(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＮｂ３Ａｌ超電導部と、前記複数のＮｂ３Ａｌ超電導部の周囲に形成されたＮｂ合金あるいはＴａから成る外周部マトリックスから構成されることにより所定の臨界電流密度特性を有し、
前記外周部マトリックスは、冷間での所定の引張強度を有し、かつ、０．０４ｍｍ以下の厚さを有し、
前記所定の臨界電流密度特性は、磁界２１Ｔおよび温度４．２Ｋにおいて２６０Ａ／ｍｍ２以上の臨界電流密度を有することを特徴とするＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線。
【請求項２】
前記外周部マトリックスは、前記所定の引張強度として２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下の引張強度を有することを特徴とする請求項第１項記載のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線。
【請求項３】
ＮｂとＡｌの積層体の周囲に高融点金属あるいはその合金の被覆を形成し、これに第１の加熱と急冷を施すことによってＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を有する複合体を形成し、前記複合体に第２の加熱を施すことによって前記Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体に基づくＮｂ３Ａｌ相を析出させる超電導線の製造方法において、
前記超電導線における外周部マトリックスを冷間での引張強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下の高融点金属あるいはその合金によって形成し、
前記第１の加熱と急冷が施されるときの前記外周部マトリックスの厚さを０．１ｍｍ以下に設定することを特徴とするＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法。
【請求項４】
ＮｂとＡｌの積層体の周囲に高融点金属あるいはその合金の被覆を形成し、これに第１の加熱と急冷を施すことによってＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を有する複合体を形成し、前記複合体に第２の加熱を施すことによって前記Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体に基づくＮｂ３Ａｌ相を析出させる超電導線の製造方法において、
前記超電導線における外周部マトリックスを冷間での引張強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下のＮｂ合金あるいはＴａによって形成し、
前記第１の加熱と急冷が施されるときの前記外周部マトリックスの厚さを０．０４ｍｍ以下に設定することを特徴とするＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎｂ3 Ａｌ化合物系超電導線およびその製造方法に関し、特に、優れた臨界電流密度特性を有したＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線とこれを得るための製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｂ3 Ａｌ化合物系超電導線は、Ｎｂ3 Ｓｎ、ＮｂＴｉのような一般的な超電導線と比べ、高磁界における臨界電流密度特性に優れていることから、たとえば、物性研究用高磁界ＮＭＲマグネット等の超電導材料として実用化が期待されている。
【０００３】
従来のＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線の製造方法として、たとえば、ＮｂとＡｌを所定の組成比率で複合し、相互の拡散距離をサブミクロンオーダまで小さくした状態で６００〜１，０５０℃の温度に加熱し、これにより固相拡散を起こさせてＮｂ3 Ａｌを生成させる製造方法が知られている（“ジュリーロール法Ｎｂ3 Ａｌ超電導線材の開発”、住友電気工業、第１３９号、１９９１）。
【０００４】
しかし、この製造方法によると、１，５００℃以上の高温においてのみ安定するＮｂ3 Ａｌ化合物にとっては、温度不足下での固相拡散となり、このため、化学量論組成からのずれが発生するようになることから、高い臨界電流密度を得ることが難しく、従って、たとえば、要求特性を２０Ｔ以上の高磁界で満たす必要があるＮＭＲマグネット等に対し、拡散法をもって対処することはほゞ不可能と言える。
【０００５】
Ｎｂ3 Ａｌ系超電導線を得るための他の製造方法として、ＮｂとＡｌを所定の組成比率で複合し、これを１，５００℃以上に加熱して直ちに急冷することにより、Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を生成させ、その後、これを６００〜１，０５０℃に再加熱してＮｂ3 Ａｌ相を析出させる方法が知られている（特公平６−４４４２７号）。
【０００６】
相析出法に基づくこの製造方法は、Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体生成のための加熱温度が高いために、化学量論組成からのずれによる臨界電流密度の低下がなく、従って、ＮＭＲマグネット等への適用を考えた場合に最も適した製造方法とされている。
【０００７】
通常、この方法による超電導線の製造は、以下の手順により進められる。
たとえば、ジェリーロール法の場合であれば、まず、ＮｂあるいはＮｂ合金のシートと、ＡｌあるいはＡｌ合金のシートを積層巻きしてＮｂパイプに詰め、これに伸線加工を施すことによって所定のサイズのシングル線材とする。
【０００８】
次に、得られたシングル線材の集合束をＮｂパイプに入れ、これに伸線加工を施すことによってＮｂとＡｌのマルチ複合線材を製作し、その後、これを１、５００℃以上の高温に加熱して直ちに急冷する。
この第１の加熱と急冷の結果、ＮｂとＡｌの複合部にはＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体が生成し、最後に、この素材を６００〜１，０５０℃の温度に再度加熱することにより（第２の加熱）、過飽和固溶体の部分にＮｂ3 Ａｌを析出させる。
【０００９】
この方法によれば、高い臨界電流密度を有する超電導線の製造が可能であり、従って、この方法は、要求性能の厳しいＮＭＲマグネット等に使用される超電導線にとっては唯一とも言える製造方法であり、有望視されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の析出法に基づいたＮｂ3 Ａｌ系超電導線によると、Ｎｂ3 Ａｌの部分に他の金属化合物等の不純物を生成させることが多く、このため、高い臨界電流密度特性を確保することが難しかった。不純物の生成は、可橈性にも悪影響を及ぼし、たとえば、超電導線をコイル巻きするときなどに断線を招くようになる。
【００１１】
従って、本発明の目的は、不純物生成のない高臨界電流密度特性を備えたＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線と、これを得るための製造方法とを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、複数のＮｂ３Ａｌ超電導部と、前記複数のＮｂ３Ａｌ超電導部の周囲に形成されたＮｂ合金あるいはＴａから成る外周部マトリックスとから構成されることにより所定の臨界電流密度特性を有し、前記外周部マトリックスは、冷間での所定の引張強度を有し、かつ、０．０４ｍｍ以下の厚さを有し、前記所定の臨界電流密度特性は、磁界２１Ｔおよび温度４．２Ｋにおいて２６０Ａ／ｍｍ２以上の臨界電流密度を有することを特徴とするＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を提供するものである。
【００１４】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、ＮｂとＡｌの積層体の周囲に高融点金属あるいはその合金の被覆を形成し、これに第１の加熱と急冷を施すことによってＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を有する複合体を形成し、前記複合体に第２の加熱を施すことによって前記Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体に基づくＮｂ3 Ａｌ相を析出させる超電導線の製造方法において、前記超電導線における外周部マトリックスを冷間での引張強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下の高融点金属あるいはその合金によって形成し、前記第１の加熱と急冷が施されるときの前記外周部マトリックスの厚さを０．１ｍｍ以下に設定することを特徴とするＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線の製造方法を提供するものである。
【００１５】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、ＮｂとＡｌの積層体の周囲にＮｂ合金あるいはＴａの被覆を形成し、これに第１の加熱と急冷を施すことによってＮｂ‐Ａｌ過飽和固溶体を有する複合体を形成し、前記複合体に第２の加熱を施すことによって前記Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体に基づくＮｂ３Ａｌ相を析出させる超電導線の製造方法において、前記超電導線における外周部マトリックスを冷間での引張強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下の高融点金属あるいはその合金によって形成し、前記第１の加熱と急冷が施されるときの前記外周部マトリックスの厚さを０．０４ｍｍ以下に設定することを特徴とするＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線の製造方法を提供するものである。
【００１６】
上記の積層体を構成するＮｂとＡｌには、純Ｎｂおよび純Ａｌだけでなく、これらの合金も含まれる。これらは、Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体生成のための加熱時においてＡｌ系は溶融状態となり、これと複合されたＮｂ系は固溶化することから、これらに強度メンバーとしての役割を期待することはできない。
【００１７】
強度メンバーの役割は、ＮｂとＡｌの複合体の周囲に形成される高融点金属あるいはその合金の外周部マトリックスが、これを果たすことになる。
外周部マトリックスの厚さを０．１ｍｍ以下あるいは０．０４ｍｍ以下に設定する理由は、これを超えると、急冷時における冷却効果が不足して冷却中に不純物を生成させるようになり、このため、臨界電流密度特性に低下を招くからである。なお、本発明における外周部マトリックスの厚さとは、超電導線の断面円周方向における平均厚さを意味する。
【００１８】
外周部マトリックスを構成する高融点金属あるいはその合金の冷間での引張強度（以下、単に「引張強度」という）を２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下に設定する理由は、伸線加工性を確保するためである。
素材から超電導線に加工する間、外周部マトリックスには苛酷な塑性加工力が作用することになるが、０．１ｍｍ以下あるいは０．０４ｍｍ以下の外周部マトリックス厚さを確保するためには、２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下の引張強度が必須であり、これよりも大きな引張強度の高融点金属を使用するときには、伸線加工が不可能になる。
【００１９】
外周部マトリックスの厚さは、超電導線としての臨界電流密度に大きく影響し、厚さ０．１ｍｍ以下は、磁界２１Ｔおよび温度４．２Ｋにおいて２４０Ａ／ｍｍ2 クラスの高い臨界電流密度の確保を可能にする。
この値はＮＭＲ用導体としての要求特性をクリアする値でもあり、従って、本発明における外周部マトリックスの厚さと、外周部マトリックス構成材における引張強度特性とは、相互に有機的に関連しており、良好なＮＭＲ用導体を提供するうえにおいての必須要件となる。この場合、外周部マトリックスを構成するための好適な材料としては、ＮｂあるいはＴａを挙げることができる。
【００２０】
より好ましい外周部マトリックスの厚さとして、０．０４ｍｍ以下の厚さを推奨することができる。この厚さが設定されるとき、超電導線における臨界電流密度は、磁界２１Ｔおよび温度４．２Ｋにおいて２６０Ａ／ｍｍ2 以上となり、より高い電流密度特性の確立が可能となる。
【００２１】
外周部マトリックスの構成材に課せられる条件である引張強度２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下が、厚さ０．０４ｍｍ以下の伸線加工を可能にするもので、具体的には、Ｎｂ合金あるいはＴａがこのための構成材として使用される。合金でないＮｂ単一の使用は、伸線加工を不可能にするので避ける必要がある。
【００２２】
本発明の製造方法においては、ＮｂとＡｌはシート状であることが多く、従って、これらＮｂとＡｌのシートは互いに積層巻きされるが、ＮｂあるいはＡｌの部材に線状のＡｌあるいはＮｂを密巻きすることによって積層体を構成することは可能である。
シート状のＮｂとＡｌを積層巻きする際に、高融点金属の中心材を準備してこれに巻き付けることは好ましく、積層巻き作業を容易にする利点がある。
【００２３】
また、これらＮｂ、Ａｌ積層体の周囲に高融点金属の外周部マトリックスを形成するに当たっては、一旦、積層体上に高融点金属による個別の被覆を形成したシングル線材を準備し、このシングル線材の集合束の上に外周部マトリックスとなる高融点金属の一括被覆を形成してもよく、あるいは、シングル線材を作らずに、Ｎｂ、Ａｌ積層体を一括して束ね、この上に外周部マトリックスとなる高融点金属の被覆を直接形成してもよい。
【００２４】
Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体生成のための第１の加熱は、１，５００℃以上に設定して行うべきであり、また、Ｎｂ‐Ａｌ過飽和固溶体からＮｂ3 Ａｌ化合物を析出させるための第２の加熱は、６００〜１，０５０℃の範囲に設定して行うことが望ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線およびその製造方法の実施の形態について説明する。
図１は、製造過程における製品の形状を示したものである。
【００２６】
図１（イ）において、１は、Ｎｂシート２とＡｌシート３を積層し、これを中心材４に隙間なく巻き付けることによって構成したジェリーロール形式の積層体を示す。５は積層体１上に静水圧押出によりＮｂ材を被せることによって形成された工業用純Ｎｂ製の被覆を示し、この被覆５の上には同様にしてＣｕ被覆６が形成され、これによって複合素線７とされる。
【００２７】
図１（ロ）は、複合素線７をダイス伸線により断面六角形に減面加工し、その後、Ｃｕ被覆６を除去することによって製造したシングル線材８の構造を示したもので、六角形による密接集合が可能な構造となっている。
【００２８】
図１（ハ）は、高融点金属あるいはその合金による一括被覆管９とＣｕ‐Ｎｉ合金管１０を、静水圧押出によりシングル線材８の集合束の上に順次形成することによって得られた複合線材１１の構造を示す。この複合線材１１は、ダイス伸線によって所定の寸法に減面加工された後、外周のＣｕ合金管１０が除去され、所定寸法のマルチ複合線材とされる。
【００２９】
図１（ニ）は、以上により得られたマルチ複合線材を第１の加熱処理により所定の温度に加熱して直ちに急冷し、引き続き、第２の加熱処理により所定の温度に加熱することによって製造したＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線の断面構造を示したもので、第１の加熱とそれに続く急冷とは、以下に説明する装置を使用して行われた。図中、１２はＮｂ3 Ａｌ超電導部、１３は外周部マトリックスを示す。
【００３０】
図２は、加熱および急冷に使用された装置の概要を示したもので、１４はマルチ複合線材１５を送り出すための供給リール、１６、１７は電極ローラ、１８は内部に冷却剤としての液体Ｇａ１９を収容した冷却槽を示し、液体Ｇａ１９の中には電極ロール１７が浸漬させられている。２０は巻取リール、２１は電源、２２は抵抗Ｒの両端の電位差から電流を測定する電流値測定リード線２３と、電極ローラ１６、１７間の電圧を測定する電圧測定リード線２４とを備えた記録計、２５はガイドローラを示す。
【００３１】
供給リール１４から送り出されたマルチ複合線材１５は、電極ローラ１６と１７を通過する間に２０００℃で０．１秒間通電加熱され（第１の加熱）、その後、直ちに液体Ｇａ１９によって５，０００Ｋ／秒以上の冷却速度で急冷された後、巻取リール２０に巻き取られる。
巻き取られたマルチ複合線材１５は、別工程において８００℃の第２の加熱処理を施され、これによりＮｂ3 Ａｌを析出させられて所定のＮｂ3 Ａｌ系超電導線とされる。
図３は、以上の超導線製造プロセスをフローチャートにまとめたものである。
【００３２】
以下、図１〜３に基づいた本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
図１、２において、厚さ７５μｍの工業用純Ｎｂシート２と、厚さが２５μｍの工業用純Ａｌシートと、外径φ１．５ｍｍの工業用純Ｎｂ製の中心材４を使用し、さらに、一括被覆管９として引張強度が１７．３ｋｇｆ／ｍｍ２のＮｂ材を使用し、マルチ複合線材１５の外径をφ０．５ｍｍに設定することにより、所定のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を製造した。この例における外周部マトリックス１３の平均厚さは０．０７ｍｍであり、超電導線の外径はφ０．５ｍｍであった（マルチ複合線材１５の外径と同じ）。
【００３３】
【実施例２】
図１、２において、厚さ９０μｍの工業用純Ｎｂシート２と、厚さ３０μｍのＡｌシート３と、外径φ１．２ｍｍの工業用Ｎｂ製の中心材４を使用し、さらに、一括被覆管９として引張強度が１８．１ｋｇｆ／ｍｍ２のＮｂ材を使用し、マルチ複合線材１５の外径をφ０．８ｍｍに設定することにより、所定のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を製造した。この例における外周部マトリックス１３の厚さは、０．０８ｍｍであった。
【００３４】
【実施例３】
実施例２において、中心材４を使用せずにＮｂシート２とＡｌシート３を積層巻きし、被覆９の構成材を引張強度が１８．０ｋｇｆ／ｍｍ２のＮｂ材により構成し、さらに、マルチ複合線材１５の外径をφ０．５ｍｍに設定することにより所定のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を製造した。外周部マトリックス１３の平均厚さは、０．０８ｍｍであった。
【００３５】
【実施例４】
実施例１において、一括被覆管９の構成材として引張強度が１８．８ｋｇｆ／ｍｍ２のＮｂ‐Ｔａ合金を使用し、マルチ複合線材１５の外径をφ０．８ｍｍに設定することにより、所定のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を製造した。この例における外周部マトリックス１３の平均厚さは、０．０３５ｍｍであった。
【００３６】
【実施例５】
実施例２において、一括被覆管９の構成材として引張強度が１９．５ｋｇｆ／ｍｍ２のＴａを使用し、マルチ複合線材１５の外径をφ０．８ｍｍに設定することにより、所定のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を製造した。外周部マトリックス１３の厚さは、０．０３０ｍｍであった。
【００３７】
【比較例１】
実施例３において、引張強度が１８．０ｋｇｆ／ｍｍ２のＮｂにより被覆管９を構成し、マルチ複合線材１５の外径をφ０．５ｍｍに設定することにより、所定のＮｂ３Ａｌ化合物系超電導線を得た。この例における外周部マトリックス１４の厚さは、０．１６ｍｍであった。
【００３８】
【比較例２】
実施例１において、一括被覆管９の構成材として引張強度が２５．３ｋｇｆ／ｍｍ2 のＮｂを使用し、さらに、マルチ複合線材１５の外径がφ０．８ｍｍとなるように条件を設定して、Ｎｂ3 Ａｌ化合物系超電導線の製造を試みたが、マルチ複合線材１５を得るための伸線加工において断線が多発した。長尺のマルチ複合線材を得ることが困難のため、作業を断念した。複合線材１５の断片を対象に測定した外周部マトリックス相応部の厚さは、０．０５ｍｍであった。
【００４０】
表１は、実施例および比較例における各超電導線の要部構成と、磁界２１Ｔおよび温度４．２Ｋにおける臨界電流密度特性を示したものである。
【００４１】
【表１】
0003663948.tif 000002
【００４２】
表１によれば、外周部マトリックス１３を構成する材料の引張強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下であって、外周部マトリックス１３の厚さが０．１ｍｍ以下である実施例１〜３と、外周部マトリックス厚さが０．１ｍｍを超える比較例１を対比するとき、前者が２４０Ａ／ｍｍ2 クラスの高い臨界電流密度を示しているのに比べ、後者のそれは２１５Ａ／ｍｍ2 でしかなく、両者の間には明確な差が認められる。
【００４３】
また、外周部マトリックス１３の構成材として、引張強度が２０ｋｇｆ／ｍｍ2 を超える材料を使用した比較例２の場合には、伸線不可能な状態を示しており、従って、これらの事実から、本発明が外周部マトリックスの構成材における引張強度を２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下に設定し、同時に外周部マトリックスの厚さを０．１ｍｍ以下に設定する意味と、そのことによる効果は明白である。
【００４４】
実施例４、５は、より高いレベルの臨界電流密度を得るときの条件を示している。即ち、外周部マトリックス１３の構成材における引張強度を２０ｋｇｆ／ｍｍ２以下に設定し、外周部マトリックス１３の厚さを０．０４ｍｍ以下に設定し、さらに、外周部マトリックス１３をＮｂ合金あるいはＴａにより構成したとき、得られる超電導線が示す臨界電流密度は、２６０Ａ／ｍｍ２クラスの高レベルとなる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線およびその製造方法によれば、外周部マトリックスを構成する高融点金属の引張強度を２０ｋｇｆ／ｍｍ2 以下に設定し、さらに、外周部マトリックスの厚さを０．１ｍｍ以下あるいは０．０４ｍｍ以下に設定することによって、高い臨界電流密度を備えたＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線を提供するものであり、たとえば、この種超電導線をＮＭＲマグネット等に適用するうえにおいて、有用性大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＮｂ3 Ａｌ化合物系超電導線の製造方法における実施の形態を示す説明図であり、Ａは部分拡大図を示す。
【図２】図１の実施形態において使用される加熱、急冷装置を示す説明図。
【図３】図１および図２の実施の形態の製造プロセスを示す説明図。
【符号の説明】
１              積層体
２              Ｎｂシート
３              Ａｌシート
４              中心材
５              被覆
６              Ｃｕ被覆
７              複合素線
８              シングル線材
９              一括被覆
１０              Ｃｕ合金被覆
１１              複合線材
１２              Ｎｂ3 Ａｌ超電導部
１３              外周部マトリックス
１４              供給リール
１５              マルチ複合線材
１６、１７        電極ローラ
１８              冷却槽
１９              液体Ｇａ
２０              巻取リール
２１              電源
２２              記録計
【図１】
0003663948.tif 000003
【図２】
0003663948.tif 000004
【図３】
0003663948.tif 000005