(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅マトリクス中に超電導フィラメントが埋設された超電導線材の外周にアルミニウム安定化材が被覆されたアルミニウム安定化超電導線において、前記アルミニウム安定化材の極低温における０．２％耐力が４５ＭＰａ以上、残留抵抗比が２５０以上であり、前記アルミニウム安定化材が１００〜３００００ｐｐｍのＳｂを含有するＡｌ−Ｓｂ合金、または１００〜３００００ｐｐｍのＳｂと３０〜５０００ｐｐｍのＮｉを含有するＡｌ−Ｓｂ−Ｎｉ合金からなり、前記両アルミニウム合金は減面率３〜６０％の冷間加工が施された、または前記加工に相当する加工歪みが付加されたアルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム安定化超電導線。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱的および電気的安定性に優れ、かつマグネットなどに使用したときに発生する電磁力に対する充分な機械的強度を有するアルミニウム安定化超電導線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超電導マグネットなどの導体には、銅マトリックス中にＮｂ−Ｔｉなどの超電導フィラメントを埋込んだ超電導線が用いられている。
このような超電導線は、例えば、銅パイプ内にＮｂ−Ｔｉ合金棒材を挿入して複合ビレットとし、この複合ビレットを熱間押出しして、銅パイプとＮｂ−Ｔｉ合金棒材とを一体化し、次いで圧延、伸線などの伸延加工を施し、その多数本を銅または銅合金パイプ内に充填して複合ビレットとし、これを前述と同様に加工して多芯超電導線としたり、さらに多芯超電導線の多数本を撚合わせて多芯超電導撚線としたりして用いられる。
【０００３】
ところで、アルミニウム安定化超電導線は、前述の超電導線または多芯超電導撚線などに、残留抵抗比（３００Ｋにおける電気抵抗値と１０Ｋにおける電気抵抗値との比）が銅より遥かに大きい高純度アルミニウムを安定化材として被覆したものである。アルミニウム安定化超電導線は、銅のみを安定化材として被覆した従来の銅安定化超電導線などに較べて熱的および電気的安定性に優れている。しかも、アルミニウムの比重は銅の比重の１／３であるため、この超電導線をマグネットに用いた場合にマグネットの軽量化が可能になる。さらにアルミニウムは銅より素粒子透過性に優れるため、高エネルギー物理学分野で多用されている素粒子検出用マグネットに有利に用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム安定化超電導線は、安定化材となる高純度アルミニウムの機械的強度が低いため、大型マグネット用導体として使用した場合に電磁力により変形してしまうという問題がある。
このようなことから、本発明者等は鋭意研究を重ね、アルミニウムの導電性を低下させずに機械的強度を向上させる合金元素としてＳｂとＮｉを見いだし、さらに研究を進めて本発明を完成させるに至った。
本発明は、熱的および電気的安定性に優れ、かつマグネットなどに使用したときに発生する電磁力に対して充分な機械的強度を有するアルミニウム安定化超電導線の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、銅マトリクス中に超電導フィラメントが埋設された超電導線材の外周にアルミニウム安定化材が被覆されたアルミニウム安定化超電導線において、前記アルミニウム安定化材の極低温における０．２％耐力が４５ＭＰａ以上、残留抵抗比が２５０以上であり、前記アルミニウム安定化材が１００〜３００００ｐｐｍのＳｂを含有するＡｌ−Ｓｂ合金、または１００〜３００００ｐｐｍのＳｂと３０〜５０００ｐｐｍのＮｉを含有するＡｌ−Ｓｂ−Ｎｉ合金からなり、前記両アルミニウム合金は減面率３〜６０％の冷間加工が施された、または前記加工に相当する加工歪みが付加されたアルミニウム合金からなることを特徴とするアルミニウム安定化超電導線である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明において、安定化材となるアルミニウム合金の極低温における0.2%耐力を４５ＭＰａ以上に限定した理由は、４５ＭＰａ未満では得られるアルミニウム安定化超電導線を大型マグネット用導体として使用する場合、アルミニウム安定化超電導線が電磁力により変形するためである。また極低温における残留抵抗比を２５０以上に限定した理由は、２５０未満では熱的および電気的に充分な安定性が得られないためである。
【０００７】
本発明のアルミニウム安定化超電導線は、アルミニウム安定化材として極低温における0.2%耐力が４５ＭＰａ以上の高強度のアルミニウム合金を用いるので、大型マグネット用導体として使用しても電磁力による変形が抑制される。また前記アルミニウム合金の極低温における残留抵抗比を従来の銅安定化材に相当する２５０かそれ以上に限定しているので熱的および電気的に充分安定する。
なお、従来の銅安定化材の残留抵抗比は通常１５０程度（１０Ｋにおける比抵抗値が１．１×１０−１０Ωｍ）になるように設計されている。
アルミニウムの場合１０Ｋにおける比抵抗値１．１×１０−１０Ωｍに相当する残留抵抗比は２５０である。従って、本発明のアルミニウム安定化超電導線の熱的および電気的安定性は従来の銅安定化超電導線に較べて同等以上のものとなる。
【０００８】
本発明において、前記の0.2%耐力および残留抵抗比を満足するアルミニウム合金は、（１）Ｓｂを１００〜３００００ｐｐｍ含有し減面率３〜６０％の冷間加工を施した、または前記加工に相当する加工歪みを付加したＡｌ−Ｓｂ系合金、（２）Ｓｂを１００〜３００００ｐｐｍ、Ｎｉを３０〜５０００ｐｐｍ含有し減面率３〜６０％の冷間加工を施した、または前記加工に相当する加工歪みを付加したＡｌ−Ｓｂ−Ｎｉ系合金である。
前記合金元素の含有量と減面率（加工歪量）の限定理由は、合金組成と減面率（加工歪量）のいずれが下限値未満でも４５ＭＰａ以上の0.2%耐力が得られず、いずれが上限値を超えても２５０以上の残留抵抗比が得られないためである。
【０００９】
本発明では、前記Ｓｂ又はＳｂとＮｉの他に、結晶粒径の調整、電位の調整、成形加工性の向上などを目的として、Ａｌに対する比抵抗増加率が小さいＡｇ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｃｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｐｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｚｎの中から選ばれる１〜数元素を、残留抵抗比を大きく低減させない範囲で微量添加しても良い。この際、添加量は機械的強度と残留抵抗比のバランスが良好に保持されるよう制御する必要がある。
本発明において、超電導線または多芯超電導撚線などにアルミニウム合金を複合する場合、アルミニウム合金に加えて銅もしくは銅合金を複合しても良い。
【００１０】
ところで、超電導マグネットでは、使用中の電磁力で線材が動かないようにマグネットにエポキシ樹脂などを含浸させたり、線材に絶縁材として半硬化させたエポキシ樹脂を巻いたりし、その後１００〜１５０℃で１０〜３０時間熱処理して樹脂を硬化させて用いる場合がある。通常の高純度アルミニウム安定化材はこの熱処理で軟化して機械的強度が急激に低下するが、本発明のアルミニウム安定化材はＳｂまたはＳｂとＮｉを適量含有するアルミニウム合金なので軟化温度が高く、前記熱処理による機械的強度の低下が抑えられる。Ｓｂでは３００ｐｐｍ、Ｎｉでは１００ｐｐｍ以上の添加でその効果が特に顕著となる。
【００１１】
本発明のアルミニウム安定化超電導線の製造は、たとえば、次のようにして行われる。
（１）超電導線または超電導撚線にアルミニウム合金を一様に被覆した熱間押出材に減面率３〜６０％の冷間加工を施す。（２）超電導線または超電導撚線にアルミニウム合金を一体に被覆した熱間押出材を所定形状に伸延加工し、これを焼鈍して安定化材を再結晶させたのち、減面率３〜６０％の冷間加工を施す。（３）超電導線または多芯超電導撚線などにアルミニウム合金を一体に熱間押出ししただけでも製造できるが、この際、アルミニウム合金被覆材に減面率３〜６０％の冷間加工に相当する歪みが残留するように押出す。この他（４）減面率３〜６０％の冷間加工を付加したアルミニウム合金材や減面率３〜６０％に相当する加工歪みを付加したアルミニウム合金材を超電導線または多芯超電導撚線などに複合する方法も適用できる。
前記冷間加工には圧延、引抜き、スエジャーなどの常法が適用できる。
【００１２】
前記（４）の加工歪を付加したアルミニウム合金材を複合するには、軟ロウ付けや機械的接合などの任意の複合法が適用できる。
例えば図１（Ａ）に示すアルミニウム安定化超電導線は、多芯のＣｕ／ＮｂＴｉ超電導線11にアルミニウム安定化材12を半田付けして複合したものである。
図１（Ｂ）に示すアルミニウム安定化超電導線は、Ｃｕ／ＮｂＴｉ超電導線の撚線13にアルミニウム安定化材12を半田付けして複合し、さらにこれを断面が略コの字状の銅安定化材14内に配置して半田付けし、露出したアルミニウム安定化材12上に板状の銅安定化材15を半田付けして取付けたものである。
図１（Ｃ)に示すアルミニウム安定化超電導線は、断面円形のＣｕ／ＮｂＴｉ超電導線の撚線16に断面半円形状の溝を有する２つのアルミニウム安定化材17を前記溝に撚線をはめ込むようにして半田付けし、さらにこれに断面略コの字状の２つの銅安定化材14を被せて半田付けしたものである。
図１（Ｄ) に示すアルミニウム安定化超電導線は、銅安定化材18で外周を被覆したＣｕ／Ｎｂ３Ｓｎ超電導線19を溝を有するアルミニウム安定化材20の溝に入れて半田付けしたものである。
図１（Ｅ) に示すアルミニウム安定化超電導線は、断面矩形の多芯のＣｕ／ＮｂＴｉ超電導線11に断面矩形の溝を有する２つのアルミニウム安定化材12を前記超電導線11が溝に嵌まるように配置して全体を圧延圧着したものである。
【００１３】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
外径２２０ｍｍ、内径２００ｍｍの無酸素銅製パイプ内に、銅マトリクス中にＮｂＴｉ合金線材を埋め込んだ単芯超電導線を３１３本充填して複合ビレットとし、次いでこの複合ビレットに熱間押出加工を施して複合押出材を作製し、更にこの複合押出材に伸線および中間熱処理を施して外径１. １ｍｍのＣｕ／ＮｂＴｉ多芯超電導線材を作製した。これに純度９９．９９９３％のアルミニウムにＳｂ元素を含有させたアルミニウム２元合金を安定化材として熱間押出しにより被覆して外径４.０ｍｍのアルミニウム被覆棒材とし、次いでこれら各々の棒材を伸線加工して外径２．１ｍｍの伸線材とした。次にこの伸線材を３００℃で１時間焼鈍してアルミニウム安定化材のアルミニウム合金を再結晶させて焼鈍線材とし、次いでこれを伸線加工して外径２．０ｍｍのアルミニウム安定化超電導線（No.1〜6）を作製した。なお、２元系アルミニウム合金のＳｂ量は１００〜３００００ｐｐｍの規定値内で種々に変化させた。
【００１４】
（比較例１）
安定化材の２元アルミニウム合金の合金元素量を本発明の規定値外、すなわちＳｂの量を１００ｐｐｍ未満または３００００ｐｐｍを超える量とした他は、実施例１と同じ方法によりアルミニウム安定化超電導線(No.7〜9) を作製した。
【００１５】
このようにして得られた各々のアルミニウム安定化超電導線 (No.1〜9) について、臨界電流値（以下Ｉｃと略記する）、マグネット特性としてクエンチ電流および最大発生磁界、４．２Ｋにおける0.2%耐力並びに残留抵抗比を調べた。結果を表１に示す。
なお、Ｉｃは得られたアルミニウム安定化超電導線を長さ１ｍの短尺線とし、これに液体Ｈｅ中（４．２Ｋ）にて５Ｔの磁場をかけた状態で電流を流し、電流を除々に増加させて抵抗が１０−１３Ωｍに達した時の電流値をもって表した。またクエンチ電流および最大発生磁界は、得られたアルミニウム安定化超電導線を内径２０ｍｍ、外径１５０ｍｍのコイルに巻いてマグネットを作製し、クエンチ電流はマグネットの超電導状態が破れた時の電流とし、最大発生磁界は中心に置いたホール素子により測定した。ただし、マグネットは２７６Ａ通電した時に５Ｔの磁界が発生するように設計した。
【００１６】
【表１】
0003753346.tif 000002
【００１７】
表１より明らかなように、本発明のアルミニウム安定化超電導線（No.1〜6）は、マグネット特性で最大発生磁界が５Ｔを超え、またクエンチ電流も２７６Ａ以上の高い値を示した。これに対し比較例品のNo.7は、アルミニウム安定化材に用いたアルミニウム合金の合金元素含有量が少ないため、また比較例品のNo.9は高純度アルミニウムのため、いずれも機械的強度が低く、その結果マグネットの発生磁場が３．８〜４．５Ｔのところで変形し、その際の発熱により所定の電流値に達する前にクエンチしてしまった。また比較例品のNo.8はアルミニウム安定化材に用いたアルミニウム合金の合金元素含有量が多すぎたため、残留抵抗比が低い値となり、導体としての熱的および電気的安定性が低下してマグネット特性が低いものとなった。
【００１８】
（実施例２）
外径０.７６ｍｍのＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ超電導線（Ｎｂ−Ｔｉフィラメント径２０μｍ、フィラメント数７２０本、Ｃｕ／Ｎｂ−Ｔｉ比１）１０本を撚り合わせると同時に圧縮成形を行い成形撚線を形成し、これに安定化材としてＡｌ−Ｓｂ合金を熱間で押出被覆して断面４. ０ｍｍ×２３ｍｍの焼鈍線材とし、次いでこれを半角３度のダイスを通して冷間で伸線加工して、図２に示す超電導撚線２１の外周にアルミニウム安定化材２２を被覆した構造のアルミニウム安定化超電導線２３(No.10〜13,17,18) を製造した。Ａｌ−Ｓｂ合金には９９. ９９９３％の高純度アルミニウムにＳｂを１０００ｐｐｍ添加したアルミニウム合金を用いた。また、伸線加工での減面率は本発明の規定値内で種々に変化させた。
一方外径１．７ｍｍのＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ超電導線（Ｎｂ−Ｔｉフィラメント径６８μｍ、フィラメント数３１３本、Ｃｕ／Ｎｂ−Ｔｉ比１）に安定化材としてＡｌ−Ｓｂ合金を熱間で押出被覆して外径４．０ｍｍの押出素材とし、次いでこれを伸線加工して外径２．５ｍｍの線材とし、次いでこの線材を３００℃で１時間焼鈍して焼鈍線材とし、次いでこのアルミニウム被覆線材を冷間で伸線加工して、図３に示す超電導線31の外周にアルミニウム安定化材32を被覆した構造のアルミニウム安定化超電導線33(No.14〜16、19,20)を製造した。Ａｌ−Ｓｂ合金には９９．９９９３％の高純度アルミニウムにＳｂを２００００ｐｐｍ添加したアルミニウム合金を用いた。また、伸線加工での減面率は本発明の規定値内で種々に変化させた。
【００１９】
（比較例２）
伸線加工での減面率を本発明の規定値外とした他は、実施例１と同じ方法により、アルミニウム安定化超電導線を製造した。
【００２０】
このようにして製造した各々のアルミニウム安定化超電導線(No.10〜20) について、アルミニウム安定化材の４．２Ｋにおける0.2%耐力および残留抵抗比を実施例１と同様にして測定した。結果を表２に示す。
【００２１】
【表２】
0003753346.tif 000003
【００２２】
表２より明らかなように、本発明のアルミニウム安定化超電導線(No.10〜16)はアルミニウム安定化材の極低温における0.2%耐力が４５ＭＰａ以上、残留抵抗比が２５０以上であった。このアルミニウム安定化超電導線を用いてマグネットを組立てたところ、設計通りの発生磁界が得られたことが確認された。これに対し、比較例品のNo.17,19はアルミニウム安定化材の減面加工率が低すぎて0.2%耐力が低下し強度的に劣り、またNo.18,20はアルミニウム安定化材の減面加工率が高すぎて残留抵抗比が低下して熱的および電気的安定性に劣り、いずれもマグネットとして不適当なものであった。
【００２３】
（実施例３）
断面寸法１ｍｍ×２ｍｍのＣｕ／Ｎｂ−Ｔｉ超電導平角線（Ｎｂ−Ｔｉフィラメント径２０μｍ、フィラメント数３１８０本、Ｃｕ／Ｎｂ−Ｔｉ比１）に断面寸法２ｍｍ×８ｍｍのアルミニウム安定化材を半田付けして図１（Ａ）に示す形状のアルミニウム安定化超電導線(No.21〜27) を製造した。前記アルミニウム安定化材には、Ａｌ−Ｓｂ合金またはＡｌ−Ｓｂ−Ｎｉ合金を種々の加工率で冷間加工して調整したアルミニウム合金材を用いた。前記アルミニウム合金の組成および冷間加工での減面率は本発明の規定値内で種々に変化させた。
【００２４】
（比較例３）
前記アルミニウム合金の組成および冷間加工での減面率は本発明の規定値外とした他は、実施例３と同じ方法によりアルミニウム安定化超電導線を製造した。
【００２５】
このようにして製造した各々のアルミニウム安定化超電導線について、アルミニウム安定化材の４．２Ｋにおける0.2%耐力および残留抵抗比、並びにマグネットの最大発生磁界を実施例１と同様にして測定した。比較のため、安定化材に９９．９９９３％の高純度アルミニウム材を用いたアルミニウム安定化超電導線についても同様の測定を行った。結果を表３に示す。表３には合金組成および減面加工率を併記した。
【００２６】
【表３】
0003753346.tif 000004
【００２７】
表３より明らかなように、本発明のアルミニウム安定化超電導線(No.21〜27)はいずれも最大発生磁界が設計値の５Ｔを超えるものであった。これに対し、比較例品のNo.28は減面加工率が低いため、比較例品のNo.30はアルミニウム安定化材に用いたアルミニウム合金材の合金元素含有量が少ないため、比較例品のNo.32は高純度アルミニウムを用いたために、いずれも機械的強度が低く、マグネットに使用した場合に電磁力により変形し、その際の発熱により所定の電流値に達する前にクエンチが起きた。また、比較例品のNo.29は減面加工率が大きすぎたため、比較例品のNo.31はアルミニウム安定化材に用いたアルミニウム合金材の合金元素含有量が多いために、いずれも残留抵抗比が低い値となり、導体の熱的・電気的安定性が低下してクエンチを起こし、マグネット特性が低下した。
【００２８】
（実施例４）
アルミニウム安定化材の組成を表４に示す本発明の規定値内とし、３００℃で１時間焼鈍後の伸線加工率を１５％とし、外径２．０ｍｍ伸線後に１３０℃で１５時間の加熱処理を施した他は、実施例１と同じ方法によりアルミニウム安定化超電導線を製造した。
【００２９】
（比較例４）
アルミニウム安定化材の組成を表４に示す本発明の規定値外とした他は、実施例４と同じ方法によりアルミニウム安定化超電導線を製造した。
【００３０】
このようにして製造した各々のアルミニウム安定化超電導線について、アルミニウム安定化材の４.２Ｋにおける0.2%耐力および残留抵抗比、並びにマグネットの最大発生磁界を実施例１と同様にして測定した。結果を表４に示す。
【００３１】
【表４】
0003753346.tif 000005
【００３２】
表４より明らかなように、本発明のアルミニウム安定化超電導線(No.33〜36)はいずれも最大発生磁界が設計値の５Ｔを超えるものであった。これにより、本発明のアルミニウム安定化超電導線は、マグネットにエポキシ樹脂などで固定しても樹脂硬化のために必要な熱履歴による性能低下がないことが確認された。これに対し、比較例品のNo.37,39はアルミニウム安定化材のＳｂが、少ないか、含有されていないため、いずれも機械的強度が低く、マグネットに使用した場合に電磁力により変形し、その際の発熱により所定の電流値に達する前にクエンチが起きた。No.38はアルミニウム安定化材のＳｂが多いため、いずれも残留抵抗比が低下し、導体の熱的、電気的安定性が低下してクエンチを起こし、マグネット特性が低下した。
【００３３】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明のアルミニウム安定化超電導線は、アルミニウム安定化材が、導電性を低下させずに機械的強度を向上させるＳｂまたはＳｂとＮｉを適量含有し、所定の加工歪みが付加され、極低温における0.2%耐力および残留抵抗比を所定値以上に規定したものなので、マグネット用導体などに用いたとき電磁力による変形が少なく高い発生磁界が得られる。依って、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｅ）は本発明のアルミニウム安定化超電導線の第１〜第５の態様を示す横断面図である。
【図２】本発明のアルミニウム安定化超電導線の第６の態様を示す横断面図である。
【図３】本発明のアルミニウム安定化超電導線の第７の態様を示す横断面図である。
【符号の説明】
11              Ｃｕ／ＮｂＴｉ超電導線
12,17,20,22,32  アルミニウム安定化材
13,16           Ｃｕ／ＮｂＴｉ超電導撚線
14,15,18        銅安定化材
19              Ｃｕ／Ｎｂ３Ｓｎ超電導線
21              超電導撚線
23,33           アルミニウム安定化超電導線
31              超電導線
【図１】
0003753346.tif 000006
【図２】
0003753346.tif 000007
【図３】
0003753346.tif 000008