ブロンズ法Ｎｂ３Ｓｎ超電導線材およびその前駆体
【課題】ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材における機械的強度の強化を図ると共に、超電導特性にも優れたブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材、およびこうした超電導線材を実現するための超電導線材製造用前駆体を加工上の問題を生じさせることなく簡便に得るための構成の提供。
【解決手段】本発明のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に（Ａ）ＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置された超電導複合エレメント３と、（Ｂ）ＴａまたはＴａ基合金フィラメントが配置された補強用複合エレメント７とを夫々多数本束ねて集合体とすると共に、外周に拡散障壁、安定化銅６が配置された前駆体であって、前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントは、前駆体の線材断面内に占める面積割合を２〜１５％とすると共に、線材の外径をＤとしたとき、補強用複合エレメントの存在位置が０．７Ｄ〜０．９Ｄの範囲内である。
【解決手段】本発明のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に（Ａ）ＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置された超電導複合エレメント３と、（Ｂ）ＴａまたはＴａ基合金フィラメントが配置された補強用複合エレメント７とを夫々多数本束ねて集合体とすると共に、外周に拡散障壁、安定化銅６が配置された前駆体であって、前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントは、前駆体の線材断面内に占める面積割合を２〜１５％とすると共に、線材の外径をＤとしたとき、補強用複合エレメントの存在位置が０．７Ｄ〜０．９Ｄの範囲内である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材をブロンズ法によって製造するための前駆体（超電導線材前駆体）、およびこうした前駆体によって製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材に関するものであり、殊に超電導マグネットの素材として有用なＮｂ3Ｓｎ超電導線材およびその前駆体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材が実用化されている分野のうち、高分解能核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置や核融合装置、加速器等に用いられる超電導マグネットがある。これらの超電導マグネットでは、ＮＭＲ信号の分解性能向上やデータ習得の短時間化の要求から高磁場化が求められている。超電導マグネットの高磁場化・コンパクト化に対しては、超電導マグネットに使用する超電導線材の高性能化が必須となっており、特に超電導マグネットの最内層部に使用される超電導コイルの高性能化が求められている。
【０００３】
このような超電導マグネットに使用される金属系の超電導線材としては、Ｎｂ3Ｓｎ線材が実用化されており、このＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造には主にブロンズ法が採用されている。このブロンズ法では、図１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の模式図）に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリックス１中に１本または複数本（図では７本）のＮｂ若しくはＮｂ基合金（例えば、Ｎｂ−Ｔａ合金）からなる芯材２を埋設して一次スタック材３が構成される。尚、この一次スタック材３は、図１に示すように断面形状が六角形になるようにされる。
【０００４】
上記一次スタック材３を、伸線や押し出し等の減面加工することによって上記芯材２を細径化してフィラメント（以下、「Ｎｂ基フィラメント」と呼ぶことがある）とし、このＮｂ基フィラメントとブロンズとからなる一次スタック材３を複数束ねて線材群となし、これを拡散障壁層４としてのＮｂシートやＴａシートを巻いたパイプ形状のＣｕまたはＣｕ基合金５内に挿入し、或いは一次スタック材３を複数束ねた線材群にＮｂシートやＴａシートを直接巻き、その外周に安定化銅６を配置することによって二次多芯ビレットを組み立てる。尚、パイプ形状のＣｕまたはＣｕ基合金５は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金で構成されることもある。
【０００５】
上記のような二次多芯ビレットを静水圧押し出しし、続いて引き抜き加工等による減面加工を施し、図１の断面形状を維持したまま保持された前駆体や、図２に示すような断面矩形状の平角線材の超電導線材製造用前駆体（以下、単に「前駆体」と呼ぶことがある）に加工される。
【０００６】
上記のような前駆体（伸線加工後の線材）を６００〜７００℃付近の温度で１００〜３００時間程度の拡散熱処理（Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理）を施すことにより、Ｎｂ基フィラメントとブロンズマトリックスの界面にＮｂ3Ｓｎ化合物層を生成させて超電導線材とする。
【０００７】
超電導電流は、前駆体線材を作製した後に前記のような拡散熱処理を施すことによって生成させたＮｂ3Ｓｎ相を流れることになる。そしてこのＮｂ3Ｓｎ相は、機械的な歪に対して非常に敏感であり、僅か１％程度の歪量であっても、急激に超電導特性（特に、臨界電流密度Ｊｃ）が低下することになる。
【０００８】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が使用される場合、その殆ど全てが超電導マグネットの状態となるが、超電導マグネットではマグネットの磁界と通電電流によって、線材に対して常時電磁力が作用することになる。またＮｂ3Ｓｎ超電導線材では、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理が７００℃に近い高温で行われ、４．２Ｋ以下の極低温で通電されるため、Ｎｂ3Ｓｎ相には周囲に配置されるＣｕの熱収縮による力も作用することになって、歪を受けて特性が劣化することになる。
【０００９】
例えば、大電流を流す必要のある熱核融合実験炉（ＩＴＥＲ）や加速器用導体では、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を複数本撚り合わせて使用するため、線材にかかる応力は複雑化しており、近年は長さ方向に加えて半径方向（線材の全周半径方向）の歪みへの対応策が求められている。
【００１０】
こうした歪みへの対応策としては、超電導線材の強度を高めることが最も有効であるが、こうした技術として、例えば特許文献１、２のような技術も提案されている。これらの技術では、Ｎｂ基フィラメントの中央部に補強材（例えばＴａ等）を埋設した複合フィラメントとすることによって、歪みによる特性劣化を抑制するものである。
【００１１】
こうした技術では、超電導線材の強度を高める構成としては有効であるが、最終的に外径２〜１０μｍ程度にまで強加工されるＮｂ基フィラメント中に補強材を埋設するものであるため、補強材はより小さな外径となり、伸線加工の際に断線等の危険性が高くなることが懸念される。また通常のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の製造工程に、Ｎｂ基フィラメント中に補強材を埋設する工程を加える必要があり、コストの増大を招くという問題もある。
【特許文献１】特開２００１−２３６８３６号公報
【特許文献２】特開２００３―８６０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材における機械的強度の強化を図ると共に、超電導特性にも優れたブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材、およびこうした超電導線材を実現するための前駆体（超電導線材製造用前駆体）を加工上の問題を生じさせることなく簡便に得るための構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成することのできた本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体とは、
ブロンズ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、
（Ａ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に1本または複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置された超電導複合エレメントと、
（Ｂ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に1本または複数本のＴａまたはＴａ基合金フィラメントが配置された補強用複合エレメントと、
を夫々多数本束ねて集合体とすると共に、前記集合体の外周に拡散障壁層が配置され、更に該拡散障壁層の外周に安定化銅が配置された前駆体であって、
前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントは、前駆体の線材断面内に占める面積割合を２〜１５％とすると共に、線材の外径をＤとしたとき、補強用複合エレメントの存在位置が０．７Ｄ〜０．９Ｄの範囲内である点に要旨を有するものである。
【００１４】
本発明の上記Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体においては、その具体的な構成としては、（ａ）前記補強用複合エレメントは、前駆体線材の断面周方向に連続して全周に亘って配置されたものや、（ｂ）前記補強用複合エレメントは、前記超電導複合エレメントと、前記拡散障壁層の間の領域に配置されるもの、等が挙げられる。
【００１５】
前記超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメントは、断面外形状が同一の六角形状であるものが好ましい。また前記拡散障壁層は、Ｎｂ若しくはＮｂ基合金、またはＴａ若しくはＴａ基合金であるものが挙げられる。
【００１６】
一方、前記超電導複合エレメントや補強用複合エレメントの構成としては、（ａ）超電導複合エレメント内に配置されるＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントの断面積割合が、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜５０％であることや、（ｂ）前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントの断面積割合が、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜３００％であることが好ましい。
【００１７】
上記のような各種超電導線材製造用前駆体を用いて、拡散熱処理することによって希望する超電導特性（臨界電流密度Ｊｃおよび強度）を発揮するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては、ブロンズ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に構成される前駆体において、Ｎｂフィラメントが配置される部分の一部を補強用の金属部材によって、所定の面積割合となるように置き換えて配置する構成を採用することによって、良好な超電導特性を維持しつつ強度的にも十分な超電導線材を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の前駆体線材では、前記図１、２に示したような超電導線材前駆体を構成する際に、その構成素材となるＣｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合線材（図１、２の一次スタック材３）の一部を、補強材としてのＴａまたはＴａ基合金を配置したＣｕ−Ｓｎ／Ｔａ複合線材に置き換えて配置する構成を採用したので、前駆体を構成するときにＮｂ基フィラメントに補強材を埋設するような特別な作業をすることなく、比較的容易に前駆体を製造することができることになる。
【００２０】
ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造するときの最終熱処理（拡散熱処理）は、上述の如く６００〜７００℃付近で１００〜３００時間程度であるが、本発明で補強用複合エレメント内に配置する金属若しくは合金は、こうした熱処理によっても軟化の程度が少ないと共に（高融点金属）、加工性にも優れている必要がある。また、４．２Ｋの低温における機械的強度（例えば、０．２％耐力σ0.2）が十分に高いことも必要である。
【００２１】
こうした観点から、本発明で用いる金属または合金としては、体心立方構造の金属が最適であるという着想が得られた。この体心立方構造の金属では、低温脆性という現象が生じやすく、伸びが小さくなる（脆くなる）のであるが、引張強度は高いものである。更に、最終熱処理の条件において、Ｓｎとの反応が活発でないことも重要な要件となる。即ち、Ｓｎとの反応が活発であると、本来Ｎｂ3ＳnとなるべきＳｎが補強部材と結合してしまい、肝心のＮｂ3Ｓｎ生成量が低下してしまい、十分な超電導特性が得られないことになる。
【００２２】
本発明で用いる補強用複合エレメントでは、上記のような要求を満足する金属または合金として、ＴａまたはＴａ基合金を選び、こうした素材（ＴａまたはＴａ基合金フィラメント）を補強部材としてＣｕ−Ｓｎ基合金中に配置することによって構成されるものである。そしてこうした補強用複合エレメントを、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中にＮｂ基フィラメントを配置した超電導複合エレメント（図１、２に示した一次スタック材３に相当）の一部に置き換えて配置することによって、比較的簡易な構成にもかかわらず、希望する強度向上効果が発揮されることになる。
【００２３】
上記のような補強用複合エレメントを超電導複合エレメントの一部と置き換えて配置すると、超電導部（Ｎｂ3Ｓｎ相）の面積が減少してしまい、全断面積に対する臨界電流密度Ｊｃが低下することにもなる。こうしたことから、補強用複合エレメントの配置割合を大きくして高強度化を指向することにも限界がある。
【００２４】
ＴａまたはＴａ基合金フィラメントをＣｕ−Ｓｎ基合金内に配置した補強用複合エレメントを用いたときに、補強部材としてのＴａまたはＴａ基合金の断面積率（線材全体の断面積に対する補強部材の断面積割合：以下、「Ｔａ面積率」と呼ぶことがある）が０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃに与える影響を図３に示す。尚、０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃの測定方法や、超電導線材の作製条件については、後記実施例に示す通りである。
【００２５】
図３から明らかなように、Ｔａ面積率が増加するにつれて、強度（０．２％耐力σ0.2）が増大すると共に、臨界電流密度Ｊｃが低下する傾向を示すことが分かる。一般的なＮｂ3Ｓｎ超電導線材で実用的に必要とされる外部磁場１５Ｔ（テスラ）における臨界電流密度Ｊｃおよび４．２Ｋにおける０．２％耐力σ0.2は、夫々２００〜３５０Ａ／ｍｍ2、２００〜３００ＭＰａ程度であることから、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材でこれら両特性を満足させるためには、補強部材の面積率（Ｔａ面積率）は、２〜１５％程度にすれば良いことが分かる。この面積率の好ましい範囲は５〜１２％程度である。
【００２６】
本発明の前駆体では、前記図１、２に示したような一次スタック材３（超電導複合エレメント）と、上記のようにして構成される補強用複合エレメントとを多数本束ねて線材群（集合体）とし、これをＣｕまたはＣｕ合金製（例えばＣｕ−Ｓｎ製）パイプ内に挿入した後、縮径加工することによって、超電導前駆体としたものである。
【００２７】
本発明の前駆体の構成を、図面を用いて説明する。図４は、本発明の前駆体の構成例を示す概略説明図であり、その基本的な構成は前記図１に示した構成と類似し、対応する部分には同一の参照符号を付すことによって重複説明を避ける。
【００２８】
図４に示した前駆体では、前駆体線材の中央部に一次スタック材３（即ち、超電導複合エレメント）を束ねて線材群（集合体）とし、その外周に、複数本の補強用複合エレメント７が前駆体線材断面周方向に連続して全周に亘って配置されたものである。
【００２９】
線材に対する曲げ歪を考慮した場合、線材中心線から離れるにつれて歪量は大きなものとなる。前記図４に示した構成では、超電導複合エレメント（一次スタック材３）にかかる歪が大きくなる位置（即ち、超電導複合エレメントと、拡散障壁層の間の領域）に補強用複合エレメント（即ち、補強部材としてのＴａまたはＴａ基合金）を配置することによって、より曲げ歪に耐性の高い線材が実現できることになる。
【００３０】
本発明の前駆体においては、線材外周に拡散障壁層４や安定化銅６を配置する必要があるので、補強用複合エレメントの存在位置は、線材（前駆体）の外径をＤとしたとき、０．９Ｄ以下の範囲とする必要がある。また、上記の点を考慮すれば、存在位置の下限は０．７Ｄとする必要がある。即ち、補強用複合エレメントの存在位置を、上記０．７Ｄ〜０．９Ｄの範囲内とすることによって、半径方向の歪に対しても補強部材が、その内側にある超電導部を保護する役割を果たし、従来の超電導線材では得られない効果が発揮されることになる。尚、補強用複合エレメントの存在位置のより好ましい範囲は、０．７Ｄ〜０．８Ｄの範囲内である。
【００３１】
尚、補強用複合エレメントの存在位置は、線材周方向に断続的に配置することも可能であるが、周方向の均一な可能性や強度実現をも考慮すれば、前駆体線材断面周方向に連続して全周に亘って配置することが好ましい。
【００３２】
本発明の前駆体を構成するに当たっては、超電導複合エレメント（図１に示した一次スタック材３）と補強用複合エレメントは、断面外形状が同一の六角形状であることが好ましい。こうした構成を採用することによって、超電導複合エレメントと補強用複合エレメントを束ねて組み合わせる際に容易に行えることになる。またこれらのエレメント（超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメント）は、その表面がＣｕ−Ｓｎ合金によって被覆された構成となるが、これらのＣｕ−Ｓｎ合金部分は、組合わせる際に相互に且つ強固に接合されることになる。
【００３３】
上記のように超電導複合エレメントと補強用複合エレメントは、断面外形状が同一の六角形状であることが好ましいのであるが、超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメントの具体的な構造は、ＮｂまたはＮｂ基合金を配置するか、ＴａまたはＴａ基合金を配置するかを除いて、必ずしも内部の形状（Ｎｂ基合金またはＴａ基合金の埋設位置）まで同じである必要はない。例えば、ＮｂまたはＮｂ基合金の本数と、ＴａまたはＴａ基合金の本数が異なっても良いことは勿論である。但し、Ｃｕ−Ｓｎへの加工を考慮した場合、同一の加工を行えば良いという観点からして、全体として（断面外部および内部の形状）が同一であることが好ましい。また上記同一とは、厳密に同一である必要もなく、設計上の誤差（例えば、Ｃｕ製パイプの組み込みの段階で±１ｍｍ程度）は許容できるものである。
【００３４】
超電導複合エレメントの具体的な構造として、ＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントの断面積割合は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜５０％であることが好ましい。この断面積割合が３０％未満となるとＮｂ部が少なくなって十分なＮｂ3Ｓｎ層が得られず、５０％を超えるとＳｎが不足してＮｂ芯の大半が未反応で残存する。
【００３５】
一方、補強用複合エレメントの具体的な構造として、ＴａまたはＴａ基合金フィラメントの断面積割合は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜３００％であることが好ましい。この断面積割合が３０％未満となると十分な補強効果が得られず、３００％を超えると超電導複合エレメントとの密着性が悪化する。尚、この断面積割合の好ましい上限は２００％であり、より好ましくは１００％以下とするのが良い。
【００３６】
本発明の前駆体では、上記のような超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメントを複数本束ねて集合体とし、その外周（厳密にはＣｕ―Ｓｎ合金またはＣｕ基合金の外周）に拡散障壁層および安定化銅が配置されるものとなるが（前記図４参照）、このとき配置される拡散障壁層の素材としては、従来から用いられているＮｂ若しくはＮｂ基合金、またはＴａ若しくはＴａ基合金を採用すれば良い。また、本発明で用いる超電導複合エレメントに配置されるＮｂ基合金としては、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ等の元素を１％程度まで含んだものも採用できる。更に、本発明で用いる補強用複合エレメントに配置されるＴａ基合金としては、Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ等の元素を１％程度まで含んだものも採用できる。
【００３７】
上記のようにして構成される超電導線材前駆体を、拡散熱処理（例えば６００〜７００℃で１００〜３００時間程度）を施すことによって、良好な超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ）を発揮し、適切な強度を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を得ることができる。
【００３８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
直径：６０ｍｍのＣｕ−１５％Ｓｎ合金棒の中心（軸心）と、その周囲に直径１２ｍｍの孔を７箇所開け、その孔と同サイズのＮｂ棒を孔に挿入し（Ｎｂ棒の面積割合４１％）、Ｃｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合押し出しビレットを作製した。このビレットを、押し出し法によって直径２０ｍｍに押し出し、更に引き抜き加工によって伸線して六角断面形状の超電導複合エレメント（一次スタック材：六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４０】
一方、直径：６０ｍｍのＣｕ−１５％Ｓｎ合金棒の中心（軸心）と、その周囲に直径１２ｍｍの孔を７箇所開け、その孔と同サイズのＴａ棒を孔に挿入し（Ｔａ棒の面積割合４１％）、Ｃｕ−Ｓｎ／Ｔａ複合押し出しビレットを作製した。このビレットを、押し出し法によって直径２０ｍｍに押し出し、更に引き抜き加工によって伸線して六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４１】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント６４９本と補強用複合エレメント８４本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用フィラメントの線材横断面内における存在位置は、０．７Ｄ〜０．７１Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は２．５％である。
【００４２】
（実施例２）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４３】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント５４７本と補強用複合エレメント１８６本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．７０Ｄ〜０．７４Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は５．５％である。
【００４４】
（実施例３）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４５】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント８１７本と補強用複合フィラメント２８２本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．８３Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は８．５％である。
【００４６】
（実施例４）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４７】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント７２１本と補強用複合エレメント３７８本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．７８Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は１１．４％である。
【００４８】
（実施例５）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４９】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント６３１本と補強用複合エレメント４６８本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．７５Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は１４．１％である。
【００５０】
（比較例１）
直径：６０ｍｍのＣｕ−１５％Ｓｎ合金棒の中心（軸心）と、その周囲に直径１２ｍｍの孔を７箇所開け、その孔と同サイズのＮｂ棒を孔に挿入し（Ｎｂ棒の面積割合４１％）、Ｃｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合押し出しビレットを作製した。このビレットを、押し出し法によって直径２０ｍｍに押し出し、更に引き抜き加工によって伸線して六角断面形状の超電導複合エレメント（一次スタック材：六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５１】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント７３３本を束ね（補強用複合エレメントなし）、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。
【００５２】
（比較例２）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５３】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント６４２本と補強用複合エレメント９１本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０Ｄ〜０．２８Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は２．７％である。
【００５４】
（比較例３）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５５】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント６０７本と補強用複合エレメント１２６本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．５０Ｄ〜０．６１Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は３．７％である。
【００５６】
（比較例４）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５７】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント１０４５本と補強用複合エレメント５４本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．８５Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は１．６％である。
【００５８】
（比較例５）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５９】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント５４７本と補強用複合エレメント５５２本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．６８Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は１６．５％である。
【００６０】
上記実施例１〜５、比較例１〜５で得られた複合線材を、直径：０．８ｍｍとなるまで加工し、真空中で６５０℃、１００時間の熱処理（拡散熱処理）を施した後、下記の方法によって歪み付与前後の臨界電流密度Ｊｃを測定した。また、同サンプルについて、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中に浸漬した状態で、引張試験を実施して０．２％耐力（σ0.2）を測定した。尚、臨界電流密度Ｊｃは２００Ａ／ｍｍ2以上であることが必要であり、０．２％耐力（σ0.2）は２００ＭＰａ以上であることが必要である。
【００６１】
［臨界電流密度Ｊｃの測定］
液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１５Ｔの外部磁場の下、試料（超電導線材）に通電し、４端子法によって発生電圧を測定し、この値が０．１μＶ／ｃｍの電界が発生した電流値（臨界電流Ｉｃ）を測定し、この電流値を、線材断面中の非銅部断面積で除し、非銅部の臨界電流密度Ｊｃを求めた（歪み付与前の臨界電流密度Ｊｃ）。このとき、超電導線材に０．４％の歪みを与えた後の臨界電流密度Ｊｃについても測定した。尚、歪みの付与に当たっては、曲げ歪みが０．４％となるように準備した凹型形状（曲率半径：１００ｍｍ）の治具に線材を乗せ、更に線材を凸型形状（曲率半径：１０１ｍｍ）の治具で押さえることで与えた。
【００６２】
その結果（臨界電流密度Ｊｃ、０．２％耐力）を、前駆体作製時のビレット外径、内径、超電導複合エレメントの本数、補強用複合エレメントの本数、補強用複合エレメントの存在領域、Ｔａ面積率、最終線径等と共に、下記表１に示す。
【００６３】
【表１】
【００６４】
この結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する実施例１〜５のものでは、良好な臨界電流密度Ｊｃが良好な値（２００Ａ／ｍｍ2以上）が得られている共に、０．２％耐力（σ0.2）も２００ＭＰａ以上を適切に確保していることが分かる。
【００６５】
これに対し、本発明で規定する要件のいずれかを欠く比較例１〜５のものでは、臨界電流密度Ｊｃ（歪み付与前または後）および０．２耐力（σ0.2）の少なくともいずれかが、目標値を満足しないものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】ブロンズ法に適用される超電導線材製造用前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。
【図２】ブロンズ法に適用される超電導線材製造用前駆体の他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】補強部材としてのＴａまたはＴａ基合金の断面積率が０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃに与える影響を示すグラフである。
【図４】本発明の前駆体の構成例を示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス
２ ＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材
３ 一次スタック材（超電導複合エレメント）
４ 拡散障壁層
５ ＣｕまたはＣｕ基合金
６ 安定化銅
７ 補強用複合エレメント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材をブロンズ法によって製造するための前駆体（超電導線材前駆体）、およびこうした前駆体によって製造されるＮｂ3Ｓｎ超電導線材に関するものであり、殊に超電導マグネットの素材として有用なＮｂ3Ｓｎ超電導線材およびその前駆体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超電導線材が実用化されている分野のうち、高分解能核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析装置や核融合装置、加速器等に用いられる超電導マグネットがある。これらの超電導マグネットでは、ＮＭＲ信号の分解性能向上やデータ習得の短時間化の要求から高磁場化が求められている。超電導マグネットの高磁場化・コンパクト化に対しては、超電導マグネットに使用する超電導線材の高性能化が必須となっており、特に超電導マグネットの最内層部に使用される超電導コイルの高性能化が求められている。
【０００３】
このような超電導マグネットに使用される金属系の超電導線材としては、Ｎｂ3Ｓｎ線材が実用化されており、このＮｂ3Ｓｎ超電導線材の製造には主にブロンズ法が採用されている。このブロンズ法では、図１（Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材製造用前駆体の模式図）に示すように、Ｃｕ−Ｓｎ基合金（ブロンズ）マトリックス１中に１本または複数本（図では７本）のＮｂ若しくはＮｂ基合金（例えば、Ｎｂ−Ｔａ合金）からなる芯材２を埋設して一次スタック材３が構成される。尚、この一次スタック材３は、図１に示すように断面形状が六角形になるようにされる。
【０００４】
上記一次スタック材３を、伸線や押し出し等の減面加工することによって上記芯材２を細径化してフィラメント（以下、「Ｎｂ基フィラメント」と呼ぶことがある）とし、このＮｂ基フィラメントとブロンズとからなる一次スタック材３を複数束ねて線材群となし、これを拡散障壁層４としてのＮｂシートやＴａシートを巻いたパイプ形状のＣｕまたはＣｕ基合金５内に挿入し、或いは一次スタック材３を複数束ねた線材群にＮｂシートやＴａシートを直接巻き、その外周に安定化銅６を配置することによって二次多芯ビレットを組み立てる。尚、パイプ形状のＣｕまたはＣｕ基合金５は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金で構成されることもある。
【０００５】
上記のような二次多芯ビレットを静水圧押し出しし、続いて引き抜き加工等による減面加工を施し、図１の断面形状を維持したまま保持された前駆体や、図２に示すような断面矩形状の平角線材の超電導線材製造用前駆体（以下、単に「前駆体」と呼ぶことがある）に加工される。
【０００６】
上記のような前駆体（伸線加工後の線材）を６００〜７００℃付近の温度で１００〜３００時間程度の拡散熱処理（Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理）を施すことにより、Ｎｂ基フィラメントとブロンズマトリックスの界面にＮｂ3Ｓｎ化合物層を生成させて超電導線材とする。
【０００７】
超電導電流は、前駆体線材を作製した後に前記のような拡散熱処理を施すことによって生成させたＮｂ3Ｓｎ相を流れることになる。そしてこのＮｂ3Ｓｎ相は、機械的な歪に対して非常に敏感であり、僅か１％程度の歪量であっても、急激に超電導特性（特に、臨界電流密度Ｊｃ）が低下することになる。
【０００８】
Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材が使用される場合、その殆ど全てが超電導マグネットの状態となるが、超電導マグネットではマグネットの磁界と通電電流によって、線材に対して常時電磁力が作用することになる。またＮｂ3Ｓｎ超電導線材では、Ｎｂ3Ｓｎ生成熱処理が７００℃に近い高温で行われ、４．２Ｋ以下の極低温で通電されるため、Ｎｂ3Ｓｎ相には周囲に配置されるＣｕの熱収縮による力も作用することになって、歪を受けて特性が劣化することになる。
【０００９】
例えば、大電流を流す必要のある熱核融合実験炉（ＩＴＥＲ）や加速器用導体では、Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を複数本撚り合わせて使用するため、線材にかかる応力は複雑化しており、近年は長さ方向に加えて半径方向（線材の全周半径方向）の歪みへの対応策が求められている。
【００１０】
こうした歪みへの対応策としては、超電導線材の強度を高めることが最も有効であるが、こうした技術として、例えば特許文献１、２のような技術も提案されている。これらの技術では、Ｎｂ基フィラメントの中央部に補強材（例えばＴａ等）を埋設した複合フィラメントとすることによって、歪みによる特性劣化を抑制するものである。
【００１１】
こうした技術では、超電導線材の強度を高める構成としては有効であるが、最終的に外径２〜１０μｍ程度にまで強加工されるＮｂ基フィラメント中に補強材を埋設するものであるため、補強材はより小さな外径となり、伸線加工の際に断線等の危険性が高くなることが懸念される。また通常のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材の製造工程に、Ｎｂ基フィラメント中に補強材を埋設する工程を加える必要があり、コストの増大を招くという問題もある。
【特許文献１】特開２００１−２３６８３６号公報
【特許文献２】特開２００３―８６０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材における機械的強度の強化を図ると共に、超電導特性にも優れたブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材、およびこうした超電導線材を実現するための前駆体（超電導線材製造用前駆体）を加工上の問題を生じさせることなく簡便に得るための構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成することのできた本発明のＮｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体とは、
ブロンズ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、
（Ａ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に1本または複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置された超電導複合エレメントと、
（Ｂ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に1本または複数本のＴａまたはＴａ基合金フィラメントが配置された補強用複合エレメントと、
を夫々多数本束ねて集合体とすると共に、前記集合体の外周に拡散障壁層が配置され、更に該拡散障壁層の外周に安定化銅が配置された前駆体であって、
前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントは、前駆体の線材断面内に占める面積割合を２〜１５％とすると共に、線材の外径をＤとしたとき、補強用複合エレメントの存在位置が０．７Ｄ〜０．９Ｄの範囲内である点に要旨を有するものである。
【００１４】
本発明の上記Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体においては、その具体的な構成としては、（ａ）前記補強用複合エレメントは、前駆体線材の断面周方向に連続して全周に亘って配置されたものや、（ｂ）前記補強用複合エレメントは、前記超電導複合エレメントと、前記拡散障壁層の間の領域に配置されるもの、等が挙げられる。
【００１５】
前記超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメントは、断面外形状が同一の六角形状であるものが好ましい。また前記拡散障壁層は、Ｎｂ若しくはＮｂ基合金、またはＴａ若しくはＴａ基合金であるものが挙げられる。
【００１６】
一方、前記超電導複合エレメントや補強用複合エレメントの構成としては、（ａ）超電導複合エレメント内に配置されるＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントの断面積割合が、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜５０％であることや、（ｂ）前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントの断面積割合が、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜３００％であることが好ましい。
【００１７】
上記のような各種超電導線材製造用前駆体を用いて、拡散熱処理することによって希望する超電導特性（臨界電流密度Ｊｃおよび強度）を発揮するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては、ブロンズ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に構成される前駆体において、Ｎｂフィラメントが配置される部分の一部を補強用の金属部材によって、所定の面積割合となるように置き換えて配置する構成を採用することによって、良好な超電導特性を維持しつつ強度的にも十分な超電導線材を得ることができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の前駆体線材では、前記図１、２に示したような超電導線材前駆体を構成する際に、その構成素材となるＣｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合線材（図１、２の一次スタック材３）の一部を、補強材としてのＴａまたはＴａ基合金を配置したＣｕ−Ｓｎ／Ｔａ複合線材に置き換えて配置する構成を採用したので、前駆体を構成するときにＮｂ基フィラメントに補強材を埋設するような特別な作業をすることなく、比較的容易に前駆体を製造することができることになる。
【００２０】
ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材を製造するときの最終熱処理（拡散熱処理）は、上述の如く６００〜７００℃付近で１００〜３００時間程度であるが、本発明で補強用複合エレメント内に配置する金属若しくは合金は、こうした熱処理によっても軟化の程度が少ないと共に（高融点金属）、加工性にも優れている必要がある。また、４．２Ｋの低温における機械的強度（例えば、０．２％耐力σ0.2）が十分に高いことも必要である。
【００２１】
こうした観点から、本発明で用いる金属または合金としては、体心立方構造の金属が最適であるという着想が得られた。この体心立方構造の金属では、低温脆性という現象が生じやすく、伸びが小さくなる（脆くなる）のであるが、引張強度は高いものである。更に、最終熱処理の条件において、Ｓｎとの反応が活発でないことも重要な要件となる。即ち、Ｓｎとの反応が活発であると、本来Ｎｂ3ＳnとなるべきＳｎが補強部材と結合してしまい、肝心のＮｂ3Ｓｎ生成量が低下してしまい、十分な超電導特性が得られないことになる。
【００２２】
本発明で用いる補強用複合エレメントでは、上記のような要求を満足する金属または合金として、ＴａまたはＴａ基合金を選び、こうした素材（ＴａまたはＴａ基合金フィラメント）を補強部材としてＣｕ−Ｓｎ基合金中に配置することによって構成されるものである。そしてこうした補強用複合エレメントを、Ｃｕ−Ｓｎ基合金中にＮｂ基フィラメントを配置した超電導複合エレメント（図１、２に示した一次スタック材３に相当）の一部に置き換えて配置することによって、比較的簡易な構成にもかかわらず、希望する強度向上効果が発揮されることになる。
【００２３】
上記のような補強用複合エレメントを超電導複合エレメントの一部と置き換えて配置すると、超電導部（Ｎｂ3Ｓｎ相）の面積が減少してしまい、全断面積に対する臨界電流密度Ｊｃが低下することにもなる。こうしたことから、補強用複合エレメントの配置割合を大きくして高強度化を指向することにも限界がある。
【００２４】
ＴａまたはＴａ基合金フィラメントをＣｕ−Ｓｎ基合金内に配置した補強用複合エレメントを用いたときに、補強部材としてのＴａまたはＴａ基合金の断面積率（線材全体の断面積に対する補強部材の断面積割合：以下、「Ｔａ面積率」と呼ぶことがある）が０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃに与える影響を図３に示す。尚、０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃの測定方法や、超電導線材の作製条件については、後記実施例に示す通りである。
【００２５】
図３から明らかなように、Ｔａ面積率が増加するにつれて、強度（０．２％耐力σ0.2）が増大すると共に、臨界電流密度Ｊｃが低下する傾向を示すことが分かる。一般的なＮｂ3Ｓｎ超電導線材で実用的に必要とされる外部磁場１５Ｔ（テスラ）における臨界電流密度Ｊｃおよび４．２Ｋにおける０．２％耐力σ0.2は、夫々２００〜３５０Ａ／ｍｍ2、２００〜３００ＭＰａ程度であることから、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材でこれら両特性を満足させるためには、補強部材の面積率（Ｔａ面積率）は、２〜１５％程度にすれば良いことが分かる。この面積率の好ましい範囲は５〜１２％程度である。
【００２６】
本発明の前駆体では、前記図１、２に示したような一次スタック材３（超電導複合エレメント）と、上記のようにして構成される補強用複合エレメントとを多数本束ねて線材群（集合体）とし、これをＣｕまたはＣｕ合金製（例えばＣｕ−Ｓｎ製）パイプ内に挿入した後、縮径加工することによって、超電導前駆体としたものである。
【００２７】
本発明の前駆体の構成を、図面を用いて説明する。図４は、本発明の前駆体の構成例を示す概略説明図であり、その基本的な構成は前記図１に示した構成と類似し、対応する部分には同一の参照符号を付すことによって重複説明を避ける。
【００２８】
図４に示した前駆体では、前駆体線材の中央部に一次スタック材３（即ち、超電導複合エレメント）を束ねて線材群（集合体）とし、その外周に、複数本の補強用複合エレメント７が前駆体線材断面周方向に連続して全周に亘って配置されたものである。
【００２９】
線材に対する曲げ歪を考慮した場合、線材中心線から離れるにつれて歪量は大きなものとなる。前記図４に示した構成では、超電導複合エレメント（一次スタック材３）にかかる歪が大きくなる位置（即ち、超電導複合エレメントと、拡散障壁層の間の領域）に補強用複合エレメント（即ち、補強部材としてのＴａまたはＴａ基合金）を配置することによって、より曲げ歪に耐性の高い線材が実現できることになる。
【００３０】
本発明の前駆体においては、線材外周に拡散障壁層４や安定化銅６を配置する必要があるので、補強用複合エレメントの存在位置は、線材（前駆体）の外径をＤとしたとき、０．９Ｄ以下の範囲とする必要がある。また、上記の点を考慮すれば、存在位置の下限は０．７Ｄとする必要がある。即ち、補強用複合エレメントの存在位置を、上記０．７Ｄ〜０．９Ｄの範囲内とすることによって、半径方向の歪に対しても補強部材が、その内側にある超電導部を保護する役割を果たし、従来の超電導線材では得られない効果が発揮されることになる。尚、補強用複合エレメントの存在位置のより好ましい範囲は、０．７Ｄ〜０．８Ｄの範囲内である。
【００３１】
尚、補強用複合エレメントの存在位置は、線材周方向に断続的に配置することも可能であるが、周方向の均一な可能性や強度実現をも考慮すれば、前駆体線材断面周方向に連続して全周に亘って配置することが好ましい。
【００３２】
本発明の前駆体を構成するに当たっては、超電導複合エレメント（図１に示した一次スタック材３）と補強用複合エレメントは、断面外形状が同一の六角形状であることが好ましい。こうした構成を採用することによって、超電導複合エレメントと補強用複合エレメントを束ねて組み合わせる際に容易に行えることになる。またこれらのエレメント（超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメント）は、その表面がＣｕ−Ｓｎ合金によって被覆された構成となるが、これらのＣｕ−Ｓｎ合金部分は、組合わせる際に相互に且つ強固に接合されることになる。
【００３３】
上記のように超電導複合エレメントと補強用複合エレメントは、断面外形状が同一の六角形状であることが好ましいのであるが、超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメントの具体的な構造は、ＮｂまたはＮｂ基合金を配置するか、ＴａまたはＴａ基合金を配置するかを除いて、必ずしも内部の形状（Ｎｂ基合金またはＴａ基合金の埋設位置）まで同じである必要はない。例えば、ＮｂまたはＮｂ基合金の本数と、ＴａまたはＴａ基合金の本数が異なっても良いことは勿論である。但し、Ｃｕ−Ｓｎへの加工を考慮した場合、同一の加工を行えば良いという観点からして、全体として（断面外部および内部の形状）が同一であることが好ましい。また上記同一とは、厳密に同一である必要もなく、設計上の誤差（例えば、Ｃｕ製パイプの組み込みの段階で±１ｍｍ程度）は許容できるものである。
【００３４】
超電導複合エレメントの具体的な構造として、ＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントの断面積割合は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜５０％であることが好ましい。この断面積割合が３０％未満となるとＮｂ部が少なくなって十分なＮｂ3Ｓｎ層が得られず、５０％を超えるとＳｎが不足してＮｂ芯の大半が未反応で残存する。
【００３５】
一方、補強用複合エレメントの具体的な構造として、ＴａまたはＴａ基合金フィラメントの断面積割合は、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜３００％であることが好ましい。この断面積割合が３０％未満となると十分な補強効果が得られず、３００％を超えると超電導複合エレメントとの密着性が悪化する。尚、この断面積割合の好ましい上限は２００％であり、より好ましくは１００％以下とするのが良い。
【００３６】
本発明の前駆体では、上記のような超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメントを複数本束ねて集合体とし、その外周（厳密にはＣｕ―Ｓｎ合金またはＣｕ基合金の外周）に拡散障壁層および安定化銅が配置されるものとなるが（前記図４参照）、このとき配置される拡散障壁層の素材としては、従来から用いられているＮｂ若しくはＮｂ基合金、またはＴａ若しくはＴａ基合金を採用すれば良い。また、本発明で用いる超電導複合エレメントに配置されるＮｂ基合金としては、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ等の元素を１％程度まで含んだものも採用できる。更に、本発明で用いる補強用複合エレメントに配置されるＴａ基合金としては、Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ等の元素を１％程度まで含んだものも採用できる。
【００３７】
上記のようにして構成される超電導線材前駆体を、拡散熱処理（例えば６００〜７００℃で１００〜３００時間程度）を施すことによって、良好な超電導特性（臨界電流密度Ｊｃ）を発揮し、適切な強度を有するＮｂ3Ｓｎ超電導線材を得ることができる。
【００３８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
直径：６０ｍｍのＣｕ−１５％Ｓｎ合金棒の中心（軸心）と、その周囲に直径１２ｍｍの孔を７箇所開け、その孔と同サイズのＮｂ棒を孔に挿入し（Ｎｂ棒の面積割合４１％）、Ｃｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合押し出しビレットを作製した。このビレットを、押し出し法によって直径２０ｍｍに押し出し、更に引き抜き加工によって伸線して六角断面形状の超電導複合エレメント（一次スタック材：六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４０】
一方、直径：６０ｍｍのＣｕ−１５％Ｓｎ合金棒の中心（軸心）と、その周囲に直径１２ｍｍの孔を７箇所開け、その孔と同サイズのＴａ棒を孔に挿入し（Ｔａ棒の面積割合４１％）、Ｃｕ−Ｓｎ／Ｔａ複合押し出しビレットを作製した。このビレットを、押し出し法によって直径２０ｍｍに押し出し、更に引き抜き加工によって伸線して六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４１】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント６４９本と補強用複合エレメント８４本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用フィラメントの線材横断面内における存在位置は、０．７Ｄ〜０．７１Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は２．５％である。
【００４２】
（実施例２）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４３】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント５４７本と補強用複合エレメント１８６本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．７０Ｄ〜０．７４Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は５．５％である。
【００４４】
（実施例３）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４５】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント８１７本と補強用複合フィラメント２８２本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．８３Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は８．５％である。
【００４６】
（実施例４）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４７】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント７２１本と補強用複合エレメント３７８本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．７８Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は１１．４％である。
【００４８】
（実施例５）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００４９】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント６３１本と補強用複合エレメント４６８本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．７５Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は１４．１％である。
【００５０】
（比較例１）
直径：６０ｍｍのＣｕ−１５％Ｓｎ合金棒の中心（軸心）と、その周囲に直径１２ｍｍの孔を７箇所開け、その孔と同サイズのＮｂ棒を孔に挿入し（Ｎｂ棒の面積割合４１％）、Ｃｕ−Ｓｎ／Ｎｂ複合押し出しビレットを作製した。このビレットを、押し出し法によって直径２０ｍｍに押し出し、更に引き抜き加工によって伸線して六角断面形状の超電導複合エレメント（一次スタック材：六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５１】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント７３３本を束ね（補強用複合エレメントなし）、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。
【００５２】
（比較例２）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５３】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント６４２本と補強用複合エレメント９１本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０Ｄ〜０．２８Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は２．７％である。
【００５４】
（比較例３）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５５】
外径：６０ｍｍ、内径：４４ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント６０７本と補強用複合エレメント１２６本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．５０Ｄ〜０．６１Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は３．７％である。
【００５６】
（比較例４）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５７】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント１０４５本と補強用複合エレメント５４本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．８５Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は１．６％である。
【００５８】
（比較例５）
実施例１と同様にして、六角断面形状の超電導複合エレメントと、六角断面形状の補強用複合エレメント（六角対辺：１．５ｍｍ）を作製した。
【００５９】
外径：６０ｍｍ、内径：５４．５ｍｍのＣｕパイプ内に、超電導複合エレメント５４７本と補強用複合エレメント５５２本を束ね、その外周に拡散障壁層として厚さ：０．２ｍｍのＮｂシートを２層巻きつけたものを挿入し、押出しビレットを作製した。このビレットを静水圧押出し法により直径：２０ｍｍに押し出し、これを引き抜き加工により伸線し、ブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体を作製した。このとき、補強用複合エレメントの線材横断面内における存在位置は、０．６８Ｄ〜０．９０Ｄの領域であり、線材全断面積に対するＴａの断面積割合は１６．５％である。
【００６０】
上記実施例１〜５、比較例１〜５で得られた複合線材を、直径：０．８ｍｍとなるまで加工し、真空中で６５０℃、１００時間の熱処理（拡散熱処理）を施した後、下記の方法によって歪み付与前後の臨界電流密度Ｊｃを測定した。また、同サンプルについて、液体ヘリウム（４．２Ｋ）中に浸漬した状態で、引張試験を実施して０．２％耐力（σ0.2）を測定した。尚、臨界電流密度Ｊｃは２００Ａ／ｍｍ2以上であることが必要であり、０．２％耐力（σ0.2）は２００ＭＰａ以上であることが必要である。
【００６１】
［臨界電流密度Ｊｃの測定］
液体ヘリウム中（温度４．２Ｋ）で、１５Ｔの外部磁場の下、試料（超電導線材）に通電し、４端子法によって発生電圧を測定し、この値が０．１μＶ／ｃｍの電界が発生した電流値（臨界電流Ｉｃ）を測定し、この電流値を、線材断面中の非銅部断面積で除し、非銅部の臨界電流密度Ｊｃを求めた（歪み付与前の臨界電流密度Ｊｃ）。このとき、超電導線材に０．４％の歪みを与えた後の臨界電流密度Ｊｃについても測定した。尚、歪みの付与に当たっては、曲げ歪みが０．４％となるように準備した凹型形状（曲率半径：１００ｍｍ）の治具に線材を乗せ、更に線材を凸型形状（曲率半径：１０１ｍｍ）の治具で押さえることで与えた。
【００６２】
その結果（臨界電流密度Ｊｃ、０．２％耐力）を、前駆体作製時のビレット外径、内径、超電導複合エレメントの本数、補強用複合エレメントの本数、補強用複合エレメントの存在領域、Ｔａ面積率、最終線径等と共に、下記表１に示す。
【００６３】
【表１】
【００６４】
この結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満足する実施例１〜５のものでは、良好な臨界電流密度Ｊｃが良好な値（２００Ａ／ｍｍ2以上）が得られている共に、０．２％耐力（σ0.2）も２００ＭＰａ以上を適切に確保していることが分かる。
【００６５】
これに対し、本発明で規定する要件のいずれかを欠く比較例１〜５のものでは、臨界電流密度Ｊｃ（歪み付与前または後）および０．２耐力（σ0.2）の少なくともいずれかが、目標値を満足しないものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】ブロンズ法に適用される超電導線材製造用前駆体の構成例を模式的に示した断面図である。
【図２】ブロンズ法に適用される超電導線材製造用前駆体の他の構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】補強部材としてのＴａまたはＴａ基合金の断面積率が０．２％耐力や臨界電流密度Ｊｃに与える影響を示すグラフである。
【図４】本発明の前駆体の構成例を示す概略説明図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ Ｃｕ−Ｓｎ基合金マトリックス
２ ＮｂまたはＮｂ基合金からなる芯材
３ 一次スタック材（超電導複合エレメント）
４ 拡散障壁層
５ ＣｕまたはＣｕ基合金
６ 安定化銅
７ 補強用複合エレメント
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブロンズ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、
（Ａ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に1本または複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置された超電導複合エレメントと、
（Ｂ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に1本または複数本のＴａまたはＴａ基合金フィラメントが配置された補強用複合エレメントと、
を夫々多数本束ねて集合体とすると共に、前記集合体の外周に拡散障壁層が配置され、更に該拡散障壁層の外周に安定化銅が配置された前駆体であって、
前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントは、前駆体の線材断面内に占める面積割合を２〜１５％とすると共に、線材の外径をＤとしたとき、補強用複合エレメントの存在位置が０．７Ｄ〜０．９Ｄの範囲内であることを特徴とするブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項２】
前記補強用複合エレメントは、前駆体線材の断面周方向に連続して全周に亘って配置されたものである請求項１に記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項３】
前記補強用複合エレメントは、前記超電導複合エレメントと、前記拡散障壁層の間の領域に配置されるものである請求項１または２に記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項４】
前記超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメントは、断面外形状が同一の六角形状である請求項１〜３のいずれかに記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項５】
前記超電導複合エレメント内に配置されるＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントの断面積割合が、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜５０％である請求項１〜４のいずれかに記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項６】
前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントの断面積割合が、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜３００％である請求項１〜５のいずれかに記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項７】
前記拡散障壁層は、Ｎｂ若しくはＮｂ基合金、またはＴａ若しくはＴａ基合金である請求項１〜６のいずれかに記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の超電導線材前駆体を、拡散熱処理することによってＮｂ3Ｓｎ超電導相を形成したものであるブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材。
【請求項１】
ブロンズ法によってＮｂ3Ｓｎ超電導線材を製造する際に用いる超電導線材前駆体において、
（Ａ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に1本または複数本のＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントが配置された超電導複合エレメントと、
（Ｂ）Ｃｕ−Ｓｎ基合金中に1本または複数本のＴａまたはＴａ基合金フィラメントが配置された補強用複合エレメントと、
を夫々多数本束ねて集合体とすると共に、前記集合体の外周に拡散障壁層が配置され、更に該拡散障壁層の外周に安定化銅が配置された前駆体であって、
前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントは、前駆体の線材断面内に占める面積割合を２〜１５％とすると共に、線材の外径をＤとしたとき、補強用複合エレメントの存在位置が０．７Ｄ〜０．９Ｄの範囲内であることを特徴とするブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項２】
前記補強用複合エレメントは、前駆体線材の断面周方向に連続して全周に亘って配置されたものである請求項１に記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項３】
前記補強用複合エレメントは、前記超電導複合エレメントと、前記拡散障壁層の間の領域に配置されるものである請求項１または２に記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項４】
前記超電導複合エレメントおよび補強用複合エレメントは、断面外形状が同一の六角形状である請求項１〜３のいずれかに記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項５】
前記超電導複合エレメント内に配置されるＮｂまたはＮｂ基合金フィラメントの断面積割合が、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜５０％である請求項１〜４のいずれかに記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項６】
前記補強用複合エレメント内に配置されるＴａまたはＴａ基合金フィラメントの断面積割合が、Ｃｕ−Ｓｎ基合金の断面積に対して３０〜３００％である請求項１〜５のいずれかに記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項７】
前記拡散障壁層は、Ｎｂ若しくはＮｂ基合金、またはＴａ若しくはＴａ基合金である請求項１〜６のいずれかに記載のブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材前駆体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の超電導線材前駆体を、拡散熱処理することによってＮｂ3Ｓｎ超電導相を形成したものであるブロンズ法Ｎｂ3Ｓｎ超電導線材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−５９６５２（Ｐ２００９−５９６５２Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２７６７２（Ｐ２００７−２２７６７２）
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月３日（２００７．９．３）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（５０２１４７４６５）ジャパンスーパーコンダクタテクノロジー株式会社 (56)
【Ｆターム（参考）】
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