(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Nbマトリックス中に、共晶系のAl-Ge合金のバルク若しくは粉末、又
はAlとGeとの混合粉末を芯として入れ、この複合体を線状に加工した後、800〜1200℃に
急熱し、その後室温に急冷する急熱急冷処理を行い、平均粒径が１μmのAl-Ge共晶組織を形成させることを特徴とするNbとAl共晶合金の複合化方法。
【請求項２】
急熱急冷処理後Al-Geが準安定相を形成したとき、準安定相を安定相
に変態させる熱処理を行う請求項１記載のNbとAl共晶合金の複合化方法。
【請求項３】
Geの含有量（公称組成）は30at%以下である請求項１又は２記載のNb
とAl共晶合金の複合化方法。
【請求項４】
急熱急冷処理後に得られる組織には、AlにGeが固溶した面心立方体相の他、準安定γ1（斜方晶）相、準安定γ2（単斜晶）相、又は準安定γ3（六方晶）相の
少なくともいずれか一種の準安定相が存在し、これらの準安定相をAl-Ge合金の融点以下
の温度において熱処理し、安定相に変態させる請求項１乃至３いずれか１項に記載のNbとAl共晶合金の複合化方法。
【請求項５】
AlとGeとの混合粉末の粒径が500μm以下である請求項１乃至4いずれ
か１項に記載のNbとAl共晶合金の複合化方法。
【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、NbとAl共晶合金の複合化方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、極細芯径１μm以下の極細多芯化を可能とする、延性に富むNb/Al-Ge複合線材を実現することのできるNbとAl共晶合金の複合化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
Nbと、共晶系Al-X合金の一つであるAl-Ge合金とを拡散反応させて複合化したNb3(Al,Ge)超伝導体の線材化は、Nb3(Al,Ge)超伝導体が高磁界特性においてきわめて高いポテンシャルを持つことから、1GHzクラスのNMRマグネットなどの強磁場マグネットに有益であると考えられる。
【０００３】
しかしながら、Al-Ge合金は難加工性であり、このため、NbとAl-Ge合金との拡散距離を短縮化させるのに有効な、芯径１μm以下のAl-Ge極細芯が多数Nbマトリックス中に埋め込まれたNb/Al-Ge複合多芯線を作製することがなかなか難しく、Nb3(Al,Ge)超伝導複合線材を開発する上での大きな障害となっている。
【０００４】
Al-Ge合金は、たとえば、加工と焼鈍を繰り返し、Ge相を球状化処理することによりある程度加工性が改善される。このようにしてGe相を微細化したAl-Ge合金ロッドをNb管の中に入れて組み込み、伸線し、この伸線材を多数本スタックしてさらに伸線し、これを数回繰り返し、多芯化する。だが、Ge相の微細化には限界があり、また、Ge粒子のサイズが多芯線の最小フィラメント径となるため、それ以上微細化することのできないGe粒子は、複合線材の加工限界や極細多芯化における断線などの原因となる。このことから、実用可能なNb3(Al,Ge)超伝導複合線材は実現にまで至っていない。
【０００５】
また、ロール法などにより微細化された凝固組織を有する共晶合金の急冷薄板材が知られているが、この急冷薄板材とNb管との複合化は容易でない。
さらに、粒径が１μm以下のGe粉末とAl粉末との混合粉末をNb管の中に充填し、これを出発原料として極細複合線材を作製することも一応考えられるが、粒径１μm以下のGe粉末は非常に高価であり、これを用いることは製造コストに反映するため、実用化技術として現実的でない。
【０００６】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、極細芯径１μm以下の極細多芯化を可能とする、延性に富むNb/Al-Ge複合線材を実現することのできるNbとAl共晶合金の複合化方法を提供することを課題としている。
【０００７】
【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ものとして、Nbマトリックス中に、共晶系のAl-Ge合金のバルク若しくは粉末、又はAlとGeとの混合粉末を芯として入れ、この複合体を線状に加工した後、800〜1200℃に急熱し、その後室温に急冷する急熱急冷処理を行い、平均粒径が１μmのAl-Ge共晶組織を形成させることを特徴とするNbとAl共晶合金の複合化方法（請求項１）を提供する。
【０００８】
この出願の発明は、急熱急冷処理後Al-Geが準安定相を形成したとき、準安定相を安定
相に変態させる熱処理を行うこと（請求項２）を好ましい態様の一つとして提供する。
【０００９】
この出願の発明は、以上において、Geの含有量（公称組成）は30at%以下であること（請求項３）、急熱急冷処理後に得られる組織には、AlにGeが固溶した面心立方体相の他、準安定γ1（斜方晶）相、準安定γ2（単斜晶）相、又は準安定γ3（六方晶）相の少なくともいずれか一種の準安定相が存在し、これらの準安定相をAl-Ge合金の融点以下の温度において熱処理し、安定相に変態させること（請求項４）、AlとGeとの混合粉末の粒径が500μm以下であること（請求項５）をそれぞれ好ましい態様として提供する。
【００１２】
以下、この出願の発明のNbとAl共晶合金の複合化方法についてさらに詳しく説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のNbとAl共晶合金の複合化方法では、Nbマトリックス中に、共晶系のAl-Ge合金のバルク若しくは粉末、又はAlとGeとの混合粉末を芯として入れ、この複合体をある程度伸線し、線状に加工した後、急熱急冷処理する。急熱により芯であるAl-Ge合金のバルク若しくは粉末、又はAlとGeとの混合粉末は溶融状態となった後、急冷により平均粒径が１μm以下の微細なAl-Ge合金の急冷凝固組織となる。急熱急冷処理としては、たとえば、伸線加工した線材を、銅ブロックなどの電極と、電極と冷媒の両方を兼ねる液体金属浴との間で自己通電加熱し、その後、速やかに線材を液体金属浴に浸漬し、急冷却させる方式を例示することができる。線材が長尺の場合には、線材を液体金属浴に向けて移動させ、銅ブロックと液体金属浴との間で通電加熱し、線材の急熱急冷処理を行うことが可能である。液体金属には、たとえばGaなどを用いることができる。
【００１４】
この出願の発明のNbとAl共晶合金の複合化方法における急熱及び急冷が意味する具体的な数値を例示することは、必ずしも容易なことではない。一応の目安として、急熱に関しては、1000℃/s以上の加熱速度を例示することができる。おそらく1000℃/s以上の加熱速度であれば、Al-Ge共晶合金とNbマトリックスとの反応は進まないものと期待される。急冷に関しても同様であり、確たる数値を例示することは必ずしも容易ではないが、急熱と同じ1000℃/s以上の冷却速度を一応の目安とすることができる。これ未満であると、おそらく凝固組織の粗大化が起こりやすくなるものと思われる。
【００１５】
急熱急冷処理後に得られる組織には、Ge相（AlにGeが固溶した面心立方体相）の他、準安定γ1（斜方晶）相、準安定γ2（単斜晶）相、準安定γ3（六方晶）相などの準安定相が少なくとも一種形成されることがある。しかしながら、これらの準安定相は、Al-Ge合金の融点以下の温度において熱処理することにより安定相に変態させることができる。安定相に変態させるための熱処理温度が、Al-Ge合金の融点を超えると、結晶粒の粗大化が起こり、加工性が低下するおそれがある。
【００１６】
Al-Ge共晶組織は微細であり、その粒径は、平均して１μm（最大のものでも数μm、最小のものでは数十nmである）である。スタックして縮径加工（極細多芯化）後に得られる粒径は、すべて１μm以下となる。このAl-Ge共晶組織により、延性に富むNb/Al-Ge複合線材が得られる。得られたNb/Al-Ge複合線材は、以上から明らかなように、すでにAl-Ge合金芯がNbマトリックスに複合されているため、そのままの状態で極細多芯化のための加工を適用することができる。しかも、微細なAl-Ge共晶組織は線材芯の強度を高め、Nbマトリックスとの強度のバランスが取れ、これもまた、加工性の改善に有効に働く。
【００１７】
この出願の発明のNbとAl共晶合金の複合化方法では、AlとGeとの混合粉末を芯とする場合、その各々の粉末の粒径は１μm以下とする必要はなく、500μm以下であれば充分であり、したがって、高価なGe粉末を必要としない。このため、大幅なコスト低減が図れる。また、この出願の発明のNbとAl共晶合金の複合化方法では、Nbマトリックスとは別に微細化されたAl-Ge合金を作製する必要もないため、Al-Ge合金芯の場合にもコスト低減は実現される。
【００１８】
なお、この出願の発明のNbとAl共晶合金の複合化方法では、急熱急冷処理する線材は、単芯線、多芯線のいずれであってもよい。また、前述したような連続的な加熱方式を採用することができる場合には、長尺の複合線材の作製も可能である。
【００１９】
この出願の発明のNbとAl共晶合金の複合化方法では、Geの含有量（公称組成）は30at%以下とすることが好ましい。Geの含有量が30at%を超えると、Al-Ge合金の加工性が低下し、急熱急冷処理以前の伸線加工が難しくなるおそれがある。
【００２０】
急熱時の加熱到達温度は、800〜1200℃とする。加熱到達温度が800℃を下回ると、前述の準安定相が粗大化し、安定相に変態させても結晶粒の粗大化は抑制されず、加工性が低下するおそれがある。加熱到達温度の上限を1200℃とするのは、これを超えると、NbマトリックスとAl-Ge共晶合金との界面にNbとの化合物相（たとえばNbAl3など）が形成され、この化合物相もまた加工性の低下を招く原因となり得るからである。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
外径20mmのNb管の中にAl-15at%Ge合金ロッドを７本入れ、縮径加工して0.85mmφのNb/Al-15at%Ge複合線材を作製した。このNb/Al-15at%Ge複合線材を通電加熱方式により1200℃まで急熱した後、室温にまで急冷した。その後、安定相への変態処理として350℃に2時間保持した。図１(a)(b)(c)は、各々、未急冷処理、急熱急冷処理時、さらに変態熱処理時のNb/Al-15at%Ge複合線材の断面図に代る顕微鏡写真及びSEM画像であり、図２は、それら試料のX線回折結果である。
【００２２】
これらの図１及び図２から確認されるように、未急冷処理の複合線材ではAl面心立方体相とダイヤモンド型格子のGe相の混合相であった組織が、急冷処理によりGe相がほとんど消失し、Al面心立方体相及び準安定相の微細な混合組織となっている。さらに、急冷処理後の変態熱処理により、微細なAl-Geの安定相に変態している。
【００２３】
次に、表１に示したように、未熱処理のNb/Al-15at%Ge複合線材（試料#1）と、急熱急冷処理及び変態処理を行ったNb/Al-15at%Ge複合線材（試料#4）との特性などの比較を行った。
【００２４】
【表１】
0003780332.tif 000002
【００２５】
この表１に示した結果から確認されるように、変態処理後の試料#4では、Al-Ge合金芯とNbマトリックスと硬さにバランスが取れ、Ge相又は準安定相のサイズが１μmに微細化され、良好な密着曲げ特性が得られている。
【００２６】
さらに、通電加熱電流値を130A（試料#2）、180A（試料#5）とした場合の組織に現れる変化を観察した。図３(a)(b)は、各々、試料#2、試料#5の急熱急冷処理後の断面図に代る顕微鏡写真である。
【００２７】
この図３(a)(b)の比較から、通電加熱電流値が130A（試料#2）では急熱時の加熱到達温度が試料#4より低くなり、第二相であるGe相又は準安定相が粗大化することが確認される。また、通電加熱電流値が180A（試料#5）では、NbマトリックスとAl-Ge合金との界面にNbAl3化合物相が形成することも確認される。
【００２８】
次に、機械的特性の良好な試料#4を10m作製し、これをNb管の中に121本入れて組み込み、1mmφまで縮径加工し、この7×121芯Nb/Al-15at%Ge複合線材をさらにNb管の中に85本入れて組み込み、縮径加工を行った。その結果、図４(a)に示したように、Al-Ge合金の芯径が0.7μmまで縮径加工することができ、粗大なGe相や準安定相が残存することはなかった。
【００２９】
比較として、未熱処理の単芯Nb/Al-15at%Ge複合線材をNb管の中に121本入れて組み込み、2mmφまで縮径加工し、この121芯Nb/Al-15at%Ge複合線材をさらにNb管の中に85本入れて組み込み、縮径加工を行った。しかしながら、この場合には、図４(b)に示したように、数μmのGe粒子が残留し、均一なAl-Ge合金にすることができなかった。
（実施例２）
粒径40μmのAl粉末及びGe粉末を85:15の公称組成比で混合し、Nb管の中に充填し、これを複数本束ねて縮径加工し、複合線材を作製した後、実施例１と同様に通電加熱方式により1200℃までの急熱処理とこれに引き続く急冷処理、そして安定相への変態処理を行った。
【００３０】
作製された複合線材は、実施例１の試料#4と同様の良好な曲げ特性ならびに延性を示した。
勿論、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。急熱急冷方式、複合線材の構造等の細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、極細芯径１μm以下の極細多芯化が可能な、延性に富むNb/Al-Ge複合線材が実現される。1GHzクラスのNMRマグネットなどの強磁場マグネットに有益なNb3(Al,Ge)超伝導体の線材化が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  (a)(b)(c)は、各々、未急冷処理、急熱急冷処理時、さらに変態熱処理時のNb/Al-15at%Ge複合線材の断面図に代る顕微鏡写真及びSEM画像である。
【図２】実施例１で作製した試料のX線回折結果を示したチャートである。
【図３】  (a)(b)は、各々、試料#2、試料#5の急熱急冷処理後の断面図に代る顕微鏡写真である。
【図４】  (a)(b)は、各々、到達加熱温度1200℃の急熱急冷処理、そして変態熱処理を行ったNb/Al-15at%Ge複合線材を用いた多芯線材の断面図に代る顕微鏡写真、未熱処理のNb/Al-15at%Ge複合線材を用いた多芯線材の断面図に代る顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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