JP3893729B2 - Spherical powder of Nb / Al based metal material and method for producing the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば脆くて加工性の悪いNb3 Alなどの超伝導材料から線材やテープ材(リボン)などを製造する際に、加工性の良いA2型Nb・Al系金属材料の球状粉末を製造する製造方法および製造装置に関するものである。また、このように加工性を改善した球状粉末から線材などに加工した後、さらに加熱処理して超伝導特性の優れたNb3 Alの線材やテープ材(リボン)などを得る方法に関するものであり、あるいは前記球状粉末を成形焼結体として耐熱材料として使用したりするブロック体などに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
テープ材(リボン)、線材などに加工して超伝導マグネットの巻線などに使用される超伝導材料としては、可塑性に富んだNi−Ti金属材料などが使用されている。しかし、Nb−Ti金属材料は4.2Kの液体He中で9テスラの磁界発生が限度である。一方超伝導体を実用化するためには、4.2Kの液体He中で10テスラの磁界の下で4×104 A/cm2 の臨界電流密度が要求されている。したがって、さらに高磁界の超伝導マグネット用としてNb−Ti金属材料より超伝導特性の優れた材料が要求され、近時Nb3 AlなどのA15型金属材料が注目されている。
【0003】
しかし、前記Nb3 Alは溶融・凝固した状態では通常A15型の結晶構造をなしており、このA15型は硬くて脆いために直接線材などに加工することが不可能であり、このために実用化がされていない。
【0004】
一方、A15型Nb3 Alは溶融急冷することにより、A2型(Nb・Alのbcc過飽和固溶体)に相変態して加工性が改善されることが知られている。この溶融急冷の方法としては,ハンマ急冷法など多くの研究が行われている(K.Schulze,et ale.Journal of the Less−Common Metals,vol.139,(1988)P97〜106など)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のハンマ急冷法では、球状体が得られないために成形性が悪く、バッチ操業のために生産性に劣る。また、従来の噴射ガスによってアトマイズする際に急冷するアトマイズ方法では粒径のコントロールが困難であり、高エネルギを要して装置が複雑になるとともに、溶湯がノズルと接触するのでコンタミネーションが増加するという問題がある。
【0006】
そこで、本発明は、粉末を原料としてプラズマにより溶融急冷することにより、安価にA2型Nb・Al系金属材料の球状粉末を製造する製造方法と装置を提供することを目的とする。
【0007】
また、粉末を原料に用いれば成形法に合った粒径のA2型Nb・Al系金属材料の球状粉末の製造が可能になり、粉末の成形性が向上し加工性が良好になるので、この成形体を線材などに加工後、再熱処理することにより超伝導性の高い線材、テープ材(リボン)などが得られる。あるいは、成型後にブロック体に焼結して耐熱材料として使用することが容易になる。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の球状粉末の製造方法は、A15型結晶構造を有するNb・Al系金属材料の粉末を原料とし、該原料粉末の粒子をプラズマフレームにより加熱して溶融球状化し、該溶融粒子をプラズマ装置内においてガス噴射冷却により10 4 K/s以上の冷却速度で急冷してA2型体心立方構造に変態させることを特徴とするものである。
【0009】
すなわち、本発明の球状粉末の製造方法は、Nb・Al系金属材料の原料粉末を粉末粒子のままプラズマフレームで加熱溶融し、ガス噴射冷却により10 4 K/s以上の冷却速度で急冷するので、プラズマフレームによる溶融処理だけで、加工が困難なA15型の原料粉末から加工性のよいA2型粉末が得られる。かつ、原料粉末の粒度を変えることにより自由に所用の粒径の成品粉末が得られ、粒径を小さくすれば急冷が容易になり、安定して均一なA2型成品粉末が得られる。これにより、従来の遠心力粉末法などでは困難であった、均一な粒径と急冷速度が得られ、安定したA2型粉末が得られる。
【0010】
また、原料粉末をNb・Al系金属材料を粉砕して作成すれば、原料粉末の粒度は粉砕により自由に選択できるので、300μm以下の粒径の成形性の良い微細な成品粉末が容易に得られる。
【0011】
また、本発明の製造方法は原料粉末をプラズマフレームで加熱溶融するが、例えばNb3 Alの融点は2253Kであるように、Nb・Al系金属材料の融点は非常に高いので、本発明のプラズマによる加熱は他の加熱方法に比しクリーンな高温の加熱エネルギー源として最も適切である。
【0012】
また、加工が困難なA15型Nb・Al系金属材料の原料粉末をプラズマ加熱した溶融粒子を急冷することにより、体心立方構造の球状粒子である加工性のよいA2型に変態する。これによってNb・Al系金属材料粉末の加工性が向上するので、この粉末から線材、テープ材(リボン)などに加工することが容易になる。この急冷の冷却速度は104 K/s以上とすることが安定したA2型のNb・Al系金属材料の成品粉末を得るために必要である。
【0013】
前記Nb・Al系金属材料の球状粉末は、Al量が7〜14wt%であることが超伝導性の優れたNb3 Alを得るために望ましい。すなわち、Nb3 Alの化学量論組成ではAl量は8.8wt%であるが、7〜14wt%であれば優れた超伝導性が得られる。
【0014】
また、前記Nb・Al系金属材料の球状粉末は、Nb3 (Al1-x ,Mx )のx=0.01〜0.5で、M=(Ga,Ge,Si,Inのうち1または2以上の元素)からなることにより、優れた超伝導体が得られる。
【0015】
本発明の方法によれば、球状粉末の粒径を300μm以下、好ましくは50μmにすることも容易であり、粒径を50μm以下にすることにより成形性が一層向上して加工性の良好なA2型Nb3 Alの粉末が得られる。
【0016】
また、本発明の超伝導性に優れたNb・Al系金属材料の超伝導材の製造方法は、前記請求項1に記載の製造方法により製造されたA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の球状粉末を成形し、該成形体を冷間または温間加工し、加工後に900K以上の温度で加熱処理して、A15型結晶構造に再変態させてなることを特徴とするものである。
【0017】
すなわち、溶製などによって得られたNb・Al系金属材料はA15型の結晶構造を有し、超伝導性を有するが加工が困難である。それを本発明のプラズマによる溶融球状化直後に高温から10 4 K/s以上の冷却速度で急冷することにより、加工が可能なA2型金属間化合物にすることができる。一方、上記本発明の方法で得られたA2型金属間化合物は、そのままでは加工性は良いが超伝導性を有しないので、900K以上の比較的低い温度で短時間の再加熱処理することによりA2型からA15型に再変態を行わせる。これにより超伝導性を回復することができる。したがって、この加工性のよいA2型金属間化合物の粉末を線材、テープ材(リボン)などに加工した後に所用の再加熱処理して、A2型からA15型に再変態させることにより超伝導性に優れた線材、テープ材(リボン)などの製造体を容易に得るものである。これに対して、従来の超伝導線の製造方法のA15型原料粉のままシース加工して焼結する方法では、1500K以上の工業上不利な高温が必要であった
【0018】
また本発明のA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の耐熱材料の製造方法は、前記請求項1に記載の製造方法により製造されたA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の球状粉末を成形した後、焼結によりブロック体としたことを特徴とするものである。
【0019】
Nb・Al金属材料は高い耐熱性を有するので、原子力やガスタービンの部材などに使用することが研究されている。しかし融点が高いために溶製で精密な鋳造は困難なために粉末成形されるが、溶製のままの粉末は硬くて脆いために成形が困難で実用化が限られていた。
【0020】
本発明の方法により得られた球状粉末は成形性が良いので、成型後焼結することにより複雑な製造体が得られて、耐熱部材として用いることができる。
【0021】
本発明のA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の球状粉末の製造装置は、原料粉末粒子を加熱溶融して溶融球状化するプラズマ装置において、溶融球状化したA15型結晶構造を有するNb・Al系金属材料の粒子を、ガス噴射冷却により10 4 K/s以上の冷却速度で急冷してA2型体心立方構造に変態させる急冷手段を備えたことを特徴とするものである。
【0022】
このように従来の装置に無かった球状粒子の急冷手段をプラズマ装置に設けたことにより、容易に加工性の良いA2型体心立方構造のNb・Al系金属材料の球状粉末を得ることができる。
【0023】
この急冷手段を、ガス噴射する冷却ノズルにより急冷することにより、望ましい10 4 K/s以上の冷却速度でクリーンな冷却ができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の一実施形態について具体的に説明する。図1は本発明のNb・Al系金属材料の球状粉末の製造装置の断面図である。
【0025】
まず図1に基づき本発明の製造装置の全体の構成について説明する。本発明の製造装置はプラズマトーチ11、原料供給手段21、チャンバー31及び急冷手段41により構成されている。
【0026】
プラズマトーチ11は水冷される二重管構造の石英管12の外周に高周波誘導コイル17が巻かれ、高周波電源40から端子17a及び17b介して高周波電流が付加されるようになっている。石英管12の上部にはコアガス供給管13、シースガス供給管14が設けられガスボンベ15からArガスが供給されるようになっている。これらのガス供給管の周囲はトーチヘッド16により水冷されるようになっている。石英管12の下部は水冷ジャケット18に固定され、水冷ジャケット18にはクーリンググガス供給管19が設けられ、ガスボンベ15からArガスが供給される。
【0027】
供給手段21は、原料ホッパー22と原料供給管23と原料供給ノズル24からなり、原料供給ノズル24の先端がプラズマフレーム1の吹き出し側に開口されている。また、原料ホッパー22には、クーリンググガス供給管19から分岐されたキャリアガス管20が接続されている。
【0028】
冷却手段41はガスボンベ15に接続された冷却ガス供給管43とこれに接続された冷却ガスノズル42からなり、冷却ガスノズル42の先端は前記のプラズマフレームの直下の加熱溶融された溶融粒子をガス冷却する位置に開口されている。
【0029】
チャンバー31は円筒箱型をなし、円筒部32の上蓋34にプラズマトーチ11の下部の水冷ジャケット18が固定されプラズマトーチ11が上蓋34の上に搭載されるようになっている。円筒部32の下部は開口されて回収容器33に接続されている。チャンバー31内のガスは、円筒部32の側面に接続されたサイクロン35、フィルタ36、エアポンプ37により排気されるようになっている。
【0030】
上記の構成の製造装置の動作について以下に説明する。まず、プラズマトーチ11のコアガス供給管13、シースガス供給管14からArガスを流入しながら高周波誘導コイル17に高周波電力を掛けると、石英管12内に図の鎖線で示すプラズマ1が発生し石英管12の下部側から噴出する。
【0031】
次に、キャリアガス供給管20のArガスにより原料ホッパー22の原料粉末3を原料供給管23を介して原料供給ノズル24からプラズマフレームの加熱部2に供給する。プラズマフレームはその加熱部が原料粉末をその融点以上の温度に加熱するように設定されているので、原料粉末は粉末のまま加熱溶融されて溶融粒子がチャンバー31内に落下する。
【0032】
このとき、冷却ガス供給管43から供給されるArガスが冷却ガスノズル42の先端から噴出して、プラズマフレームにより加熱溶融された溶融粒子がガス冷却により急冷される。このとき、冷却速度が104 K/s以上になるようにガス噴射される。これににより、粉末は溶融により球状化するとともに、A15型であった原料粉末は急冷効果によりbcc体心立方構造のA2型の球状粒子に変態する。
【0033】
上記により溶融急冷されてA2型に変態した成品粉末4はチャンバー31内に落下して回収容器33に収容される。
【0034】
このように、本発明の製造方法および製造装置によれば、原料粉末の粉砕粒度を選択することにより任意の粒度が選択でき、自由に50μm以下の微細な成品粉末が得られる。また、原料ホッパーと回収容器を切り換えるようにしておけば連続操業が容易である。
【0035】
【実施例】
上記図1に示す構成の製造装置を使用して以下の実験を行った。
a.金属NbとAlをAl量が12wt.%になるようにしてアーク溶解法により溶解し、Nb3 Alのインゴットを作成した。
b.このインゴットをボールミルで粉砕して、最大径50μm以下のNb3 Alの原料粉末を得た。
c.この原料粉末を原料ホッパー22に装入し、13.5MHz,Ep=9.75kV,Ip=1.2A,Ig=0.4Aのプラズマ条件で加熱し、Arガス噴射により急冷し、成品粉末を得た。
d.また、この成品粉末を1123K×3.6ksの加熱処理をして熱処理粉末を作成した。
【0036】
上記原料粉末、成品粉末、および熱処理粉末について、それぞれX線解析を行った。図2〜図4にそのXRD図形を示す。図2の原料粉末はAlの蒸発を見込んでAlを多くしてあるので、Nb2 Al+A15型Nb3 Alであるが、図のXRD図形から判るように図3の溶融急冷処理した成品粉末はA2型に相変態していることが判る。また、図4の再加熱処理した熱処理粉末では再びA15型に相変態していることが認められる。
【0037】
上記の原料粉末、成品粉末、および熱処理粉末を、それぞれプレス加工により500Mpaの圧力をかけて10mmφ×1mmtのペレットに成形した。
【0038】
図5〜図7に、それぞれ原料粉末、成品粉末、および熱処理粉末のペレットの断面をSEMで観察した結果を写真で示す。
【0039】
図5の原料粉末のペレットでは、粉末が破砕されたまま球状化されていないために見にくいが、粒体に割れの亀裂が多く認められる。これに対して図6の成品粉末のペレットでは粒体には全く亀裂は認められず加工性が向上したことが認められる。また、図7の熱処理粉末のペレットでは粒体の縁に多数の亀裂が認められ、プレス加工により粒子が割れたことが判る。
【0040】
上記の結果から、原料粉末およびA15型に変態した熱処理粉末は加工性が悪いため加工により割れるが、本発明の溶融急冷処理されたA2型の成品粉末は割れもなく加工性が向上していることが判った。
【0041】
次に上記成品粉末を使用して超伝導特性評価用のテープ材(リボン)を下記の条件で製造した。
【0042】
a.内径5mmφ、外径8mmφのTaのシースに成品粉末を充填し、
b.溝ロールを使用して2.4mm角に加工し、
c.873K×1hrの焼きなましを行い、
d.平ロールにより0.63mmtのテープ状に加工した。
【0043】
上記のテープを4.2Kの液体He中で10テスラの磁界の下で4×104 A/cm2 の臨界電流密度Jcが得られた。すなわち、本発明の製造方法によるA2型のNb・Al系金属材料の粉末は、線材に加工後再加熱処理することにより、超伝導体の実用化するのに必要とされている上記条件で4×10 4 A/cm 2 の臨界電流密度Jcの値を十分満足させられることが判った。
【0044】
また、上記成品粉末を使用して10mm×10mm×10mmの立方体をプレス成形し焼結した結果、所用の成形性と焼結強度が得られることが判った。
【0045】
以上述べたように、本発明の実施形態のNb・Al系金属材料の球状粉末とその製造方法および製造装置によれば、加工性の良いA2型のNb・Al系金属材料が得られて、線材、テープ材(リボン)などに加工が容易になり、その加工後に前記の加熱処理を行えば超伝導性が回復するので高い超伝導性のテープ材(リボン)などが得られることが判った。
【0046】
また、原料粉末の粒度を選択することにより、得られるA2型のNb・Al系金属材料の粉末の粒度を任意に変えられるので、成形性の良い微粒子の粉末が得れる。この球状粉末を成形体にして焼結することにより、耐熱部品などを容易に製造できることが判った。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のNb・Al系金属材料の球状粉末とその製造方法および製造装置によれば、連続的に成形性の良いA2型のNb・Al系金属材料の粉末を得ることができるので、線材、テープ材(リボン)などの量産加工が容易になり、加工後に再加熱処理して超伝導特性を改善することにより超伝導体の線材などが得られる。これにより、従来より高性能の超伝導マグネットなどが実用化できる。また、Nb・Al系金属材料の粉末成形の耐熱部品への応用の道が開けた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施形態のNb・Al系金属材料の球状粉末の製造装置の断面図である。
【図2】本発明実施形態の原料粉末のX線解析のXRD図形である。
【図3】本発明実施形態の成品粉末のX線解析のXRD図形である。
【図4】本発明実施形態の熱処理粉末のX線解析のXRD図形である。
【図5】本発明実施形態の原料粉末ペレットの断面をSEM観察した写真である。
【図6】本発明実施形態の成品粉末ペレットの断面をSEM観察した写真である。
【図7】本発明実施形態の熱処理粉末ペレットの断面をSEM観察した写真である。
【符号の説明】
1 プラズマフレーム
2 プラズマフレームの加熱部
3 原料粉末
4 成品粉末
11 プラズマトーチ
12 石英管
13 コアガス供給管
14 シースガス供給管
15 ガスボンベ
16 トーチヘッド
17 高周波誘導コイル
18 水冷ジャケット
19 クーリングガス供給管
20 キャリアガス管
21 原料供給手段
22 原料ホッパー
23 原料供給管
24 原料供給ノズル
31 チャンバー
32 円筒部
33 回収容器
34 上蓋
35 サイクロン
36 フィルタ
37 エアポンプ
40 高周波電源
41 急冷手段
42 冷却ガスノズル
43 冷却ガス供給管
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, when manufacturing a wire or tape material (ribbon) from a superconducting material such as Nb 3 Al which is brittle and poor in workability, a spherical powder of A2 type Nb / Al metal material with good workability is used. The present invention relates to a manufacturing method and a manufacturing apparatus. In addition, the present invention relates to a method for obtaining Nb 3 Al wires or tapes (ribbons) having excellent superconducting properties after being processed from spherical powder with improved processability into wires and then further heat-treated. Or a block body in which the spherical powder is used as a heat-resistant material as a molded sintered body.
[0002]
[Prior art]
As a superconducting material which is processed into a tape material (ribbon), a wire, etc. and used for a winding of a superconducting magnet, a Ni-Ti metal material having high plasticity is used. However, the Nb—Ti metal material has a limit of 9 Tesla magnetic field generation in 4.2 K liquid He. On the other hand, in order to put a superconductor into practical use, a critical current density of 4 × 10 4 A / cm 2 is required in a liquid He at 4.2 K under a magnetic field of 10 Tesla. Therefore, a material having superconducting properties superior to that of the Nb—Ti metal material is required for a higher magnetic field superconducting magnet, and an A15 type metal material such as Nb 3 Al has recently been attracting attention.
[0003]
However, the Nb 3 Al usually has an A15 type crystal structure in the melted and solidified state, and since the A15 type is hard and brittle, it cannot be directly processed into a wire or the like. Has not been converted.
[0004]
On the other hand, it is known that A15 type Nb 3 Al is phase-transformed to A2 type (bcc supersaturated solid solution of Nb · Al) by melting and quenching to improve workability. As a method of melting and quenching, many studies such as a hammer quenching method have been carried out (K. Schulze, et al. Journal of the Less-Common Metals, vol. 139, (1988) P97 to 106, etc.).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional hammer quenching method, since a spherical body is not obtained, the moldability is poor, and the productivity is inferior due to batch operation. In addition, the conventional atomizing method that rapidly cools when atomizing with a jet gas is difficult to control the particle size, requires high energy, complicates the device, and increases the contamination because the molten metal contacts the nozzle. There is a problem.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a production method and apparatus for producing a spherical powder of an A2 type Nb / Al-based metal material at low cost by melting and quenching with powder as a raw material.
[0007]
In addition, if the powder is used as a raw material, it becomes possible to produce a spherical powder of A2 type Nb / Al-based metal material having a particle size suitable for the molding method, which improves the moldability of the powder and improves the workability. A high-conductivity wire rod, tape material (ribbon), etc. can be obtained by re-heat-treating the formed body into a wire rod. Or it becomes easy to sinter to a block body after shaping | molding and to use as a heat-resistant material.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method for producing a spherical powder of Nb / Al-based metal material having an A2-type body-centered cubic structure according to the present invention uses Nb / Al-based metal material powder having an A15-type crystal structure as a raw material. The raw material powder particles are heated and melted into a spherical shape by a plasma flame, and the molten particles are rapidly cooled at a cooling rate of 10 4 K / s or more by gas jet cooling in the plasma apparatus to transform into an A2 type body-centered cubic structure. It is characterized by making it.
[0009]
That is, the spherical powder manufacturing method of the present invention heats and melts the raw material powder of the Nb / Al-based metal material as a powder particle in a plasma flame and rapidly cools it at a cooling rate of 10 4 K / s or more by gas jet cooling . A2 type powder having good processability can be obtained from A15 type raw material powder, which is difficult to process, only by a melting process using a plasma flame. In addition, by changing the particle size of the raw material powder , a product powder having a desired particle size can be freely obtained. When the particle size is reduced, rapid cooling is facilitated, and a stable and uniform A2 type product powder can be obtained. As a result, a uniform particle size and a rapid cooling rate, which were difficult with the conventional centrifugal powder method and the like, can be obtained, and a stable A2-type powder can be obtained.
[0010]
In addition, if the raw material powder is prepared by pulverizing an Nb / Al metal material, the particle size of the raw material powder can be freely selected by pulverization, so that a fine product powder having a particle size of 300 μm or less and good moldability can be easily obtained. It is done.
[0011]
In the production method of the present invention, the raw material powder is heated and melted with a plasma flame. For example, the melting point of Nb.Al based metal material is very high, for example, the melting point of Nb 3 Al is 2253K. The heating by is most suitable as a clean high-temperature heating energy source as compared with other heating methods.
[0012]
Further, by rapidly cooling the melted particles obtained by plasma-heating the raw material powder of the A15 type Nb / Al-based metal material which is difficult to process, it is transformed into the A2 type having good workability which is a spherical particle having a body-centered cubic structure. Since thereby improving the workability of Nb · Al-based metal material powder, wire from the powder, it becomes easy to process such as a tape material (ribbon). It is necessary to obtain a product powder of a stable A2 type Nb / Al-based metal material with a rapid cooling rate of 10 4 K / s or more .
[0013]
In order to obtain Nb 3 Al having excellent superconductivity, it is desirable that the spherical powder of the Nb · Al-based metal material has an Al content of 7 to 14 wt%. That is, in the stoichiometric composition of Nb 3 Al, the Al amount is 8.8 wt%, but excellent superconductivity can be obtained if it is 7 to 14 wt%.
[0014]
The spherical powder of the Nb / Al-based metal material is Nb 3 (Al 1-x , M x ), where x = 0.01 to 0.5, and M = (Ga, Ge, Si, In 1). Or an excellent superconductor can be obtained.
[0015]
According to the method of the present invention, it is easy to make the spherical powder have a particle size of 300 μm or less, preferably 50 μm, and by making the particle size 50 μm or less, the moldability is further improved and A2 has good workability. A powder of type Nb 3 Al is obtained.
[0016]
In addition, a method for manufacturing a superconducting material of Nb / Al-based metal material having excellent superconductivity according to the present invention is an Nb / Al having an A2 type body-centered cubic structure manufactured by the manufacturing method according to claim 1. A spherical powder of a metallic metal material is formed, the formed body is cold or warm processed, and is heat-treated at a temperature of 900 K or higher after the processing to retransform into an A15 type crystal structure. It is.
[0017]
That is, an Nb / Al-based metal material obtained by melting or the like has an A15 type crystal structure and has superconductivity but is difficult to process. By immediately cooling it at a cooling rate of 10 4 K / s or more from a high temperature immediately after melt spheroidization by plasma of the present invention, it is possible to obtain a workable A2 type intermetallic compound. Meanwhile, the A2 type intermetallic compound obtained by the method of the present invention, the intact since good workability but has no superconductivity, by re-heating for a short time at a relatively low temperature above 900K Retransformation is performed from A2 type to A15 type. Thereby, superconductivity can be recovered . Thus, the powder of the workability good type A2 intermetallic compound wire, re-heating treatment Shoyo after processed into a tape material (ribbon), the superconducting by re transformed into A15 type from type A2 It is easy to obtain a product such as an excellent wire rod or tape (ribbon) . In contrast, in the conventional method of sheath processed and sintered remain A15 type raw material powder of a method of manufacturing a superconducting wire were required industrially disadvantageous temperature above 1500 K.
[0018]
In addition, the manufacturing method of the heat-resistant material of the Nb.Al-based metal material having the A2 type body-centered cubic structure according to the present invention is an Nb.Al having the A2 type body-centered cubic structure manufactured by the manufacturing method according to claim 1. after forming the spherical powder systems metallic material, it is characterized in that the block body by sintering.
[0019]
Since the Nb / Al metal material has high heat resistance, it has been studied to be used for a member of nuclear power or a gas turbine. However, since the melting point is high, melting and precise casting are difficult, and thus powder molding is performed. However, since the powder as melt is hard and brittle, it is difficult to mold and practical use is limited.
[0020]
Since the spherical powder obtained by the method of the present invention has good moldability, a complicated product can be obtained by sintering after molding, and can be used as a heat-resistant member.
[0021]
The apparatus for producing a spherical powder of Nb / Al-based metal material having an A2 type body-centered cubic structure according to the present invention is a plasma apparatus in which raw powder particles are heated and melted to form a molten spheroid. It is characterized by comprising a quenching means for rapidly transforming the particles of the Nb / Al-based metal material having a transformation into an A2 type body-centered cubic structure by quenching at a cooling rate of 10 4 K / s or more by gas jet cooling. .
[0022]
Thus, by providing the plasma apparatus with a means for rapidly cooling spherical particles, which was not available in the conventional apparatus, it is possible to easily obtain a spherical powder of Nb / Al-based metal material of A2 type body-centered cubic structure with good workability. .
[0023]
By quenching the quenching means with a cooling nozzle that injects gas , clean cooling can be performed at a desirable cooling rate of 10 4 K / s or more.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to an illustrated embodiment. FIG. 1 is a cross-sectional view of an apparatus for producing a spherical powder of Nb / Al-based metal material according to the present invention.
[0025]
First, the overall configuration of the manufacturing apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. The manufacturing apparatus of the present invention includes a plasma torch 11, a raw material supply means 21, a chamber 31, and a rapid cooling means 41.
[0026]
In the plasma torch 11, a high frequency induction coil 17 is wound around an outer periphery of a quartz tube 12 having a double tube structure to be cooled by water, and a high frequency current is applied from a high frequency power source 40 through terminals 17a and 17b. A core gas supply pipe 13 and a sheath gas supply pipe 14 are provided above the quartz pipe 12 so that Ar gas is supplied from a gas cylinder 15. The periphery of these gas supply pipes is cooled by a torch head 16. The lower part of the quartz tube 12 is fixed to a water cooling jacket 18, and a cooling gas supply pipe 19 is provided in the water cooling jacket 18, and Ar gas is supplied from a gas cylinder 15.
[0027]
The supply means 21 includes a raw material hopper 22, a raw material supply pipe 23, and a raw material supply nozzle 24, and the tip of the raw material supply nozzle 24 is opened on the blowing side of the plasma frame 1. A carrier gas pipe 20 branched from the cooling gas supply pipe 19 is connected to the raw material hopper 22.
[0028]
The cooling means 41 comprises a cooling gas supply pipe 43 connected to the gas cylinder 15 and a cooling gas nozzle 42 connected thereto, and the tip of the cooling gas nozzle 42 gas-cools the heated and melted molten particles immediately below the plasma flame. Is open at the position.
[0029]
The chamber 31 has a cylindrical box shape, and the water cooling jacket 18 below the plasma torch 11 is fixed to the upper lid 34 of the cylindrical portion 32 so that the plasma torch 11 is mounted on the upper lid 34. The lower part of the cylindrical part 32 is opened and connected to the collection container 33. The gas in the chamber 31 is exhausted by a cyclone 35, a filter 36, and an air pump 37 connected to the side surface of the cylindrical portion 32.
[0030]
The operation of the manufacturing apparatus having the above configuration will be described below. First, when high-frequency power is applied to the high-frequency induction coil 17 while flowing Ar gas from the core gas supply tube 13 and the sheath gas supply tube 14 of the plasma torch 11, the plasma 1 indicated by a chain line in the figure is generated in the quartz tube 12 and the quartz tube. 12 is ejected from the lower side.
[0031]
Next, the raw material powder 3 of the raw material hopper 22 is supplied from the raw material supply nozzle 24 to the heating part 2 of the plasma flame through the raw material supply pipe 23 by the Ar gas in the carrier gas supply pipe 20. Since the heating part of the plasma flame is set so that the raw material powder is heated to a temperature equal to or higher than its melting point, the raw material powder is heated and melted as it is and the molten particles fall into the chamber 31.
[0032]
At this time, Ar gas supplied from the cooling gas supply pipe 43 is ejected from the tip of the cooling gas nozzle 42, and the molten particles heated and melted by the plasma flame are rapidly cooled by gas cooling. At this time, the gas injection such that the cooling rate is equal to or greater than 10 4 K / s. As a result, the powder is spheroidized by melting, and the raw material powder of A15 type is transformed into A2 type spherical particles having a bcc body-centered cubic structure by a rapid cooling effect.
[0033]
The product powder 4 melted and rapidly cooled and transformed into A2 type falls into the chamber 31 and is stored in the collection container 33.
[0034]
Thus, according to the production method and production apparatus of the present invention, an arbitrary particle size can be selected by selecting the pulverized particle size of the raw material powder, and a fine product powder of 50 μm or less can be freely obtained. In addition, continuous operation is easy if the material hopper and the collection container are switched.
[0035]
【Example】
The following experiment was performed using the manufacturing apparatus having the configuration shown in FIG.
a. Metals Nb and Al have an Al content of 12 wt. % And melted by an arc melting method to prepare an Nb 3 Al ingot.
b. This ingot was pulverized with a ball mill to obtain a raw material powder of Nb 3 Al having a maximum diameter of 50 μm or less.
c. This raw material powder is charged into the raw material hopper 22, heated under plasma conditions of 13.5 MHz, Ep = 9.75 kV, Ip = 1.2 A, Ig = 0.4 A, rapidly cooled by Ar gas injection, Obtained.
d. Moreover, this product powder was heat-treated at 1123 K × 3.6 ks to prepare a heat-treated powder.
[0036]
X-ray analysis was performed on each of the raw material powder, product powder, and heat-treated powder. The XRD figure is shown in FIGS. The raw material powder in FIG. 2 is Nb 2 Al + A15 type Nb 3 Al because Al is expected in view of evaporation of Al. As can be seen from the XRD figure of the figure, the melted and quenched product powder in FIG. It turns out that it has transformed into a mold. Further, it is recognized that the heat-treated powder subjected to the reheating treatment in FIG. 4 is again transformed into the A15 type.
[0037]
The raw material powder, product powder, and heat-treated powder were each formed into pellets of 10 mmφ × 1 mmt by applying a pressure of 500 Mpa by press working.
[0038]
The result of having observed the cross section of the pellet of a raw material powder, a product powder, and the heat processing powder with SEM in FIG.
[0039]
In the pellet of the raw material powder of FIG. 5, it is difficult to see because the powder is crushed and not spheroidized, but many cracks are observed in the granule. On the other hand, in the pellet of the product powder shown in FIG. 6, no cracks were observed in the granules, and it was confirmed that the workability was improved. Moreover, in the pellet of the heat-treated powder of FIG. 7, many cracks are recognized at the edges of the granules, and it can be seen that the particles are cracked by pressing.
[0040]
From the above results, the raw material powder and the heat-treated powder transformed into A15 type have poor workability and are cracked by processing. However, the melt-quenched A2-type product powder of the present invention has no crack and has improved workability. I found out.
[0041]
Next, a tape material (ribbon) for superconducting property evaluation was manufactured under the following conditions using the product powder.
[0042]
a. A Ta sheath with an inner diameter of 5 mmφ and an outer diameter of 8 mmφ is filled with the product powder,
b. Processing to 2.4mm square using groove roll,
c. 873K × 1hr of annealing,
d. It was processed into a tape of 0.63 mmt with a flat roll.
[0043]
Above the critical current density Jc under a magnetic field of 10 Tesla the tape at 4.2K in a liquid He 4 × 10 4 A / cm 2 was obtained. That is, the powder of type A2 of Nb · Al-based metallic material according to the production method of the present invention, by reheating treatment after working the wire, 4 in the above conditions are required to practical application of superconductors It was found that the critical current density Jc of × 10 4 A / cm 2 can be sufficiently satisfied.
[0044]
Further, as a result of press-molding and sintering a 10 mm × 10 mm × 10 mm cube using the above product powder, it was found that the required moldability and sintering strength were obtained.
[0045]
As described above, according to the spherical powder of the Nb / Al-based metal material of the embodiment of the present invention and its manufacturing method and manufacturing apparatus, an A2 type Nb / Al-based metal material with good workability is obtained, It became easy to process wires, tapes (ribbons), etc., and if the heat treatment was performed after the processing, superconductivity was recovered, so it was found that high superconducting tapes (ribbons) could be obtained. .
[0046]
Further, by selecting the particle size of the raw material powder, the particle size of the powder of the obtained A2 type Nb / Al-based metal material can be arbitrarily changed, so that fine powder with good moldability can be obtained. It was found that heat-resistant parts and the like can be easily produced by sintering this spherical powder into a compact.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the spherical powder of the Nb / Al-based metal material of the present invention and the method and apparatus for producing the same, it is possible to obtain the powder of the A2 type Nb / Al-based metal material having good moldability continuously. Therefore, mass production processing of a wire material, a tape material (ribbon) or the like becomes easy, and a superconductor wire material or the like can be obtained by improving the superconducting characteristics by reheating after the processing. Thereby, a superconducting magnet with higher performance than before can be put into practical use. In addition, the application of Nb / Al-based metal powders to heat-resistant parts was opened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an apparatus for producing a spherical powder of an Nb / Al-based metal material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an XRD pattern of an X-ray analysis of a raw material powder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an XRD pattern of X-ray analysis of a product powder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an XRD diagram of an X-ray analysis of a heat-treated powder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a photograph obtained by SEM observation of a cross section of the raw material powder pellet of the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a photograph obtained by SEM observation of a cross section of the product powder pellet of the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a photograph obtained by SEM observation of a cross section of the heat-treated powder pellet of the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma flame 2 Plasma flame heating part 3 Raw material powder 4 Product powder 11 Plasma torch 12 Quartz tube 13 Core gas supply pipe 14 Sheath gas supply pipe 15 Gas cylinder 16 Torch head 17 High frequency induction coil 18 Water cooling jacket 19 Cooling gas supply pipe 20 Carrier gas pipe 21 Raw material supply means 22 Raw material hopper 23 Raw material supply pipe 24 Raw material supply nozzle 31 Chamber 32 Cylindrical portion 33 Collection container 34 Upper lid 35 Cyclone 36 Filter 37 Air pump 40 High frequency power supply 41 Rapid cooling means 42 Cooling gas nozzle 43 Cooling gas supply pipe

Claims (4)

A15型結晶構造を有するNb・Al系金属材料の粉末を原料とし、該原料粉末の粒子をプラズマフレームにより加熱して溶融球状化し、該溶融粒子をプラズマ装置内においてガス噴射冷却により10 4 K/s以上の冷却速度で急冷してA2型体心立方構造に変態させることを特徴とするA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の球状粉末の製造方法。 A powder of an Nb.Al-based metal material having an A15 type crystal structure is used as a raw material, and the particles of the raw material powder are heated and spheroidized by a plasma flame , and the molten particles are cooled by gas jet cooling in a plasma apparatus at 10 4 K / A method for producing a spherical powder of an Nb.Al based metal material having an A2 type body-centered cubic structure, characterized by rapidly cooling at a cooling rate of s or more to transform into an A2 type body centered cubic structure. 請求項1に記載の製造方法により製造されたA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の球状粉末を成形し、該成形体を冷間または温間加工し、加工後に900K以上の温度で加熱処理して、A15型結晶構造に再変態させてなることを特徴とする超伝導性に優れたNb・Al系金属材料の超伝導材料の製造方法。A spherical powder of an Nb / Al-based metal material having an A2 type body-centered cubic structure manufactured by the manufacturing method according to claim 1 is formed, and the formed body is cold or warm processed. A method for producing a superconducting material of an Nb / Al-based metal material excellent in superconductivity, characterized by being retransformed into an A15 type crystal structure by heat treatment at a temperature. 請求項1に記載の製造方法により製造されたA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の球状粉末を成形した後、焼結によりブロック体としたことを特徴とするA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の耐熱材料の製造方法。 After forming the spherical powder of Nb · Al-based metallic material having a A2 type body-centered cubic structure manufactured by the method according to claim 1, A2 type body-centered, characterized in that the block body by sintering A method for producing a heat-resistant material of an Nb / Al-based metal material having a cubic structure. 原料粉末粒子を加熱溶融して溶融球状化するプラズマ装置において、溶融球状化したA15型結晶構造を有するNb・Al系金属材料の粒子を、ガス噴射冷却により10In a plasma apparatus that melts and spheroidizes raw material powder particles by heating, the particles of the Nb / Al-based metal material having an A15 type crystal structure that has been melted and spheroidized are heated to 10 4 Four K/s以上の冷却速度で急冷してA2型体心立方構造に変態させる急冷手段を備えたことを特徴とするA2型体心立方構造を有するNb・Al系金属材料の球状粉末の製造装置。An apparatus for producing a spherical powder of an Nb / Al-based metal material having an A2 type body-centered cubic structure, comprising quenching means for rapidly cooling at a cooling rate of K / s or more to transform into an A2 type body-centered cubic structure .
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