(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本以上のMgB2フィラメントが、Cu又はCuNi合金からなるマトリクス中に配置されており、前記マトリックスと前記MgB2フィラメントとの界面には、MgB4の層、MgB7の層またはMgB4 とMgB7の混合物の層が形成されていることを特徴とするMgB2超電導線。
【請求項２】
MgB2粉又はMgB2圧粉体を用意し、Cu管又はCuNi合金管に詰めて減面加工した複合棒複数本を、さらにCu又はCuNi合金の金属管に詰めて複合多芯ビレットを形成し、該複合多芯ビレットを減面加工した後に焼結熱処理を行い、複数本のMgB2フィラメントを有する複合多芯線を得ることを特徴とするMgB2超電導線の製造方法。
【請求項３】
MgB2粉又はMgB2圧粉体を用意し、Cu又はCuNi合金の多孔金属管に詰めて複合多芯ビレットを形成し、該複合多芯ビレットを減面加工した後に焼結熱処理を行い、複数本のMgB2フィラメントを有する複合多芯線を得ることを特徴とするMgB2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】
本発明は安価なMgB2超電導線およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、従来のNbTi合金系やA15型化合物系の金属系超電導線に比べ、はるかに高い臨界温度(約39K)を備えた新超電導体MgB2が発見された。しかしながら、MgB2は脆く加工性に乏しいため、超電導線を製造する場合は以下の方法で行われている。すなわち、まず金属管にMgB2粉またはMgB2圧粉体を詰めてビレットを作製し、これをスエージングやダイスによる伸線、或いは更にロール圧延して減面加工し、所定の形状とする。次に熱処理を行って、線材内部のMgB2粉を焼結して連続したフィラメントを形成せしめ、最終的にMgB2超電導線を得る。
【０００３】
また、複合多芯線を得る場合は、以下の2種類の方法が採られている。まず第1の方法は、金属管にMgB2粉またはMgB2圧粉体を詰めて減面加工した複合棒を作製し、さらにその複数本を金属管に詰めて複合多芯ビレットを作製し、これを同様に減面加工した後に焼結熱処理を行うものである。また第2の方法としては、多孔金属管にMgB2粉またはMgB2圧粉体を詰めて複合多芯ビレットを作製し、これを減面加工した後に焼結熱処理を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、金属管は、Ta製またはNb製内管の外周に、Cu又はCu合金製の外管を配置した2重管が用いられていた。Ta又はNbが内管に使用される理由は、これらの金属がいずれも加工性が良好であり、かつ高融点金属であるため焼結熱処理時にMgB2とほとんど反応しないためである。一方、外管にCuやCu合金が用いられる理由は、これらが加工し易く、またMgB2と触れない部分を安価な材料に置き換えて、材料コストを下げることができるためである。
【０００５】
しかしながら、金属管の内管として用いられるTaやNbは高価であり、使用量を減らすために内管の肉厚を薄くすると、逆に薄肉加工の手間が増えて割高となる。すなわち、TaやNb製の内管を用いること自体がMgB2化合物超電導線の製造コストを引き上げる要因となっていた。
【０００６】
本発明はかかる状況に鑑み、鋭意研究を行った結果なされたもので、その目的は、高価なTaやNbの内管を用いない、安価なMgB2超電導線およびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の態様は、２本以上のMgB2フィラメントが、Cu又はCuNi合金からなるマトリクス中に配置されており、前記マトリックスと前記MgB2フィラメントとの界面には、MgB4の層、MgB7の層またはMgB4とMgB7の混合物の層が形成されていることを特徴とするMgB2超電導線である。
【０００８】
本発明の態様は、MgB2粉又はMgB2圧粉体を用意し、Cu管又はCuNi合金管に詰めて減面加工した複合棒複数本を、さらにCu又はCuNi合金の金属管に詰めて複合多芯ビレットを形成し、該複合多芯ビレットを減面加工した後に焼結熱処理を行い、複数本のMgB2フィラメントを有する複合多芯線を得ることを特徴とするMgB2超電導線の製造方法である。また、本発明の態様は、MgB2粉又はMgB2圧粉体を用意し、Cu又はCuNi合金の多孔金属管に詰めて複合多芯ビレットを形成し、該複合多芯ビレットを減面加工した後に焼結熱処理を行い、複数本のMgB2フィラメントを有する複合多芯線を得ることを特徴とするMgB2超電導線の製造方法である。
【０００９】
【実施の形態】
本発明の実施の形態について以下に説明する。本発明では、MgB2粉、またはその圧粉体をCu管、あるいはCuNi合金管に直接詰め、減面加工した後に焼結熱処理を行ってMgB2フィラメントを得ることができる。すなわち、Cu、あるいはCuNi合金のマトリクス中にMgB2フィラメントが配置された構造の超電導体を得ることができる。
【００１０】
MgB2粉の圧粉体は、MgB2粉をゴム製容器に詰め冷間静水圧加工により所望の大きさに作製したものを用意する。次に、金属管にMgB2粉やMgB2粉の圧粉体を詰めてビレットを作製し、これをスエージングやダイスによる伸線、或いは更にロール圧延して減面加工し、所定の形状とする。また、複合多芯線を得るには、金属管にMgB2粉や圧粉体を詰めて減面加工した複合棒数本を、さらに、金属管に詰めたり、多孔金属管にMgB2粉や圧粉体を複数本詰めたりして複合多芯ビレットとし、これを同様に減面加工して所定の形状とする。
【００１１】
次に、所定形状のものは、焼結熱処理を行う。焼結熱処理は、例えばArガス雰囲気中で900℃で2時間行えば良い。なお、熱処理温度は650℃以上で1100℃以下であることが望ましい。温度が低いとMgB2粒子同士の焼結が不十分となり、一方、温度が高いとMgB2の多くがMgB4に組成変化したりするため、いずれの場合も高い臨界電流値が得られない。
【００１２】
本実施の形態では、MgB2に接する金属に、Cu又はCuNi合金を用いることが望ましい。CuNi合金は、Niの含有量は金属管の機械的強度と製造コストの兼ね合いを考慮した上で、自由に選ぶことができる。
【００１３】
CuやCuNi合金を用いる理由について以下に説明する。滅面加工後に行われる焼結熱処理は高温であるため、従来はCuやNiがMgB2結晶格子に固溶して格子定数が変化し、超電導性能が損なわれると考えられていた。ところが、本発明者等はそのような固溶現象は生じないことを発見した。
【００１４】
すなわち、MgB2については、Cu或いはCuNi合金に接していると、一部のMgがCuまたはNiと結合して金属管側にMg-Cu化合物、あるいはMg-Ni化合物が生成する。Mgを奪われたMgB2は、MgB4、或いはMgB7へと高B濃度への化合物に分解していくが、高B濃度側の化合物ほど融点が高く、分解し難くなる。従って、金属管内に充填されたMgB2と金属管との界面には、高B濃度の化合物層が薄く形成され、MgB2から金属管へのMg拡散が著しく阻害される。
【００１５】
一方、CuやNiは、BやMgにほとんど固溶しないため、MgB2結晶構造を歪ませることはない。勿論、MgB2充填部の外周部（金属管と接する部分）の一部が常電導物質のMgB4やMgB7に分解するため、厳密には超電導部分の面積が減少し、臨界電流は低下するが、その低下度はほんの僅かであり、実用上問題はない。
【００１６】
また、CuNi合金は全Ni濃度の範囲で、加工性が良好であるという長所がある。従って、CuNi合金管のNi含有量は、金属管の機械的強度とNiはCuに較べて高値であることから製造コストの兼ね合いを考慮した上で自由に選ぶことができる。
【００１７】
なお、CuやCuNi合金管に常電導マトリクスの結晶粒度調整や機械的強度向上を目的として、BやMgへの溶解度が小さいAu、Ba、Be、Bi、C、Ca、Ce、Co、Cr、Fe、Gd、Ge、Hf、La、Ta、Tiを単独、あるいは複数添加することも超電導特性を大きく損なわない範囲であれば可能である。さらに、CuやCuNi合金にMgO粒子を分散させておく方法も機械的強度の向上に有効である。これは、MgOは硬く、MgとOの結合力が極めて強いため、焼結時の熱処理で分解せず、MgB2粒子を汚染しないためである。
【実施例】
(実施例１)
純度99％のMgB2粉をゴム製容器に詰め、100Mpaの圧力で冷間静水圧加工し外径が9.8mmの圧粉体を作製した。次に、圧粉体を内径が10mm、外径が14mmのCu製管に入れた後、管の両端にCu製の蓋を嵌め、嵌め込み部を真空中で電子ビーム溶接して複合ビレットを作製した。次に、ビレットをスエージングおよびダイス伸線により直径1.0mmまで減面した後、ロール圧延を行い、厚さが0.15mm、幅が3.4mmのテープを作製した。次に、このテープをArガス雰囲気中で900℃で2時間熱処理を行った。熱処理後のテープ断面を図1に示した。図1において、符号1はMgB2焼結棒である。符号2はMgB4およびMgB7生成化合物である。符号3はCu管である。
【００１８】
(実施例２)
金属管をCuNi(30wt%Ni)合金とし、その他の条件は実施例1と同じとし、厚さが0.15mm、幅が3.4mmのテープを作製した。次に、このテープをArガス雰囲気中で900℃で2時間熱処理を行った。熱処理後のテープ断面を図2示した。図2において、符号1はMgB2焼結棒である。符号2はMgB4およびMgB7生成化合物である。符号5はCuNi(30wt%Ni)管である。
【００１９】
(実施例３)
実施例1で使用した熱処理前の直径1.0mmのMgB2−Cu複合丸線を一定の長さで切断し、それら7本を、再び内径が3.2mm、外径が6mmのCu管の中に詰め、両端にCu製の蓋を嵌め、嵌め込み部を真空中で電子ビーム溶接して複合多芯ビレットを作製した。ビレットをスエージングおよびダイス伸線により直径1.0mmまで減面した後、ロール圧延を行い、厚さが0.15mm、幅が3.4mmのテープを作製した。次に、このテープをArガス雰囲気中で900℃で2時間熱処理を行った。熱処理後のテープ断面を図3に示した。図3において、符号1はMgB2焼結棒である。符号2は、MgB4およびMgB7生成化合物である。符号3はCu管である。符号4は符号1〜3で示したものを含むCu管である。
【００２０】
(比較例１)
金属管を内径が10.0mm、外径が10.6mmのNb製内管と内径が10.8mm、外径が14mmのCu製外管の2重管とした以外は加工条件を実施例1と同じとし、厚さが0.15mm、幅が3.4mmのテープを作製した。次に、このテープをArガス雰囲気中で900℃で2時間熱処理を行った。熱処理後のテープ断面を図4に示した。図4において、符号1はMgB2焼結棒である。符号6はNb管である。符号3はCu管である。符号3はCu管である。
【００２１】
(比較例２)
外径9.8mmのMgB2圧粉体を、内径が10mm、外径が10.6mmのNb製管に詰めた後、それらを内径が10.8mm、外径が14mmのCu製外管に入れ、両端にCu製の蓋を嵌め、嵌め込み部を真空中で電子ビーム溶接して複合ビレットを作製した。ビレットをスエージングおよびダイス伸線により直径1.0mmまで減面した後、複合丸線を一定の長さで切断し、それら7本を、再び内径が3.2mm，外径が6mmのCu製管の中に詰め、両端にCu製の蓋を嵌め、嵌め込み部を真空中で電子ビーム溶接して複合多芯ビレツトを作製した。
【００２２】
ビレットをスエージングおよびダイス伸線により直径1.0mmまで減面した後、ロール圧延を行い、厚さが0.15mm、幅が3.4mmのテープを作製した。次に、このテープをArガス雰囲気中で900℃で2時間熱処理を行った。熱処理後のテープ断面を図5に示した。図5において、符号1はMgB2焼結棒である。符号6はNb管である。符号3はCu管である。符号4は符号1、3、6で示したものを含むCu管である。
【００２３】
実施例1〜3及び比較例1〜2の熱処理品について、MgB2焼結フィラメントと金属管の界面を観察した。Cu管を用いた実施例1、3では界面に厚さ0.5μmの異相が生成しており、分析したところMgB4とMgB7の混合物であった。またCuNi(30wt%Ni)合金を用いた実施例2では、界面に厚さ約0.3μmの異相が生成しており、それを分析したところMgB4とMgB7、および微量のNiが検出された。一方、Nb内管を用いた比較例では、MgB2とNb管の界面には異相は検出されなかった。
【００２４】
実施例1〜3及び比較例1〜2の熱処理品について3個所からサンプルを採り、液体ヘリウム中で4端子法による臨界電流測定を行った。一方、熱処理後の各サンプルの横断面写真を撮り、金属管以外の部分の面積を算出した。得られた臨界電流値を金属管以外の部分の面積で割り、金属管以外の部分の臨界電流密度（以下Jcという）を算出した。その結果を図6としての表1に示した。
【００２５】
表1から明らかなように、単芯線同士では本発明例1、2のJcと比較例1のJcの差はほとんどなく、同様に多芯線同士の比較でも本発明例3のJcと比較例2のJcの差はほとんどない。従って、本発明によれば、高額なTa管やNb管を用いることなく、同等の超電導特性を得ることが可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のMgB2超電導線の製造方法によれば、優れた特性のMgB2超電導線を効率よく生産できる。そのため、工業上の貢献は著しいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例1のCuシース単芯テープ（熱処理後）の断面を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例2のCuNiシース単芯テープ（熱処理後）の断面を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例3のCuシース多芯テープ（熱処理後）の断面を示す説明図である。
【図４】従来法で作製した比較例1のNb/Cu複合シース単芯テープ（熱処理後）の断面を示す説明図である。
【図５】従来法で作製した比較例2のNb/Cu複合シース多芯テープ（熱処理後）の断面を示す説明図である。
【図６】表1として示した、実施例及び比較例の測定結果である。
【符号の説明】
１  MgB2焼結棒
２  MgB4およびMgB7生成化合物
３  Cu管
４  Cu管
５  CuNi(30wt%Ni)管
６  Nb管
【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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