慮して、一般に引張強度が高く熱処理による材
質変化の大きいチタン合金より、常温強度が低くかつ溶
接部と母材部の材質の差異が小さい純チタン材の方がコ
ンジット管用材として優れていると考えた。さらに、コ
ンジット管用材として要求される強度、延性、靭性の具
体的な数値を検討し、4Kでの機械的性質が以下の範囲
であると規定した。
特性を劣化させない限界の歪量から、降伏強度は4Kで
の導体の必要支持力から、降伏比の範囲は4Kで構造物
材としてある程度の加工硬化性が必要なことから、破壊
靭性値及びシャルピー衝撃値は4Kでの脆性破壊を回避
するための限界値から、それぞれ規定したものである。
また、コンジット管の製造には常温での冷間加工が必要
なため、常温での降伏強度は低い程有利である。さら
に、溶接部の特性はできるだけ母材に近いものでなけれ
ばならない。
(不純物)及び焼鈍条件と引張特性及び破壊靭性の関係
を系統的に検討し、微量元素を適切に制御することによ
りこれらの特性の範囲を満足する条件があることを発見
し、上記の〜の全てを満たすコンジット用材として
は純チタン材が最適であるとの結論に達した。
とくに酸素量により室温の引張特性が大きく変化し、酸
素量は引張強度を向上させることが知られている。図1
は液体He温度(4K)における母材及び継手部の降伏
強度(0.2%耐力)と酸素量の関係を調査した結果を
示す。4Kの場合も酸素量が増加する程降伏強度(0.
2%耐力)は増加するが、伸びは逆に減少し、常温の場
合とほぼ同じ傾向をしめすことが判った。
KIC値の関係を示す。シャルピー衝撃値、KIC値とも引
張強度の場合とは逆に酸素量の増加とともに低下するこ
とが判った。また、図3は酸素以外の不純物量と4Kで
の破壊靭性(KIC値)の関係を示しているが、不純物の
量が増加すると破壊靭性は低下することが判る。
(パイプ)に加工した後合金化のため最終的な時効処理
を実施するが、その時効条件により常温及び4Kでの強
度は大きく変化することが判った。例えば、図4はNb
3 Snの一般的な合金化条件である700℃×100h
を施した場合の4Kの機械的特性の変化を示す。時効処
理を付加することで引張強度は著しく低下し、逆に伸び
と破壊靭性は向上する。したがって、4Kでの強度確保
にはこの時効処理による強度低下幅を充分に考慮して化
学成分と時効条件を決める必要がある。
Kでの特性はすべて母材なみである必要がある。純チタ
ン材は、溶接時のシールドを充分に行えば、チタン合金
材に比べ熱処理による組織変化が少いため機械的性質の
変化も小さいという利点がある。
いTig溶接の溶接部の4Kにおける機械的性質(時効
処理前)を比較した例を示す。Tig溶接部の方が、引
張強度はやや高くなり伸びと破壊靭性は低下するもの
の、母材部と差は非常に小さいことが判る。
て成分範囲を規定した。以下、各不純物の限定理由を簡
単に説明する。Oは、図1に示すように室温、4Kでの
比例限度、降伏強度を増加させ、延性及び破壊靭性を低
下させる。これは、酸素が侵入型元素として固溶し内部
歪を増加させて強度を増加させるが、同時に変形モード
をも変えるためで、図2に示すように特に極低温の破壊
靭性を著しく低下させる。O量が0.07%未満では、
4Kでの降伏強度、及びNb3 Snの特性劣化を除去す
るための比例限度が不足する。また、0.13%超で
は、4Kでの伸びが10%以下、破壊靭性KICが100
MPa・m-1/2以下になり、構造物の信頼性確保、脆性破
壊回避が困難になる。
るが、Fe量の増加は4Kでの破壊靭性を低下させ、さ
らに耐食性を下げる傾向がある。0.10%超では、シ
ャルピー衝撃値、KICともに規定を満足しない。
靭性に影響を及ぼしその増加は破壊靭性を著しく低下さ
せる。0.10%超では4Kでのシャルピー衝撃値、及
び破壊靭性値が規定に達しない。
せるほか水素化物を生成し、いわゆる水素脆化を起こし
冷間加工性を著しく低下させる。従って、H量は0.0
05%以下とした。
部及び溶接部の室温及び液体He温度(4K)における
各特性を検討した。表1及び表2は、化学成分・熱処理
条件及び溶接条件を示す。表1中のは本発明材で2〜
5は酸素または他の不純物が本発明に規定する成分範囲
を逸脱した例である。
成分のチタン材を溶製し、熱間及び冷間圧延で1mm厚の
板とし、焼鈍処理を行なった。この板を用い、表2の溶
接条件で突合せ溶接継手を作製し、Nb3 Sn合金の合
金化のための処理をシミュレートした時効処理(700
℃×100h→空冷)を施した。この板を用いて母材部
及び溶接部の常温及び液体He温度における引張特性及
び破壊靭性を表3に示した。
験は2.5mm厚の板を別に作製し、重ね板方式で実施し
た。破壊靭性試験は、別に15mm厚の板を作製し、板厚
中央部から小型の3点曲げ試験片(10×20×100
mm)を採取して実施した。
引張強度は規定を満足しているが、伸び及びシャルピー
衝撃値が規定の範囲に入っていない。酸素量の低い材
は、常温の引張強度は低く加工性が優れているが、4K
での降伏強度の規定を満たしていない。不純物のFe量
の高い材は4Kでのシャルピー衝撃値、KIC値が不足
しており、同じ傾向がC,N量の高い材でも認められ
る。しかし、本発明材は母材及び溶接4Kでの比例限度
をはじめ全ての特性が規定の範囲に入っている。以上か
ら、本発明材が4Kでの機械的性質の規定をすべて満足
する優れたコンジット材用材料であることが確認でき
る。
蔵装置などに使用される大電流導体のコンジットとして
用いることのできる超電導導体コンジット用チタン材を
提供することができる。本チタン材は、超電導線の特性
劣化を除去できるほか、4Kでの機械的性質、破壊靭
性、耐食性、溶接性、常温での曲げ加工性に優れている
という顕著な効果を有している。
量と引張特性の関係を示す図表である。
値、KIC値の関係を示す図表である。
ャルピー衝撃値)の関係を示す図表である。
変化量を示す図表である。
較を示す図表である。
Claims (1)
- 【請求項1】 mass%として、 O :0.07〜0.13%、 Fe:0.10%以下、 C+N:0.10%以下、 H :0.005%以下、 残部Tiと不可避的不純物からなり、 液体He温度(4K)での母材及び溶接部の特性が、 比例限度 σ e ≧400MPa 、 降伏強度 σ Y ≧550MPa 、 引張強度/降伏強度比 σ U /σ Y ≧1.3、 伸 び El≧10%、 破壊靭性 K IC ≧100MPa ・m -1/2 、 シャルピー衝撃値 uE≧30J であり、かつ母材と溶接部との特性の差が小さいことを
特徴とする 超電導コイル導体コンジット用チタン材。
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