(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇ（マグネシウム）とＢ（ホウ素）の混合粉末、またはＭｇ、Ｂおよび、その他の添加元素または化合物粉末を混合した混合粉末を、金属パイプ内に充填した構造のビレットを、２５０℃以上、４５０℃以下の温度に加熱した状態で静水圧押出し加工する
ことを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線材の製造方法。
【請求項２】
前記静水圧押出し加工により得られた線材を、２５０℃以上、４５０℃以下の温度に加熱した状態で伸線加工する
ことを特徴とする請求項１記載の二ホウ化マグネシウム超電導線材の製造方法。
【請求項３】
ＭｇとＢの混合粉末、またはＭｇ、Ｂおよび、その他の添加元素または化合物粉末を混合した混合粉末を、金属パイプ内に充填した構造のビレットを静水圧押出し加工後、伸線加工して得られた線材の複数を集合した構造のビレットを静水圧押出し加工した後、その多芯構造の線材を伸線加工する方法であって、前記静水圧押出し加工及び伸線加工を、それぞれ２５０℃以上、４５０℃以下の温度に加熱した状態で、それぞれ加工することを特徴とする二ホウ化マグネシウム超電導線材の製造方法。
【請求項４】
ＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）を生成する熱処理として、６００℃以上、９００℃以下の熱処理を施した
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の二ホウ化マグネシウム超電導線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高磁界を発生するための超電導マグネットや伝導冷却用マグネットに用いられる二ホウ化マグネシウム超電導線材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭｇＢ2（二ホウ化マグネシウム）は、Ｍｇ（マグネシウム）とＢ（ホウ素)の原子が交互に層状に積み重なった結晶構造を持ち、超伝導特性を有するものであることが知られている。このＭｇＢ2は、金属として電線などに加工して使いやすいものの中において優れた超伝導転移温度を有している。
【０００３】
従来、ＭｇＢ2を利用したＭｇＢ2多芯構造超電導線の作製方法として、例えば、次に記述する▲１▼と▲２▼の製法が試みられている。
【０００４】
▲１▼ＭｇＢ2超伝導粉末を出発原料とする方法では、反応済みのＭｇＢ2超電導粉末をＴａ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属パイプに充填し、その外側にＣｕパイプを被覆したのち線引き加工してシングル六角線とし、それを複数本パイプ内に組み込んで多芯構造としたのち伸線する。最後に、その多芯線を６００〜９００℃の範囲で熱処理し、固相反応によってＭｇＢ2粉末同士を結合させて超電導線とする。
【０００５】
▲２▼ＭｇとＢの混合粉末を出発原料とする方法では、ＭｇとＢの微粒粉末をモル比が約Ｍｇ：Ｂ＝１：２となるように混合した後、金属パイプに充填し、押出し加工した後、線引き加工してシングル六角線とし、それを複数本パイプ内に組み込んで多芯構造とする。この多芯構造のビレットを再度、押出し加工して伸線し、最後に熱処理してＭｇＢ2多芯構造超電導線を生成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法においては、次に記述するような問題があった。上記▲１▼の方法では、出発原料であるＭｇＢ2粉末の硬度が高く（硬く）、延性が無いために加工性に難があり、加工できたとしても均一な断面の多芯線とすることが困難であった。また、ＭｇＢ2の表面に酸化膜やＭｇＢ4等の異層（絶縁層あるいは常電導層）が存在していると最終熱処理しても粒界部分に異相が析出するため、個々の粒子は超電導状態を示しても、粒界部で電流が妨げられ、臨界電流が向上しない。
【０００７】
上記の理由から、ＭｇＢ2超電導体はバルク体の報告は多いが、多芯構造線材の場合、すでに実用化されているＮｂ−ＴｉやＮｂ3Ｓｎ線材級の８Ｔ以上の磁界で高い臨界電流を示す性能は得られていない。
【０００８】
上記▲２▼の方法では、Ｍｇの結晶構造が六方晶で、室温で伸線や圧延等の塑性加工した際に結晶が変形し易い方位が限定されてしまう。また、ＣｕやＡｌのように４００℃以上でアニール（焼鈍）したのち、室温に戻しても軟化することはなく、室温で塑性加工することが困難である。その結果、ダイスを用いた引き抜き伸線加工中に断線が多発し、長尺線材の加工が非常に難しい。スウェージャー等を用いた加工により伸線は可能だが、断面が不均一になり易く、均一加工に難点があった。伸線加工を可能にするためには、粉末を充填する金属パイプの肉厚を厚くして、延性のある金属マトリックス部分の線材断面における占積率を高くして線材の引っ張り強度を高めることで室温における伸線加工が可能になるが、超電導部分の占積率が低下して最終的な多芯線のオーバーオール電流密度が低下してしまう。加えて、押出し比や伸線時の減面加工率を高くできないため、低加工度となり、伸線回数が増加して工程が増えてしまう。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、臨界電流密度の高い多芯構造の超電導線を作製することができる二ホウ化マグネシウム超電導線材の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の二ホウ化マグネシウム超電導線材の製造方法は、ＭｇとＢの混合粉末、またはＭｇ、Ｂおよび、その他の添加元素または化合物粉末を混合した混合粉末を、金属パイプ内に充填した構造のビレットを、２５０℃以上、４５０℃以下の温度に加熱した状態で静水圧押出し加工することを特徴としている。
【００１１】
また、前記静水圧押出し加工により得られた線材を、２５０℃以上、４５０℃以下の温度に加熱した状態で伸線加工することを特徴としている。
【００１２】
ここで、上記の静水圧押出し加工、または伸線加工時の予備加熱温度を２５０℃以上とする根拠を説明する。Ｍｇのせん断応力は約２５０℃付近から急激に低下し、六方晶の全ての結晶方位のせん断応力が低下して加工性が向上する。そのため、２５０℃以上に加熱した状態で、押出しや引き抜き伸線加工することで加工性が格段に向上し、長尺線材の作製が可能になる。よって、２５０℃以上の状態で押出し、あるいはダイス引きによる伸線加工することが良好である。
【００１３】
さらに、静水圧押出し加工、または伸線加工時の予備加熱温度を４５０℃以下とする根拠を説明する。上記の根拠に記述したように、２５０℃以上に加熱することで線材の加工性は向上するが、４５０℃以上に加熱した状態で押出し、または伸線加工すると、塑性変形に伴う加工熱に予備加熱の温度が加わり、加工時には６００℃以上に線材温度が上昇してしまう。Ｍｇの融点が６５０℃であることと、６００℃付近からＭｇＢ2の生成が始まることを考えると、４５０℃以上で加工した場合、Ｍｇの溶融により極端に軟化して被覆した金属との硬さに大きな差が発生して不均一変形や断線の可能性がある。また、加工するにつれて硬くて延性の無いＭｇＢ2が生成して行き、長尺加工性が急激に低下してしまう。これゆえ、加工時の予備加熱温度を４５０℃以下とするのが良い。
【００１４】
また、本発明の二ホウ化マグネシウム超電導線材の製造方法においては、ＭｇＢ2を生成する熱処理として、６００℃以上、９００℃以下の熱処理を施したことを特徴としている。
【００１５】
このＭｇＢ2生成熱処理として、６００℃以上、９００℃以下の熱処理を行う根拠を説明する。６００℃以下の熱処理温度ではＭｇＢ2の生成反応が進まず、臨界電流が向上しない。一方、９００℃以上の熱処理を行うとＭｇＢ2結晶粒の粗大化促進され、粒界部分に超電導電流を阻害する非超電導物質（ＭｇＢ4、ＭｇやＢの酸化物）の析出が顕著となり、粒界部分で臨界電流が極端に低下するため、マクロ的に見た線全体の臨界電流が低下してしまうからである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るＭｇＢ2超電導線材の構成を示す断面図である。
【００１８】
この図１に示すＭｇＢ2超電導線材１０は、ＭｇとＢの粉末を１：２のモル比で混合した混合粉末１１を、Ｔａパイプ１２に充填してプレスし、この外側をＣｕパイプ１３で被覆することによって形成したものである。
【００１９】
このＭｇＢ2超電導線材１０を、さらに、パイプの前端と後端に栓をして単芯ビレットとし、押出し加工後に引き抜き伸線加工して細線化し、最後に六角ダイスで六角断面のシングル線（単芯線）とする。この単芯線である六角線を複数束ねてＣｕパイプに粗み込んでパイプの前端と後端に栓をして多芯ビレットとし、押出し加工後に過熱状態で伸線加工して細線化し、最終熱処理をしてＭｇとＢを反応させることによって、ＭｇＢ2多芯超電導線を形成することができる。
【００２０】
このようなＭｇＢ2超電導線材１０および、ＭｇＢ2超電導線材１０を用いたＭｇＢ2多芯超電導線の実際の作製方法を、図２の作製工程の説明図を参照して説明する。
【００２１】
まず、工程２０１において、平均粒子径０．１μｍの非晶質（アモルファス）Ｂ粉末と、平均粒径２０μｍのＭｇ粉末をモル比でＭｇ：Ｂ＝１：２となるように混合することによって、ＭｇとＢの混合粉末１１を得た。
【００２２】
工程２０２において、混合粉末１１を内径２１ｍｍ、外径２４ｍｍで、肉厚が１．５ｍｍのＴａパイプ１３に充填し、これを工程２０３において、プレスして粉末充填率を６２％とした。また、粉末を充填したＴａパイプ１３の外側に、内径２４．１ｍｍ、外径２８ｍｍで、肉厚が約２ｍｍのＣｕパイプ１３を被覆した。これによって、ＭｇＢ2超電導線材１０を得た。このＣｕパイプ１３の後端にＦｅプラグ、前端にＣｕプラグをセットして、外径２８ｍｍの単芯ビレットとした。
【００２３】
工程２０４において、その単芯ビレットを３２０℃に予備過熱した状態で熱間静水圧押出し加工することにより外径１０ｍｍに押出しした。
【００２４】
工程２０５において、その押出し材を円筒形のヒーター内にセットし、伸線直前まで３００℃に加熱し、ダイスも２５０℃に予備加熱した状態で伸線加工した。
【００２５】
工程２０６において、六角ダイスで伸線して対辺距離が２．６５ｍｍの六角線とした。工程２０７において、その六角線を矯正して直線状にしたのち、長さ１５０ｍｍに切り分けした。この切り分けられた六角線の概略斜視図を符号２１で示す。
【００２６】
工程２０８において、六角線２１を６１本選択し、工程２０９において、その６１本の六角線２１を、内径２５．５ｍｍ、外径２８ｍｍのＣｕパイプ２２に組み込み（概略斜視図参照）、さらに工程２１０において、その組み込み後のパイプの後端にＦｅプラグ、前端にＣｕプラグをセットして、外径２８ｍｍの多芯ビレットを３２０℃で予備加熱して静水圧押出し加工により外径１０ｍｍの線材とし、その線材を、さらに工程２１１において、３００℃に予備加熱して伸線加工した後、工程２１２において、その押出し材を線径１ｍｍまで伸線加工したのち、最後に、工程２１３において、Ａｒ雰囲気中で７００℃×５０時間のＭｇＢ2生成熱処理を行った。これによって、ＭｇＢ2多芯超電導線を得た。これを以降、本実施の形態超電導線という。
【００２７】
次に、この本実施の形態超電導線の特性の向上を検証するため、図３に示す従来のＭｇＢ2超電導線材３０を用いてＭｇＢ2多芯超電導線を作製した。この作製方法は、上記本実施の形態超電導線作製方法と同じ混合粉末１１を、図２に示した工程２０２で、内径１６ｍｍ、外径２２ｍｍで、肉厚が３ｍｍのＴａパイプ１２ａに充填し、これを工程２０３で、プレスして粉末充填率を６２％とした。さらに、粉末を充填したＴａパイプ１２ａの外側に、内径２２．１ｍｍ、外径２８ｍｍで、肉厚が約３ｍｍのＣｕパイプ１３ａを被覆した。これによって、従来のＭｇＢ2超電導線材３０を得た。このＣｕパイプ１３ａの後端にＦｅプラグ、前端にＣｕプラグをセットして、外径２８ｍｍの単芯ビレットとした。
【００２８】
工程２０４ａにおいて、その単芯ビレットを室温の状態で静水圧押出し加工することにより外径１５ｍｍに押出しした。
【００２９】
工程２０５ａにおいて、その押出し材を室温で引き抜き伸線加工し、工程２０６において、六角ダイスで伸線して対辺距離が２．６５ｍｍの六角線とし、工程２０７において、その六角線を矯正して直線状にしたのち、長さ１５０ｍｍに切り分けした。工程２０８において、その切り分けられた六角線２１を６１本選択し、工程２０９において、その６１本の六角線２１を、内径２５．５ｍｍ、外径２８ｍｍのＣｕパイプ２２に組み込み、さらに工程２１０ａにおいて、その組み込み後のパイプの後端にＦｅプラグ、前端にＣｕプラグをセットして、外径２８ｍｍの多芯ビレットを静水圧押出し加工により外径１５ｍｍの線材とし、その線材を、さらに工程２１１ａにおいて、室温で伸線加工したのち、工程２１２において、その押出し材を線径１ｍｍまで伸線加工したのち、最後に、工程２１３において、Ａｒ雰囲気中で７００℃×５０時間のＭｇＢ2生成熱処理を行った。これによって、ＭｇＢ2多芯超電導線を得た。これを以降、従来超電導線という。
【００３０】
このような本実施の形態超電導線と従来超電導線の各々の液体ヘリウム中における線材全断面積あたりの臨界電流密度Ｊｃ（Ａ／ｍｍ2）と外部磁界Ｂ（Ｔ）との特性（Ｊｃ−Ｂ特性）を、図４に示す。
【００３１】
５ＴにおけるＪｃは、従来超電導線４２の５７０Ａ／ｍｍ2に対して、本実施の形態超電導線４１が約２倍の１２２０Ａ／ｍｍ2となった。本実施の形態超電導線４１のＪｃが向上した理由は、線材断面におけるＭｇＢ2超電導フィラメントの占有率が従来超電導線の約１．７倍に向上したこと、および、加熱伸線により加工性が良好となり、フィラメントの不均一変形が減少して線材長さ方向に均一な超電導フィラメントが形成されたためである。本実施の形態超電導線４１は、従来超電導線４２に比較して全ての磁界領域で約２倍以上のＪｃを示した。
【００３２】
従って、本実施の形態超電導線によれば、高い臨界電流密度を得ることができる。
【００３３】
このような本実施の形態超電導線は、従来のＮｂ−Ｔｉ線材やＮｂ3Ｓｎ線材と同様の加工設備で、長尺線材の作製が可能である。
【００３４】
また、本実施の形態超電導線を巻線することにより超電導マグネットを形成すれば、この超電導マグネットは高磁界を安定して発生可能となる。また、本実施の形態超電導線は、臨界温度が３９Ｋと高いため、従来の金属系超電導マグネットを用いた伝導冷却式マグネット（約５Ｋまで冷却）に比較して、冷却温度を１０Ｋ程度まで高くすることが可能となり、その結果、上記超電導マグネットを用いた冷凍機においては、その負荷を大幅に低減することが可能となる。
【００３５】
つまり、本実施の形態超電導線を用いてマグネットを作製することで、高い臨界温度と極細多芯構造によりクエンチなしに安定に運転できる超電導マグネットを提供することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二ホウ化マグネシウム超電導線材を製造するに当たって、ＭｇとＢの混合粉末、またはＭｇ、Ｂおよび、その他の添加元素または化合物粉末を混合した混合粉末を、金属パイプ内に充填した構造のビレットを、２５０℃以上、４５０℃以下の温度に加熱した状態で静水圧押出し加工する。また、前記静水圧押出し加工により得られた線材を、２５０℃以上、４５０℃以下の温度に加熱した状態で伸線加工する。これら加工では、長尺加工性が良いので、線材断面におけるＭｇＢ2超電導フィラメントの占有率が向上し、フィラメントの不均一変形が減少して線材長さ方向に均一な超電導フィラメントが形成され、これによって、高い臨界電流密度を得ることができる。従って、臨界電流密度の高い多芯構造の超電導線を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るＭｇＢ2超電導線材の構成を示す断面図である。
【図２】上記実施の形態に係るＭｇＢ2超電導線材および、ＭｇＢ2超電導線材を用いたＭｇＢ2多芯超電導線の作製工程の説明図である。
【図３】従来のＭｇＢ2超電導線材の構成を示す断面図である。
【図４】本実施の形態および従来例双方のＭｇＢ2超電導線材を用いたＭｇＢ2多芯超電導線超電導線の液体ヘリウム中における臨界電流密度Ｊｃ（Ａ／ｍｍ2）と外部磁界Ｂ（Ｔ）との特性（Ｊｃ−Ｂ特性）を示す図である。
【符号の説明】
１０  本実施の形態のＭｇＢ2超電導線材
１１  ＭｇとＢの混合粉末
１２，１２ａ  Ｔａパイプ
１３，１３ａ  Ｃｕパイプ
２１  六角線
３０  従来のＭｇＢ2超電導線材
４１  本実施の形態の多芯構造超電導線のＪｃ−Ｂ特性曲線
４２  従来の多芯構造超電導線のＪｃ−Ｂ特性曲線
【図１】
0003775304.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003775304.tif 000005