(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金系超電導体からなる芯部または熱処理によって超電導体となる材料を具備する芯部の外周にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止層を設け、さらにこの外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強層を設ける超電導線の製造方法において、芯部の外周にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止層を形成した後、該拡散防止層の外周にＣｕからなるクッション材を被せ、さらに該クッション材の外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強材を被せた後、縮径加工を施す工程を具備することを特徴とする超電導線の製造方法。
【請求項２】
クッション材の厚みを、超電導線線径の１．５％以上とすることを特徴とする請求項１記載の超電導線の製造方法。
【請求項３】
合金系超電導体からなる芯部または熱処理によって超電導体となる材料を具備する芯部の外周にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止層が設けられ、さらにこの外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強層が設けられてなる超電導線において、拡散防止層と補強層との間にＣｕからなるクッション層を介在させたことを特徴とする超電導線。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用ＭＲＩ用マグネット、核融合炉用トロイダルマグネット、粒子加速機用マグネット、超電導発電機用マグネット、磁気浮上列車用マグネット等に利用される高強度の超電導線及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超電導線は、超電導体からなる芯部の外周に安定化材などからなる付属部を設けた構造となっている。このような超電導線の一種に内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線が知られている。
図４は、内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の例を示すものである。この内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に無数の極細のＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが配列されてなる芯部２の外周に、ＴａあるいはＮｂからなる拡散防止層３を介してＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強層４が設けられ、さらにこの外周にＣｕなどからなる安定化層５が設けられたものである。
このような構造の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１は、補強層を有してない構造の超電導線と比べて外部からの補強が必要がないため、コンパクトな超電導マグネットの作製に好適に用いられていた。
【０００３】
次に、このような内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１の一般的な製造方法を図５を用いて説明する。
まず、図５（Ａ）に示すようなＮｂからなるロッド状の芯材１０の外周にＣｕ−Ｓｎ合金からなる管体１１を被せ、全体を縮径して図５（Ｂ）に示すような複合体１４を得る。次いで、図５（Ｃ）に示すように前記複合体１４を複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金の管体１５に挿入し、さらに縮径し、図５（Ｄ）に示す一次素線１６を得る。次いで、この一次素線１６を図５（Ｅ）に示すように複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金からなる管体１７に挿入し、更に縮径して図５（Ｆ）に示すような二次素線１８を作製する。
【０００４】
次いで、前記二次素線１８を複数本集合して、図５（Ｇ）に示すようにＣｕのパイプ２０に挿入した後、このパイプ２０の外方に拡散防止層３となるべきＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管２２を被せ、ついで該拡散防止管２２の外周に補強層４となるべきＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強管２３を被せ、ついで該補強管２３の外周に安定化層５となるべきＣｕなどからなる被覆管２４を被せ、さらに全体を最終的に得るべき直径まで縮径した後、拡散熱処理を行うことにより、二次素線１８の内部のＮｂの極細フィラメントとＳｎを反応させてＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントを生成させて、図４に示すような内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線１を製造していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の超電導線の製造方法においては、縮径加工を施して伸線する際、異種金属間の整合が難しく、特に、補強層４を形成する材料としてＣｕ−Ｎｂ合金を用いる場合、このＣｕ−Ｎｂ合金と、拡散防止層３を形成する材料であるＴａあるいはＮｂとの整合が困難で、伸線するにつれて拡散防止層３にクラック等の欠陥が生じたり、断線が起り易くなるため、伸線できる長さが短かく、得られる超電導線の長さも数十ｍ程度と短く、製造効率が悪かった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、縮径加工が容易で、得られる超電導線の長さを大幅に長くすることができる超電導線の製造方法と、これによって得られる線長さが大幅に長い超電導線を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明にあっては、合金系超電導体からなる芯部または熱処理によって超電導体となる材料を具備する芯部の外周にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止層を設け、さらにこの外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強層を設ける超電導線の製造方法において、芯部の外周にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止層を形成した後、該拡散防止層の外周にＣｕからなるクッション材を被せ、さらに該クッション材の外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強材を被せた後、縮径加工を施す工程を具備する超電導線の製造方法を前記課題の解決手段とした。
また、請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載の超電導線の製造方法において、クッション材の厚みを、超電導線線径の１．５％以上とすることを前記課題の解決手段とした。
【０００８】
また、請求項３記載の発明にあっては、合金系超電導体からなる芯部または熱処理によって超電導体となる材料を具備する芯部の外周にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止層が設けられ、さらにこの外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強層が設けられてなる超電導線において、拡散防止層と補強層との間にＣｕからなるクッション層を介在させた超電導線を前記課題の解決手段とした。
【０００９】
本願発明者は、得られる超電導線の長さを大幅に長くすることができる超電導線の製造方法を提供するべく、特に、ＣｕとＣｕ−Ｎｂ合金との整合は良好であり、一方ＴａとＣｕとの整合は良好であることに着目し、隣合う異種金属層間の整合について種々の検討及び実験を重ねた結果、Ｔａからなる拡散防止管と、Ｃｕ−Ｎｂ合金からなる補強管との間にＣｕからなるクッション材を介在させることにより、隣合う金属層間の整合が良好となり、伸線できる長さを大幅に向上させることができることを究明し、本発明を完成したのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１から図２は、内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の製造方法に本発明を適用した例を示すもので、超電導線を製造するには、まず、図１（Ａ）に示すようにＮｂロッドからなる芯材３０にＣｕ−Ｓｎ合金からなる管体３１を被せた後、スウェージング加工、引抜加工などの縮径加工によって所望の直径まで縮径して図１（Ｂ）に示す複合体３４を作製する。前記芯材３０としては、ＮｂまたはＮｂをＴｉに添加してなるものを用いるのが望ましく、Ｔｉが添加されていると無添加の場合と比べて高磁界における臨界電流特性が向上する。なお、管体３１は図面に示すような単管状のものに限るものではなく、柱状体に複数の透孔が形成された形状のものなどを用い、複数の透孔の各々に芯材３０を挿入して複合材を形成することもできる。
【００１１】
次いで、前記複合体３４を複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金の管体３５に図１（Ｃ）に示すように収納して縮径し、図１（Ｄ）に示す一次素線３６を作製し、次いで、この一次素線３６を図１（Ｅ）に示すように複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金からなる管体３７に挿入し、更に縮径加工を施して図１（Ｆ）に示すような二次素線３８を作製する。この二次素線３８の内部構造は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部にＮｂからなる極細のフィラメントが多数分散された構造となっている。なお、前記二次素線３８を更に複数本集合してＣｕ−Ｓｎ合金管に挿入し、縮径する処理を必要に応じて複数回行って複合体を作製しても良い。なお、前記二次素線３８形成用として用いたＣｕ−Ｓｎ合金のＳｎ濃度が低い場合には、その外周にＳｎのメッキ層を形成して以下の工程に用いても良い。
【００１２】
次いで、図１（Ｇ）に示すように前記二次素線３８の外周に拡散防止層となるべきＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管４２を被せ、続いて図２に示すようにこの拡散防止管４２の外周にクッション材からなる管体４３を被せ、続いて該管体４３の外周に補強材からなる補強管４４を被せ、さらに該補強管４４の外周に安定化材からなる被覆管４５を被せ、更に全体を最終的に得るべき直径まで縮径加工により伸線し、素線を形成する。なお、この例では、１本の二次素線３８の外周に拡散防止管４２を被せた後、さらにクッション材からなる管体４３を被せているが、二次素線３８を複数本集合してＣｕパイプに挿入した後、このＣｕパイプの外周に拡散防止管４２を被せ、さらに拡散防止管４２の外周にクッション材からなる管体４３を被せるようにしても良い。
【００１３】
前記管体４３をなすクッション材としては、Ｃｕが挙げられる。
前記管体４３の厚みは、目的とする超電導線線径によって異るが、１０μｍ以上が好ましく、より好ましくは１５μｍ以上〜２０μｍ以下とされる。管体４３の厚みが１０μｍ未満であると薄過ぎて前記管体４３自身にクラックが生じたり、あるいは拡散防止管４２までクラックが生じてしまう恐れがあり、伸線できる長さを大幅に向上させることができない。また、２０μｍを超えて厚くしてももはや効果の増大は期待できず、目的とする超電導線内のＣｕの割合が多くなりすぎて超電導部分の割合が少なくなる。
前記補強管４４をなす補強材としては、Ｃｕ−Ｎｂ合金が挙げられる。補強管４４としてＣｕ−Ｎｂ合金を用いた場合、補強管４４はＣｕの金属マトリックスの内部にＮｂフィラメントが多数分散配列された構造を有している。この補強管４４は、ＣｕとＮｂの両元素が互いにほとんど固溶しないという性質を有することを利用して製造されたもので、Ｃｕ−Ｎｂ合金をその溶湯から鋳造した際に、Ｃｕマトリックス中にＮｂ樹枝状晶が生成された鋳塊を得ることができ、この鋳塊を冷間線引加工することでＮｂ樹枝状晶を引き延ばしてフィラメント状に加工することができ、これによりＣｕのマトリックスの内部にＮｂフィラメントが分散配列された構造が得られる。このＮｂフィラメントは、Ｃｕのマトリックス中に分散配列されるが、このＮｂフィラメントがＣｕのマトリックスを強化するので、補強管４４はＣｕからなるものより耐力が向上する。更に、ＮｂはＣｕにほとんど固溶しないので、補強管４４の導電率が低下することもなく、補強管４４の導電率は充分に高いものとなる。
また、前記被覆管４５をなす安定化材としては、Ｃｕ、Ａｌなどの金属材料が挙げられる。
【００１４】
ここで縮径加工を施して伸線するとき、ＴａあるいはＮｂからなるからなる拡散防止管４２と、Ｃｕ−Ｎｂ合金からなる補強管４４との間にＣｕからなる管体４３を介在させると、隣合う金属層間の整合が良好となるので、従来のようにＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管の外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強管を被せた状態で伸線する場合と比べて、拡散防止層となる拡散防止管４２や補強層となる補強管４４にクラックが生じることや断線が起こることが低減されるので、縮径加工が容易となり、伸線できる長さを大幅に向上させることができ、線長さが大幅に長い素線が得られる。
【００１５】
次いで、前記素線を５００〜６５０℃で数十時間〜数百時間加熱する拡散熱処理を行うことにより、図３に示すような内部補強安定型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線５１を製造することができる。
前述のような拡散熱処理を行うと、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に極細のＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが配列された構造のＮｂ3Ｓｎ超電導体が得られる。
【００１６】
前述のように製造された内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線５１は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に無数のＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが配列されてなる芯部５２と、これの外周に設けられた拡散防止層５３と、該拡散防止層５３の外周に設けられたＣｕからなるクッション層５４と、該クッション層５４の外周に設けられた補強層５５と、さらにこの補強層５５の外周に設けられた安定化層５６とから構成されている。
前記Ｃｕからなるクッション層５４の厚みは、１５〜１７μｍ程度である。
【００１７】
この例の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の製造方法にあっては、芯部５２の外周にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管４２を被せた後、該拡散防止層４２の外周にＣｕからなる管体４３を被せ、ついでこの管体４３の外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強管４４を被せ、さらにこの外周にＣｕなどからなる被覆管４５を被せた後、縮径加工を施す工程を具備することより、縮径加工を施して伸線するとき、隣合う金属層間の整合が良好となるので、従来のようにＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管の外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強管を被せた状態で伸線する場合と比べて、拡散防止管４２にクラックが生じることや断線が起こることが低減されるので、縮径加工が容易となり、伸線できる長さを大幅に向上させることができ、従って線長が大幅に長い内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線５１が得られ、製造効率が向上する。
【００１８】
このようにして得られた内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線５１は、拡散防止層５３と補強層５５との間にＣｕからなるクッション層５４を介在させたものであるので、従来の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線より線長が大幅に長いものであっても、隣合う金属層間の整合が良好であり、拡散防止層５３にクラック等の不良が生じていないため、機械的強度が優れるうえ、前記クラック等に起因してＳｎが補強層５５および最外層の安定化層５６まで拡散するのを防止できるので、Ｓｎの拡散による安定化層５６の汚染が防止できる。
【００１９】
なお、前記の例においては、Ｎｂ３Ｓｎ系超電導線の製造方法に本発明の超電導線の製造方法を適用した例について説明したが、本発明の製造方法をＮｂ3Ｓｎの他、Ｎｂ３Ｇａ、Ｎｂ３Ｇｅ、Ｎｂ３Ａｌ、Ｖ３Ｇａ、Ｎｂ−Ｔｉなどの超電導線の製造方法に適用してもよいのは勿論である。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を、実施例および比較例により、具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１）
直径１４ｍｍのＮｂ−１．２ｗｔ％ＴｉロッドをＣｕ−１３ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径２５ｍｍ、内径１５ｍｍの管体に挿入し、縮径して直径１．０ｍｍの複合体を得た。次にこの複合体を９１本集合し、Ｃｕ−８ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１１．５ｍｍ、内径１０．５ｍｍの管体に挿入し、縮径加工を行って直径１．１４ｍｍの一次素線を得た。次いで、この一次素線を９１本集合し、Ｃｕ−８ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１３ｍｍ、内径１２ｍｍの管体に挿入し、縮径加工を行って直径１１ｍｍの二次素線を作製した。
【００２１】
次いで、このようにして得られた二次素線の外周に、外径１３ｍｍ、内径１２ｍｍのＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外周に外径１４ｍｍ、内径１３．２ｍｍのＣｕからなる管体を被せた後、この管体の外周に外径１８ｍｍ、内径１４．５ｍｍのＣｕ−２０ｗｔ％Ｎｂからなる補強管を被せ、さらにこの補強管の外周に外径１８．５ｍｍ、内径１７．５ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径１．０ｍｍまで縮径した後、６７５℃で１０日間加熱する拡散熱処理を行うことにより、線長１ｋｍのＣｕ−Ｎｂ／（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導線を得た。このようにして得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径３．９μｍの（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導フィラメントが８，２８１本配列された構造であった。
【００２２】
（実施例２）
直径７．６ｍｍのＮｂロッドをＣｕ−６ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１８ｍｍ、内径８ｍｍの管体に挿入し、縮径して直径１．０ｍｍの複合体を得た。次にこの複合体を９１本集合し、Ｃｕ−６ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１１．５ｍｍ、内径１０．５ｍｍの管体に挿入し、縮径加工を行って直径１．０ｍｍの一次素線を得た。次いで、この一次素線を９１本集合し、Ｃｕ−６ｗｔ％Ｓｎ合金からなる外径１１．５ｍｍ、内径１０．５ｍｍの管体に挿入し、縮径加工を行って直径９．０ｍｍの二次素線を作製した。
【００２３】
次いで、この二次素線の外周に外径９．９ｍｍ、内径９．３ｍｍのＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外周に外径１１．２ｍｍ、  内径１０．２ｍｍのＣｕからなる管体を被せた後、この管体の外周に外径１４ｍｍ、内径１２ｍｍのＣｕ−１５ｗｔ％Ｎｂからなる補強管を被せた後、さらにこの補強管の外周に外径１５．４ｍｍ、内径１４．６ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径０．４６ｍｍまで縮径したのち、前記実施例１と同様にして拡散熱処理を行うことにより、線長１ｋｍのＣｕ−Ｎｂ／Ｎｂ3Ｓｎ超電導線を得た。ここで得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径１．８μｍのＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが８，２８１本配列された構造であった。
【００２４】
（比較例１）
前記実施例１と同様にして二次素線を作製した。次いで、作製した二次素線の外周に外径１３ｍｍ、内径１２ｍｍのＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外周に外径１７ｍｍ、内径１３．５ｍｍのＣｕ−２０ｗｔ％Ｎｂからなる補強管を被せ、さらにこの補強管の外周に外径１８．５ｍｍ、内径１７．５ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径１．０ｍｍまで縮径した後、前記実施例１と同様にして拡散熱処理を行うことにより、線長５０ｍのＣｕ−Ｎｂ／（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ系超電導線を得た。このようにして得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径３．９μｍの（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導フィラメントが８，２８１本配列された構造のものであった。
【００２５】
（比較例２）
前記実施例２と同様にして二次素線を作製した。次いで、作製した二次素線の外周に外径９．９ｍｍ、内径９．３ｍｍのＴａからなる拡散防止管を被せ、ついでこの拡散防止管の外周に外径１４ｍｍ、内径１１．５ｍｍのＣｕ−１５ｗｔ％Ｎｂからなる補強管を被せ、さらにこの補強管の外周に外径１５．４ｍｍ、内径１４．６ｍｍのＣｕからなる被覆管を被せた後、全体を径０．４６ｍｍまで縮径した後、前記実施例１と同様にして拡散熱処理を行うことにより、線長４０ｍのＣｕ／（Ｎｂ，Ｔｉ）3Ｓｎ超電導線を得た。このようにして得られた超電導線の芯部は、Ｃｕ−Ｓｎ合金からなる基地の内部に径１．８μｍのＮｂ3Ｓｎ超電導フィラメントが８，２８１本配列された構造のものであった。
【００２６】
上記実施例１〜２で得られた超電導線と、比較例１〜２で得られた超電導線の線長を比較すると、実施例１〜２で得られた超電導線は、比較例１〜２の超電導線に比べて線長が大幅に長いことが分る。なお、比較例１〜２のものでは、これ以上の長さに伸線した場合に拡散防止層にクラック等の欠陥が生じた。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超電導線の製造方法にあっては、合金系超電導体からなる芯部または熱処理によって超電導体となる材料を具備する芯部の外周にＴａあるいはＮｂからなる拡散防止層を形成した後、該拡散防止層の外周にＣｕからなるクッション材を被せ、さらに該クッション材の外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強材を被せた後、縮径加工を施す工程を具備することにより、隣合う金属層間の整合が良好となり、従来のようにＴａあるいはＮｂからなる拡散防止管の外周にＣｕ−Ｎｂ合金からなる補強管を被せた状態で伸線する場合と比べて、拡散防止層にクラックが生じることや断線が起こることが低減されるので、縮径加工が容易となり、伸線できる長さを大幅に向上させることができ、従って線長が大幅に長い超電導線が得られ、製造効率が向上するという利点がある。
【００２８】
また、本発明の超電導線にあっては、拡散防止層と補強層との間にＣｕからなるクッション層を介在させたものであるので、従来の超電導線より線長が大幅に長いものであっても、隣合う金属層間の整合が良好であり、拡散防止層にクラック等が生じていないため、機械的強度が優れるうえ、前記クラック等に起因して補強層および安定化層までＳｎが拡散するのを防止できるのでＳｎの拡散による安定化層の汚染が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）〜（Ｇ）は、本発明の超電導線の製造方法の一例を工程順に示した断面図である。
【図２】  本発明の超電導線の製造方法の一例を示した断面図である。
【図３】  本発明の超電導線の一例を示す拡大断面図である。
【図４】  従来の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の例を示す拡大断面図である。
【図５】  （Ａ）〜（Ｇ）は、従来の内部補強安定化型Ｎｂ3Ｓｎ系超電導線の製造方法を工程順に示した断面図である。
【符号の説明】
３０・・・芯材、３１・・・管体、３４・・・複合体、３５・・・管体、３６・・・一次素線、３７・・・管体、３８・・・二次素線、４２・・・拡散防止管、４３・・・管体、４４・・・補強管、５１・・・超電導線、５２・・・芯部、５３・・・拡散防止層、５４・・・クッション層、５５・・・補強層、５６・・・安定化層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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