JP5086592B2

JP5086592B2 - 冷間加工材

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Publication number: JP5086592B2
Application number: JP2006259539A
Authority: JP
Inventors: 均安田; 宏田渕
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2007063671A

Description

本発明は、極低温において優れた熱伝導度や電気伝導度を示しうる高純度アルミニウム材を冷間加工してなる冷間加工材に関する。

医療用のＭＲＩ（磁気共鳴画像診断装置）や分析用のＮＭＲ（核磁気共鳴分析装置）等に用いられる超電導マグネットには、液体ヘリウムを用いてその沸点４.２Ｋ（ケルビン）に冷却された低温超電導コイルや、冷凍機で２０Ｋ程度に冷却された高温超電導コイルが使われている。これら超電導コイルを効率的かつ均一に冷却するためには、液体窒素の沸点７７Ｋより低い極低温の雰囲気において熱伝導度の高い材料が要求される。さらに、超電導マグネットの輻射シールド材としても、熱伝導度の高い材料が使用される（特許文献１参照）。また、超電導線においても、超電導フィラメントがはんだ材などで埋め込まれた安定化母材に、熱伝導度と電気伝導度がともに高い材料が要望されている（非特許文献１参照）。

熱伝導度や電気伝導度の高い材料としては、極低温における熱伝導度が高いという特性を有する高純度アルミニウム材が有用である（非特許文献１参照）。
特開２０００−１８８２１５号公報「まてりあ」Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．１、１８−２１頁、１９９６年

しかしながら、極低温における熱伝導度や電気伝導度の高い高純度アルミニウム材は非常に軟質であるという性質を有している。特に、通常用いられている数ｍｍ程度の厚さの板材では、装置部材として使用するための成型加工や装置への取り付け等の際に変形しやすく、その取り扱いが難しいという問題があった。材料が変形すると、たとえ熱伝導度や電気伝導度が高い高純度アルミニウム板材を用いても、変形によって生じた歪みが原因となって極低温での熱伝導度や電気伝導度が低下することになる。

装置部材の成型加工や装置への取り付け等の際に、良好なハンドリング性で変形を生じにくくし、取り扱いを容易にするには、例えば、鋳塊を圧延や鍛造等で塑性加工することにより高純度アルミニウム板材を硬質化し、強度を向上させればよいと考えられる。しかし、高純度アルミニウム材は、硬質化するに伴い熱伝導度や電気伝導度が低くなるという性質を有している。硬質化して低下した熱伝導度や電気伝導度は、熱処理を施すことにより向上させることができるが、同時に軟質材となるので、ハンドリングのための強度が不足して取り扱いは困難になる。
このように、これまで、高純度アルミニウム材を高熱伝導材料もしくは高電気伝導材料として用いる際に、装置部材として使用するための成型加工や装置への取り付け等の際の良好なハンドリング性と、高い熱伝導度や電気伝導度とを両立させることは困難であった。

そこで、本発明は、装置部材として使用するための成型加工や装置への取り付け等の際には良好なハンドリング性が得られるだけの充分な強度を備えるとともに、極低温で高純度アルミニウムが有する高い熱伝導度や電気伝導度を発現しうる材料を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行なった結果、装置部材の成型加工等によって熱伝導度や電気伝導度が一旦低下しても、その後、室温で保持することによって熱伝導度や電気伝導度を回復しうるような高純度アルミニウム材であれば、前記課題を解決することができると考えた。そして、そのような高純度アルミニウム材の開発を目指して検討を重ねたところ、高純度アルミニウム材に含まれる元素の含有量を特定範囲とするとともに、高純度アルミニウム材を特定の加工温度、特定の加工率で冷間加工することにより、前述した高純度アルミニウム材を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の冷間加工材は、高純度アルミニウム材が冷間加工されてなる冷間加工材であって、前記高純度アルミニウム材は、シリコン含有量（Ｃ_Si）が３質量ｐｐｍ以下、鉄含有量（Ｃ_Fe）が２質量ｐｐｍ以下、銅含有量（Ｃ_Cu）が２質量ｐｐｍ以下であるとともに、前記Ｃ_Si＋前記Ｃ_Fe＋前記Ｃ_Cuが６．８質量ｐｐｍ以下であり、かつ、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄおよびＰｂの各元素に関し、含有量総和が３質量ｐｐｍ以下、各元素の含有量がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下であり、冷間加工温度は５０℃以下で、冷間加工率Ｗ（％）が下記式（１）を満たす。

さらに、本発明の冷間加工材の好ましい態様は、冷間加工後、下記式（２）で求められる値（Ｄ）以上の日数の間、１０〜６０℃の温度で保持されてなる。

本発明によれば、装置部材として使用するための成型加工や装置への取り付け等の際には良好なハンドリング性が得られるだけの充分な強度を備えるとともに、極低温で高純度アルミニウムが有する高い熱伝導度や電気伝導度を発現させることが可能になる。これにより、超電導マグネット等における熱伝達部材や輻射シールド材、超電導安定化母材等として有用な高熱伝導材料や高電気伝導材料を容易に提供できる、という効果がある。

本発明の冷間加工材は、高純度アルミニウム材が冷間加工されてなる。高純度アルミニウム材は、冷間加工されることによって、硬質材となり、良好なハンドリング性を得るのに充分な強度を付与されるのである。しかも、従来、このように高純度アルミニウム材を冷間加工した場合、低い熱伝導度や電気伝導度しか発現できなかったのであるが、本発明では、高純度アルミニウム材に含まれる元素の含有量、冷間加工温度および冷間加工率を後述する通りに制御することによって、室温に保持するという極めて簡単な手段で、低下した熱伝導度や電気伝導度を再び向上させることができるのである。さらに詳しくは、本発明の冷間加工材は、冷間加工によって得られた直後、硬質材となっているので、良好なハンドリング性で成型加工や装置への取り付け等が行なえる。ただし、この時点では、熱伝導度や電気伝導度は低下している。その後、成型加工もしくは装置へ取付けされた高純度アルミニウム材をその状態で室温保持するだけで、低下した熱伝導度や電気伝導度は経時的に向上する。

本発明において、冷間加工後に室温保持する際の温度（室温）は、具体的には、１０〜６０℃、好ましくは２０〜３５℃、より好ましくは２５〜３０℃であるのがよい。

さらに、室温保持に際しては、下記式（２）で求められる値（Ｄ）以上の日数の間、１０〜６０℃の温度（好ましくは前述の温度）で保持されてなるのがよい。これにより、冷間加工で硬質化したことにより低下した熱伝導度や電気伝導度を確実に向上することができる。

ただし、式（２）において、Ｃ_Siは前記高純度アルミニウム材中のシリコン含有量（質量ｐｐｍ）であり、Ｃ_Feは前記高純度アルミニウム材中の鉄含有量（質量ｐｐｍ）であり、Ｃ_Cuは前記高純度アルミニウム材中の銅含有量（質量ｐｐｍ）であり、Ｗは冷間加工率（％）である。

前述した室温保持による熱伝導度や電気伝導度の向上については、高純度アルミニウム材が含有する元素の種類と量および冷間加工率に依存する。つまり、高純度アルミニウム材中に含有する元素量が少ないほど、最終的に到達する熱伝導度や電気伝導度が高くなり、他方、冷間加工率が高いほど、得られる熱伝導度や電気伝導度は短期間で向上する傾向になるのである。

一般に、高純度アルミニウム材に主に含まれる元素としては、シリコン、鉄、銅が挙げられる（以下、これら３元素を纏めて「（Ｉ）群元素」と称することもある）。本発明において、これら３元素の各含有量は、それぞれ、シリコン含有量（Ｃ_Si）が３質量ｐｐｍ以下、鉄含有量（Ｃ_Fe）が２質量ｐｐｍ以下、銅含有量（Ｃ_Cu）が２質量ｐｐｍ以下であるとともに、（Ｉ）群元素の含有量総量、すなわちＣ_Si＋Ｃ_Fe＋Ｃ_Cuが６．８質量ｐｐｍ以下である。（Ｉ）群元素の各含有量（Ｃ_Si、Ｃ_Fe、Ｃ_Cu）およびその総量（Ｃ_Si＋Ｃ_Fe＋Ｃ_Cu）のいずれかが前記範囲を超えると、冷間加工で硬質材としたことにより低下した熱伝導度や電気伝導度が、冷間加工後の室温保持により充分に向上しない。

さらに、一般的な高純度アルミニウム材には、前記（Ｉ）群元素以外の元素が含有されていることがある。本発明においては、種々の元素の中でも、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄおよびＰｂの各元素（以下、これらの元素を纏めて「（ＩＩ）群元素」と称することもある）に関し、各元素の含有量がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下であり、含有量総和が３質量ｐｐｍ以下である。（ＩＩ）群元素の各含有量およびその総量のいずれかが前記範囲を超えると、冷間加工で硬質材としたことにより低下した熱伝導度や電気伝導度が、冷間加工後の室温保持により充分に向上しない。

一般に、高純度アルミニウム材は、例えば、高純度アルミニウムを連続鋳造や重力鋳造する方法によって製造することができる。具体的には、高純度アルミニウムを加熱して溶融し、これに必要に応じてマグネシウムやシリコン等を添加して溶湯を得、この溶湯を鋳型内で冷却し固化すればよい。高純度アルミニウムとしては、純度９９．９９質量％以上のものを用いればよい。このような純度の高純度アルミニウムを用いることで、得られる高純度アルミニウム材に含まれる各元素の含有量を容易に前述の範囲とすることができる。添加するマグネシウムおよびシリコンは、通常、金属状態で添加される。マグネシウムおよびシリコンとしては、それぞれ純度が９９．９質量％以上のものを用いることが好ましい。高純度アルミニウムを溶融するには、例えば黒鉛製の坩堝やアルミナ質のレンガを用いた溶解炉の中で加熱すればよい。また、溶湯の温度は通常７００〜８００℃であるのがよい。
冷間加工に供する高純度アルミニウム材には、含有元素の量が前記範囲になるよう、三層電解法や偏析精製法など公知の方法で適宜精製されたものを用いるのがよい。精製は、１段で行なってもよいし、複数段で行なってもよい。
冷間加工に供する高純度アルミニウム材は、例えば鋳型内で冷却固化して得た鋳塊材を塑性加工することで得ることができる。塑性加工としては、例えば圧延、鍛造などが挙げられる。鋳塊材を塑性加工するには、例えば鋳塊材を板状に切り出し、圧延、鍛造などの方法により塑性加工すればよい。塑性加工温度は通常２００℃以上５００℃以下程度であるのがよい。

本発明において、冷間加工率Ｗ（％）は下記式（１）を満たすことが重要である。

ただし、式（１）において、Ｃ_Siは前記高純度アルミニウム材中のシリコン含有量（質量ｐｐｍ）であり、Ｃ_Feは前記高純度アルミニウム材中の鉄含有量（質量ｐｐｍ）であり、Ｃ_Cuは前記高純度アルミニウム材中の銅含有量（質量ｐｐｍ）である。
冷間加工率Ｗが式（１）に示される下限値（すなわち、 [０．０５×（Ｃ_Si＋Ｃ_Fe＋Ｃ_Cu）＋０．６５]×１００で計算される値（％））未満であると、冷間加工で硬質材としたことにより低下した熱伝導度や電気伝導度が、冷間加工後の室温での保持によって向上せず、熱伝導度や電気伝導度は低いままとなる。一方、冷間加工率Ｗが９９％を超えると、冷間加工後に硬質化しにくくなり、充分な強度が得られずハンドリング性に欠けることとなる。なお、本発明において、冷間加工率は、冷間加工前の材料の断面積Ｓ０と冷間加工後の断面積Ｓとの差を加工前の材料の断面積Ｓ０で割った値を百分率(％)で表したものである。具体的には、実施例で後述する方法で算出すればよい。

本発明において、冷間加工温度は、５０℃以下でなければならない。冷間加工温度が５０℃を超えると、冷間加工によって得られる高純度アルミニウム材が硬質材ではなく軟質材となり、取り扱いが困難になる。なお、冷間加工温度の下限については、特に制限はないが、−２０℃以下での冷間加工は作業上困難になるので、通常は−２０℃を超える温度とされる。冷間加工温度は、好ましくは０〜４０℃であるのがよい。

本発明における冷間加工材は、極低温における熱伝導度と電気伝導度とが高いものである。具体的には、成型加工時等には硬質材で取り扱いやすく、室温での保持により、５，０００Ｗ／ｍ／Ｋ以上の高い熱伝導度と比抵抗値２×１０^-11Ω・ｍ以下の高い電気伝導度が得られる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例により限定されるものではない。

以下の実施例および比較例においては、高純度アルミニウム材として、下記材料Ａ〜Ｃのうちのいずれかを使用した。なお、材料Ａ〜Ｃ中の各元素含有量について、グロー放電質量分析法（サーモエレクトロン社製「ＶＧ９０００」を使用）にて分析した結果を表１に示す。
材料Ａ：純度９９．９２質量％の普通アルミニウムを三層電解法により精製し、さらに偏析精製法によって２段精製して得られたもの。
材料Ｂ：純度９９．９２質量％の普通アルミニウムを三層電解法により精製して得られたもの。
材料Ｃ：純度９９．９２質量％の普通アルミニウムを三層電解法により精製し、Ｓｉとして純度９９．９９９９質量％のポリシリコンを１５質量ｐｐｍ添加して得られたもの。

以下の実施例および比較例において、熱間または冷間圧延の際の加工率は、加工前の断面積（Ｓ０）と加工後の断面積（Ｓ）とから、下記式（３）に基づき算出した。

以下の実施例および比較例において、熱伝導度は、下記式で示されるヴィーデマン−フランツの法則（すなわち、極低温におけるアルミニウムの熱伝導度は電気抵抗と反比例するという法則）に基づき、極低温での電気抵抗（比抵抗値）を測定し、下記式（４）から熱伝導度を算出した。

但し、λ：熱伝導率（Ｗ／ｍ／Ｋ）
ρ：比抵抗（Ω・ｍ）
Ｔ：温度（Ｋ）
Ｌ：Ｌｏｒｅｎｚ定数（２．４５×１０^-8（Ｗ・Ω／Ｋ²））
なお、本明細書において、「軟質」とはビッカース硬度（Ｈｖ）が２５未満である状態をいい、「硬質」とはビッカース硬度（Ｈｖ）が２５以上である状態をいうものとする。

（実施例１）
まず、高純度アルミニウム材の鋳塊材を製造した。すなわち、黒鉛製坩堝に材料Ａを入れ、７５０℃に加熱して溶融させ、アルミニウム製の連続鋳造鋳型（内寸法：縦２１０ｍｍ×横３００ｍｍ）を用いて５０ｍｍ／分の鋳造速度で鋳造し、長さ２０００ｍｍの鋳塊材を得た。
次に、上記で得られた鋳塊材を幅３００ｍｍ×長さ１５００ｍｍ×厚み２００ｍｍの形状に切り出し、これを５００℃に加熱し、３．３ｍｍの厚みになるまで加工率９８％の熱間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ９０ｍ×厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を得た。
次いで、厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を１ｍ切り出し、約３０℃において０．３３ｍｍの厚みとなるまで加工率９０％の冷間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ１０ｍ×厚み０．３３ｍｍの冷間圧延板を得た。

得られた冷間圧延板は、圧延直後のビッカース硬度が３３の硬質であり、良好な取り扱い性を有していた。この冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、１日経過後にはビッカース硬度は２１に低下して軟質化し、１００日経過後にもビッカース硬度は２１で軟質であった。また、１００日経過後の冷間圧延板は、４．２Ｋでの比抵抗値が８×１０^-12Ω・ｍ、熱伝導度が１３，０００Ｗ／ｍ／Ｋであった。

（実施例２）
実施例１で得られた厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を１ｍ切り出し、約３０℃において１ｍｍの厚みとなるまで加工率７０％の冷間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ３．３ｍ×厚み１ｍｍの冷間圧延板を得た。

得られた冷間圧延板は、圧延直後のビッカース硬度が２９の硬質であり、良好な取り扱い性を有していた。この冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、３日経過後もビッカース硬度が２８の硬質であり、取り扱い性は良好であったが、１００日経過後にはビッカース硬度は２０に低下して軟質化した。

（実施例３）
材料Ａに替えて材料Ｂを用いたこと以外は実施例１と同じ方法で、厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を得、これを１ｍ切り出し、約３０℃において０．３３ｍｍの厚みとなるまで加工率９０％の冷間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ１０ｍ×厚み０．３３ｍｍの冷間圧延板を得た。

得られた冷間圧延板は、圧延直後のビッカース硬度が３４の硬質であり、良好な取り扱い性を有していた。この冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、８日経過後にはビッカース硬度は２４に低下して軟質化し、１００日経過後にもビッカース硬度は２３で軟質であった。また、８日経過後の冷間圧延板は、４．２Ｋでの比抵抗値が１．２×１０^-11Ω・ｍ、熱伝導度が８，７００Ｗ／ｍ／Ｋであり、１００日経過後の冷間圧延板は、４．２Ｋでの比抵抗値が１．１×１０^-11Ω・ｍ、熱伝導度が９，５００Ｗ／ｍ／Ｋであった。

（実施例４）
実施例１で得られた厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を１ｍ切り出し、約３０℃において１ｍｍの厚みとなるまで加工率８０％の冷間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ５ｍ×厚み０．６６ｍｍの冷間圧延板を得た。

得られた冷間圧延板は、圧延直後のビッカース硬度が３３の硬質であり、良好な取り扱い性を有していた。この冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、１日経過後もビッカース硬度が３２の硬質であり、取り扱い性は良好であったが、６日経過後にはビッカース硬度は２２に低下して軟質化した。

（比較例１）
実施例３で得られた厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を１ｍ切り出し、約３０℃において１ｍｍの厚みとなるまで加工率７０％の冷間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ３．３ｍ×厚み１ｍｍの冷間圧延板を得た。

得られた冷間圧延板は、圧延直後のビッカース硬度が２９の硬質であった。この冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、８日経過後のビッカース硬度は２９の硬質のままであり、４．２Ｋでの比抵抗値は６×１０^-11Ω・ｍ、熱伝導度は１，７００Ｗ／ｍ／Ｋと低い値であった。引き続き、冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、（圧延直後から）１００日経過後もビッカース硬度は２８とほとんど低下せず、４．２Ｋでの比抵抗値は４．１×１０^-11Ω・ｍ、熱伝導度は２，５００Ｗ／ｍ／Ｋと低いままであった。

（比較例２）
材料Ａに替えて材料Ｃを用いたこと以外は実施例１と同じ方法で、厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を得、これを１ｍ切り出し、約３０℃において０．３３ｍｍの厚みとなるまで加工率９０％の冷間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ１０ｍ×厚み０．３３ｍｍの冷間圧延板を得た。

得られた冷間圧延板は、圧延直後のビッカース硬度が３３の硬質であった。この冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、１００日経過後のビッカース硬度は２９で、硬質のままであった。なお、このときの熱伝導度（比抵抗値）は測定していないが、一般に硬度と熱伝導度は反比例することから、１００日経過後の熱伝導度は低いと思われる。

（比較例３）
実施例１で得られた厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を１ｍ切り出し、約３０℃において１．３ｍｍの厚みとなるまで加工率６０％の冷間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ２．５ｍ×厚み１．３ｍｍの冷間圧延板を得た。

得られた冷間圧延板は、圧延直後のビッカース硬度が２５の硬質であった。この冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、２０日経過後のビッカース硬度は２５の硬質のままであり、４．２Ｋでの比抵抗値は２５Ω・ｍ、熱伝導度は４，１００Ｗ／ｍ／Ｋと低い値であった。引き続き、冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、（圧延直後から）１００日経過後もビッカース硬度は２５と全く低下しなかった。

（比較例４）
実施例３で得られた厚み３．３ｍｍの熱間圧延板を１ｍ切り出し、約３０℃において１ｍｍの厚みとなるまで加工率８０％の冷間圧延を行い、幅３００ｍｍ×長さ５ｍ×厚み０．６６ｍｍの冷間圧延板を得た。

得られた冷間圧延板は、圧延直後のビッカース硬度が３１の硬質であった。この冷間圧延板を約２０℃の室温中に放置したところ、３０日経過後のビッカース硬度は３０の硬質のままであり、１００日経過後もビッカース硬度は３１と硬質であった。

Claims

高純度アルミニウム材が冷間加工されてなる冷間加工材であって、
前記高純度アルミニウム材は、シリコン含有量（Ｃ_Si）が３質量ｐｐｍ以下、鉄含有量（Ｃ_Fe）が２質量ｐｐｍ以下、銅含有量（Ｃ_Cu）が２質量ｐｐｍ以下であるとともに、前記Ｃ_Si＋前記Ｃ_Fe＋前記Ｃ_Cuが６．８質量ｐｐｍ以下であり、かつ、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｌａ、Ｃｅ、ＮｄおよびＰｂの各元素に関し、含有量総和が３質量ｐｐｍ以下、各元素の含有量がそれぞれ１質量ｐｐｍ以下であり、
冷間加工温度は５０℃以下で、冷間加工効率Ｗ（％）は下記式（１）を満たす冷間加工した後、

下記式（２）で求められる値（Ｄ）以上の日数の間、１０〜６０℃の温度で保持されたことにより、ビッカース硬度が２５未満となったことを特徴とする、冷間加工材。