超電導線材の製造方法
【課題】小径の超電導素線材を作業効率よく製造することができる超電導線材の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る超電導線材の製造方法は、第１の金属材料からなるコア材１０に、第２の金属材料を圧延し、焼鈍熱処理を施して形成された金属薄膜テープを所定の巻き数で巻き合わせて、コア材１０の長手方向にロールフォーミング成形可能な径を有する第１の線材を作製する線材作製工程と、第１の線材を切断して、複数本の第２の線材を形成する切断工程と、複数本の第２の線材をマルチ用ビレット７０に充填してマルチビレット６５を作製する充填工程と、マルチビレット６５を押出して押出材を作製する押出工程と、押出材を引抜加工して引抜材を作製する引抜工程と、引抜材に熱処理を施して超電導線材を作製する熱処理工程とを備える。
【解決手段】本発明に係る超電導線材の製造方法は、第１の金属材料からなるコア材１０に、第２の金属材料を圧延し、焼鈍熱処理を施して形成された金属薄膜テープを所定の巻き数で巻き合わせて、コア材１０の長手方向にロールフォーミング成形可能な径を有する第１の線材を作製する線材作製工程と、第１の線材を切断して、複数本の第２の線材を形成する切断工程と、複数本の第２の線材をマルチ用ビレット７０に充填してマルチビレット６５を作製する充填工程と、マルチビレット６５を押出して押出材を作製する押出工程と、押出材を引抜加工して引抜材を作製する引抜工程と、引抜材に熱処理を施して超電導線材を作製する熱処理工程とを備える。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属系の超電導線材は、超電導線材を構成する材料の特性に合わせた製造方法を用いて製造されている。例えば、Ｎｂ３Ａｌ系化合物からなる超電導線材の製造方法として、Ｎｂシート及びＡｌシートをＮｂコアにジェリーロール法により巻き合わせて作製した数十層の多層巻き構造のジェリーロール線材を細線化し、細線化したジェリーロール線材をマルチ用ビレットに充填してマルチビレットを作製し、マルチビレットを静水圧押出で伸線した上で急熱急冷処理を施して、直径が６０μｍ以上のＮｂ３Ａｌ系化合物の超電導線材を製造する超電導線材の製造方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１に記載の超電導線材の製造方法によれば、静水圧押出によりマルチビレットを伸線しているので、ビレットと工具との間の摩擦を低減でき、押出工程を低温で実現できる。
【０００４】
【非特許文献１】独立行政法人 物質・材料研究機構（ＮＩＭＳ）、“変態法による長尺化”、［平成２０年５月１３日検索］、インターネット（URL：http://www.nims.go.jp/smcMetal/Nb3Al_mitoh_4.pdf）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載の超電導線材の製造方法は、ジェリーロール法によりＮｂコアに巻き合わせるＮｂシート及びＡｌシートの層数が多く、製造される超電導線材の線径を低減することが困難であり、線径を更に低減させるためには、工数の多い製造工程を経なければならない。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、小径の超電導素線材を作業効率よく製造することができる超電導線材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、第１の金属材料からなるコア材に、第２の金属材料を圧延し、焼鈍熱処理を施して形成された金属薄膜テープを所定の巻き数で巻き合わせて、コア材の長手方向にロールフォーミング成形可能な径を有する第１の線材を作製する線材作製工程と、第１の線材を切断して、複数本の第２の線材を形成する切断工程と、複数本の第２の線材をマルチ用ビレットに充填してマルチビレットを作製する充填工程と、マルチビレットを押出して押出材を作製する押出工程と、押出材を引抜加工して引抜材を作製する引抜工程と、引抜材に熱処理を施して超電導線材を作製する熱処理工程とを備える超電導線材の製造方法が提供される。
【０００８】
また、上記超電導線材の製造方法は、超電導線材は、Ｎｂ化合物又はＮｂ合金を有して形成され、第１の金属材料は、Ｎｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｃｕ、Ｓｎ、及びＳｎ合金からなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を含み、第２の金属材料は、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ａｌ、及びＣｕからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を含み、線材作製工程は、第１の金属材料がＮｂ化合物を構成する一の金属を含む金属材料である場合、Ｎｂ化合物の構成成分のうち、一の金属と結合することによりＮｂ化合物を形成する他の金属を少なくとも第２の金属材料として選択し、線材作製工程は、第１の金属材料が一の金属を含まない金属材料である場合、一の金属及び他の金属の双方を第２の金属材料として少なくとも選択し、線材作製工程は、第１の金属材料がＮｂ合金である場合、Ｃｕを少なくとも第２の金属材料として選択することができる。また、線材作製工程は、一の金属及び他の金属の双方を第２の金属材料として少なくとも選択した場合、複数の金属薄膜テープをコア材に巻き合わせる工程を含み、複数の金属薄膜テープはそれぞれ一の金属及び他の金属から形成されてもよい。また、充填工程は、マルチビレットに１０００本以上の第２の線材を充填してもよい。更に、線材作製工程は、所定の巻き数が、コア材に１．２巻から６巻であってよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る超電導線材の製造方法によれば、小径の超電導素線材を作業効率よく製造することができる超電導線材の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る超電導線材の製造方法の流れの概要を示す。
【００１１】
本発明の実施の形態に係る超電導線材の製造方法は、極細多芯超電導線材としての超電導線材を製造する。本実施の形態においては、一例として、ジェリーロール法により超電導線材を製造する。また、本実施の形態に係る超電導線材の製造方法により製造される超電導線材は、例えば、Ｎｂ３Ｓｎ系化合物材料、ＮｂＡｌ系化合物材料、Ｎｂ−Ｔｉ合金系材料等のＮｂ化合物又はＮｂ合金から形成することができる。
【００１２】
まず、所定の第１の金属材料からなるコア材と、薄膜状の金属薄膜テープとを準備する。金属薄膜テープは、製造すべき超電導線材に対応させて選択され、第１の金属材料とは異なる第２の金属材料を含んで形成される。また、金属薄膜テープは、第２の金属材料に圧延加工を施して所定厚に圧延されて形成される。ここで、金属薄膜テープとしては、製造すべき超電導線材に対応させて、複数種類の金属薄膜テープを準備することができる。すなわち、本実施の形態においては、製造すべき超電導線材に応じて、コア材と１種類の金属薄膜テープとを準備するか、あるいは、コア材と一の金属薄膜テープ及び他の金属薄膜テープとを準備する。
【００１３】
コア材は、断面直径が数ｍｍ以下のロッド形状又は線形状を有する。また、コア材は、第１の金属材料としてのＮｂ、Ｎｂ合金（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ合金）、Ｔａ、Ｃｕ、Ｓｎ、又はＳｎ合金等の金属材料から形成される。一方、金属薄膜テープは、１００μｍ程度以下の厚さの薄膜状を有する。そして、金属薄膜テープは、第２の金属材料として、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ａｌ、又はＣｕ等の金属材料を含んで形成される。例えば、金属薄膜テープとしては、Ｎｂテープ、Ｓｎテープ、Ｓｎ合金テープ、Ａｌテープ、Ｃｕテープ、Ｎｂテープ／Ｓｎ合金テープの複合テープ（例えば、Ｎｂ３Ｓｎ超電導素線材用）、Ｎｂテープ／Ｃｕテープの複合テープ（例えば、Ｎｂ３Ｓｎ超電導素線材用）、又はＮｂテープ／Ａｌテープの複合テープ（例えば、Ｎｂ３Ａｌ超電導素線材用）等を、製造すべき超電導線材に対応させて用いることができる。
【００１４】
そして、コア材の周囲に金属薄膜テープを巻き合わせ、第１の線材を作製する（図１：ステップ１００（以下、ステップを「Ｓ」と略す））。すなわち、コア材の周囲に、複合テープ又は複数種類の金属薄膜テープを巻き合わせることにより第１の線材を作製する。例えば、コア材の周囲に複合テープを巻き合わせて第１の線材を作製する。一例として、コア材の周囲にＮｂテープ／Ｓｎ合金テープの複合テープを巻き合わせることにより第１の線材を作製できる。また、複数種類の金属薄膜テープを巻き合わせる場合は、コア材の周囲に一の金属薄膜テープと他の金属薄膜テープとを多重にして巻き合わせる。一例として、コア材の周囲にＮｂテープを巻き合わせ、その後Ｓｎ合金テープを巻き合わせることにより第１の線材を作製できる。他の複合テープ又は金属薄膜テープを用いる場合も、同様にして第１の線材を作製できる。なお、後述するマルチビレット作成後の熱処理によって複数の第１の線材同士の融着を抑制することを目的として、第１の線材それぞれの最外層に、所定の金属薄膜テープ（例えば、Ｃｕテープ）を更に巻き合わせることもできる。
【００１５】
表１に、本実施の形態において用いる第１の金属材料と第２の金属材料との組合せの一例を示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】
表１を参照して、例えば、製造すべき超電導線材がＮｂ３Ｓｎ線材である場合を説明する。まず、第１の金属材料から形成されるコア材としてＮｂ（Ｎｂ線）を選択した場合、第２の金属材料から形成される金属薄膜テープは、Ｎｂ３Ｓｎ化合物の構成成分のうち、Ｎｂと結合することによりＮｂ３Ｓｎ化合物を形成するＳｎを含む金属薄膜テープを少なくとも選択する。例えば、Ｎｂテープ／Ｓｎ合金テープの複合テープ、又はＳｎ合金テープを少なくとも選択する。また、第１の金属材料から形成されるコア材としてＴａ又はＣｕを選択した場合、第２の金属材料から形成される金属薄膜テープは、Ｎｂ３Ｓｎ化合物の構成成分を含む金属薄膜テープを選択する。例えば、Ｎｂテープ／Ｓｎ合金テープの複合テープ、又はＮｂテープ及びＳｎ合金テープを選択する。また、第１の金属材料から形成されるコア材としてＳｎ合金（Ｓｎ合金線）を選択した場合、第２の金属材料から形成される金属薄膜テープは、Ｎｂ３Ｓｎ化合物の構成成分のうち、Ｓｎと結合することによりＮｂ３Ｓｎ化合物を形成するＮｂを含む金属薄膜テープを少なくとも選択する。例えば、Ｎｂテープ／Ｃｕテープの複合テープ、又はＮｂテープを少なくとも選択する。
【００１８】
なお、例えば、コア材の周囲にまずＮｂテープを巻き合わせ、その後Ｓｎ合金テープを巻き合わせる場合、Ｓｎ合金テープの外側にバリアテープ（例えば、Ｎｂバリアテープ）を更に巻き合わせることもできる。ここで、コア材の周囲にＳｎ合金テープを巻き合わせた後、Ｎｂテープを巻き合わせる場合には、バリアテープを省くことができる。すなわち、コア材の周囲にＮｂテープを除く金属薄膜テープを巻き合わせた後、Ｎｂテープを巻き合わせる場合、Ｎｂバリアテープを省くことができる。
【００１９】
ここで、本実施の形態においては、コア材の長手方向にロールフォーミング成形可能な範囲の径にすべく、コア材の周囲に金属薄膜テープを所定の巻き数で巻き合わせる。これにより、小径であって、数層巻きの第１の線材を作製する。具体的に、本実施の形態においては、コア材の周囲に金属薄膜テープを１．２巻から６巻して、第１の線材を作製する。
【００２０】
次に、第１の線材を所定の長さ毎に切断することにより、複数本の第２の線材を作製する（Ｓ１１０）。例えば、後述するマルチ用ビレットの長手方向の長さに対応させて、第１の線材を切断する。ここで、Ｓ１００の前又は後、若しくはＳ１１０の後において、コア材及び／又は金属薄膜テープ、又は第１の線材、若しくは第２の線材に、これらの材料を軟化させることを目的として、所定の雰囲気下、所定の温度、所定の時間の焼鈍熱処理（焼鈍軟化処理）を予め施すことができる。例えば、Ｓ１００においてコア材と金属薄膜テープとを準備した後、第１の線材を作製する前に、金属薄膜テープに焼鈍熱処理を施すことができる。なお、複数種類の金属薄膜テープを用いる場合、金属薄膜テープを構成する材料に応じて、金属薄膜テープ毎に異なる条件下の焼鈍熱処理を施すことができる。
【００２１】
次に、複数本の第２の線材を、マルチ用ビレットに充填してマルチビレットを作製する（Ｓ１２０）。本実施の形態においては、一例として、マルチ用ビレットの断面の単位面積（単位面積を１ｍｍ２とする）あたり、第２の線材が０．２本から０．４本程度の範囲で充填される。本実施の形態に係るマルチ用ビレットは、例えば、Ｃｕから形成され、略円筒形状を有する。また、マルチ用ビレットに複数本の第２の線材を充填するときに、複数本の第２の線材とマルチ用ビレット内壁との間に、高融点金属材料（例えば、Ｔａ）からなる反応防止層（バリア層）を更に組み込むこともできる。ここで、反応防止層をマルチ用ビレットに組み込む前に、反応防止層を軟化させることを目的として、反応防止層に焼鈍熱処理を施すこともできる。
【００２２】
次に、マルチビレットを押出（冷間押出又は温間押出）して、押出材を作製する（Ｓ１３０）。本実施の形態においては、マルチ用ビレットに第２の線材を充填する前に、当該第２の線材に焼鈍熱処理を施すことにより、第２の線材を焼鈍軟化させることができる。これにより、マルチビレットを低温、すなわち、第２の線材を構成する材料の再結晶温度未満又は常温において押出加工できる。
【００２３】
次に、常温において押出材を、所定の形状の穴を有するダイスに通して引き抜くことにより、所定の径を有する引抜材を作製する（Ｓ１４０）。更に、引抜材に、所定の温度、所定の時間の熱処理を施す（Ｓ１５０）。これにより、本実施の形態に係る超電導線材が製造される（Ｓ１６０）。なお、熱処理（Ｓ１５０）の後に、線材の表面に安定化材としてのＣｕを被覆した超電導線材を製造することもできる。
【００２４】
なお、本実施の形態に係る超伝導線材を構成する材料に含まれるＮｂ、Ｔａは、いずれも加工硬化が大きい材料であり、変形抵抗が大きい。一方、Ｓｎ、Ａｌは、加工硬化が小さい軟質な材料である。また、安定化材として用いるＣｕはＮｂ等の金属材料とＳｎ等の金属材料との中間の強度であり、加工硬化はＮｂ、Ｓｎ等に比べて早く飽和する。したがって、ロッド法等を用いて、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方を含む材料からシングルスタックで線材を成形すると、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料とが複合加工されることとなる。
【００２５】
この場合、Ｔａ等の高融点材料を基準として焼鈍熱処理を実施すると、Ｓｎ等が溶融してしまうので、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方に対して同時に焼鈍熱処理を施すことはできず、加工硬化が小さい材料に対してのみ焼鈍熱処理を施すことができる。したがって、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方を含み、いずれの材料も軟化していない場合、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方を含む線材を押出加工する場合には、温間又は熱間において加工を施すことを要する。このような工程を経ると、製造される超電導線材の特性が低下すると共に、加工性も低下するという知見を本発明者は得た。
【００２６】
また、例えば、ＮｂＴｉ合金系材料を線材の材料として用いる場合、ＮｂＴｉの析出物と加工による転位とを発生させて、ピンニング点をＮｂＴｉ合金系材料に導入することにより高磁場特性を改善する。この場合において、ＮｂＴｉ合金系材料が硬質であるので、この材料から線材を作製する場合、高温下での押出を要するが、係る高温での押出加工時にＮｂＴｉ合金系材料が軟化する。本発明者は、このような押出材にはピンニング点が導入されず、ピンニング点が導入されるまで大径で押出加工と引抜加工とを繰り返し実施することを要することにより、加工効率が低下するという知見を得た。更に、例えば、Ｎｂ３Ｓｎ系材料を用いる場合は、Ｎｂ３Ｓｎ系材料に温間加工又は熱間加工を施すと、Ｓｎが溶融する場合があり、線材を作製することができない場合があるとの知見を得た。
【００２７】
しかしながら、本実施の形態においては、超伝導線材を構成する材料である加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料とはそれぞれ、予め焼鈍熱処理を施すことにより軟化させることができる。すなわち、超伝導線材を構成する材料である加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料とのそれぞれについて、加工硬化量を所定値以下にした状態で超電導線材の製造に用いることができる。例えば、第１の金属材料からなるコア材、第２の金属材料からなる金属薄膜テープ、安定化材、及び／又は反応防止層のそれぞれに、焼鈍熱処理を予め施して用いることができる。なお、複数種類の金属薄膜テープを用いる場合は、金属薄膜テープのそれぞれに焼鈍熱処理を施すことができる。
【００２８】
よって、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方を含む線材を冷間加工により、比較的低い押出圧力で押出すことができるので、加工効率を向上させることができる。すなわち、本実施の形態においては、例えば、Ｓｎ又はＳｎ合金を含んで作製される第２の線材が組み込まれたマルチビレットを、Ｓｎを含んだ領域を加工熱で溶解させることなく押出加工することができる。これにより、例えば、ジェリーロール法を用いて、Ｎｂ３Ｓｎ系材料からなる超電導線材を断線させずに効率よく製造できる。
【００２９】
（変形例）
本実施の形態に係る超電導線材の製造方法は、上記材料の他にも、Ｖ３Ｇａ系化合物材料、又はＭｇＢ２系化合物材料、若しくはＹ系、Ｂｉ系、Ｔｌ系、Ｈｇ系、又はＡｇ−Ｐｂ系の酸化物超電導材料等を用いて超電導線材を形成することもできる。
【００３０】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る超電導線材の製造方法によれば、圧延加工により金属薄膜テープを形成して、当該金属薄膜テープをコア材の周囲に巻きつけるので、生産性よく小型の第１の線材を製造できる。例えば、金属薄膜テープを用いると共に、コア材に巻きつける巻き数を低減することにより、巻き上がりの径が小さな小型の第１の線材を製造できる。したがって、本実施の形態によれば、生産コストの増大を抑制できると共に、一例として、１０００本以上、５０００本程度の第２の線材を用いたマルチビレットを作製できる。すなわち、本実施の形態によれば、交流ロスを大幅に低減できる超電導線材を作製することができる。
【００３１】
また、本実施の形態に係る超電導線材の製造方法によれば、小径のコア材に薄膜テープ状の金属薄膜テープを数層巻きとなる範囲で巻き合わせるので、長手方向に連続的にロールフォーミング及び成形して第１の線材としてのジェリーロール線材を連続的に断線させずに製造できる。そして、製造した所定本数の第１の線材をマルチ用ビレットに充填して、第１の線材が充填されたマルチ用ビレットを所定の形状（例えば、断面六角形状）に成形することにより、素線としてのマルチビレットを形成できる。これにより、本実施の形態に係る超電導線材の製造方法によれば、断面積が小さな超電導線材を、作業工数を大幅に低減させて（作業効率を大幅に向上させて）、歩留りよく製造することができる。
【００３２】
すなわち、本実施の形態に係る超電導線材の製造方法によれば、小径のコア材に金属薄膜テープを数層巻きとなる範囲で巻き合わせたジェリーロール線材を連続的に断線させずに製造でき、製造した第２の線材とマルチ用ビレットとから、シングルスタック法を用いてマルチビレットを形成できるので、生産性を向上させることができる。これによりコストを抑え、複数の極細の芯としての第２の線材を有する超電導線材を製造できる。
【００３３】
そして、本実施の形態では、シングル超電導素線としての第１の線材を小径のコア材に薄膜テープ状の金属薄膜テープを数層巻きとなる範囲で巻き合わせて製造した後、シングルスタック法を用いて製造した第１の線材から作製される複数の第２の線材をマルチ用ビレットに組み込み、押出加工及び引抜加工を当該マルチ用ビレットに施すことにより、所定の径を有する超電導線材を製造する。したがって、本実施の形態によれば、磁場特性が安定であり、交流ロスを低減した実用に適した超電導線材を安価に製造できる。
【実施例１】
【００３４】
図２は、本発明の実施例１に係る内層線の製造工程の一例を示し、図３は、本発明の実施例１に係る素線材の製造工程の一例を示す。また、図４は、本発明の実施例１に係る素線材の断面の一例を示す。更に、図５は、本発明の実施例１に係るマルチビレットの断面の一例を示す。
【００３５】
具体的に、本発明の実施例１においては、超電導線材を構成する材料としてＮｂ３Ｓｎを用いた。そして、図２は、内層線４０を連続的ロールフォーミングにより製造する製造工程の概要を示すと共に、図３は、製造した内層線４０から第１の線材としての素線材６０を連続的ロールフォーミングにより製造する製造工程の概要を示す。
【００３６】
まず、図２を参照する。実施例１では、コア材１０として、直径０．８ｍｍのＮｂ線を準備した。また、第１の金属薄膜テープとしてのＳｎ合金テープ３０（厚さ：５０μｍ、幅：１５．１ｍｍ）が所定の芯に巻きつけられたＳｎ合金コイル３０ａと、第２の金属薄膜テープとしてのＮｂテープ２０（厚さ：１００μｍ、幅：１５．１ｍｍ）が所定の芯に巻きつけられたＮｂコイル２０ａとを準備した。コア材１０、Ｎｂテープ２０、及びＳｎ合金テープ３０のそれぞれには、所定の雰囲気下、所定の温度において所定の時間での焼鈍熱処理を予め施した。具体的に、Ｓｎ合金テープ３０には、不活性雰囲気下（例えば、窒素雰囲気下）、２００℃で３０分の焼鈍熱処理を施した。また、Ｎｂテープ２０には、不活性雰囲気下、８００℃で３０分の焼鈍熱処理を施した。
【００３７】
そして、コア材１０を中心にして、コア材１０の周囲にＳｎ合金テープ３０とＮｂテープ２０とを多重にして数層巻きした。具体的には、コア材１０の周囲に各テープを３．１ターンで巻きつけた。そして、コア材１０にＳｎ合金テープ３０とＮｂテープ２０とを巻きつけつつ、成形ロール１００を通してロールフォーミングを実施した。これにより、ジェリーロール線材としての内層線４０を製造した。
【００３８】
続いて、図３に示すように、Ｃｕテープ５０（厚さ：４０μｍ、幅：１２ｍｍ）が所定の芯に巻きつけられたＣｕコイル５０ａを準備した。そして、内層線４０の周囲にＣｕテープ５０を被覆して（内層線４０の周囲に１．７ターンで巻きつけ）、ロールフォーミングにより断面を略六角形に成形した。これにより、図４に示すような、φ２．２ｍｍ円相当の断面積の六角線に相当する第１の線材としての素線材６０が得られた。なお、Ｃｕテープ５０には、所定の雰囲気下、所定の温度において所定の時間での焼鈍熱処理を予め施した。具体的に、Ｃｕテープ５０に、不活性雰囲気下、４００℃で３０分の焼鈍熱処理を施した。
【００３９】
次に、素線材６０を矯正すると共に、２５０ｍｍの長さ毎に切断した。続いて、図５に示すように、銅からなるマルチ用ビレット７０（直径：７８ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）に、切断した素線材６０とバリア層８０とを組み込むことにより、マルチビレット６５を作製した。ここで、マルチ用ビレット７０と複数本の素線材６０との間に組み込んだバリア層８０としては、Ｔａから形成された厚さが１ｍｍのテープを用いた。また、マルチ用ビレット７０に組み込んだ切断した素線材６０の本数は、１０８９本である。
【００４０】
続いて、マルチビレット６５を冷間で押し出すことにより、直径３０ｍｍの押出材としての線材に加工した。本実施例では、冷間で押し出す際の押出圧力を、加工時に発生する加工熱によって素線材６０を構成するＳｎ合金が溶解しない範囲における押出圧力に低下させて押し出すことができた。
【００４１】
次に、押出材に引抜加工を施して、直径１．５ｍｍの引抜材を作製した。続いて、作製した引抜材に、６５０℃から７５０℃、２００時間から３００時間の熱処理を施した。更に、熱処理後、熱処理済みの引抜材の外周に安定化材としての銅を取り付けることにより、実施例１に係る超電導線材を製造した。
【００４２】
このようにして製造した実施例１に係る超電導線材の超電導特性を４．２Ｋにおいて測定した。その結果、ｎｏｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｊｃにおいて、３１００Ａ／ｍｍ２（ａｔ １２Ｔ）の特性を示した。
【実施例２】
【００４３】
本発明の実施例２においては、超電導線材を構成する材料としてＮｂ３Ａｌを用いた。実施例２に係る超電導線材は、実施例１に係る超電導線材と略同様の製造工程で製造した。したがって、実施例１との相違点を除き、詳細な説明は省略する。
【００４４】
実施例２においては、コア材（直径０．８ｍｍのＮｂ線）の周囲に、第１の金属薄膜テープとしてのＡｌテープ（厚さ：５０μｍ、幅：２３ｍｍ）と第２の金属薄膜テープとしてのＮｂテープ（厚さ：１００μｍ、幅：２３ｍｍ）とを実施例１と同様にして巻きつけた（４．５巻した）。そして、ロールフォーミングにより断面を略六角形に成形した。これにより、実施例２に係る第１の線材としての素線材を製造した。なお、実施例２に係る素線材の断面は、直径が２．３ｍｍ相当の六角形状であった。
【００４５】
次に、当該第１の線材を矯正すると共に、５００ｍｍの長さ毎に切断した。続いて、銅からなる大型マルチ用ビレット（直径：１６０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍ）に、切断した第１の線材とＴａからなるバリア層とを組み込むことにより、マルチビレットを作製した。ここで、大型マルチ用ビレットに組み込んだ切断した第１の線材の本数は、３０５０本である。
【００４６】
続いて、作製したマルチビレットを冷間で押し出すことにより、直径５０ｍｍの押出材としての線材に加工した。次に、引抜加工を押出材に施して、直径１．５ｍｍの引抜材を作製した。ここで、実施例２においては、引抜材の外周を被覆している銅からなる大型マルチ用ビレットを硝酸で除去した。そして、銅を除去した後の引抜材に、急熱急冷処理を施した。これにより、実施例２に係る超電導線材を製造した。
【００４７】
このようにして製造した実施例２に係る超電導線材の超電導特性を４．２Ｋにおいて測定した。その結果、ｎｏｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｊｃにおいて、２５００Ａ／ｍｍ２（ａｔ １２Ｔ）の特性を示した。
【実施例３】
【００４８】
本発明の実施例３においては、超電導線材を構成する材料としてＮｂＴｉを用いた。実施例３に係る超電導線材は、実施例１に係る超電導線材と略同様の製造工程で製造した。したがって、実施例１との相違点を除き、詳細な説明は省略する。
【００４９】
実施例３においては、コア材として、直径が１．７５ｍｍのＮｂＴｉ線を用いた。そして、金属薄膜テープとしてＣｕテープ（厚さ：７０μｍ、幅８．５ｍｍ）のみを用いた。そして、コア材にＣｕテープを２層巻きつけでロールフォーミングした。すなわち、コア材にＣｕテープを巻きつけて円形断面として成形した後、六角形状に減面加工した。更に、カセットロール引抜を実施した。これにより、銅比が０．３３であり、直径が１．５ｍｍ相当の第１の線材としての六角線を作製した。なお、Ｃｕテープは、無酸素銅から製造したテープである。
【００５０】
次に、作製した六角線を矯正すると共に、２５０ｍｍの長さ毎に切断した。続いて、銅からなるマルチ用ビレット（直径：７６ｍｍ、厚さ：５ｍｍ）に、切断した六角線を組み込むことにより、マルチビレットを作製した。ここで、マルチ用ビレットに組み込んだ切断した六角線の本数は、１９３０本である。
【００５１】
続いて、作製したマルチビレットを３００℃で押し出すことにより、直径２７ｍｍの押出材に加工した。次に、押出材に引抜加工を施すと共に、引抜加工の途中において数回の時効熱処理を施すことにより、銅比が０．７５であり、直径１６μｍである六角線を含む超電導線材を製造した。超電導線材の外径は、０．８ｍｍであった。
【００５２】
このようにして製造した実施例３に係る超電導線材の超電導特性を４．２Ｋにおいて測定した。その結果、ｎｏｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｊｃにおいて、１２００Ａ／ｍｍ２（ａｔ ７Ｔ）という良好な特性を示した。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態に係る超電導線材の製造方法の流れを示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る内層線の製造工程を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る素線材の製造工程を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係る素線材の断面図である。
【図５】本発明の実施例１に係るマルチビレットの断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ コア材
２０ Ｎｂテープ
２０ａ Ｎｂコイル
３０ Ｓｎ合金テープ
３０ Ｓｎ合金コイル
４０ 内層線
５０ Ｃｕテープ
５０ａ Ｃｕコイル
６０ 素線材
６５ マルチビレット
７０ マルチ用ビレット
８０ バリア層
１００ 成形ロール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属系の超電導線材は、超電導線材を構成する材料の特性に合わせた製造方法を用いて製造されている。例えば、Ｎｂ３Ａｌ系化合物からなる超電導線材の製造方法として、Ｎｂシート及びＡｌシートをＮｂコアにジェリーロール法により巻き合わせて作製した数十層の多層巻き構造のジェリーロール線材を細線化し、細線化したジェリーロール線材をマルチ用ビレットに充填してマルチビレットを作製し、マルチビレットを静水圧押出で伸線した上で急熱急冷処理を施して、直径が６０μｍ以上のＮｂ３Ａｌ系化合物の超電導線材を製造する超電導線材の製造方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１に記載の超電導線材の製造方法によれば、静水圧押出によりマルチビレットを伸線しているので、ビレットと工具との間の摩擦を低減でき、押出工程を低温で実現できる。
【０００４】
【非特許文献１】独立行政法人 物質・材料研究機構（ＮＩＭＳ）、“変態法による長尺化”、［平成２０年５月１３日検索］、インターネット（URL：http://www.nims.go.jp/smcMetal/Nb3Al_mitoh_4.pdf）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載の超電導線材の製造方法は、ジェリーロール法によりＮｂコアに巻き合わせるＮｂシート及びＡｌシートの層数が多く、製造される超電導線材の線径を低減することが困難であり、線径を更に低減させるためには、工数の多い製造工程を経なければならない。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、小径の超電導素線材を作業効率よく製造することができる超電導線材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、第１の金属材料からなるコア材に、第２の金属材料を圧延し、焼鈍熱処理を施して形成された金属薄膜テープを所定の巻き数で巻き合わせて、コア材の長手方向にロールフォーミング成形可能な径を有する第１の線材を作製する線材作製工程と、第１の線材を切断して、複数本の第２の線材を形成する切断工程と、複数本の第２の線材をマルチ用ビレットに充填してマルチビレットを作製する充填工程と、マルチビレットを押出して押出材を作製する押出工程と、押出材を引抜加工して引抜材を作製する引抜工程と、引抜材に熱処理を施して超電導線材を作製する熱処理工程とを備える超電導線材の製造方法が提供される。
【０００８】
また、上記超電導線材の製造方法は、超電導線材は、Ｎｂ化合物又はＮｂ合金を有して形成され、第１の金属材料は、Ｎｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｃｕ、Ｓｎ、及びＳｎ合金からなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を含み、第２の金属材料は、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ａｌ、及びＣｕからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を含み、線材作製工程は、第１の金属材料がＮｂ化合物を構成する一の金属を含む金属材料である場合、Ｎｂ化合物の構成成分のうち、一の金属と結合することによりＮｂ化合物を形成する他の金属を少なくとも第２の金属材料として選択し、線材作製工程は、第１の金属材料が一の金属を含まない金属材料である場合、一の金属及び他の金属の双方を第２の金属材料として少なくとも選択し、線材作製工程は、第１の金属材料がＮｂ合金である場合、Ｃｕを少なくとも第２の金属材料として選択することができる。また、線材作製工程は、一の金属及び他の金属の双方を第２の金属材料として少なくとも選択した場合、複数の金属薄膜テープをコア材に巻き合わせる工程を含み、複数の金属薄膜テープはそれぞれ一の金属及び他の金属から形成されてもよい。また、充填工程は、マルチビレットに１０００本以上の第２の線材を充填してもよい。更に、線材作製工程は、所定の巻き数が、コア材に１．２巻から６巻であってよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る超電導線材の製造方法によれば、小径の超電導素線材を作業効率よく製造することができる超電導線材の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る超電導線材の製造方法の流れの概要を示す。
【００１１】
本発明の実施の形態に係る超電導線材の製造方法は、極細多芯超電導線材としての超電導線材を製造する。本実施の形態においては、一例として、ジェリーロール法により超電導線材を製造する。また、本実施の形態に係る超電導線材の製造方法により製造される超電導線材は、例えば、Ｎｂ３Ｓｎ系化合物材料、ＮｂＡｌ系化合物材料、Ｎｂ−Ｔｉ合金系材料等のＮｂ化合物又はＮｂ合金から形成することができる。
【００１２】
まず、所定の第１の金属材料からなるコア材と、薄膜状の金属薄膜テープとを準備する。金属薄膜テープは、製造すべき超電導線材に対応させて選択され、第１の金属材料とは異なる第２の金属材料を含んで形成される。また、金属薄膜テープは、第２の金属材料に圧延加工を施して所定厚に圧延されて形成される。ここで、金属薄膜テープとしては、製造すべき超電導線材に対応させて、複数種類の金属薄膜テープを準備することができる。すなわち、本実施の形態においては、製造すべき超電導線材に応じて、コア材と１種類の金属薄膜テープとを準備するか、あるいは、コア材と一の金属薄膜テープ及び他の金属薄膜テープとを準備する。
【００１３】
コア材は、断面直径が数ｍｍ以下のロッド形状又は線形状を有する。また、コア材は、第１の金属材料としてのＮｂ、Ｎｂ合金（例えば、Ｎｂ−Ｔｉ合金）、Ｔａ、Ｃｕ、Ｓｎ、又はＳｎ合金等の金属材料から形成される。一方、金属薄膜テープは、１００μｍ程度以下の厚さの薄膜状を有する。そして、金属薄膜テープは、第２の金属材料として、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ａｌ、又はＣｕ等の金属材料を含んで形成される。例えば、金属薄膜テープとしては、Ｎｂテープ、Ｓｎテープ、Ｓｎ合金テープ、Ａｌテープ、Ｃｕテープ、Ｎｂテープ／Ｓｎ合金テープの複合テープ（例えば、Ｎｂ３Ｓｎ超電導素線材用）、Ｎｂテープ／Ｃｕテープの複合テープ（例えば、Ｎｂ３Ｓｎ超電導素線材用）、又はＮｂテープ／Ａｌテープの複合テープ（例えば、Ｎｂ３Ａｌ超電導素線材用）等を、製造すべき超電導線材に対応させて用いることができる。
【００１４】
そして、コア材の周囲に金属薄膜テープを巻き合わせ、第１の線材を作製する（図１：ステップ１００（以下、ステップを「Ｓ」と略す））。すなわち、コア材の周囲に、複合テープ又は複数種類の金属薄膜テープを巻き合わせることにより第１の線材を作製する。例えば、コア材の周囲に複合テープを巻き合わせて第１の線材を作製する。一例として、コア材の周囲にＮｂテープ／Ｓｎ合金テープの複合テープを巻き合わせることにより第１の線材を作製できる。また、複数種類の金属薄膜テープを巻き合わせる場合は、コア材の周囲に一の金属薄膜テープと他の金属薄膜テープとを多重にして巻き合わせる。一例として、コア材の周囲にＮｂテープを巻き合わせ、その後Ｓｎ合金テープを巻き合わせることにより第１の線材を作製できる。他の複合テープ又は金属薄膜テープを用いる場合も、同様にして第１の線材を作製できる。なお、後述するマルチビレット作成後の熱処理によって複数の第１の線材同士の融着を抑制することを目的として、第１の線材それぞれの最外層に、所定の金属薄膜テープ（例えば、Ｃｕテープ）を更に巻き合わせることもできる。
【００１５】
表１に、本実施の形態において用いる第１の金属材料と第２の金属材料との組合せの一例を示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】
表１を参照して、例えば、製造すべき超電導線材がＮｂ３Ｓｎ線材である場合を説明する。まず、第１の金属材料から形成されるコア材としてＮｂ（Ｎｂ線）を選択した場合、第２の金属材料から形成される金属薄膜テープは、Ｎｂ３Ｓｎ化合物の構成成分のうち、Ｎｂと結合することによりＮｂ３Ｓｎ化合物を形成するＳｎを含む金属薄膜テープを少なくとも選択する。例えば、Ｎｂテープ／Ｓｎ合金テープの複合テープ、又はＳｎ合金テープを少なくとも選択する。また、第１の金属材料から形成されるコア材としてＴａ又はＣｕを選択した場合、第２の金属材料から形成される金属薄膜テープは、Ｎｂ３Ｓｎ化合物の構成成分を含む金属薄膜テープを選択する。例えば、Ｎｂテープ／Ｓｎ合金テープの複合テープ、又はＮｂテープ及びＳｎ合金テープを選択する。また、第１の金属材料から形成されるコア材としてＳｎ合金（Ｓｎ合金線）を選択した場合、第２の金属材料から形成される金属薄膜テープは、Ｎｂ３Ｓｎ化合物の構成成分のうち、Ｓｎと結合することによりＮｂ３Ｓｎ化合物を形成するＮｂを含む金属薄膜テープを少なくとも選択する。例えば、Ｎｂテープ／Ｃｕテープの複合テープ、又はＮｂテープを少なくとも選択する。
【００１８】
なお、例えば、コア材の周囲にまずＮｂテープを巻き合わせ、その後Ｓｎ合金テープを巻き合わせる場合、Ｓｎ合金テープの外側にバリアテープ（例えば、Ｎｂバリアテープ）を更に巻き合わせることもできる。ここで、コア材の周囲にＳｎ合金テープを巻き合わせた後、Ｎｂテープを巻き合わせる場合には、バリアテープを省くことができる。すなわち、コア材の周囲にＮｂテープを除く金属薄膜テープを巻き合わせた後、Ｎｂテープを巻き合わせる場合、Ｎｂバリアテープを省くことができる。
【００１９】
ここで、本実施の形態においては、コア材の長手方向にロールフォーミング成形可能な範囲の径にすべく、コア材の周囲に金属薄膜テープを所定の巻き数で巻き合わせる。これにより、小径であって、数層巻きの第１の線材を作製する。具体的に、本実施の形態においては、コア材の周囲に金属薄膜テープを１．２巻から６巻して、第１の線材を作製する。
【００２０】
次に、第１の線材を所定の長さ毎に切断することにより、複数本の第２の線材を作製する（Ｓ１１０）。例えば、後述するマルチ用ビレットの長手方向の長さに対応させて、第１の線材を切断する。ここで、Ｓ１００の前又は後、若しくはＳ１１０の後において、コア材及び／又は金属薄膜テープ、又は第１の線材、若しくは第２の線材に、これらの材料を軟化させることを目的として、所定の雰囲気下、所定の温度、所定の時間の焼鈍熱処理（焼鈍軟化処理）を予め施すことができる。例えば、Ｓ１００においてコア材と金属薄膜テープとを準備した後、第１の線材を作製する前に、金属薄膜テープに焼鈍熱処理を施すことができる。なお、複数種類の金属薄膜テープを用いる場合、金属薄膜テープを構成する材料に応じて、金属薄膜テープ毎に異なる条件下の焼鈍熱処理を施すことができる。
【００２１】
次に、複数本の第２の線材を、マルチ用ビレットに充填してマルチビレットを作製する（Ｓ１２０）。本実施の形態においては、一例として、マルチ用ビレットの断面の単位面積（単位面積を１ｍｍ２とする）あたり、第２の線材が０．２本から０．４本程度の範囲で充填される。本実施の形態に係るマルチ用ビレットは、例えば、Ｃｕから形成され、略円筒形状を有する。また、マルチ用ビレットに複数本の第２の線材を充填するときに、複数本の第２の線材とマルチ用ビレット内壁との間に、高融点金属材料（例えば、Ｔａ）からなる反応防止層（バリア層）を更に組み込むこともできる。ここで、反応防止層をマルチ用ビレットに組み込む前に、反応防止層を軟化させることを目的として、反応防止層に焼鈍熱処理を施すこともできる。
【００２２】
次に、マルチビレットを押出（冷間押出又は温間押出）して、押出材を作製する（Ｓ１３０）。本実施の形態においては、マルチ用ビレットに第２の線材を充填する前に、当該第２の線材に焼鈍熱処理を施すことにより、第２の線材を焼鈍軟化させることができる。これにより、マルチビレットを低温、すなわち、第２の線材を構成する材料の再結晶温度未満又は常温において押出加工できる。
【００２３】
次に、常温において押出材を、所定の形状の穴を有するダイスに通して引き抜くことにより、所定の径を有する引抜材を作製する（Ｓ１４０）。更に、引抜材に、所定の温度、所定の時間の熱処理を施す（Ｓ１５０）。これにより、本実施の形態に係る超電導線材が製造される（Ｓ１６０）。なお、熱処理（Ｓ１５０）の後に、線材の表面に安定化材としてのＣｕを被覆した超電導線材を製造することもできる。
【００２４】
なお、本実施の形態に係る超伝導線材を構成する材料に含まれるＮｂ、Ｔａは、いずれも加工硬化が大きい材料であり、変形抵抗が大きい。一方、Ｓｎ、Ａｌは、加工硬化が小さい軟質な材料である。また、安定化材として用いるＣｕはＮｂ等の金属材料とＳｎ等の金属材料との中間の強度であり、加工硬化はＮｂ、Ｓｎ等に比べて早く飽和する。したがって、ロッド法等を用いて、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方を含む材料からシングルスタックで線材を成形すると、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料とが複合加工されることとなる。
【００２５】
この場合、Ｔａ等の高融点材料を基準として焼鈍熱処理を実施すると、Ｓｎ等が溶融してしまうので、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方に対して同時に焼鈍熱処理を施すことはできず、加工硬化が小さい材料に対してのみ焼鈍熱処理を施すことができる。したがって、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方を含み、いずれの材料も軟化していない場合、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方を含む線材を押出加工する場合には、温間又は熱間において加工を施すことを要する。このような工程を経ると、製造される超電導線材の特性が低下すると共に、加工性も低下するという知見を本発明者は得た。
【００２６】
また、例えば、ＮｂＴｉ合金系材料を線材の材料として用いる場合、ＮｂＴｉの析出物と加工による転位とを発生させて、ピンニング点をＮｂＴｉ合金系材料に導入することにより高磁場特性を改善する。この場合において、ＮｂＴｉ合金系材料が硬質であるので、この材料から線材を作製する場合、高温下での押出を要するが、係る高温での押出加工時にＮｂＴｉ合金系材料が軟化する。本発明者は、このような押出材にはピンニング点が導入されず、ピンニング点が導入されるまで大径で押出加工と引抜加工とを繰り返し実施することを要することにより、加工効率が低下するという知見を得た。更に、例えば、Ｎｂ３Ｓｎ系材料を用いる場合は、Ｎｂ３Ｓｎ系材料に温間加工又は熱間加工を施すと、Ｓｎが溶融する場合があり、線材を作製することができない場合があるとの知見を得た。
【００２７】
しかしながら、本実施の形態においては、超伝導線材を構成する材料である加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料とはそれぞれ、予め焼鈍熱処理を施すことにより軟化させることができる。すなわち、超伝導線材を構成する材料である加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料とのそれぞれについて、加工硬化量を所定値以下にした状態で超電導線材の製造に用いることができる。例えば、第１の金属材料からなるコア材、第２の金属材料からなる金属薄膜テープ、安定化材、及び／又は反応防止層のそれぞれに、焼鈍熱処理を予め施して用いることができる。なお、複数種類の金属薄膜テープを用いる場合は、金属薄膜テープのそれぞれに焼鈍熱処理を施すことができる。
【００２８】
よって、加工硬化が大きい材料と加工硬化が小さい材料との双方を含む線材を冷間加工により、比較的低い押出圧力で押出すことができるので、加工効率を向上させることができる。すなわち、本実施の形態においては、例えば、Ｓｎ又はＳｎ合金を含んで作製される第２の線材が組み込まれたマルチビレットを、Ｓｎを含んだ領域を加工熱で溶解させることなく押出加工することができる。これにより、例えば、ジェリーロール法を用いて、Ｎｂ３Ｓｎ系材料からなる超電導線材を断線させずに効率よく製造できる。
【００２９】
（変形例）
本実施の形態に係る超電導線材の製造方法は、上記材料の他にも、Ｖ３Ｇａ系化合物材料、又はＭｇＢ２系化合物材料、若しくはＹ系、Ｂｉ系、Ｔｌ系、Ｈｇ系、又はＡｇ−Ｐｂ系の酸化物超電導材料等を用いて超電導線材を形成することもできる。
【００３０】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る超電導線材の製造方法によれば、圧延加工により金属薄膜テープを形成して、当該金属薄膜テープをコア材の周囲に巻きつけるので、生産性よく小型の第１の線材を製造できる。例えば、金属薄膜テープを用いると共に、コア材に巻きつける巻き数を低減することにより、巻き上がりの径が小さな小型の第１の線材を製造できる。したがって、本実施の形態によれば、生産コストの増大を抑制できると共に、一例として、１０００本以上、５０００本程度の第２の線材を用いたマルチビレットを作製できる。すなわち、本実施の形態によれば、交流ロスを大幅に低減できる超電導線材を作製することができる。
【００３１】
また、本実施の形態に係る超電導線材の製造方法によれば、小径のコア材に薄膜テープ状の金属薄膜テープを数層巻きとなる範囲で巻き合わせるので、長手方向に連続的にロールフォーミング及び成形して第１の線材としてのジェリーロール線材を連続的に断線させずに製造できる。そして、製造した所定本数の第１の線材をマルチ用ビレットに充填して、第１の線材が充填されたマルチ用ビレットを所定の形状（例えば、断面六角形状）に成形することにより、素線としてのマルチビレットを形成できる。これにより、本実施の形態に係る超電導線材の製造方法によれば、断面積が小さな超電導線材を、作業工数を大幅に低減させて（作業効率を大幅に向上させて）、歩留りよく製造することができる。
【００３２】
すなわち、本実施の形態に係る超電導線材の製造方法によれば、小径のコア材に金属薄膜テープを数層巻きとなる範囲で巻き合わせたジェリーロール線材を連続的に断線させずに製造でき、製造した第２の線材とマルチ用ビレットとから、シングルスタック法を用いてマルチビレットを形成できるので、生産性を向上させることができる。これによりコストを抑え、複数の極細の芯としての第２の線材を有する超電導線材を製造できる。
【００３３】
そして、本実施の形態では、シングル超電導素線としての第１の線材を小径のコア材に薄膜テープ状の金属薄膜テープを数層巻きとなる範囲で巻き合わせて製造した後、シングルスタック法を用いて製造した第１の線材から作製される複数の第２の線材をマルチ用ビレットに組み込み、押出加工及び引抜加工を当該マルチ用ビレットに施すことにより、所定の径を有する超電導線材を製造する。したがって、本実施の形態によれば、磁場特性が安定であり、交流ロスを低減した実用に適した超電導線材を安価に製造できる。
【実施例１】
【００３４】
図２は、本発明の実施例１に係る内層線の製造工程の一例を示し、図３は、本発明の実施例１に係る素線材の製造工程の一例を示す。また、図４は、本発明の実施例１に係る素線材の断面の一例を示す。更に、図５は、本発明の実施例１に係るマルチビレットの断面の一例を示す。
【００３５】
具体的に、本発明の実施例１においては、超電導線材を構成する材料としてＮｂ３Ｓｎを用いた。そして、図２は、内層線４０を連続的ロールフォーミングにより製造する製造工程の概要を示すと共に、図３は、製造した内層線４０から第１の線材としての素線材６０を連続的ロールフォーミングにより製造する製造工程の概要を示す。
【００３６】
まず、図２を参照する。実施例１では、コア材１０として、直径０．８ｍｍのＮｂ線を準備した。また、第１の金属薄膜テープとしてのＳｎ合金テープ３０（厚さ：５０μｍ、幅：１５．１ｍｍ）が所定の芯に巻きつけられたＳｎ合金コイル３０ａと、第２の金属薄膜テープとしてのＮｂテープ２０（厚さ：１００μｍ、幅：１５．１ｍｍ）が所定の芯に巻きつけられたＮｂコイル２０ａとを準備した。コア材１０、Ｎｂテープ２０、及びＳｎ合金テープ３０のそれぞれには、所定の雰囲気下、所定の温度において所定の時間での焼鈍熱処理を予め施した。具体的に、Ｓｎ合金テープ３０には、不活性雰囲気下（例えば、窒素雰囲気下）、２００℃で３０分の焼鈍熱処理を施した。また、Ｎｂテープ２０には、不活性雰囲気下、８００℃で３０分の焼鈍熱処理を施した。
【００３７】
そして、コア材１０を中心にして、コア材１０の周囲にＳｎ合金テープ３０とＮｂテープ２０とを多重にして数層巻きした。具体的には、コア材１０の周囲に各テープを３．１ターンで巻きつけた。そして、コア材１０にＳｎ合金テープ３０とＮｂテープ２０とを巻きつけつつ、成形ロール１００を通してロールフォーミングを実施した。これにより、ジェリーロール線材としての内層線４０を製造した。
【００３８】
続いて、図３に示すように、Ｃｕテープ５０（厚さ：４０μｍ、幅：１２ｍｍ）が所定の芯に巻きつけられたＣｕコイル５０ａを準備した。そして、内層線４０の周囲にＣｕテープ５０を被覆して（内層線４０の周囲に１．７ターンで巻きつけ）、ロールフォーミングにより断面を略六角形に成形した。これにより、図４に示すような、φ２．２ｍｍ円相当の断面積の六角線に相当する第１の線材としての素線材６０が得られた。なお、Ｃｕテープ５０には、所定の雰囲気下、所定の温度において所定の時間での焼鈍熱処理を予め施した。具体的に、Ｃｕテープ５０に、不活性雰囲気下、４００℃で３０分の焼鈍熱処理を施した。
【００３９】
次に、素線材６０を矯正すると共に、２５０ｍｍの長さ毎に切断した。続いて、図５に示すように、銅からなるマルチ用ビレット７０（直径：７８ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）に、切断した素線材６０とバリア層８０とを組み込むことにより、マルチビレット６５を作製した。ここで、マルチ用ビレット７０と複数本の素線材６０との間に組み込んだバリア層８０としては、Ｔａから形成された厚さが１ｍｍのテープを用いた。また、マルチ用ビレット７０に組み込んだ切断した素線材６０の本数は、１０８９本である。
【００４０】
続いて、マルチビレット６５を冷間で押し出すことにより、直径３０ｍｍの押出材としての線材に加工した。本実施例では、冷間で押し出す際の押出圧力を、加工時に発生する加工熱によって素線材６０を構成するＳｎ合金が溶解しない範囲における押出圧力に低下させて押し出すことができた。
【００４１】
次に、押出材に引抜加工を施して、直径１．５ｍｍの引抜材を作製した。続いて、作製した引抜材に、６５０℃から７５０℃、２００時間から３００時間の熱処理を施した。更に、熱処理後、熱処理済みの引抜材の外周に安定化材としての銅を取り付けることにより、実施例１に係る超電導線材を製造した。
【００４２】
このようにして製造した実施例１に係る超電導線材の超電導特性を４．２Ｋにおいて測定した。その結果、ｎｏｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｊｃにおいて、３１００Ａ／ｍｍ２（ａｔ １２Ｔ）の特性を示した。
【実施例２】
【００４３】
本発明の実施例２においては、超電導線材を構成する材料としてＮｂ３Ａｌを用いた。実施例２に係る超電導線材は、実施例１に係る超電導線材と略同様の製造工程で製造した。したがって、実施例１との相違点を除き、詳細な説明は省略する。
【００４４】
実施例２においては、コア材（直径０．８ｍｍのＮｂ線）の周囲に、第１の金属薄膜テープとしてのＡｌテープ（厚さ：５０μｍ、幅：２３ｍｍ）と第２の金属薄膜テープとしてのＮｂテープ（厚さ：１００μｍ、幅：２３ｍｍ）とを実施例１と同様にして巻きつけた（４．５巻した）。そして、ロールフォーミングにより断面を略六角形に成形した。これにより、実施例２に係る第１の線材としての素線材を製造した。なお、実施例２に係る素線材の断面は、直径が２．３ｍｍ相当の六角形状であった。
【００４５】
次に、当該第１の線材を矯正すると共に、５００ｍｍの長さ毎に切断した。続いて、銅からなる大型マルチ用ビレット（直径：１６０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍ）に、切断した第１の線材とＴａからなるバリア層とを組み込むことにより、マルチビレットを作製した。ここで、大型マルチ用ビレットに組み込んだ切断した第１の線材の本数は、３０５０本である。
【００４６】
続いて、作製したマルチビレットを冷間で押し出すことにより、直径５０ｍｍの押出材としての線材に加工した。次に、引抜加工を押出材に施して、直径１．５ｍｍの引抜材を作製した。ここで、実施例２においては、引抜材の外周を被覆している銅からなる大型マルチ用ビレットを硝酸で除去した。そして、銅を除去した後の引抜材に、急熱急冷処理を施した。これにより、実施例２に係る超電導線材を製造した。
【００４７】
このようにして製造した実施例２に係る超電導線材の超電導特性を４．２Ｋにおいて測定した。その結果、ｎｏｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｊｃにおいて、２５００Ａ／ｍｍ２（ａｔ １２Ｔ）の特性を示した。
【実施例３】
【００４８】
本発明の実施例３においては、超電導線材を構成する材料としてＮｂＴｉを用いた。実施例３に係る超電導線材は、実施例１に係る超電導線材と略同様の製造工程で製造した。したがって、実施例１との相違点を除き、詳細な説明は省略する。
【００４９】
実施例３においては、コア材として、直径が１．７５ｍｍのＮｂＴｉ線を用いた。そして、金属薄膜テープとしてＣｕテープ（厚さ：７０μｍ、幅８．５ｍｍ）のみを用いた。そして、コア材にＣｕテープを２層巻きつけでロールフォーミングした。すなわち、コア材にＣｕテープを巻きつけて円形断面として成形した後、六角形状に減面加工した。更に、カセットロール引抜を実施した。これにより、銅比が０．３３であり、直径が１．５ｍｍ相当の第１の線材としての六角線を作製した。なお、Ｃｕテープは、無酸素銅から製造したテープである。
【００５０】
次に、作製した六角線を矯正すると共に、２５０ｍｍの長さ毎に切断した。続いて、銅からなるマルチ用ビレット（直径：７６ｍｍ、厚さ：５ｍｍ）に、切断した六角線を組み込むことにより、マルチビレットを作製した。ここで、マルチ用ビレットに組み込んだ切断した六角線の本数は、１９３０本である。
【００５１】
続いて、作製したマルチビレットを３００℃で押し出すことにより、直径２７ｍｍの押出材に加工した。次に、押出材に引抜加工を施すと共に、引抜加工の途中において数回の時効熱処理を施すことにより、銅比が０．７５であり、直径１６μｍである六角線を含む超電導線材を製造した。超電導線材の外径は、０．８ｍｍであった。
【００５２】
このようにして製造した実施例３に係る超電導線材の超電導特性を４．２Ｋにおいて測定した。その結果、ｎｏｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｊｃにおいて、１２００Ａ／ｍｍ２（ａｔ ７Ｔ）という良好な特性を示した。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態に係る超電導線材の製造方法の流れを示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る内層線の製造工程を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る素線材の製造工程を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係る素線材の断面図である。
【図５】本発明の実施例１に係るマルチビレットの断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ コア材
２０ Ｎｂテープ
２０ａ Ｎｂコイル
３０ Ｓｎ合金テープ
３０ Ｓｎ合金コイル
４０ 内層線
５０ Ｃｕテープ
５０ａ Ｃｕコイル
６０ 素線材
６５ マルチビレット
７０ マルチ用ビレット
８０ バリア層
１００ 成形ロール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属材料からなるコア材に、第２の金属材料を圧延し、焼鈍熱処理を施して形成された金属薄膜テープを所定の巻き数で巻き合わせて、前記コア材の長手方向にロールフォーミング成形可能な径を有する第１の線材を作製する線材作製工程と、
前記第１の線材を切断して、複数本の第２の線材を形成する切断工程と、
前記複数本の第２の線材をマルチ用ビレットに充填してマルチビレットを作製する充填工程と、
前記マルチビレットを押出して押出材を作製する押出工程と、
前記押出材を引抜加工して引抜材を作製する引抜工程と、
前記引抜材に熱処理を施して超電導線材を作製する熱処理工程と
を備える超電導線材の製造方法。
【請求項２】
前記超電導線材は、Ｎｂ化合物又はＮｂ合金を有して形成され、
前記第１の金属材料は、Ｎｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｃｕ、Ｓｎ、及びＳｎ合金からなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を含み、
前記第２の金属材料は、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ａｌ、及びＣｕからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を含み、
前記線材作製工程は、前記第１の金属材料が前記Ｎｂ化合物を構成する一の金属を含む金属材料である場合、前記Ｎｂ化合物の構成成分のうち、前記一の金属と結合することにより前記Ｎｂ化合物を形成する他の金属を少なくとも前記第２の金属材料として選択し、
前記線材作製工程は、前記第１の金属材料が前記一の金属を含まない金属材料である場合、前記一の金属及び前記他の金属の双方を前記第２の金属材料として少なくとも選択し、
前記線材作製工程は、前記第１の金属材料が前記Ｎｂ合金である場合、Ｃｕを少なくとも前記第２の金属材料として選択する請求項１に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項３】
前記線材作製工程は、前記一の金属及び前記他の金属の双方を前記第２の金属材料として少なくとも選択した場合、複数の前記金属薄膜テープを前記コア材に巻き合わせる工程を含み、前記複数の前記金属薄膜テープはそれぞれ前記一の金属及び前記他の金属から形成される請求項２に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項４】
前記充填工程は、前記マルチビレットに１０００本以上の前記第２の線材を充填する請求項２に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項５】
前記線材作製工程は、前記所定の巻き数が、前記コア材に１．２巻から６巻である請求項３に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項１】
第１の金属材料からなるコア材に、第２の金属材料を圧延し、焼鈍熱処理を施して形成された金属薄膜テープを所定の巻き数で巻き合わせて、前記コア材の長手方向にロールフォーミング成形可能な径を有する第１の線材を作製する線材作製工程と、
前記第１の線材を切断して、複数本の第２の線材を形成する切断工程と、
前記複数本の第２の線材をマルチ用ビレットに充填してマルチビレットを作製する充填工程と、
前記マルチビレットを押出して押出材を作製する押出工程と、
前記押出材を引抜加工して引抜材を作製する引抜工程と、
前記引抜材に熱処理を施して超電導線材を作製する熱処理工程と
を備える超電導線材の製造方法。
【請求項２】
前記超電導線材は、Ｎｂ化合物又はＮｂ合金を有して形成され、
前記第１の金属材料は、Ｎｂ、Ｎｂ合金、Ｔａ、Ｃｕ、Ｓｎ、及びＳｎ合金からなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を含み、
前記第２の金属材料は、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｓｎ合金、Ａｌ、及びＣｕからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を含み、
前記線材作製工程は、前記第１の金属材料が前記Ｎｂ化合物を構成する一の金属を含む金属材料である場合、前記Ｎｂ化合物の構成成分のうち、前記一の金属と結合することにより前記Ｎｂ化合物を形成する他の金属を少なくとも前記第２の金属材料として選択し、
前記線材作製工程は、前記第１の金属材料が前記一の金属を含まない金属材料である場合、前記一の金属及び前記他の金属の双方を前記第２の金属材料として少なくとも選択し、
前記線材作製工程は、前記第１の金属材料が前記Ｎｂ合金である場合、Ｃｕを少なくとも前記第２の金属材料として選択する請求項１に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項３】
前記線材作製工程は、前記一の金属及び前記他の金属の双方を前記第２の金属材料として少なくとも選択した場合、複数の前記金属薄膜テープを前記コア材に巻き合わせる工程を含み、前記複数の前記金属薄膜テープはそれぞれ前記一の金属及び前記他の金属から形成される請求項２に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項４】
前記充填工程は、前記マルチビレットに１０００本以上の前記第２の線材を充填する請求項２に記載の超電導線材の製造方法。
【請求項５】
前記線材作製工程は、前記所定の巻き数が、前記コア材に１．２巻から６巻である請求項３に記載の超電導線材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−３０１９２８（Ｐ２００９−３０１９２８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５６４４１（Ｐ２００８−１５６４４１）
【出願日】平成２０年６月１６日（２００８．６．１６）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１６日（２００８．６．１６）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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