JPS6379933A - Ｎｉ基合金及びその製造法，並びにＮｉ基合金製回転電機ダンパ−及びリテイニング・リング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非磁性、低電気抵抗で高強度、高靭性のＮｉ
基合金及びその製造法に係り、またこのＮｉ基合金によ
り形成された回転電機（発電機。

モータ等）のダンパー及びリテイニング・リングに関す
る。

〔従来の技術〕

従来、発電機及び電動機等の回転電機のダンパ−及びリ
テイニング・リングは磁性、電気抵抗。

強度、靭性等についてバランスのとれた材料を必要とし
、これ迄Ｎ　ｉ　−Ｃｕ　−Ａ　Ｑ系の合金が使用され
た。しかし、この合金はＣｕを含むＮｉ基合金であるの
で、これとＦｅ合金製部材との溶接が困難であり、また
製鋼メーカーは炉の汚染の点からＣｕを含む合金の溶解
を好まない。従ってＣｕを含まない合金系から必要な性
状を有する合金を探究している現況である。

そこでＣｕを含まないＮｉ基合金として次の様な特許が
ある。例えば特開昭６０−８９５３７号公報、「耐二ロ
ーション性に優れた金属部材」には、Ｎｉ及び又はＣｏ
に、Ｃｒ：０．１〜６％、Ａ４２：０．１〜５％、Ｔｉ
　：　０．１〜６％、Ｓｉ：０．５〜６％、Ｚｒ：０．
１〜６％、　Ｈｆ　：　０．１〜６％（何れも重量％）
よりなる群の１種以上を含有せたＮｉ基合金が開示され
、内部酸化処理により酸化物を分散析出させて耐二ロー
ション性を付与したＮｉ基合金である。また特開昭５８
−９６８４５号の「ニッケル基合金シート及びその製造
方法」には、ＮｉにＡｌ：２〜９％、Ｔｉ：０〜６％。

ＭＯ：　０〜１６％、Ｔａ：０〜１２％、Ｗ：　０〜１
２％、Ｎｂ：０〜４％、Ｃ，ｒ：０〜２０％。

Ｃｏ：０〜２０％、Ｃ：０〜０．３％、Ｙ二〇〜１％、
Ｂ：Ｏ−０，３％、Ｚｒ：Ｑ　〜０．３％、■：０〜２
％、Ｒｅ：Ｏ〜５％を含ませたＮｉ基合金が開示さ九、
特定条件下で熱間加工後、冷間で交差圧延を行なうこと
により、（１１０）＜１１２＞結晶の数が多い繊維状組
織を有するＮｉ基合金シートである。しかし、これらの
如＜　Ｃｕを含まないＮｉ基合金は存在しているが、従
来技術は磁性及び電気抵抗に関する配慮が全くなされて
いなかった。また、従来のＮｉ基合金の中でＡ２８ｂ。

インコネル７０６等の合金は非磁性で高強度を有するも
のであるが、電気抵抗が高過ぎるという問題があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術では、Ｃｕを含まないＮｉ基合金の各成分が磁
性、電気抵抗に及ぼす影響について考慮されておらない
６従って回転電機（発電機、そ−ター等）のダンパー及
びリテイニング・リングのように非磁性、低電気抵抗、
高強度、高靭性の各特性についてバランスのとれた材料
を必要とする部材には適用できないという問題があった
。

従って、本発明の目的は、回転電機（発電機。

電動機等）のダンパー及びリテイニング・リングの材料
として適する非磁性、低電気抵抗、高強度。

高靭性のバランスのとれたＮｉ基合金を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するためには、先ず各特性と合金成分
との関係を明らかにすることが必要であり、次ぎに各特
性の自振を満足するように合金成分の量を最適化するこ
とが必要である。最適化がなされないと、合金のある特
性、例えば比抵抗が十分に低い値に得られても、別の特
性２例えばキュリー点が高くなり過ぎたりする。回転電
機（発電機、モーター等）のダンパー及びリテイニング
・リングに用いる材料の場合９合金成分を最適化するこ
とは、磁性、電気抵抗９強度、靭性の各特性の全てにつ
いてバランスのとれている合金成分を選択することを意
味し、以下の様なＮｉ基合金が適するものである。即ち
、本発明のＮｉ基合金は１重量％でＣｒ：１〜５％、Ａ
ｌ：３〜７％。

Ｔｉ：０．２〜１．０％、　Ｃ：　０．０５〜０．３％
。

Ｓｉ、Ｍｎの単独又は複合：０．０１〜１．０％。

及びＭｇ、Ｚｒ、Ｂの１種以上：　０．００５〜０．０
５％を含み、残部がＮｉからなる合金であり、γ−プラ
イム相を有し、キュリー点がｏ′Ｃ以下、比抵抗が７０
μΩｃｍ以下、０，２％耐力が６０ｋｇｆ／■２以上、
及び吸収エネルギーが５ｋｇｆ−ｍ以上の合金である。

また、前記のＮｉ基合金の製造法は、前記の成分の合金
を溶解製造（溶製）後、鍛造成形し、その後で温度８０
０℃以上で溶体化処理し、次いで温度４５０〜６５０℃
の範囲で時効処理してγ−プライム相を析出する製造法
である。

また、前記Ｎｉ基合金は回転電機（発電機、電動機等）
のダンパー及び、リテイニング・リング等の部材に用い
る。

以下、更にＮｉ基合金について詳述する。各成分の量を
決めるために実験的手法と数学的手法とを組合せた合金
設計の手法を用いる。即ち、Ｃｒ。

Ａｆｌ、Ｔｉ、ｃ、Ｓｉ、及びＭｎ等の含有量を系統的
に変化させてＮｉ基合金を実験的に溶製し、３０種類の
４ｋｇ真空溶解鋳塊を得て、所定の加工・熱処理をする
。すなわち１１００〜８００℃で鍛造後、９５０℃、ｌ
ｈｒで水冷の溶体化処理をし、次いで２段の時効処理、
５５０℃、３０ｈｒと５００℃、３０ｈｒを行って各Ｎ
ｉ基合金を得る。

各Ｎｉ基合金の磁性、電気抵抗２強度、靭性の各特性を
測定して基礎データを作成する。その基礎データから各
特性と合金成分との関係を回帰分析の統計方法により演
算し、磁性、電気抵抗９強度、靭性について実験式を得
る。本発明者等は実験の結果の次の４個の式Ｉ　−ＩＶ
を得た。

キュリー点（℃）　＝３５３−４６（Ｃｒ）−５７（Ａ
　ｎ　）＋５（Ｔｉ）＋　８０（Ｃ）　−７７（Ｓｉ）
　−１３（Ｍｎ）　−−（１）比抵抗（μΩの）＝６．
８＋６．２（Ｃｒ）　＋６．３（Ａ　Ｑ　）　＋４（Ｔ
ｉ）＋１５（Ｃ）＋８（Ｓｉ）＋２（Ｍｎ）　　”・・
・・（ＩＩ）０．２％耐力（ｋｇｆ　／ｍｎ”）＝２２
−２（Ｃｒ）＋６（Ａｎ　）＋３０（Ｔｉ）＋１００（
Ｃ）＋１（Ｓｉ）＋１（Ｍｎ）−・・（ｍ）吸収エネル
ギ（ｋｇｆ　／ｍ）＝９０−１．５（Ｃｒ）−６（ｌｔ
　）−２０（Ｔｉ）−２００（Ｃ）　−５（Ｓｉ）　−
５（Ｍｎ）−・・（ＩＶ）但し、　（Ｃｒ）　、　（Ａ
ｆｉ）ｔ　　（Ｔｌ）　、　（Ｃ）（Ｓｉ）、（Ｍｎ）
等は各元素の重量％である。

次に各Ｉ〜■に目標値、すなわちキュリー点が０℃以下
、比抵抗が７０μΩ国以下、０．２％耐力が６０ｋｇｆ
／ｍｍ”以上、吸収エネルギが５ｋｇｆ・ｍ以上の値を
設定して４元連立方程式とし、その解を求めた。そして
その解を満足する合金成分を幾つか選定し、実験的にそ
の合金（すなわち後で実施例のところで示す合金）を作
製して目標特性を得られることを確認してから、最終的
に最適化された合金成分範囲として次の範囲を得たもの
である。

（Ｃｒ）：１〜５重量％ （Ａｆｉ）：３〜７重量％ （Ｔｉ）：０．２〜１．０重量％ （Ｃ）　　　：　０．０５〜０．３重量％（Ｓｉ＋Ｍｎ
）：　０．０１〜１．０重量％次に合金成分と各特性値
との関係を述べる。第１図に５ｉ＝０．２％、Ｍｎ＝０
．２％、　Ｃ＝０．１５％、Ｔｉ＝０．４％（何れも重
量％）の場合に各特性を満足するＣｒとＡｎの成分量（
重量％）範囲を斜線で示す。直線１はキュリー点ｏ℃を
示し、この直線より上がキュリー点０℃以下であり、直
線２は比抵抗７０μΩｃｍを示し、この直線より下が比
抵抗７０μΩ国以下であり、直線３は０．２％耐力６０
ｋｇｆ／ｍｎ”を示し、この直線より上が０．２％耐力
６０　ｋｇ　ｆ　／ｒｍ”以上であり、直線４は吸収エ
ネルギー５ｋｇｆ−ｍを示し、この直線より下が吸収エ
ネルギー５ｋｇｆ−ｍ以上である。従って各直線１，２
，３．４に囲まれた斜線範囲の成分組成が各特性を満足
する。また、Ｏ内の数字は後述する第１表の賦香を表わ
す。同様に、第２図は５ｉ＝０．２％、Ｍｎ＝０．２％
、Ｃ＝０．０５％、Ｔｉ＝１．０％（何れも重量％）の
場合に各特性を満足するＣｒとＡｆｌの成分量（重量％
）範囲を斜線で示す。直線１，２，３，４、及びＯ内の
数字は第１図と同様である。これらの図がら分るように
、比抵抗とキュリー点の特性によってＣｒとＡｆｌの適
正の成分範囲は大きく制約される。

〔作用〕

本発明者等は先に述べたようにＮ　ｉ　−Ｃｒ　−Ａ　
Ｑ　−Ｔ　ｉ　−Ｃ−Ｓ　ｉ　−Ｍ　ｎ合金系において
、磁性、電気抵抗２強度、靭性の夫々の各特性にキュリ
ー点、比抵抗、０．２％耐力、吸収エネルギーに及ぼす
構成元素の成分の作用（影響）を検討した。各元素が特
性に及ぼす影響は式Ｉ〜■がら明らかである。

Ｃｒはキュリー点、０．２％耐力、吸収エネルギーを小
さくして、比抵抗を大きくする。従ってＣｒは磁性の点
のみで有効な働きをする元素である。またＣｒが１％（
重量％、以下同様）より少ないとキュリー点が０℃以下
に下がって、常温で強磁性を示し、また５％より多いと
０．２％耐力。

吸収エネルギーが小になり機械的強度が低下するので、
１〜５％の範囲が適する。

Ａｌはキュリー点、吸収エネルギーを小さくして、比抵
抗、０．２％耐力を大きくする。従ってＡｌは磁性と強
度に有効な働きをする元素である。

Ａｆｌが強度を高めるのは時効処理により、γ−プライ
ム相（Ｎｉ８Ａｌ）が形成されるためである。

尚、γ−プライム相は透過電子顕微鏡で観察し得る約１
００人程度の微細粒子からなり、高強度に寄与する。ま
た％Ａｆｆが３％より少ないと０．２％耐力を小にし、
キュリー点を低下させず、また７％より多いと吸収エネ
ルギーを低下させるので、１〜７％の範囲が適する。

Ｔｉはキュリー点、比抵抗、０．２％耐力を大きくシ、
吸収エネルギーを低下させる。従ってＴｉは強度の点の
みで有効な働きをする元素である。また、Ｔｉが０．２
％より少ないと０．２％耐力を小にし、１．０％　より
多いとキュリー点を低下させず、吸収エネルギーを低下
し、比抵抗を大にするので、０．２〜１．０％の範囲が
適する。

ＣはＴｉと同様にキュリー点、比抵抗、０．２％耐力を
高め、吸収エネルギーを低下させる。従つてＣは強度の
点のみで有効な働きをする元素である。また、Ｃが０．
０５％より少ないと０．２％耐力を小にし、０．３％　
より多いとキュリー点を低下させず、吸収エネルギーを
低下し、比抵抗を大にするので、０．０５〜０．３％の
範囲が適する。

ＳｉとＭｎはＡｌ１と同様にキュリー点、吸収エネルギ
ーを低下させて、比抵抗、０．２％耐力を高める。従っ
てＳｉとＭｎは磁性と強度に有効な働きをすると共に、
合金の溶解製造時に脱酸効果に寄与する。ＳｉとＭｎが
単独又は複合で０．０１％より少ないとキュリー点が低
下せず、また脱酸効果が十分でなく、１．０％より多い
と比抵抗が高く、吸収エネルギーが低下するので、０．
０１〜１．０％の範囲が適する。

なお、合金の熱間加工性を良好にする為にＭ　ｇ　ｙＺ
ｒ、Ｂ等の粒界強化元素を１種以上添加するが、０．０
０５％より少ないと熱間加工性に寄与せず、また０、０
５％より多くしてもその効果を余り増大しないので、０
．００５〜０．０５％の範囲が適する。

また、これらの元素の添加量が微量のため、磁性、電気
抵抗２強度、靭性の各特性に及ぼす影響は無視される。

上記した如く、本発明のＮｉ基合金は鍛造成形が容易で
あり、非磁性、低電気抵抗、高強度、高靭性なので、回
転電機、特に超電導発電機の回転子のダンパー及び電動
機のリテイニング・リングの部材として適している。

ダンパーの場合は電力系統が事故を起し、電機子巻線に
電流の変動が起っても、本発明のＮｉ基会合金製ダンパ
ーは非磁性、良導電性でかつ高強度であるので、電機子
磁束の変動分の界磁巻線に鎖交するのを防止し、かつ電
磁力による回転子の損傷を防ぐことができる。またリテ
イニング・リングの場合も同様の効果がある。

〔実施例〕

実施例１ 第１表の賦香１〜１０に示す如く、ＮｉにＣｒ。

Ａｆｌ、Ｔｉ、Ｃ，Ｓｉ、Ｍｎ、及びＭｇ、Ｂ。

Ｚｒのそれぞれを含ませた各組成の合金を真空溶解によ
り４ｋｇ溶製した。次に１１００〜８００℃で鍛造した
後、９５０℃、１時間で水冷の溶体化処理し、更に５５
０℃、３０分間、続いて５００℃、３０時間の２段の時
効処理してγ−プライム相を生成させてＮｉ基合金を得
た。

得られた各賦香のＮｉ基合金についてキュリー点、比抵
抗、０．２％耐力、及び吸収エネルギーを測定し、その
各特性値を第２表に示す。また、比較として従来合金Ａ
のＡ２８６．従来合金Ｂのインコネル７０６の各成分組
成を第１表に、各特性値を第２表に示す。第２表より本
発明のＮｉ基合金は従来合金よりも比抵抗が低く、吸収
エネルギーが高い。このことから本発明のＮｉ基合金は
良導電性９強靭性で優れ、また非磁性２強度も十分であ
ることが分る。

また、第１表及び第２表の賦香の数字は第１図及び第２
図の曲線１，２，３．４に囲まれる斜線の中のＯ印の数
字に相当する。第１図及び第２図より本発明のＮｉ基合
金は各特性値を全て満足していることが分る。

実施例２ 本発明のＮｉ基合金を用いて超電導発電機の回転子のダ
ンパーを得た例を示す。第３図は超電導発電機の回転子
の構成を示す断面図である。これは回転界磁型超電導発
電機におけるものである。

回転子は多重同心中空円筒構造を有し、外側より、ダン
パー１１、熱輻射シールド９（液体ヘリウムの液化温度
より約５０℃高くなっている。）超電導コイルカバー８
、超電導コイルバインド７、超電導コイル２、超電導コ
イル２を収納するトルクチューブ６、冷却用ヘリウム流
路５、シャフト１０、電流リード線１、液体ヘリウム４
、液体ヘリウム導入管３によって構成されている。液体
ヘリウムは回転の遠心力によってトルクチューブ６の壁
に押しつけられ、図のように円筒状になる。

熱輻射シールド９およびダンパー１１内はいずれも真空
になっている。

大容量発電機においては電力系統事故時に電機子巻線の
電流が変動する。このときもしダンパー１１がないと、
電機子巻線の発生する磁束と界磁電流との相互作用によ
り制動力が働らく為、回転子が減衰し、同期をはずれる
。同期をはずれると電機子電流が尚−層著しく変動し、
かつ回転子に過大なる推力と制動力が交互に発生するた
め電力系統にとっても発電機にとっても致命的な損傷と
なる。

このようにダンパー１１を回転子が同期からはずれるの
を防止するために設けるものである。換言すれば、ダン
パー１１は、電機子磁束の変動分が界磁巻線に鎖交する
のを防止するためのものであり、導体内にうず電流を流
して磁束密度を減衰させるものである。電機子磁束には
１２０　Ｈｚ成分と、回転子の動揺に伴なう０．５〜２
Ｈｚ　　の低周波成分があり、前者はダンパーにより、
後者は熱輻射シールドにより、それぞれ遮蔽される。こ
の時、電機子磁束とダンパーのうず電流との相互作用に
より、ダンパー１１には回転動揺制動力と強大な電磁力
が発生する。

したがって、タンパ−に用いる材料は導電性が良好でか
つ強度の高いことが必要である。また、次の理由から非
磁性であることが要求される。すなわち、超電導コイル
の磁束密度は極めて高いが、電機子巻線との間に強磁性
体が存在すると、磁性体の磁気飽和現象によって、有効
利用できる磁束が減少してしまうためである。

上記のようにダンパーには回転動揺制動力と強大な電磁
力が発生するが、キュリー点０℃以下の非磁性、比抵抗
７０μΩ国以下の良導電性、０．２％耐力６０ｋｇｆ／
ｍｍ”以上の高強度、吸収エネルギー５ｋｇｆ−ｍ以上
の高靭性のＮｉ基合金でダンパーを造るので、外から超
電導コイルへ入る電磁波を完全にシールドし、また強度
的にも充分耐えて回転子の安全性を高め得る。其の上、
このＮｉ基合金は鍛造成形が容易で、長尺中空円筒が鍛
造により成形できる。

実施例３ 本発明のＮｉ基合金で在来型電動機の回転子のリテイニ
ング・リングを得た例を示す。第４図は在来型電動機の
概略構造の平面図を示し、電動機は薄鉄板を積層した固
定子鉄心２１と、その内径側に空隙を隔てて回転子２２
とを設けて構成する。

また第５図は第４図のＡ部の拡大図で、回転子２２の端
部付近の一部断面を示し、第６図は回転子２２の斜視図
を示す。回転子２２は主として鉄心部２２ａと界磁巻線
２６とにより構成され、そしてこの鉄心部２２ａには軸
方向に溝が設けられ、界磁巻線２６の一部が挿入されて
いる。界磁巻線２６の上にはダンパー巻線２５が挿入さ
れ、界磁巻線直線部２６ａすなわち鉄心の溝に収納され
ている部分では楔２４により固定保持される。また界磁
巻線端部２６ｂすなわち鉄心から頭出した部分はリテイ
ニング・リング２３により固定保持されている。このリ
テイニング・リングが本発明の非磁性、低比抵抗、高強
度、高靭性のＮｉ基合金で造られている。従って実施例
２の場合と同様に回転子の安全性を高めることができる
。

〔発明の効果〕

本発明によって、Ｎｉに前述の如き特定の成分量のＣｒ
、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃ，Ｓｉ、Ｍｎ、更に必要に応じてＭ　
ｇ　ｖ　Ｚ　ｒ　ｔ　Ｂを添加してＮｉ基合金を製造す
るので各特性がバランスのとれたＮｉ基合金、即ちキュ
リー点が０℃以下の非磁性比抵抗が７０μΩｃｍ以下の
良導電性０．２％耐力が６０ｋｇ　ｆ　／　＋ｍ２以上
の高強度、吸収エネルギーが５ｋｇｆ−ｍ以上の高靭性
の特性を有する優れたＮｉ基合金が得られる。また本発
明Ｎ３−基合金で造られた回転電機（発電機、電動機等
）のダンパー及びリテイニング・リングは苛酷な電気的
２機械的条件に耐えることができ、回転電機を安全に保
ち得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は５ｉ＝０．２％、Ｍｎ＝０．２％、Ｃ＝０．１
５％、Ｔｉ＝０．４％の場合にキュリー点、比抵抗、０
．２％耐力、吸収エネルギの各目標値を満足するＣｒと
Ａｏの成分範囲を示すグラフ。 第２図はＳ　ｉ　＝　０　、２％、Ｍｎ＝０．２％、Ｃ
＝０．０５％、Ｔｉ＝１．０％の場合にキュリー点。 比抵抗、０．２　％耐力、吸収エネルギの各目標値を満
足するＣｒとＡｌ１の成分範囲を示すグラフ。 第３図は超電導発電機の回転子の断面図、第４図は在来
型電動機の概略構造の平面図、第５図は第４図のＡ部の
拡大図で回転子端部付近の断面図及び第６図は第４図の
回転子の斜視図である。 １・・・電流リード線、２・・・超電導コイル、３・・
・液体ヘリウム導入管、４・・・液体ヘリウム、５・・
・冷却用ヘリウム流路、６・・・トルクチューブ、７・
・・超電導コイルバインド、８・・・超電導コイルカバ
ー、９・・・熱輻射シールド、１０・・・シャフト、１
１・・・ダンパー、２１・・・固定子鉄心、２２・・・
回転子、２２ａ・・・鉄心部、２３・・・リテイニング
・リング、２４・・・楔、２５・・・ダンパー巻線、２
６・・・界磁巻線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｎｉ基合金で、重量％でＣｒ：１〜５％、Ａｌ：３
   〜７％、Ｔｉ：０．２〜１．０％、Ｃ：０．０５〜０．
   ３％、Ｓｉ、Ｍｎの単独又は複合：０．０１〜１．０％
   、及びＭｇ、Ｚｒ、Ｂの１種以上：０．００５〜０．０
   ５％を含み、残部がＮｉからなる合金であり、γ−プラ
   イム相を有し、キュリー点が０℃以下、比抵抗が７０μ
   Ωｃｍ以下、０．２％耐力が６０ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上
   、及び吸収エネルギーが５ｋｇｆ・ｍ以上であることを
   特徴とするＮｉ基合金。 ２、重量％でＣｒ：１〜５％、Ａｌ：３〜７％、Ｔｉ：
   ０．２〜１．０％、Ｃ：０．０５〜０．３％、Ｓｉ、Ｍ
   ｎの単独又は複合：０．０１〜１．０％、及びＭｇ、Ｚ
   ｒ、Ｂの１種以上：０．００５〜０．０５％を含み残部
   がＮｉからなる組成の合金を溶製した後、鍛造成形し、
   その後で温度８００℃以上で溶体化処理し、次いで温度
   ４５０〜６５０℃の範囲で時効処理してγ−プライム相
   を析出させることを特徴とするＮｉ基合金の製造法。 ３、回転電機のダンパー及びリテイニング・リングはキ
   ュリー点が０℃以下、比抵抗が７０μΩｃｍ以下、０．
   ２％耐力が６０ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上、及び吸収エネル
   ギーが５ｋｇｆ・ｍ以上のＮｉ基合金により成形された
   ことを特徴とするＮｉ基合金製回転電機ダンパー及びリ
   テイニング・リング。