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Nb3Al系超電導線材の製造方法およびそのための複合線材
説明

Nb3Al系超電導線材の製造方法およびそのための複合線材

【課題】 超電導線材同士における超電導接続を可能とすることができるNb3Al超電導線材をジェリーロール法によって製造するための有用な方法、およびこうした超電導線材を製造するために用いる複合線材を提供する。
【解決手段】 Nb3Al系超電導線材をジェリーロール法によって製造するに当たり、NbまたはNb合金からなるNb含有シートと、AlまたはAl合金からなるAl含有シートを用い、これらを重ね合わせて芯材に巻取って構成したロール状積層物の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体を配置し、これをCuまたはCu合金からなるパイプに挿入した複合線材を縮径加工した後熱処理する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、Nb3Al系の超電導線材をジェリーロール法によって製造する方法に関するものであり、殊に核融合装置、電力貯蔵装置、物性研究などに使用される超電導マグネットの素材として利用できしかも超電導接続が可能なNb3Al系超電導線材を製造するための有用な方法、およびこうした超電導線材を得るための複合線材(Nb3Al系超電導線材製造用複合線材)に関するものである。
【背景技術】
【0002】
高磁場応用の分野において使用される超電導線材においては、高磁界下における高臨界電流密度に加え、超電導線材に作用する電磁力によって生じる機械的歪応力に耐えるだけの耐歪特性の高い材料の開発が望まれている。こうした中で、Nb3Al系金属間化合物は高磁場下での耐歪特性が高いことから、核融合装置、電力貯蔵装置、物性研究等に使用される超電導マグネットへの利用が期待されている。
【0003】
Nb3Al系金属間化合物の生成法としては、(A)線材を加熱して1600℃以上の高温に保持した後に急冷してNb3Al相を得る急熱急冷法、(B)NbとAlを微細に分散させた状態で1000℃以下の温度で熱処理を施してNbとAlの拡散反応でNb3Al相を得る方法(拡散法)等が知られている。
【0004】
上記方法のうち急熱急冷法を適用した場合のNb3Al相は、Nb:Al=3:1という化学量論組成の化合物が安定して存在可能であり、極めて高い超電導特性(高磁場下での高臨界電流密度)が期待できる。しかしながら、1600℃以上の高温条件下では、超電導線材の安定性を高めるために配置されるCuやAlなどの安定化金属が溶融してしまうため、安定化金属の複合が困難であるという問題があり、実用化するための大きな障害になっている。
【0005】
一方、拡散法を適用した場合には、1000℃以下の温度で熱処理されることから、安定化金属の複合化は比較的容易であるが、処理温度が低いため、化学量論組成(Nb:Al=3:1)からずれた化合物が生成し易く、超電導特性が劣ることが多い。但し、この方法では、Nb中への拡散距離が短い場合には、1000℃以下の処理温度であっても良質なNb3Al相が生成することが知られるようになり、この拡散法を適用するNb3Al系超電導線材の開発が進められている。
【0006】
NbへのAlの拡散距離を短くするNb3Al系超電導線材の製造方法として、粉末冶金法、チューブ法、クラッドチップ押出し法、ジェリーロール法等、様々な製造方法が提案されているが、このうちジェリーロール法では超電導線材の多芯化、長尺化が比較的容易であることから実用化に最も適した方法であると考えられている。
【0007】
図1は、ジェリーロール法によってNb3Al系超電導線材を製造するときに用いられる複合線材の構成を示す断面図である。この複合線材では、NbまたはNb合金からなるNb含有シート2と、AlまたはAl合金からなるAl含有シート3を、CuまたはCu合金(或はNbまたはNb合金)からなる芯材1(補強材)を中心として重ね巻きしてジェリーロール体4(ロール状積層物)とし、これらをCuまたはCu合金からなるパイプ5内に挿入して複合線材10(超電導線材製造用複合線材)とする。そしてこの複合線材5を、縮径加工(減面加工)した後、熱処理することによって、Nb含有シートとAl含有シート間の反応によってNb3Al相を形成するものである。
【0008】
またこの複合線材の複数本を、同じ断面形状の複数本のCu線と一緒にして束ね、CuまたはCu合金からなるパイプ内に挿入して縮径加工することによって多芯フィラメントを持つ線材が製造される。こうした方法では、減面加工を施すことによって、積層されたNb含有シートとAl含有シートの厚さを薄くしていき、Nb中へのAlの拡散距離を短くすることができる。
【0009】
ジェリーロール法によって製造されるNb3Sn系超電導線材では、優れた特性を有することが報告されているが、核磁気共鳴(NMR)装置で用いる超電導マグネット等の永久電流モードで利用する用途には用いられていないのが実情である。その理由は、既存のNb3Al超電導線材では永久電流モードでの使用に耐え得るだけの超電導接続が困難であることによる。
【0010】
超電導線材同士を接続するに際しては、接続される部分におけるCu部分を溶融して内部の超電導フィラメント部を露出させ、フィラメント同士を直接的に或いは他の超電導体を介在させて間接的に接触させる必要がある。しかしながら、前記図1に示した構成の複合線材を用いた超電導線材では、Nb3Al生成熱処理によって、CuマトリクスとAlが反応して非超電導相の形成が発生し、これが超電導接続の際のフィラメント露出部分に現れるので、接続を実行しても必要な超電導特性が発揮されないという問題がある。こうした反応層は超電導線材の汚染をまねき、その特性劣化に繋がるものである。
【0011】
ところで、CuマトリクスとAlとの反応を防止して優れた超電導特性を発揮させる技術として、例えば特許文献1には、ロール状積層物とCuマトリクスの間に拡散障壁を設けることが提案されている。この技術では、Nb含有シートとAl含有シートの間のNbやTa等からなるシートを挟み込むようにして介在させ、ロール状積層物の外周面および内周面にこれらのシートが位置するようにして、CuマトリクスのAlによる汚損を防止するものである。
【0012】
こうした拡散障壁を設けることによって、超電導線材の特性劣化は防止できるのである。しかしながら、この拡散障として用いられる素材は、「常電導物質、または液体ヘリウム温度や高磁界で超電導特性を示さない物質」として認識されるものが使用されており、こうした特性の物質を拡散障壁として用いた複合部材を用いた超電導線材では、超電導接続しようとしても拡散障壁として用いられる物質が高い磁場域で非超電導となってしまい良好な超電導接続が実現できないことになる。
【特許文献1】特開平4−132109号公報 特許請求の範囲、公開公報第2頁左下欄第11〜16行等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
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、超電導線材同士における超電導接続を可能とすることができるNb3Al超電導線材をジェリーロール法によって製造するための有用な方法、およびこうした超電導線材を製造するために用いる複合線材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記目的を達成することのできた本発明のNb3Al系超電導線材の製造方法とは、Nb3Al系超電導線材をジェリーロール法によって製造するに当たり、NbまたはNb合金からなるNb含有シートと、AlまたはAl合金からなるAl含有シートを用い、これらを重ね合わせて芯材に巻取って構成したロール状積層物の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体を配置し、これをCuまたはCu合金からなるパイプに挿入した複合線材を縮径加工した後熱処理する点に要旨を有するものである。
【0015】
本発明の製造方法においては、前記複合線材を複数本束ねて、CuまたはCu合金からなるパイプに挿入し、これを縮径加工した後熱処理することによって多芯線のNb3Al化合物系超電導線材を得ることができる。
【0016】
一方、上記目的を達成することのできた複合線材とは、NbまたはNb合金からなるNb含有シートと、AlまたはAl合金からなるAl含有シートを用い、これらを重ね合わせて芯材に巻取って構成したロール状積層物の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体を配置し、これをCuまたはCu合金からなるパイプに挿入したものである点に要旨を有するものである。
【0017】
またこの複合線材においては、前記管状体は、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなるシートをロール状積層物の外周に巻き付けることによって管状にしたものが好ましく、この管状体は、更にHfおよび/またはTaを10質量%以下で含有するものであることが好ましい。
【発明の効果】
【0018】
本発明方法では、Nb3Al系超伝導線材をジェリーロール法によって製造するに際して、Nb含有シートとAl含有シートを重ね合わせて芯材に巻取って構成したロール状積層物の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体を配置し、これをCuまたはCu合金からなるパイプに挿入した構成の複合線材を用いることによって、超電導接続のためにCuまたはCu合金からなるパイプを溶解除去して露出させたフィラメント部分は良好な超電導特性を有するものであるので、得られた超電導線材は良好な超電導接続が実現できることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
超電導接続された部分が配置される場所は、超電導マグネットが発生する磁場の影響をできるだけ受けにくいところ(例えば、マグネットの外周部や上部)とされるのが一般的である。しかしながら、20T(テスラ)を超える磁場を発生する超高磁場マグネットでは、超電導部分が受ける磁場はどうしても2〜3T程度になってしまうことがある。
【0020】
本発明者らは、フィラメントを露出させた状態で、液体ヘリウム温度(4.2K)で外部磁場が5T未満のような環境下であっても、その外周面に超電導特性が失われないような物質(即ち、上臨界磁界Hc2が5T以上の物質)がフィラメント外周に存在するような構成にすれば良いとの着想の下で、更に検討を重ねた。
【0021】
その結果、Nb含有シートとAl含有シートを重ね合わせて芯材に巻取って構成したロール状積層物の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体を配置し、これをCuまたはCu合金からなるパイプに挿入した構成の複合線材を用いれば、上記目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の構成を、図面に基づいて詳細に説明する。
【0022】
図2は本発明の複合線材を模的式に示した断面図であり、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回避する。本発明の複合線材10では、芯材1、Nb含有シート2およびAl含有シート3からなるロール状積層物4の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体15を配置し、これらをCuまたはCu合金からなるパイプ5に挿入したものである。
【0023】
図2に示したように、ロール状積層物4の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体15を配置することによって、外部磁場が2〜3Tの環境下であっても安定した超電導接続が可能になるのである。即ち、管状体15として使用される上記Nb合金は、上臨界磁界Hc2が5T以上であるので、パイプ5を溶融してフィラメント(ロール状積層物4に相当する部分)を露出させた状態では、外部磁場が2〜3Tの環境下であってもフィラメント全体での超電導状態が維持されているので、安定した超電導接続が可能となり、Nb3Al線材での永久電流運転のマグネットが実現できることになる。
【0024】
前記管状体15の素材として用いられるNb合金中のTiおよび/またはZrの含有量と上臨界磁界Hc2(4.2Kのとき)の関係を図3に示す。この結果から明らかなように、Tiおよび/またはZrの含有量が10〜70質量%のときに、4.2Kのときの上臨界磁界Hc2が5T以上とできることが分かる。また、図3から明らかなように、Tiおよび/またはZrの含有量が40〜50質量%のときに上臨界磁界Hc2が最も高い値を示していることが分かる。
【0025】
本発明の複合線材10に配置される管状体15は、上記のようにTiやZrを10〜70質量%含むNb合金からなるものであるが、このNb合金中には必要によって、Hfおよび/またはTaを含有することも推奨される。これらの元素は、Nb合金の上臨界磁界Hc2を1〜2T程度高める作用を発揮することを確認しており、必要によって含有させることにより、超電導接続がおかれる磁場環境が1〜2T程度悪化した位置にならざるを得ない状況下であっても、超電導接続が安定に当初の機能を発揮することができる。但し、これらの元素の含有量が増加し過ぎると、線材加工が困難になるので、10質量%程度までにするのが良い。
【0026】
本発明に係る複合線材において、前記管状体15を配置するに際しては、Nb合金を用いて予め管状(パイプ状)に形成したものを用いることができるが、Nb合金をシート状にしたものをロール状積層物の外周に巻き付けて管状体とする構成も採用することができる。こうした構成を採用すれば、管状体15の寸法(外径や内径)の自由度が増すとともに、作製作業も容易になるという利点がある。尚、この管状体の厚みは、線材製造時の単重(ロット当たりの重量)により適宜変更し得る。例えば、単重が大きくなれば、加工前のビレット径が大きくなり、管状体の厚みも増となる。
【0027】
上記のような構成の複合線材を複数本束ねて、CuまたはCu合金からなるパイプに挿入し、これを縮径加工して六角断面形状にして、同じ様に六角断面形状にしたCuまたはCu合金スペーサ(図示せず)とともに複数本束ね、これらをCuまたはCu合金製パイプ内に挿入して、押出し加工および伸線加工を行い、多芯型のNb3Al系超電導線材製造用複合線材を得る。この複合線材を最終的に、比較的低い温度(例えば、700〜800℃程度)で熱処理することによって、Nb含有シート2とAl含有シート3の間で反応が進行し、Nb3Al系超電導体相が形成されてNb3Al系超伝導線材を得ることができる。
【0028】
以下、本発明を実施例によって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】
【0029】
実施例
厚さ0.1mm、幅200mmの純Nbシートを直径14mmの無酸素銅(芯材)に1周巻き付け、その後、厚さ0.03mm、幅200mmの純度99.99%のAlシートとNbシートを交互に重ね巻きし、直径が58mmとなるまでAlとNbの間にできるだけ隙間が生じないように巻き重ね、ロール状積層物を作製した。このとき、ロール状積層物は、Alシートの外側端部からNbシートが1周分多くなるように重ね巻きしている。
【0030】
作製したロール状積層物に対して、厚さ0.2mm、幅200mmのNb−47質量%Ti合金シートを4周巻き込み、外径65mm、内径60mmの無酸素銅製パイプ内に挿入して複合線材(本発明材)とした。
【0031】
このとき比較材として、Nb−47質量%Ti合金シートを巻かずに、外径58mmの上記ロール状積層物を、外径65mm、内径58mmの無酸素銅製パイプ内に挿入して構成した複合線材(比較材1)、およびNb−47質量%Ti合金シートの代わりに、外径58mmの上記ロール状積層物にそのままNbシートを約4周巻き込み、外径65mm、内径60mmの無酸素銅製パイプ内に挿入して構成した複合線材(比較例2)も作製した。
【0032】
また別の比較材として、外径58mmの上記ロール状積層物に、Nb−5質量%Ti合金シートまたはNb−80質量%Ti合金シート(厚さ0.2mm、幅200mm)の夫々を4周巻き込み、外径65mm、内径60mmの無酸素銅製パイプ内に挿入して構成した複合線材(比較材3、4)も作製した。
【0033】
これらの複合線材の両端部を封じて、押出しビレットとし、これを常温での静水圧押出しにより直径33mmに押出した。その後、ダイス伸線によって、直径が0.2mmとなるまで縮径加工した。このときの縮径加工においては、中間焼鈍等は必要なかった。
【0034】
直径0.2mmの試料の夫々を、長さ約15cm程度切り出し、真空中、750℃で50時間の熱処理(拡散熱処理)を行い、Nb3Sn相を生成させ、臨界電流密度測定用試料とし、夫々の試料について外部磁場12Tにおける1μV/cmで定義した臨界電流(4.2K)を測定した。その結果を、非銅部当たりに換算した臨界電流密度Jcとして、下記表1に示す。
【0035】
【表1】

【0036】
この結果から明らかなように、本発明材および比較例2〜4のものでは、臨界電流密度Jcが550A/mm2を超えており、利用上の問題はないと判断できる。これに対して、比較材1のものでは、臨界電流密度Jcが370A/mm2にとどまっていることが分かる。これは、比較材1のものでは、NbとAlが反応してNb3Al相は生成するが、反応が過剰になって、AlとCuマトリクスが反応して臨界電流密度の劣化に繋がったものと考えられる。
【0037】
次に、これらの試料の超電導接続性を評価するために、直径0.2mm、銅比0.6のNbTi単芯線(Ti含有量:47質量%)を準備した。このNbTi単芯線および各試料の夫々の長さ5cm程度を、硝酸水溶液に浸漬し、銅部を十分に除去し、水洗した後乾燥させた。引き続き、2cmに亘りNbTi単芯線と各試料の芯部が十分に接触するっように超音波はんだで接着させた。はんだ接続部の抵抗を、印加電流5Aで、4端子法で磁場をゼロから徐々に増加させながら測定した。各試料について、0.1μV/cmの電圧が発生する磁場(抵抗発生磁場、温度4.2K)を下記表2に示す。
【0038】
【表2】

【0039】
この結果から明らかなように、本発明材で料は4.2Tの磁場でようやく抵抗が発生することが分かる。これに対して、比較材1、3、4のものでは、夫々1.5T、0.5T、0.3Tで抵抗が発生しており、本発明材と比べて低い値となっていることが分かる。また、比較材2のものでは、0.03Tの極めて低い磁場で抵抗が発生しているが、これはNb3Al相とCu間に存在するNbが常電導化したためであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】ジェリーロール法によってNb3Al系超電導線材を製造するときに用いられる複合線材の構成を示す断面図である。
【図2】本発明に係る複合線材の一構成例を示した断面図である。
【図3】Nb合金中のTiおよび/またはZrの含有量と上臨界磁界Hc2(4.2Kのとき)の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0041】
1 芯材
2 Nb含有シート
3 Al含有シート
4 ロール状積層物
5 CuまたはCu合金からなるパイプ
10 複合線材
15 管状体

【特許請求の範囲】
【請求項1】
Nb3Al系超電導線材をジェリーロール法によって製造するに当たり、NbまたはNb合金からなるNb含有シートと、AlまたはAl合金からなるAl含有シートを用い、これらを重ね合わせて芯材に巻取って構成したロール状積層物の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体を配置し、これをCuまたはCu合金からなるパイプに挿入した複合線材を縮径加工した後熱処理することを特徴とするNb3Al系超電導線材の製造方法。
【請求項2】
前記複合線材を複数本束ねて、CuまたはCu合金からなるパイプに挿入し、これを縮径加工した後熱処理する請求項1に記載のNb3Al系超電導線材の製造方法。
【請求項3】
ジェリーロール法によってNb3Al系超電導線材を製造する際に用いる複合線材であって、NbまたはNb合金からなるNb含有シートと、AlまたはAl合金からなるAl含有シートを用い、これらを重ね合わせて芯材に巻取って構成したロール状積層物の外周に、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなる管状体を配置し、これをCuまたはCu合金からなるパイプに挿入したものであることを特徴とするNb3Al系超電導線材製造用複合線材。
【請求項4】
前記管状体は、Tiおよび/またはZrを10〜70質量%含むNb合金からなるシートをロール状積層物の外周に巻き付けることによって管状にしたものである請求項3に記載のNb3Al系超電導線材製造用複合線材。
【請求項5】
前記管状体は、更にHfおよび/またはTaを10質量%以下で含有するものである請求項3または4に記載のNb3Al系超電導線材製造用複合線材。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2006−79993(P2006−79993A)
【公開日】平成18年3月23日(2006.3.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−264135(P2004−264135)
【出願日】平成16年9月10日(2004.9.10)
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】