(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ１５型結晶構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の粉末を原料とし、該原料粉末の粒子をプラズマフレームにより加熱して溶融球状化し、該溶融粒子をプラズマ装置内においてガス噴射冷却により１０4 Ｋ／ｓ以上の冷却速度で急冷してＡ２型体心立方構造に変態させることを特徴とするＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法により製造されたＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末を成形し、該成形体を冷間または温間加工し、加工後に９００Ｋ以上の温度で加熱処理して、Ａ１５型結晶構造に再変態させてなることを特徴とする超伝導性に優れたＮｂ・Ａｌ系金属材料の超伝導材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の製造方法により製造されたＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末を成形した後、焼結によりブロック体としたことを特徴とするＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の耐熱材料の製造方法。
【請求項４】
原料粉末粒子を加熱溶融して溶融球状化するプラズマ装置において、溶融球状化したＡ１５型結晶構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の粒子を、ガス噴射冷却により１０4 Ｋ／ｓ以上の冷却速度で急冷してＡ２型体心立方構造に変態させる急冷手段を備えたことを特徴とするＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば脆くて加工性の悪いＮｂ3 Ａｌなどの超伝導材料から線材やテープ材（リボン）などを製造する際に、加工性の良いＡ２型Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末を製造する製造方法および製造装置に関するものである。また、このように加工性を改善した球状粉末から線材などに加工した後、さらに加熱処理して超伝導特性の優れたＮｂ3 Ａｌの線材やテープ材（リボン）などを得る方法に関するものであり、あるいは前記球状粉末を成形焼結体として耐熱材料として使用したりするブロック体などに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
テープ材（リボン）、線材などに加工して超伝導マグネットの巻線などに使用される超伝導材料としては、可塑性に富んだＮｉ−Ｔｉ金属材料などが使用されている。しかし、Ｎｂ−Ｔｉ金属材料は４．２Ｋの液体Ｈｅ中で９テスラの磁界発生が限度である。一方超伝導体を実用化するためには、４．２Ｋの液体Ｈｅ中で１０テスラの磁界の下で４×１０4 Ａ／ｃｍ2 の臨界電流密度が要求されている。したがって、さらに高磁界の超伝導マグネット用としてＮｂ−Ｔｉ金属材料より超伝導特性の優れた材料が要求され、近時Ｎｂ3 ＡｌなどのＡ１５型金属材料が注目されている。
【０００３】
しかし、前記Ｎｂ3 Ａｌは溶融・凝固した状態では通常Ａ１５型の結晶構造をなしており、このＡ１５型は硬くて脆いために直接線材などに加工することが不可能であり、このために実用化がされていない。
【０００４】
一方、Ａ１５型Ｎｂ3 Ａｌは溶融急冷することにより、Ａ２型（Ｎｂ・Ａｌのｂｃｃ過飽和固溶体）に相変態して加工性が改善されることが知られている。この溶融急冷の方法としては，ハンマ急冷法など多くの研究が行われている（Ｋ．Ｓｃｈｕｌｚｅ，ｅｔ  ａｌｅ．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｌｅｓｓ−Ｃｏｍｍｏｎ  Ｍｅｔａｌｓ，ｖｏｌ．１３９，（１９８８）Ｐ９７〜１０６など）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のハンマ急冷法では、球状体が得られないために成形性が悪く、バッチ操業のために生産性に劣る。また、従来の噴射ガスによってアトマイズする際に急冷するアトマイズ方法では粒径のコントロールが困難であり、高エネルギを要して装置が複雑になるとともに、溶湯がノズルと接触するのでコンタミネーションが増加するという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、粉末を原料としてプラズマにより溶融急冷することにより、安価にＡ２型Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末を製造する製造方法と装置を提供することを目的とする。
【０００７】
また、粉末を原料に用いれば成形法に合った粒径のＡ２型Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末の製造が可能になり、粉末の成形性が向上し加工性が良好になるので、この成形体を線材などに加工後、再熱処理することにより超伝導性の高い線材、テープ材（リボン）などが得られる。あるいは、成型後にブロック体に焼結して耐熱材料として使用することが容易になる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末の製造方法は、Ａ１５型結晶構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の粉末を原料とし、該原料粉末の粒子をプラズマフレームにより加熱して溶融球状化し、該溶融粒子をプラズマ装置内においてガス噴射冷却により１０4 Ｋ／ｓ以上の冷却速度で急冷してＡ２型体心立方構造に変態させることを特徴とするものである。
【０００９】
すなわち、本発明の球状粉末の製造方法は、Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の原料粉末を粉末粒子のままプラズマフレームで加熱溶融し、ガス噴射冷却により１０4 Ｋ／ｓ以上の冷却速度で急冷するので、プラズマフレームによる溶融処理だけで、加工が困難なＡ１５型の原料粉末から加工性のよいＡ２型粉末が得られる。かつ、原料粉末の粒度を変えることにより自由に所用の粒径の成品粉末が得られ、粒径を小さくすれば急冷が容易になり、安定して均一なＡ２型成品粉末が得られる。これにより、従来の遠心力粉末法などでは困難であった、均一な粒径と急冷速度が得られ、安定したＡ２型粉末が得られる。
【００１０】
また、原料粉末をＮｂ・Ａｌ系金属材料を粉砕して作成すれば、原料粉末の粒度は粉砕により自由に選択できるので、３００μｍ以下の粒径の成形性の良い微細な成品粉末が容易に得られる。
【００１１】
また、本発明の製造方法は原料粉末をプラズマフレームで加熱溶融するが、例えばＮｂ3 Ａｌの融点は２２５３Ｋであるように、Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の融点は非常に高いので、本発明のプラズマによる加熱は他の加熱方法に比しクリーンな高温の加熱エネルギー源として最も適切である。
【００１２】
また、加工が困難なＡ１５型Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の原料粉末をプラズマ加熱した溶融粒子を急冷することにより、体心立方構造の球状粒子である加工性のよいＡ２型に変態する。これによってＮｂ・Ａｌ系金属材料粉末の加工性が向上するので、この粉末から線材、テープ材（リボン）などに加工することが容易になる。この急冷の冷却速度は１０4 Ｋ／ｓ以上とすることが安定したＡ２型のＮｂ・Ａｌ系金属材料の成品粉末を得るために必要である。
【００１３】
前記Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末は、Ａｌ量が７〜１４ｗｔ％であることが超伝導性の優れたＮｂ3 Ａｌを得るために望ましい。すなわち、Ｎｂ3 Ａｌの化学量論組成ではＡｌ量は８．８ｗｔ％であるが、７〜１４ｗｔ％であれば優れた超伝導性が得られる。
【００１４】
また、前記Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末は、Ｎｂ3 （Ａｌ1-x ，Ｍx ）のｘ＝０．０１〜０．５で、Ｍ＝（Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｉｎのうち１または２以上の元素）からなることにより、優れた超伝導体が得られる。
【００１５】
本発明の方法によれば、球状粉末の粒径を３００μｍ以下、好ましくは５０μｍにすることも容易であり、粒径を５０μｍ以下にすることにより成形性が一層向上して加工性の良好なＡ２型Ｎｂ3 Ａｌの粉末が得られる。
【００１６】
また、本発明の超伝導性に優れたＮｂ・Ａｌ系金属材料の超伝導材の製造方法は、前記請求項１に記載の製造方法により製造されたＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末を成形し、該成形体を冷間または温間加工し、加工後に９００Ｋ以上の温度で加熱処理して、Ａ１５型結晶構造に再変態させてなることを特徴とするものである。
【００１７】
すなわち、溶製などによって得られたＮｂ・Ａｌ系金属材料はＡ１５型の結晶構造を有し、超伝導性を有するが加工が困難である。それを本発明のプラズマによる溶融球状化直後に高温から１０4 Ｋ／ｓ以上の冷却速度で急冷することにより、加工が可能なＡ２型金属間化合物にすることができる。一方、上記本発明の方法で得られたＡ２型金属間化合物は、そのままでは加工性は良いが超伝導性を有しないので、９００Ｋ以上の比較的低い温度で短時間の再加熱処理することによりＡ２型からＡ１５型に再変態を行わせる。これにより超伝導性を回復することができる。したがって、この加工性のよいＡ２型金属間化合物の粉末を線材、テープ材（リボン）などに加工した後に所用の再加熱処理して、Ａ２型からＡ１５型に再変態させることにより超伝導性に優れた線材、テープ材（リボン）などの製造体を容易に得るものである。これに対して、従来の超伝導線の製造方法のＡ１５型原料粉のままシース加工して焼結する方法では、１５００Ｋ以上の工業上不利な高温が必要であった。
【００１８】
また本発明のＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の耐熱材料の製造方法は、前記請求項１に記載の製造方法により製造されたＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末を成形した後、焼結によりブロック体としたことを特徴とするものである。
【００１９】
Ｎｂ・Ａｌ金属材料は高い耐熱性を有するので、原子力やガスタービンの部材などに使用することが研究されている。しかし融点が高いために溶製で精密な鋳造は困難なために粉末成形されるが、溶製のままの粉末は硬くて脆いために成形が困難で実用化が限られていた。
【００２０】
本発明の方法により得られた球状粉末は成形性が良いので、成型後焼結することにより複雑な製造体が得られて、耐熱部材として用いることができる。
【００２１】
本発明のＡ２型体心立方構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末の製造装置は、原料粉末粒子を加熱溶融して溶融球状化するプラズマ装置において、溶融球状化したＡ１５型結晶構造を有するＮｂ・Ａｌ系金属材料の粒子を、ガス噴射冷却により１０4 Ｋ／ｓ以上の冷却速度で急冷してＡ２型体心立方構造に変態させる急冷手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２２】
このように従来の装置に無かった球状粒子の急冷手段をプラズマ装置に設けたことにより、容易に加工性の良いＡ２型体心立方構造のＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末を得ることができる。
【００２３】
この急冷手段を、ガス噴射する冷却ノズルにより急冷することにより、望ましい１０4 Ｋ／ｓ以上の冷却速度でクリーンな冷却ができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の一実施形態について具体的に説明する。図１は本発明のＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末の製造装置の断面図である。
【００２５】
まず図１に基づき本発明の製造装置の全体の構成について説明する。本発明の製造装置はプラズマトーチ１１、原料供給手段２１、チャンバー３１及び急冷手段４１により構成されている。
【００２６】
プラズマトーチ１１は水冷される二重管構造の石英管１２の外周に高周波誘導コイル１７が巻かれ、高周波電源４０から端子１７ａ及び１７ｂ介して高周波電流が付加されるようになっている。石英管１２の上部にはコアガス供給管１３、シースガス供給管１４が設けられガスボンベ１５からＡｒガスが供給されるようになっている。これらのガス供給管の周囲はトーチヘッド１６により水冷されるようになっている。石英管１２の下部は水冷ジャケット１８に固定され、水冷ジャケット１８にはクーリンググガス供給管１９が設けられ、ガスボンベ１５からＡｒガスが供給される。
【００２７】
供給手段２１は、原料ホッパー２２と原料供給管２３と原料供給ノズル２４からなり、原料供給ノズル２４の先端がプラズマフレーム１の吹き出し側に開口されている。また、原料ホッパー２２には、クーリンググガス供給管１９から分岐されたキャリアガス管２０が接続されている。
【００２８】
冷却手段４１はガスボンベ１５に接続された冷却ガス供給管４３とこれに接続された冷却ガスノズル４２からなり、冷却ガスノズル４２の先端は前記のプラズマフレームの直下の加熱溶融された溶融粒子をガス冷却する位置に開口されている。
【００２９】
チャンバー３１は円筒箱型をなし、円筒部３２の上蓋３４にプラズマトーチ１１の下部の水冷ジャケット１８が固定されプラズマトーチ１１が上蓋３４の上に搭載されるようになっている。円筒部３２の下部は開口されて回収容器３３に接続されている。チャンバー３１内のガスは、円筒部３２の側面に接続されたサイクロン３５、フィルタ３６、エアポンプ３７により排気されるようになっている。
【００３０】
上記の構成の製造装置の動作について以下に説明する。まず、プラズマトーチ１１のコアガス供給管１３、シースガス供給管１４からＡｒガスを流入しながら高周波誘導コイル１７に高周波電力を掛けると、石英管１２内に図の鎖線で示すプラズマ１が発生し石英管１２の下部側から噴出する。
【００３１】
次に、キャリアガス供給管２０のＡｒガスにより原料ホッパー２２の原料粉末３を原料供給管２３を介して原料供給ノズル２４からプラズマフレームの加熱部２に供給する。プラズマフレームはその加熱部が原料粉末をその融点以上の温度に加熱するように設定されているので、原料粉末は粉末のまま加熱溶融されて溶融粒子がチャンバー３１内に落下する。
【００３２】
このとき、冷却ガス供給管４３から供給されるＡｒガスが冷却ガスノズル４２の先端から噴出して、プラズマフレームにより加熱溶融された溶融粒子がガス冷却により急冷される。このとき、冷却速度が１０4 Ｋ／ｓ以上になるようにガス噴射される。これににより、粉末は溶融により球状化するとともに、Ａ１５型であった原料粉末は急冷効果によりｂｃｃ体心立方構造のＡ２型の球状粒子に変態する。
【００３３】
上記により溶融急冷されてＡ２型に変態した成品粉末４はチャンバー３１内に落下して回収容器３３に収容される。
【００３４】
このように、本発明の製造方法および製造装置によれば、原料粉末の粉砕粒度を選択することにより任意の粒度が選択でき、自由に５０μｍ以下の微細な成品粉末が得られる。また、原料ホッパーと回収容器を切り換えるようにしておけば連続操業が容易である。
【００３５】
【実施例】
上記図１に示す構成の製造装置を使用して以下の実験を行った。
ａ．金属ＮｂとＡｌをＡｌ量が１２ｗｔ．％になるようにしてアーク溶解法により溶解し、Ｎｂ3 Ａｌのインゴットを作成した。
ｂ．このインゴットをボールミルで粉砕して、最大径５０μｍ以下のＮｂ3 Ａｌの原料粉末を得た。
ｃ．この原料粉末を原料ホッパー２２に装入し、１３．５ＭＨｚ，Ｅｐ＝９．７５ｋＶ，Ｉｐ＝１．２Ａ，Ｉｇ＝０．４Ａのプラズマ条件で加熱し、Ａｒガス噴射により急冷し、成品粉末を得た。
ｄ．また、この成品粉末を１１２３Ｋ×３．６ｋｓの加熱処理をして熱処理粉末を作成した。
【００３６】
上記原料粉末、成品粉末、および熱処理粉末について、それぞれＸ線解析を行った。図２〜図４にそのＸＲＤ図形を示す。図２の原料粉末はＡｌの蒸発を見込んでＡｌを多くしてあるので、Ｎｂ2 Ａｌ＋Ａ１５型Ｎｂ3 Ａｌであるが、図のＸＲＤ図形から判るように図３の溶融急冷処理した成品粉末はＡ２型に相変態していることが判る。また、図４の再加熱処理した熱処理粉末では再びＡ１５型に相変態していることが認められる。
【００３７】
上記の原料粉末、成品粉末、および熱処理粉末を、それぞれプレス加工により５００Ｍｐａの圧力をかけて１０ｍｍφ×１ｍｍｔのペレットに成形した。
【００３８】
図５〜図７に、それぞれ原料粉末、成品粉末、および熱処理粉末のペレットの断面をＳＥＭで観察した結果を写真で示す。
【００３９】
図５の原料粉末のペレットでは、粉末が破砕されたまま球状化されていないために見にくいが、粒体に割れの亀裂が多く認められる。これに対して図６の成品粉末のペレットでは粒体には全く亀裂は認められず加工性が向上したことが認められる。また、図７の熱処理粉末のペレットでは粒体の縁に多数の亀裂が認められ、プレス加工により粒子が割れたことが判る。
【００４０】
上記の結果から、原料粉末およびＡ１５型に変態した熱処理粉末は加工性が悪いため加工により割れるが、本発明の溶融急冷処理されたＡ２型の成品粉末は割れもなく加工性が向上していることが判った。
【００４１】
次に上記成品粉末を使用して超伝導特性評価用のテープ材（リボン）を下記の条件で製造した。
【００４２】
ａ．内径５ｍｍφ、外径８ｍｍφのＴａのシースに成品粉末を充填し、
ｂ．溝ロールを使用して２．４ｍｍ角に加工し、
ｃ．８７３Ｋ×１ｈｒの焼きなましを行い、
ｄ．平ロールにより０．６３ｍｍｔのテープ状に加工した。
【００４３】
上記のテープを４．２Ｋの液体Ｈｅ中で１０テスラの磁界の下で４×１０4 Ａ／ｃｍ2 の臨界電流密度Ｊｃが得られた。すなわち、本発明の製造方法によるＡ２型のＮｂ・Ａｌ系金属材料の粉末は、線材に加工後再加熱処理することにより、超伝導体の実用化するのに必要とされている上記条件で４×１０4 Ａ／ｃｍ2 の臨界電流密度Ｊｃの値を十分満足させられることが判った。
【００４４】
また、上記成品粉末を使用して１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの立方体をプレス成形し焼結した結果、所用の成形性と焼結強度が得られることが判った。
【００４５】
以上述べたように、本発明の実施形態のＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末とその製造方法および製造装置によれば、加工性の良いＡ２型のＮｂ・Ａｌ系金属材料が得られて、線材、テープ材（リボン）などに加工が容易になり、その加工後に前記の加熱処理を行えば超伝導性が回復するので高い超伝導性のテープ材（リボン）などが得られることが判った。
【００４６】
また、原料粉末の粒度を選択することにより、得られるＡ２型のＮｂ・Ａｌ系金属材料の粉末の粒度を任意に変えられるので、成形性の良い微粒子の粉末が得れる。この球状粉末を成形体にして焼結することにより、耐熱部品などを容易に製造できることが判った。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末とその製造方法および製造装置によれば、連続的に成形性の良いＡ２型のＮｂ・Ａｌ系金属材料の粉末を得ることができるので、線材、テープ材（リボン）などの量産加工が容易になり、加工後に再加熱処理して超伝導特性を改善することにより超伝導体の線材などが得られる。これにより、従来より高性能の超伝導マグネットなどが実用化できる。また、Ｎｂ・Ａｌ系金属材料の粉末成形の耐熱部品への応用の道が開けた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のＮｂ・Ａｌ系金属材料の球状粉末の製造装置の断面図である。
【図２】本発明実施形態の原料粉末のＸ線解析のＸＲＤ図形である。
【図３】本発明実施形態の成品粉末のＸ線解析のＸＲＤ図形である。
【図４】本発明実施形態の熱処理粉末のＸ線解析のＸＲＤ図形である。
【図５】本発明実施形態の原料粉末ペレットの断面をＳＥＭ観察した写真である。
【図６】本発明実施形態の成品粉末ペレットの断面をＳＥＭ観察した写真である。
【図７】本発明実施形態の熱処理粉末ペレットの断面をＳＥＭ観察した写真である。
【符号の説明】
１  プラズマフレーム
２  プラズマフレームの加熱部
３  原料粉末
４  成品粉末
１１  プラズマトーチ
１２  石英管
１３  コアガス供給管
１４  シースガス供給管
１５  ガスボンベ
１６  トーチヘッド
１７  高周波誘導コイル
１８  水冷ジャケット
１９  クーリングガス供給管
２０  キャリアガス管
２１  原料供給手段
２２  原料ホッパー
２３  原料供給管
２４  原料供給ノズル
３１  チャンバー
３２  円筒部
３３  回収容器
３４  上蓋
３５  サイクロン
３６  フィルタ
３７  エアポンプ
４０  高周波電源
４１  急冷手段
４２  冷却ガスノズル
４３  冷却ガス供給管
【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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【図７】
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