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

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JP2659647B2 JP4093155A JP9315592A JP2659647B2 JP 2659647 B2 JP2659647 B2 JP 2659647B2 JP 4093155 A JP4093155 A JP 4093155A JP 9315592 A JP9315592 A JP 9315592A JP 2659647 B2 JP2659647 B2 JP 2659647B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、核融合装置、エネルギ
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。
【0002】
【従来の技術】従来は約1mm径の超電導材及び安定材な
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。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】超電導導体としてNb
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。
【0004】これを防ぐため、コンジット材として熱収
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。
【0005】チタン材(純チタン及びチタン合金)は、
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。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、mas
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。
【0007】
【作用】一般に、核融合炉などの高電流の超電導導体用
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)
【0008】本発明者らは前記の項で述べた従来技術の
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。
【0009】発明者らはまず常温での曲げ加工性及び溶
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。
【0010】すなわち、 比例限度σe ≧400MPa 降伏強度σY ≧550MPa σU /σY ≧1.3 伸び El≧10% KIC≧100MPa ・m-1/2 uE≧30J である。
【0011】各特性の範囲は、比例限度はNb3 Snの
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。
【0012】次に本発明者らは、純チタン材の微量元素
(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。
【0013】すなわち、純チタン材においては、不純物
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。
【0014】また、図2に酸素量とシャルピー衝撃値、
IC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。
【0015】さらに、Nb3 Sn超電導材の導体は、管
(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。
【0016】また、前述したように溶接部は常温及び4
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。
【0017】図5は、純チタン材の母材部と信頼性の高
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。
【0018】本発明では、以上のことを総合的に考慮し
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。
【0019】Feは酸素の次に多量に含まれる元素であ
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。
【0020】C+N量は、Oと同じく主に4Kでの破壊
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。
【0021】H量の増加は、4Kでの破壊靭性を低下さ
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。
【0022】
【実施例】本発明の成分及びその他の成分材につき母材
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。
【0023】消耗電極式真空アーク炉で表1に示す化学
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。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】引張試験は平板試験片、シャルピー衝撃試
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。
【0028】酸素量の高い材は、母材及び溶接部とも
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。
【0029】
【発明の効果】本発明により核融合装置、エネルギー貯
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】チタン材の液体He温度(4K)における酸素
量と引張特性の関係を示す図表である。
【図2】同じく4Kにおける酸素量とシャルピー衝撃
値、KIC値の関係を示す図表である。
【図3】酸素以外の不純物の量と破壊靭性(KIC値、シ
ャルピー衝撃値)の関係を示す図表である。
【図4】時効処理による4Kでの引張特性と破壊靭性の
変化量を示す図表である。
【図5】4Kにおける母材部と溶接部の機械的性質の比
較を示す図表である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西田 祚章 光市大字島田3434番地 新日本製鐵株式 会社 光製鐵所内 (72)発明者 吉村 博文 光市大字島田3434番地 新日本製鐵株式 会社 光製鐵所内 (72)発明者 山田 直臣 東京都千代田区大手町二丁目6番3号 新日本製鐵株式会社内 (72)発明者 山本 昌幸 東京都千代田区大手町二丁目6番3号 新日本製鐵株式会社内 (72)発明者 中嶋 秀夫 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地1 日本原子力研究所内那珂研究所 (72)発明者 安藤 俊就 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地1 日本原子力研究所内那珂研究所 (56)参考文献 特開 平2−216714(JP,A) 金属チタンとその応用編集委員会編 「金属チタンとその応用」 (昭60−6 −20) 日刊工業新聞社、第42−45頁

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  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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