(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１本のＮｂまたはＮｂ基合金棒または密接して配置した複数のＮｂまたはＮｂ基合金棒、前記ＮｂまたはＮｂ基合金棒の周囲に配置したＳｎまたはＳｎ基合金棒およびこれらの周囲に配置したＣｕまたはＣｕ基合金からなる複合線材を、複数本束ねてシース材に挿入した後、断面縮小加工して素線を得、該素線を熱処理することを特徴とする、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法。
【請求項２】
１本のＮｂまたはＮｂ基合金棒または密接して配置した複数のＮｂまたはＮｂ基合金棒およびこれらの周囲に配置したＣｕまたはＣｕ基合金からなる第１の複合線材と、１本のＳｎまたはＳｎ基合金棒または密接して配置した複数のＳｎまたはＳｎ基合金棒およびこれらの周囲に配置したＣｕまたはＣｕ基合金からなる第２の複合線材と、を分散するように配置してシース材に挿入した後、断面縮小加工して素線を得、該素線を熱処理することを特徴とする、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法。
【請求項３】
銅または銅基合金棒材に設けた複数の縦穴に、１本のＮｂまたはＮｂ基合金棒または密接して配置した複数のＮｂまたはＮｂ基合金棒と、１本のＳｎまたはＳｎ基合金棒または密接して配置した複数のＳｎまたはＳｎ基合金棒と、を別々または一体に挿入し、断面縮小加工して素線を得、該素線を熱処理することを特徴とする、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法に関するものであり、さらに詳しくは本発明は、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の非常に高い臨界電流密度を維持しながら、極小ヒステリシスロスの超電導線が得られる、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線は、臨界温度、臨界磁場、臨界電流などの超電導特性が優れているため、例えば高磁界発生用電磁石の巻線材料として使われている。
【０００３】
一般にＮｂ３Ｓｎ化合物超電導線は、多数のＮｂ３Ｓｎフィラメントとその周囲に存在するブロンズマトリックスの複合体が、ＴａまたはＴａ基合金、あるいはＮｂまたはＮｂ基合金を介して、安定化銅に接触する横断面を有している。
従来の熱処理および断面縮少加工後のＮｂ３Ｓｎ化合物超電導線の横断面の一例を図１１に示す。図１１において、３は安定化銅、４はＴａまたはＴａ基合金、あるいはＮｂまたはＮｂ基合金からなる拡散バリヤ、５はＮｂ３Ｓｎフィラメント、６はブロンズマトリックスである。外形は円形の場合もあれば矩形で使用される場合もある。無論Ｎｂ３Ｓｎフィラメント５が超電導相である。
【０００４】
しかしＮｂ３Ｓｎ化合物超電導体は、金属間化合物であるため機械的に脆弱であるから、合金系超電導体のように塑性加工の方法によって複合線とすることは困難である。そのためＮｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造には、その１つとして図１２に断面縮少加工後で熱処理前の線材横断面を示すように、多数のＮｂフィラメント１とＣｕ−Ｓｎ合金、いわゆるブロンズマトリックス６からなる複合体と、さらにＳｎの拡散を防止するための前記拡散バリヤ４、安定化銅３を組み合わせ、これらを複合加工して所望の断面形状に仕上げた後に熱処理し、Ｎｂ３Ｓｎ化合物を生成させる方法（ブロンズ法）が採られていた。しかし、この方法によると冷間の減面加工において、ブロンズマトリックス中のＳｎ濃度が約１３％までと高いので、Ｃｕ−Ｓｎブロンズマトリックスの加工硬化がはなはだ大きく、加工途中で多数の軟化熱処理を必要とし、その軟化熱処理のために、多くの費用、時間を必要とし、またブロンズ中Ｓｎ濃度が約１３％と上限があるため、多くのＳｎ量を得ることが困難で、そのため生成されるＮｂ３Ｓｎ化合物量が少なく、例えば臨界電流は１２Ｔで６５０Ａ／ｍｍ２と低い値にとどまっていた。なおＳｎ濃度を１３％以上とすると、ブロンズマトリックス中に化合物が発生し、ブロンズマトリックスの加工ははなはだ困難なものとなってしまう。
【０００５】
このような欠点を解決するために、その一例として、図１３に示すように次の方法がとられていた。ＣｕとＮｂからなる押出複合ビレットからＣｕ／Ｎｂ複合パイプを作成する。中央部の縦穴にＳｎを挿入し、スェージング、圧延、引抜加工、その他の方法で断面縮少加工して、細径の線材を得る。これを複数本束ねて、別のＣｕパイプに入れ、これに引抜加工等を施して、超電導素線を得る。これにＮｂ３Ｓｎ生成熱処理を施すと、Ｓｎが拡散しＮｂ３Ｓｎマトリックスが生成しＮｂ３Ｓｎ化合物超電導線として使用できるものになる。
この方法は、ブロンズ法のようにＳｎ量が１３％以下という限度がないために、Ｓｎ量を多くとることができ、従って、生成されるＮｂ３Ｓｎ化合物量を多くすることができるので、ブロンズ法に比べて臨界電流密度は非常に高いものが得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように高い臨界電流密度（Ｊｃ）のものが得られたとしても、中央部のＳｎ中にはＮｂが配置できないことがあいまって、Ｎｂフィラメント間隔が小さくなるため、隣接するＮｂ３Ｓｎ化合物のフィラメント同士の連接が生じ易くなり、ヒステリシスロスの増大が見られていた。例えば、１２ＴでＪｃが９５０Ａ／ｍｍ２の線材では、ヒステリシスロスに関して、有効フィラメント径は１５〜２０μｍであった。このような超電導線を使用した超電導パルスコイルでは発熱量が大きく、強大な冷凍機を必要としていた。
【０００７】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の非常に高い臨界電流密度を維持しながら、隣接するＮｂ３Ｓｎ化合物のフィラメント同士の連接がない極小ヒステリシスロスの超電導線が得られる、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討の結果、上記のような従来の課題を解決することができた。
【０００９】
すなわち本発明は、１本のＮｂまたはＮｂ基合金棒または密接して配置した複数のＮｂまたはＮｂ基合金棒、前記ＮｂまたはＮｂ基合金棒の周囲に配置したＳｎまたはＳｎ基合金棒およびこれらの周囲に配置したＣｕまたはＣｕ基合金からなる複合線材を、複数本束ねてシース材に挿入した後、断面縮小加工して素線を得、該素線を熱処理することを特徴とする、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法を提供するものである。
【００１０】
また、本発明は、１本のＮｂまたはＮｂ基合金棒または密接して配置した複数のＮｂまたはＮｂ基合金棒およびこれらの周囲に配置したＣｕまたはＣｕ基合金からなる第１の複合線材と、１本のＳｎまたはＳｎ基合金棒または密接して配置した複数のＳｎまたはＳｎ基合金棒およびこれらの周囲に配置したＣｕまたはＣｕ基合金からなる第２の複合線材と、を分散するように配置してシース材に挿入した後、断面縮小加工して素線を得、該素線を熱処理することを特徴とする、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法を提供するものである。
【００１１】
さらに本発明は、銅または銅基合金棒材に設けた複数の縦穴に、１本のＮｂまたはＮｂ基合金棒または密接して配置した複数のＮｂまたはＮｂ基合金棒と、１本のＳｎまたはＳｎ基合金棒または密接して配置した複数のＳｎまたはＳｎ基合金棒と、を別々または一体に挿入し、断面縮小加工して素線を得、該素線を熱処理することを特徴とする、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の製造方法を提供するものである。
【００１２】
【作用】
本発明において、Ｓｎの配置は集中的なものではなく、各々のＮｂの周囲に分散して配置しているため、Ｎｂ棒（Ｎｂフィラメント）配置についてのデッドゾーンがなくなり、そのためＮｂフィラメント間隔を長く改良でき、Ｎｂ３Ｓｎ化合物生成によるフィラメントの膨脹があっても、Ｎｂ３Ｓｎ化合物のフィラメント同士が連接しなくなり、結果としてヒステリシスロスを小さくでき、高性能超電導線が製造可能となる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって説明する。
実施例１．
図１は、複合線材としてＮｂ棒の周囲にＳｎ棒を配置した態様を示すものである。図１において、１はＮｂ棒、２はＳｎ棒、３はＣｕ管である。直径１０ｍｍのＮｂ棒１に１．５ｍｍ厚のＳｎ板をまきつけ、内面に凹溝を有するＣｕ管３に挿入した。これを引抜加工し、対辺距離３．０ｍｍ、長さ１．０ｍの六角棒（複合線材）を２５３本製作した。このときの六角棒を束ねたときの断面形状は図１の如くであり、Ｓｎ棒２は、Ｃｕ管３の内面の凹溝に流れ、埋め込まれた形になっている。
次にこの２５３本を束ねて別の円形Ｃｕ管（シース材）に入れ、引抜加工し、対辺距離３．５ｍｍ、長さ１．０ｍの六角棒を５５本製作した。これを別の円形Ｃｕ管にＴａバリヤと共に挿入し、引抜加工にて外径０．９５ｍｍの超電導素線を作製した。
加工中は軟化熱処理をせずとも、良好に加工を進めることができた。
【００１４】
作製した素線から切り出した約１．５ｍの長さのサンプルの両端を加熱してＳｎ封止処理をし、Ｎｂ３Ｓｎ化合物生成熱処理を行った。熱処理は６７５℃×１００時間であった。これにより得られたＮｂ３Ｓｎ化合物超電導線の臨界電流を測定した結果、１２Ｔの磁場中、約４．２°Ｋの温度で、臨界電流密度は非銅当たり１０４０Ａ／ｍｍ２と非常に高いものであった。また、走査型電子顕微鏡観察を行った結果、生成されたＮｂ３Ｓｎ化合物同士の連接した部分が皆無であり、ヒステリシスロスが極小であることが判った。同じ熱処理を施したサンプルのコイル状での有効フィラメント径測定結果は、５μｍであり臨界電流密度、ヒステリシスロス両特性において優れた性能のＮｂ３Ｓｎ化合物超電導線であることが判った。
【００１５】
なお、上記の断面縮小加工は、とくに制限されるものではなく、スェージング、圧延、引抜加工、その他の方法を適当に選択することができる。
さらに、上記の熱処理は６７５℃×１００時間で行ったが、本発明はこの熱処理条件に限定されるものではなく、例えば５００〜９００℃×１０００時間以下の条件で行うことができる。好ましくは、６００〜７５０℃×３００時間以下である。
【００１６】
実施例２．
直径１０ｍｍのＮｂ棒を外径１５．５ｍｍ、内径１０．５ｍｍのＣｕ管に入れ引抜加工し、対辺距離３．０ｍｍ、長さ１．０ｍの六角棒（第１の複合線材）を８４本製作した。また直径１０ｍｍのＳｎ棒を外径１５．５ｍｍ、内径１０．５ｍｍの別のＣｕ管に入れ、引抜加工し、同じく対辺距離３．０ｍｍ、長さ１．０ｍの六角棒（第２の複合線材）を１６９本製作した。以上の合計２５３本を分散するように束ねて、別の円形Ｃｕ管（シース材）に入れ引抜加工し、対辺距離３．５ｍｍ、長さ１．０ｍの六角棒を５５本作製した。これをさらに別に用意した円形Ｃｕ管にＴａバリヤと共に挿入し、引抜加工し、外径０．９５ｍｍの超電導素線を得た。素線の断面形状の拡大図を図２に示す。図２から判るように、第１の複合線材と第２の複合線材は、均等分散されて配置している。
加工中は、ブロンズ法のような軟化熱処理は必要とせず、良好に加工を進めることができた。
この素線の一部を切り取り、６７５℃×１００時間のＮｂ３Ｓｎ化合物生成熱処理を加えた。コイル状で熱処理したこのサンプルを、１２Ｔの磁界中、４．２°Ｋの温度で臨界電流を測定した結果、１０１０Ａ／ｍｍ２と高い臨界電流密度を得た。
実施例１と同様に、走査型電子顕微鏡観察では、生成されたＮｂ３Ｓｎ化合物同士の連接はみあたらず、またヒステリシスロスについて、有効フィラメント径は約５μｍであり、臨界電流密度、ヒステリシスロス両特性において優れた性能を有していることが実証された。
【００１７】
実施例３．
上記および下記の実施例においては、使用した金属が各々Ｎｂ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｔａ等純金属の場合について述べているが、臨界電流密度向上のため、または加工性を良くするために別元素の添加があっても同様の効果がある。例えばＮｂ基合金としては、Ｎｂ−Ｔｉ（Ｔｉ５％以下）、Ｎｂ−Ｔａ（Ｔａ７％以下）等、Ｓｎ基合金としてはＳｎ−Ｔｉ（Ｔｉ５％以下）、Ｓｎ−Ｉｎ（Ｉｎ１０％以下）、Ｓｎ−Ｔａ（Ｔａ７％以下）等を用いることができる。
【００１８】
実施例４．
また、Ｎｂ３Ｓｎ化合物超電導線の仕上がり線径、安定化銅の有無、拡散バリヤの材質の如何にかかわらず、基本的に超電導化合物を構成するＮｂまたは上記のようなＮｂ基合金、Ｓｎまたは上記のようなＳｎ基合金、そしてＣｕの構成が本発明の如くであれば同様の効果を奏する。
【００１９】
実施例５．
また実施例１および２では、１回目２５３本、２回目５５本を集束し、Ｃｕ管（シース材）に入れ加工する例について述べたが、必要に応じて集束は１回のみ、あるいは３回以上行っても同様の効果が得られる。さらに上記の集束本数はとくに制限されるものではなく、集束本数の多少にかかわらず、同様の効果が得られる。
【００２０】
実施例６．
また、実施例１においては、１本のＮｂまたはＮｂ基合金棒の周囲のＳｎまたはＳｎ基合金の配置の１例を述べたにすぎず、別の配置にしてもよい。
例えば、ＮｂまたはＮｂ合金棒は１本ではなく、密接して配置した複数本を用いることもできる。また、図３のように円形のＣｕ管３の中にＮｂまたはＮｂ基合金棒１およびＳｎまたはＳｎ基合金棒２を配置しても同様の効果が得られる。
【００２１】
実施例７．
実施例２では、第１および第２の複合線材を六角形に成形して集束した場合について述べたが、別の線材形状でも同様に効果がある。
例えば、図４のように第１および第２の複合線材各々を、円形のＣｕ管３の中に配置しても同様の効果が得られる。
また、第１および第２の複合線材に含まれるＮｂまたはＮｂ合金棒およびＳｎまたはＳｎ合金棒は、それぞれ密接して配置した複数本であってもよい。
【００２２】
実施例８．
また、実施例２における第１および第２の複合線材の配置を、図５のように、第２の複合線材を第１の複合線材で囲むような配置に変更しても、同様の効果が得られる。
【００２３】
実施例９．〜１３．
また、図６に示すように、銅または銅基合金棒材（シース材）、例えば円形の棒材中に、複数の円形の縦穴をあけて、その中にＮｂ棒１およびＳｎ棒２を各々挿入し、前記実施例と同様の熱処理および断面縮少加工を行ってもよい。図６は、同じ大きさの円形縦穴を７ケ設け、Ｎｂ棒１およびＳｎ棒１を互いに隣接して配置した場合を示したが、その他、同じ大きさの円形の縦穴を７ケ設け、その中にＮｂ棒の周囲にＳｎを設けた棒を挿入した場合（図７）、同じ大きさの円形の縦穴を１９ケ設け、その中にＮｂ棒の周囲にＳｎを設けた棒を挿入した場合（図８）、同じ大きさの円形の縦穴を１９ケ設け、その中にＮｂ棒１およびＳｎ棒１を互いに隣接して挿入した場合（図９）、中央の大きな円形の縦穴にＮｂ棒１を挿入し、その周囲の小さな円形の縦穴にＳｎ棒を挿入した場合（図１０）各々についても同様の効果が得られる。
なお、上記においては、シース材の縦穴を円形としたが、その形状はとくに制限されず、様々な形状とすることができる。また、上記においては縦穴の数が７ケまたは１９ケの場合について述べたが、この数もとくに制限されず、必要に応じてこれ以外の数にすることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、Ｓｎの配置を集中的なものではなく、Ｎｂ各々の周囲に分散的に配置したので、Ｎｂ配置についてのデッドゾーンが解消され、Ｎｂフィラメント間隔を長くすることができた。従って、Ｎｂ３Ｓｎ化合物フィラメント同士の連接が生じないため、有効フィラメント径が小さくなり、臨界電流密度を高く保持しつつ、ヒステリシスロスを低く改良でき、例えばパルスコイルの超電導線において発熱量を小さく押さえることができる効果がある。また超電導線の製造においても、硬質のブロンズマトリックス等を使用せず、軟らかい純金属で構成しているので、製造が容易でしかも安価に製造できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導複合線材を束ねたときの一部拡大横断面図である。
【図２】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の一部拡大横断面図である。
【図３】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導複合線材を束ねたときの一部拡大横断面図である。
【図４】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の一部拡大横断面図である。
【図５】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の一部拡大横断面図である。
【図６】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の一部拡大横断面図である。
【図７】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の一部拡大横断面図である。
【図８】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の一部拡大横断面図である。
【図９】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の一部拡大横断面図である。
【図１０】本発明の一実施例におけるＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の一部拡大横断面図である。
【図１１】従来の方法において製造されたＮｂ３Ｓｎ化合物超電導線の横断面図である。
【図１２】従来の方法における加工途中のＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の横断面図である。
【図１３】従来の方法における加工途中のＮｂ３Ｓｎ化合物超電導素線の横断面図である。
【符号の説明】
１  ＮｂまたはＮｂ合金棒
２  ＳｎまたはＳｎ合金棒
３  Ｃｕ管
４  拡散バリヤ
５  Ｎｂ３Ｓｎフィラメント
６  ブロンズマトリックス
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003602151.tif 000013
【図１３】
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