説明

超電導線材の製造方法

【課題】 高いJc特性と安定性を有し、特に、長尺線材化に適したNbSn超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、Cu基金属マトリックス中にSn基金属コアを埋設した複数のSnモジュールと、Cu基金属マトリックス中にNb基金属フィラメントを埋設した複数のNbモジュールとを準備する工程と、NbモジュールがSnモジュールの周囲を囲むように、NbモジュールとSnモジュールとを束ねて集合体とする工程と、内側に拡散バリヤである管状のTa金属またはNb基金属を有するCu基金属の管材に、集合体を挿入して複合体とする工程と、複合体を伸線加工する工程と、複合体に熱処理を行う工程とを含むNbSn超電導線材の製造方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超電導線材の製造方法に関し、特に、NbSn超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
NbSn超電導線材では、安定化のために、Cu等の抵抗率の小さな金属マトリックス中に、直径が数10μm以下の超電導フィラメントを多数埋設された構造が必要である。かかる構造は、極細多芯線と呼ばれる。
従来のNbSn超電導線材の製造方法では、まず、CuとNbからなるCuマトリックスNb多芯複合体(セグメント)と、このセグメントと同径のSn線もしくはSn合金線とを複数本作製する。次に、セグメントがSn線もしくはSn合金線のまわりに配置されるようにそれらを束ね、周りをNbシ−トで覆ってCu管に挿入する。続いて、引伸加工して線材化した後、熱処理を行う。これにより、Cuマトリックス中にSnが拡散し、セグメント中のNbフィラメントの周りにNbSnが生成され、極細多芯線であるNbSn超電導線材が得られる(例えば、特許文献1)。
【特許文献1】特開平09−167531号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、かかるNbSn超電導線材の製造方法では、セグメントとSn線もしくはSn合金線との硬度差が大きく、引伸加工性が極めて悪かった。このため、引伸加工中に断線を生じ、長尺線材を得ることが非常に難しいという問題があった。
【0004】
これに対して、発明者らは、例えば、Sn線もしくはSn合金線をCu管で覆い、複合化することで引伸加工性が向上し、長尺線材を得ることできることを見出し、本発明を完成した。
【0005】
即ち、本発明は、高い臨界電流密度Jc特性と安定性を有し、特に、長尺線材化に適したNbSn超電導線材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、Cu基金属マトリックス中にSn基金属コアを埋設した複数のSnモジュールと、Cu基金属マトリックス中にNb基金属フィラメントを埋設した複数のNbモジュールとを準備する工程と、NbモジュールがSnモジュールの周囲を囲むように、NbモジュールとSnモジュールとを束ねて集合体とする工程と、内側に拡散バリヤである管状のTa金属またはNb基金属を有するCu基金属の管材に、集合体を挿入して複合体とする工程と、複合体を伸線加工する工程と、複合体に熱処理を行う工程とを含むNbSn超電導線材の製造方法である。
【発明の効果】
【0007】
本発明にかかるNbSn超電導線材の製造方法を用いることにより、高電流密度で、かつ伸線加工性の良好なNbSn超電導線材を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる高臨界電流密度のNbSn超電導線材の製造に用いる前駆線材の断面図であり、前駆線材は、全体が100で表される。図1を参照しながら、NbSn超電導線材の製造方法について説明する。
【0009】
NbSn超電導線材の製造方法では、まず、直径31.2mm×長さ600mmのNb棒1を準備する。次に、外径35mm×内径31.5mm×長さ600mmのSnを含有したCu管2を準備し、これにNb棒1を挿入する。続いて、かかるCu管2を、外径が6.1mmとなるまで引抜き加工により縮径加工し、さらに対辺が5.2mmの六角棒に縮径加工する。かかる工程で、断面が略六角形状のCu/Nb複合棒3が得られる。
【0010】
次に、かかるCu/Nb複合棒3を、長さ175mmに切断し、121本を束ね、外径70mm×内径63.5mm×長さ185mmのSnを含有したCu容器4に挿入する。
【0011】
次に、Cu容器4の両端に蓋をして、Cu容器4と蓋を真空中で電子ビーム溶接して密封した後、HIP加工を行い、一体化してCu/マルチNb複合棒とする。このCu/マルチNb複合棒を熱間押し出し加工により、外径25mmにまで縮径加工した後、外周切削加工により外径を24.5mmとする。更に、引抜き加工を行い、外径を2.2mmまで縮径加工した後、対辺1.85mmの六角棒に縮径加工し、長さ1000mmに切断する。かかる工程で、Nbモジュール7が完成する。
【0012】
一方、Nbモジュール7の作製とは別に、直径30.7mm×長さ300mmのInを含有したSn棒5を準備し、外径35mm×内径31mm×長さ300mmのSnを含有したCu管6に挿入する。続いて、外径が2.2mmになるまで引抜き加工により縮径加工した後、対辺1.85mmの六角棒に縮径加工し、長さ1000mmに切断する。これにより、Cu/Sn複合棒であるSnモジュール8が完成する。
【0013】
次に、図1に示すように、84本のNbモジュール7と、37本のSnモジュール8を、最外周部の一部を除いて、Snモジュール8の周囲がNbモジュール7に囲まれるように配置し、束ねる。続いて、外径24.5mm×内径24mm×長さ1000mmのTa管9を準備し、Nbモジュール7とSnモジュール8との束をTa管9に挿入する。
【0014】
更に、外径34mm×内径26mm×長さ1000mmのCu管10を準備し、かかるCu管10にTa管9を挿入する。以上の工程で、図1に断面を示す前駆線材100が形成される。
【0015】
次に、外径が0.7mmとなるまで前駆線材100の引抜き加工を行なう。かかる引抜き加工工程は、加工性が極めて良好であり、無断線で長さ1800mの線材が得られる。これは、Snモジュール8が、やわらかなSn棒5をCu管6に挿入したCu/Sn複合棒からなることで、前駆線材100の硬度バランスが向上するためである。
【0016】
最後に、かかる線材に対して熱処理を行うことにより、NbSn超電導線材が得られる。ここでは、引抜き加工した線材から測定用サンプルを切り出し、不活性ガス雰囲気中、650℃で10日間の熱処理を行うことでNbSn超電導線材とした。以上の工程で、高臨界電流密度のNbSn超電導線材が完成する。
【0017】
得られた超電導線材の臨界電流を、液体ヘリウム温度で、12Tの磁場中で測定すると430Aであった。また、安定化銅を除いた部分の臨界電流密度は、2200A/mmとなった。
これらの結果から、本実施の形態にかかる製造方法を用いることにより、従来法では得られなかった高電流密度で伸線加工性の良好であるNbSn超電導線材が得られることがわかる。
【0018】
本実施の形態1にかかる前駆線材100では、Snモジュール8内のSn(Snコア)占有体積率は略78.1%、Nbモジュール7内のNb(Nbフィラメント)占有体積率は略67.7%、Snモジュール8の数とNbモジュール7の数の構成比率はほぼ1:2.27である。Snモジュール8とNbモジュール7とを複合する際の、各モジュールの直径、外径、内径、長さ等を変化させ、さらに最終径を変化させても、Nbモジュール7内のNb占有体積率は略50%以上略75%以下、好ましくは、略55%以上略70%以下の範囲となる。また、Snモジュール8内のSn占有体積率は、略70%以上略90%以下であり、好ましくは、略75%以上略85%以下の範囲となる。
【0019】
また、Snモジュール8の数とNbモジュール7の数の構成比率は、Snモジュール8の数を1とした場合にNbモジュール7の数が略1.9以上略2.5以下、好ましくは、略1.95以上略2.35以下となる。
【0020】
かかる構成の前駆線材100では、Nbモジュール7中のNb(Nbフィラメント)とSnモジュール8中のSn(Snコア)が別々のCuマトリックスに埋設され、別モジュールとして構成されるので、NbフィラメントとSnコアの占有体積が増える。この結果、後の熱処理で高濃度のSnとNbが反応してNbSnが生成されることになり、高いJc特性を有するNbSn超電導線材を得ることができる。
【0021】
また、最外周部等を除きNbモジュールがSnモジュールを取り囲むように配置することで、Snの拡散方向が、立体角が狭まる方向で内向きになること、SnモジュールがNbモジュール同士の、物理的あるいは電磁気的なカップリングを遮断することが可能となる。これは、形成されるNbSn自体の性能向上にも寄与して、高いJc特性と安定性を有するNbSn超電導線材を得ることができ、上述のように、線材のJcは温度4.2K、磁場12Tで2000A/mmを越える値が得られるようになる。
【0022】
また、上述のように、SnコアがCuマトリックス内に埋設されたSnモジュール8とすることで、NbとSnの硬度差をCuが吸収し伸線加工性が向上する。この結果、長尺線材を容易に製造することができる。
【0023】
ただし、Nbモジュール7内のNb占有体積率が略50%より少ない場合、またはSnモジュール8内のSn占有体積率が略70%より少ない場合は、最終的に熱処理によって生成されるNbSn量が減り、上述のような高い電流密度は得られない。
【0024】
一方、Nbモジュール7内のNb占有体積率が略75%より多い場合、またはSnモジュール8内のSn占有体積率が略90%より多い場合は、伸線加工性が著しく悪くなり、上述のような長尺線材は得られない。
【0025】
また、Snモジュール8の数とNbモジュール7の数の構成比率がSnモジュール8の数を1とした場合にNbモジュール7の数が略1.9より小さい場合は、Snに対するNbの量が不足するため、最終的に熱処理によって生成されるNbSn量が減り、上述のような高い電流密度は得られない。逆に、Snモジュール8の数とNbモジュール7の数の構成比率がSnモジュール8の数を1とした場合にNbモジュール7の数が略2.5より大きい場合は、Nbに対するSnの量が不足するため、最終的に熱処理によって生成されるNbSn量が減り、同じく高い電流密度は得られない。
【0026】
本実施の形態1では、Inを含有したSn棒5として、Inの添加量が重量比率で略1%のSn棒を用いたが、Inの添加量は、重量比率で略0%以上で略2%以下、好ましくは略0.5%以上で略1.5%以下である。これにより、Snモジュールの硬度が高まりNbモジュールとの硬度差が減少するので、長尺線材をより容易に製造することが可能となる。
【0027】
ただし、Inの添加量が重量比率で略2%より多い場合は、Sn量が不足するため、最終的に熱処理によって生成されるNbSn量が減り、本実施の形態1のような高い電流密度は得られない。逆に、Inの添加が無い場合は、伸線加工性がやや悪化するものの、Sn棒の製造方法が簡単になり、本実施の形態1とほぼ同様の長尺線材が得られる。
【0028】
また、本実施の形態1では、Cu管2、Cu容器4、およびCu管6のSnの添加量を重量比率で略0.15%としたが、Snの添加量が重量比率で略0%以上略2%以下、好ましくは略0.05%以上略0.5%以下である。かかる構造とすることで、SnモジュールとNbモジュールの硬度が高まるので、長尺線材をより容易に製造することができる。
【0029】
ただし、Snの添加量が重量比率で略2%より多い場合は、伸線加工性が著しく悪化し、上述のような長尺線材は得られない。逆に、Snの添加が無い場合は、伸線加工性がやや悪化するものの、Cu管、Cu容器の製造方法が簡単になり、ほぼ同様の長尺線材が得られる。
【0030】
また、本実施の形態1では、Snの拡散バリヤ材としてTa管9を用いたが、代わりに例えばTa板を管状に加工したものを用いても同様の効果が得られる。また、Taに代えて、Snの拡散を防ぐ効果のある金属であればNb基金属等を用いても良い。
【0031】
実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2にかかる高臨界電流密度のNbSn超電導線材の製造に用いる前駆線材の断面図であり、前駆線材は、全体が200で表される。また、図3は、前駆線材200に用いるNbモジュール12の断面図である。図2、3中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
図2、3を参照しながら、NbSn超電導線材の製造方法について説明する。
【0032】
NbSn超電導線材の製造方法では、まず、図3に示すようにCu基金属マトリックス中にNb基金属フィラメントが配置されたNbモジュール12を作製する。
具体的には、直径6.1mm×長さ3mのSnを含有したCu棒を対辺5.2mmの六角棒に縮径加工し、長さ175mmに切断する。これにより、Snを含有したCu棒11を16本作製する。一方、実施の形態1と同様の方法で、対辺5.2mm×長さ175mmのCu/Nb複合棒3を105本作製する。
【0033】
次に、図3に示すように、互いに120°の角度を有してCu棒11が半径方向に並ぶように、Cu棒11とCu/Nb複合棒3とを束ねる。Cu棒11とCu/Nb複合棒3とは、合計121本となる。
【0034】
次に、これらを、外径70mm×内径63.5mm×長さ185mmのSnを含有したCu容器4に挿入する。続いて、Cu容器4の両端に蓋をして、真空中で容器と蓋を電子ビーム溶接により密封した後、HIP加工を行い一体化してCu/マルチNb複合棒を形成する。
【0035】
その後、実施の形態1と同様の方法で、Cu/マルチNb複合棒を熱間押し出し加工して外径が25mmになるまで縮径加工し、更に外周切削加工により外径を24.5mmとする。この後、引抜き加工により2.2mmまで縮径加工し、更に対辺1.85mmの六角棒に縮径加工する。最後に長さ1000mmに切断して、図3に示すようなNbモジュール12を作製する。
【0036】
一方、実施の形態1と同様の方法で、対辺1.85mm×長さ1000mmの、図2に示すようなSnモジュール8を作製する。
【0037】
続いて、図2に示すように、84本のNbモジュール12と、37本のSnモジュール8を、最外周部の一部を除いて、Snモジュール8の周囲がNbモジュール12に囲まれるように配置し、束ねる。続いて、外径24.5mm×内径24mm×長さ1000mmのTa管9を準備し、Nbモジュール12とSnモジュール8との束をTa管9に挿入する。
【0038】
更に、外径34mm×内径26mm×長さ1000mmのCu管10を準備し、かかるCu管10にTa管9を挿入する。以上の工程で、図2に断面を示す前駆線材200が形成される。
【0039】
次に、外径が0.7mmとなるまで前駆線材200の引抜き加工を行なう。かかる引抜き加工工程は、加工性が極めて良好であり、無断線で長さ1800mの線材が得られる。これは、Snモジュール8が、やわらかいSn棒5をCu管6に挿入したCu/Sn複合棒からなることで、前駆線材200の硬度バランスが向上するためである。
【0040】
最後に、かかる線材に対して熱処理を行うことにより、NbSn超電導線材が得られる。ここでは、引抜き加工した線材から測定用サンプルを切り出し、不活性ガス雰囲気中、650℃で10日間の熱処理を行うことでNbSn超電導線材とした。以上の工程で、高臨界電流密度のNbSn超電導線材が完成する。
【0041】
得られた超電導線材の臨界電流を、液体ヘリウム温度で、12Tの磁場中で測定すると390Aであった。また、安定化銅を除いた部分の臨界電流密度は、2020A/mmとなった。
これらの結果から、本実施の形態にかかる製造方法を用いることにより、従来法では得られなかった高電流密度で伸線加工性の良好であるNbSn超電導線材が得られることがわかった。
【0042】
本実施の形態2では、上述のように、Nbモジュール12において、互いに120°の角度を有して半径方向に並ぶCu棒11により、複数のCu/Nb複合棒3からなる領域が、120°の中心角を有する3つの扇型に分割されている。
即ち、Cuマトリックス中に均整のとれた状態でNbフィラメントが埋設されている領域(Nbフィラメント群)が、Cu棒11の領域により、3つの扇状に分断された構造となっている。
かかる構造とすることにより、Nbモジュール12内のNbフィラメント群同士の、物理的あるいは電磁気的なカップリングを遮断することができ、高い安定性を有するNbSn超電導線材を得ることができる。
【0043】
本実施の形態2にかかる前駆線材200では、Snモジュール8内のSn占有体積率は略78.1%、Nbモジュール12内のNb占有体積率は略58.8%、Snモジュール8の数とNbモジュール12の数の構成比率がほぼ1:2.27である。各モジュールの直径、外径、内径、長さ等を変化させ、さらに最終径を変化させても、Nbモジュール12内のNb占有体積率が略50%以上略75%以下、好ましくは略55%以上略70%以下の範囲となる。また、Snモジュール8内のSn占有体積率が略70%以上略90%以下、好ましくは略75%以上略85%以下の範囲となる。また、Snモジュール8の数とNbモジュール12の数の構成比率は、Snモジュール8の数を1とした場合にNbモジュール12の数が略1.9以上略2.5以下、好ましくは略1.95以上略2.35以下となる。
【0044】
一方、Nbモジュール12内のNb占有体積率が略50%より少ない場合、Snモジュール8内のSn占有体積率が略70%より少ない場合は、最終的に熱処理によって生成されるNbSn量が減り、上述のような高い電流密度は得られない。
逆に、Nbモジュール12内のNb占有体積率が略75%より多い場合、Snモジュール8内のSn占有体積率が略90%より多い場合は、伸線加工性が著しく悪化し、このような長尺線材は得られない。
【0045】
また、Snモジュール8の数とNbモジュール12の数の構成比率がSnモジュール8の数を1とした場合にNbモジュール12の数が略1.9より小さい場合は、Snに対するNbの量が不足するため、最終的に熱処理によって生成されるNbSn量が減り、同じく高い電流密度は得られない。
逆に、Snモジュール8の数とNbモジュール12の数の構成比率がSnモジュール8の数を1とした場合にNbモジュール12の数が略2.5より大きい場合は、Nbに対するSnの量が不足するため、最終的に熱処理によって生成されるNbSn量が減り、同様に、高い電流密度は得られない。
【0046】
本実施の形態2では、Nbモジュール12において、Cu基金属マトリックス中に均整のとれた状態でNb基金属フィラメントが埋設されている領域が、Cu基金属マトリックスにより120°の中心角を持つ扇状に3分割された構造としたが、Nbモジュール12内のNb占有体積率が略50%以上略75%以下、好ましくは略55%以上略70%以下であれば、分割数が3以外でも、同様の効果を得ることができる。
【0047】
また、分割する材料としてSnを含有したCu棒11を用いたが、例えばTa棒等のような、Nbモジュール内のNbフィラメント群同士の物理的あるいは電磁気的なカップリングを遮断できる他の金属を使用しても良い。
【0048】
更に、分割する材料の形状として複数本の棒を用いたが、板等の、Nbモジュール内のNbフィラメント群同士の、物理的あるいは電磁気的なカップリングを遮断する効果のある形状であれば、他の形状であっても良い。
【0049】
本実施の形態2では、Inを含有したSn棒5としてInの添加量が重量比率で略1%のSn棒を用いたが、Inの添加量が重量比率で略0%以上略2%以下、好ましくは略0.5%以上略1.5%以下のSn基金属棒を用いても同様の効果が得られる。
ただし、Inの添加量が重量比率で略2%以上の場合は、Sn量が不足するため、最終的に熱処理によって生成されるNbSn量が減り、このような高い電流密度は得られない。逆に、Inの添加が無い場合は、伸線加工性がやや悪化するものの、Sn棒の製造方法が簡単になり、上記実施の形態2とほぼ同様の長尺線材が得られる。
【0050】
本実施の形態2では、Snを含有したCu棒11、Snを含有したCu管2、Snを含有したCu容器4、Snを含有したCu管6としてSnの添加量が重量比率で略0.15%のCu棒、Cu管、Cu容器を用いたが、Snの添加量が重量比率で略0%以上略2%以下、好ましくは0.05%以上0.5%以下のCu棒、Cu管、Cu容器を用いても良い。
ただし、Snの添加量が重量比率で略2%より多い場合は、伸線加工性が著しく悪化し、上述のような長尺線材は得られない。逆に、Snの添加が無い場合は、伸線加工性がやや悪化するものの、Cu棒、Cu管、Cu容器の製造方法が簡単になり、上述のような長尺線材が得られる。
【0051】
本実施の形態2では、Snの拡散バリヤ材としてTa管を用いたが、バリヤ材として例えば管状のTa板等を用いても良い。また、Snの拡散バリヤ材の材質としてTaを用いたが、Nb基金属等の、Snの拡散を防ぐ効果のある他の金属を用いても良い。
【0052】
なお、本発明において、Cu基金属とは、Cuおよび約2重量%以下のSnを含むCuをいう。
また、Nb基金属とは、Nb、および約10重量%以下のTa、約5重量%以下のTiのうち少なくとも何れか一種を含むNbをいう。
更に、Sn基金属とは、Sn、および約5重量%以下のTi、約2重量%以下のInのうち少なくとも何れか一種を含むSnをいう。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明の実施の形態1にかかるNbSn超電導線材用の前駆線材の断面図である。
【図2】本発明の実施の形態2にかかるNbSn超電導線材用の前駆線材の断面図である。
【図3】本発明の実施の形態2にかかるNbSn超電導線材用のNbモジュールの断面図である。
【符号の説明】
【0054】
1 Nb棒、2 Cu管、3 Cu/Nb複合棒、4 Cu容器、5 Sn棒、6 Cu管、7 Nbモジュール、8 Snモジュール、9 Ta管、10 Cu管、11 Cu棒、12 Nbモジュール、100、200 前駆線材。


【特許請求の範囲】
【請求項1】
Cu基金属マトリックス中にSn基金属コアを埋設した複数のSnモジュールと、Cu基金属マトリックス中にNb基金属フィラメントを埋設した複数のNbモジュールとを準備する工程と
該Nbモジュールが該Snモジュールの周囲を囲むように、該Nbモジュールと該Snモジュールとを束ねて集合体とする工程と、
内側に拡散バリヤである管状のTa金属またはNb基金属を有するCu基金属の管材に、該集合体を挿入して複合体とする工程と、
該複合体を伸線加工する工程と、
該複合体に熱処理を行う工程とを含むNbSn超電導線材の製造方法。
【請求項2】
上記Snモジュール中のSn基金属の占有体積率が、略70%以上でかつ略90%以下であり、上記Nbモジュール中のNb基金属の占有体積率が、略50%以上でかつ略75%以下であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
【請求項3】
上記Snモジュールの数と上記Nbモジュールとの本数の比が、該Snモジュールを1とした場合に、該Nbモジュールが略1.9以上でかつ略2.5以下であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
【請求項4】
上記Nbモジュールにおいて、
上記Nb基金属フィラメントが埋設されている領域が、上記Cu基金属マトリックスにより複数の扇状に分割されたことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
【請求項5】
上記Sn基金属コアが、重量比率で略0%以上でかつ略2%以下のInを含有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
【請求項6】
上記Cu基金属マトリックスが、重量比率で略0%以上でかつ略2%以下のSnを含有することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2006−4684(P2006−4684A)
【公開日】平成18年1月5日(2006.1.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−177763(P2004−177763)
【出願日】平成16年6月16日(2004.6.16)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】