(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Nb3Al超伝導線材を変態熱処理前に断面収縮率（R.A.）が20%を超える塑性変形を施した後に昇温速度が１℃／ｈより速く200℃/hより遅く変態熱処理温度領域まで昇温することを特徴とするNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法。
【請求項２】
Nb3Al超伝導線材を変態熱処理前に断面収縮率（R.A.）が30%を超えて60%以下になるように塑性変形を施し、昇温速度が１℃／ｈより速く200℃/hより遅く変態熱処理温度領域まで昇温することを特徴とする請求項１のNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法。
【請求項３】
Nb3Al超伝導線材を昇温速度100-20℃/hの範囲で変態熱処理温度領域まで昇温することを特徴とする請求項１または２のNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法。
【請求項４】
直接通電加熱を併用してNb3Al超伝導線材からなるコイルを均一に昇温することを特徴とする請求項1ないし３のいずれかのNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法。
【請求項５】
Nb3Al超伝導線材からなるコイルの変態熱処理時にクリアボアの中にも加熱ヒータを設置してコイルを均一に昇温することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法。
【請求項６】
600〜850℃の温度範囲の一部あるいは全てが昇温域で、保持する一定の温度が750〜850℃の範囲で、変態熱処理時間が1〜200時間の範囲であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかのNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明はNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法に関するものであり、特に安定な超伝導特性が要求されるNMR、MRI診断装置、磁気浮上列車の超伝導マグネット等に好適な安定した超伝導特性を有するNb3Al超伝導線材およびその変態熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
この出願の発明者らはNb/Al複合体を急熱・急冷して得られるbcc相の過飽和固溶体Nb(Al)ssを650-950℃の温度範囲で熱処理するとbcc相からA15型Nb3Al化合物に変態して微細な結晶粒組織で化学量論性が保たれることを知見し、高磁場まで高い臨界電流密度を有するNb3Al線材の変態熱処理方法を提供した。
【０００３】
そして、その中で650-950℃の範囲内の一定温度で変態熱処理時間を変数にして超伝導特性を測定し800℃で10時間保持することが最適な変態熱処理条件であることを明らかにした（特許文献１）。
【０００４】
そして、変態熱処理方法における熱処理温度と保持時間の関係については詳しく説明している。ところが、これまでに紹介した変態熱処理方法では変態温度までの昇温時間、すなわち昇温速度の違いが変態熱処理後の超伝導特性にどのような影響を与えることについては全く知見していなかった。たとえば、通常の変態熱処理では、Nb(Al)ss/Nbの複合線の短尺を石英管に入れ真空雰囲気中に封入したものを800℃に保持された電気炉で15分程度かけて昇温する（昇温速度：3200℃/h）こともあれば、加熱電源のプログラム制御により室温から800℃まで１時間かけて昇温する（昇温速度：800℃/h）こともあり様々であった。
【０００５】
そして、このような変態熱処理をした結果、得られたNb(Al)ss/Nbの複合線の超伝導特性の測定値は僅かに異なっていたが測定値の違いは単にNb(Al)ss/Nbの複合線の不均質性または実験誤差に起因するものと考えていた。
【０００６】
【特許文献１】
特公平７−６０６２０号公報
（特許第２０２１９８６号）
【０００７】
ところが、最近になって均質なNb(Al)ss/Nbの複合線が製造できるようになり、その均質なNb(Al)ss/Nbの複合線を使用して変態熱処理をしたところ、得られたNb(Al)ss/Nbの複合線の超伝導特性は昇温速度が遅い時は速い時に比較して明らかに低いが安定していること、およびこの昇温速度と超伝導特性の関係には変態熱処理前の塑性変形量に大きく影響されていることが知見できた。
【０００８】
そこで、この出願の発明は、変態温度領域までの昇温速度と塑性変形量との関係を詳細に検討することによって、超伝導特性は低くても安定性が高いNb(Al)ss/Nbの複合線とその変態熱処理方法を提供することを課題としている。
【０００９】
なお、この出願の発明においては、R.A.（ 断面収縮率）を塑性変形量としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するためのものとして、第１には、Nb3Al超伝導線材を変態熱処理前に断面収縮率（R.A.）が20%を超える塑性変形を施した後に昇温速度が１℃／ｈより速く200℃/hより遅く変態熱処理温度領域まで昇温することを特徴とするNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法を提供し、第２には、Nb3Al超伝導線材を変態熱処理前に断面収縮率（R.A.）が30%を超えて60%以下になるように塑性変形を施し、昇温速度が１℃／ｈより速く200℃/hより遅く変態熱処理温度領域まで昇温することを特徴とする上記のNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法を、また第３には、Nb3Al超伝導線材を昇温速度100-20℃/hの範囲で変態熱処理温度領域まで昇温することを特徴とする上記のNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法を、第４には、直接通電加熱を併用してNb3Al超伝導線材からなるコイルを均一に昇温することを特徴とする上記Nb3Al超伝導線材の変態熱処理方法を、また、第５には、Nb3Al超伝導線材からなるコイルの変態熱処理時にクリアボアの中にも加熱ヒータを設置してコイルを均一に昇温することを特徴とする上記Nb3Al超伝導線材の変態熱処理方法を、そして、第６には、600〜850℃の温度範囲の一部あるいは全てが昇温域で、保持する一定の温度が750〜850℃の範囲で、変態熱処理時間が1〜200時間の範囲である上記Nb3Al超伝導線材の変態熱処理方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、従来の急熱・急冷・変態（Rapid Heating, Quenching andTransformation annealing）法によるNb3Al超伝導線材の変態熱処理方法において、超伝導性が不均質になるのは超伝導特性の昇温速度依存性および昇温時にコイル内部の局所的な昇温温度差が生じてしまうことが原因であるとの想定のもとに超伝導特性の変態熱処理における昇温速度依存性と変態熱処理前に施す塑性変形量（R.A. 断面減縮率）について検討した結果、塑性変形量を特定の範囲で行いながら変態熱処理の昇温速度を遅く、いわゆる超伝導特性そのものの昇温速度依存性が無視できるプラトー領域で変態熱処理することによって、臨界電流密度(Jc)が低くなっても線材の長手方向の超伝導特性の均一性が保持できればその特性を活かした種々の応用が可能となるとの知見が得られたことから、この知見に基づいて完成されている。
【００１３】
たとえば、永久電流モードで運転されるNMR、MRI診断装置、磁気浮上列車の超伝導マグネットには永久電流スイッチと呼ばれる一種の無誘導巻き小コイルがあり、これに熱や磁場を印加して超伝導状態から常伝導状態に遷移させることにより外部電源から電流を出入りさせて超伝導マグネットの励磁や減磁を行なうことができるが、この場合、もし線材の長手方向に超伝導特性（Tc、Jc、Hc2）が均一でないと、遷移幅が広くなってしまいスイッチングの応答性が悪くなってしまう。また、過電流を検出して電力系統を瞬時に切り離すための限流器においても、コイルに使用する超伝導線の臨界電流密度(Jc)も長手方向に揃っていた方が急峻な電流減衰が可能になる。さらには、高分解能NMR超伝導マグネット本体においても、長手方向に臨界電流密度(Jc)分布が不均質であるとフィラメント内部での電流分布が長手方向で不均一になり、その結果、NMR超伝導マグネットの発生磁場の空間的均一性が劣化する可能性も指摘されている。
【００１４】
このような線材の長手方向に超伝導特性の均一性が要請されるコイル等への長尺線への応用に対しては、超伝導特性が若干低下するが変態熱処理する際のコイル内部では不可避の局所的な昇温速度分布に由来する超伝導特性の不均一性を回避することがむしろ重要であり、そのためには、超伝導特性そのものの昇温速度依存性が無視できるプラトー領域で変態熱処理することが好ましい。
【００１５】
また一方、臨界電流密度（Jc）と臨界磁場（Hc2）はいずれも臨界温度(Tc)に比例することは判っており、17.6K以上、好ましくは17.7K以上の臨界温度(Tc)を発現させるための昇温速度と塑性変形量の範囲は規定されている。
【００１６】
ところが、この昇温速度が遅すぎると、昇温途中でbcc相から変態して生成したNb3Al.相が、さらにAlが不足したNb3AlとAlが富んだNb2Al相に相分離が開始するので臨界温度が17.6Kより低下する。そのため、昇温速度は塑性変形量が如何なる場合においても少なくとも1℃/h以上であることが必要である。
【００１７】
40％の塑性変形を加えた試料について、1℃/hと133℃/hの速さで800℃まで昇温した試料の断面を研磨しX線回折図形を解析したところ、133℃/hで昇温した場合はNbマトリックスの他にはA15相だけが観察されるのに対し、1℃/hで昇温した場合はそれらに加えてさらにNb2Al相の生成も認められている。
【００１８】
この結果は、昇温速度が遅すぎると、bcc相過飽和固溶体から変態で生成した化学量論性のA15相が、さらにAlが不足したA15相とNb2Al相に相分解が生じたことを示唆するものであり、昇温速度が極端に遅すぎると超伝導特性が劣化しているものと考えられる。
【００１９】
超伝導特性の昇温依存性は昇温途中でのbcc相過飽和固溶体の規則化反応またはA15相への変態反応を反映している。したがってbcc相過飽和固溶体の規則化反応やA15相への変態反応が全く生じない600℃以下の温度範囲における昇温速度は、最終的に得られる超伝導特性に無関係であるのでこの出願の発明の効果が期待される昇温温度域から除外されている。
【００２０】
この出願の発明はコイルのような長尺線を対象としているので、線材の局部で昇温途中でのA15相の変態が一部始まってしまうことは避けられない。昇温途中の低い温度でbcc相から変態したNb3Alと変態温度に達してからbcc相から変態したNb3Alが混在すると電流電圧特性のｎ指数が低下してしまうため、変態が生じる可能性のある温度域はできるだけ狭くする必要があり、850℃を超える温度は本発明の効果が期待される変態域から除外される。850℃でもその保持時間は長範囲規則度を改善するために最低でも1時間以上の熱処理が必要である。
【００２１】
また、低温域では変態温度が750℃より低くなると長範囲規則度の改善のために必要な熱処理時間が200時間以上になり製造コストが増大してしまうため750℃以上にすることが好ましい。
【００２２】
この熱処理に際して、通常の電気炉でコイルを熱処理する場合にはコイルは熱輻射または熱伝導によって加熱されるので、加熱源に近い外層部分から温度上昇が始まり、一般的にコイル内層部の局所温度ならびに局所の昇温速度はコイル外層部のそれらと比べて低くなり、この傾向はコイルが大型になる程顕著になる。
【００２３】
コイルの局所的な昇温速度分布の不均一性は電気炉の昇温速度が速くなるほど顕著になるが速度だけではなくコイルの部位にも影響を受けるので中型コイルまたは大型コイルを均一に昇温するためには、巻き線自体が熱源になる巻き線への直接通電を併用することが考慮されてよい。
【００２４】
また、直接通電を併用せずにコイルを熱処理する際にはクリアボアの中にも加熱ヒータを設置すればコイル内層側の昇温が早くなり相対的に均質になる。
【００２５】
なお、この出願の発明において使用するNb3Al超伝導線材の製造法において、    Nb/Al拡散対の加熱温度が1900℃以下であると、急冷して得られる相はbcc相過飽和固溶体でなくNb3AlとNb2Alの化合物が混在した組織となり脆弱なため小さな径のコイルに巻き込むことが不可能である。
【００２６】
また、一方、2060℃以上から急冷すると全体の仕込み組成であるNb-(24-26)at％Ａlの均一な組成が得られない。
【００２７】
すなわち、急冷後にはAlに富んだbcc相過飽和固溶体とAlが不足したbcc相過飽和固溶体の混合相が生成してしまい、これらを変態処理してもAlに富んだNb3Al相とAlが不足したNb3Al相の混合相が得られるだけであり、臨界電流密度は２桁も大幅に低下してしまう。また、電流電圧特性のn指数が低下するため永久電流モードでの運転が要求されるNMRマグネットには利用できなくなる。
【００２８】
この出願の発明は、このようにして変態熱処理温度領域までの遅い昇温速度（プラトー領域）とR.A.（ 断面収縮率）を調整することによって安定な超伝導特性を有するNb3Al超伝導線材を得るものであるが、Ｔｃが17.6Ｋ以上、好ましくは17.7以上で現れるプラト−領域は図１からR.A.が20%超えて好ましくは30−６０%の範囲で変態熱処理前に塑性変形を施し、昇温速度を1―200℃/h好ましくは1−100℃/hの速度にすることがよいことがわかる。
【００２９】
なお、NbまたはTaマトリックス中にbcc相過飽和固溶体が多数分散した多芯線形状では変態後にNbまたはTaマトリックスが機械的な補強材として働くだけでなくNb3Alフィラメント間の電磁気的な結合を切断して安定性を向上させることから実用線材として好ましい線材断面積となる。
【００３０】
【実施例】
この出願の発明は上記のとおりの特徴を有するものであるが、以下に表１の試料１〜４を使用して、さらに詳しく態様を説明する。
【００３１】
【表１】
0004038570.tif 000002
すなわち、R.A.が60％で100ｍ長さのNb(Al)ss/Nb複合多芯線を巻いたコイル（試料１）を室温から800℃までプラトー領域からはずれた200℃/hの速さで昇温したところ、同時に熱処理した短尺線（試料２）と比較して超伝導特性に差があった（図１参照）。一方、同様にして作製したコイル（試料３）をプラト-領域である80℃/hの速さで昇温したところ、同時に熱処理した短尺試料（試料４）と比較して超伝導特性に差が認められなかった。これより、昇温時間（速度）に対して超伝導特性が鋭敏に変化しないプラト-領域で変態熱処理すれば、コイルの場所によって多少の局所的な温度分布したがって昇温速度依存性が生じても長手方向に均一な超伝導特性が確保されることが確認された。
【００３２】
なお、バイアス磁場を調整して中心磁場が21Tでコイルをクエンチさせており、その時のJcをコイルのJc(4.2K,21T)と定義している。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、安定な超伝導特性が要求されるNMR、MRI診断装置、磁気浮上列車の超伝導マグネット等に好適なNb3Al超伝導線の変態熱処理方法とこれによって得られるNb3Al超伝導線材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】急熱・急冷・変態（Rapid Heating, Quenching and Transformationannealing）処理後に塑性変形を全く受けていない場合（0％）と、R.A.が10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％の塑性変形をそれぞれ受けた場合について、室温から一定の速度で800℃まで昇温してそれぞれ10時間保持した後、炉冷した短尺のNb(Al)ss/NbのTcを示したものである。
【図１】
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