ＭｇＢ２超電導線材の製造方法
【課題】
in−situ法を用いたＣｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材の長尺化と高いＪｃを両立させる中間熱処理条件を提供する。
【解決手段】
Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材におけるＣｕとＦｅのシース厚み比を、Ｃｕが１に対してＦｅを１.５以上にした複合シース材を用い、その複合材にＭｇとＢを充填して構成される線材を、加工工程の途中で５００〜５４０℃の中間熱処理を行いつつ伸線加工する。これにより、高Ｊｃ化と長尺化を両立したin−situ法Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を作製できる。
in−situ法を用いたＣｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材の長尺化と高いＪｃを両立させる中間熱処理条件を提供する。
【解決手段】
Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材におけるＣｕとＦｅのシース厚み比を、Ｃｕが１に対してＦｅを１.５以上にした複合シース材を用い、その複合材にＭｇとＢを充填して構成される線材を、加工工程の途中で５００〜５４０℃の中間熱処理を行いつつ伸線加工する。これにより、高Ｊｃ化と長尺化を両立したin−situ法Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を作製できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭｇＢ2超電導線材の製造方法にかかり、特に、長尺化に有効なＭｇＢ2超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２１世紀に入って発見されたＭｇＢ2は、以下の材料特性を持つことが知られている。
【０００３】
（１）臨界温度（Ｔｃ）が３９Ｋと、従来の金属系超電導体と比べて２０Ｋ以上高い。
（２）上部臨界磁界（Ｈｃ2）が２０Ｔ程度あるいはそれ以上と、従来の金属系超電導体より大きい。
（３）Ｊｃは、最大で３０００Ａ／mm2オーダーであり、実用レベルである。
（４）磁気異方性が小さく、結晶のａ軸，ｂ軸およびｃ軸のどの方向にも同様の電流を流すことができる。
【０００４】
このように、ＭｇＢ2超電導体は、Ｔｃ，Ｈｃ2ともに、従来の金属系超電導体よりも同等レベルかそれ以上であるため、超電導マグネットに適用すれば、クエンチ事故のない極めて安定したシステムを構築することができるというメリットが生じる。
【０００５】
また、Ｔｃが高いため、液体ヘリウムを冷媒として用いる必要がなく、液体水素や液体ネオンなどの冷媒が利用可能になる。
【０００６】
さらに、酸化物系超電導線材では、線材化するための金属シース材に貴金属を使用する必要があったが、ＭｇＢ2の場合は安価な銅，鉄，ステンレス鋼を用いることができる。
【０００７】
このため、発見以来、世界中で実用化のための研究が鋭意推進されている。
【０００８】
ＭｇＢ2の線材化手法としては、工業化に適するPowder−In−Tube（ＰＩＴ）法が用いられ、このＰＩＴ法はＭｇＢ2超電導粉末を比較的強度の高いステンレス鋼，ニッケル等のシース材に充填するex−situ、ＭｇとＢとの混合粉末を鉄管等に充填し、線材加工後、熱処理によって超電導化するin−situの２方式に大別される。
【０００９】
ex−situ法では、熱処理が不要あるいは比較的低温で簡便なもので済むため製造コストの低減が期待される。しかし、充填するＭｇＢ2超電導粉末の特性に左右されるところが大きく、特に高磁場中でＪｃに課題がある。
【００１０】
一方、in−situ法では、例えば、特許文献１に記載のようにＭｇＢ2合成時の体積減少により線材コア中に空隙が生じるが、加工や熱処理プロセスの改善により、Ｈｃ2並びにＪｃ向上の可能性が高く、ＮｂＴｉ線材に匹敵する性能が得られつつある。
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１５７５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
超電導マグネットとして使用する線材としては、高いＪｃを有すること、長尺化が可能であることが最低限必要であり、形状は、丸線あるいは平角線であることが望ましい。これらを実現するために、各種製造条件の最適化等の検討が鋭意行われている。
【００１３】
しかし、現状では、実用線材とするために必要な長尺線材化と高性能化を同時に達成できるＭｇＢ2超電導線材の製造方法は、いまだ確立されていない。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、実用線材とするために必要な長尺線材化と高性能化を同時に達成できるＭｇＢ2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】
【００１５】
本発明のＭｇＢ2超電導線材の製造方法は、ＣｕまたはＣｕ基合金とＦｅまたはＦｅ基合金とからなる複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成されるものであって、伸線加工と、５００〜５４０℃の中間熱処理とを繰り返し行って、加工することを特徴とするものである。
【００１６】
そして、中間熱処理を実施したＭｇＢ2超電導線材のコア部は、臨界温度が３０Ｋ以下のＭｇＢ2であることを特徴とする。
【００１７】
また、ＣｕとＦｅとの厚みの比が、Ｃｕが１に対して、Ｆｅが１.５以上の厚みを有することを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明のＭｇＢ2超電導線材は、ＣｕまたはＣｕ基合金からなる第一シースと、ＦｅまたはＦｅ基合金とからなる第二シースと、を有する複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成されるものであって、第一シースと第二シースとの厚みの比が、第一シースが１に対して、第二シースが１.５以上の厚みを有することを特徴とする。
【００１９】
そして、第二シースが、第一シースより外側に形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって、実用線材とするために必要な長尺線材化と高性能化を同時に達成できるＭｇＢ2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】
【００２１】
図１に、Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2単芯線材（ＭｇＢ2超電導線材）の模式図を示す。
【００２２】
図１は、横断面である。最外周には、電気伝導度に優れたＣｕまたはＣｕ基合金１（以下、代表してＣｕ１と記す）（第一シース）を配置し、Ｃｕ１と超電導コア部３との間には、超電導コア部の緻密度を向上させ、かつ、熱処理工程での反応を防止するバリア層としてＦｅまたはＦｅ基合金２（以下、代表してＦｅ２と記す）（第二シース）を配置している。
【００２３】
Ｆｅ２をバリア層として用いない場合には、最終熱処理時にシース材のＣｕ１と超電導コア部（ここでは、ＭｇＢ2）３のＭｇとが冶金的に反応し、高いＪｃ特性が得られなくなる。
【００２４】
長尺化のひとつの手段として、シース材の加工硬化による不均一変形や断線を防止するという観点から中間熱処理（焼鈍）が行われる。
【００２５】
中間熱処理の温度としては、融点の概ね１／２を目安とする。
【００２６】
従って、Ｃｕ１とＦｅ２との両者が焼きなましされる温度としては、５５０℃以上７５０℃以下程度に加熱する必要がある。
【００２７】
in−situ法で作製するＭｇＢ2線材の場合、５５０〜５６０℃でＭｇとＢとが反応し、超電導コア部３にＭｇＢ2が生成されることになる。ＭｇＢ2の生成は、伸線過程における均一加工を妨げるだけでなく、最終加工後に熱処理しても、中間熱処理を実施しない線材に比べて、Ｊｃを１／２〜１／３まで低下させるという問題があったが、本実施例により解決することができた。
【００２８】
以上のように、高Ｊｃ化と長尺化はトレードオフの関係にあり、Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材でこれらを両立するものは、従来得られていなかったが、本実施例により得ることができた。
【００２９】
本実施例により、ＭｇＢ2超電導線材を工業的に広く適用可能とするためには、最低でもkm級の線材で、１０００Ａ／mm2を超えるＪｃが実現可能な超電導線材の製造技術を確立する。
【００３０】
つまり、本実施例により、臨界温度以下の環境において、超電導性を発現する超電導体を用いることによって、高い輸送臨界電流密度（Ｊｃ）が得られる、in−situ／ＭｇＢ2長尺線材の製造方法を実現することができる。
【００３１】
特に、具体的には、電流リード，送電ケーブル，大型マグネット，核磁気共鳴分析装置，医療用磁気共鳴診断装置，超電導電力貯蔵装置，磁気分離装置，磁場中単結晶引き上げ装置，冷凍機冷却超電導マグネット装置，超電導エネルギー貯蔵，超電導発電機，核融合炉用マグネット等の機器に適用される線材を実現できる。
【００３２】
本発明者らは、ＭｇＢ2超電導線材の製造方法を鋭意検討した結果、以下の達成可能な手段を見出した。
【００３３】
即ち、ＣｕまたはＣｕ基合金とＦｅまたはＦｅ基合金からなる複合シース材中に、ＭｇとＢを充填して構成される線材において、伸線加工と５００〜５４０℃の中間熱処理とを繰り返し行って最終形状まで加工することにより達成できる。
【００３４】
以上により、Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材の長尺化と高Ｊｃ化が同時に実現できる。
【００３５】
Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材において、高Ｊｃ化を実現するには、Ｃｕに対してＦｅの厚みを増加させることが効果的と考えた。これは、加工度を上げるにつれ、Ｆｅが加工硬化し、線材コア部の充填密度（緻密度）が向上するためである。
【００３６】
線材コア部の充填密度が向上すると、粉末間の拡散距離が短くなり、より反応性が促進する。これにより、Ｊｃが向上することを発明者らは実験的に明らかにしている。
【００３７】
このような線材で、最終的にkmを超えるような長尺線材を作製しようとする場合、線材自身への加工度が高くなるため、シース材のＦｅが加工硬化を起こし、展延性が低下するが、こうした課題を解決し、線材の断線が発生しにくく、長尺線を得ることできるようになることを見出した。
【００３８】
本発明者らは、様々な視点から検討を行った。以下に、その一例を述べる。
【００３９】
本実施例において、中間熱処理温度を５００〜５４０℃に設定した根拠を説明する。
【００４０】
５００℃以下の温度では、ＦｅまたはＦｅ基合金の焼きなましが、不十分であるため、加工性が向上しない。これに対し、５４０℃を超える温度で中間熱処理すると、シース材への焼きなまし効果は得られるものの、線材コア部のＭｇとＢとが反応し、ＭｇＢ2の生成が始まる。
【００４１】
Ｔｃが３９Ｋ以上のＭｇＢ2が一度でも生成してしまうと、最終的にどのような条件で熱処理しても、本来持つＪｃと比較して、１／２〜１／３以下の値しか得られないことを明らかにしている。
【００４２】
本実施例において、最終形状まで加工された線材におけるＣｕまたはＣｕ合金とＦｅまたはＦｅ合金のビッカース硬さの比を、２以下に保つことが重要であることを見出した。
【００４３】
すなわち、Ｃｕのビッカース硬さに対して、Ｆｅのビッカース硬さの比が２以下であれば、断線率は０であったが、２を超えると断線率が向上していき、２.５で、７５％，３.０で、９５％の断線率となった。
【００４４】
このため、ビッカース硬さの比が、Ｃｕ／Ｆｅ＝１／２で、Ｆｅのそれが２を超えない段階で中間熱処理を施すことが、長尺線材化のキーポイントとなることを実験的に明らかにした。
【００４５】
また、上記のような手段で中間熱処理と伸線加工を繰り返した場合には、最終形状まで加工された線材のＣｕまたはＣｕ合金のビッカース硬さは、１５０以下、ＦｅまたはＦｅ合金のビッカース硬さは、３００以下となることを実験的に明らかにした。
【００４６】
本実施例において、ＭｇとＢとの混合物に、０.２〜３０体積％の銅，銀，アルミニウム，チタン，タングステン，酸化珪素，炭化珪素，窒化珪素等を、単独あるいはそれらを混合して添加するとＪｃが向上する。
【００４７】
特に、ナノオーダーまで粒径を細かくすると一層効果的である。
【００４８】
また、２００〜１２００℃の範囲内で、必要に応じて窒素ガス，アルゴンガス，水素ガス，酸素ガス等を単独或いは混合した雰囲気、または大気圧以上の圧力下で熱処理を行うことで、結晶粒同士の接合性を向上しＪｃが向上する。
【００４９】
線材の作製プロセスとしては、遠心ボールミルやらいかい機等を用いて、ＭｇとＢとの混合粉末を作製した後、パイプ形状の金属シース材に充填し、塑性加工を施す、いわゆるパウダー・イン・チューブ法が主流となっている。
【００５０】
本実施例においては、外周と内周とに使用するシース材の硬度が異なることが特徴である。これにより、線材の電気的高安定化と高密度化が同時に実現でき、クエンチが起き難く、かつ超電導特性の向上も可能となる。
【００５１】
但し、断面構造や加工条件が適切でないと、シース部と超電導コア部界面の平滑性が失われる、いわゆるソーセージングが発生し、高い加工度になると超電導コア部が、金属シースを突き破ってシース表面から露出する問題が生じる。このため、理想的にはシース材のビッカース硬さの方が、超電導コア部のそれよりも大きくなるような線材断面構成にすることが望ましい。
【００５２】
また、本実施例において、ＣｕとＦｅとの間にあらかじめ接合助剤を設けておき、その接合助剤が溶融する温度で熱処理することにより、ＣｕとＦｅとを拡散接合させることも有効である。
【００５３】
接合助剤には、Ａｇや真鍮を用いると、歩留まり良く長尺化できることを実験により明らかにしている。
【００５４】
線材の縮径加工は、ドローベンチ，静水圧押出，スエージャー，カセットローラーダイス、或いは、溝ロールを用いて１パス当りの断面減少率が１〜２０％程度の伸線加工を繰り返し行う。必要に応じて、線材の多芯化を行うが、多芯化する方法は、丸断面形状或いは六角断面形状に伸線加工した線材をパイプに組み込み、上記の装置を用いて、１パス当りの断面減少率が１〜２０％程度で、所定とする線径まで伸線することが一般的な加工法である。
【００５５】
ここでの工程は、線材を所望の形状にすると同時に、金属シース材内に充填された超電導粉末を高密度化する作用がある。さらに緻密化を図るため、冷間或いは熱間圧延機で加工し、平角状或いはテープ状の断面とし、必要に応じて適切な温度や雰囲気で熱処理をすることによって、高い臨界電流密度の線材が得られる。
【００５６】
上記の方法以外にも、例えば溶射法，ドクターブレード法，ディップコート法，スプレーパイロリシス法、或いは、ジェリーロール法等で作製した線材を用いても、同等の超電導特性を得ることが可能である。
【００５７】
作製した線材は、目的に応じて一本以上複合させてコイル状に巻くことや、リード線状やケーブル線状に成形して利用する。
【００５８】
また、本実施例における超電導線材は、高靱性かつ高硬度であるため、線材自身の降伏応力、引張り強さ、ヤング率等の機械強度が高く、強磁場発生時の電磁力に耐え得るマグネットが構成できる。
【００５９】
さらに、両端抵抗を十分に小さくすることにより、永久電流マグネットが実現できる。
【００６０】
また、本実施例により製造された超電導体を、例えば、液体ヘリウム中で使用する場合、金属系超電導体や酸化物超電導体と組み合わさせる構造にすることで、より強い磁場を発生する超電導マグネット等の実用導体が実現できる。
【００６１】
このときの金属系超電導体としては、ＮｂＴｉ系合金，Ｎｂ3Ｓｎ系化合物，Ｎｂ3Ａｌ系化合物，Ｖ3Ｇａ系，シェブレル系化合物等を用い、必要に応じて２種以上のマグネットを配置する。このときの酸化物超電導体は、Ｙ系，Ｂｉ系，Ｔｌ系，Ｈｇ系，Ａｇ−Ｐｂ系の超電導体が望ましい。
【００６２】
また、本実施例により製造された超電導体を、液体水素，液体ネオン中で使用する場合には、酸化物超電導体と組み合わさせることにより、より高性能の超電導マグネット等の実用導体が実現できる。
【００６３】
上記の超電導線材は、超電導マグネットのほかに送電ケーブル，電流リード，ＭＲＩ装置，ＮＭＲ装置，ＳＭＥＳ装置，超電導発電機，超電導モータ，超電導電磁推進船，超電導変圧器，超電導限流器等に用いることができる。
【００６４】
また、超電導線材を所望の形状に加工した導体は、コイル，電流リード，ケーブル等の導体用に変形加工後、組み込まれる。また、その使用温度が液体水素温度、或いは、液体ネオン温度以上であれば、一層効果的である。
【００６５】
以下、本実施例をより具体的に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することは、いずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【実施例１】
【００６６】
出発原料として、平均粒径が４５μｍのマグネシウム粉末（Ｍｇ；純度９８％）と、平均粒径が１μｍ以下のアモルファス状ホウ素粉末（Ｂ；純度９０％）を用いて、マグネシウムとホウ素が原子モル比で１：２になるように秤量し、遠心ボールミルによりアルゴン雰囲気で２〜５時間にわたって混合し、充填粉末を得た。
【００６７】
これと並行して、外径が５０mm、内径４４mmのＣｕ管の内側に、外径が４３mm、内径が３３mmのＦｅ管を組み込み、熱処理して拡散接合することにより、両者を一体化した。このとき、ＣｕとＦｅの間に、真鍮箔を配置し、接合助剤とした。
【００６８】
図２に代表的なin−situ／ＭｇＢ2線材の製造方法を示す。
【００６９】
本実施例では、伸線加工と中間熱処理を繰り返し、最終形状まで加工した後、所定の熱処理を行うことで、超電導線材とした。
【００７０】
詳細に説明すると、まず、得られたＭｇ＋Ｂ混合粉末を、一体化したＣｕ／Ｆｅ複合管に充填した。本実施例における粉末の充填密度は５０％としたが、粉末粒径や粒度分布によって変化するため、特に限定するものではない。場合によっては、粉末状のまま充填すること以外に、プレス等によって作製した円柱状や角状のロッドを充填しても構わない。
【００７１】
次に、粉末を充填したＣｕ／Ｆｅ複合管の両端部を封止した後、断面積の減少率で８乃至２０％で伸線加工を繰り返し行った。伸線加工の途中、各温度において中間熱処理を施した。熱処理時間は、２時間で固定した。
【００７２】
本実施例では、線材の断面積の減少率が７５％となる段階で中間熱処理を行うこととした。すなわち、中間熱処理は、外径２５mm，１２.５mm，６.２５mm，３.１mm，１.６mmで行った。
【００７３】
その結果、５００℃未満で中間熱処理を行うと、外径１.３mm付近で断線することがわかった。
【００７４】
一方、５００℃以上で中間熱処理すると、外径が０.８mmまで断線は発生しなかった。
【００７５】
その原因を調べるために、断線が発生する直前の外径で、Ｃｕ及びＦｅのビッカース硬さを測定した。その結果を図３に示す。Ｃｕのビッカース硬さ４とＦｅのビッカース硬さ５から、傾向として、Ｃｕは４００℃以上、Ｆｅは５００℃以上に温度を上げると焼きなまし効果が生じることがわかった。
【００７６】
５００℃以下の中間熱処理で断線した原因としては、Ｆｅの焼きなましが不十分であったことが考えられる。
【００７７】
なお、線材コア部は１００〜１４０のビッカース硬さであり、断線にはあまり寄与していないと推察される。
【００７８】
また、図４に中間熱処理温度と破断伸びの関係を示す。
【００７９】
この結果も、５００℃以上での熱処理が加工性を向上させることを示しており、上記の結果を支持している。
【００８０】
次に、３５０〜６５０℃で中間熱処理した線材を、外径１.２mmのときにサンプリングし、Ｊｃを測定した。その結果を図４に示す。３５０〜５４０℃で中間熱処理したときには、４.２Ｋ，５Ｔ中で約４１０Ａ／mm2のＪｃが得られ、標準サンプルである、１０ｍ級Ｆｅシース線材のＪｃと比較しても遜色ない結果であった。
【００８１】
これに対し、中間熱処理温度が５５０℃を超えると、Ｊｃが低下した。
【００８２】
この原因と明らかにするためにＸ線回折により、線材コア部を調査した。その結果、５４０℃まではＭｇＢ2の生成は確認されたが、Ｔｃが２２〜２８Ｋであるのに対して、５５０℃よりも高い温度ではＴｃが３０Ｋを超え、６００℃ではＭｇＢ2が本来持つＴｃである３９Ｋを示した。
【００８３】
実施例１の結果とそれ以降の詳細な実験結果から、in−situ／ＭｇＢ2線材において、長尺化と高Ｊｃ化を同時に達成するためには、中間熱処理を５００〜５４０℃にし、線材コア部にＭｇＢ2のＴｃを３０Ｋ以下にすることが重要であることを確認した。
【実施例２】
【００８４】
実施例１と同様にして、Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2単芯線を作製した。中間熱処理は、５３０℃で３時間とした。また、中間熱処理は、断面積の減少率で５０〜９８％のときに実施した。
【００８５】
そして、ＣｕとＦｅのビッカース硬さの加工度依存性を詳細に検討した。
【００８６】
その結果、Ｃｕ／Ｆｅ複合シース線材の断線は、ＣｕとＦｅのビッカース硬さの比が（Ｃｕ＜Ｆｅ）２以下の条件で中間焼鈍することが重要であることを明らかにした。言い換えるなら、ＣｕとＦｅのビッカース硬さの比が２を超えるまで中間熱処理を行わない場合は、断線する確率が増大し、その比が増加とともに断線率も増加することを確認した。
【００８７】
具体的には、ビッカース硬さの比が２以下であれば断線率は０であったが、２.５で７５％、３.０で９８％の断線率となった。
【００８８】
断線率７５％とは、外径が５０mmのＣｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を外径１.５mmまで、無断線で何本加工できたかという意味であり、４本中３本は断線が生じたということである。
【００８９】
なお、本実施例において、ＣｕがＣｕ基合金、ＦｅがＦｅ基合金に変わった場合でも同様の傾向が得られた。
【００９０】
図５に、長尺化と高Ｊｃ化の観点から得られた、推奨の中間熱処理実施タイミング例を図示する。ＣｕとＦｅの硬さの比が２を超えない範囲で、中間熱処理を実施することで断線が生じなくなる。
【実施例３】
【００９１】
外径が５０mm、内径４５mmのＣｕ管の内側に、外径が４３.８mm、内径が３７mmの炭素鋼（Ｆｅ基合金）」に変えた以外は、実施例１と同様にしてＣｕＮｉ（Ｎｉが１０％）／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を作製した。
【００９２】
その結果、図５の傾向と一致した。
【００９３】
線材を無断線で作製するという観点から、ビッカース硬さを詳細に検討した結果、中間熱処理を実施するタイミングとしては、Ｃｕのビッカース硬さが１５０以下、炭素鋼のビッカース硬さが３００以下で実施することが重要であることを明らかにした。
【００９４】
言い換えるなら、Ｃｕのビッカース硬さが１５０以上、炭素鋼のビッカース硬さが３００以上になるまで中間熱処理を行わない場合は、断線する確率が大幅に増大する。
【００９５】
なお、本実施例において、ＣｕＮｉが各種Ｃｕ基合金、炭素鋼が各種Ｆｅ基合金に変わった場合でも同様の傾向が得られた。
【実施例４】
【００９６】
最終形状に加工したときのＦｅシースのＣｕシースに対する厚みの比が、０.８〜３になるようにＣｕ管とＦｅ管のサイズを変更したこと、Ｍｇ＋Ｂの混合粉に粒径が３０ｎｍのＳｉＣ粉を添加した以外は、実施例１と同様にしてＣｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を作製した。
【００９７】
そして、ＣｕとＦｅのシース厚さの比と、長尺加工性及びＪｃを比較検討した。
【００９８】
本実施例では、断面積の減少率が８０％となる外径で、５１５℃，２時間の中間熱処理を実施した。
【００９９】
その結果、全ての線材において、断線は発生しなかったものの、Ｊｃに差が認められた。表１にＣｕとＦｅのシース厚さの比とＪｃを示す。なお、Ｊｃは４.２Ｋ，５Ｔ中で測定した。
【０１００】
【表１】
表１から明らかなように、ＣｕとＦｅのシース厚みの比が１.５を超えると、Ｊｃが約９５０Ａ／mm2となる。１.５を超えると、Ｆｅシースの厚みが増えてもＪｃは変化しないことがわかった。
【０１０１】
これに対し、１.５よりも低い場合は、Ｊｃが７１０Ａ／mm2以下にとどまった。
【０１０２】
この原因を調査するため、線材コア部の充填密度を評価した。
【０１０３】
すなわち、線材の体積と重量から算出される密度が、理論密度に対して何パーセントであるかを計算により求めた。
【０１０４】
その結果、線材断面において、強度が高いＦｅの割合が多い場合、線材コア部の充填密度が高くなり、このことが高Ｊｃ化につながることがわかった。
【０１０５】
以上の結果から、最終形状の線材断面において、ＦｅシースのＣｕシースに対する厚みの比が１.５よりも大きくすることにより、長尺化と高Ｊｃ化を両立するＭｇＢ2線材が作製できることを明らかにした。
【０１０６】
なお、図６は、本実施例における加工度（断面減少率）と、ビッカース硬さとの関係を示すグラフ図である。
【０１０７】
これにより、中間熱処理１の段階で、Ｆｅのビッカース硬さを減少させ、ほぼＣｕのビッカース硬さと同一にする。
【０１０８】
以上、これら本実施例によれば、ＣｕまたはＣｕ基合金とＦｅまたはＦｅ基合金からなる複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成される線材を、加工工程の途中で５００〜５４０℃の中間熱処理を行いつつ伸線加工し、ＭｇＢ2が３０Ｋ以下の状態で最終形状まで加工することにより、高Ｊｃ化と長尺化を両立したin−situ法Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を作製できる。
【０１０９】
また、作製した超電導線材は、液体ヘリウムによる冷却は勿論のこと、液体水素，液体ネオン，冷凍機伝導冷却等による冷却運転を可能とし、かつ、磁場中においても高い超電導臨界電流密度のものが得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明は、長尺化に有効なＭｇＢ2超電導線材の製造方法に関し、ＭｇＢ2超電導線材を利用する各種機器に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本実施例における超電導線材の断面模式図である。
【図２】本実施例の超電導線材を製造するための工程の一例を示す図である。
【図３】本実施例における中間熱処理温度とビッカース硬さの関係を示すグラフ図である。
【図４】本実施例において各温度で中間熱処理した線材の熱処理温度と破断伸びの関係を示すグラフ図である。
【図５】本実施例で製造した線材の中間熱処理温度と印加磁場５Ｔ中（温度４.２Ｋ）の臨界電流密度の関係を示すグラフ図である。
【図６】本実施例における加工度とビッカース硬さの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１ ＣｕまたはＣｕ基合金
２ ＦｅまたはＦｅ基合金
３ 超電導コア部
４ 中間熱処理したＣｕのビッカース硬さ
５ 中間熱処理したＦｅのビッカース硬さ
６ 種々の温度で中間熱処理した線材の臨界電流密度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭｇＢ2超電導線材の製造方法にかかり、特に、長尺化に有効なＭｇＢ2超電導線材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２１世紀に入って発見されたＭｇＢ2は、以下の材料特性を持つことが知られている。
【０００３】
（１）臨界温度（Ｔｃ）が３９Ｋと、従来の金属系超電導体と比べて２０Ｋ以上高い。
（２）上部臨界磁界（Ｈｃ2）が２０Ｔ程度あるいはそれ以上と、従来の金属系超電導体より大きい。
（３）Ｊｃは、最大で３０００Ａ／mm2オーダーであり、実用レベルである。
（４）磁気異方性が小さく、結晶のａ軸，ｂ軸およびｃ軸のどの方向にも同様の電流を流すことができる。
【０００４】
このように、ＭｇＢ2超電導体は、Ｔｃ，Ｈｃ2ともに、従来の金属系超電導体よりも同等レベルかそれ以上であるため、超電導マグネットに適用すれば、クエンチ事故のない極めて安定したシステムを構築することができるというメリットが生じる。
【０００５】
また、Ｔｃが高いため、液体ヘリウムを冷媒として用いる必要がなく、液体水素や液体ネオンなどの冷媒が利用可能になる。
【０００６】
さらに、酸化物系超電導線材では、線材化するための金属シース材に貴金属を使用する必要があったが、ＭｇＢ2の場合は安価な銅，鉄，ステンレス鋼を用いることができる。
【０００７】
このため、発見以来、世界中で実用化のための研究が鋭意推進されている。
【０００８】
ＭｇＢ2の線材化手法としては、工業化に適するPowder−In−Tube（ＰＩＴ）法が用いられ、このＰＩＴ法はＭｇＢ2超電導粉末を比較的強度の高いステンレス鋼，ニッケル等のシース材に充填するex−situ、ＭｇとＢとの混合粉末を鉄管等に充填し、線材加工後、熱処理によって超電導化するin−situの２方式に大別される。
【０００９】
ex−situ法では、熱処理が不要あるいは比較的低温で簡便なもので済むため製造コストの低減が期待される。しかし、充填するＭｇＢ2超電導粉末の特性に左右されるところが大きく、特に高磁場中でＪｃに課題がある。
【００１０】
一方、in−situ法では、例えば、特許文献１に記載のようにＭｇＢ2合成時の体積減少により線材コア中に空隙が生じるが、加工や熱処理プロセスの改善により、Ｈｃ2並びにＪｃ向上の可能性が高く、ＮｂＴｉ線材に匹敵する性能が得られつつある。
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１５７５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
超電導マグネットとして使用する線材としては、高いＪｃを有すること、長尺化が可能であることが最低限必要であり、形状は、丸線あるいは平角線であることが望ましい。これらを実現するために、各種製造条件の最適化等の検討が鋭意行われている。
【００１３】
しかし、現状では、実用線材とするために必要な長尺線材化と高性能化を同時に達成できるＭｇＢ2超電導線材の製造方法は、いまだ確立されていない。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、実用線材とするために必要な長尺線材化と高性能化を同時に達成できるＭｇＢ2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】
【００１５】
本発明のＭｇＢ2超電導線材の製造方法は、ＣｕまたはＣｕ基合金とＦｅまたはＦｅ基合金とからなる複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成されるものであって、伸線加工と、５００〜５４０℃の中間熱処理とを繰り返し行って、加工することを特徴とするものである。
【００１６】
そして、中間熱処理を実施したＭｇＢ2超電導線材のコア部は、臨界温度が３０Ｋ以下のＭｇＢ2であることを特徴とする。
【００１７】
また、ＣｕとＦｅとの厚みの比が、Ｃｕが１に対して、Ｆｅが１.５以上の厚みを有することを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明のＭｇＢ2超電導線材は、ＣｕまたはＣｕ基合金からなる第一シースと、ＦｅまたはＦｅ基合金とからなる第二シースと、を有する複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成されるものであって、第一シースと第二シースとの厚みの比が、第一シースが１に対して、第二シースが１.５以上の厚みを有することを特徴とする。
【００１９】
そして、第二シースが、第一シースより外側に形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によって、実用線材とするために必要な長尺線材化と高性能化を同時に達成できるＭｇＢ2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】
【００２１】
図１に、Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2単芯線材（ＭｇＢ2超電導線材）の模式図を示す。
【００２２】
図１は、横断面である。最外周には、電気伝導度に優れたＣｕまたはＣｕ基合金１（以下、代表してＣｕ１と記す）（第一シース）を配置し、Ｃｕ１と超電導コア部３との間には、超電導コア部の緻密度を向上させ、かつ、熱処理工程での反応を防止するバリア層としてＦｅまたはＦｅ基合金２（以下、代表してＦｅ２と記す）（第二シース）を配置している。
【００２３】
Ｆｅ２をバリア層として用いない場合には、最終熱処理時にシース材のＣｕ１と超電導コア部（ここでは、ＭｇＢ2）３のＭｇとが冶金的に反応し、高いＪｃ特性が得られなくなる。
【００２４】
長尺化のひとつの手段として、シース材の加工硬化による不均一変形や断線を防止するという観点から中間熱処理（焼鈍）が行われる。
【００２５】
中間熱処理の温度としては、融点の概ね１／２を目安とする。
【００２６】
従って、Ｃｕ１とＦｅ２との両者が焼きなましされる温度としては、５５０℃以上７５０℃以下程度に加熱する必要がある。
【００２７】
in−situ法で作製するＭｇＢ2線材の場合、５５０〜５６０℃でＭｇとＢとが反応し、超電導コア部３にＭｇＢ2が生成されることになる。ＭｇＢ2の生成は、伸線過程における均一加工を妨げるだけでなく、最終加工後に熱処理しても、中間熱処理を実施しない線材に比べて、Ｊｃを１／２〜１／３まで低下させるという問題があったが、本実施例により解決することができた。
【００２８】
以上のように、高Ｊｃ化と長尺化はトレードオフの関係にあり、Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材でこれらを両立するものは、従来得られていなかったが、本実施例により得ることができた。
【００２９】
本実施例により、ＭｇＢ2超電導線材を工業的に広く適用可能とするためには、最低でもkm級の線材で、１０００Ａ／mm2を超えるＪｃが実現可能な超電導線材の製造技術を確立する。
【００３０】
つまり、本実施例により、臨界温度以下の環境において、超電導性を発現する超電導体を用いることによって、高い輸送臨界電流密度（Ｊｃ）が得られる、in−situ／ＭｇＢ2長尺線材の製造方法を実現することができる。
【００３１】
特に、具体的には、電流リード，送電ケーブル，大型マグネット，核磁気共鳴分析装置，医療用磁気共鳴診断装置，超電導電力貯蔵装置，磁気分離装置，磁場中単結晶引き上げ装置，冷凍機冷却超電導マグネット装置，超電導エネルギー貯蔵，超電導発電機，核融合炉用マグネット等の機器に適用される線材を実現できる。
【００３２】
本発明者らは、ＭｇＢ2超電導線材の製造方法を鋭意検討した結果、以下の達成可能な手段を見出した。
【００３３】
即ち、ＣｕまたはＣｕ基合金とＦｅまたはＦｅ基合金からなる複合シース材中に、ＭｇとＢを充填して構成される線材において、伸線加工と５００〜５４０℃の中間熱処理とを繰り返し行って最終形状まで加工することにより達成できる。
【００３４】
以上により、Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材の長尺化と高Ｊｃ化が同時に実現できる。
【００３５】
Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材において、高Ｊｃ化を実現するには、Ｃｕに対してＦｅの厚みを増加させることが効果的と考えた。これは、加工度を上げるにつれ、Ｆｅが加工硬化し、線材コア部の充填密度（緻密度）が向上するためである。
【００３６】
線材コア部の充填密度が向上すると、粉末間の拡散距離が短くなり、より反応性が促進する。これにより、Ｊｃが向上することを発明者らは実験的に明らかにしている。
【００３７】
このような線材で、最終的にkmを超えるような長尺線材を作製しようとする場合、線材自身への加工度が高くなるため、シース材のＦｅが加工硬化を起こし、展延性が低下するが、こうした課題を解決し、線材の断線が発生しにくく、長尺線を得ることできるようになることを見出した。
【００３８】
本発明者らは、様々な視点から検討を行った。以下に、その一例を述べる。
【００３９】
本実施例において、中間熱処理温度を５００〜５４０℃に設定した根拠を説明する。
【００４０】
５００℃以下の温度では、ＦｅまたはＦｅ基合金の焼きなましが、不十分であるため、加工性が向上しない。これに対し、５４０℃を超える温度で中間熱処理すると、シース材への焼きなまし効果は得られるものの、線材コア部のＭｇとＢとが反応し、ＭｇＢ2の生成が始まる。
【００４１】
Ｔｃが３９Ｋ以上のＭｇＢ2が一度でも生成してしまうと、最終的にどのような条件で熱処理しても、本来持つＪｃと比較して、１／２〜１／３以下の値しか得られないことを明らかにしている。
【００４２】
本実施例において、最終形状まで加工された線材におけるＣｕまたはＣｕ合金とＦｅまたはＦｅ合金のビッカース硬さの比を、２以下に保つことが重要であることを見出した。
【００４３】
すなわち、Ｃｕのビッカース硬さに対して、Ｆｅのビッカース硬さの比が２以下であれば、断線率は０であったが、２を超えると断線率が向上していき、２.５で、７５％，３.０で、９５％の断線率となった。
【００４４】
このため、ビッカース硬さの比が、Ｃｕ／Ｆｅ＝１／２で、Ｆｅのそれが２を超えない段階で中間熱処理を施すことが、長尺線材化のキーポイントとなることを実験的に明らかにした。
【００４５】
また、上記のような手段で中間熱処理と伸線加工を繰り返した場合には、最終形状まで加工された線材のＣｕまたはＣｕ合金のビッカース硬さは、１５０以下、ＦｅまたはＦｅ合金のビッカース硬さは、３００以下となることを実験的に明らかにした。
【００４６】
本実施例において、ＭｇとＢとの混合物に、０.２〜３０体積％の銅，銀，アルミニウム，チタン，タングステン，酸化珪素，炭化珪素，窒化珪素等を、単独あるいはそれらを混合して添加するとＪｃが向上する。
【００４７】
特に、ナノオーダーまで粒径を細かくすると一層効果的である。
【００４８】
また、２００〜１２００℃の範囲内で、必要に応じて窒素ガス，アルゴンガス，水素ガス，酸素ガス等を単独或いは混合した雰囲気、または大気圧以上の圧力下で熱処理を行うことで、結晶粒同士の接合性を向上しＪｃが向上する。
【００４９】
線材の作製プロセスとしては、遠心ボールミルやらいかい機等を用いて、ＭｇとＢとの混合粉末を作製した後、パイプ形状の金属シース材に充填し、塑性加工を施す、いわゆるパウダー・イン・チューブ法が主流となっている。
【００５０】
本実施例においては、外周と内周とに使用するシース材の硬度が異なることが特徴である。これにより、線材の電気的高安定化と高密度化が同時に実現でき、クエンチが起き難く、かつ超電導特性の向上も可能となる。
【００５１】
但し、断面構造や加工条件が適切でないと、シース部と超電導コア部界面の平滑性が失われる、いわゆるソーセージングが発生し、高い加工度になると超電導コア部が、金属シースを突き破ってシース表面から露出する問題が生じる。このため、理想的にはシース材のビッカース硬さの方が、超電導コア部のそれよりも大きくなるような線材断面構成にすることが望ましい。
【００５２】
また、本実施例において、ＣｕとＦｅとの間にあらかじめ接合助剤を設けておき、その接合助剤が溶融する温度で熱処理することにより、ＣｕとＦｅとを拡散接合させることも有効である。
【００５３】
接合助剤には、Ａｇや真鍮を用いると、歩留まり良く長尺化できることを実験により明らかにしている。
【００５４】
線材の縮径加工は、ドローベンチ，静水圧押出，スエージャー，カセットローラーダイス、或いは、溝ロールを用いて１パス当りの断面減少率が１〜２０％程度の伸線加工を繰り返し行う。必要に応じて、線材の多芯化を行うが、多芯化する方法は、丸断面形状或いは六角断面形状に伸線加工した線材をパイプに組み込み、上記の装置を用いて、１パス当りの断面減少率が１〜２０％程度で、所定とする線径まで伸線することが一般的な加工法である。
【００５５】
ここでの工程は、線材を所望の形状にすると同時に、金属シース材内に充填された超電導粉末を高密度化する作用がある。さらに緻密化を図るため、冷間或いは熱間圧延機で加工し、平角状或いはテープ状の断面とし、必要に応じて適切な温度や雰囲気で熱処理をすることによって、高い臨界電流密度の線材が得られる。
【００５６】
上記の方法以外にも、例えば溶射法，ドクターブレード法，ディップコート法，スプレーパイロリシス法、或いは、ジェリーロール法等で作製した線材を用いても、同等の超電導特性を得ることが可能である。
【００５７】
作製した線材は、目的に応じて一本以上複合させてコイル状に巻くことや、リード線状やケーブル線状に成形して利用する。
【００５８】
また、本実施例における超電導線材は、高靱性かつ高硬度であるため、線材自身の降伏応力、引張り強さ、ヤング率等の機械強度が高く、強磁場発生時の電磁力に耐え得るマグネットが構成できる。
【００５９】
さらに、両端抵抗を十分に小さくすることにより、永久電流マグネットが実現できる。
【００６０】
また、本実施例により製造された超電導体を、例えば、液体ヘリウム中で使用する場合、金属系超電導体や酸化物超電導体と組み合わさせる構造にすることで、より強い磁場を発生する超電導マグネット等の実用導体が実現できる。
【００６１】
このときの金属系超電導体としては、ＮｂＴｉ系合金，Ｎｂ3Ｓｎ系化合物，Ｎｂ3Ａｌ系化合物，Ｖ3Ｇａ系，シェブレル系化合物等を用い、必要に応じて２種以上のマグネットを配置する。このときの酸化物超電導体は、Ｙ系，Ｂｉ系，Ｔｌ系，Ｈｇ系，Ａｇ−Ｐｂ系の超電導体が望ましい。
【００６２】
また、本実施例により製造された超電導体を、液体水素，液体ネオン中で使用する場合には、酸化物超電導体と組み合わさせることにより、より高性能の超電導マグネット等の実用導体が実現できる。
【００６３】
上記の超電導線材は、超電導マグネットのほかに送電ケーブル，電流リード，ＭＲＩ装置，ＮＭＲ装置，ＳＭＥＳ装置，超電導発電機，超電導モータ，超電導電磁推進船，超電導変圧器，超電導限流器等に用いることができる。
【００６４】
また、超電導線材を所望の形状に加工した導体は、コイル，電流リード，ケーブル等の導体用に変形加工後、組み込まれる。また、その使用温度が液体水素温度、或いは、液体ネオン温度以上であれば、一層効果的である。
【００６５】
以下、本実施例をより具体的に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することは、いずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【実施例１】
【００６６】
出発原料として、平均粒径が４５μｍのマグネシウム粉末（Ｍｇ；純度９８％）と、平均粒径が１μｍ以下のアモルファス状ホウ素粉末（Ｂ；純度９０％）を用いて、マグネシウムとホウ素が原子モル比で１：２になるように秤量し、遠心ボールミルによりアルゴン雰囲気で２〜５時間にわたって混合し、充填粉末を得た。
【００６７】
これと並行して、外径が５０mm、内径４４mmのＣｕ管の内側に、外径が４３mm、内径が３３mmのＦｅ管を組み込み、熱処理して拡散接合することにより、両者を一体化した。このとき、ＣｕとＦｅの間に、真鍮箔を配置し、接合助剤とした。
【００６８】
図２に代表的なin−situ／ＭｇＢ2線材の製造方法を示す。
【００６９】
本実施例では、伸線加工と中間熱処理を繰り返し、最終形状まで加工した後、所定の熱処理を行うことで、超電導線材とした。
【００７０】
詳細に説明すると、まず、得られたＭｇ＋Ｂ混合粉末を、一体化したＣｕ／Ｆｅ複合管に充填した。本実施例における粉末の充填密度は５０％としたが、粉末粒径や粒度分布によって変化するため、特に限定するものではない。場合によっては、粉末状のまま充填すること以外に、プレス等によって作製した円柱状や角状のロッドを充填しても構わない。
【００７１】
次に、粉末を充填したＣｕ／Ｆｅ複合管の両端部を封止した後、断面積の減少率で８乃至２０％で伸線加工を繰り返し行った。伸線加工の途中、各温度において中間熱処理を施した。熱処理時間は、２時間で固定した。
【００７２】
本実施例では、線材の断面積の減少率が７５％となる段階で中間熱処理を行うこととした。すなわち、中間熱処理は、外径２５mm，１２.５mm，６.２５mm，３.１mm，１.６mmで行った。
【００７３】
その結果、５００℃未満で中間熱処理を行うと、外径１.３mm付近で断線することがわかった。
【００７４】
一方、５００℃以上で中間熱処理すると、外径が０.８mmまで断線は発生しなかった。
【００７５】
その原因を調べるために、断線が発生する直前の外径で、Ｃｕ及びＦｅのビッカース硬さを測定した。その結果を図３に示す。Ｃｕのビッカース硬さ４とＦｅのビッカース硬さ５から、傾向として、Ｃｕは４００℃以上、Ｆｅは５００℃以上に温度を上げると焼きなまし効果が生じることがわかった。
【００７６】
５００℃以下の中間熱処理で断線した原因としては、Ｆｅの焼きなましが不十分であったことが考えられる。
【００７７】
なお、線材コア部は１００〜１４０のビッカース硬さであり、断線にはあまり寄与していないと推察される。
【００７８】
また、図４に中間熱処理温度と破断伸びの関係を示す。
【００７９】
この結果も、５００℃以上での熱処理が加工性を向上させることを示しており、上記の結果を支持している。
【００８０】
次に、３５０〜６５０℃で中間熱処理した線材を、外径１.２mmのときにサンプリングし、Ｊｃを測定した。その結果を図４に示す。３５０〜５４０℃で中間熱処理したときには、４.２Ｋ，５Ｔ中で約４１０Ａ／mm2のＪｃが得られ、標準サンプルである、１０ｍ級Ｆｅシース線材のＪｃと比較しても遜色ない結果であった。
【００８１】
これに対し、中間熱処理温度が５５０℃を超えると、Ｊｃが低下した。
【００８２】
この原因と明らかにするためにＸ線回折により、線材コア部を調査した。その結果、５４０℃まではＭｇＢ2の生成は確認されたが、Ｔｃが２２〜２８Ｋであるのに対して、５５０℃よりも高い温度ではＴｃが３０Ｋを超え、６００℃ではＭｇＢ2が本来持つＴｃである３９Ｋを示した。
【００８３】
実施例１の結果とそれ以降の詳細な実験結果から、in−situ／ＭｇＢ2線材において、長尺化と高Ｊｃ化を同時に達成するためには、中間熱処理を５００〜５４０℃にし、線材コア部にＭｇＢ2のＴｃを３０Ｋ以下にすることが重要であることを確認した。
【実施例２】
【００８４】
実施例１と同様にして、Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2単芯線を作製した。中間熱処理は、５３０℃で３時間とした。また、中間熱処理は、断面積の減少率で５０〜９８％のときに実施した。
【００８５】
そして、ＣｕとＦｅのビッカース硬さの加工度依存性を詳細に検討した。
【００８６】
その結果、Ｃｕ／Ｆｅ複合シース線材の断線は、ＣｕとＦｅのビッカース硬さの比が（Ｃｕ＜Ｆｅ）２以下の条件で中間焼鈍することが重要であることを明らかにした。言い換えるなら、ＣｕとＦｅのビッカース硬さの比が２を超えるまで中間熱処理を行わない場合は、断線する確率が増大し、その比が増加とともに断線率も増加することを確認した。
【００８７】
具体的には、ビッカース硬さの比が２以下であれば断線率は０であったが、２.５で７５％、３.０で９８％の断線率となった。
【００８８】
断線率７５％とは、外径が５０mmのＣｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を外径１.５mmまで、無断線で何本加工できたかという意味であり、４本中３本は断線が生じたということである。
【００８９】
なお、本実施例において、ＣｕがＣｕ基合金、ＦｅがＦｅ基合金に変わった場合でも同様の傾向が得られた。
【００９０】
図５に、長尺化と高Ｊｃ化の観点から得られた、推奨の中間熱処理実施タイミング例を図示する。ＣｕとＦｅの硬さの比が２を超えない範囲で、中間熱処理を実施することで断線が生じなくなる。
【実施例３】
【００９１】
外径が５０mm、内径４５mmのＣｕ管の内側に、外径が４３.８mm、内径が３７mmの炭素鋼（Ｆｅ基合金）」に変えた以外は、実施例１と同様にしてＣｕＮｉ（Ｎｉが１０％）／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を作製した。
【００９２】
その結果、図５の傾向と一致した。
【００９３】
線材を無断線で作製するという観点から、ビッカース硬さを詳細に検討した結果、中間熱処理を実施するタイミングとしては、Ｃｕのビッカース硬さが１５０以下、炭素鋼のビッカース硬さが３００以下で実施することが重要であることを明らかにした。
【００９４】
言い換えるなら、Ｃｕのビッカース硬さが１５０以上、炭素鋼のビッカース硬さが３００以上になるまで中間熱処理を行わない場合は、断線する確率が大幅に増大する。
【００９５】
なお、本実施例において、ＣｕＮｉが各種Ｃｕ基合金、炭素鋼が各種Ｆｅ基合金に変わった場合でも同様の傾向が得られた。
【実施例４】
【００９６】
最終形状に加工したときのＦｅシースのＣｕシースに対する厚みの比が、０.８〜３になるようにＣｕ管とＦｅ管のサイズを変更したこと、Ｍｇ＋Ｂの混合粉に粒径が３０ｎｍのＳｉＣ粉を添加した以外は、実施例１と同様にしてＣｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を作製した。
【００９７】
そして、ＣｕとＦｅのシース厚さの比と、長尺加工性及びＪｃを比較検討した。
【００９８】
本実施例では、断面積の減少率が８０％となる外径で、５１５℃，２時間の中間熱処理を実施した。
【００９９】
その結果、全ての線材において、断線は発生しなかったものの、Ｊｃに差が認められた。表１にＣｕとＦｅのシース厚さの比とＪｃを示す。なお、Ｊｃは４.２Ｋ，５Ｔ中で測定した。
【０１００】
【表１】
表１から明らかなように、ＣｕとＦｅのシース厚みの比が１.５を超えると、Ｊｃが約９５０Ａ／mm2となる。１.５を超えると、Ｆｅシースの厚みが増えてもＪｃは変化しないことがわかった。
【０１０１】
これに対し、１.５よりも低い場合は、Ｊｃが７１０Ａ／mm2以下にとどまった。
【０１０２】
この原因を調査するため、線材コア部の充填密度を評価した。
【０１０３】
すなわち、線材の体積と重量から算出される密度が、理論密度に対して何パーセントであるかを計算により求めた。
【０１０４】
その結果、線材断面において、強度が高いＦｅの割合が多い場合、線材コア部の充填密度が高くなり、このことが高Ｊｃ化につながることがわかった。
【０１０５】
以上の結果から、最終形状の線材断面において、ＦｅシースのＣｕシースに対する厚みの比が１.５よりも大きくすることにより、長尺化と高Ｊｃ化を両立するＭｇＢ2線材が作製できることを明らかにした。
【０１０６】
なお、図６は、本実施例における加工度（断面減少率）と、ビッカース硬さとの関係を示すグラフ図である。
【０１０７】
これにより、中間熱処理１の段階で、Ｆｅのビッカース硬さを減少させ、ほぼＣｕのビッカース硬さと同一にする。
【０１０８】
以上、これら本実施例によれば、ＣｕまたはＣｕ基合金とＦｅまたはＦｅ基合金からなる複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成される線材を、加工工程の途中で５００〜５４０℃の中間熱処理を行いつつ伸線加工し、ＭｇＢ2が３０Ｋ以下の状態で最終形状まで加工することにより、高Ｊｃ化と長尺化を両立したin−situ法Ｃｕ／Ｆｅ複合シースＭｇＢ2線材を作製できる。
【０１０９】
また、作製した超電導線材は、液体ヘリウムによる冷却は勿論のこと、液体水素，液体ネオン，冷凍機伝導冷却等による冷却運転を可能とし、かつ、磁場中においても高い超電導臨界電流密度のものが得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明は、長尺化に有効なＭｇＢ2超電導線材の製造方法に関し、ＭｇＢ2超電導線材を利用する各種機器に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本実施例における超電導線材の断面模式図である。
【図２】本実施例の超電導線材を製造するための工程の一例を示す図である。
【図３】本実施例における中間熱処理温度とビッカース硬さの関係を示すグラフ図である。
【図４】本実施例において各温度で中間熱処理した線材の熱処理温度と破断伸びの関係を示すグラフ図である。
【図５】本実施例で製造した線材の中間熱処理温度と印加磁場５Ｔ中（温度４.２Ｋ）の臨界電流密度の関係を示すグラフ図である。
【図６】本実施例における加工度とビッカース硬さの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１ ＣｕまたはＣｕ基合金
２ ＦｅまたはＦｅ基合金
３ 超電導コア部
４ 中間熱処理したＣｕのビッカース硬さ
５ 中間熱処理したＦｅのビッカース硬さ
６ 種々の温度で中間熱処理した線材の臨界電流密度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣｕまたはＣｕ基合金とＦｅまたはＦｅ基合金とからなる複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成されるＭｇＢ2超電導線材の製造方法において、
伸線加工と、５００〜５４０℃の中間熱処理とを繰り返し行って、加工することを特徴とするＭｇＢ2超電導線材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＭｇＢ2超電導線材の製造方法であって、
前記中間熱処理を実施したＭｇＢ2超電導線材のコア部は、臨界温度が３０Ｋ以下のＭｇＢ2であることを特徴とするＭｇＢ2超電導線材の製造方法。
【請求項３】
請求項１，２に記載のＭｇＢ2超電導線材の製造方法であって、
ＣｕとＦｅとの厚みの比が、Ｃｕが１に対して、Ｆｅが１.５以上の厚みを有することを特徴とするＭｇＢ2超電導線材の製造方法。
【請求項４】
ＣｕまたはＣｕ基合金からなる第一シースと、ＦｅまたはＦｅ基合金とからなる第二シースと、を有する複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成されるＭｇＢ2超電導線材において、
前記第一シースと前記第二シースとの厚みの比が、前記第一シースが１に対して、前記第二シースが１.５以上の厚みを有することを特徴とするＭｇＢ2超電導線材。
【請求項５】
請求項５に記載のＭｇＢ2超電導線材において、
前記第二シースが、前記第一シースより外側に形成されることを特徴とするＭｇＢ2超電導線材。
【請求項１】
ＣｕまたはＣｕ基合金とＦｅまたはＦｅ基合金とからなる複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成されるＭｇＢ2超電導線材の製造方法において、
伸線加工と、５００〜５４０℃の中間熱処理とを繰り返し行って、加工することを特徴とするＭｇＢ2超電導線材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＭｇＢ2超電導線材の製造方法であって、
前記中間熱処理を実施したＭｇＢ2超電導線材のコア部は、臨界温度が３０Ｋ以下のＭｇＢ2であることを特徴とするＭｇＢ2超電導線材の製造方法。
【請求項３】
請求項１，２に記載のＭｇＢ2超電導線材の製造方法であって、
ＣｕとＦｅとの厚みの比が、Ｃｕが１に対して、Ｆｅが１.５以上の厚みを有することを特徴とするＭｇＢ2超電導線材の製造方法。
【請求項４】
ＣｕまたはＣｕ基合金からなる第一シースと、ＦｅまたはＦｅ基合金とからなる第二シースと、を有する複合シース材中に、ＭｇとＢとを充填して構成されるＭｇＢ2超電導線材において、
前記第一シースと前記第二シースとの厚みの比が、前記第一シースが１に対して、前記第二シースが１.５以上の厚みを有することを特徴とするＭｇＢ2超電導線材。
【請求項５】
請求項５に記載のＭｇＢ2超電導線材において、
前記第二シースが、前記第一シースより外側に形成されることを特徴とするＭｇＢ2超電導線材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１３４９６９（Ｐ２００９−１３４９６９Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０９６３１（Ｐ２００７−３０９６３１）
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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